Де закінчується система Менделеева

Був час, коли таблицю елементів замикав уран, і тягнувся він, треба сказати, вельми довго. За ураном починалося Невідоме. Неспокійна думка вчених не могла відповісти на питання, чому в природі не виявлені елементи важче урану. Бути може, вони неймовірно рідкісні, можливо, не існують взагалі – недарма ж сам Менделєєв заповідав прийдешнім поколінням хіміків звернути на уран особливу увагу. Від останнього в списку елементів можна очікувати всяких сюрпризів, говорив великий вчений. Це передбачення почало збуватися вже за його життя. Адже саме уран привів Анрі Беккереля до відкриття явища радіоактивності.

Елементи кінця періодичної системи нестійкі – до такого висновку прийшла наука на початку двадцятого століття. Проста логіка підказувала, що трансуранові елементи володіли, мабуть, досить короткими періодами напіврозпаду і тому не збереглися до нашого часу. Ось чому менделєєвська система обривалася на урані.

Щоб дати відсутності трансуранових елементів в природі більш суворе наукове пояснення, нам доведеться зробити деякий відступ.

Всі елементи кінця таблиці Менделєєва, починаючи з полонію, радіоактивні. Лише уран і торій, що знаходилися на Землі в момент утворення Сонячної системи, збереглися з тієї пори на нашій планеті. Справа в тому, що існуючі в природі їх ізотопи – торій-232, уран-235, уран-238 – мають періоди напіврозпаду, що перевищують вік Землі (5 мільярдів років). Решта ж радіоактивні елементи – полоній, радій, актиній та інші – набагато менш довговічні. Ті їх кількості, які ми зараз виявляємо в земній корі, не були свідками утворення Сонячної системи і являють собою лише продукти розпаду урану і торію, так би мовити, вторинні елементи. Чому ж зобов’язані уран і торій своїй порівняно величезній довговічності?

Здавалося б, чим далі розташований елемент в періодичній системі, тим він нестійкіший. А на ділі періоди напіврозпаду ізотопів урану і торію перевершують періоди напіврозпаду всіх інших ізотопів радіоактивних елементів кінця періодичної системи в мільйони і десятки мільйонів разів.

Судіть самі. Сорок шість радіоізотопів входять до лав радіоактивних перетворень урану-238, урану-235 і торію-232. Тридцять чотири з них альфа-активні. Випускання ядер гелію (альфа-розпад) є головним видом розпаду у важких елементів. Для кожного альфа-активного ізотопу характерна своя величина енергії розпаду. Чим вище ця енергія, тим менш довговічний ізотоп, тим менше період його напіврозпаду. Фізики вимірюють енергію процесів мікросвіту в спеціальних одиницях – електронвольтах. Так, у астатин-213 енергія альфа-розпаду становить 9,2 мільйона, а у торію-232- 4,05 мільйона електрон-вольт. Перший гине, не встигнувши народитися, живе лише соті частки секунди; другий втрачає половину атомів за астрономічно великий термін – 14,5 мільярдів років.

Отже, більш легкий елемент виявляється куди менш стійким, ніж більш важкий. Парадокс? Мабуть! Щоб вирішити це протиріччя, нам доведеться заглибитися в самі надра атома, в його ядро. Воно, грубо кажучи, складається з двох сортів елементарних частинок – протонів і нейтронів. Ми ще дуже мало знаємо про природу ядерних сил – сил, що утримують в покорі складові елементи ядра, що не дають йому «розсипатися». Вчені пропонували різні моделі ядра; однією з них є так звана оболонкова модель. Суть її полягає в тому, що в ядрах передбачається наявність особливих нейтронних і протонних оболонок. В якому ж зв’язку вони знаходяться з радіоактивністю ядер?

Згадаймо спочатку звичайну хімію. У періодичній системі елементів є група інертних газів, в яку входять гелій, неон, аргон, криптон, ксенон і радон. Вони не утворюють хімічних сполук. Чому? Та тому, що їхні зовнішні електронні оболонки є дуже стійкими системами. Вони не схильні ні віддавати електрони, ні приймати нові. Всі інші елементи в реакціях, навпаки, прагнуть добудувати свої зовнішні електронні шари до структури найближчого «благородного» газу. Досягти оболонки з 8 електронів – ось «ідеал» хімічного елемента, що вступає в реакцію. Саме цей фундаментальний факт визначає в кінцевому рахунку хімічну активність елементів.

