Главная
I в таблице менделеева: Таблица Менделеева

I в таблице менделеева: Таблица Менделеева

Содержание

Два новых химических элемента получили «российские» имена – Hi-Tech – Коммерсантъ

Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) официально одобрил названия четырех новых элементов таблицы Менделеева — 113-го, 115-го, 117-го и 118-го: нихоний (Nh), московий (Mc), теннессин (Tn), оганессон (Og) соответственно. Первый элемент синтезировали японские ученые, остальные открыты группой российских и американских ученых.

«Следуя традиции, новые элементы названы по географическим названиям или именам ученых (также элементы могут быть названы в честь небесных тел.— “Ъ”)»,— отмечается в сообщении IUPAC. Процедура признания предложенных учеными названий для открытых ими элементов заняла около пяти месяцев. При этом IUPAC официально подтвердил открытие новых элементов (относящихся к седьмому периоду периодической системы) 30 декабря 2015 года.

115-й, 117-й и 118-й элементы были созданы группой ученых российского Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Ливерморской национальной лаборатории им.

 Э. Лоуренса (национальная лаборатория Министерства энергетики США, Ливермор, штат Калифорния) и Окриджской национальной лаборатории (национальная лаборатория Министерства энергетики США, Оук-Ридж, штат Теннесси). Элемент с атомным номером 115 назван московием в честь Московской области, а 118-й получил название оганессон по имени академика РАН научного руководителя лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Юрия Оганесяна. 117-й элемент стал теннессином (от названия американского штата Теннесси).

113-й элемент синтезирован учеными японского института RIKEN и получил название нихоний (от «Nihon» — «Япония»). Отметим, что о создании 113-го элемента сообщала в 2014 году коллаборация российско-американских ученых, но Международный союз теоретической и прикладной химии не признал, что открытие элементов состоялось. При этом японские ученые предлагали назвать элемент японием, нисинанием (в честь физика Ёсио Нисины) или рикением (в честь института RIKEN), однако IUPAC рекомендовал нихоний.

Господин Оганесян сообщил “Ъ”, что работа над 115-м, 117-м и 118-м элементами шла более 15 лет: «Только в 1999 году мы увидели первый результат, а заявили об открытии в 2015 году». «Это сверхтяжелые элементы,— объяснил он.— Всегда предполагалось, что в природе таких тяжелых не должно быть, но в 1969 году появилась новая ядерная теория, которая допустила существование очень тяжелых и весьма стабильных элементов».

Говоря о современной процедуре появления названий элементов в таблице Менделеева, Юрий Оганесян объяснил, что она делится на несколько этапов: сначала создается комиссия экспертов (физиков и химиков), которые должны подтвердить факт открытия и определить, каким ученым принадлежит его приоритет, после этого они публикуют информацию об открытии, и в течение полугода это обсуждается в научных кругах. Далее факт открытия официально подтверждается. «Поскольку это касается химических элементов, то далее нужно определить название — этим занимается номенклатурная комиссия IUPAC, которая запрашивает авторов об их предложениях»,— рассказал господин Оганесян И отметил: «Не факт, что название еще одобрят», так как «оно должно одинаково произноситься на всех 130 языках мира, легко должны произноситься и названия химических соединений с этим элементом», а также «символ должен быть удобным».

«Все это занимает время»,— подытожил господин Оганесян. Он напомнил, что подобную процедуру группа российско-американских ученых прошла в 2012 году, когда в таблице Менделеева появились синтезированные ими 114-й элемент флеровий (назван в честь основателя лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Георгия Флерова) и 116-й элемент ливерморий (название дали «наши американские коллеги»).

Валерия Мишина


Таблица Менделеева – универсальный и безграничный язык общения ученых

АМ: Это инициатива, которая поддержана ЮНЕСКО и ООН. Изначально год Периодического закона, год 150-летия открытия Периодического закона, это инициатива, с которой выступила Российская академия наук при поддержке Министерства иностранных дел Российской Федерации. 

Таблица Менделеева – универсальный язык общения ученых, прежде всего химиков. Хотя, если мы посмотрим шире, Менделеев был не только химиком. И открытие Периодического закона – это открытие, которое связывает очень многих ученых.

Это и химики, и биологи, и медики, геологи, геохимики…

Для чего нужен этот год? Для того, чтобы еще раз напомнить всему миру, поскольку это международное событие, что мир наш развивается за счет открытий ученых, и что наука — это двигатель, драйвер прогресса человечества.

Во Франции, в ЮНЕСКО, 29 января будет торжественное открытие празднования Международного года Периодического закона. В России такое открытие пройдет 6 февраля в здании Российской академии наук.

