«Кот Шрёдингера»

Оганесон: попасть в клеточку

Международный союз теоретической и прикладной химии утвердил названия четырёх новых элементов таблицы Менделеева: 113-го, 115-го, 117-го и 118-го. Последний, Oganesson, сокращенно Og, назван в честь российского физика, академика Юрия Оганесяна. Учёные попадали «в клеточку» и раньше: Менделеев, Эйнштейн, Бор, Резерфорд, чета Кюри… Но лишь второй раз в истории это произошло при жизни учёного. Прецедент случился в 1997 году, когда такой чести удостоился Гленн Сиборг. Юрию Оганесяну давно прочат Нобелевскую премию. Но, согласитесь, получить собственную клеточку в таблице Менделеева куда круче.

В нижних строках таблицы вы легко найдёте уран, его атомный номер 92. Все последующие элементы начиная с 93-го — это так называемые трансура ны. Некоторые из них появились примерно 10 миллиардов лет назад в результате ядерных реакций внутри звёзд. Следы плутония и нептуния были обнаружены в земной коре. Но большинство трансурановых элементов давно распалось, и теперь можно лишь предсказывать, какими они были, чтобы потом пытаться воссоздать в лабораторных условиях.
Первыми это сделали в 1940 году американские учёные Гленн Сиборг и Эдвин Макмиллан. Родился плутоний. Позднее группа Сиборга синтезировала америций, кюрий, берклий… К тому времени чуть ли не весь мир включился в гонку за сверхтяжёлыми ядрами.

В 1964 году новый химический элемент с атомным номером 104 впервые синтезировали в СССР, в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ), который находится в подмосковной Дубне. Позднее этот элемент получил имя «резерфордий». Руководил проектом один из основателей института Георгий Флёров. Его имя тоже вписано в таблицу: флеровий, 114. По следам тех событий классик советской журналистики Валерий Аграновский написал документальную повесть «Взятие сто четвёртого». Цитаты из неё мы приводим в тексте.

Юрий Оганесян был учеником Флёрова и одним из тех, кто синтезировал резерфордий, потом дубний и более тяжёлые элементы. Благодаря успехам советских учёных Россия вырвалась в лидеры трансурановой гонки и сохраняет этот статус до сих пор.
«Мне по наивности казалось, что каждый физик по секрету от своих коллег всё же мечтает забраться внутрь атома, чтобы собственными глазами увидеть протоны и нейтроны, собственными руками пощупать их и до конца разгадать тайну их взаимодействия и ещё выяснить, нет ли у альфа-частиц, как у ангелов, маленьких крыльев, когда они вылетают из атома».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.
Как дают названия новым элементам? Научные коллективы — авторы открытий направляют свои предложения в IUPAC. Комиссия рассматривает аргументы «за» и «против», исходя из следующих правил: «…вновь открытые элементы могут быть названы: (а) по имени мифологического персонажа или понятия (включая аст рономический объект), (б) по названию минерала или аналогичного вещества, (в) по названию населённого пункта или географической области, (г) в соответствии со свойствами элемента или (д) по имени учёного».

На этот раз названия новым элементам присваивали долго, почти год. Дата объявления решения несколько раз ото дви га лась. Напряжение нарастало. Наконец 28 ноября 2016 года, по истечении пятимесячного срока для приёма предложений и возражений общественности, комиссия не нашла причин отвергнуть нихоний, московий, теннессин и оганесон и утвердила их.

Кстати, суффикс «-он-» не очень типичен для химических элементов. Для оганесона он выбран потому, что по химическим свойствам новый элемент аналогичен инертным газам — это сходство подчёркивает созвучие с неоном, аргоном, криптоном, ксеноном.