Як показали вчені, і серед ядер існують «ідеальні зразки», особливі ядерні структури. Це ядра, які містять 2, 8, 20, 50, 82 або 126 нейтронів або протонів; про них говорять, що вони мають замкнуті нейтронні або протонні оболонки. Ядра з подібними «магічними числами» нейтронів або протонів по багатьом якостям відрізняються від своїх сусідів. Наприклад, вони набагато стійкіше і значно більш поширені в природі.

Оболонкою з 126 нейтронів володіють ізотопи багатьох елементів кінця періодичної системи – полонію, астатину, радону, франція. Ізотопи, що мають більшу кількість нейтронів, прагнуть досягти цієї оболонки, шляхом «скидання» надлишкових нейтронів. А видалені ці нейтрони можуть бути тільки в складі альфа-частинки, іншими словами, шляхом альфа-розпаду. Ось чому елементи від полонію до радію так нестійкі по відношенню до альфа-розпаду; тут-то і криється причина їх недовговічності. Коли число нейтронів в ядрах помітно перевищує 126, прагнення досягти подібної структури слабшає, і енергія альфа-розпаду зменшується. А це, в свою чергу, призводить до зростання довговічності елемента. У торію, протактинію і урану вплив цієї оболонки вже мізерний.

Правда, тут вклинюється ще одна обставина: протактиній підводить те, що він елемент непарний, а непарні радіоелементи, як правило, менш стійкі, ніж їх парні сусіди. Цей факт знаходить пояснення в ядерній фізиці, але ми не будемо на ньому зупинятися. У елементів же, наступних за ураном, повинна позначатися інша тенденція. Дуже важкі ядра за самою своєю природою представляють малостійкі утворення; вони починають руйнуватися через власну «тяжкість». Дійсно, у нептунію, плутонію і наступних трансуранів енергія альфа-розпаду знову зростає. Тому-то вони занадто недовговічні, щоб зберегтися на Землі з моменту свого утворення; тому-то уран довгий час залишався останнім елементом періодичної системи.

Пошуки трансуранових елементів в природі представляли собою довгий ланцюг невдач і розчарувань. Зрештою, нептуній і плутоній виявили в земних мінералах, (а не в «космічного пилу»), але в кількостях, що представляють скоріше теоретичний інтерес. Весь нептуній і плутоній, що містяться на нашій планеті, помістилися б на середньої руки самохідній баржі. Вони – «всього лише» продукти ядерних реакцій урану з нейтронами.

Практично має сенс говорити лише про штучне отримання трансуранових елементів. У 1940 році були синтезовані нептуній і плутоній. У 1961 році світ дізнався про «народження» сто третього елемента – лоуренса. Зараз відомі різні методи отримання трансуранових елементів. Один з них – тривале (протягом декількох років) опромінення урану нейтронами. Так вдається синтезувати ізотопи елементів аж до фермію (порядковий номер 100). Механізм цих ядерних процесів нескладний: перевантажені нейтронами ядра урану піддаються бета-розпаду, що і призводить до утворення ядер з великими зарядами. Для синтезу окремих трансуранів (америцію, кюрія, берклію, каліфорнія) в якості бомбардуючих снарядів використовують альфа-частинки. Нарешті, останні трансуранові елементи отримуються вельми оригінальним способом, обстрілюючи уран, плутоній або кюрій прискореними іонами легких елементів періодичної системи – кисню, неону, вуглецю, бору.

Говорячи про межу періодичної системи, про її кінець, ми повинні знайти відповідь на питання: де межа синтезу нових елементів? Де той останній елемент, за яким ядерний синтез вже не матиме сенсу? Тут ми знову зробимо маленький відступ. Якщо простежити за історією відкриття ізотопів радіоактивних елементів, то виявляється цікава деталь. Спочатку вчені виявляли ізотопи з великими періодами напіврозпаду (сотні і десятки років, роки і дні), потім проникли в область годин і хвилин; далі їм вдалося «зловити» ізотопи, які жили секунди і десяті частки секунд.

Подібно до того, як вдосконалення мікроскопа дозволяло розглядати все більш і більш дрібні частинки, розвиток радіометричної техніки давав можливість «засікати» ізотопи з більш короткими періодами напіврозпаду. Отже, чим досконалішою буде апаратура, тим менш довговічні ізотопи вдасться виявити. Тільки тоді, коли ізотоп буде розпадатися фактично в момент утворення (його період напіврозпаду виявиться порядку 10 в мінус 20 ступені секунд), ніякі експериментальні хитрування вже не дозволять його зафіксувати.

У якого ж за рахунком трансуранового елемента слід чекати ізотопу з подібним періодом напіврозпаду? Щоб спробувати дати відповідь, розберемося спочатку в те, які види радіоактивного перетворення властиві важким ядрам?

