Почему 118-й химический элемент назвали в честь российского учёного
Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) утвердил названияновых четырёх элементов таблицы Менделеева: 113-го, 115-го, 117-го и 118-го. Последний назван в честь российского физика, академика Юрия Оганесяна. Учёные попадали "в клеточку" и раньше: Менделеев, Эйнштейн, Бор, Резерфорд, чета Кюри… Но лишь второй раз в истории это произошло при жизни учёного. Прецедент случился в 1997 году, когда такой чести удостоился Гленн Сиборг. Юрию Оганесяну давно прочат Нобелевскую премию. Но, согласитесь, получить собственную клеточку в таблице Менделеева куда круче.
В нижних строках таблицы вы легко найдёте уран, его атомный номер 92. Все последующие элементы, начиная с 93-го, - это так называемые трансураны. Некоторые из них появились примерно 10 миллиардов лет назад в результате ядерных реакций внутри звёзд. Следы плутония и нептуния были обнаружены в земной коре. Но большинство трансурановых элементов давно распалось, и теперь можно лишь предсказывать, какими они были, чтобы потом пытаться воссоздать их в лабораторных условиях.
Первыми это сделали в 1940 году американские учёные Гленн Сиборг и Эдвин Макмиллан. Родился плутоний. Позднее группа Сиборга синтезировала америций, кюрий, берклий… К тому времени чуть ли не весь мир включился в гонку за сверхтяжёлыми ядрами.
В 1964 году новый химический элемент с атомным номером 104 впервые синтезировали в СССР, в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ), который находится в подмосковной Дубне. Позднее этот элемент получил имя "резерфордий". Руководил проектом один из основателей института Георгий Флёров. Его имя тоже вписано в таблицу: флеровий, 114.
Юрий Оганесян был учеником Флёрова и одним из тех, кто синтезировал резерфордий, потом дубний и более тяжёлые элементы. Благодаря успехам советских учёных Россия вырвалась в лидеры трансурановой гонки и сохраняет этот статус до сих пор.
Научный коллектив, работа которого привела к открытию, направляет своё предложение в IUPAC. Комиссия рассматривает аргументы "за" и "против", исходя из следующих правил: "…вновь открытые элементы могут быть названы: (а) по имени мифологического персонажа или понятия (включая астрономический объект), (б) по названию минерала или аналогичного вещества, (в) по названию населённого пункта или географической области, (г) в соответствии со свойствами элемента или (д) по имени учёного".
Названия четырём новым элементам присваивали долго, почти год. Дата объявления решения несколько раз отодвигалась. Напряжение нарастало. Наконец 28 ноября 2016 года, по истечении пятимесячного срока для приёма предложений и возражений общественности, комиссия не нашла причин отвергнуть нихоний, московий, теннессин и оганесон и утвердила их.
Кстати, суффикс "-он-" не очень типичен для химических элементов. Для оганесона он выбран потому, что по химическим свойствам новый элемент аналогичен инертным газам - это сходство подчеркивает созвучие с неоном, аргоном, криптоном, ксеноном.
Рождение нового элемента - событие исторического масштаба. На сегодняшний день синтезированы элементы седьмого периода до 118-го включительно, и это не предел. Впереди 119-й, 120-й, 121-й… Изотопы элементов с атомными номерами более 100 зачастую живут не более тысячной доли секунды. И кажется, чем тяжелее ядро, тем короче его жизнь. Это правило действует до 113-го элемента включительно.
В 1960-х годах Георгий Флёров предположил, что оно не обязано неукоснительно соблюдаться по мере углубления в таблицу. Но как это доказать? Поиск так называемых островов стабильности более 40 лет был одной из важнейших задач физики. В 2006 году коллектив учёных под руководством Юрия Оганесяна подтвердил их существование. Научный мир вздохнул с облегчением: значит, смысл искать всё более тяжёлые ядра есть.
Юрий Цолакович, что же всё-таки представляют собой острова стабильности, о которых много говорят в последнее время?
Юрий Оганесян: Вы знаете, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Но только строго определённое количество этих "кирпичиков" связаны друг с другом в единое тело, которое представляет ядро атома. Комбинаций, которые "не срабатывают", оказывается больше. Поэтому, в принципе, наш мир находится в море нестабильности. Да, есть ядра, которые остались со времён образования Солнечной системы, они стабильны. Водород, например. Участки с такими ядрами будем называть "континентом". Он постепенно уходит в море нестабильности по мере того, как мы идём к более тяжёлым элементам. Но, оказывается, если далеко уйти от суши, возникает остров стабильности, где рождаются ядра-долгожители. Остров стабильности - это открытие, которое уже сделано, признано, но точное время жизни долгожителей на этом острове пока не предсказывается достаточно хорошо.
