Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 63)
28 ноября 2016 года ИЮПАК утвердил название «оганесон». Название с суффиксом «-он» обусловлено тем, что элемент №118 входит в группу Периодической системы, заполненную инертными газами, названия которых (за исключением гелия) оканчиваются на «-он». Таким образом, оганесон стал вторым после сиборгия химическим элементом, названным в честь живущего человека. В 2017 году Армения выпустила почтовую марку с изображением Юрия Цолаковича Оганесяна тиражом 40 000 экземпляров. На ней представлены символы сверхтяжелых элементов: оганесона, названного в честь самого ученого, и продуктов распада оганесона, благодаря которым удалось доказать получение этого элемента.
Формально оганесон можно считать самым тяжелым инертным газом. Именно формально: получено достаточно данных в пользу того, что характер заполнения электронной оболочки сверхтяжелых элементов совершенно не таков, как у легких. Дело в том, что из-за большого заряда тяжелых атомных ядер электроны в сверхтяжелых элементах разгоняются до такой скорости, при которой пренебрегать теорией относительности уже нельзя. Конечно же, время жизни оганесона слишком мало, и определить экспериментально, будет ли элемент №118 проявлять свойства инертного газа, невозможно. Тем не менее исследователи из Новой Зеландии и США провели квантово-химические расчеты, результаты которых позволяют считать оганесон уникальным атомом (
Исследователи отмечают, что для оганесона проявление релятивистских эффектов очень существенно – они обусловливают так называемое спин-орбитальное сочетание, то есть взаимосвязь спинового состояния электрона и характеристик его перемещения по орбиталям. При значительном спин-орбитальном сочетании заселенность электронов по уровням со строго определенными энергетическими характеристиками размывается, и электроны, находящиеся около ядра, распределяются практически равномерно, образуя облако электронного газа, или Ферми-газа.
Эффект размывания электронных оболочек постепенно увеличивается вместе с ростом заряда ядра. Согласно расчетам оганесон существенно отличается от инертных газов, расположенных в той же группе Периодической системы. Состояние электронов в его атоме должно быть очень близким к предельной их делокализации – Ферми-газу. В таком «размазанном» состоянии электроны легко поляризуются, а значит, атомы оганесона будут связываться друг с другом прочными вандерваальсовыми взаимодействиями, и, наиболее вероятно, при комнатной температуре это будет не газ, а твердое вещество. Кроме того, коль скоро внешняя оболочка оганесона – неустойчивый октет, элемент №118 будет гораздо реакционноспособнее по сравнению с его соседями – инертными газами.
Вместо эпилога
Незадолго до стопятидесятилетия, которое отмечалось в 2019 году, седьмой ряд Периодической системы оказался полностью заполнен, и она стала выглядеть завершённой. Тем не менее точку ставить рано, и сейчас исследователи пытаются выяснить, есть ли границы у Периодической системы и сколько химических элементов может еще существовать. Свои ответы на эти вопросы предлагает профессор Университета Мичигана Витек Назаревич.
Работа Назаревича предсказывает, что атомные ядра, в которых протоны и нейтроны будут связаны сильными взаимодействиями, могут существовать до элемента номер 172, ядро которого будет содержать 172 протона. Сильные взаимодействия смогут стабилизировать такое ядро и не дать ему распасться, но стабилизация будет продолжаться лишь доли секунды. Системы, содержащие более 172 протонов, просто не смогут быть стабилизированы сильными взаимодействиями, то есть на основании предсказаний можно говорить о том, что у Периодической системы все же есть граница.
Расчёты Назаревича дают и ещё один необычный прогноз – по его словам, ядра ряда сверхтяжёлых элементов будут существовать столь короткий промежуток времени, что просто не успеют притянуть к себе хоть какое-то количество электронов и всю свою короткую жизнь будут существовать в виде «голых» комбинаций протонов и нейтронов. Если эти теоретические предсказания когда-то удастся подтвердить эмпирически, учёным придется каким-то образом адаптировать понятие «атом» под новые объекты, которые уже не будут электронейтральными частицами, состоящими из ядра и связанных с ним носителей заряда, противоположного заряду ядра. Правда, удастся ли когда-то получить такие комбинации протонов и нейтронов, а также могут ли они сформироваться где-то естественным путём, остается загадкой.
Исследователи медленно, но верно углубляются в область сверхтяжёлых ядер, синтезируя элемент за элементом, зачастую не представляя, как будет выглядеть результат синтеза. Сейчас попытки синтезировать элемент №119 предпринимаются сразу несколькими исследовательскими центрами, но, увы, теория строения атомного ядра в настоящий момент не в силах предсказать оптимальные условия для синтеза новых ядер, поэтому пока в ядерной физике приходится идти путём проб и ошибок до победного исхода – с таким подходом равновероятно, что синтез элемента №119, открывающего восьмой ряд Периодической системы, может произойти и через пару месяцев, и затянуться на долгие годы.
Не менее интересен вопрос о том, могут ли сверхтяжёлые ядра образовываться в космосе. Предполагается, что слияние нейтронных звёзд, процесс, протекающий с колоссальным выбросом энергии, может обеспечить формирование ядер, содержащих большее число протонов, чем самый тяжёлый элемент, полученный в лаборатории, – оганесон. Более того, в космическом пространстве около нейтронных звезд концентрация нейтронов высока, и теоретически возникает возможность самопроизвольного синтеза изотопов уже полученных в лабораториях элементов, но более тяжёлых, содержащих большее количество нейтронов. Однако такое может и не происходить – ядра сверхтяжёлых элементов могут успеть распасться еще до того, как в их состав войдут нейтроны и образуются более тяжёлые изотопы того же оганесона. Возможно, новые, более точные расчетные модели позволят определить не только, насколько велики шансы образования сверхтяжелых элементов в космических процессах, но и предсказать цепочки распада сверхтяжелых ядер, облегчив физикам-ядерщикам интерпретацию результатов своих экспериментов.