По-перше, альфа-розпад, випускання ядер гелію; про його закономірність ми вже сказали раніше кілька слів. По-друге, мимовільне ділення ядер; воно в невеликому ступені проявляється вже у урану і торію (наприклад, період напіврозпаду урану-238 по такому розподілу становить 81016 років), а починаючи з фермію (порядковий номер 100), стає досить імовірним (так, фермій-255 має період напіврозпаду по мимовільному поділу рівний 20 рокам).

По-третє, так зване захоплення. Воно полягає в тому, що ядро за певних умов може поглинати електрон з найближчою електронною оболонкою. На честь цієї оболонки, яку фізики звуть К-оболонкою, захоплення і отримало своє ім’я. Оскільки електрон несе негативний заряд, то при К-захопленні загальний заряд ядра зменшується на одиницю; утворюється ядро ізотопу нового елемента, у якого порядковий номер також на одиницю менше, ніж у вихідного.

Який же з цих видів радіоактивних перетворень – альфа-розпад, мимовільне ділення або К-захоплення – виявиться фатальним для надважких трансуранових елементів? Для якого з них період напіврозпаду раніше всього досягне критичного мінімуму – 10 в мінус 20 ступені секунд?

Відразу покінчимо з К-захопленням. Візьмемо до уваги, що з ростом заряду ядра найближча до ядра К-оболонка присувається до нього все тісніше і тісніше. У урану, наприклад, К-оболонка розташована набагато ближче до ядра, ніж, скажімо, у калію або свинцю. Тепер уявімо собі, що важкі ядра трансуранових елементів були б схильні радіоактивним перетворенням тільки за допомогою К-захоплення. Тоді, стверджує теорія, можна було б безперешкодно синтезувати все нові і нові центурії аж до воістину ядра-гіганта із зарядом, рівним 137. Чому 137? А тому, що у такого атома К-оболонка виявилася б в безпосередній близькості від ядра, і електрони з неї моментально як би «провалювалися» в ядро. Про елементи з більш високими порядковими номерами тому не мало б сенсу говорити.

Число 137 давало б, таким чином, фізикам своєрідний ключ до синтезу більше 40 трансуранових елементів. Штучні елементи могли б скласти третину від усіх елементів періодичної системи.

Але вся біда в тому, що альфа-розпад і мимовільне ділення у надважких ядер куди більш вірогідні, ніж К-захоплення. Образно кажучи, цим ядрам легше віддати Богові альфа-частинку або «розколотися» навпіл, ніж захопити електрон з К-оболонки. Значить, саме першим двом можливостям судилося визначити нижню межу періодичної системи.

Відомий американський вчений Гленн Сіборг, чиє ім’я пов’язане з синтезом майже всіх трансуранових елементів, показав, що їх здатність до мимовільного поділу визначається величиною відносини квадрата заряду ядра до суми нейтронів і протонів в ньому. Чим більше це відношення, тим менше період напіврозпаду по мимовільному поділу. Для урану-238 він складає 35,5; в ізотопу, який би розпадався миттєво, він повинен дорівнювати приблизно 47. Така величина досягається у елементів із зарядами ядер 114-116.

Отже, якби ядра трансуранів розпадалися лише шляхом самовільного розподілу, нижня межа періодичної системи відсунулася б все ж таки досить далеко. Але головна роль належить все-таки альфа-розпаду, і саме від нього повинен загинути останній елемент таблиці Менделєєва.

Як ми вже знаємо, починаючи з нептунію, енергії альфа-розпаду ізотопів зростають; при цьому зменшується період напіврозпаду. У нептунію (порядковий номер 93) самий довгоживучий альфа-активний ізотоп розпадається наполовину за 2 мільйони років; у берклію (порядковий номер 97) – за 7000 років, а у ейнштейнію (порядковий номер 99) всього за 320 днів. У подальших елементів тривалість життя альфа-активних ізотопів зменшується ще швидше. Вчені передбачають, що у ізотопів елементів із зарядом ядра, рівним або більшим 104, «довговічність» вже не буде перевищувати мільйонної частки секунди. Правда, окремі ізотопи, ймовірно, будуть мати дещо великі періоди напіврозпаду. Справа в тому, що в цій області ядер з’явиться «магічна» оболонка з 152 нейтронів, і ті ядра, яким «пощастить» нею володіти, виявляться стійкіше своїх сусідів.

