ПОЛИТ.РУ: Эффекты теории относительности в "приграничной зоне" таблицы Менделеева

В Москве закончил работу XVIII Менделеевский съезд. В нем приняли участие более 3000 ученых из 25 стран. С пленарными докладами выступили лауреаты Нобелевской премии Р.Р. Шрок (США), Ж.М. Лен (Франция), президент Международного союза по теоретической и прикладной химии Б. Хенри (Канада), президент Российского химического общества им. Д.И. Менделеева академик П.Д. Саркисов, директор института физической химии и электрохимии РАН им. А.Н. Фрумкина академик А.Ю. Цивадзе и др.

Среди докладов в фундаментальных областях широкое внимание привлек рассказ директора Лаборатории ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) С. Н. Дмитриева. Его сообщение было посвящено химическим свойствам недавно открытых сверхтяжелых элементов. Ученые Дубны утверждают, что получили первые экспериментальные подтверждения влияния релятивистских эффектов (т.е. эффектов специальной теории относительности) на свойства элементов на границе таблицы Менделеева. В частности, им удалось выяснить, что 114-й элемент больше похож на инертный газ, чем на металл.

Ранее утверждалось, что подобные релятивистские эффекты наблюдались у 112-го элемента, но его химические свойства оказались близки не к радону, как предполагалось, а к ртути.

Начать изучение химических свойств удалось благодаря получению относительно долго живущих изотопов (разновидности атомов одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре). Таким образом, химические эксперименты указывают на предсказанные физиками «острова стабильности» - набор сверхтяжелых долгоживущих элементов с числом протоном, близких к 114, а нейтронов – к 184.

Теперь у ученых появился шанс найти сверхтяжелые элементы (трансактиниды) в естественных условиях. На съезде даже было принято решение снарядить российско-шведскую экспедицию в Швецию, где будет построен тоннель для поиска сверхтяжелых элементов в природе.

Мы публикуем выдержки из доклада С.Н. Дмитриева и его краткое интервью после выступления. Интервью взяла Ольга Орлова.

Для Менделеевского съезда вопросы, связанные с составом периодической таблицы всегда представляли большой интерес. В истории открытия элементов были разные периоды. В начале нашли все элементы, которые можно было обнаружить в природе. Затем наступила эпоха элементов, которые сегодня называют «hand made», т.е. искусственные трансурановые элементы созданные «вручную» в реакторах и на ускорителях. В 1950-е годы во время «нейтронного периода» все новые элементы, такие как нептуний, плутоний, вплоть до 100-го элемента, открывались на высокопоточных ядерных реакторах (они были получены в реакциях захвата ядрами изотопа урана 235U нейтронов при длительном облучении на мощных ядерных реакторах в США и СССР.) На 100-м элементе (фермий) обрывалась «цепочка бета-распада» и он стал последним элементом, который мог быть синтезирован в ядерном реакторе (бета-распад - радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона).

С 1960–х годов началась эпоха ускорителей элементарных частиц -циклотронов, эпоха ускорения тяжелых ионов, когда синтез новых элементов стали производить только при взаимодействии двух тяжелых ядер. И уже затем наступило время трансактинидов – от 104-го до 109 и далее.

В 1957 году в России для синтеза новых элементов была создана специальная лаборатория, которую возглавил член-корреспондент Академии наук СССР Георгий Николаевич Флеров. Самые важные работы по химии трансактинидов были выполнены в Дубне. Так, в частности, было показано, что 104-й элемент является летучим. Эта работа явилась ключевой для признания открытия 104-го элемента. Дальше, как известно, был открыт 105-й элемент - дубний .

Однако в середине 1970-х было практически невозможно исследовать химические свойства 104, 105,106 и 107 элементов, так как время их жизни - доли микросекунды - не позволяли проводить полноценные химические исследования. Все они были синтезированы в реакциях холодного синтеза (холодное слияние массивных ядер открыто в 1974 году; при нем выделяется один или два нейтрона с относительно небольшими энергиями.)

В 1995 году академиком Юрием Оганесяном в той же лаборатории им. Флерова в Дубне было сформулировано новое направлении синтеза сверхтяжелых элементов с использованием кальция 48. С помощью него удалось увеличить время жизни сверхтяжелых элементов. И начиная с 1999 года в реакциях кальция 48 с ураном, нептунием, плутонием в качестве мишеней были синтезированы 35 новых изотопов шести новых элементов со 112 до 116 и 118 .