Рождение нового элемента — событие исторического масштаба. На сегодняш ний день синтезированы элементы седьмого периода до 118-го включительно, и это не предел. Впереди 119-й, 120-й, 121-й… Изотопы элементов с атом ными номерами более 100 зачастую живут не более тысячной доли секунды. И кажется, чем тяжелее ядро, тем короче его жизнь. Это правило действует до 113-го элемента включительно. В 1960-х годах Георгий Флёров предположил, что оно не обязано неукоснительно соблюдаться по мере углубления в таблицу. Но как это доказать? Поиск так называемых островов стабильности более 40 лет был одной из важнейших задач физики. В 2006 году коллектив учёных под руководством Юрия Оганесяна подтвердил их существование. Научный мир вздохнул с облегчением: значит, смысл искать всё более тяжёлые ядра есть.
[Кот Шрёдингера] Юрий Цолакович, что же всё-таки представляют собой острова стабильности, о которых много говорят в последнее время?

[Юрий Оганесян] Вы знаете, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Но только строго определённое количество этих «кирпичиков» связаны друг с другом в единое тело, которое представляет ядро атома. Комбинаций, которые «не срабатывают», оказывается больше. Поэтому, в принципе, наш мир находится в море нестабильности. Да, есть ядра, которые остались со времён образования Солнечной системы, они стабильны. Водород, например. Участки с такими ядрами будем называть «континентом». Он постепенно уходит в море нестабильности по мере того, как мы продвигаемся к более тяжёлым элементам. Но, оказывается, если далеко уйти от суши, возникает остров стабильности, где рождаются ядра-долгожители. Остров стабильности — это открытие, которое уже сделано, признано, но точное время жизни долгожителей на этом острове пока не предсказывается достаточно хорошо.
«Итак, что значит искусственным путём получить новый элемент? Это значит изменить количество протонов в атомном ядре уже известного элемента так, чтобы ядро изменило свой порядковый номер. Если взять, например, ядро плутония (атомный вес — 94), влить в него ядро неона (атомный вес — 10), а потом заставить выпустить четыре нейтрона, то и получится 104-й элемент».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.
[КШ] Как были открыты острова стабильности?

[ЮО] Мы долго их искали. Когда ставится задача, важно, чтобы был однозначный ответ «да» или «нет». Причин нулевого результата на самом деле две: либо ты не дотянулся, либо того, что ищешь, вообще нет. У нас был «ноль» до 2000 года. Мы думали, что, может быть, теоретики и правы, когда рисуют свои красивые картины, но нам до них не дотянуться. В 90-е мы пришли к выводу, что стоит усложнить эксперимент. Это противоречило реалиям того времени: нужна была новая техника, а средств не хватало. Тем не менее к началу ХХI века мы были готовы опробовать новый подход — облучать плутоний кальцием‑48.

[КШ] Почему для вас так важен кальций-48, именно этот изотоп?

[ЮО] Он имеет восемь лишних нейтронов. А мы знали, что остров стабильности там, где избыток нейтронов. Поэтому тяжёлый изотоп плутония‑244 облучали кальцием‑48. В этой реакции синтезировали изотоп сверхтяжёлого элемента 114 — флеровия‑289, который живёт 2,7 секунды. В масштабах ядерных превращений это время считается достаточно длительным и служит доказательством того, что остров стабильности существует. Мы доплыли до него, и по мере продвижения вглубь стабильность только росла.

[КШ] Откуда бралась уверенность, что существуют острова стабильности?

[ЮО] Уверенность появилась, когда стало понятно, что ядро имеет структуру… Давно, ещё в 1928 году, наш великий соотечественник Георгий Гамов (советский и американский физик-теоретик. — «КШ») высказал предположение, что ядерное вещество похоже на каплю жидкости. Когда эту модель начали проверять, выяснилось, что она удивительно хорошо описывает глобальные свойства ядер. Но потом наша лаборатория получила результат, который коренным образом изменил эти представления. Мы выяснили, что в обычном состоянии ядро не ведёт себя подобно капле жидкости, не является аморфным телом, а имеет внутреннюю структуру. Без неё ядро существовало бы всего 10–19 секунд. Наличие же структурных свойств ядерной материи приводит к тому, что ядро живёт секунды, часы, и мы надеемся, что может жить сутки, а может быть, даже миллионы лет. Возможно, это слишком смелое предположение, но мы надеемся и ищем трансурановые элементы в природе.

