Аркадий Курамшин - Жизнь замечательных веществ

Сверхтяжелые элементы отличаются небольшими временами жизни, что не позволяет применять их на практике, однако их изучение даёт возможность физикам и химикам лучше понять строение атомного ядра и получить еще более точные модели сильных внутриядерных взаимодействий, предсказать устойчивость и неустойчивость различных нуклидов.

Теоретические предсказания того, какую часть таблицы Менделеева ещё хотя бы принципиально можно заполнить, довольно сильно разнятся. Физик Ричард Фейнман предсказывал, что последним элементом Периодической системы станет элемент № 137. Это предсказание опирается на эйнштейновскую модель относительности: по мере увеличения заряда ядра электроны начинают двигаться все быстрее и быстрее, и в какой-то момент скорость электронов, при которой они не упадут на ядра, должна перевалить за скорость света, что физически невозможно. Другие расчёты говорят о том, что предел Периодической системы расположен гораздо дальше – в районе ядра, содержащего около 170 протонов.

Хотя четыре новобранца таблицы Менделеева живут недолго и самый стабильный из них нуклид – один из изотопов нихония – распадается за 19–20 секунд, исследователи ожидают обнаружить остров стабильности в районе элементов с номерами 120–126. Эти «магические» числа протонов соответствуют полностью заполненным ядерным оболочкам, которые должны быть стабильны, как и полностью заполненные валентные оболочки инертных газов.

Исследователи надеются, что дважды магические изотопы унбинилия и унбигексия (элемента № 126), содержащие и магическое количество протонов, и магическое количество нейтронов, должны жить гораздо дольше, чем другие изотопы этих элементов. Правда, оценка времени жизни этих ядер достаточно сильно различается и может исчисляться как десятками минут, так и миллионами лет. В подтверждение гипотезы «острова стабильности» исследователи уже приводят информацию об устойчивости известных изотопов сверхтяжелых элементов, содержание нейтронов в которых приближается к магическому числу 184. Дулльманн заявляет, что Святым Граалем в синтезе сверхтяжелых элементов является получение ядра со 184 нейтронами, однако пока ещё этот Святой Грааль не стремится открыть себя ищущим его.

Как-то раз на вводной лекции юрист, читавший студентам-химикам Казанского университета основы правоведения, пытался давить аудиторию на жалость, заявляя, что юристом быть тяжело, слишком много всего приходится держать в голове, законы постоянно меняются, и чтобы остаться на плаву, нужно быть в курсе изменений, а вот у химиков просто не жизнь, а рай – учение Менделеева бессмертно, потому что оно верно. В представлении этого преподавателя Периодическая система казалась такой скрижалью химического завета, изменения в которой просто невозможны. Естественно, это впечатление ошибочно – в таблице Менделеева появляются новые химические элементы, что-то из нее исчезает (вопреки распространенному анекдоту у Менделеева на первом месте был не водород, а невесомый мировой эфир, он же), в результате более точного пересчета могут меняться значения внесенных в Периодическую систему атомных весов и атомных радиусов.

Нет ничего более постоянного, чем значения атомных радиусов. Мартин Рам (Martin Rahm), Роальд Хоффманн (Roald Hoffmann) и Нейл Эшкрофт (Neil W. Ashcroft) из Корнельского университета показали, что эти справочные значения можно (и нужно) подкорректировать. Пытаясь добиться большей точности и системности в представлениях о факторах, управляющих размером атомных ядер, эти исследователи провели систематическое теоретическое определение атомных и ионных радиусов элементов Периодической системы с номерами от 1 до 96 (Chem. Eur. J. 2016, V. 22, Issue 41, P. 14625–14632; DOI: 10.1002/chem.201602949).

Бытует мнение, что все вопросы, связанные с определением размеров атомов и ионов, были решены в прошлом веке. В защиту такой точки зрения говорят и огромное количество надежных теорий, и большой массив экспериментальных данных. Кажется, что и теория, и эмпирические данные позволяют говорить о значении радиуса атомов в составе вещества с любым типом связи и находящемся в любом агрегатном состоянии. Тем не менее, как утверждают исследователи, пока нет еще возможности точно ответить на вопрос: «Чему равен размер атома или иона?»