При обстреле урана тепловыми нейтронами из него образуются более легкие элементы с порядковыми номерами 35-65: это заставляло надеяться, что среди обломков будут найдены также изотопы элементов 43 и 61. Если вспомнить состояние вопроса получения элементов 43, 61, а также 85 и 87 в 1930 году, то можно было уловить заметный прогресс. Прежде всего, подтвердилось подозрение, что элементы 43 и 61 являются нестойкими веществами, которые "вымерли". Что касается элементов 85 и 87, то уже довольно давно их признали распавшимися радиоактивными веществами.
В 1934 году физик Иозеф Маттаух нашел эмпирическое правило, которое позволяет оценить устойчивость ядер изотопов. Согласно правилу Маттауха не может существовать второго устойчивого изотопа, если заряд его ядра отличается только на единицу от заряда ядра известного устойчивого изотопа с тем же массовым числом. Эта закономерность дополняет правило Харкинса, по которому элементы с нечетным порядковым номером (то есть нечетным числом протонов и электронов) распространены на Земле существенно реже, поскольку мала устойчивость их ядер.
По отношению к элементам 43 и 61 правило Маттауха можно изложить следующим образом. Исходя из их положения в периодической системе, массовое число элемента 43 должно быть около 98, а для элемента 61 - около 147. Однако уже были известны устойчивые изотопы для элементов 42 и 44, а также для элементов 60 и 62 с массами от 94 до 102 и соответственно от 142 до 150. Поскольку второй устойчивый изотоп с тем же массовым числом не может существовать, то элементы 43 и 61 должны иметь только нестабильных представителей. Несомненно, что когда-то элементы 43 и 61 были на Земле в достаточном количестве. Когда возникла наша Солнечная система, то путем сочетания протонов и нейтронов образовались все элементы. Однако за время существования Земли - 4,6 миллиардов лет - их неустойчивые представители постепенно совсем исчезли. Исключение составляют только те радиоактивные элементы, которые могли постоянно пополняться в пределах естественного радиоактивного ряда, ибо их исходные вещества - уран или торий - еще существуют на Земле, благодаря своим периодам полураспада, насчитывающим миллиарды лет. Элементы 43 и 61 к этим естественным радиоактивным рядам не относятся. Лишь в том случае, если имеется долгоживущий изотоп этих элементов, можно было бы надеяться обнаружить его радиохимические следы.
В то время как некоторые ученые все еще занимались ложными трансуранами, другим исследователям удалось найти вожделенные элементы 43 и 87. Вот история их открытия... В 1936 году Эмилио Сегрэ после женитьбы покинул Ферми и его коллег и уехал в Палермо, прежнюю столицу Сицилии. В тамошнем университете ему предложили кафедру физики. В Палермо, к своему большому сожалению, Сегрэ не смог продолжать изыскания, начатые с Ферми. В университете не было никакого оборудования для радиоактивных исследований. Быстро приняв решение, итальянский ученый поехал в Америку, чтобы ознакомиться с Калифорнийским университетом в Беркли, который славился самым лучшим оборудованием. В то время там находился единственный в мире циклотрон. "Те источники радиоактивности, которые я увидел, были поистине поразительными для человека, работавшего до этого только с Ra-Ве-источниками",- вспоминал физик.
Особенно заинтересовался Сегрэ отклоняющей пластиной циклотрона. Она должна была направить поток ускоренных частиц в требуемом направлении. За счет столкновений с частицами высокой энергии - ускорялись дейтроны - эта пластина очень сильно разогревалась. Поэтому ее пришлось изготовить из тугоплавкого металла - молибдена. На этот металлический молибден, бомбардируемый дейтронами, и обратил свое внимание гость из Италии. Сегрэ предположил, что из молибдена, 42-го элемента, в результате обстрела дейтронами могли, быть может, образоваться изотопы все еще неизвестного элемента 43. Возможно, по уравнению:
Мо + D = Х + n
Природный молибден является смесью шести устойчивых изотопов. Сегрэ предположил: а вдруг один из шести возможных радиоактивных изотопов элемента 43, в которые теоретически мог бы превратиться молибден,- хотя бы один - оказался настолько долгоживущим, чтобы выдержать морское путешествие в Сицилию. Ибо итальянский физик намеревался заниматься поисками элемента 43 только в институте на родине.
Исследователь пустился в обратный путь, имея в кармане кусок молибденовой пластины от циклотрона в Беркли. В конце января 1937 года он начал исследования при поддержке минералога и химика-аналитика Перрье. Оба, действительно, нашли радиоактивные атомы, которые по химическим свойствам можно было поместить между марганцем и рением. Количества экамарганца, которые вновь искусственно возродились на Земле благодаря исследовательскому гению человека, были невообразимо малы: от 10-10 до 10-12 г 43-го элемента!
Когда в июле 1937 года Сегрэ и Перрье доложили о синтезе первого искусственного элемента, давно вымершего на Земле - это был день, вошедший в историю. Для элемента 43 позднее нашли очень точное наименование: технеций, происходящее от греческого technetos - искусственный. Можно ли будет когда-либо получить его в весомых количествах и подержать в руках? Вскоре удалось ответить на этот вопрос положительно, когда обнаружилось, что при делении урана возникают изотопы 43 с относительно высоким выходом. Особое внимание привлек изотоп с массовым числом 101 и периодом полураспада 14 мин. Предполагали, что вещество Ферми с периодом полураспада 13 мин, мнимый элемент 93, должен был быть изотопом элемента 43.
Естественные радиоактивные ряды имеют окончательный вид - в этом никто больше не отваживался сомневаться, в особенности после масс-спектрографической идентификации урана-235 Демпстером. Однако имелось слабое место в ряду уран - актиний. Прошло более двадцати лет с тех пор, как в этом ряду отметили "неточность", которая была почти что предана забвению. Еще в 1913/1914 годах на это несовпадение наткнулись английский химик Крэнстон и австрийские исследователи радиоактивности Майер, Хесс и Панет при изучении актиния. В качестве бета-излучателя актиний, как известно, превращается в радиоактиний, то есть в изотоп тория. Когда ученые изучали процесс превращения, они всегда наблюдали слабое альфа-излучение. Эту остаточную активность (примерно 1 %) обнаруживал и Отто Хан в опытах по получению чистого актиния. "Я не мог решиться на то, чтобы придать значение этой небольшой величине",- сообщил Хан позднее. Он считал, что это, скорее всего, примесь.
Прошло много лет. Французская ученая Маргарита Перей, сотрудница знаменитого Радиевого института в Париже, снова пошла по этому следу, очень тщательно очистила фракции актиния и в сентябре 1939 года смогла доложить об удачном выделении нового радиоактивного изотопа. Это был столь долго отсутствовавший элемент 87, тот альфа-излучающий побочный продукт, который дает остаточную однопроцентную активность актиния. Мадам Перей нашла разветвление в уже заполненном ряду, ибо изотоп элемента 87 точно так же превращается в актиний X, как и известный радиоактиний. По предложению Перей элемент 87 назвали францием в честь ее родины.
Правда, химики и по сей день не достигли больших успехов в изучении элемента 87. Ведь все изотопы Франция - короткоживущие и распадаются в течение миллисекунд, секунд или минут. По этой причине элемент поныне остался "неинтересным" для многих химических исследований и практического использования. При необходимости его получают искусственно. Конечно, франций можно "получать" и из естественных источников, но это - сомнительное предприятие: 1 г природного урана содержит только 10[-18] г франция!
Когда периодическая система была открыта, недоставало 23-х элементов, теперь - только двух: 61- и 85-го. Как шла дальше охота за элементами? Летом 1938 года Эмилио Сегрэ вновь поехал в Беркли. Он намеревался изучить короткоживущие изотопы элемента 43. Безусловно, такие исследования надо было предпринять на месте. Изотопы с малым периодом полураспада не "пережили" бы путь в Италию. Едва прибыв в Беркли, Сегрэ узнал, что возвращение в фашистскую Италию стало для него невозможным из-за расового террора. Сегрэ остался в Беркли и продолжал там свои работы.
В Беркли с более мощным циклотроном можно было разогнать альфа-частицы до высоких энергий. После преодоления так называемого порога кулоновского взаимодействия эти альфа-частицы были в состоянии проникнуть даже в ядра тяжелых атомов. Теперь Сегрэ увидел возможность превратить висмут, элемент 83, в неизвестный элемент 85. Совместно с американцами Корсоном и Маккензи он бомбардировал ядра висмута альфа-частицами с энергией 29 МэВ, чтобы провести следующий процесс:
Bi + He = X + 2n
Реакция осуществилась. Когда исследователи закончили первую совместную работу, 1 марта 1940 года, они лишь осторожно высказали мысль "о возможном получении радиоактивного изотопа элемента 85". Вскоре после этого они были уже уверены: искусственно получен элемент 85, до того как он был найден в природе. Последнее посчастливилось сделать лишь несколько лет спустя англичанке Лей-Смит и швейцарцу Миндеру из института в Берне. Им удалось показать, что элемент 85 образуется в радиоактивном ряду тория в результате побочного процесса. Для открытого элемента они выбрали название англо-гельвеций, которое было раскритиковано как словесная несуразица. Австрийская исследовательница Карлик и ее сотрудник Бернерт вскоре нашли элемент 85 в других рядах естественной радиоактивности, тоже как побочный продукт. Однако право дать наименование этому элементу, встречающемуся лишь в следах, оставалось за Сегрэ и его сотрудниками: теперь его называют астат, что в переводе с греческого означает непостоянный. Ведь самый устойчивый изотоп этого элемента обладает периодом полураспада только 8,3 ч.
К этому времени профессор Сегрэ пытался также синтезировать элемент 61. Между тем стало ясно, что оба соседа этого элемента по периодической системе, неодим и самарий, слабо радиоактивны. Сначала это казалось удивительным, так как в то время считали, что радиоактивность присуща наиболее тяжелым элементам. Неодим, 60-й элемент, излучал бета-лучи, следовательно, должен был превращаться в элемент 61. Тот факт, что этот неизвестный химический элемент до сих пор не могли выделить, вероятно, объяснялся его быстрым радиоактивным распадом. Что же делать? Здесь выход заключался опять-таки в искусственном получении искомого элемента. Раз элемент 61 нельзя было найти в природе, физики попытались его синтезировать.
В 1941/42 годах ученые Лоу, Пул, Квилл и Курбатов из Государственного университета в Огайо бомбардировали редкоземельный элемент неодим дейтронами, разогнанными в циклотроне. Они обнаружили радиоактивные изотопы нового элемента, который назвали циклонием. Однако это был лишь след, оставленный на фотопленке.
Каковы были успехи Эмилио Сегрэ? Он облучал альфа-лучами празеодим - элемент 59. Однако переработка безусловно синтезированных им изотопов элемента 61 оказалась слишком сложной. Выделение их из других редкоземельных элементов не удалось.
Об одном безрезультатном исследовании пришло известие из Финляндии. Еще в 1935 году химик Эреметсе начал анализировать концентраты смеси оксидов самария и неодима на природное содержание в них 61-го элемента. Для этой цели было переработано несколько тонн апатита.
Первый этап борьбы за 61-й элемент имел ничейный результат. Нельзя было даже принять предложенное название "циклоний".

"Если бы в результате какой-то мировой катастрофы
все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными, и к следующим поколениям людей перешла бы только одна фраза, то какое утверждение,
составленное из наименьшего количества слов, передало бы наибольшую информацию? Я считаю, что
это атомно-молекулярная теория: все тела состоят
из атомов и молекул - маленьких частиц, которые
находятся в постоянном движении, притягиваются
друг к другу на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если их плотнее прижать друг к другу. В одной этой фразе содержится невероятное количество
информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения."
Ричард Фейнман.

В 1869 году Д.И.Менделеев обнародовал периодический закон и его следствие - таблицу элементов.
В 1870 году он назвал таблицу "естественной", а
еще через год - "периодической". Вид первых вариантов таблиц был далек от современного. В то
время были известны только 63 элемента (сейчас
118), не были известны инертные газы, актиноиды,
а, самое главное, отсутствовали сведения о строении атомов. Таблица состояла из 6 вертикальных
столбцов (предшественники современных периодов) и содержала 67 элементов (63 известных + 4
предсказанных). Три из предсказанных (экабор,
экасилиций и экаалюминий) вскоре были открыты
и получили названия соответственно: скандий Sc,
германий Ge и галлий Ga. После этого периодический закон получил всеобщее признание.

"Короткая" форма таблицы, 2000-й год

Объяснение периодической системы элементов – одна из важнейших задач атомной физики.

Сформулируем прежде всего те принципы, на которых основано это объяснение:
1). Состояние электрона в атоме полностью определяется четырьмя квантовыми числами:
главным квантовым числом
n = 1, 2, 3, …;
орбитальным
квантовым числом
l = 0, 1, …, n-1;
магнитным квантовым числом m = 0, ±1, ±2, …, ±l;
магнитным спиновым
квантовым числом
ms = +1/2, -1/2.

2) Принцип Паули: В атоме может существовать только один электрон в состоянии,
характеризуемом данными значениями
четырех квантовых чисел; т.е. два электрона
в одном и том же атоме должны
различаться значениями по крайней мере
одного квантового числа.
3) Атом (как и любая система) устойчив тогда,
когда находится в состоянии с наименьшей
возможной энергией.

Совокупность электронов, обладающих одинаковым главным квантовым числом образует
слой. Слои имеют названия:
n
1
2
3
4
5
6
...
Название
K
L
M
N
O
P
...
Совокупность электронов, имеющих одинаковые
n и l, образует оболочку. Названия оболочек:
l
0
1
2
3
4
5
...
Название
s
p
d
f
g
h
...

Принцип Паули ограничивает число электронов
на той или иной электронной оболочке. Действительно, электроны в невозбужденном атоме
стремятся перейти в состояние с наименьшей
энергией (в устойчивое состояние), которое соответствует минимальным значениям главного
и орбитального чисел. Однако возможность такого перехода ограничена принципом Паули.
Поэтому электроны в невозбужденном атоме
находятся в таких состояниях, при которых
энергия атома является наименьшей, но
распределение по состояниям удовлетворяет
принципу Паули.

Установим теперь, сколько электронов может находится на оболочке и в атоме.

Т.к. число ms может иметь два значения, то в
атоме может быть два электрона с одинаковыми числами n, l, m.
При заданном l квантовое число m может иметь
(2 l +1) значений, следовательно, на оболочке может быть 2(2 l +1) электронов, т.е.
l
0
1
2
3
4
5
6
Название
s
p
d
f
g
h
i
Макс. число
электронов
2
6
10
14
18
22
26

При заданном n квантовое число l может принимать n значений: 0, 1, 2, …, n -1. Поэтому максимальное число электронов в слое можно выразить суммой арифметической прогрессии:
2 2(2(n 1) 1)
2
2(2l 1)
n 2n (17.1)
2
l 0
n 1
n
1
2
3
4
5
6
7
Название
K
L
M
N
O
P
Q
Макс. число
электронов
2
8
18
32
50
72
98

Графические изображения электронных s-, p- и d-оболочек

Графические
изображения
электронных
s-, p- и dоболочек

Графическое изображение 4f-оболочки

Схематические изображения электронных оболочек

Вид электронных оболочек

Конфигурация электронных оболочек атомов записывается с помощью следующих обозначений. Каждая оболочка обозначается соответствующим n и буквой, обозначающей l, а индексом справа вверху обозначается число электронов. Например:
Водород
1s1
Гелий
1s2
Литий
1s22s1
Углерод
1s22s22p2
Кислород
1s22s22p4
Аргон
1s22s22p63s23p6

Итак, принцип Паули дает следующую картину построения электронной оболочки атомов. Каждый
вновь присоединяемый электрон связывается в
состоянии с наименьшими возможными квантовыми числами. Эти электроны постепенно заполняют
слой с одним и тем же главным квантовым числом
n. Когда построение слоя заканчивается, получается устойчивая структура (инертный газ). Следующий электрон начинает заполнение уже нового
слоя и т.д. Эта идеальная схема соблюдается до
18 элемента таблицы Менделеева (до аргона).
Начиная с 19-го элемента (калия) наблюдаются отступления от идеальной схемы. Причина этих отступлений заключается в том, что идеальная схема
не учитывает взаимодействия электронов между
собой.

Например, 19-ый электрон калия должен (согласно идеальной схеме) находиться в 3d-оболочке. Однако химические и спектроскопические
данные указывают на то, что этот электрон находится в 4s-оболочке. Детальный расчет с
учетом взаимодействия электронов показывает, что состояние 3d действительно отвечает
большей энергии, чем 4s.

По этой же причине 20-ый электрон кальция тоже
присоединяется в 4s-состояние, а нормальное заполнение 3d-оболочки начинается у скандия. Аналогичное нарушение нормального порядка наблюдается у рубидия, цезия, франция. Другое отступление
от нормального порядка заполнения слоев имеет
место у редких земель (Z = 57 - 70): идет заполнение
4f-оболочки после заполнения оболочек 5s, 5p и 6s.

Еще несколько примеров конфигураций электронных оболочек атомов:
19 Калий
1s22s22p63s23p64s1 = 4s1
20 Кальций
4s2
36 Криптон
4s23d102p6
37 Рубидий
4s23d102p65s1 = 5s1
43 Технеций
5s14d6
54 Ксенон
5s24d105p6
55 Цезий
6s1
56 Барий
6s2
57 Лантан
6s25d1
71 Лютеций
6s25d14f14
86 Радон
6s25d104f146p6

Таким образом, атомная физика полностью объяснила периодическую таблицу элементов. Причем
теория не только объяснила, но и уточнила таблицу. До 1922г. элемент Z=72 не был известен. Он
был предсказан Менделеевым, и ему было оставлено место в группе редких земель. Однако по теоретическим соображениям, группа редких земель
должна содержать 14 элементов (т.к. на 4f оболочке может находиться 14 электронов), т.е. должна
заканчиваться 71-м элементом, а элемент Z=72
должен быть аналогом циркония и титана. На это
впервые указал Н. Бор, и вскоре элемент 72 (гафний) был открыт в циркониевых рудах и по своим
химическим и оптическим свойствам оказался аналогом титана и циркония, а не элементов группы
редких земель.

Недостатки короткой формы таблицы

Из-за того, что короткая таблица ограничена 8-ю
столбцами, приходится подразделять 4-й и следующие периоды на ряды и подгруппы, что лишено
химического смысла. Например, в I группе находятся щелочные металлы и резко отличающиеся
от них по химическим свойствам золото, серебро и
медь. В VII группе находятся галогены и тугоплавкий металл рений. Максимально противоречива
структура VIII группы. В нее включена "триада" железа (Fe, Co, Ni), семейство платиновых металлов
(Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) и инертные газы. Имеются и
другие недостатки.

Длинная форма таблицы

В 1989 году Международный союз теоретической и
прикладной химии (International Union of Pure and
Applied Chemistry - IUPAC, ИЮПАК) отменил короткую форму и утвердил новую "длинную" форму. Она состоит из 18 групп, обозначенных арабскими цифрами. Но чтобы сохранить преемственность, параллельно новым номерам групп записаны старые номера римскими цифрами с указанием
подгрупп (а, б), как в короткой форме. При этом fэлементы (лантаноиды и актиноиды) остались в
третьей группе, и для них, как и раньше, выделены отдельные строки.

"Длин-ная" фор-ма таб-лицы, 2004г

"Длинная"
форма
таблицы,
2004г

Перио-дическая система элемен-тов, предло-женная Н.Бором в 1921г

Периодическая
система
элементов,
предложенная
Н.Бором
в 1921г

Перио-дическая система, предло-женная Н.Бором, и дополнен-ная новыми элементами

Периодическая
система,
предложенная
Н.Бором, и
дополненная новыми
элементами

Состав атомных ядер

Ядра состоят из протонов и нейтронов. Электрический заряд протона e = 1.6·10-19 Кл, у нейтрона электрический заряд равен 0. Массы протона и нейтрона почти одинаковы:
mp = 1.6724·10-27кг = 938.3 Мэв,
mn = 1.6748·10-27кг = 939.6 Мэв
mn - mp = 1.3 Мэв
Свойства протона и нейтрона по отношению к ядерным силам одинаковы; современная физика считает их двумя состояниями одной частицы: нуклона. Сумма протонов и нейтронов в ядре (т.е. число
нуклонов) называется массовым числом:
A=Z+N

В настоящее время известно (существуют в природе
или получены искусственно) ок. 3000 ядер с различными значениями Z и A, из них стабильных 268
и 17 "долгоживущих" (долгоживущими называются
радиоактивные ядра, период полураспада которых
больше, чем 5·108лет, и поэтому они есть в природе). Всего стабильных и долгоживущих ядер 285;
остальные ядра - радиоактивные, их более 2700.
Число протонов Z равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И.Менделеева. В настоящее
время известны ядра со значениями Z от 0 до 118.
Число нейтронов N может быть различным; ядра с
одинаковыми числами протонов, но разными числами нейтронов, называются изотопами.

Большинство элементов имеют по несколько стабильных изотопов, рекорд принадлежит олову
(Z=50), у которого 10 стабильных изотопов.
Но некоторые элементы (их 24) имеют только по одному стабильному изотопу, а элементы с номерами Z = 43 (технеций), Z = 61 (прометий), а также
все, элементы, начиная с Z = 84 (полоний), не имеют ни одного стабильного изотопа.
Примеры изотопов:
Общее обозначение: AXZ , где X - символ химического элемента. Иногда пишут так: ZA X.
Водород имеет 2 стабильных изотопа (они есть в
природе): 1H1 (легкий водород, протий) и 2H1 (тяжелый водород, дейтерий), а также радиоактивный
изотоп 3H1 (сверхтяжелый водород, тритий).

Другие примеры изотопов:
Гелий имеет 2 стабильных изотопа (они также есть в
природе): 4He2 (обычный гелий) и 3He2 (легкий гелий). Искусственно получены короткоживущие (доли секунды) изотопы 6He2, 8He2, 10He2.
Уран имеет 2 нестабильных, но долгоживущих изотопа (есть в природе): 238U92 (99.3%) и 235U92 (0.7%).
Искусственно получены еще 12 изотопов с временами жизни от 2.5·105лет до нескольких минут.
Ядра с одинаковыми массовыми числами A (но разными Z и N) называются изобарами. Например:
Радиоактивный сверхтяжелый водород тритий 3H1 и
стабильный легкий гелий 3He2.
Радиоактивный углерод-14 ("радиоуглерод") 14C6 и
стабильный азот 14N7.

Искусственные химические элементы

До 1937г оставались неизвестными 4 элемента до
урана: с номерами Z = 43, 61, 85, 87. В 1937г итальянские физики К.Перрье (C.Perrier) и Э.Сегре (E.Segre), работавшие на циклотроне в г. Беркли (США),
облучая молибден дейтронами (ядрами дейтерия)
получили элемент №43, названный технецием:
2
H1 Mo42 Tc43 n
98
99
Для определения химических свойств технеция его
растворили в царской водке, и обнаружили, что он
не осаждается с цирконием, ниобием и молибденом,
а осаждается с марганцем и рением, которые, следовательно, являются химическими гомологами технеция, причем в периодической таблице один из них
находится выше технеция, а другой ниже.

Технеций (Technetium, Tc)

В настоящее время известно 16 изотопов технеция с
массовыми числами от 92 до 107. Наиболее долгоживущие из них: 98Tc43 (T1/2=4.2·106 лет) и 99Tc43 (T1/2=
2.1·105 лет). Позднее технеций в ничтожных количествах был обнаружен в урановых рудах, где он образуется при делении ядер урана. В свободном виде это
серебристо-серый металл, ρ = 11.5 г/см3, Тпл = 2172оС.
Используется как источник бета-частиц в различных
приборах, а также в медицине. Установлено также,
что соли технециевой кислоты (например, KTcO4) являются высокоэффективными ингибиторами коррозии. В количествах, достаточных для практического
использования, технеций получают из отходов атомной промышленности.

Франций

Элемент №87 был обнаружен в 1939 году французским радиохимиком Маргаритой Перей (Marguerite
Perey) в продуктах распада природного радиоактивного изотопа актиния-227:
227
Ac89
223
Fr87 He2
4
В настоящее время известно 34 изотопа франция с
массовыми числами от 199 до 232. Наиболее долгоживущий из них: 223Fr87 (T1/2=22 минуты). Он испытывает альфа- и бета-распады, при этом образуются
соответственно астат-219 и радий-223. В ядерной реакции 18O8 + 197Au79 → 210Fr87 + 5n получают изотоп
210Fr (T =3 минуты). Он испытывает альфа-распад,
87
1/2
при этом образуется астат-206.

Франций

Франций - первый элемент 7-го периода таблицы
Д.И.Менделеева и самый химически активный щелочной металл. Формула его электронной оболочки 7s1.
В настоящее время изотоп франция-223 используют
в радиохимических определениях актиния-227, т.к.
его бета-излучение легче регистрировать, чем
альфа-частицы актиния. Других практических применений франций и его соли не имеют в связи с
малым периодом полураспада. М.Перей пыталась
применить франций в медицине. Ей далось обнаружить, что франций накапливается в клетках ра-ковых
опухолей, но из-за быстрого распада не ус-певает
оказать терапевтическое действие.

Астат (Astatium, At)

Элемент №85 был получен в 1940 году (Д.Корсон,
К.Р.Маккензи, Э.Сегре, Калифорнийский университет в Беркли) в реакции:
4He
209Bi → 211At + 2n
+
2
83
85
В настоящее время известно 37 изотопов астата с
массовыми числами от 191 до 229. Наиболее долгоживущие из них: 209At85 (T1/2=5.5 часа), 210At85 (T1/2 =
8.3 часа) и 211At85 (T1/2=7.2 часа); они испытывают
альфа-распады и e-захваты, при этом образуются
соответственно висмут и полоний.
Гомологом астата является йод. Астат - предпоследний элемент 6-го периода; за ним следует инертный газ радон. Формула электронной оболочки астата 4f145d106s26p5.

Применение астата

Изотоп астат-211 считается перспективным для применения в медицине. Это чистый (т.е. без сопровождающего гамма- или бета-излучения) источник
альфа-частиц. При его распаде образуются альфа
-частицы, с энергией 6,8 МэВ. Длина их пробега в
биологических тканях составляет всего 60 мкм, поэтому при локализации астата в опухоли ионизация происходит в малом объёме, и окружающие
ткани не страдают от его радиоизлучения. Астат
считается эффективным средством лечения щитовидной железы, т.к. подобно йоду, может накапливаться в этом органе, а также меланомы (одного из
наиболее злокачественных новообразований).

Прометий (Prometium, Pm)

В 1945г американские химики Д.Маринский (J.Marinsky), Л.Гленденин (L.Glendenin) и Ч.Кориэлл (C.Coryell) с помощью ионообменных смол выделили 61й элемент из продуктов деления урана. R 1950-му
году химические свойства этого элемента были
исследованы, и комиссия IUPAC присвоила этому
элементу название прометий (в честь мифического героя Прометея).
В настоящее время известно 14 изотопов прометия с
массовыми числами от 140 до 154. Наиболее долгоживущий из них: 145Pm61 (T1/2=18 лет).
Прометий является одним из лантаноидов, и по химическим свойствам от них не отличается. Формула его электронной оболочки 6s24f5.

Применение прометия

Металлический прометий имеет гексагональную кристаллическую структуру, плотность 7.3г/см3, температура плавления ок.1100оС, кипения ок.3000оС.
Наибольшее практическое значение имеет бетаактивный изотоп 147Pm61 (T1/2=2.6 года), который образуется в ядерных реакторах. Его распад не сопровождается гамма-излучением, поэтому его используют для производства безопасных радиоизотопных источников тока, где он применяется в виде оксида Pm2O3, а также как компонент световых
составов радиолюминофоров (люминесцентных
составов, которые светятся под действием бетачастиц) длительного действия (несколько лет).

Первые трансурановые элементы: нептуний и плутоний

Эти элементы получают в результате реакции
радиационного захвата нейтрона ядрами ура238
239
на-238:
n
U 92
U 92
239
Np93 e e
(23мин)
Np93
239
Pu94 e e
(2.3дня)
239
239
U 92
Это тяжелые металлы с плотностью ок. 20 г/см3 и
температурой плавления ок. 640оС. Их физические и химические свойства изучены так же
хорошо, как и естественных элементов.

Нептуний и плутоний получили свои названия по
аналогии с названиями планет Солнечной системы: Нептун и Плутон, которые расположены за
Ураном. Нептуний впервые получили Э.Макмиллан (McMillan E.) и Ф.Абельсон (Abelson Ph.) в национальной лаборатории им. Э.Лоуренса в г. Беркли (США) в 1940 году. В той же лаборатории, в том
же 1940 году Э.Макмиллан и Г.Сиборг (Seaborg G.)
получили плутоний (нобелевская премия по химии
1951г). Для изучения физических и химических
свойств этих элементов к 1942 году ценой больших усилий удалось получить ок. 0.5 мг солей этих
элементов. В настоящее время изотоп 239Pu94 производится в количествах, измеряемых десятками
тонн в год.

В настоящее время известно 15 изотопов нептуния,
наиболее долгоживущий среди них изотоп 237Np93
(T1/2 =2.14·106 лет).
У плутония известно 20 изотопов, наиболее долгоживущий среди них изотоп 244Pu94 (T1/2=8.2·107 лет).
Изотоп 239Pu94 имеет T1/2 = 24100 лет.
По строению электронной оболочки атома и по своим химическим свойствам оба эти элемента относятся к актиноидам (идет заполнение 5f-оболочки
при заполненных 6s-, 6p- и 7s- оболочках). В свободном виде это серебристо-белые металлы, температура плавления ок. 640оС, кипения ок. 3500оС.
Как и все тяжелые металлы, эти элементы очень
токсичны, как в свободном виде, так и в виде химических соединений.

Америций
После того, как было накоплено достаточное количество плутония-239, появилась возможность получения следующих трансурановых элементов.
95-й элемент был получен в 1944 г также в лаборатории им. Э.Лоуренса в г. Беркли (США) группой
американских физиков под рук. Г.Сиборга в результате двух реакций захвата нейтрона ядрами
плутония и бета-распада плутония-241:
n
239
Pu94
240
Pu94
n 240 Pu94 241Pu94
241
Pu94
241
Am95 e e

Назван в честь страны открытия, латинское название Americium (Am). В настоящее время известно
11 изотопов америция, наиболее долгоживущий
среди них изотоп 243Am95 (T1/2 = 7370 лет).
По строению электронной оболочки атома и по своим химическим свойствам относится к актиноидам.
В свободном виде это серебристый металл, температура плавления ок. 1180оС, кипения 2070оС,
плотность 13.7 г/см3.
Применяется для изготовления нейтронных источников (в смеси с бериллием). Сообщалось также, что
некоторые изотопы америция имеют малую критическую массу, и могут использоваться для создания тактического ядерного оружия ("ядерных снарядов" и "ядерных пуль").

Кюрий
96-й элемент также был получен в 1944 г в той же
лаборатории в США той же группой физиков под
рук. Г.Сиборга в результате реакции
4
He2
239
Pu94
Cm96 n
242
Назван в честь Пьер Кюри и Марии Склодовской-Кюри, латинское название Curium (Cm). В настоящее
время известно 14 изотопов кюрия, наиболее долгоживущий среди них изотоп 247Cm96 (T1/2 = 1.6·107
лет). По строению атома и по химическим свойствам относится к актиноидам. В свободном виде
это серебристо-белый металл, температура плавления ок. 1345оС, кипения 3200оС, плотность 13.5
г/см3. Применяется для изготовления компактных
источников тока в космонавтике.

Берклий
После накопления достаточного количества америция, в 1949 году в той же лаборатории в США под
рук. Г.Сиборга был получен 97-й элемент в результате реакции
4
241
243
He2
Am95
Bk97 2n
названный в честь города Беркли (Berkeley), латинское название Berkelium (Bk). В настоящее время
известно 10 изотопов берклия, наиболее долгоживущий среди них изотоп 247Bk97 (T1/2 = 1380 лет). По
строению атома и по химическим свойствам относится к актиноидам. Температура плавления
986оС, кипения 2585оС, плотность 14.8 г/см3. Применяется, так же, как и кюрий, для изготовления
компактных источников тока в космонавтике.

Калифорний
После накопления достаточного количества кюрия, в
1950 году в США под рук. Г.Сиборга был получен
98-й элемент в результате реакции
4
He2 242Cm96 245Cf98 n
Латинское название Californium (Cf). Сейчас известно 15 изотопов калифорния, наиболее долгоживущий среди них изотоп 251Cf98 (T1/2 = 900 лет). По
строению атома относится к актиноидам. Температура плавления 900оС, плотность 15.1 г/см3.
Практическое значение имеет 252Cf98 (T1/2 = 2.6 г),
который является мощным источником нейтронов
(3·1012 нейтронов на 1 г 252Cf98). Возможно также
использование 251Cf98 для изготовления компактных ядерных пуль (критическая масса 10г).

Эйнштейний и Фермий
99-й и 100-й элементы открыли американские физики А.Гиорсо (A.Ghiorso), С.Томпсон (S.G.Thompson) и Г.Хиггинс (G.H.Higgins) в 1952г при анализе
продуктов взрыва водородной бомбы. В момент
взрыва за время 10-7с образуется 1024 нейтронов,
поэтому ядро урана успевает захватить сразу 1517 нейтронов, а дальше в результате цепочки бета-распадов образуются 99-й и 100-й элементы:
U 92 15n
238
U 92 ...
253
253
Es99
U 92 17n 255U 92 ... 255 Fm100
238
Названия даны в честь А.Эйнштейна и Э.Ферми. Латинские названия: Einsteinium (Es) и Fermium (Fm).

Позднее эти элементы были также получены по традиционной схеме, облучением ядер берклия и калифорния альфа-частицами.
В настоящее время известно 13 изотопов эйнштейния и 16 изотопов фермия. Наиболее долгоживущие среди них: изотоп 254Es99 (T1/2 = 276 дней) и
257Fm
100 (T1/2 = 94 дня).
По строению атома и по химическим свойствам оба
эти элемента относятся к тяжелым актиноидам
(почти заполнена 5f-оболочка: у эйнштейния 11
электронов, у фермия 12 электронов на 5f-оболочке при заполненных 6s-, 6p- и 7s- оболочках).
Мишени, содержащие атомы эйнштейния и фермия,
использовались для получения следующих трансурановых элементов.

Менделевий
После того, как было накоплено достаточное количество атомов эйнштейния, в 1955 году в той же лаборатории в США, что и предыдущие трансурановые элементы (рук. Г.Сиборг) был получен 101-й
элемент в реакции:
4
He2
253
Es99
256
Md101 n
Название дано в честь Д.И.Менделеева, латинское
название Mendelevium (Md).
По строению атома менделевий относится к тяжелым актиноидам: 13 электронов на 5f-оболочке
при заполненных 6s-, 6p- и 7s- оболочках. Сейчас
известно 9 изотопов менделевия, наиболее долгоживущий среди них изотоп 258Md101 (T1/2 = 55 дней).

Нобелий, Nobelium (No)
Впервые о синтезе 102-го элемента сообщила в 1957
г международная группа физиков, работав-ших в
Стокгольме (Швеция), которая и назвала его в
честь А.Нобеля. Однако в дальнейшем это открытие не подтвердилось. В 1958 г группа Г.Сиборга объявила об открытии 254No102, однако свойства
этого изотопа были определены с большой погрешностью.
В 1961 г в России, в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковном г. Дубна был построен ускоритель тяжелых ионов: циклотрон У-400, на котором в 1963-1966 гг под рук.
Г.Н.Флерова были получены надежные сведения
об этом элементе.

У-400

Ускоритель тяжелых ионов Дубненский циклотрон
У-400

102-й элемент был получен в 3-х реакциях:
15
N7 243 Am95 254 No102 4n
16
O8 242 Pu94 254 No102 4n
22
Ne10
U 92
238
256
No102 4n
В настоящее время известно 10 изотопов нобелия,
наиболее долгоживущий среди них изотоп 259No102
(T1/2 = 58 минут).
Нобелий является последним элементом группы актиноидов: у него полностью заполнена 5f-оболочка
(14 электронов), а также заполнены 6s-, 6p- и 7sоболочки.

Лоуренсий, Lawrencium (Lr)
Впервые о синтезе ядер 103-го элемента в 1961 г сообщил А.Гиорсо (лаборатория в Беркли). Название дано в честь американского физика Эрнеста
Лоуренса, создателя циклотрона (нобелевская
премия 1939г). В 1965-1967 гг Г.Н.Флеров в Дубненской лаборатории ОИЯИ получил 103-й элемент в реакции 18
243
256
O8
Am95
Lr103 5n
и исследовал свойства этого элемента. Сейчас известны 9 изотопов лоуренсия, наиболее долгоживущий среди них изотоп 260Lr103 (T1/2 = 3 минуты).
По современным уточненным данным Лоуренсий является уже d-элементом, т.к. с него начинается заполнение d-оболочки (1 электрон на 6d-оболочке).

Резерфордий (Rf)
С 60-х гг прошлого века, после того, как был построен У-400, дубненская лаборатория получила возможность на-равных соревноваться в синтезе трансурановых элементов с лабораторией в Беркли. Первый изотоп 104-го элемента был получен Г.Н.Флеровым в 1964 г в реакции 22
242
260
Ne10
Pu94
Rf104 4n
Вскоре после этого Г.Сиборг в Беркли получил несколько других изотопов. Сейчас известно 8 изотопов
резерфордия, наиболее долгоживущий среди них
изотоп 261Rf104 (T1/2 = 70 секунд). По химическим свойствам резерфордий является d-элементом, аналогом гафния и циркония (2 электрона на 6d-оболочке). В России 104-й элемент назывался Курчатовий,
но в 1997г ИЮПАК утвердил название Резерфордий

105-й элемент Дубний (Db) впервые получен в 1970 г
в Дубне в реакции
22
Ne10 243 Am95 262 Db105 4n
Сейчас известно 4 изотопа дубния, наиболее долгоживущий среди них изотоп 262Db105 (T1/2=40 секунд).
106-й элемент Сиборгий (Sg) получен в 1974 г в реакции
54
207
259
Cr24
Pb82
Sg106 2n
назван в честь Гленна Сиборга.
107-й элемент Борий (Bh) получен в 1976г в реакции
54
Cr24
209
Bi83
261
Bh107 2n
назван в честь Нильса Бора (N.Bohr).

108-й элемент Хассий (Hs) синтезирован в 1984 г в
лаборатории г. Дармштадт (Германия) в реакции:
58
Fe26 208 Pb82 265 Hs108 n
Назван в честь немецкой земли Гессен (Hassia). Наиболее долгоживущий изотоп 270Hs108 (T1/2 = 22с).
109-й элемент Мейтнерий (Mt) синтезирован там же
в 1982 г в реакции: 58
209
266
Fe26
Bi83
Mt109 n
Назван в честь австрийской ученой Лизе Мейтнер.
Наиболее долгоживущий изотоп 278Mt109 (T1/2 = 7.6с).
110-й элемент Дармштадтий (Ds) синтезирован там
же в 1995г в реакции
62
Ni28
208
Pb82
269
Ds110 n
Наиболее долгоживущий изотоп 281Ds110 (T1/2 = 9.6с).

111-й элемент Рентгений (Rg) синтезирован в 1994 г
в лаборатории г. Дармштадт в реакции:
64
Ni28 209 Bi83 272 Rg111 n
Наиболее долгоживущий изотоп 281Rg111 (T1/2 = 26с).
112-й элемент Коперниций (Cn) синтезирован там же
в 1996 г в реакции:
70
Zn30
208
Pb82
Cn112 n
277
Наиболее долгоживущий изотоп 285Cn112 (T1/2 = 30с).
113-й элемент Нихоний (Nh) синтезирован в 2004г в
Японском исследовательском центре в реакции
48
Ca20
237
Np93
282
Nh113 3n
Японцы называют свою страну Нихон (страна восходящего солнца). Наиболее долгоживущий изотоп
286Nh
113 (T1/2 =19.6с).

114-й элемент Флеровий (Fl) синтезирован в России
в ОИЯИ (г. Дубна) в 1999 г в реакции:
48
Ca20 244 Pu94 288 Fl114 4n
Назван в честь Георгия Николаевича Флерова. Наиболее долгоживущий изотоп 289Fl114 (T1/2 = 2.7с).
115-й элемент Московий (Mc) синтезирован в 2004 г
там же в реакции: 48
243
272
Ca20
Am95
Mc115 2n
Наиболее долгоживущий изотоп 289Mc115 (T1/2 =0.16с).
116-й элемент Ливерморий (Lv) синтезирован в США
в 2000г в исследовательском центре в г. Ливермор
в реакции
48
Ca20 248Cm96 293 Lv116 3n
Наиболее долгоживущий изотоп 293Lv116 (T1/2 = 53мс).

117-й элемент Теннесин (Ts) синтезирован в США в
2010 г в реакции: 48
249
294
Ca20
Bk97
Ts117 3n
Назван в честь штата Теннеси, где в г. Ок-Ридж находится Национальная лаборатория Министерства энергетики США. Наиболее долгоживущий изотоп 294Ts117 (T1/2 = 51мс).
118-й элемент Оганесон (Og) синтезирован в России
в ОИЯИ (г. Дубна) в 2006 г в реакции:
86
Kr36 208 Pb82 293Og118 n
Назван в честь Юрия Цолаковича Оганесяна. Пока
известен один изотоп, T1/2=0.89мс. Оганесон завершает седьмой период таблицы Менделеева, по химическим свойствам он должен быть аналогом инертных газов, отсюда название ("он", а не "ий").

Зависимость энергии связи ядра от параметра деформации

Пунктирная кривая соответствует Z2/A > 49, т.е.
Z > 125, A > 320.
Для сплошной кривой
Z2/A < 49.
Оценки с помощью капельной модели ядра показывают, что ядро с числом
протонов Z > 125, должно "мгновенно" (за ядерное
время 5·10-22 с) разделиться на осколки, т.е. периодическая таблица Менделеева должна закончиться в районе 125-го элемента.

Зависимость T1/2
спонтанного деления от параметра
Z2/A. Белые кружочки - экспериментальные данные; пересекающая рисунок сплошная кривая рассчитана по капельной модели
ядра.
(10-6 года = 31.5с)

Синтез элементов

Еще в начале 40-х годов идею Большого Взрыва пытались использовать для объяснения происхождения химических элементов. Американские исследователи Р. Альфер, Г. Гамов и Р. Герман предположили, что на самых ранних этапах своего существования Вселенная представляла собой сгусток сверхплотного нейтронного газа (или, как они его назвали, «илема»). Позже, однако, было показано, что ряд тяжелых элементов может образоваться в недрах звезд за счет циклов ядерных реакций, так что нужда в «илеме», казалось, отпала.

Уточнение химического состава Космоса вскоре привело к противоречию. Если подсчитать, сколько водорода в звездах нашей Галактики должно было за время ее существования (10 млрд. лет) «перегореть» в гелий, то окажется, что наблюдаемое количество гелия в 20 раз больше того, которое получается по теоретическим расчетам. Это означает, что источником образования гелия должен быть не только его синтез в недрах звезд, но и какие-то иные, весьма мощные процессы. В конце концов пришлось снова обратиться к идее Большого Взрыва и в нем искать источник избыточного гелия. На этот раз успех выпал на долю известных советских ученых академика Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, которые в серии обстоятельных работ подробно обосновали теорию Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной (Я. В. Зельдович, И. Д. Новиков. Строение и эволюция Вселенной. М., Наука, 1975 ). Основные положения этой теории сводятся к следующему.

Расширение Вселенной началось с очень большой плотности и очень высокой температуры. На заре своего существования Вселенная напоминала лабораторию высоких энергий и высоких температур. Но это, конечно, была лаборатория, не имеющая земных, аналогий.

Само «начало» Вселенной, т. е. ее состояние, соответствующее, по теоретическим расчетам, радиусу, близкому к нулю, ускользает пока даже от теоретического представления. Дело в том, что уравнения релятивистской астрофизики сохраняют силу до плотности порядка 10 93 г/см3. Сжатая до такой плотности Вселенная когда-то имела радиус порядка одной десятибиллионной доли сантиметра, т. е. по размерам была сравнима с протоном! Температура этой микровселенной, кстати сказать, весившей не менее 10 51 тонн, была неимоверно велика и, по-видимому, близка к 10 32 градусам. Такой Вселенная была спустя ничтожную долю секунды после начала «взрыва». В самом же «начале» и плотность и температура обращаются в бесконечность, т. е. это «начало», применяя математическую терминологию, является той особой «сингулярной» точкой, для которой уравнения современной теоретической физики теряют физический смысл. Но это не означает, что до «начала» ничего не было: просто мы не можем представить себе, что было до условного «начала» Вселенной.

В нашей жизни секунда - ничтожный интервал. В первые же моменты жизни Вселенной (условно отсчитываемой от «начала»), уже на протяжении первой секунды развернулось множество событий. Термин «расширение» тут кажется слишком слабым и потому неуместным. Нет, это было не расширение, а сильнейший по мощности взрыв.

К исходу одной стотысячной доли секунды после «начала» Вселенная в своем микрообъеме заключала смесь элементарных частиц: нуклонов и антинуклонов, электронов и позитронов, а также мезонов, квантов света (фотонов). В этой смеси, по мнению Я. Б. Зельдовича, вероятно, присутствовали гипотетические (пока) гравитоны и кварки (Гравитоны и кварки - гипотетические частицы; взаимодействие гравитонов с другими частицами обусловливает гравитационное поле (это кванты гравитационного поля); кварки - «основные кирпичики», комбинации которых дают все многообразие частиц. На обнаружение кварков затрачено много сил и средств, но они до сих пор не найдены ), но главная роль все же, по-видимому, принадлежала нейтрино.

Когда «возраст» Вселенной составлял одну десятитысячную долю секунды, ее средняя плотность (10 14 г/см3) была уже близка к плотности атомных ядер, а температура снизилась примерно до нескольких биллионов градусов. К этому времени нуклоны и антинуклоны уже сумели аннигилировать, т. е. взаимно уничтожиться, превратившись в кванты жесткого излучения. Сохранялось лишь и множилось количество нейтрино, рождавшихся при взаимодействии частиц, так как нейтрино наиболее слабо взаимодействуют с другими частицами. Это растущее «море» нейтрино изолировало друг от друга наиболее долго живущие частицы - протоны и нейтроны и обусловило превращение протонов и нейтронов друг в друга и рождение электрон-по-зитронных пар. Неясно, чем обусловлено последующее преобладание в нашем мире частиц и незначительное количество античастиц. Возможно, почему-либо имела место изначальная асимметрия: число античастиц всегда было меньше числа частиц, либо, как полагают некоторые ученые,благодаря не известному пока механизму разделения частицы и античастицы отсортиро-вались, сконцентрировавшись в разных частях Вселенной, а античастицы где-то так же преобладают (как в нашем мире преобладают частицы), образуя антимир.

По словам Я. Б. Зельдовича, «на сегодняшний момент во Вселенной остались кванты, которые мы наблюдаем, а также нейтрино и гравитоны, которые современными средствами мы наблюдать не можем и, вероятно, не сможем еще много лет».

Продолжим цитату:

«Итак, с течением времени во Вселенной все частицы «вымирают», остаются только кванты. С точностью до одной стомиллионной это правильно. Но в действительности на каждые сто миллионов квантов приходится один протон или нейтрон. Эти частицы сохраняются потому, что им - оставшимся частицам - не с чем аннигилировать (вначале нуклоны, протоны и нейтроны аннигилировали со своими античастицами). Их мало, но именно из этих частиц, а не из квантов состоят Земля и планеты, Солнце и звезды» (Земля и Вселенная, 1969, № 3, с. 8 (Я. Б. Зельдович. Горячая Вселенная) ).

Когда возраст Вселенной достиг трети секунды, плотность снизилась до 10 7 г/см3, а температура - до 30 млрд. градусов. В этот момент, по выражению академика В. Л. Гинзбурга, нейтрино отрываются от нуклонов и в дальнейшем уже не поглощаются ими. Сегодня эти «первичные», странствующие в космическом пространстве нейтрино должны обладать энергией всего в несколько десятитысячных долей электронволь-та. Фиксировать такие нейтрино мы не умеем: для этого чувствительность современной аппаратуры надо увеличить в сотни тысяч раз. Если когда-нибудь это удастся сделать, «первичные» нейтрино принесут нам ценную информацию о первой секунде жизни Вселенной.

К исходу первой секунды Вселенная увеличилась до размеров, примерно в сто раз превышающих размеры современной Солнечной системы, поперечник которой равен 15 млрд. км. Теперь уже плотность ее вещества составляет 1 т/см3, а температура - около 10 млрд. градусов. Здесь еще ничто не напоминает современный космос. Отсутствуют привычные нам атомы и атомные ядра, нет и стабильных элементарных частиц.

Всего 0,9 секунды ранее при температуре 100 млрд. градусов протонов и нейтронов было поровну. Но при снижении температуры более тяжелые нейтроны распадались на протоны, электроны и нейтрино. Значит, число протонов во Вселенной неуклонно росло, а количество нейтронов уменьшалось.

Возраст Вселенной - три с половиной минуты. Теоретические расчеты фиксируют для этого момента температуру в 1 млрд. градусов и плотность уже в сто раз меньше плотности воды. Размеры Вселенной всего за три с половиной минуты возросли почти от нуля до 40 св. лет (Для расширения пространства скорость света не является предельной ). Создались условия, при которых протоны и нейтроны стали объединяться в ядра самых легких элементов, преимущественно водорода. Наступает некоторая стабилизация, и к концу четвертой минуты от начала «первовзрыва» Вселенная по массе состояла из 70% водорода и 30% гелия. Вероятно, таким же был первоначальный состав самых древних звезд. Более тяжелые элементы возникли позже в результате тех процессов, которые совершаются в звездах.

Дальнейшая история Вселенной более спокойна, чем ее бурное начало. Темп расширения постепенно замедлился, температура, как и средняя плотность, постепенно снижалась, и когда Вселенной исполнился миллион лет, ее температура стала настолько низкой (3500 градусов по Кельвину), что протоны и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы. С этого момента, по существу, начинается современный этап эволюции Вселенной. Возникают галактики, звезды, планеты. В конце концов через много миллиардов лет Вселенная стала такой, какой мы ее видим.

Возможно, некоторые из читателей, пораженные колоссальными, далекими от привычной реальности числами, подумают, что нарисованная в самых общих чертах история Вселенной есть лишь теоретическая абстракция, далекая от действительности. Но это не так. Теория раширяющейся Вселенной объясняет разбегание галактик. Она подтверждается многими современными данными о космосе. Наконец, недавно было найдено еще одно очень убедительное опытное подтверждение сверхгорячего состояния древней Вселенной.

Первичная плазма, которая изначально заполняла Вселенную, состояла из элементарных частиц и квантов излучения, или фотонов, - это был так называемый фотонный газ. Первоначально плотность излучения в «микровселенной» была очень велика, но по мере ее расширения «фотонный газ» постепенно охлаждался. Так охлаждался бы горячий воздух внутри какого-нибудь непрерывно расширяющегося замкнутого объема.

Ныне от первичного «жара» должны были бы остаться лишь трудноуловимые следы. Энергия квантов первичного «фотонного газа» снизилась до величины, отвечающей температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Ныне первичный «фотонный газ» должен излучать наиболее интенсивно в сантиметровом радиодиапазоне.

Таковы теоретические прогнозы. Но они подтверждаются наблюдениями. В 1965 г. американские радиофизики обнаружили шумовое радиоизлучение на волне 7,3 см. Это излучение равномерно поступало из всех точек небосвода и явно не было связано с каким-нибудь дискретным космическим радиоисточником. Не повинны в нем и земные радиостанции, и помехи, порождаемые радиоаппаратурой.

Так было открыто реликтовое излучение Вселенной, остаток ее первичной невообразимо высокой температуры. Тем самым получила подтверждение «горячая» модель первичной Вселенной, теоретически рассчитанная Я. Б. Зельдовичем и его учениками.

Итак, судя по всему, Вселенная родилась в результате мощнейшего «первовзрыва». Из ничтожно малого по объему, но сверхтяжелого, сверхплотного, сверхгорячего сгустка вещества и излучения за несколько миллиардов лет возникло то, что ныне мы именуем Космосом.

Когда из очень малого, но невообразимо плотного сгустка вещества Вселенная расширилась до космических размеров, исполинский, еще очень горячий и сверхплотный шар ее, вероятно, распался на множество «осколков». Это могло быть следствием, например, неоднородности шара и различной скорости процессов, в нем происходивших.

Каждый из «осколков», состоявший из дозвездной материи с громадными запасами энергии, в свою очередь со временем распадался. Возможно, что продуктами распада и были квазары - зародыши галактик. Как полагают академик В. А. Амбарцумян и другие исследователи, в ядрах квазаров (а равно и в ядрах галактик) сосредоточено дозвездное вещество, свойства которого мы пока не можем определить, а внешние их слои состоят из плазмы и газов, плотность которых всего лишь в несколько раз выше, чем плотность материи в галактиках. Если это так, то надо признать, что «первовзрыв» и последующие, вторичные взрывы выбрасывали в пространство не только «осколки» дозвездного вещества, но и диффузную материю - плазму, газы, из которых формировалась пылевая материл. При этом надо думать, что первоначальное содержание газопылевой материи во Вселенной было значительно более высоким, чем ныне.

Как бы то ни было, по нашим современным представлениям, вплоть до стадии появления галактик во Вселенной преобладали взрывные процессы. Но как мы видели, взрывные процессы характерны и для стадии галактик, хотя интенсивность их уменьшается в процессе эволюции галактик - от бурных проявлений энергии в галактиках Маркаряна и Сейферта до спокойного истечения материи из ядер таких галактик, как наша. Таким образом, теория расширяющейся Вселенной, возможно, смыкается с концепцией академика Амбарцумяна, который, основываясь на собственных открытиях и открытиях своих сотрудников, а также на трудах зарубежных астрономов, распространяет идею созидающего взрыва и на процессы звездообразования. Согласно этой концепции, и все известные нам космические объекты (галактики, звезды, газопылевые туманности) рождаются в процессе взрыва из сверхплотных, начиненных огромными запасами энергии сгустков дозвездного вещества. Потому-то звезды и возникают в виде разлетающейся, первоначально компактной группы, состоящей из многих тысяч или миллионов звезд. Автору эта гипотеза кажется наиболее вероятной из всех других, а потому он предлагает следующую «родословную» всех космических объектов.

«Первоатом», т. е. Вселенная в первичном сверхплотном состоянии, и первичный огненный шар - ее самые далекие предки, давшие, конечно, кроме планет почти бесчисленное потомство всех космических объектов.

Какой-то фрагмент огненного шара, возможно, стал зачаточным ядром нашей Галактики и со временем обзавелся звездным населением. Это зачаточное галактическое ядро и, вероятно, отпочковавшаяся от него звездная ассоциация, в которую входило Солнце, - следующие, более близкие к нам по времени «родственники» Земли.

Предложенная схема эволюции космоса от «перво-атома» к звездам - лишь гипотеза, подлежащая дальнейшей разработке и проверке. Пока никакой теории превращения гипотетической «дозвездной материи» в наблюдаемые космические объекты не существует, и это обстоятельство - одно из уязвимых мест в концепции В. А. Амбарцумяна.

С другой стороны, рождение звезд путем конденсации разреженной газопылевой материи нельзя считать абсолютно невозможным, наоборот, до сих пор большинство астрономов придерживается подобной «конденсационной» гипотезы. Гигантские скопления газопылевой материи, возможно, возникли на стадии «вторичных» взрывов «осколков первовзрыва». Можно полагать, что распределение вещества в них было поначалу неравномерным. Некоторое общее вращение таких скоплений порождает, вероятно, в них мощные магнитные поля, благодаря чему структура газопылевых облаков могла стать волокнистой. Под воздействием гравитационных сил в расширениях (узлах) этих «волокон» и могла начаться концентрация материи, приводившая к возникновению целых семейств звезд.

Этой концепции пока придерживается большинство исследователей, хотя и она имеет свои слабые стороны. Вполне допустимо, что обе концепции («взрывная» и «конденсационная») вовсе не исключают, а дополняют друг друга: ведь при распаде дозвездной материи возникают не только звезды, но и туманности. Может быть, вещество этих туманностей когда-нибудь послужит (или уже много раз служило) исходным материалом для конденсации звезд и планет? Лишь будущие исследования смогут внести полную ясность в этот вопрос.

Теория Большого Взрыва, разработанная Я. Б. Зельдовичем и Н. Д. Новиковым, отлично объяснила «избыток» гелия во Вселенной. По их недавним расчетам, уже спустя 100 секунд после начала расширения водорода во Вселенной было 70%, гелия - около 30%. Остальной гелий и более тяжелые элементы появились в ходе эволюции звезд.

Несмотря на этот большой успех, горизонты теории Большого Взрыва отнюдь не безоблачны. За последнее время открыт ряд фактов, не укладывающихся в рамки этой теории (Подробнее см. в кн.: В. П. Чечев, Я. М. Крамаровский. Радиоактивность и эволюция вселенной. М., Наука, 1978 ). Так, например, известны галактики, явно физически связанные между собой и находящиеся от нас на равном расстоянии, но имеющие при этом существенно различающиеся (иногда в 13 раз!) «красные смещения». Непонятно и другое: почему на одном и том же расстоянии спиральные галактики имеют всегда большие «красные смещения», чем эллиптические галактики. По некоторым данным получается, что в разных направлениях скорость расширения, «распухания» Вселенной неодинакова, что противоречит сложившимся до сих пор представлениям о строго «сферической» форме расширяющегося мира?

Наконец, недавно выяснилось, что скорости галактик относительно фона реликтового излучения очень малы. Они измеряются не тысячами и десятками тысяч километров в секунду, как это следует из теории расширяющейся Вселенной, а всего лишь сотнями километров в секунду. Выходит, что галактики практически покоятся относительно реликтового фона Вселенной, который по ряду причин можно считать абсолютной системой отсчета (Подробнее см. в кн.: Развитие методов астрономических исследований (А. А. Ефимов. Астрономия и принцип относительности). М., Наука, 1979, с. 545 ).

Как преодолеть эти трудности, пока неясно. Если окажется, что «красное смещение» в спектрах галактик вызвано не эффектом Доплера, а каким-то иным, пока не известным нам процессом, нарисованная схема происхождения химических элементов может оказаться неверной. Однако скорее всего Большой Взрыв не иллюзия, а реальность, и теория «горячей» расширяющейся Вселенной есть одно из важнейших достижений науки XX века.

В заключение заметим, что каких бы взглядов на эволюцию Вселенной ни придерживаться, остается незыблемым бесспорный факт - мы живем в химически нестабильном Мире, состав которого непрерывно меняется.

Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?
Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента - от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов - нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.
Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.
Первый искусственный
Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого??? - искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.
Легкие снаряды
Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.Следующий, 94-й элемент - плутоний - впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения - берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний - двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.
Тяжелые ионы
Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 - фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 - в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения - например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов - от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов - с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.
Всего три атома
118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) - 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 - единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, - вспоминает Кентон Муди. - Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».
Мафусаил номер 117
Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже - в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа - 14 миллисекунд, а более тяжелого - целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже - несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.
Долгая жизнь на острове стабильности
Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально - это 2, 8, 20 и 28. Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически - правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева - минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.
Дубнинский метод

При попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может образоваться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно либо распадается на осколки примерно равной массы, либо испускает (испаряет) несколько нейтронов и переходит в основное (невозбужденное) состояние.
«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, - объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. - Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой - кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов - сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку - ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов - удовольствие не из дешевых».

Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?

Алексей Левин

Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента — от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.

Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов — нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.

Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.

Первый искусственный

Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.

Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально — это 2, 8, 20 и 28. Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически — правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева — минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.

Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого — искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Легкие снаряды

Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.

Следующий, 94-й элемент — плутоний — впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.

Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.

60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения — берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний — двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.

Тяжелые ионы

Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 — фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).

Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 — в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.

В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения — например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов — от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов — с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.

Всего три атома

118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) — 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 — единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.

«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, — вспоминает Кентон Муди. — Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».

«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, — объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. — Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой — кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов — сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку — ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов — удовольствие не из дешевых». На фото: при попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может образоваться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно либо распадается на осколки примерно равной массы, либо испускает (испаряет) несколько нейтронов и переходит в основное (невозбужденное) состояние.

Мафусаил номер 117

Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже — в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.

В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа — 14 миллисекунд, а более тяжелого — целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже — несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).

Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.