[КШ] Один из самых волнующих вопросов: есть ли предел разнообразию химических элементов? Или их бесконечно много?

[ЮО] Капельная модель предсказывала, что их не более ста, — таков предел существования новых элементов. Сегодня их открыто 118. Сколько ещё может быть?.. Надо понять отличительные свойства «островных» ядер, чтобы делать прогноз для более тяжёлых. С точки зрения микроскопической теории, которая учитывает структуру ядра, мир наш не кончается за сотым элементом уходом в море нестабильности. Когда мы говорим о пределе существования атомных ядер, то должны обязательно это учитывать.

[КШ] Есть ли достижение, которое вы считаете главным в жизни?

[ЮО] Я занимаюсь тем, что мне на самом деле интересно. Иногда увлекаюсь очень сильно. Иногда получается что-то, и я радуюсь, что получилось. Это жизнь. Это не эпизод. Я не принадлежу к категории людей, которые мечтали быть научными работниками в детстве, в школе. Просто у меня хорошо получалось с математикой и физикой, поэтому я пошёл в тот вуз, где надо было сдавать эти экзамены. Ну, сдал. И вообще, я считаю, что в жизни мы все очень сильно подвержены случайностям. Правда ведь? Многие шаги мы делаем совершенно случайным образом. А потом, когда ты становишься взрослым, тебе задают вопрос: «Почему ты это сделал?» Ну, сделал и сделал. Это моё обычное занятие наукой.

«Летом 1959 года по одной из шоссейных дорог двигалась в Москву странная процессия. Впереди на мотоциклах — два капитана милиции, а за ними тяжёлый трейлер, обычно перевозящий танки. На этот раз он тащил груз, укрытый брезентом и весящий не менее сорока тонн. В кабине машины сидел мрачный пятидесятилетний шофёр с неизменной трубкой во рту, которого грузчики называли Павликом. <…> А рядом с ним — молодой человек по имени Юрий Оганесян.

И вот однажды процессия остановилась перед мостом через речку. На знаках было написано, что сооружение выдерживает одиннадцать тонн. <…> Павлик мрачно посоветовал выйти всем из кабины, заклинить руль, включить скорость, и будь что будет. Оганесян даже не улыбнулся.

Он вёз в Дубну главную часть нового циклотрона, и с его приездом должно было наступить то счастливое равновесие между мыслью учёных и техническими возможностями, которое предопределяет успех».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.

Боги и герои

// В честь кого называли химические элементы


Элемент: Ванадий

Когда открыт: 1801

В честь кого назван. Ванадис — скандинавская богиня любви, красоты, плодородия и войны (как у неё всё это получается?). Повелительница валькирий. Она же Фрейя, Гефна, Хёрн, Мардёлл, Сюр, Вальфрейя. Это имя дано элементу потому, что он образует разноцветные и очень красивые со еди нения, а богиня вроде тоже очень красивая.


Элемент: Ниобий

Когда открыт: 1801

В честь кого назван. Сначала ему дали имя «колумбий» в честь страны, откуда привезли первый образец минерала, содержащего этот элемент. Но потом был открыт тантал, который практически по всем химическим свойствам совпадал с колумбием. В итоге решено было назвать элемент именем Ниобы, дочери греческого царя Тантала.


Элемент: Палладий

Когда открыт: 1802

В честь чего назван. В честь открытого в том же году астероида Паллада, название которого тоже восходит к мифам Древней Греции.


Элемент: Кадмий

Когда открыт: 1817

В честь кого назван. Изначально этот элемент добывали из цинковой руды, греческое название которой напрямую связано с героем Кадмом. Сей персонаж прожил яркую жизнь: победил дракона, женился на Гармонии, основал Фивы.


