Iza periodične tablice: zašto traže transuranske elemente

Kemijsko kopno

Prije stoljeća i pol, kada je Dmitrij Ivanovič Mendeleev otkrio periodni zakon, bilo je poznato samo 63 elementa. Smješteni u tablici lako su se razgrađivali u razdoblja od kojih se svako otvara aktivnim alkalnim metalima i završava (kako se kasnije ispostavilo) inertnim plemenitim plinovima. Od tada se periodična tablica gotovo udvostručila, a sa svakim proširenjem Periodični zakon se iznova i iznova potvrđuje. Rubidij također nalikuje kaliju i natrijumu, poput ksenona - kriptona i argona, silicij sličan njemu nalazi se mnogo niže od ugljika ... Danas je poznato da se ta svojstva određuju brojem elektrona koji se okreću oko atomskog jezgra.

Oni pune "energetske školjke" atoma jednu za drugom, poput gledatelja po redoslijedu u svojim redovima u kazalištu: onaj koji se pokazao posljednjim odredit će kemijska svojstva čitavog elementa. Atom sa zadnjom školjkom u potpunosti napunjen (poput helija sa svoja dva elektrona) bit će inertan; element s jednim „dodatnim“ elektronom na sebi (poput natrija) aktivno će formirati kemijske veze. Broj negativno nabijenih elektrona u orbiti povezan je s brojem pozitivnih protona u jezgri atoma, a upravo se broj protona razlikuje u različitim elementima.

Ali u jezgri istog elementa može postojati različit broj neutrona, oni nemaju naboja i ne utječu na kemijska svojstva. Ali ovisno o broju neutrona, vodik može biti teži od helija, a masa litija može doseći sedam umjesto „klasičnih“ šest atomskih jedinica. A ako se popis poznatih elemenata danas približi ocjeni 120, tada je broj jezgara (nuklida) premašio 3000. Većina ih je nestabilna i nakon nekog vremena propadaju, izbacujući "dodatne" čestice tijekom radioaktivnog raspada. Još više nuklida u principu ne može postojati, odmah padajući na komade. Dakle, kontinent stabilnih jezgara okružuje čitavo more nestabilnih kombinacija neutrona i protona.

More nestabilnosti

Sudbina jezgre ovisi o broju neutrona i protona u njemu. Prema teoriji o ljusci strukture jezgre, razvijenoj 1950-ih, čestice se u njoj raspoređuju prema njihovim energetskim razinama na isti način kao i elektroni koji se okreću oko jezgre. Neke količine protona i neutrona daju posebno stabilne konfiguracije s potpuno ispunjenim školjkama protona ili neutrona - 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126 česticama neutrona. Ti se brojevi nazivaju "magija", a najstabilnija jezgra sadrže "dvostruko čarobne" količine čestica - na primjer, 82 protona i 126 neutrona u olovu ili dva svaki u običnom atomu helija, drugi najbrojniji element u svemiru.

pogledaj opet
  • Djevojke i automobili: svi ružičasti automobili Playboya 11 "Modeli godine"
  • Wilson Combat: najljepše prilagođene "puške" 26
  • Krila za pobjedu: posteri britanskog zrakoplovstva 640-ih 6
  • Reklamni plakati automobilskih tvrtki 1910-1930-ih 12
  • Reklamne fotografije sovjetskih traktora: "Tractoroexport" 10
  • Reklamne fotografije sovjetskih automobila: Avtoexport 12

Uzastopni "Kemijski kontinent" elemenata koji se mogu naći na Zemlji završava u olovu. Nakon toga slijedi niz jezgara koje postoje mnogo manje od vremena našeg planeta. U svojim dubinama mogu preživjeti samo u malim količinama, poput urana i torija, ili čak u količinama u tragovima, poput plutonija. Nemoguće je izdvojiti iz stijene, a plutonij se umjetno proizvodi u reaktorima bombardiranjem meta urana neutronima. Općenito, moderni fizičari atomske jezgre tretiraju kao pojedinosti konstruktora, prisiljavajući ih da pričvršćuju pojedinačne neutrone, protone ili čitave jezgre. To omogućava dobivanje sve težih nuklida prelazeći tjesnac More nestabilnosti.

