Все имеет начало, и все имеет конец. Атомы тоже

18 марта 1869 года Николай Меншуткин прочитал на заседании Русского химического общества знаменитый доклад Дмитрия Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов». Вскоре его опубликовали в Журнале Русского физико-химического общества. «Чердак» решил вспомнить, как устроена таблица Менделеева, и даже поговорил с нашим соотечественником, в честь которого назван один из элементов, — Юрием Цолаковичем Оганесяном.

Элементы, и почему их сложно собрать в таблицу

Химический элемент — это множество атомов с одинаковым числом протонов в ядре (а вот число нейтронов может отличаться). Число протонов определяет число электронов, которые расположены вокруг ядра, а число электронов, в свою очередь, задает свойства атома и то, как он будет взаимодействовать с другими атомами. С точки зрения квантовой механики, которая описывает поведение электронов в атоме, периодическая таблица устроена очень просто и логично, вот только во времена Менделеева об электронах и квантовой механике еще никто даже не слышал.

Сложности, которые стояли перед ученым, были не только в отсутствии теоретической базы. Сегодня можно было бы сказать, что закономерности в свойствах элементов очевидны. Так, щелочные металлы — литий, натрий и калий, к примеру, — все как один реагируют с водой и легко вступают в химические реакции. Инертные газы столь же дружно отказываются реагировать с чем-либо, по крайней мере, в нормальных условиях. Фтор, хлор и прочие галогены — все окислители, а идущие подряд лантаноиды и актиноиды (две нижние строчки в стандартной школьной таблице) — металлы. Заметить это кажется несложным, но вот только в 1869 году половина мест в таблице пустовала. Впрочем, и самой-то таблицы не было: первый известный экземпляр изготовили в 1876 году. Сейчас она находится в Большой химической аудитории СПбГУ.

Не было ни информации об инертных газах, ни даже понятного метода определения порядкового номера элемента (это сейчас мы знаем, что он равен числу протонов). Существовала путаница с лантаноидами, редкоземельными металлами: их часто путали, не могли разделить за неимением должных технологий. Даже сам лантан, благодаря которому вся эта группа элементов получила свое название, в чистом виде получили лишь в 1923 году.

Работа в условиях неполной информации и отсутствия атомной теории была гораздо сложнее, так что открытие Менделеевым периодического закона стало настоящей сенсацией.

Дальше и больше

Сейчас ученым известно 118 идущих подряд элементов — от водорода до оганесона. На тему расширения таблицы «Чердак» поговорил с исследователем, который непосредственно связан даже не с одним, а сразу со многими новыми элементами. Юрий Цолакович Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флёрова в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, человек, в честь которого назван 118-й элемент, рассказал о том, зачем нужно расширять таблицу Менделеева.

[Ch.]: Вряд ли в позапрошлом столетии кто-то себе представлял, на что будут похожи новые элементы в нижней части таблицы. А они всё появляются и появляются. Есть ли вообще теоретический верхний предел для размера атома?

[ЮО]: Все имеет начало, и все имеет конец.  Атомы тоже. Согласно строгой теории квантовой электродинамики, мир атомов (элементов) кончается на атомных номерах 172-174. На самом деле, из-за релятивистского эффекта «роста массы» электрона при скорости, близкой скорости света, предел может наступить гораздо раньше. Сейчас этот вопрос исследуют теоретики. Потом последуют эксперименты.

[Ch.]: Обычному человеку сложно себе представить, как получают и изучают короткоживущие изотопы, ведь иногда они живут крохотные доли секунды. А существует ли теоретическая вероятность, что когда-нибудь будут получены более стабильные изотопы тяжелых элементов?

[ЮО]: Изотопы новых элементов получают в ядерных реакциях, посредством слияния их ядер. Изучают новые нуклиды с помощью экспрессных методик, способных выделить новое сверхтяжелое ядро из триллиона других ядер — побочных продуктов реакции. Современная техника эксперимента применима к изотопам, время жизни которых — не более микросекунды.

По всей вероятности, новые элементы получены будут. Синтезированные в последние годы сверхтяжелые элементы от 114-го до 118-го находятся на берегу так называемого острова стабильности. В вершине этого острова изотопы, обогащенные нейтронами, могут жить, согласно теории, сотни тысяч и даже миллионы лет. Путь к вершине будет знаменоваться резким подъемом стабильности. Не исключено, что «долгожители» будут найдены в космосе. Сейчас на эту тему много дискуссий.

[Ch.]: Мы легко можем себе представить железо или кремний, потому что они существуют в привычном нам большом количестве и потому тоже кажутся «представимыми». Но как представить себе тяжелые элементы, если они не образуют вещество в привычном нам виде?

[ЮО]: Под «привычным видом» подразумевается, видимо, большое количество вещества. На самом деле, в этом нет острой необходимости. И хотя представить себе эти элементы в очень большом количестве нельзя, штучные атомы уже дают нам такие характеристики, как температура плавления или температура кипения. Для этого не нужны миллиарды (а если говорить про видимые количества, то это даже не миллиарды, а триллионы) атомов. Принятые в макромире критерии прямо в микромире, основе основ, не работают. Но в современной науке субатомных количеств вполне достаточно для определения физических и химических свойств вещества. Электронная структура самого атома, соединение атомов в молекулы и далее — все это происходит под действием электромагнитных сил и описывается квантовой электродинамикой. Это строгая теория, с ее помощью можно рассчитать и большую электростанцию, и крошечный микрочип, и она позволяет сначала рассчитать, а потом сделать. К сожалению, в ядерной физике, где работают ядерные силы, нам пока неизвестные, мы вынуждены использовать различные модели. Области их применения ограничены, а предсказания иногда противоречивы.

[Ch.]: Соблюдаются ли закономерности, обнаруженные Менделеевым, в последних элементах? Что вообще будет дальше, как вы думаете? Как будет заполняться знаменитая таблица?

[ЮО]: Химические свойства вещества определяются характеристиками последнего электрона в атоме, характер взаимодействия которого с другими атомами, или химическое поведение элемента, можно отнести, согласно  Менделееву, к одной из восьми групп. Насколько выполняется это правило, когда число элементов со времен Менделеева возросло с 63 до 118? Этим по сей день занимаются исследователи во многих лабораториях мира.

Менделееву были известны только природные элементы. Все элементы тяжелее 92-го, урана, рукотворны, созданы человеком. Химическое поведение всех последующих 20 искусственных элементов до 112-го включительно следует их легким гомологам, полученным в природном синтезе. Некоторые отличия начинают наблюдаются у 112-го и сильнее — у 114-го элемента. Эти отличия связывают с влиянием так называемого релятивистского эффекта, обусловленного релятивистским ростом массы электрона в сильном электрическом поле тяжелейших атомов. С ростом атомного номера релятивистский эффект быстро возрастает. Согласно теории, это обстоятельство приведет к размытию периодичности в этих элементах, а потом и к исчезновению групповых различий.

[Ch.]: Можно ли будет говорить о прикладном значении элементов с острова стабильности?

[ЮО]: Нет, к счастью или к сожалению. Для прямого применения наших результатов может быть важно не то, что искали, а то, что мы находим по пути к заветной цели. Сами элементы в своих штучных количествах не имеют практического применения. Но они непредсказуемо меняют наши представления, наше мировоззрение, если угодно, и это их основное назначение.