Фото РХТУ

Александр Мажуга, ректор Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева

АУ: Химия – наука, которая постоянно развивается. Какие ее направления сегодня наиболее востребованы в мире? В чем будущее химических технологий?

АМ: Сегодня, как и многие другие науки, химия выходит на междисциплинарный уровень. И все больше востребованных направлений находятся на стыке наук. Это химия, биология и медицина, биомедицина, биохимия, биоорганическая химия. Надо понимать, что химия — это вообще все, что есть вокруг нас: то, чем мы дышим, что мы едим, к чему мы прикасаемся. Но наиболее востребованные направления сейчас, это – биомедицина, использование новых материалов в медицине; все, что связано с созданием новых конструкционных материалов – это, естественно, тоже химия. А конструкционные материалы – это различные аппараты новые, это различные строительные материалы, материалы для сельского хозяйства. Конечно же химия – это основа наших лекарств. Фармацевтическая химия – синтез новых терапевтических, диагностических агентов. Если химия – все, что вокруг нас, то химическая технология – это то, что позволяет получать те или иные продукты.

АУ: Что интересует молодежь, на какие факультеты и специальности самый высокий конкурс? Куда хотят пойти учиться абитуриенты?

АМ:

Самый высокий конкурс в нашем университете на следующих направлениях: химико-фармацевтический факультет – это все, что связано с разработкой фармацевтических субстанций; биотехнологический факультет – наш университет специализируется в области биотехнологий применительно к пищевым добавкам, различным кормам, а также к селекции микроорганизмов, которые используются применительно к утилизации тех или иных техногенных отходов. И факультет нефтегазохимии и полимеров – все, что связано с созданием новых конструкционных материалов, прежде всего полимерного строения.

АУ: Вы упомянули сейчас переработку отходов при помощи различных новых соединений. Это направление, которое очень востребовано, потому что загрязнение окружающей среды – тема, которая постоянно на повестке дня и ООН, и всего мира. Такая научная работа идет обычно закрыто – в институтах и университетах – или же она предполагает международное сотрудничество и есть  какие-то крупные проекты?

Такие работы ведутся в рамках международного сотрудничества и, конечно же, вместе с нашими партнерами из химической и биотехнологической промышленности. И тут нужен не только биотехнологический подход, чтобы решить техногенные проблемы, но и направление, связанное с созданием новых «зеленых» химических производств, производств, которые экологичны, требуют небольшого количества ресурсов – например, замкнутые циклы. Такие химические фабрики будущего – тоже важное направление работы нашего университета.

АУ: Зачастую образование бывает очень академичным, научным… Есть ли практика связи образования с навыками и работой в отрасли, с работой на практический результат?

Основной залог успеха образования в нашей области, в области химической технологии, это непосредственный контакт с предприятиями, с конечными потребителями наших технологий, с компаниями, куда идут работать наши выпускники. Мы стараемся максимально изменять образовательные «траектории» наших студентов так, чтобы они были синхронизированы с предприятиями отрасли.

Фото РХТУ

Новый учебный комлекс РХТУ

АУ: Участвуют ли студенты в каких-то научных разработках, которые потом  претворяются в жизнь?

АМ: Да, конечно. Студенты во время обучения в нашем университете занимаются наукой, как и во многих других университетах в нашей стране. Мы рассматриваем сейчас возможность так называемого «проектного» обучения, когда начиная с первого курса студенты – мы можем также готовить проектные группы – выполняют тот или иной проект, связанный с отраслью химической технологии, и на выходе они получают технологию, которую можно реализовать.

И подход, когда дипломный проект – это некий стартап, также реализуется в нашем университете.

АУ: Возвращаясь к теме таблицы Менделеева… Говорят,  оформляя свой Периодический закон в таблицу, Менделеев предусмотрительно оставил свободные места – «на будущее». Как происходит открытие новых элементов, как часто приходится обновлять таблицу?

АМ: Периодическая таблица – это не просто графическое представление элементов. До Менделеева были более ранние варианты, когда элементы располагались по мере увеличения их атомного номера или веса (те элементы, что были открыты на момент той или иной таблицы). Но только Менделеев увидел в расположении элементов периодичность. Так появился Периодический закон: свойства элементов изменяются в рядах, и они повторяются. То есть самое его главное открытие – не просто расположение элементов в ячейках в таблице, а закон периодичности.