В середине 1960-х годов теоретики предсказывали существование «островов стабильности» у сверхтяжелых элементов, и время их жизни предполагалось соразмерным с возрастом Земли. Но пока нет таких мишеней, чтобы сочетание протонов и нейтронов дало нам искомую комбинацию. Однако если посмотрим времена жизни 112-го элемента (с массой 277) полученного холодном синтезе, то его изотоп живет микросекунды, а изотоп массой 285 живет полминуты. Если предшественник по цепочке распада дубния-268 живет микросекунды, то сам дубний-268 живет один день. Это указывает на влияние нейтронной оболочки и на то, что острова стабильности существуют. Мы должны найти путь как к ним подобраться.

В 1980-е годы химики в какой-то мере утратили свои позиции в синтезе новых элементов. Лидировали физики, так как химию было невозможно изучать из-за крайней малости концентраций полученных веществ и времени существования элементов. Однако физика неспособна дать ответ на вопрос, к какой группе периодической таблицы Менделеева относится этот элемент. На это может ответить только химия. Благодаря физике мы видим, что есть определенный распад элемента, выделяется энергия, но каковы химические свойства элемента? И потому встала задача метода химической классификации.

Первый такой эксперимент был поставлен в лаборатории Оганесяна по химической идентификации 115-го элемента. Появилась возможность выделить дубний. Америций-243 облучали кальцием-48 с последующими пятью альфа-распадами. Проводилось выделение элемента 5-й группы с очень надежными химическими свойствами. В физическом эксперименте было зарегистрировано 3 новых ядра 115 элемента, а в химическом – 15 ядер. Результаты химического эксперимента являлись независимым доказательством синтеза 115-го элемента. Значимых релятивистских эффектов взаимодействия дубния обнаружено не было, его свойства не выходят за рамки свойств 5-й группы. Работа отправлена в Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) (Процедура признания нового химического элемента в IUPAC подразумевает независимое подтверждение его обнаружения в других лабораториях О.О.)

Конечно, затем встал вопрос химических свойствах 112 и 114 элемента. Являются ли эти элементы летучими металлами и как влияют на них релятивистские эффекты?

( Юрий Оганесян: «У сверхтяжелого атома значительно возрастает энергия k-электрона (вращающегося по ближайшей к ядру орбите). Тогда начнут сказываться релятивистские эффекты. Масса электрона растет, а значит, сдвигаются все энергетические состояния, в том числе и последнего электрона, который, как известно, и определяет химические свойства вещества.» О.О.)

В дальнейшем в 2006-2007 годах в экспериментах по 112-му элементу было доказано, что это летучий газ (мишени из плутония 242-244 облучались ионами кальция-48), однако релятивистские эффекты здесь большого влияния на 112-й элемент не обнаружены.

В 2007 году новые эксперименты опять подтвердили, что в данной реакции образуется 112-й элемент, и получены первые результаты по его химическим свойствам. Температура осаждения - от минус 10 до 20 С. Температура кипения - в районе 100 С.

Далее было интересно, что же происходит со 114-м? Время транспорта от мишени до детектора составляло 1 секунду, то есть все химические реакции происходили за 1 секунду. В этом эксперименте удалось зарегистрировать 114-й элемент. Была получена цепочка распада 114 элемента (с массой 287). Его температура осаждения - минус 88. Было показано, что 114-й является также инертным газом. Это было явным влиянием релятивистских эффектов взаимодействия в ядре на изменение химических свойств элементов. Никто не мог предсказать, что это летучий газ, теория об этом молчала.

Таким образом, в экспериментах 2006 -2007 годов было показано, что элемент 112 близок к Hg, (а не к Rn), а элемент 114 существенно отличается от Pb (летуч, адсорбция на поверхности золота наблюдалась при температурах близких к –100°С). Полученные результаты являются первым экспериментальным подтверждением влияния релятивистских эффектов на свойства элементов на границе Периодической таблицы Д.И.Менделеева. В целом, данные химических экспериментов полностью согласуются с результатами физических экспериментов и являются независимым доказательством синтеза новых элементов 112, 113, 114, 115 и 116.

