Продолжение таблицы Менделеева

Уже в первой половине прошлого века исследователи поняли, что масса атомных ядер меньше суммы масс их протонов и нейтронов. Эта разница из-за эквивалентности массы и энергии равна энергии связи между ядрами, а определенное соотношение количества нейтронов и протонов ведет к более сильной связи. В оболочечной модели ядра существуют магические числа нуклонов, которые соответствуют полному заполнению ядерных оболочек. Например, дважды магический свинец имеет 82 протона и 126 нейтронов. Известные магические ядра более стабильны.

Физики всегда предполагали, что и у неизвестных тяжелых ядер магические числа отвечают большим временам жизни. По некоторым предположениям, этот пока неизвестный остров стабильности должен быть отделен от самого тяжелого и стабильного в естественных условиях элемента уран 92 так называемым морем нестабильности, в котором ядра неустойчивы.

Сейчас идет экспериментальная проверка этих предсказаний. С начала нашего века физики уже получили шесть новых химических элементов Периодической системы. Они имеют атомные номера до 118 включительно и значительно тяжелее урана. Сколько еще сверхтяжелых элементов ждет своего открытия и есть ли фундаментальный предел в их синтезе, пока не ясно.

В начале года журнал Nature Reviews Physics опубликовал обзор международной группы экспертов в области теоретической и экспериментальной физики и химии тяжелых элементов, выполненный под руководством профессора Кристофа Дюльманна (Christoph Düllmann) из Института Гельмгольца в Майнце. Статья «Поиск сверхтяжелых элементов и предел периодической таблицы» суммирует основные проблемы синтеза сверхтяжелых элементов и обсуждает возможный предел Периодической системы с учетом данных о получении сверхтяжелых атомов в лаборатории и об их существовании в космосе.

Авторы обзора отмечают, что в мире созданы экспериментальные установки для синтеза новых элементов, однако поштучное производство и короткое время их жизни означают, что их свойства придется изучать буквально по одному атому. Пока все синтезированные элементы крайне нестабильны — самые тяжелые распадаются за несколько секунд. Детальный теоретический анализ показывает, что время их жизни растет при приближении к магическому нейтронному числу 184.

Интересно, что старые теории ядра перестают работать для синтезированных в лаборатории тяжелых элементов. Новых теорий пока нет, но есть общее согласие теоретиков, что действительно стабильных сверхтяжелых ядер больше не предвидится. Существуют предположения, что сверхтяжелые атомы принципиально отличаются от более легких и это ведет к отклонениям от уже известных закономерностей.

Сейчас стали возможны быстрые химические эксперименты с отдельными элементами, и это позволит выяснить связь большого атомного заряда с химическими свойствами элемента. Все больший вклад в понимание сверхтяжелых элементов вносят вычисления на суперкомпьютерах и применение искусственного интеллекта.

Авторы обзора уверены, что в будущем исследование сверхтяжелых элементов будет еще более эффективным благодаря новейшим приборам. Это линейный ускоритель HELIAC, первый модуль которого успешно испытан в Дармштадте, и установка FRIB, запущенная в Университете штата Мичиган.