Дмитрий Иванович Менделеев открыл периодический закон химических элементов в 1896 году. С тех пор таблица Менделеева существенно разрослась. Если вначале в ней было всего 63 элемента, то сегодня их значительно больше. В конце 2015 года был получен сто восемнадцатый элемент, который скоро займет положенное ему место. Почему же ученые до сих пор ищут недостающие элементы и когда в таблице Менделеева будут заполнены все клетки?
Элементы, станьте в ряд
Периодическую систему, какой мы ее знаем, разработал русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Об этом факте всем ежедневно напоминает ее название, в котором увековечено имя создателя. Однако Менделеев не был первым, кто заметил, что химические элементы укладываются в определенную последовательность.
В 1863 году молодой французский геолог Александр-Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа забавы ради записал в ряд все известные на тот момент элементы по мере увеличения их атомной массы. Получившейся лентой со списком он обернул цилиндр и заметил, что элементы выстроились в столбики один над другим. Никаких практических результатов этот случайный эксперимент не принес, и сам создатель, как и другие химики, вскоре забыл о нем.
Примерно в это же время подобные исследования проводил молодой английский химик Джон Ньюлендс. Он также пытался найти закономерности и расположить химические элементы в логичную структуру. Ученый заметил, что химические свойства элементов повторяются через каждые 8 позиций – это напомнило ему нотный стан. Гордый своим открытием, он назвал обнаруженную им закономерность законом октав и прочитал об этом доклад перед Британским химическим обществом. К сожалению, по большей части организация состояла из людей весьма консервативных. Они объявили идею абсурдом, и химику пришлось отступить. Впрочем, сейчас можно сказать, что наука, отвергнув Ньюлендса, потеряла не много. Закономерность, которую обнаружил англичанин, справедлива лишь для первых 17 элементов.
Сегодня специалисты быстро узнают об открытиях. Исследования печатают в журналах, но еще до того, как они попадут на страницы знаменитых в научных кругах изданий Nature или Science, группа, работавшая над проектом, вероятно, расскажет о результатах на какой-нибудь конференции. А Интернет обеспечивает доступ к любой научной информации всем, кто в ней заинтересован. Пожалуй, единственным препятствием для овладения новыми знаниями может стать языковой барьер – впрочем, и эта проблема вполне решаема. А вот в XIX веке ученому приходилось не в пример сложнее. Опыты по систематизации химических элементов долгое время оставались неизвестными широкой научной общественности, и химики, которые занимались этой темой, были вынуждены придумывать все заново. Дмитрию Ивановичу Менделееву ничего не было известно о ранних опытах по созданию периодической системы, и ему пришлось все изобретать с нуля.
Надо сказать, что в это же время аналогичную работу пытался проделать и один немецкий химик. Независимо друг от друга ученым пришла в голову одна и та же мысль: разместить химические элементы в 7 столбцов. На этот раз положение элемента задавали его физические и химические свойства.
И неожиданно для создателей системы элементы самопроизвольно стали объединяться в группы, которые можно было бы назвать химическими семействами (впоследствии их так и назвали: щелочные металлы, инертные газы, галогены – это различные семейства элементов со схожими характеристиками). Менделеев смог понять смысл периодической системы куда глубже, чем остальные ученые. Он не просто расположил известные на тот момент элементы один за другим, но и оставил пустые клетки для еще не открытых, тем самым предсказав их существование. Если учесть, что в те времена люди не имели никакого представления о строение атома, такое озарение можно действительно назвать фантастикой.
Удивительный сон
Считается, что свою таблицу Дмитрий Иванович Менделеев увидел во сне. Это не полностью отражает действительность: чудесному сну предшествовал долгий и упорный труд. Как вспоминал товарищ великого химика Александр Александрович Иностранцев, Менделеев устал после нескольких дней напряженной работы и прилег отдохнуть. Во сне ему привиделась таблица, в которой элементы были расставлены именно так, как нужно. Проснувшись, химик быстро записал увиденное на листе бумаги и вернулся в постель. Впоследствии оказалось, что правка требовалась лишь в одном месте – все остальное приснившееся было верно. Однако нельзя утверждать, что Менделеев – счастливчик, которому привиделось одно из величайших открытий в химии. Все же это был результат кропотливой работы, результаты которой ученому удалось систематизировать в своем сне.
Впоследствии таблица становилась все более сложной, вмещала в себя все больше физических и химических данных о каждом элементе. Из небольшой схемы она превратилась в огромное полотно, которое можно увидеть в любом кабинете химии: плакат занимает чуть ли не всю стену. Современная таблица Менделеева содержит данные о магнитных свойствах атома, его удельном весе, строении его электронной оболочки, точках плавления и кипения, а также сведения об изотопах.