Svrha putovanja potaknuta je istom teorijom grananja strukture jezgre. Ovo je područje supervećih elemenata s prikladnim (i vrlo velikim) brojem neutrona i protona, legendarnim "Otokom stabilnosti". Proračuni kažu da neki lokalni stanovnici možda više ne postoje u dijelovima mikrosekundi, ali mnogi redovi veličine duže. "U određenom se približenju mogu smatrati kapljicama vode", objasnio nam je Jurij Oganesyan, akademik Ruske akademije znanosti. - Do olova slijede sferna i stabilna jezgra. Slijedi im poluotok umjereno stabilnih jezgara - poput torija ili urana - koji se izvlači plitkim teško deformiranim jezgrama i probija u nestabilno more ... Ali još dalje, iza tjesnaca, može se pojaviti novo područje sfernih jezgara, superveličani i stabilni elementi s brojevima 114, 116 i dalje. " Životni vijek nekih elemenata na "otoku stabilnosti" može trajati godinama, pa čak i milijunima godina.

Otok stabilnosti

Moguće je stvoriti transuranske elemente s njihovim deformiranim jezgrama bombardiranjem neutronskih ciljeva uranom, torijom ili plutonijem. Granatirajući ih lakim ionima raspršenim u akcelerator, možete dosljedno dobiti još mnogo elemenata - ali u nekom trenutku će doći granica. "Ako razmotrimo različite reakcije - dodavanje neutrona, dodavanje iona - kao različite" brodove ", onda nam svi oni neće pomoći da plivamo do" otoka stabilnosti ", nastavlja Jurij Oganesyan. - Da biste to učinili, potreban vam je "brod" i više, različitog dizajna. "Bit će potrebno upotrijebiti teške jezgre bogate neutronom umjetnih elemenata težih od urana kao metu. Trebat će ih bombardirati velikim, teškim izotopima koji sadrže mnogo neutrona, poput kalcija-48."

Rad na takvom "brodu" mogao je napraviti samo veliki međunarodni tim znanstvenika. Inženjeri i fizičari u Elektrokhimpriboru kombinirali su iznimno rijedak 48. izotop iz prirodnog kalcija koji se ovdje sadrži u količini manjoj od 0, 2%. Ciljevi urana, plutonija, amerikuma, kurija i Kalifornije pripremljeni su u istraživačkom institutu Dimitrograd za atomske reaktore, u Nacionalnom laboratoriju Livermore i u Nacionalnom laboratoriju u Oak Ridgeu u SAD-u. Pa, ključne eksperimente u sintezi novih elemenata izveo je akademik Oganesyan iz Zajedničkog instituta za nuklearnu fiziku (JINR), u Flerovom laboratoriju za nuklearne reakcije. "Naš akcelerator u Dubni radio je 6-7 tisuća sati godišnje, ubrzavajući ione kalcija-48 do oko 0, 1 brzinu svjetlosti", objašnjava znanstvenik. „Ova je energija potrebna tako da neki od njih, pogodivši metu, savladaju Coulomb-ove sile odbojnosti i spoje se sa jezgrama njegovih atoma. Na primjer, 92. element, uran, dat će jezgru novog elementa s brojem 112, plutonija - 114, a Kalifornije - 118. "

Yuri Oganesyan, akademik Ruske akademije znanosti, znanstveni direktor laboratorija za nuklearne reakcije Flerov, JINR (Dubna)

"Potraga za novim superteškim elementima omogućava nam odgovor na jedno od najvažnijih pitanja znanosti: gdje je granica našeg materijalnog svijeta?"

„Takve bi jezgre već trebale biti dovoljno stabilne i neće propadati odmah, ali će uzastopno izbacivati ​​alfa čestice, helijeve jezgre. I vrlo smo dobri u njihovom registraciji ", nastavio je Hovhannisyan. Super-teška jezgra izbacit će alfa čestice, pretvarajući se u element dva atomska broja lakše. Zauzvrat, kćerno jezgro će izgubiti alfa čestice i pretvoriti se u "unučad" - još četvero lakše i tako dalje, sve dok se proces uzastopnog raspada alfa ne završi nasumičnim izgledom i trenutnim spontanim dijeljenjem, smrću nestabilnog jezgra u "Moreu nestabilnosti". Prema ovoj "genealogiji" alfa čestica, Hovhannisyan i njegovi kolege pratili su cijelu povijest transformacije nuklida dobivenih u akceleratoru i ocrtavali blizinu obale "otoka stabilnosti". Nakon pola stoljeća plovidbe, prvi su ljudi sletjeli na njega.