Как были открыты острова стабильности?
Юрий Оганесян: Мы долго их искали. Когда ставится задача, важно, чтобы был однозначный ответ "да" или "нет". Причин нулевого результата на самом деле две: либо ты не дотянулся, либо того, что ищешь, вообще нет. У нас был "ноль" до 2000 года. Мы думали, что, может быть, теоретики и правы, когда рисуют свои красивые картины, но нам до них не дотянуться. В 90-е мы пришли к выводу, что стоит усложнить эксперимент. Это противоречило реалиям того времени: нужна была новая техника, а средств не хватало. Тем не менее к началу ХХI века мы были готовы опробовать новый подход - облучать плутоний кальцием-48.
Почему для вас так важен именно кальций-48, именно этот изотоп?
Юрий Оганесян: Он имеет восемь лишних нейтронов. А мы знали, что остров стабильности там, где избыток нейтронов. Поэтому тяжёлый изотоп плутония-244 облучали кальцием-48. В этой реакции синтезировали изотоп сверхтяжёлого элемента 114 - флеровия-289, который живёт 2,7 секунды. В масштабах ядерных превращений это время считается достаточно длительным и служит доказательством того, что остров стабильности существует. Мы доплыли до него, и по мере продвижения вглубь стабильность только росла.
Почему, в принципе, была уверенность, что существуют острова стабильности?
Юрий Оганесян: Уверенность появилась, когда стало понятно, что ядро имеет структуру… Давно, ещё в 1928 году, наш великий соотечественник Георгий Гамов (советский и американский физик-теоретик) высказал предположение, что ядерное вещество похоже на каплю жидкости. Когда эту модель начали проверять, выяснилось, что она удивительно хорошо описывает глобальные свойства ядер. Но потом наша лаборатория получила результат, который коренным образом изменил эти представления. Мы выяснили, что в обычном состоянии ядро не ведёт себя подобно капле жидкости, не является аморфным телом, а имеет внутреннюю структуру. Без неё ядро существовало бы всего 10-19 секунды. А наличие структурных свойств ядерной материи приводит к тому, что ядро живёт секунды, часы, а мы надеемся, что может жить сутки, а может быть даже миллионы лет. Эта надежда, быть может, и слишком смелая, но мы надеемся и ищем трансурановые элементы в природе.
Один из самых волнующих вопросов: есть ли предел разнообразию химических элементов? Или их бесконечно много?
Юрий Оганесян: Капельная модель предсказывала, что их не более ста. С её точки зрения есть предел существования новых элементов. Сегодня их открыто 118. Сколько ещё может быть?.. Надо понять отличительные свойства "островных" ядер, чтобы делать прогноз для более тяжёлых. С точки зрения микроскопической теории, которая учитывает структуру ядра, мир наш не кончается за сотым элементом уходом в море нестабильности. Когда мы говорим о пределе существования атомных ядер, мы должны обязательно это учесть.
Есть ли достижение, которое вы считаете главным в жизни?
Юрий Оганесян: Я занимаюсь тем, что мне на самом деле интересно. Иногда увлекаюсь очень сильно. Иногда получается что-то, и я радуюсь, что получилось. Это жизнь. Это не эпизод. Я не принадлежу к категории людей, которые мечтали быть научными работниками в детстве, в школе, нет. Но просто у меня как-то хорошо получалось с математикой и физикой, и поэтому я пошёл в тот вуз, где надо было сдавать эти экзамены. Ну, сдал. И вообще, я считаю, что в жизни мы все очень сильно подвержены случайностям. Правда, ведь? Очень многие шаги в жизни мы делаем совершенно случайным образом. А потом, когда ты становишься взрослым, тебе задают вопрос: "Почему ты это сделал?". Ну, сделал и сделал. Это моё обычное занятие наукой.
"Мы можем за месяц получить один атом 118-го элемента"
Сейчас ОИЯИ строит первую в мире фабрику сверхтяжёлых элементов на базе ускорителя ионов DRIBs-III (Dubna Radioactive Ion Beams), самого мощного в своей области энергий. Там будут синтезировать сверхтяжёлые элементы восьмого периода (119, 120, 121) и производить радиоактивные материалы для мишеней. Эксперименты начнутся в конце 2017 - начале 2018 года. Андрей Попеко, из лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова ОИЯИ, рассказал, зачем всё это нужно.
