Где заканчивается система Менделеева

Было время, когда таблицу элементов замыкал уран, и тянулось оно, надо сказать, весьма долго. За ураном начиналось Неизвестное. Беспокойная мысль ученых не могла ответить на вопрос, почему в природе не обнаружены элементы тяжелее урана. Быть может, они невообразимо редки, быть может, не существуют вообще — недаром же сам Менделеев завещал грядущим поколениям химиков обратить на уран особое внимание. От последнего в списке элементов можно ожидать всяких сюрпризов, говорил великий ученый. Это предвидение начало сбываться уже при его жизни. Ведь именно уран привел Анри Беккереля к открытию явления радиоактивности.

Элементы конца периодической системы неустойчивы – к такому выводу пришла наука в начале двадцатого века. Простая логика подсказывала, что трансурановые элементы обладали, по-видимому, довольно короткими периодами полураспада и потому не сохранились до нашего времени. Вот почему менделеевская система обрывалась на уране.

Чтобы дать отсутствию трансурановых элементов в природе более строгое научное объяснение, нам придется сделать некоторое отступление.

Все элементы конца таблицы Менделеева, начиная с полония, радиоактивны. Лишь уран и торий, находившиеся на Земле в момент образования Солнечной системы, сохранились с той поры на нашей планете. Дело в том, что существующие в природе их изотопы — торий-232, уран-235, уран-238 — имеют периоды полураспада, превышающие возраст Земли (5 миллиардов лет). Остальные же радиоактивные элементы — полоний, радий, актиний и другие — гораздо менее долговечны. Те их количества, которые мы сейчас обнаруживаем в земной коре, не были свидетелями образования Солнечной системы и представляют собой лишь продукты распада урана и тория, так сказать, вторичные элементы. Чему же обязаны уран и торий своей сравнительно огромной долговечностью?

Казалось бы, чем дальше расположен элемент в периодической системе, тем он неустойчивее. А на деле периоды полураспада изотопов урана и тория превосходят периоды полураспада всех прочих изотопов радиоактивных элементов конца периодической системы в миллионы и десятки миллионов раз.

Судите сами. Сорок шесть радиоизотопов входят в ряды радиоактивных превращений урана-238, урана-235 и тория-232. Тридцать четыре из них альфа-активны. Испускание ядер гелия (альфа-распад) является главным видом распада у тяжелых элементов. Для каждого альфа-активного изотопа характерна своя величина энергии распада. Чем выше эта энергия, тем менее долговечен изотоп, тем меньше период его полураспада. Физики измеряют энергию процессов микромира в специальных единицах — электронвольтах. Так, у астатина-213 энергия альфа-распада составляет 9,2 миллиона, а у тория-232— 4,05 миллиона электрон- вольт. Первый погибает, не успев родиться, живет лишь сотые доли секунды; второй теряет половину атомов за астрономически большой срок — 14,5 миллиардов лет.

Итак, более легкий элемент оказывается куда менее устойчивым, чем более тяжелый. Парадокс? Пожалуй! Чтобы разрешить это противоречие, нам придется углубиться в самые недра атома, в его ядро. Оно, грубо говоря, состоит из двух сортов элементарных частиц — протонов и нейтронов. Мы еще очень мало знаем о природе ядерных сил — сил, удерживающих в повиновении составные элементы ядра, не дающих ему «рассыпаться». Ученые предлагали различные модели ядра; одной из них является так называемая оболочечная модель. Суть ее состоит в том, что в ядрах предполагается наличие особых нейтронных и протонных оболочек. В какой же связи они находятся с радиоактивностью ядер?

Вспомним сначала обычную химию. В периодической системе элементов имеется группа инертных газов, в которую входят гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Они не образуют химических соединений. Почему? Да потому, что их внешние электронные оболочки являются весьма устойчивыми системами. Они не склонны ни отдавать электроны, ни принимать новые. Все прочие элементы в реакциях, наоборот, стремятся достроить свои наружные электронные слои до структуры ближайшего «благородного» газа. Достичь оболочки из 8 электронов — вот «идеал» химического элемента, вступающего в реакцию. Именно этот фундаментальный факт определяет в конечном счете химическую активность элементов.

