Другими словами, насколько тяжелыми могут быть элементы?
Если взглянуть на современную версию периодической таблицы, она кажется завершенной. С 2010 года седьмой период заполнен полностью, а восьмой еще не начат. Возникает вопрос: открыли ли мы, или создали, все возможные элементы? Даже если это не так, может ли существовать некий предел, за которым невозможно создать новые элементы? Ответ, вероятно, отрицательный – но есть несколько интересных нюансов.
Содержание
Для начала, немного химии. Элементы определяются числом протонов в их ядре. Шесть протонов – это углерод, 26 протонов – железо, 92 – уран. Атомный номер элемента равен числу его протонов. Все элементы, кроме водорода, нуждаются в нейтронах, чтобы удерживать протоны вместе, но именно число протонов имеет значение. На самом деле, в большинстве случаев ядро будет стабильным или достаточно долгоживущим с разным числом нейтронов, создавая разные изотопы элемента. Например, существует пять стабильных изотопов никеля.
Периодическая таблица изначально была построена из встречающихся в природе элементов на основе сходства их химических свойств и была заполнена до урана. Понимая, что элементы с числом протонов больше 92 в природе не встречаются, ученые попытались создать их искусственно.
Синтетические элементы
На сегодняшний день мы создали 26 таких “трансурановых” элементов. И ни один из них не стабилен. Причина, по которой мы не находим их в природе, не в том, что они никогда не существовали; почти наверняка многие из них создавались в сверхновых и килоновых. Однако все они достаточно радиоактивны, так что те, чье происхождение предшествовало Земле, давно распались на другие элементы. Производство более поздними событиями было слишком ограниченным, чтобы привнести заметные количества в Солнечную систему.
Производство первых трансурановых элементов оказалось относительно простым. Нептуний и плутоний были получены путем бомбардировки урана легкими ядрами, так что некоторые из них захватывались, создавая более тяжелые элементы. Производство достаточного количества плутония для создания атомной бомбы, возможно, было серьезной проблемой во время Второй мировой войны, но по мере совершенствования процесса это стало слишком простой задачей для человечества. С периодом полураспада в сотни тысяч или миллионы лет ни один из этих элементов не сохранился с момента зарождения Земли, но после их создания у нас было достаточно времени, чтобы изучить их свойства.
Следующие элементы седьмого периода, америций и кюрий, были получены всего через несколько лет подобным же способом и без особых трудностей. Их периоды полураспада короче, но все еще достаточно велики, чтобы накопить запасы любого из этих элементов для исследований.
С конца 1940-х до 1960-х годов новые элементы открывали каждые несколько лет, неуклонно продвигаясь по таблице. Некоторые из них были получены целенаправленно путем бомбардировки тяжелых элементов легкими ядрами, другие обнаружены в радиоактивных осадках после испытаний ядерного оружия. Однако чем дальше мы продвигаемся по периоду 7, тем сложнее становится создавать новые элементы, а их периоды полураспада становятся короче, хотя эта закономерность не является абсолютной. Самые долгоживущие изотопы рентгения (атомный номер 111) и дармштадтия (110) имеют периоды полураспада, измеряемые секундами, но рентгений живет дольше дармштадтия, несмотря на то, что находится на всего одну клетку дальше. У московия (115) даже самый большой период полураспада измеряется миллисекундами. Мы не можем реально изучить его химию, потому что даже если бы мы могли получить его в большом количестве, у нас бы не было времени, чтобы мы смогли бы провести хоть какой-нибудь эксперимент.
С 2010 года, когда был получен теннессин (117), ни одного нового элемента не было объявлено, хотя названия и официальное признание последних элементов произошли в 2015/2016 годах. Оганесон (118), полученный раньше теннессина, имеет еще более короткий период полураспада, менее миллисекунды, и было получено всего несколько атомов этого элемента.
Итак, это предел? Скорее всего, нет. Нет теоретических причин, почему более тяжелые элементы невозможны. Периоды таблицы отражают химию элементов, обусловленную электронами, а не физику ядра, поэтому теоретически нет ничего, что мешало бы нам начать еще один ряд. Тем не менее, учитывая, как трудно было создать последние несколько элементов, можно ожидать, что создавать новые и наблюдать их до распада будет еще труднее. Не существует непреодолимого предела, как у скорости света, но уровень сложности, как ожидается, будет продолжать расти.
Неожиданный поворот – возможный остров стабильности
Более 50 лет назад физики предположили, что где-то в районе атомного номера 164 может существовать “островок стабильности”. В последнее время одним из главных сторонников этой идеи является доктор Юрий Оганесян, чье имя, возможно, покажется знакомым, что отражает то уважение, с которым к нему относятся коллеги в области создания сверхтяжелых элементов. Создать элементы с таким большим ядром будет, мягко говоря, непросто. Однако, если мы сможем это сделать, идея заключается в том, что они смогут существовать в течение длительных периодов времени.
Недавно эта идея получила новый импульс благодаря тому, что астероиды, такие как 33 Полигимния и Психея, оказались очень плотные, что особенно удивительно в случае Полигимнии. Вероятно, эта кажущаяся плотность просто отражает ошибки измерения – мы можем переоценивать массу и недооценивать их объем. Однако гораздо более заманчивое объяснение заключается в том, что эти астероиды построены вокруг ядер из элементов, находящихся вблизи предполагаемого островка стабильности. Плотность элементов увеличивается не совсем пропорционально атомному номеру, но в целом элементы с более высоким номером плотнее, а любой элемент с атомным номером около 160 должен быть невероятно тяжелым. Если такие элементы были выкованы колоссальной силой килоновой, они были бы вечными, или почти вечными. Небольшие количества таких элементов могли попасть в нашу Солнечную систему. Внутри планет они опускались бы к центру и составляли бы такую малую часть ядра, что их невозможно обнаружить, но приличное количество могло бы повысить среднюю плотность астероида до такой степени, что мы заметили бы нечто странное.
Если это правда, и мы могли бы доставить образец таких элементов на Землю, он мог бы стать основой для создания элементов с атомными номерами до 170. Они могут находиться за пределами островка стабильности и поэтому быть очень короткоживущими, но их все равно можно было бы получить хотя бы на очень короткое время.
Читайте также: Темная материя может иметь свою собственную “невидимую” периодическую таблицу элементов