Андрей Георгиевич, как предсказывают свойства новых элементов?
Андрей Попеко: Основное свойство, из которого следуют все остальные, - это масса ядра. Предсказать её очень сложно, но, исходя из массы, уже можно предположить, как ядро будет распадаться. Есть разные экспериментальные закономерности. Вы можете изучать ядро и, скажем, пытаться описать его свойства. Зная что-то о массе, можно говорить об энергии частиц, которые будет испускать ядро, делать предсказания о времени его жизни. Это довольно громоздко и не очень точно, но более-менее надёжно. А вот если ядро делится спонтанно, прогнозирование становится делом гораздо более сложным и менее точным.
Что мы можем сказать о свойствах 118-го?
Андрей Попеко: Он живёт 0,07 секунды и испускает альфа-частицы с энергией 11,7 МэВ. Это измерено. В дальнейшем можно сравнивать экспериментальные данные с теоретическими и поправлять модель.
На одной из лекций вы говорили, что таблица, возможно, заканчивается на 174-м элементе. Почему?
Андрей Попеко: Предполагается, что дальше электроны просто упадут на ядро. Чем больше заряд ядра, тем сильнее оно притягивает электроны. Ядро - плюс, электроны - минус. В какой-то момент ядро притянет электроны настолько сильно, что они должны упасть на него. Наступит предел элементов.
Могут ли такие ядра существовать?
Андрей Попеко: Полагая, что существует 174-й элемент, мы полагаем, что существует и его ядро. Но так ли это? Уран, 92-й элемент, живёт 4,5 млрд лет, а 118-й - меньше миллисекунды. Собственно, раньше считалось, что таблица заканчивается на элементе, время жизни которого пренебрежимо мало. Потом выяснилось, что не всё так однозначно, если двигаться по таблице. Сначала время жизни элемента падает, потом, у следующего, немножко увеличивается, потом опять падает.
Когда увеличивается - это и есть остров стабильности?
Андрей Попеко: Это указание на то, что он есть. На графиках это хорошо видно.
Тогда что же такое сам остров стабильности?
Андрей Попеко: Некоторая область, в которой находятся ядра изотопов, обладающие более долгим по сравнению с соседями временем жизни.
Эту область ещё предстоит найти?
Андрей Попеко: Пока только самый краешек зацепили.
Что вы будете искать на фабрике сверхтяжёлых элементов?
Андрей Попеко: Эксперименты по синтезу элементов занимают много времени. В среднем полгода непрерывной работы. Мы можем за месяц получить один атом 118-го элемента. Кроме того, мы работаем с высокорадиоактивными материалами, и наши помещения должны отвечать специальным требованиям. Но когда создавалась лаборатория, их ещё не было. Сейчас строится отдельное здание с соблюдением всех требований радиационной безопасности - только для этих экспериментов. Ускоритель сконструирован для синтеза именно трансуранов. Мы будем, во-первых, подробно изучать свойства 117-го и 118-го элементов. Во-вторых, искать новые изотопы. В-третьих, пробовать синтезировать ещё более тяжёлые элементы. Можно получить 119-й и 120-й.
Планируются эксперименты с новыми материалами для мишеней?
Андрей Попеко: Мы уже начали работать с титаном. На кальций потратили в общей сложности 20 лет - получили шесть новых элементов.
К сожалению, научных областей, где Россия занимает ведущие позиции, не так много. Как нам удаётся побеждать в борьбе за трансураны?
Андрей Попеко: Собственно, здесь лидерами всегда были Соединённые Штаты и Советский Союз. Дело в том, что основным материалом для создания атомного оружия был плутоний - его требовалось как-то получать. Потом задумались: а не использовать ли другие вещества? Из ядерной теории следует, что нужно брать элементы с чётным номером и нечётным атомным весом. Попробовали кюрий-245 - не подошёл. Калифорний-249 тоже. Стали изучать трансурановые элементы. Так получилось, что первыми этим вопросом занялись Советский Союз и Америка. Потом Германия - там в 60-е годы была дискуссия: стоит ли ввязываться в игру, если русские с американцами уже всё сделали? Теоретики убедили, что стоит. В итоге немцы получили шесть элементов: со 107-го по 112-й. Кстати, метод, который они выбрали, разрабатывал в 70-е годы Юрий Оганесян. И он, будучи директором нашей лаборатории, отпустил ведущих физиков помогать немцам. Все удивлялись: "Как это?" Но наука есть наука, здесь не должно быть конкуренции. Если есть возможность получить новые знания, надо участвовать.