Как показали ученые, и среди ядер существуют «идеальные образцы», особые ядерные структуры. Это ядра, которые содержат 2, 8, 20, 50, 82 или 126 нейтронов или протонов; про них говорят, что они имеют замкнутые нейтронные или протонные оболочки. Ядра с подобными «магическими числами» нейтронов или протонов по многим качествам отличаются от своих соседей. Например, они гораздо устойчивее и значительно более распространены в природе.

Оболочкой из 126 нейтронов обладают изотопы многих элементов конца периодической системы — полония, астатина, радона, франция. Изотопы, имеющие большее количество нейтронов, стремятся достичь этой оболочки, путем «сбрасывания» избыточных нейтронов. А удалены эти нейтроны могут быть только в составе альфа-частицы, другими словами, путем альфа-распада. Вот почему элементы от полония до радия так неустойчивы по отношению к альфа-распаду; здесь-то и кроется причина их недолговечности. Когда число нейтронов в ядрах заметно превышает 126, стремление достичь подобной структуры ослабевает, и энергия альфа-распада уменьшается. А это, в свою очередь, приводит к росту долговечности элемента. У тория, протактиния и урана влияние этой оболочки уже ничтожно.

Правда, тут вклинивается еще одно обстоятельство: протактиний подводит то, что он элемент нечетный, а нечетные радиоэлементы, как правило, менее устойчивы, чем их четные соседи. Этот факт находит объяснение в ядерной физике, но мы не будем на нем останавливаться. У элементов же, следующих за ураном, должна сказываться другая тенденция. Очень тяжелые ядра по самой своей природе представляют малоустойчивые образования; они начинают разрушаться из-за собственной «тяжести». Действительно, у нептуния, плутония и последующих трансуранов энергия альфа-распада снова возрастает. Поэтому-то они слишком недолговечны, чтобы сохраниться на Земле с момента своего образования; поэтому-то уран долгое время оставался последним элементом периодической системы.

Поиски трансурановых элементов в природе представляли собой долгую цепь неудач и разочарований. В конце концов, нептуний и плутоний обнаружили в земных минералах, (а не в «космической пыли»), но в количествах, представляющих скорее теоретический интерес. Весь нептуний и плутоний, содержащиеся на нашей планете, поместились бы на средней руки самоходной барже. Они — «всего лишь» продукты ядерных реакций урана с нейтронами.

Практически имеет смысл говорить лишь об искусственном получении трансурановых элементов. В 1940 году были синтезированы нептуний и плутоний. В 1961 году мир узнал о «рождении» сто третьего элемента — лоуренсия. Сейчас известны различные методы получения трансурановых элементов. Один из них — длительное (на протяжении нескольких лет) облучение урана нейтронами. Так удается синтезировать изотопы элементов вплоть до фермия (порядковый номер 100). Механизм этих ядерных процессов несложен: перегруженные нейтронами ядра урана подвергаются бета-распаду, что и приводит к образованию ядер с большими зарядами. Для синтеза отдельных трансуранов (америция, кюрия, берклия, калифорния) в качестве бомбардирующих снарядов используют альфа-частицы. Наконец, последние трансурановые элементы получают весьма оригинальным способом, обстреливая уран, плутоний или кюрий ускоренными ионами легких элементов периодической системы — кислорода, неона, углерода, бора.

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.

Были времена, когда открытие нового химического элемента оказывалось событием для химии, и химики начинали подробно изучать его свойства, искать возможности практического применения. Но в книге об истории открытия элементов глава о «трансуранах» будет носить совершенно особый характер. Если свойства нептуния и плутония изучены хорошо, а плутоний к тому же одно из основных ядерных горючих; если написаны монографии по химии америция и кюрия, то мало что можно сказать об остальных трансурановых элементах. Пока еще они — достояние только физики. Ведь в самом деле, о каком изучении свойств можно говорить, если ученые синтезировали лишь 17 (!) атомов сто первого элемента — менделеевия, а для сто второго и сто третьего счетчик зафиксировал лишь единичные атомы.