Больше десяти лет академик Флеров занимался поисками сверхтяжелых элементов в природе. В частности – 114-го элемента. Теперь после результатов экспериментов 2006-2007 годов выяснилось, что поиски шли в неверном направлении. Мы исходили из того, что 114-й элемент должен был быть аналогом свинца, и поэтому мы выделяли из метеоритов, из термальных вод и из других пород свинцовый уран. Но если 114 элемент - инертный газ, то вся наша химия не работает. Мы могли терять этот 114-й просто на стадии переработки. Сейчас наши опыты показывают что наиболее стабильным из сверхтяжелых элементов по спонтанному делению может быть именно 114-й элемент, а по альфа-распаду – 108-й. Поэтому нам предстоит вновь вернуться к поисками сверхтяжелых в природе.

После доклада мы продолжили разговор с С. Н. Дмитриевым:

Сергей Николаевич, судя по Вашему докладу, сейчас химики обогнали физиков в области изучения свойств сверхтяжелых элементов?

Мы не конкурируем, речь идет о двух независимых путях исследования. Ведь очень трудно разделить свойства на физические и химические. Например, что такое летучесть? Это физическое или химическое свойство? Тут грань очень тонкая… Когда мы имеем дело с атомом, то конечно, это физика, но когда речь идет о взаимодействии, как в случае 112-го элемента, который взаимодействует с золотом, то скорее это уже химические процессы. Но летучесть 112--го и 114-го – это в большей степени проявление физических свойств. А вообще-то в атомной физике считаются и учитываются все электронные орбиты, как и в ядерной химии.

Но делая в своем докладе обзор истории открытия элементов таблицы Менделеева, Вы обратили внимание на определенный кризис в интересе химиков в этой области, в отличие от физиков, которые взяли на себя инициативу.

Это было связано с одним из недостатков организации западных центров по изучению сверхтяжелых элементов, где физики и химики проводили исследования раздельно. И поскольку физики вырвались вперед в синтезе новых элементов, то химики на определенном этапе потеряли интересе к новым элементам. Последнее, что они изучали был 108-й элемент. Но как только был синтезирован в Дубне новый сверхтяжелый, то все химики на западе преступили вновь к изучению его химических свойств. И мне кажется, наша лаборатория оказалась в большей степени готовой к такого рода исследованиям, поскольку у нас в Дубне химики всегда участвуют в физических экспериментах. У нас, если проходит исследование, то задействованы несколько физических и химических секторов, чтобы был полноценный лабораторный эксперимент.

Насколько значима сама возможность изучения химических свойств новых сверхтяжелых?

Это настоящий прорыв. Физики могут синтезировать элемент, ну, может, еще показать его функцию возбуждения, а изучение химии безгранично.

Что учеными движет сейчас?

Надо думать о том, какие же химические свойства будут у 120 и 121 элементов. Мы планируем переход от кальция-48 к изотопам железа (мишень плутония 244 и железа могут дать 120 элемент). Область 120-х элементов - это совершенно новая область, интересная как физикам, так и химикам, потому что начинается новый 8-й период таблицы Менделеева (7-ой заканчивается на 118-м элементе). И дальше мы должны дойти до 119, 120, 121-х. Это уже должна быть группа супертрансактинидов. Есть ли такая группа или нет? Крайне интересно. Дальше мы думаем, как попасть на «остров стабильности» в области 114-го элемента со 184 нейтронами.

В каждой области есть темы, привлекательные для самой широкой аудитории. В химии одной из таких проблем является проблема границ таблицы Менделеева. Неслучайно и на обсуждении Вашего выступления первый вопрос был от человека, обиженного на то, что Вы не упомянули его теорию расчета границ таблицы. Как он сам заметил, организаторы съезда лишили его возможности выступить. Т. е. некоторые барьеры для лжеученых, по крайней мере, на научных конференциях все-таки действуют…

Да, это явление есть в каждой области…. Мы в лаборатории каждый день получаем письма похожего содержания, вроде "Я же 20 лет назад предложил использовать плутоний с кальцием, чтобы получить 114-й элемент, а вы про меня забыли?!"

Но как правило такие "специалисты" существуют в рамках околонаучных сообществ. Как Вы относитесь к распространению лженаучных воззрений в СМИ?

Очень трудно противостоять телевидению, которое в погоне за сенсацией готово пойти на любое искажение информации… Я помню, и со мной был подобный случай. В мае 2006-го года прошел первый физический эксперимент по 112-му элементу. К нам приехали снимать телерепортаж, в котором я рассказывал об итогах эксперимента… А потом в эфире корреспондент "прокомментировал" мои слова, так что речь шла о перевороте в энергетике, и о том, что скоро что люди забудут, что такое газ и уголь… Следом это повторили и другие средства массовой информации. Было жутко неприятно. Первая мысль: как я буду с коллегами объясняться, как убедить, что я такого не говорил?