Элемент: Прометий

Когда открыт: 1945

В честь кого назван. Да, это тот самый Прометей, который отдал огонь людям, после чего имел серьёзные проблемы с божественными властями. И с печенью.


Элемент: Самарий

Когда открыт: 1878

В честь кого назван. Нет, это не совсем в честь горо да Самары. Элемент был выделен из минерала самарскита, который предоставил европейским учёным горный инженер из России Василий Самарский-Быховец (1803–1870). Можно считать это одним из первых попаданий нашей страны в таблицу Менделеева (если не брать в расчёт её название, конечно).


Элемент: Гадолиний

Когда открыт: 1880

В честь кого назван. В честь Юхана Гадолина (1760–1852), финского химика и физика, открывшего элемент иттрий.


Элемент: Тантал

Когда открыт: 1802

В честь кого назван. Греческий царь Тантал обидел богов (есть разные версии, чем именно), за что в подземном царстве его всячески мучили. Примерно так же страдали учёные, стремясь получить чистый тантал. На это ушло больше ста лет.


Элемент: Торий

Когда открыт: 1828

В честь кого назван. Первооткрывателем этого элемента был шведский химик Йёнс Берцелиус, который и дал элементу имя в честь сурового скандинавского бога Тора.


Элемент: Кюрий

Когда открыт: 1944

В честь кого назван. Единственный элемент, названный в честь двух человек — нобелевских лауреа тов супругов Пьера и Марии Кюри.


Элемент: Эйнштейний

Когда открыт: 1952

В честь кого назван. Тут всё понятно: Эйнштейн (1879–1955), великий учёный.


Элемент: Фермий

Когда открыт: 1952

В честь кого назван. Назван в честь Энрико Ферми (1901–1954), итало-американского учёного, внёсшего большой вклад в развитие физики элементарных частиц, создателя первого ядерного реактора.


Элемент: Менделевий

Когда открыт: 1955

В честь кого назван. Это в честь нашего Дмитрия Ивановича Менделеева (1834–1907). Странно только, что автор периодического закона попал в таблицу не сразу, а лишь спустя почти сто лет после своего открытия. Но всё равно приятно.


Элемент: Нобелий

Когда открыт: 1957

В честь кого назван. Вокруг названия этого элемента долго шли споры. Приоритет в его открытии принадлежит учёным из Дубны, которые назвали его жолиотием в честь ещё одного представителя семейства Кюри — зятя Пьера и Марии Фредерика Жолио- Кюри (тоже нобелевского лауреата). Одновременно с этим группа физиков, работавших в Швеции, предложила увековечить память Альфреда Нобеля (1833–1896). Довольно долго в советской версии таблицы Менделеева 102-й значился как жолиотий, а в американской и европейской — как нобелий. Но в итоге IUPAC, признавая советский прио ритет, оставил западную версию.


Элемент: Лоуренсий

Когда открыт: 1961

В честь кого назван. Примерно та же история, что и с нобелием. Учёные из ОИЯИ предложили назвать элемент резерфордием в честь «отца ядерной физики» Эрнеста Резерфорда (1871–1937), американцы — лоуренсием в честь изобретателя циклотрона физика Эрнеста Лоуренса (1901–1958). Победила американская заявка, а резерфордием стал 104-й элемент.


Элемент: Резерфордий

Когда открыт: 1964

В честь кого назван. В СССР он назывался курчатовием в честь советского физика Игоря Курчатова. Окончательное название было утверждено IUPAC только в 1997 году.


Элемент: Сиборгий

Когда открыт: 1974

В честь кого назван. Единственный до 2016 года случай, когда элементу присвоили имя здравствующего учёного. Это было исключение из правила, но уж больно велик вклад Гленна Сиборга в синтез новых химических элементов.