К концу периодической системы как бы исчезает привычное нам представление о химическом элементе. Но это ни в коей мере не грозит величественному зданию таблицы Менделеева, и с прежней силой звучат слова автора периодического закона: «Будущее не разрушение закону периодичности, а только расширение и развитие обещает!» С этим мнением великого ученого нельзя не согласиться — оно подтверждалось и подтверждается новыми открытиями физики и химии. В получении трансурановых элементов периодический закон послужил прекрасной путеводной нитью. Но когда встал вопрос о размещении их в таблице Менделеева — тут ученые не смогли прийти к единой точке зрения.

Однако — какая ирония судьбы! — когда вопрос об элементах тяжелее урана еще только возник, никто не сомневался в том, где они в случае их обнаружения должны были бы располагаться в таблице Менделеева. Первому трансурану с порядковым номером 93 отводилось место в седьмой группе периодической системы вместе с марганцем и его аналогами. Относительно 94, 95 и 96 элементов полагали, что они явятся благородными металлами, подобными осмию, иридию и платине в шестом периоде. В тридцатых годах вопрос о трансуранах начал перекочевывать из области теории в практику. Стоило ученым начать дополнение периодической системы, только лишь были получены нептуний и плутоний, как выяснились любопытные вещи.

Девяносто третий и девяносто четвертый во многом походили по свойствам на уран, но не имели ничего общего с иридием или осмием. Родственником урана в какой-то мере оказался и америций, элемент 95. Но уже начиная со следующего трансурана — кюрия, сходство трансурановых элементов сделалось настолько большим, что подыскивать для каждого из них отдельную клетку в периодической системе не имело смысла.

Как нередко бывает в науке, ученые обратились к аналогиям. В шестом периоде таблицы Менделеева содержатся 14 очень близких по свойствам элементов — лантаноидов. Они так похожи друг на друга, что их всех помещают в одной клетке, клетке элемента лантана с порядковым номером 57. Особенности электронной структуры тяжелых атомов позволили сделать смелое предположение: в седьмом периоде системы Менделеева должно существовать семейство элементов, подобное лантаноидам. Четырнадцать его представителей — торий, протактиний, уран и трансурановые элементы вплоть до 103 — следовало поэтому поместить в клетку актиния, аналога лантана по третьей группе. Автором этого предположения явился Гленн Сиборг.

Актиноидная (как ее теперь называют) гипотеза Сиборга завоевала признание и стала достоянием учебников. Она изящна и удобна, она учитывает сходство трансурановых элементов, наконец, выделение актиноидного семейства придает дополнительную симметрию таблице Менделеева: в шестом периоде — лантаноиды, в седьмом — актиноиды. Но… Но целиком согласиться с этой гипотезой нельзя. И вот почему. Ведь «загоняя» торий, протактиний, уран в клетку актиния, мы удаляем их с привычных и никогда не вызывавших сомнений мест в четвертой, пятой и шестой группе. Мы уподобляем их актинию, не имея на то сколько-нибудь серьезных химических оснований; напротив, химия этих элементов различна и имеет мало общего с химией актиния. По логике вещей актиноиды должны быть аналогичны лантаноидам, но только начиная с кюрия трансурановые элементы обнаруживают должное сходство со своими предшественниками по шестому периоду.

Словом, хотя физики, исходя из электронных структур атомов, приводят веские «за», химики выдвигают не менее веские «против».

Французский радиохимик М. Гайсинский предложил компромиссное решение. Он оставил торий, протактиний и уран на местах, соответствовавших им издавна. Нептуний, плутоний и америций — ураниды — поместил в клетку урана, а элементы, следующие за кюрием — кюриды, в клетку кюрия. Такое расположение самых тяжелых элементов в периодической системе неплохо отражает их химические свойства. Но симметрия таблицы Менделеева при этом разрушается. Стройность актиноидной гипотезы сменяется некоторой хаотичностью.