Іншими словами, оболонка з 152 нейтронів буде настільки ж стабільною, як 126-нейтронна. Однак ізотопи зі 153, 154 і т. д. нейтронами будуть ще більшою мірою схильні альфа-розпаду. Тому вчені припускають: у елементів із зарядами ядер 105-107 періоди напіврозпаду ізотопів по альфа-випромінюванню будуть вельми близькими до мінімального критичного значення.

Якщо, таким чином, орієнтуватися на альфа-розпад, то межа синтезу трансуранових елементів вже не за горами.

Були часи, коли відкриття нового хімічного елемента виявлялося подією для хімії, і хіміки починали детально вивчати його властивості, шукати можливості практичного застосування. Але в книзі про історію відкриття елементів глава про «трансурани» носитиме абсолютно особливий характер. Якщо властивості нептунію і плутонію вивчені добре, а плутоній до того ж одне з основних ядерних палив; якщо написані монографії з хімії америцію і кюрію, то мало що можна сказати про інші трансуранові елементи. Поки що вони – надбання тільки фізики. Адже справді, про яке вивчення властивостей можна говорити, якщо вчені синтезували лише 17 (!) атомів сто першого елемента – Менделєєва, а для сто другого і сто третій лічильник зафіксував лише поодинокі атоми.

До кінця періодичної системи як би зникає звичне нам уявлення про хімічний елемент. Але це жодною мірою не загрожує величній будівлі таблиці Менделєєва, і з колишньою силою звучать слова автора періодичного закону: «Майбутнє обіцяє не руйнування закону періодичності, а тільки розширення і розвиток!» З цією думкою великого вченого не можна не погодитися – вона підтверджувалася і підтверджується новими відкриттями фізики і хімії. В отриманні трансуранових елементів періодичний закон послужив прекрасним дороговказом. Але коли постало питання про розміщення їх у таблиці Менделєєва – тут вчені не змогли прийти до єдиної точки зору.

Однак – яка іронія долі! – коли питання про елементи важче урану ще тільки виникло, ніхто не сумнівався в тому, де вони в разі їх виявлення повинні були б розташовуватися в таблиці Менделєєва. Першому трансурану з порядковим номером 93 відводилося місце в сьомій групі періодичної системи разом з марганцем і його аналогами. Щодо 94, 95 і 96 елементів вважали, що вони з’являться благородними металами, подібними осмію, іридію і платини в шостому періоді. У тридцятих роках питання про трансурани почало перекочовувати з області теорії в практику. Варто було вченим почати додаток періодичної системи, тільки лише були отримані нептуній і плутоній, як з’ясувалися цікаві речі.

Дев’яносто третій і дев’яносто четвертий багато в чому були схожі за властивостями на уран, але не мали нічого спільного з іридієм або осмієм. Родичем урану в якійсь мірі виявився і америцій, елемент 95. Але вже починаючи з наступного центурію – кюрію, подібність трансуранових елементів зробилася настільки великою, що підшукувати для кожного з них окрему клітину в періодичній системі не мало сенсу.

Як нерідко буває в науці, вчені звернулися до аналогій. У шостому періоді таблиці Менделєєва містяться 14 дуже близьких за властивостями елементів – лантаноїдів. Вони так схожі один на одного, що їх усіх поміщають в одній клітині, клітині елемента лантану з порядковим номером 57. Особливості електронної структури важких атомів дозволили зробити сміливе припущення: у сьомому періоді системи Менделєєва має існувати сімейство елементів, подібне лантаноїдам. Чотирнадцять його представників – торій, протактиній, уран і трансуранові елементи аж до 103 – слід було тому помістити в клітину актинію, аналога лантану по третій групі. Автором цього припущення був Гленн Сіборг.

Актиноїдна (як її тепер називають) гіпотеза Сіборга завоювала визнання і стала надбанням підручників. Вона витончена і зручна, вона враховує схожість трансуранових елементів, нарешті, виділення актиноїдного сімейства надає додаткову симетрію таблиці Менделєєва: у шостому періоді – лантаноїди, в сьомому – актиноїди. Але … Але цілком погодитися з цією гіпотезою не можна. І ось чому. Адже «заганяючи» торій, протактиній, уран в клітину актинія, ми видаляємо їх зі звичних місць у четвертій, п’ятій і шостій групі. Ми уподібнюємо їх актинію, не маючи на те скільки-небудь серйозних хімічних підстав; навпаки, хімія цих елементів різна і має мало спільного з хімією актинія. За логікою речей актиноїди повинні бути аналогічні лантаноїдам, але тільки починаючи з кюрія трансуранові елементи виявляють належну схожість зі своїми попередниками по шостому періоду.