Сейчас элементы, которые были совсем недавно открыты – три новых элемента, –  являются сверхтяжелыми, радиоактивными и короткоживущими. На момент открытия таблицы такого количества элементов как сейчас известно не было. Что самое главное, Менделеев своим законом предсказывал существование элементов. В его первоначальной таблице были пустые ячейки – он показывал, что в этой ячейке должен появиться новый элемент. Само доказательство закона происходило позднее, когда эти новые элементы открывались и попадали уже в ячеечку Периодической таблицы. Мало того, Менделеев мог предсказывать и массу этого элемента, причем совпадения были порой с точностью до десятой в атомной массе!

Что касается новых элементов и пустых ячеек, то, как говорят, таблица Менделеева не окончена и, на самом деле, бесконечна. Сейчас мы находимся на таком «минимуме стабильности» химических элементов, но благодаря предсказаниям физиков мы должны будем выйти на элементы, которые будут опять же стабильны. То есть, чем тяжелее элемент, чем больше у него масса, тем менее стабильным он становится. Часто такие элементы – короткоживущие и радиоактивные. Но через какой-то период мы должны выйти опять на более стабильные элементы.

АУ: Есть ли страны-лидеры в открытии новых элементов, которые открыли их больше всего?

АМ: Нельзя сказать, что какая-то одна страна имеет лидерство. И в России было открыто шесть элементов, и в США было открыто достаточно большое количество. Достаточно сложно сказать, в какой стране больше или меньше было открыто. Чаще всего сейчас открытие новых элементов – как последних трех – происходит в коллаборации. Так, последние три были открыты при сотрудничестве России и США вместе: кто-то делает мишень, кто-то ее облучает, кто-то выделяет. И, соответственно, и один из элементов был назван в честь известного российского ученого, академика Юрия Оганесяна. Кстати, это единственный пример в Периодической таблице, когда элемент назван в честь живущего сейчас ученого.

АУ: То есть выдающийся ученый получил таким образом  «памятник при жизни»?

АМ: Да, при жизни. Есть еще ряд элементов, которые названы «московий» – в честь Москвы, «дубний» – в честь г. Дубны, где находится Объединенный институт ядерных исследований, и конечно же «рутений», названный в честь России. Поэтому, ждем новых элементов – в коллаборации с другими странами, другими научными и учебными организациями.

 

Как легко определять свойства элементов и их соединений — Российская газета

Не так уж часто удается написать заметку о том, что не просто войдет в школьные учебники будущего, а станет одной из базовых картинок-иллюстраций. Химики из Сколковского института науки и технологий Артем Оганов и Захед Алахъяри придумали и рассчитали, как расположить химические элементы в порядке постепенного изменения их химических свойств. Такая последовательность удобнее, чем таблица Менделеева, для предсказания твердости, стабильности, намагниченности и других свойств элементов и их соединений. О том, как было сделано и что значит это отрытые, “Коту” рассказал профессор Сколтеха Артем Оганов.

Артем Оганов – кристаллограф-теоретик, создатель ряда новых материалов, а главное, методов, которые позволяют открывать новые материалы. Решил считавшуюся нерешаемой задачу предсказания кристаллической структуры вещества на основе его химического состава. Создал программу USPEX, способную предсказывать устойчивые химические соединения по набору исходных элементов. Один из самых цитируемых в мире ученых.

Я хорошо помню, как мне пришло в голову решение этой задачи. Мы с семьей садились в самолет. У меня четверо детей, и все они расположились у меня на голове и прочих частях тела и к тому же продолжали непрерывно двигаться. Опытные родители знают, что сопротивляться этому бессмысленно, а беспокоиться неразумно. Поэтому мой мозг перестал метаться, анализируя внешние сигналы, и застыл, сфокусировавшись в одной точке. Точка эта оказалась на спинке впередистоящего кресла. Там-то и начал проступать основной график будущей работы. Я вдруг увидел, что элементы таблицы Менделеева не размазаны равномерно в пространстве своих свойств, а, как звезды в Галактике, расположены более-менее на плоскости.

Эта проблема волновала меня последние 15 лет. В 1984 году британский физик Дэвид Петтифор опубликовал работу, в которой ввел понятие менделеевских чисел, – с их помощью он сгруппировал элементы в порядке изменения их химических свойств. В таблице Менделеева свойства элементов меняются скачками. Так, после самого химически активного неметалла фтора идет инертный неон, а сразу за ним – активнейший металл натрий. Можно ли найти вариант, при котором рядом бы стояли похожие по свойствам элементы?

Петтифор предложил решение – выстроил элементы в некоторой последовательности, приписав им некие числа Менделеева. Но как приписал, не объяснил. И тем более не объяснил, какой у них физический смысл. Эти числа не расчет, а произвол, хотя и основанный на наблюдениях за свойствами бинарных соединений – веществ, состоящих из двух разных атомов. Скажем, если NaCl и KCl похожи, то и натрий с калием должны стоять рядом. Все это время ученые модифицировали и улучшали менделеевские числа, но что это такое, так никто и не объяснил.