Все новое – это хорошо забытое старое
Обычно раз в пару лет в новостях проскальзывает сообщение: ученые открыли новый элемент периодической таблицы Менделеева. Но зачем искать элемент, который распадется через доли секунды? Может сложиться впечатление, что лаборатории играют в замысловатую игру, придумывая элементы, вписывая их в пустые места таблицы и соревнуясь, кто заполнит больше клеток. Нельзя назвать эти утверждения ложными. Новые химические элементы с большими порядковыми номерами неустойчивы, и их открытие порой не имеет практического значения, а между лабораториями действительно силен дух соревнования. Но сам процесс синтеза новых веществ помогает лучше понять фундаментальные законы химии.
Однако гении в белых халатах не придумывают ничего нового. Хотя все элементы, следующие за ураном, выделены искусственно, все они когда-то существовали в природе. Чем тяжелее элемент, тем короче у него период полураспада. Конечно, время все равно исчисляется тысячелетиями, но не стоит забывать, что возраст нашей планеты – 4,5 млрд. лет. Период полураспада урана также составляет 4,5 млрд. лет. Это означает, что на Земле осталась лишь половина от первичного количества элемента, и когда-нибудь природный уран исчезнет полностью. В ядре плутония на два протона больше, чем в ядре урана. Период полураспада наиболее долгоживущего изотопа этого элемента — 800 млн. лет. Именно поэтому природный плутоний сохранился на планете в незначительных количествах. Это самый тяжелый элемент, который можно найти. От элементов с еще большим количеством протонов в ядре не осталось и следа.
Кроме того, еще 30 лет назад ученые предсказали существование «острова стабильности». Под этим поэтическим термином скрывается группа элементов с порядковыми номерами больше 120, которые не распадутся через миллисекунду. Судя по тому, что недавно открытые 116 и 118-й элементы живут несколько секунд (по меркам микромира – огромные цифры), есть шанс, что предсказатели были правы. Такое открытие может перевернуть все наши представления об атомной энергетике, сделать ее более эффективной и безопасной и избавить человечество от проблемы утилизации ядерных отходов.
Большой взрыв в лаборатории
Благодаря логичности устройства таблицы вскоре все существующие в природе элементы были найдены и многие пустующие места заполнены. Но, пожалуй, одно из главных сведений, которые периодическая система дала химикам – это подсказка, где искать новые химические элементы. К XX веку ученые уже накопили много информации о строении атома. Если ранее казалось, что атом – это нечто цельное, словно шар, то позже стало известно, что это объемная структура, растянутая в пространстве, которую можно разделить на еще более мелкие частицы. Чем больше мы узнавали о том, что представляют собой атомы, тем яснее становилось, что теоретически новые элементы можно создавать искусственно.
Все известные и пока неизвестные нам химические элементы родились во время Большого взрыва, а также реакций, протекающих в ядрах молодых звезд и при взрывах сверхновых, во время которых выделяется огромное количество энергии. Конечно, ученые не могут в точности воспроизвести подобные процессы. И возможно, это к лучшему: мы вряд ли пережили бы подобный эксперимент. Исследователям приходится пользоваться средствами, которые доступны на Земле.
Синтез новых элементов происходит в ускорителе заряженных частиц (например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРН – одно из подобных устройств, правда, создан он совсем для других целей). Ядра уже существующих металлов облучают потоком высокоэнергетических элементарных частиц. Ученые подбирают элементы таким образом, чтобы суммарное число атомов совпадало с тем, сколько их должно быть в синтезируемом элементе. К примеру, чтобы создать одну из «новинок» – 115-й элемент, ученые обстреляли америций (порядковый номер в таблице Менделеева 95) радиоактивными изотопами кальция (порядковый номер 20). При наиболее благоприятном исходе после запуска устройства ядра атомов сливаются, сумма протонов увеличивается – и образуется новый элемент. Помимо этого, в процессе исследователи также могут немного больше узнать о том, что происходило на заре формирования нашей планеты и что, возможно, происходит прямо сейчас где-то на далеких звездах.
К сожалению, у исследователей далеко не всегда получается то, на что рассчитывают. Когда одни атомы бомбардируют другими, они могут слиться, а могут и раздробиться. Работу экспериментатора в этот момент можно сравнить с действиями артиллериста: он словно методично обстреливает кирпичную стену. Пушечное ядро может застрять в кладке, а может и разнести ее. В первом случае получится желаемый элемент, во втором – опыт придется переделывать заново.