В ОИЯИ выбрали другой метод?
Андрей Попеко: Да. Оказалось, что тоже удачный. Несколько позже подобные эксперименты стали проводить японцы. И синтезировали 113-й. Мы получили его почти на год раньше как продукт распада 115-го, но не стали спорить. Бог с ними, не жалко. Эта группа японская стажировалась у нас - многих из них мы знаем лично, дружим. И это очень хорошо. В некотором смысле это наши ученики получили 113-й элемент. Они же, кстати, подтвердили наши результаты. Желающих подтверждать чужие результаты немного.
Для этого нужна определённая честность.
Андрей Попеко: Ну да. А как по-другому? В науке, наверное, вот так.
Каково это - изучать явление, которое по-настоящему поймут от силы человек пятьсот во всём мире?
Андрей Попеко: Мне нравится. Я всю жизнь этим занимаюсь, 48 лет.
Большинству из нас невероятно сложно понять, чем вы занимаетесь. Синтез трансурановых элементов - не та тема, которую обсуждают за ужином с семьёй.
Андрей Попеко: Мы генерируем новые знания, и они не пропадут. Если мы можем изучать химию отдельных атомов, значит, обладаем аналитическими методами высочайшей чувствительности, которые заведомо пригодны для изучения веществ, загрязняющих окружающую среду. Для производства редчайших изотопов в радиомедицине. А кто поймёт физику элементарных частиц? Кто поймёт, что такое бозон Хиггса?
Да. Похожая история.
Андрей Попеко: Правда, людей, понимающих, что такое бозон Хиггса, всё же больше, чем разбирающихся в сверхтяжёлых элементах… Эксперименты на Большом адронном коллайдере дают исключительно важные практические результаты. Именно в Европейском центре ядерных исследований появился интернет.
Интернет - любимый пример физиков.
Андрей Попеко: А сверхпроводимость, электроника, детекторы, новые материалы, методы томографии? Всё это побочные эффекты физики высоких энергий. Новые знания никогда не пропадут.
Ванадий, V (1801 г.). Ванадис - скандинавская богиня любви, красоты, плодородия и войны (как у неё всё это получается?). Повелительница валькирий. Она же Фрейя, Гефна, Хёрн, Мардёлл, Сюр, Вальфрейя. Это имя дано элементу потому, что он образует разноцветные и очень красивые соединения, а богиня вроде тоже очень красивая.
Ниобий, Nb (1801 г.). Изначально назывался колумбием в честь страны, откуда привезли первый образец минерала, содержащего этот элемент. Но потом был открыт тантал, который практически по всем химическим свойствам совпадал с колумбием. В итоге решено было назвать элемент именем Ниобы, дочери греческого царя Тантала.
Палладий, Pd (1802 г.). В честь открытого в том же году астероида Паллада, название которого тоже восходит к мифам Древней Греции.
Кадмий, Cd (1817 г.). Изначально этот элемент добывали из цинковой руды, греческое название которой напрямую связано с героем Кадмом. Сей персонаж прожил яркую и насыщенную жизнь: победил дракона, женился на Гармонии, основал Фивы.
Прометий, Pm (1945 г.). Да, это тот самый Прометей, который отдал огонь людям, после чего имел серьёзные проблемы с божественными властями. И с печенью.
Самарий, Sm (1878 г.). Нет, это не совсем в честь города Самары. Элемент был выделен из минерала самарскита, который предоставил европейским учёным горный инженер из России Василий Самарский-Быховец (1803-1870). Можно считать это первым попаданием нашей страны в таблицу Менделеева (если не брать в расчёт её название, конечно).
Гадолиний, Gd (1880 г. Назван в честь Юхана Гадолина (1760-1852), финского химика и физика, открывшего элемент иттрий.
Тантал, Ta (1802 г.). Греческий царь Тантал обидел богов (есть разные версии, чем именно), за что в подземном царстве его всячески мучили. Примерно так же страдали учёные, пытаясь получить чистый тантал. На это ушло больше ста лет.
Торий, Th (1828 г.). Первооткрывателем был шведский химик Йёнс Берцелиус, который и дал элементу имя в честь сурового скандинавского бога Тора.