Получается, что и та и другая теории вносят в периодическую; систему известный элемент искусственности, а ведь сам Менделеев называл свое творение «естественной системой элементов».

Выходит, разрешив проблему искусственного получения трансуранов, ученые встали перед другой, весьма сложной задачей. Как же удовлетворительно разместить элементы тяжелее урана в таблице Менделеева?

Пока трудно ответить на этот вопрос. Попробуем немного углубиться в область гипотез. Вспомним сначала, как развивалась периодическая система. Сначала Менделеев и вслед за ним другие ученые ставили во главу угла атомный вес, и на этой основе строилась таблица Менделеева. Затем вмешалась физика, и краеугольным камнем периодического закона стал заряд ядра, порядковый номер элемента. Новая таблица устранила многие противоречия и затруднения старой; так, например, нашлось место для 14 лантаноидов. Но заряд ядра — ведь он тоже может оказаться не последним словом в эволюции периодического закона. На смену ему может прийти новый, третий критерий, более тонкий и более глубокий, чем заряд ядра. И тогда периодическая система изменит свою структуру. Конкретно это пока трудно себе представить. Но тогда-то наверняка удастся разместить трансурановые элементы самым естественным образом.

Подведем же небольшой, итог. Мы пришли к малоутешительному выводу, что верхний предел периодической системы уже довольно отчетливо просматривается. Если раньше о конце таблицы Менделеева можно было делать более или менее разумные догадки, то теперь этот вопрос получил строгое научное разрешение. Современный уровень знаний не дает права на какие-либо сомнения.

Но именно этот пресловутый «современный уровень!» Не так уж давно «современный уровень» отдавал проблему превращения элементов на откуп фантастике; не так давно он объявлял «принципиально невозможным» выделение внутриядерной энергии. Жизнь нарисовала иную картину.

Какие-то перспективы изменения установившихся взглядов можно попытаться увидеть и в области, о которой идет речь. Аксиомой считался и считается тот факт, что никакие внешние воздействия не могут оказать влияния на скорость радиоактивного распада; везде и всюду она остается постоянной.

В обыкновенных и доступных нам пока «необыкновенных» условиях — да. И то, между прочим, не всегда. Недавние работы показали, что скорость радиоактивного распада несколько различна в зависимости от того, в какое соединение входит данный радиоактивный изотоп. Правда, это относится пока лишь к единичным изотопам, которые подвергаются К-захвату.

Подобные работы — пока только первые ласточки. Но остаются еще необыкновенные условия, в настоящее время недоступные. Например, сверхвысокие давления. Имеются любопытные расчеты, которые показывают, что давление в миллиард атмосфер уже может довольно ощутимо влиять на периоды полураспада радиоактивных элементов в сторону их увеличения. Однако сначала нужно четко разобраться в строении ядра, близко познакомиться с механизмом ядерных сил. Тогда наступит более высокий «современный уровень знаний». Кто знает, быть может, тогда люди сумеют активно влиять на скорость радиоактивного распада, замедлять или ускорять его по своему усмотрению. И поверьте, хочется представить себе лабораторию, в которой с помощью сложнейшей аппаратуры удается резко повышать периоды полураспада тяжелых трансуранов и «замораживать» их в таком состоянии, — и граммы, десятки граммов калифорния и берклия, эйнштейния и фермия можно использовать для исследований, а конец периодической системы передвинулся далеко в область трехзначных номеров.

Ученые научились «запросто» обращаться с электронной оболочкой атомов; результат этого — множество важных и сложных химических реакций, которые ранее считались неосуществимыми. Дело теперь за тем, чтобы по-настоящему научиться управлять атомным ядром. Это, конечно, много сложнее, но, право, нет никаких оснований впадать в скептицизм.

Автор: Д. Трифонов.