Однако для того, чтобы рождение нового элемента принял научный мир, недостаточно лишь выделить его. Один из незыблемых столпов современной науки – повторяемость опыта. Ведь если эксперимент нельзя поставить еще раз и получить аналогичные результаты, возникают сомнения, что команда ученых не допустила ошибку или не сфальсифицировала открытие. Порой на повторный синтез однажды выделенного вещества уходят годы. К примеру, 112-й элемент периодической системы, коперниций, получили в Германии в 1996 году. Однако долгое время ученые не могли насладиться заслуженной славой – их опыт попросту никому не удавалось повторить. Наконец, спустя 14 лет коперниций поддался ученым из Дубны, и лишь после этого открытие было признано Международным союзом теоретической и прикладной химии. После этого коперниций получил свое название и занял причитающуюся ему клетку в таблице.
Химические рекорды
Новые элементы создают во многих научно-исследовательских институтах, однако на сегодняшний день две лаборатории можно назвать настоящими рекордсменами в поиске химических элементов – они внесли наиболее весомый вклад в периодическую систему.
Ливерморская национальная лаборатория расположена, как и следует из ее названия, в Ливерморе – небольшом городке в штате Калифорния. Она была основана в 1952 году, чтобы ускорить работу по созданию термоядерной бомбы, над которой в то время работали в США. К счастью, сейчас лаборатория занимается и более мирными вещами. Сегодня она отвечает за безопасность и надежность ядерного оружия в США, применяя для его разработок новейшие достижения современной науки. А помимо этого, работает над исследованиями в области энергетики, биологии и экологии. Занимаясь разработкой оружия, Ливерморская лаборатория получила лучшее оборудование – самые мощные вычислительные машины, в том числе и суперкомпьютеры, над созданием которых трудились помимо прочих и ее собственные сотрудники, а также национальный комплекс лазерных термоядерных реакций – так называется специфическое устройство для термоядерного синтеза. Неудивительно, что в Ливерморе были получены несколько новых химических элементов, один из которых был назван ливерморием – в честь самой лаборатории и города, где она находится.
В наукограде Дубна, расположившемся на севере Московской области, находится Объединенный институт ядерных исследований – еще один рекордсмен в деле синтеза новых элементов. Основные направления, над которыми работают сотрудники института – ядерная физика, исследование конденсированного состояния вещества и физика элементарных частиц. Институт в Дубне – практически ровесник Ливерморской лаборатории, он был создан в 1956 году. И половина открытий в области ядерной физики, сделанных в СССР, приходится именно на него. Оборудование также заслуживает внимания. Здесь находится единственный в России сверхпроводящий ускоритель протонов и тяжелых ионов, на базе которого сейчас строится коллайдер, аналогичный тому, что находится в ЦЕРН. Имеет дубнинский институт и мощные вычислительные машины. С 1998 года Дубна – лидер по синтезу элементов. Одна из находок даже названа в честь городка, где находится институт – дубний. Помимо новых элементов здесь было синтезировано более 400 изотопов (разновидностей атомов).
В то время как СССР и США вели гонку вооружений, институты соревновались, кто откроет больше новых элементов. Сейчас Объединенный институт ядерных исследований и Ливерморская лаборатория нередко работают сообща. Один из полученных совместными усилиями элементов был назван флеровий в честь сооснователя Объединенного института ядерных исследований Георгия Николаевича Флерова, главы лаборатории ядерных реакций и руководителя группы, получившей элементы с порядковыми номерами от 102 до 110.
Что в имени тебе моем
Имена химическим элементом обычно дают ученые, их открывшие. Название может метко подчеркивать какую-либо характеристику элемента или его распространенного соединения. К примеру, сера произошла от индийского слова «сира», что означает «светло-желтый цвет», йод – от греческого «йодес» – фиолетовый, бром – производная от греческого «бромос», что означает «зловонный». Нетрудно представить себе впечатления химика, поднесшего к носу пробирку и вдохнувшего едкий запах открытого им элемента.
Название может отражать и химические функции элемента. К примеру, из слов «водород» и «кислород» легко угадывается, что первый – составляющая часть воды, а второй – кислот. Их латинские имена подчеркивают те же особенности.
В периодической системе можно встретить целый пантеон богов и героев. Радиоактивный прометий был назван в честь Прометея – мифологического героя, принесшего людям огонь. Название метко описывает энергию, заключенную в веществе. Торий получил имя в честь скандинавского бога грома и молнии Тора. Первооткрыватель элемента, шведский химик Йенс-Якоб Берцилиус назвал свою находку так, потому что новый элемент был обнаружен в образце минерала, присланном ему из Норвегии.