Элемент: Борий

Когда открыт: 1976

В честь кого назван. Тут тоже была дискуссия о названии и приоритете открытия. В 1992 году советские и немецкие учёные договори лись назвать элемент нильс борием в честь датского физика Нильса Бора (1885–1962). IUPAC утвердил короткое название — борий.


Элемент: Мейтнерий

Когда открыт: 1982

В честь кого назван. Назван в честь Лизы Мейтнер (1878–1968), физика и радиохимика, работавшей в Австрии, Швеции и США. Кстати, Мейтнер была одним из немногих крупных учёных, отказавшихся участвовать в Манхэттенском проекте. Будучи убеждённой пацифисткой, она заявила: «Я не стану делать бомбу!»


Элемент: Рентгений

Когда открыт: 1994

В честь кого назван. В этой клеточке увековечен открыватель знаменитых лучей Вильгельм Рёнтген (1845–1923). Элемент синтезировали немцы, но в исследовательскую группу входили и представители Дубны, в том числе Андрей Попеко, интервью с которым опубликовано в этом номере.


Элемент: Коперниций

Когда открыт: 1996

В честь кого назван. В честь великого астронома Николая Коперника (1473–1543). Как он оказался в одном ряду с физиками XIX–XX века, не совсем понятно. И уж совсем непонятно, как называть элемент по-русски: коперниций или коперникий? Допустимыми считаются оба варианта.


Элемент: Флеровий

Когда открыт: 1998

В честь кого назван. Утвердив это название, международное сообщество химиков продемонстрировало, что ценит вклад российских физиков в синтез новых элементов. Георгий Флёров (1913–1990) руководил лабораторией ядерных реакций в ОИЯИ, где были синтезированы многие трансурановые элементы (в частности, от 102-го до 110-го). Достижения ОИЯИ увековечены также в названиях 105-го элемента (дубний), 115-го (московий — в Московской области расположена Дубна) и 118-го (оганесон).


Элемент: Оганесон

Когда открыт: 2002

В честь кого назван. Перво начально о синтезе 118-го элемента заявили американцы в 1999 году. И предложили назвать его гиорсий в честь физика Альберта Гиорсо. Но их эксперимент оказался ошибочным. Приоритет открытия признали за учёными из Дубны. Летом 2016 года IUPAC рекомендовал дать элементу название оганесон в честь Юрия Оганесяна.


«…Собираясь в Дубну, я понимал, что знаменитые сто пятьдесят ядер нового элемента, полученные группой Флёрова, не возвышаются горой в директорском кабинете наподобие ядрам французской мортиры в Историческом музее. В этом смысле многочисленным гостям Дубны не только нечего дарить, но даже и показывать».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.
Где нужны трансурановые элементы?

// Ядерное оружие, космос, медицина

Нептуний используется для получения плутония. Теоретически может служить топливом для ядерных реак торов нового поколения, работающих на быстрых нейтронах.

Плутоний — в производстве ядерного оружия, ядерного топлива, атомной энергии, а также элементов питания в космических аппаратах. Именно плутониевая бомба была взорвана в 1945 году на полигоне Аламогордо в США во время первого в мире испытания ядерного оружия.

Америций — для синтеза других сверхтяжёлых элементов и создания контрольно-измерительных приборов (в частности, для детекторов дыма). Теоретически мог бы стать топливом для ядерных реакторов на межпланетных космических кораблях.

Кюрий — в некоторых областях ядерных технологий. Мог бы иметь и более широкое применение, но уж очень дорог.

Берклий — для получения одного из изотопов калифорния.

Калифорний — в лучевой терапии для лечения опухолей и получения новых элементов: для синтеза 118-го мишень из калифорния‑249 бомбардировали кальцием‑48.

Эйнштейний — для получения менделевия.

Фермий — для синтеза дальнейших элементов.

Остальные трансураны, начиная с менделевия, пока не нашли применения: жизнь их ядер слишком коротка.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №12 (26) за декабрь 2016 г.
2023-02-28 19:10 / Законы природы #интервью