Но с другой стороны, общество уже привыкло в каком-то смысле получать пользу от научных открытий, поэтому, зачастую, не вникая в суть дело, спешить задать вопрос: когда? Та же химия очень близка к отраслевым наукам. И даже если посмотреть по темам секций и докладов, видно, как химия продвигает разные отрасли. Естественно, что появилась и новая - нанотехнологическая - секция… Есть ли шанс у новых сверхтяжелых элементов найти практическое применение?

Пока это даже обсуждать не приходится. Однако это не означает, что наши установки, на которых мы проводим эксперименты, не могут приносить практическую пользу. Я вам приведу такой пример: все наши достижения в области производства трековых мембран, в области нанотехнологий, не были бы возможны, если бы не наши ускорители. Но ведь эти ускорители никогда бы не создали, если перед нами не стояли сверхзадачи, сформулированные фундаментальным направлением изучения сверхтяжелых элементов. Я считаю, что это очень показательный пример того, как могут быть связаны фундаментальные и прикладные исследования: когда прикладные задачи становятся достижимыми и решаемыми на определенном витке фундаментальных продвижений. Да, сейчас наши ускорители очень много полезного приносят людям, но как они развиваются? За счет чего? Сегодня мы, например, лидируем в мире по изучению взаимодействия тяжелых ионов с полимерами. У нас самый большой опыт в этой области. У нас лучшие трековые мембраны. Только в Китай Дубна поставляет 50 тысяч квадратных метров трековых мембран.

А с какими другими фундаментальными областями пересекаются ваши исследования? Какие связи у вас, например, с астрофизиками?

Прямые. У нас, например, очень тесные научные контакты с группой Герштейна.

Как работают корпоративные интересы в фундаментальных науках?

У них свои задачи, а у нас свои. Они нам говорят, что их интересует, и если нам это интересно так же, как астрофизикам, то мы это делаем свободно. Если для нас это не очень интересно, но крайне интересно для них, то они должны нас убедить, почему это так. А если это рядовая кандидатская диссертация, то у нас слишком дорого проводить эксперименты, мы такой благотворительности себе позволить не можем. Но вообще отношения между группами и институтами, конечно, сохраняются. Масса академических институтов бесплатно использует в своих исследованиях наши мембраны. С научных центров мы не берем денег, хотя с коммерческих структур, конечно, получаем деньги.

Как Вы думаете, когда результаты по изучению сверхтяжелых будут удостоены Нобелевской премии?

Мы, безусловно, надеемся, что труд академика Юрия Оганесяна будет отмечен Нобелевской премией, но, скорее всего, это будет не в этом году. Нобелевский комитет будет ждать утверждения IUPAC. Как только IUPAC признает приоритет нашей лаборатории, то думаем, что Юрий Цолакович обязательно получит награду.

Насколько вам кажется объективным присуждение Нобелевских премий? Есть ощущение политического подтекста?

Мне кажется, решения связаны скорее не с политическими, а с корпоративными интересами. При обсуждении современных решений часто забывают о том, как исторически складывались отношения с Нобелевским комитетом в разных странах….В начале своего существования Нобелевская премия не очень ценилась в России, поскольку премия Государя Императора была побольше суммой и считалась более престижной. Поэтому, скажем, Дмитрий Иванович Менделеев, не был лауреатом Нобелевской премии. Российские ученые не очень за нее боролись, и не старались занять лидирующие позиции в комитете. А американские коллеги в начале ХХ века, конечно, стремились сравняться с Западной Европой и очень боролись за премии. А потом уже так и получалось: у страны, у которой больше нобелевских лауреатов, стал наиболее весомым голос. Вы не забывайте, что все Нобелевские лауреаты тоже голосуют, традиционно ученые коллег из своей страны знают лучше. И естественно, даже при прочих равных, они скорее проголосуют за своего соотечественника - часто просто потому что лучше представляют его достижения. А политика сказывает в другом. Часто американцы ищут хорошую работу иностранного ученого, к нему добавляют своих кандидатов, и уже затем, пользуясь своим влиянием, "продавливают" решение о награждении уже нескольких кандидатов.

Получается такой своеобразный принцип нобелевской валентности…

Посмотрим, сработает ли он теперь.