Кюрий, Cm (1944 г.). Единственный элемент, названный в честь двух человек - нобелевских лауреатов супругов Пьера (1859-1906) и Марии (1867-1934) Кюри.
Эйнштейний, Es (1952 г.). Тут всё понятно: Эйнштейн, великий учёный. Правда, синтезом новых элементов никогда не занимался.
Фермий, Fm (1952 г). Назван в честь Энрико Ферми (1901-1954), итало-американского учёного, внёсшего большой вклад в развитие физики элементарных частиц, создателя первого ядерного реактора.
Менделевий, Md (1955 г.). Это в честь нашего Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907). Странно только, что автор периодического закона попал в таблицу не сразу.
Нобелий, No (1957 г.). Вокруг названия этого элемента долго шли споры. Приоритет в его открытии принадлежит учёным из Дубны, которые назвали его жолиотием в честь ещё одного представителя семейства Кюри - зятя Пьера и Марии Фредерика Жолио-Кюри (тоже нобелевского лауреата). Одновременно с этим группа физиков, работавших в Швеции, предложила увековечить память Альфреда Нобеля (1833-1896). Довольно долго в советской версии таблицы Менделеева 102-й значился как жолиотий, а в американской и европейской - как нобелий. Но в итоге ИЮПАК, признавая советский приоритет, оставил западную версию.
Лоуренсий, Lr (1961 г.). Примерно та же история, что и с нобелием. Учёные из ОИЯИ предложили назвать элемент резерфордием в честь "отца ядерной физики" Эрнеста Резерфорда (1871-1937), американцы - лоуренсием в честь изобретателя циклотрона физика Эрнеста Лоуренса (1901-1958). Победила американская заявка, а резерфордием стал 104-й элемент.
Резерфордий, Rf (1964 г.). В СССР он назывался курчатовием в честь советского физика Игоря Курчатова. Окончательное название было утверждено ИЮПАК только в 1997 году.
Сиборгий, Sg (1974 г.). Первый и единственный до 2016 года случай, когда химическому элементу присвоили имя здравствующего учёного. Это было исключение из правила, но уж больно велик вклад Гленна Сиборга в синтез новых элементов (примерно десяток клеток в таблице Менделеева).
Борий, Bh (1976 г.). Тут тоже была дискуссия о названии и приоритете открытия. В 1992 году советские и немецкие учёные договорились назвать элемент нильсборием в честь датского физика Нильса Бора (1885-1962). ИЮПАК утвердил сокращённое название - борий. Это решение нельзя назвать гуманным по отношению к школьникам: им приходится запомнить, что бор и борий - это совершенно разные элементы.
Мейтнерий, Mt (1982 г.). Назван в честь Лизы Мейтнер (1878-1968), физика и радиохимика, работавшей в Австрии, Швеции и США. Кстати, Мейтнер была одним из немногих крупных учёных, отказавшихся участвовать в Манхэттенском проекте. Будучи убеждённой пацифисткой, она заявила: "Я не стану делать бомбу!".
Рентгений, Rg (1994 г.). В этой клеточке увековечен открыватель знаменитых лучей, первый в истории нобелевский лауреат по физике Вильгельм Рентген (1845-1923). Элемент синтезировали немецкие учёные, правда, в исследовательскую группу входили и представители Дубны, в том числе Андрей Попеко.
Коперниций, Cn (1996 .). В честь великого астронома Николая Коперника (1473-1543). Как он оказался в одном ряду с физиками XIX-XX века, не совсем понятно. И уж совсем непонятно, как называть элемент по-русски: коперниций или коперникий? Допустимыми считаются оба варианта.
Флеровий, Fl (1998 г.). Утвердив это название, международное сообщество химиков продемонстрировало, что ценит вклад российских физиков в синтез новых элементов. Георгий Флёров (1913-1990) руководил лабораторией ядерных реакций в ОИЯИ, где были синтезированы многие трансурановые элементы (в частности, от 102-го до 110-го). Достижения ОИЯИ увековечены также в названиях 105-го элемента (дубний), 115-го (московий - в Московской области расположена Дубна) и 118-го (оганесон).
Оганесон, Og (2002 г.). Первоначально о синтезе 118-го элемента заявили американцы в 1999 году. И предложили назвать его гиорсий в честь физика Альберта Гиорсо. Но их эксперимент оказался ошибочным. Приоритет открытия признали за учёными из Дубны. Летом 2016 года ИЮПАК рекомендовал дать элементу название оганесон в честь Юрия Оганесяна.