У химических элементов есть разные характеристики, которые влияют на их свойства. Прежде всего размер атома (его радиус), валентность, поляризуемость*, электроотрицательность**. Но валентность – параметр непостоянный, у разных элементов могут быть разные валентности, а мы неоднократно открывали химические соединения, которые с точки зрения привычных представлений о валентности не могли бы существовать. Но существуют. Поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью.

*Поляризуемость – способность атома или молекулы становиться электрически полярными во внешнем электромагнитном поле. Поляризуемость показывает, насколько легко может возникнуть заряженная частица (ион) или новая химическая связь.

**Электроотрицательность – способность атома оттягивать электроны других атомов в химических соединениях. Самая высокая степень электроотрицательности у галогенов и сильных окислителей (F, O, N, Cl), низкая – у активных металлов (Li, Na, K).

Получается, что для определения фундаментальных свойств атомов можно использовать только атомный радиус и электроотрицательность. И если по оси Х – радиус, а по оси Y – электроотрицательность, мы получаем плоскость, на которой сильно вытянутым облаком располагаются элементы. Внутри этого облака, воспользовавшись несложным математическим приемом, можно провести линию, вдоль которой элементы встанут в порядке максимально плавного изменения свойств.

Так мы открыли физический и химический смысл менделеевских чисел: это наилучшее представление всех химических свойств атома одним числом. Но мы предложили не только объяснение, но и улучшенную версию чисел Менделеева, в которой нет места субъективности – только расчеты на основе фундаментальных характеристик атомов. Мы назвали это “Универсальной последовательностью элементов”, по-английски Universal Sequence Of Elements, сокращенно USE. И действительно, наша последовательность удобна в применении: она предсказывает свойства химических соединений лучше, чем петтифоровские менделеевские числа и их позднейшие модификации.

Если расположить элементы на осях, то на плоскости будут бинарные соединения – молекулы и кристаллы, состоящие из двух типов атомов. Мы обнаружили, что на этом поле – его можно назвать химическим пространством – возникают области соединений с близкими свойствами, например твердостью кристаллов, магнетизмом, энергией связи. Известно, например, что алмаз, состоящий только из углерода, – самый твердый из кристаллов. А как искать другие твердые вещества? По соседству с алмазом в его химическом пространстве.

Улучшенные менделеевские числа помогут находить новые соединения с полезными свойствами и смогут прояснить некоторые вопросы, связанные с привычной таблицей Менделеева. Например, уже сейчас можно ставить точку в споре, где должен находиться водород: над литием или над фтором. Согласно менделеевским числам, водород ближе к галогенам, чем к щелочным металлам.

Ссылка: Zahed Allahyari and Artem R. Oganov, Nonempirical Definition of the Mendeleev Numbers: Organizing the Chemical Space: J. Phys. Chem. C 2020, 124, 43, 23867-23878.

Универсальная последовательность элементов (USE)

Журнал “Кот Шрёдингера”

Как вычисляются числа Менделеева

Универсальная последовательность элементов определяется их проекцией на линию, обозначенную синим цветом. Журнал “Кот Шрёдингера”

Селфи на фоне Таблицы Менделеева

«Периодическая таблица – это одно из величайших достижений в науке во все времена», – заявил президент Академии наук Франции Пьер Корволь на открытии Международного года Периодической таблицы химических элементов. В Москве и в Париже дали старт длинной череде мероприятий, смысл которых очень прост – напомнить человечеству, чем оно обязано Дмитрию Менделееву, открывшему 150 лет назад Периодический закон.

«ООН намеревается таким образом донести мысль о том, как химия способна в современном мире способствовать устойчивому развитию и выдвинуть решения для вызовов планетарного масштаба в таких разных областях, как энергия, образование, сельское хозяйство или здравоохранение», – пишет портал physicsworld.com.

Любопытно, что нынешний год также провозглашен Годом Леонардо в честь 500-летия со дня смерти великого флорентийца. Если иметь в виду широту научных интересов и вклад в различные области знаний, Менделеев – это и есть русский Леонардо.

Эсперанто для ученых

«Мы, ученые, высоко ценим Периодическую таблицу, потому что она представляет собой общий язык, на котором мы все говорим», – подчеркнул Нобелевский лауреат по химии 2016 г. голландец Бен Феринга. Как известно, самого Менделеева трижды выдвигали на Нобелевскую премию, но он так и не получил ее.