Словом, хоча фізики, виходячи з електронних структур атомів, призводять вагомі «за», хіміки висувають не менше вагомі «проти».

Французький радіохімік М. Гайсинський запропонував компромісне рішення. Він залишив торій, протактиній і уран на місцях, які відповідали їм здавна. Нептуній, плутоній і америцій – уранід – помістив в клітину урану, а елементи, наступні за кюрієм – кюріди, в клітку кюрія. Таке розташування найбільш важких елементів у періодичній системі непогано відображає їх хімічні властивості. Але симетрія таблиці Менделєєва при цьому руйнується. Стрункість актиноїдної гіпотези змінюється деякою хаотичністю.

Виходить, що і та й інша теорії вносять в періодичну; систему відомий елемент штучності, а адже сам Менделєєв називав своє творіння «природною системою елементів».

Виходить, вирішивши проблему штучного отримання трансуранів, вчені встали перед іншим, досить складним завданням. Як же задовільно розмістити елементи важче урану в таблиці Менделєєва?

Поки важко відповісти на це питання. Спробуємо трохи заглибитися в область гіпотез. Згадаймо спочатку, як розвивалася періодична система. Спочатку Менделєєв і слідом за ним інші вчені ставили в основу атомну вагу, і на цій основі будувалася таблиця Менделєєва. Потім втрутилася фізика, і наріжним каменем періодичного закону став заряд ядра, порядковий номер елемента. Нова таблиця усунула багато протиріч і труднощів старої; так, наприклад, знайшлося місце для 14 лантаноїдів. Але заряд ядра – адже він теж може виявитися не останнім словом в еволюції періодичного закону. На зміну йому може прийти новий, третій критерій, більш тонкий і більш глибокий, ніж заряд ядра. І тоді періодична система змінить свою структуру. Конкретно це поки що важко собі уявити. Але тоді-то напевно вдасться розмістити трансуранові елементи самим природним чином.

Підіб’ємо ж невеликий, підсумок. Ми прийшли до маловтішного висновку, що верхня межа періодичної системи вже досить чітко проглядається. Якщо раніше про кінець таблиці Менделєєва можна було робити більш-менш розумні здогадки, то тепер це питання отримало суворе наукове рішення. Сучасний рівень знань не дає права на будь-які сумніви.

Але саме цей горезвісний «сучасний рівень!» Не так вже давно «сучасний рівень» віддавав проблему перетворення елементів на відкуп фантастиці; не так давно він оголошував «принципово неможливим» виділення внутрішньоядерної енергії. Життя намалювало іншу картину.

Якісь перспективи зміни усталених поглядів можна спробувати побачити і в області, про яку йдеться. Аксіомою вважався і вважається той факт, що ніякі зовнішні впливи не можуть зробити впливу на швидкість радіоактивного розпаду; скрізь і всюди вона залишається постійною.

У звичайних і доступних нам поки «незвичайних» умовах – так. І то, між іншим, не завжди. Недавні роботи показали, що швидкість радіоактивного розпаду дещо різна в залежності від того, в яке з’єднання входить даний радіоактивний ізотоп. Правда, це відноситься поки лише до одиничних ізотопів, які піддаються К-захопленню.

Подібні роботи – поки тільки перші ластівки. Але залишаються ще незвичайні умови, в даний час недоступні. Наприклад, надвисокі тиски. Є цікаві розрахунки, які показують, що тиск в мільярд атмосфер вже може досить відчутно впливати на періоди напіврозпаду радіоактивних елементів у бік їх збільшення. Однак спочатку потрібно чітко розібратися в будові ядра, близько познайомитися з механізмом ядерних сил. Тоді настане більш високий «сучасний рівень знань». Хто знає, можливо, тоді люди зуміють активно впливати на швидкість радіоактивного розпаду, уповільнювати або прискорювати його на свій розсуд. І повірте, хочеться уявити собі лабораторію, в якій за допомогою складної апаратури вдається різко підвищувати періоди напіврозпаду важких трансуранів і «заморожувати» їх у такому стані, – і грами, десятки грамів каліфорнію і берклію, ейнштейнію і фермію можна використовувати для досліджень, а кінець періодичної системи пересунувся далеко в область тризначних номерів.

Вчені навчилися «запросто» поводитися з електронною оболонкою атомів; результат цього – безліч важливих і складних хімічних реакцій, які раніше вважалися нездійсненними. Справа тепер за тим, щоб по-справжньому навчитися керувати атомним ядром. Це, звичайно, багато складніше, але, право, немає ніяких підстав впадати в скептицизм.

Автор: Д. Трифонов.