При помощи 88-дюймового циклотрона — ускорителя частиц, построенного еще в 1958 году, — специалисты Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли анализировали поведение сверхтяжелых элементов буквально по одному атому за раз.
Периодическая таблица элементов, созданная Дмитрием Менделеевым в 1869 году, стала одним из величайших достижений мировой науки. Она не только позволила систематизировать известные элементы по их атомному весу и свойствам, но и позволила предсказывать характеристики еще не открытых элементов. Однако у этой, практически идеальной системы есть слабое место — сверхтяжелые элементы с атомным весом более 99.
Проблема заключается в том, что в настолько массивных атомах электроны движутся по орбитам с околосветовыми скоростями. При таких скоростях начинает работать теория относительности Эйнштейна: масса электронов увеличивается, их орбиты сжимаются, что искажает химические свойства элемента. Из-за этого предсказать поведение сверхтяжелых элементов становится практически невозможно — их нужно изучать напрямую.
Но как изучать элементы, которые буквально не существуют в природе, потому что распадаются за доли секунды? Например, нобелий (элемент № 102) в своей самой стабильной форме существует всего 58 минут, а большинство его изотопов распадаются за миллисекунды. Традиционные методы химического анализа здесь бессильны — элемент исчезнет раньше, чем за ним успеют проследить ученые.
Команда из Беркли решила эту проблему оригинальным способом. Они обстреливали мишень из тулия и свинца пучком изотопов кальция, создавая атомы нобелия и актиния (элемент № 89). К удивлению ученых, новорожденные атомы, вылетая из циклотрона со сверхзвуковой скоростью, спонтанно образовали молекулы, реагируя со следовыми количествами воды и азота, присутствующими в системе.
Эти молекулы тут же попадали в масс-спектрометр FIONA, который анализировал их по одной, определяя их массу за миллисекунды — до того, как радиоактивные атомы распадутся. Масштабы работы впечатляют: за 10 дней непрерывного эксперимента ученые получили всего около 2000 молекул (для сравнения, в одной капле воды содержится 10²¹ молекул). Казалось бы, ничтожное количество, но именно такой «штучный» подход и нужен, чтобы по-настоящему точно изучать химию сверхтяжелых элементов.
Теперь мы можем проверить, правильно ли эти элементы расположены в периодической таблице. Я думаю, мы полностью изменим подход к изучению химии сверхтяжелых элементов.Дженнифер Пор
Это исследование имеет фундаментальное значение для понимания границ материи. Сверхтяжелые элементы — это передний край науки, где квантовая механика встречается с теорией относительности, создавая экзотические эффекты. Изучая их свойства, ученые не только уточняют периодическую таблицу, но и проверяют существующие теории о строении атома.
Кроме того, понимание химии сверхтяжелых элементов может иметь практическое применение в будущем. Пока что эти элементы слишком нестабильны, чтобы их можно было каким-либо образом применять, но знание их свойств поможет в поиске «острова стабильности» — гипотетической области еще более тяжелых элементов, которые могут существовать достаточно долго, чтобы быть пригодными для практического применения.
Так ученые доказали, что революционные открытия можно делать даже на устаревшем оборудовании, если оно находится в умелых руках. 66-летний циклотрон, модернизированный современными детекторами, позволил заглянуть в самые экстремальные уголки периодической таблицы, где каждый атом — это маленькое чудо, которое существует лишь мгновение, но раскрывает фундаментальные законы природы.
Тем временем российские физики впервые добились циркуляции пучка электронов в ультрасовременном синхротроне СКИФ.