Nova zemlja

Već u prvom desetljeću 21. stoljeća u fuzijskim reakcijama sintetiziranih aktinida s ubrzanim ionima kalcij-48, sintetizirani su atomi elemenata s brojevima od 113. do 118., koji leže na obali „otoka stabilnosti“, daleko od „kopna“. Vrijeme njihovog postojanja već je poretka veće od vremena njihovih susjeda: na primjer, element 114 pohranjuje se ne u milisekundama, kao u 110., već u desecima, pa čak i stotinama sekundi. "Takve su tvari već dostupne za kemiju", kaže akademik Hovhannisyan. - Dakle, vraćamo se na sam početak puta i sada možemo provjeriti poštuje li Mendeleev Periodični zakon. Hoće li 112. element biti analog žive i kadmija, a 114. će biti analog kala i olova? " Prvi kemijski eksperimenti s izotopom 112. elementa (kopernisia) pokazali su: očito hoće. Jedra Kopernika koja su tijekom bombardiranja letjela izvan cilja bila su poslana u dugu cijev koja je sadržavala 36 uparenih detektora, djelomično obloženih zlatom. Merkur lako stvara stabilne intermetalne spojeve sa zlatom (ovo se svojstvo koristi u drevnoj tehnici pozlaćivanja). Stoga se živa i atomi blizu nje moraju smjestiti na zlatnoj površini prvih detektora, a radon i atomi blizu plemenitim plinovima mogu doći do kraja cijevi. Poslušno slijedeći Periodni zakon, Kopernik se pokazao kao srodnik žive. Ali ako je živa postala prvi poznati tekući metal, tada je Kopernik možda prvi plinoviti: njegova vrelište je ispod sobne temperature. Prema Juriju Hovanisyanu, ovo je samo izblijedjeli početak, a superteški elementi s „Otoka stabilnosti“ otvorit će novo, svijetlo i neobično područje kemije za nas.

Ali dok smo se zadržavali u podnožju otoka, postojani elementi. Očekuje se da se 120. i sljedeće jezgre mogu dokazati kao zaista stabilne i postojat će dugi niz godina, ili čak milijune godina, tvoreći stabilne spojeve. Međutim, već ih je nemoguće dobiti pomoću istog kalcija-48: nema dovoljno dugovječnih elemenata koji bi u kombinaciji s tim ionima mogli dati jezgru željene mase. Pokušaji zamjene iona kalcija-48 nečim težim također nisu dali rezultata. Stoga su za novu potragu pomorski znanstvenici digli glave i pogledali bliže nebu.

Prostor i tvornica

Početni sastav našeg svijeta nije se razlikovao u raznolikosti: u Velikom prasku bio je samo vodik s malim nečistoćama helija - najlakši od atoma. Svi ostali cijenjeni sudionici periodične tablice pojavili su se u reakcijama nuklearne fuzije, u utrobama zvijezda i u eksplozijama supernove. Nestabilni nuklidi brzo propadaju, stabilni, poput kisika 16 ili željeza-54, se akumuliraju. Nije iznenađujuće da se u prirodi ne mogu otkriti teški nestabilni elementi, poput americiuma ili coperniuma.

Ali ako negdje u stvari postoji "otok stabilnosti", onda bi se barem u malim količinama superteški elementi trebali naći u prostranstvu svemira, a neki znanstvenici ih traže među česticama kozmičkih zraka. Prema akademiku Hovanisyanu, ovaj pristup još uvijek nije tako pouzdan kao staro dobro bombardiranje. "Doista dugovječna jezgra na" vrhu "otoka stabilnosti sadrži neobično velik broj neutrona", kaže znanstvenik. - Stoga se pokazalo da je kalcijem-48 bogat neutronom tako uspješno jezgro za bombardiranje ciljnih elemenata bogatih neutronima. Međutim, izotopi teži od kalcijuma-48 su nestabilni, a šanse da se prirodno spoje s stvaranjem superstabilnih jezgara izuzetno su malene. "

Stoga se laboratorij u Dubni blizu Moskve okrenuo korištenju težih jezgara, iako ne tako uspješnih kao kalcij, za granatiranje umjetnih elemenata meta. "Sada smo zauzeti stvaranjem takozvane Tvornice supervećih elemenata", kaže akademik Hovhannisyan. - U njemu će iste meta biti bombardirana jezgrama titana ili kroma. Sadrže dva i četiri protona više od kalcija, što znači da nam mogu dati elemente mase od 120 ili više. Bit će zanimljivo vidjeti hoće li se još uvijek naći na "otoku" ili otvoriti novi tjesnac iza njega. "

Članak „Ostrvo blaga“ objavljen je u časopisu Popular Mechanics (br. 11, studeni 2016).

Preporučeno

Uradi sam mlazni motor
2019
Nazvana najkorisnijom ribom za ljude
2019
Ministarstvo obrane pokazalo rad "Gorynych zmija"
2019