Где конец системы Менделеева? Часть вторая.

Менделеев

Говоря о пределе периодической системы, о ее конце, мы должны найти ответ на вопрос: где предел синтеза новых элементов? Где тот последний элемент, за которым ядерный синтез уже не будет иметь смысла? Тут мы снова сделаем маленькое отступление. Если проследить за историей открытия изотопов радиоактивных элементов, то выявляется любопытная деталь. Сначала ученые обнаруживали изотопы с большими периодами полураспада (сотни и десятки лет, годы и дни), потом проникли в область часов и минут; далее им удалось «поймать» изотопы, которые жили секунды и десятые доли секунд.

Подобно тому, как совершенствование микроскопа позволяло разглядывать все более и более мелкие частицы, развитие радиометрической техники давало возможность «засекать» изотопы с более короткими периодами полураспада. Следовательно, чем совершеннее будет аппаратура, тем менее долговечные изотопы удастся обнаружить. Только тогда, когда изотоп будет распадаться фактически в момент образования (его период полураспада окажется порядка 10 в минус 20 степени секунд), никакие экспериментальные ухищрения уже не позволят его зафиксировать.

У какого же по счету трансуранового элемента следует ждать изотопа с подобным периодом полураспада? Чтобы попытаться дать ответ, разберемся сначала в том, какие виды радиоактивного превращения свойственны тяжелым ядрам?

Во-первых, альфа-распад, испускание ядер гелия; о его закономерностях мы уже сказали ранее несколько слов. Во-вторых, самопроизвольное деление ядер; оно в небольшой степени проявляется уже у урана и тория (например, период полураспада урана-238 по такому делению составляет 81016 лет), а начиная с фермия (порядковый номер 100), становится весьма вероятным (так, фермий-255 имеет период полураспада по самопроизвольному делению равный 20 годам).

В-третьих, так называемый захват. Он заключается в том, что ядро при определенных условиях может поглощать электрон с ближайшей электронной оболочки. В честь этой оболочки, которую физики зовут К-оболочкой, захват и получил свое имя. Так как электрон несет отрицательный заряд, то при К-захвате общий заряд ядра уменьшается на единицу; образуется ядро изотопа нового элемента, у которого порядковый номер также на единицу меньше, чем у исходного.

Какой же из этих видов радиоактивных превращений — альфа-распад, самопроизвольное деление или К-захват — окажется роковым для сверхтяжелых трансурановых элементов? Для какого из них период полураспада ранее всего достигнет критического минимума — 10 в минус 20 степени секунд?

Сразу покончим с К-захватом. Примем во внимание, что с ростом заряда ядра ближайшая к ядру К-оболочка придвигается к нему все теснее и теснее. У урана, например, К-оболочка расположена гораздо ближе к ядру, чем, скажем, у калия или свинца. Теперь представим себе, что тяжелые ядра трансурановых элементов были бы подвержены радиоактивным превращениям только посредством К-захвата. Тогда, утверждает теория, можно было бы беспрепятственно синтезировать все новые и новые трансураны вплоть до поистине ядра-гиганта с зарядом, равным 137. Почему 137? А потому, что у такого атома К-оболочка оказалась бы в непосредственной близости от ядра, и электроны с нее моментально как бы «проваливались» в ядро. Об элементах с более высокими порядковыми номерами поэтому не имело бы смысла говорить.

Число 137 давало бы, таким образом, физикам своеобразный ключ к синтезу более 40 трансурановых элементов. Искусственные элементы могли бы составить треть от всех элементов периодической системы.

Но вся беда в том, что альфа-распад и самопроизвольное деление у сверхтяжелых ядер куда более вероятны, нежели К-захват. Образно говоря, этим ядрам легче испустить альфа-частицу или «расколоться» пополам, чем захватить электрон с К-оболочки. Значит, именно первым двум возможностям суждено определить нижнюю границу периодической системы.

Видный американский ученый Гленн Сиборг, чье имя связано с синтезом почти всех трансурановых элементов, показал, что их способность к самопроизвольному делению определяется величиной отношения квадрата заряда ядра к сумме нейтронов и протонов в нем. Чем больше это отношение, тем меньше период полураспада по самопроизвольному делению. Для урана-238 оно составляет 35,5; у изотопа, который бы распадался мгновенно, оно должно равняться примерно 47. Такая величина достигается у элементов с зарядами ядер 114—116.

Следовательно, если бы ядра трансуранов распадались лишь путем самопроизвольного деления, нижняя граница периодической системы отодвинулась бы все же довольно далеко. Но главная роль принадлежит все-таки альфа-распаду, и именно от него должен погибнуть последний элемент таблицы Менделеева.

Как мы уже знаем, начиная с нептуния, энергии альфа-распада изотопов возрастают; при этом уменьшаются периоды полураспадов. У нептуния (порядковый номер 93) самый долгоживущий альфа-активный изотоп распадается наполовину за 2 миллиона лет; у берклия (порядковый номер 97) — за 7000 лет, а у эйнштейния (порядковый номер 99) всего за 320 дней. У последующих элементов продолжительность жизни альфа-активных изотопов уменьшается еще быстрее. Ученые предсказывают, что у изотопов элементов с зарядом ядра, равным или большим 104, «долговечность» уже не будет превышать миллионной доли секунды. Правда, отдельные изотопы, вероятно, будут иметь несколько большие периоды полураспада. Дело в том, что в этой области ядер появится «магическая» оболочка из 152 нейтронов, и те ядра, которым «посчастливится» ею обладать, окажутся устойчивее своих соседей.

Иными словами, оболочка из 152 нейтронов будет столь же стабильной, как 126-нейтронная. Однако изотопы со 153, 154 и т. д. нейтронами будут в еще большей степени подвержены альфа-распаду. Поэтому ученые предполагают: у элементов с зарядами ядер 105—107 периоды полураспада изотопов по альфа-излучению будут весьма близкими к минимальному критическому значению.

Если, таким образом, ориентироваться на альфа-распад, то предел синтеза трансурановых элементов уже не за горами.

Продолжение следует.

Автор: Д. Трифонов.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что исследованиями границ таблицы Менделеева занимались многие ученные в разных местах. Некоторые из них даже по совместительству были преподавателями химии в разных вузах, таких как к примеру Тюменский государственный университет, Московский государственный университет, и многие другие.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *