оганесон 118 что это
The Batrachospermum Magazine
Научно-развлекательный журнал Батрахоспермум (официальный сайт)
Оганесон – как странный сон
Первые 117 элементов таблицы Менделеева были нормальными. И вот появился 118-й.
Нихоний (Nh), московий (Mc), теннессин (Ts) и оганесон (Og) появились в таблице Менделеева в 2016 году. Фото: Antoine2K.
Оганесон (Og), в девичестве унуноктий, в 2016 году получил имя в честь Юрия Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Это второй элемент, нареченный именем еще здравствующего человека, после сиборгия (Sg), названного в 1997 году в честь живого Гленна Сиборга (1912–1999).
Окончание -он свидетельствует о принадлежности оганесона к благородным газам – группе элементов, в которую также входят гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn). Да, гелий без надлежащего окончания – может, потому что, когда набираешь полные легкие гелия, голос начинает звучать не слишком благородно.
Оганесон – самый тяжелый на сегодняшний день элемент периодической таблицы, его атомная масса – больше 294 атомных единиц массы, что почти в 25 раз тяжелее типичного изотопа углерода из вашего бренного тела. В отличие от углерода искать оганесон у себя под мышкой или в жировых складочках не стоит – в природе он вообще не встречается, и за все время было искусственно синтезировано всего несколько атомов этого радиоактивного элемента, каждый из которых просуществовал меньше миллисекунды.
В связи с этим, говоря о свойствах оганесона, ученые полагаются исключительно на теоретические предсказания. И многие из этих предсказанных свойств довольно странны.
Распределение плотности электронов в трех благородных элементах без учета релятивистских эффектов (вверху) и с учетом оных (внизу). Согласно расчетам, в оганесоне электроны не ограничивают себя орбиталями, а формируют равномерное облако Ферми-газа.
Если руководствоваться вычислениями, основанными на классической физике, то электроны оганесона должны располагаться в окружающих атомное ядро оболочках, как у почти всех нормальных элементов. Однако оганесон – элемент сверхтяжелый, а значит, из-за большого заряда ядра его электроны разгоняются до таких значительных скоростей, что возникает необходимость учитывать теорию относительности Эйнштейна, и если включить ее в расчеты, то получается странная штука: вместо дискретных электронных оболочек электроны витают в более-менее равномерно размытом облаке электронного газа!
Благородные газы еще называют инертными, потому что они химически неактивны и участвуют в реакциях лишь в экстремальных условиях, как при апокалипсисе. Оганесон – исключение. Из-за необычного распределения электронов он легко отдает и принимает электроны, а значит, может быть химически реактивным. Получается, что оганесон – парадоксально неинертный благородный газ.
К тому же он вовсе и не газ в привычном понимании этого слова. В «размазанном» состоянии облака электроны оганесона легко поляризуются, а значит, атомы элемента будут связываться друг с другом прочными вандерваальсовыми взаимодействиями. Вместо того чтобы отскакивать друг от друга, словно футбольные мячики, как в типичных газах, атомы оганесона при комнатной температуре, вероятно, будут стремиться слипнуться в твердое вещество! Это уже не благородный газ, а благородная твердь какая-то.
Протоны ядра оганесона тоже могут вести себя нестандартно. Обычно протоны отталкиваются друг от друга в силу положительного заряда, но не разлетаются благодаря так называемым ядерным силам, в основе которых лежит сильное взаимодействие – намного более сильное, чем кулоновские взаимодействия между зарядами. Однако у оганесона протонов аж 118 штук, поэтому их объединенные кулоновские усилия могут частично преодолеть ядерную силушку, в результате чего в ядре сформируется пузырь! В центре ядра протонов окажется меньше, чем на периферии.
А вот нейтроны ядра, как и электроны вокруг ядра, смешаются в Ферми-газ, предсказывают ученые.
Юрий Оганесян – второй человек после Гленна Сиборга, именем которого еще при его жизни назвали химический элемент. Фото: ОИЯИ.
Сам Юрий Цолакович Оганесян подобные прогнозы относительно его тезки-элемента находит удивительными. Для их проверки необходимы эксперименты, говорит он, с предвкушением потирая руки.
Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Если вам понравилось его читать и вы хотите поделиться информацией с друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем рады. С уважением, Батрахоспермум.
Почему «московий» и «оганесон» устроили раскол между физиками и химиками?
В 2015 году открыли четыре новых элемента периодической таблицы — нихоний, московий, теннессин и оганесон. Три из них получены российскими физиками-ядерщиками из Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Спустя три года споры об этих элементах не утихают. Физики из Лундского университета не верят в доказательства коллег из России и требуют исключить их элементы из таблицы. А между союзом химиков и физиков началась «война» за право руководить открытием новых элементов. «Хайтек» адаптировал и дополнил статью Nature и выяснил, что не так с элементами российских физиков-ядерщиков, и почему к ним столько вопросов.
Читайте «Хайтек» в
«Они просто топнули ногами и ушли»
Когда химики и физики собрались на симпозиум в мае 2016 года, атмосфера в замке Бэккаскуг на юге Швеции царила оптимистичная. Нобелевский фонд спонсировал эту встречу. Исследователи делились друг с другом своими достижениями в ядерной физике. Но главный повод для встречи — это торжество по случаю добавления в периодическую систему четырех новых химических элементов, открытых за несколько месяцев до этого. Названия новых элементов объявили через несколько дней после симпозиума. А приглашение на церемонию стало огромной честью для исследователей и стран, принимавших участие в открытии.
Хотя многие на встрече были в восторге от успехов ядерной физики, ощущалось и беспокойство. Ученые опасались, что в процессе анализа новых элементов обнаружат их неисследованные свойства. Тогда все выкладки исследователей просто не оправдаются. Главная претензия касалась наиболее противоречивых элементов, под номерами 115 и 117. По мнению экспертов, исследователи не предоставили достаточно доказательств к своему открытию. Важно сделать это правильно, чтобы сохранить научную целостность периодической системы элементов.
К концу встречи один ученый попросил проголосовать, следует ли объявлять названия этих элементов, как и планировалось. Результаты голосования показали глубину беспокойства среди научного сообщества. Большинство исследователей проголосовали за то, чтобы отложить это заявление, говорит Уолтер Лавленд, химик-ядерщик из Университета штата Орегон в Корваллисе. Это вызвало бурную реакцию со стороны российских ученых, которые участвовали в «появлении на свет» трех новых элементов.
«Они просто топнули ногами и ушли», — говорит Лавленд. «Я никогда не видел этого на научной встрече».
«Мы не верим, мы хотим увидеть доказательства»
Несмотря на голосование и опасения ученых, имена элементов были объявлены вскоре после симпозиума. Нихоний (атомный номер 113), московий (115), теннессин (117) и оганесон (118) присоединились к 114 ранее обнаруженным элементам в качестве постоянных дополнений в периодической таблице. Через 150 лет после того, как Дмитрий Менделеев положил начало этой структуре элементов, седьмую строку таблицы официально заполнили полностью.
Некоторые исследователи все же расстроились из-за скоропалительного решения симпозиума. Клаус Фахландер, физик-ядерщик из Лундского Университета в Швеции, считает, что экспериментальные результаты в итоге подтвердят свойства московия и теннессина. Но Фахландер уверен, что элементы утверждены «преждевременно». «Мы ученые, — говорит он. «Мы не верим, мы хотим увидеть доказательства»
Второй в истории ученый, чья фамилия дала название химическому элементу. Речь идет о присвоении названия при жизни ученого. Первый раз это случилось в 1997 году с Гленном Сиборгом (№ 106 — сиборгий, «Хайтек»). Он открыл плутоний, америций, кюрий и берклий. С его открытий и началась гонка за сверхтяжелыми ядрами.
Суффикс «-он-» в названии элемента «оганесон» не очень типичен для химических элементов. Его выбрали потому, что по химическим свойствам новый элемент похож на инертные газы — это сходство подчеркивает созвучие с неоном, аргоном, криптоном, ксеноном.
В 2019 году ОИЯИ приступит к созданию 119-го элемента. Изотопы элементов с атомными номерами более 100 живут не дольше тысячной доли секунды. И кажется, чем тяжелее ядро, тем короче его жизнь. Это правило действует до 113-го элемента включительно.
В 1960-х годах учитель Оганесяна академик Георгий Флеров предположил, что оно не обязано неукоснительно соблюдаться по мере углубления в таблицу. Поиск «островов стабильности» занял у физиков более 40 лет. В 2006 году ученые под руководством Юрия Оганесяна подтвердили их существование.
Физики vs. Химики
2019 год объявлен Международным годом периодической таблицы. Поэтому дебаты по четырем элементам и дополнительную проверку решили отложить. Но спор привел к неопределенности в нижнем ряду элементов. Возможно, научные руководящие институты пересмотрят некоторые из последних открытий.
Часть разногласий связана с расколом между химиками и физиками. Они спорят, кто должен быть законным хранителем периодической таблицы. Химики исторически занимали эту роль, потому что именно они несколько столетий открывали естественные элементы с помощью химических методов
Но за последние десятилетия физики-ядерщики буквально вели охоту за новыми элементами, создавали их искусственно, прицельно разбивая атомные ядра. Ученые тратили годы на то, чтобы произвести только один атом этих сверхтяжелых элементов. Они крайне нестабильны, а расщепляются на радиоактивные фракции за доли секунды. Поскольку каждая группа ученых стремилась стать первой, ученому совету трудно установливать доказательства их открытий.
Группа российских и американских исследователей произвела бомбардировку берклия (атомный номер 97) частицами кальция-48 (атомный номер 20), ускоренными циклотроном. В результате ядерной реакции был синтезирован теннессин (117). Сам теннессин распадается на более мелкие радиоактивные химические элементы.
«Капельная модель предсказывала, что элементов в периодической таблице будет не более ста. С ее точки зрения есть предел существования новых элементов. Сегодня их открыто 118. Сколько еще может быть? Надо понять отличительные свойства „островных“ ядер, чтобы делать прогноз для более тяжелых. С точки зрения микроскопической теории, учитывающую 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»
Забыли согласовать с физиками
Добавить новый элемент в таблицу или нет решают две организации: Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) и Международный союз чистой и прикладной физики (IUPAP). Свои решения они с 1999 года принимают на основе заключения группы экспертов, известной как совместная рабочая группа (JWP) под председательством Пауэля Кэрола, химика-ядерщика и почетного профессора Университета Карнеги Меллона в Питтсбурге, штат Пенсильвания. Они собираются для оценки открытий в области химии и физики. Последний раз комиссия JWP заседала в 2012 году, а в 2016 году ее расформировали. Она состояла из Кэрола и еще четырех физиков
Перед закрытием JWP подтвердила открытие элементов — 115, 117 и 118, возникших в ходе российско-американских исследований под руководством почетного физика-ядерщика Юрия Оганесяна из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в российском наукограде Дубна. Открытие 113-го элемента закрепили за исследователями из Токийского Института физико-химических исследований RIKEN.
Решение о признании новых элементов JWP объявила 30 декабря 2015 года. IUPAC выпустил пресс-релиз с основными аспектами открытия четырех новых элементов, тогда еще не получивших имен. Представители союза подчеркнули, что опубликовали свое решение крайне оперативно. Фактически, они сделали объявление до того, как исполнительный комитет IUPAC утвердил выводы JWP.
Выводы по новым элементам даже не согласовали с физиками, хотя в IUPAP ждали их, утверждает Брюс Mаккелар из Университета Мельбурна в Австралии, президент IUPAP в то время
Кто хранит таблицу химических элементов
Непростые отношения между двумя союзами ученых из-за этого конфуза испортились еще больше. Сесилия Ярлског, физик из Университета Лунда и президент IUPAP до Маккеллара, считает, что много лет химики несправедливо руководили оценкой открытий (Кэрол в разговоре с Nature упомянул, что при подготовке отчетов JWP он больше полагался на решения IUPAC). О своем разочаровании Ярлског заявила на шведском симпозиуме в 2016 году. Она обвинила IUPAC в попытке перетянуть все внимание на себя, объявив об открытии самостоятельно. Только физики «компетентны» оценивать подобные открытия, уверена Ярлског.
Ситуацию усугубила критика в адрес JWP. JWP поддержала выводы команды исследователей о свойствах элементов 115 и 117. Цепи радиоактивного распада из элементов 115 и 117 полностью совпадают с заявленными, что доказывает оба открытия. Но анализ «перекрестной бомбардировки» труднодоказуем для элементов с нечетными номерами. Фахландер и его коллеги из Университета Лунда утверждали, что метод российских ученых недостоверен для 115 и 117 элементов. Обвинения стали поводом для расследования вокруг деятельности JWP в феврале 2015 года
Член комиссии Роберт Барбер, физик-ядерщик из Университета Манитобы в Виннипеге, Канада, рассказал, что он и его коллеги «очень беспокоились» о полноте исследования методом перекрестной бомбардировки. Но они пришли к выводу, что альтернативы этому типу доказательств нет, и достигли консенсуса по всем заявленным решениям.
Лавленд поддерживает выбор большинства. И даже если JWP приняло не совсем корректные решения, говорит он, решения группы вряд ли отменят
Решения правильные, но приняты непрофессиональными экспертами
Физик-ядерщик из Дубны Владимир Утенков не согласен с позицией JWP. Аргументы группы из Университета Лунда о методе перекрестной бомбардировки ученый не признает. Он уверен, что российско-американские исследования имеют под собой вескую доказательную базу. Но, как утверждает Утенков, когда группа JWP принимала решение о новых элементах, в ней не было «высококвалифицированных» экспертов по синтезу тяжелых элементов. А в ее докладах содержится множество ошибок
Кэрол защищает работу, выполненную JWP. Он заявил, что они пытались соблюдать критерии, регулирующие оценку открытий. Кэрол заявил: «Я считаю, что комитет был более чем удовлетворен своим докладом».
Но большинство ученых на встрече в 2016 году в Швеции критично относились к JWP. Дэвид Хинде, физик-ядерщик из Австралийского национального университета в Канберре, опросил около 50 исследователей: считают ли они, что выводы группы были «научно удовлетворительными». В итоге он получил очень мало положительных ответов на этот вопрос.
Кого считать судьями
Несмотря на проблемы, IUPAC и IUPAР продолжили сотрудничество и совместно объявили названия четырех новых элементов. Маккеллар признается, что сомневался в решении союзов. Но большинство физиков и химиков, с которыми консультировался ученый, назвали общие выводы JWP достаточно осмысленными. Хотя к деталям доклада есть вопросы.
Ян Редейк, президент отдела неорганической химии IUPAC, пояснил, что объявление об открытии специально сделали раньше, чтобы избежать утечек в прессу и сделать именно лаборатории-претенденты ньюсмейкерами. Чтобы это сделать, по словам Редейка, он максимально быстро одобрил выводы JWP в декабре 2015 года от имени своего подразделения после того, как результаты исследования опубликовали в журнале «Чистая и прикладная химия» (Pure and Applied Chemistry — «Хайтек») IUPAC. «Комиссия сработала должным образом, поэтому я согласился менее чем через час», — утверждает химик
Но до сих пор нет доказательств, действительно ли выводы JWP получили независимую оценку специалистов. По словам исполнительного директора союза химиков Линн Соби, работа JWP прошла два этапа рассмотрения до публикации. Аналогичные результаты были получены в нескольких лабораториях, причем одна из них сама участвовала в открытиях. Затем отчеты JWP отправили членам комитета химического союза по терминологии, номенклатуре и символам.
Соби рассказала, что работа комитета заключалась в проверке ошибок в формулировке и форматировании. А научный контроль проводили сами лаборатории, потому что они являются экспертами в этой области. Правда, Утенков изначально считал, что для проведения научного обзора привлекли 15 независимых экспертов. А в итоге ему и еще двум коллегам из Дубны выдали отчеты для проверки фактов и цифр.
«Я не знаю, как нас можно считать независимыми судьями», — говорит он
Новые правила
После такого неприятного опыта, Ярлског хочет, чтобы физики пристально следили за оценками открытий, за объективностью в выводах JWP. «Меня будут мучать ночные кошмары о нашей небрежности», — уверяет Ярлског.
Для решения возникших проблем оба союза договорились о новых правилах оценки любых будущих элементов. Согласно правилам, выпущенным в мае 2018 года, президенты IUPAC и IUPAP будут изучать результаты JWP, прежде чем совместно сообщать о своих выводах Для этого они будут проводить независимый процесс рецензирования вместе с журналом «Чистая и прикладная химия».
Маккеллар уверен, что изменения положительно скажутся на отношениях между научными сообществами. «Оба союза хорошо себя проявили в совместной работе над преобразованием», — говорит он.
Но этих изменений недостаточно для некоторых критиков, таких как Ярлског. «Я просто не думаю, что новые правила что-либо изменят», — заключает она
Таблицу Менделеева хотят расширить до 173 элементов
Президент РАН Александр Сергеев (в центре) и академик Юрий Оганесян (второй слева) на международном совещании «Сверхтяжелые элементы» в Дубне.
Фото Наталия Теряева/Вести.Ru
Известный на весь мир советский и российский учёный Юрий Цолакович Оганесян. Сейчас академику 88 лет.
Фото Объединённого института ядерных исследований.
Временная шкала показывает, когда открывались те или иные элементы. Перевод Вести.Ru.
Иллюстрация F-X Coudert, CNRS.
Период полураспада сверхтяжелых элементов исчисляется долями секунд. Перевод Вести.Ru.
Иллюстрация IAEA.
Последний химический элемент таблицы Менделеева сегодня имеет номер 118. Речь об элементе под названием оганесон. Но расчёты физиков и химиков указывают на то, что мы вполне можем получить 173 элемента. Как это реализовать, ученые обсуждают в Дубне на международном совещании «Сверхтяжелые элементы». В дискуссии участвуют президент РАН Александр Сергеев и члены Совета РАН по физике тяжелых ионов.
Совещание проходит в Дубне, так как именно здесь, в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований, впервые в мире был синтезирован тот самый «конечный» 118-й элемент, а также пятерка других – со 113-го по 117-й.
Кстати, элемент под номером 118 назван оганесоном в честь академика Юрия Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций. Его команда создала все шесть сверхтяжелых химических элементов от номера 113 до номера 118.
Как дополнить Природу своими руками
Человечество в лице великих ученых еще в начале ХХ века пришло к выводу, что химические элементы можно не только находить в природе, но и создавать искусственно.
Первым «искусственным» элементом стал технеций, стоящий в таблице Менделеева под номером 43. Его синтезировали в 1937 году, а впоследствии обнаружили в ничтожных количествах в природе.
Сверхтяжелых элементов с номерами от 95-го до 118-го в природе не существует. Да и в стенах лаборатории сверхтяжелые элементы живут доли секунды.
Жизнь таких элементов столь коротка из-за их супертяжелых ядер, в которых в невероятной тесноте обитают почти три сотни протонов и нейтронов.
Напомним, что из протонов и нейтронов состоят ядра всех химических элементов. Но, чем больше в ядре протонов и нейтронов, тем сильнее взаимодействия между ними – как в толпе вагона метро.
Подобно выскакивающим из набитого вагона пассажирам, из переполненного ядра всякого сверхтяжелого элемента с облегчением вылетает на волю компания из двух протонов и двух нейтронов – альфа-частица. Так сверхтяжелый элемент превращается в более легкий и «жизнеспособный». Этот процесс физики называют альфа-распадом.
Таким образом, все сверхтяжелые элементы радиоактивны. И это объясняет, почему сверхтяжелых элементов нет в природе. Даже если они и образуются где-то в естественных условиях, человечество их попросту не может «поймать».
Так что синтез сверхтяжелых элементов сравним с актом творения Природы. Это сверхзадача, которая удивительным образом оказалась под силу человеку – его мысли и его технологиям.
Есть ли пределы у Природы?
Создатели сверхтяжелых элементов, конечно, думали над вопросом, какое максимальное число протонов и нейтронов можно объединить в ядро и окружить облаком из электронов, чтобы такую конструкцию можно было назвать химическим элементом.
Четыре года назад группа новозеландских и американских физиков заявила: на оганесоне таблица Менделеева закончилась, и химическим элементам с номерами 119 и 120 уже не бывать.
Однако более поздние расчеты французских, шведских, польских, финских специалистов показали, что на оганесоне таблица Менделеева не закончится. Номер последнего элемента таблицы Менделеева – 173!
До него, конечно, еще нужно добраться, но дубненским физикам технология их создания уже понятна.
Для синтеза элементов выше 118-го в Объединенном институте ядерных исследований недавно построили «Фабрику сверхтяжелых элементов». Там собираются начать синтез химических элементов под номерами 119 и 120 осенью 2021 года.
Куда применить сверхтяжелые элементы?
Сверхтяжелые элементы могут стать волшебным инструментом получения частиц из пустоты, то есть из вакуума. Осуществить эту известную идею в Дубне на коллайдере NICA предложил 30 июня академик Юрий Оганесян. Коллайдер сейчас строится в Дубне и должен войти в строй через два года.
Согласно физической теории, сильное электрическое поле может рождать в вакууме пару двух частиц – электрон и позитрон. Позитрон – это античастица для электрона. Он всем похож на электрон, только заряжен положительно.
Еще никому в мире не удалось получить электрон-позитронную пару из вакуума с помощью электрического поля.
Но коллайдер NICA будет способен ускорять тяжелые ядра урана. В ядре урана 92 протона. При сближении двух тяжелых ядер урана возникает очень сильное электрическое поле. Его создают заряды обоих ядер. Это сильное поле должно рождать в вакууме пару двух элементарных частиц – электрон и позитрон.
Что при этом будет происходить? Один протон из ядра урана будет забирать рожденный из вакуума электрон и превращаться вместе с ним в нейтрон. После этого в ядре урана останется 91 протон, а нейтронов станет на один больше.
Позитрон же улетит восвояси. Его «увидит» детектор, после чего физики сообщат миру о фундаментальном событии – рождении электрон-позитронной пары из вакуума с помощью электрического поля. Такое вот волшебство.
Второй вариант вынашивания и рождения электрон-позитронной пары из вакуума: создание сильного электрического поля с помощью мощного лазера.
Президент РАН Александр Сергеев в ходе своего доклада перед участниками совещания дополнил перечень новых физических явлений, которые можно будет получить на российских установках с помощью такого лазера. Также академик озвучил необходимые параметры такого инструмента.
К примеру, для рождения электрон-позитронной пары понадобится петаваттный лазер, то есть лазер мощностью 10-100 петаватт. Один петаватт равен 10 15 Вт.
Лазерный центр такой выдающейся мощности для ядерно-физических исследований академик Сергеев предложил построить в Дубне. Его созданием инженеры займутся после завершения строительства коллайдера NICA.
Ранее мы сообщали о создании физиками новой периодической системы химических элементов, отражающей законы ядерной физики, а не химии.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».