Есть в периодической системе и целые семьи: элемент тантал, названный в честь мифологического царя, обреченного на вечные муки голода, соседствует с ниобием, получившем имя в честь дочери Тантала Ниобы. Этим исследователи подчеркнули сходство между элементами.
Логично было бы подумать, что элемент уран назван в честь греческого бога неба. Однако его первооткрыватель Клапрот дал имя своему детищу в честь недавно открытой планеты Уран (в свою очередь, названной в честь бога Урана). Тем самым химик хотел поддержать предложение астронома Боде назвать планету Ураном, а не Звездой Георга, как предлагал ее первооткрыватель Уильям Гершель. В честь небесного тела получил наименование и элемент селен.
Немало химических элементов названы в честь мест, где они были открыты. Европий, америций, полоний, галлий, германий, скандий – нетрудно догадаться, откуда родом были химики, давшие им имена.
Немало в таблице притаилось и известных ученых. Первый элемент, который был назван в честь исследователя, – гадолиний. Именем он обязан финскому химику и минерологу Юхану Гадолину, обнаружившему в изучаемом образце оксид на тот момент неизвестного вещества. Спустя 100 лет уже открытый и описанный элемент был назван его именем.
Позже в ячейках таблицы «поселились» Альберт Эйнштейн (эйнштейний), супруги Кюри (кюрий), Альфред Нобель (нобелий), Эрнест Резерфорд (резерфордий), Нильс Бор (борий). Присутствует в таблице и сам ее создатель: элемент менделевий имеет порядковый номер 101.
В периодической системе встречаются и забавные имена. К примеру, мышьяк получил свое русское название в честь обыкновенной мыши – вещество часто использовалось для борьбы с грызунами. Латинскому названию элемента это никак не соответствует: арсеникум переводится как «мужской».
В новый год – с новыми элементами
30 декабря 2015 года химики получили неожиданный подарок. Международный союз теоретической и прикладной химии официально объявил об открытии 4 элементов. Пока что находки с номерами 113, 115, 117 и 118 носят рабочие имена унунтрий, унунпентий, унунсептий и унуноктий. Названия образованы от латинских корней числительных и обозначают порядковые номера.
Согласно решению Международного союза теоретической и прикладной химии, который внимательно изучает отчеты о работе лабораторий, и лишь затем выносит свой вердикт, 113-й элемент открыла группа японских ученых (и это первый случай в этой стране). Над элементами 115, 117 и 118 совместно работали группы из Ливерморской национальной лаборатории, Окриджской национальной лаборатории (США), а также ученые из подмосковной Дубны.
Однако ученые из Объединенного института ядерных исследований не согласны с первенством Страны восходящего солнца – они утверждают, что впервые 113-й элемент был получен в Дубне. Химики работали над синтезом изотопа 115-го элемента, который распался, и ученые успели зафиксировать рождение 113-го элемента, который прожил одну секунду. Японцы получили этот элемент позже, облучив висмут ускоренными ионами цинка. Тем не менее приоритет был отдан им. Японские химики планируют назвать свое открытие японий, ведь им впервые выпал шанс внести имя своей страны в таблицу.
У исследователей, нашедших три остальных элемента, есть время на раздумье: Международный союз теоретической и прикладной химии обязывает придумать имя новому элементу в течение 5 месяцев. И хотя решать будут обнаружившие «новинки», общественность пытается повлиять на их выбор. Поклонники британской рок-группы Motorhead, основатель и вокалист которой Иен «Лемми» Килмистер 28 декабря 2015 года скончался от рака, собирают подписи, чтобы убедить Международный союз назвать один из элементов леммием, в честь их кумира. Впрочем, начало 2016 года было богато печальными событиями, и как знать, не появятся ли со временем в пустующих ячейках боуий и рикманиус.
Есть ли конец?
Пока научный мир радовался открытию, химики из Центра исследования тяжелых ионов в Германии объявили охоту за 120-м элементом. Ученые расходятся во мнениях, где находится конец таблицы Менделеева. Немецкий профессор Зигурд Хофман считает, что периодическая система закончится где-то между 120-м и 126-м элементом. «За пределами этой области исчезают эффекты оболочек, и атомные ядра не могут больше существовать», – утверждает он. Однако не все коллеги согласны с химиком из Германии. По словам Бориса Федоровича Мясоедова, доктора химических наук, академика РАН и крупного специалиста в области аналитической химии радиоактивных элементов и радиоэкологии, таблицу можно продлить до 150-го элемента. Наконец, Юрий Цолакович Оганесян, специалист в области ядерной экспериментальной физики из института в Дубне, считает, что могут существовать атомы, у которых в ядре находится 170 и более протонов. Где же действительно заканчивается таблица Менделеева, покажет лишь время.