Первый квартал иннограда Сколково носит имя Дмитрия Менделеева. Фото: Sk.ru

В Москве на заседании комитета по проведению Международного года Периодической таблицы химических элементов глава Российской академии наук Александр Сергеев сказал: «Мы в РАН считаем, что есть три основные цели, которые страна наша должна решить в этот год. Первое, чтобы Периодическую таблицу химических элементов все стали называть таблицей Менделеева, чтобы мы получили, наконец, Нобелевскую премию в этом году, и третье – чтобы мы выиграли олимпиаду по химии в Париже», – заявил он.

«Периодическая таблица есть попытка познать природу всех вещей», – сформулировала свое отношение к открытию Менделеева генеральный секретарь ЮНЕСКО, выступая в Париже в штаб-квартире этой организации Одри Азуле. Министр науки и высшего образования РФ Михаил Котюков там же выразил мнение, что наследие Менделеева принадлежит всему человечеству. С чем участники торжественного собрания вполне согласились.

Помимо того, что Менделеев открыл Периодический закон, выходец из Тобольской губернии, 17-й сын в семье, конструировал летательные аппараты (его называют изобретателем аэростата) и занимался кораблестроением, в том числе, принимал участие в строительстве первого в мире арктического ледокола «Ермак». К числу его изобретений относят бездымный порох и нефтепровод, а на досуге ученый занимался тем, что делал чемоданы, которые сегодня назвали бы «дизайнерскими».

«Мы, ученые, высоко ценим Периодическую таблицу, потому что она представляет собой общий язык, на котором мы все говорим»

При этом сам Дмитрий Менделеев считал своей главной заслугой не Периодический закон, а введенный в России таможенный тариф, необходимость которого он сформулировал в книге «Разумный тариф». «Какой я химик, я — политэконом; что там «Основы» [химии], вот «Толковый тариф» — это другое дело», — писал он.  

И был великий эконом

«Если говорить о широте его научных интересов, то Менделеев по большому счету был не только великим химиком, но и выдающимся экономистом, выстраивавшим тесную связь между наукой и индустрией», – считает вице-президент Фонда «Сколков» по науке и образованию Николай Суетин. – И это один из важных уроков, которые представляет для «Сколково» наследие Менделеева.

Я бы назвал его научно-экономическим гением страны. Прежде всего, он был практикующим ученым, который не сидел в башне из слоновой кости и использовал научные достижения в реальной жизни». Да и вообще был очень «приземленным» ( в лучшем смысле этого слова) человеком.

Как раз в этом и заключается смысл деятельности «Сколково». Неслучайно, первый квартал иннограда назван именем Менделеева, а фасады его зданий стилизованы под Периодическую таблицу.

Самый известный пример – когда он буквально в течение нескольких месяцев оптимизировал технологию производства керосина в Баку. «Злые языки» говорят, что это в итоге и поссорило его с семейством Нобилей, которые активно там работали, и как следствие – закрыло ему путь к Нобелевской премии.

Вице-президент Фонда “Сколково” по науке и образованию Николай Суетин: “Я бы назвал Менделеева научно-экономическим гением страны”. Фото: Sk.ru

Или взять введение по инициативе Менделеева таможенного тарифа. «В России все очень гордились строительством железных дорог, но при этом все железо закупали за рубежом за золото; благодаря строительству российских железных дорог в Германии металлургия получила дополнительное развитие, – напоминает вице-президент «Сколково». Благодаря введению таможенных тарифов начали развивать собственную металлургию. То же самое – с угольной промышленностью. За что ни возьмись, Менделеев всегда делал упор на связь между наукой и экономикой».

Сама история создания Периодического закона преподносит нам еще один урок, продолжает Николай Суетин: «Почему вообще появилась таблица Менделеева? В 1869 году, к тому моменту, когда Менделеев создал Периодическую таблицу, было известно только 60 элементов, причем массы ряда элементов были определены неправильно, а о существовании атома не догадывались. Не было никакой квантовой механики. Были некие вещества, которые считались фундаментальными, и из них, как полагали, состояла вся природа. 

«Если говорить о широте его научных интересов, то Менделеев по большому счету был не только великим химиком, но и выдающимся экономистом, выстраивавшим тесную связь между наукой и индустрией»

Менделеев сформулировал свой закон, когда писал учебник «Основы химии». Он обнаружил, что если элементы выстроить по увеличению их веса, то возникает некая периодичность, которую можно представить в виде таблицы с заполненными и пустующими клетками. В ней по горизонтали выстроены элементы по возрастанию их массы, а по вертикали – с одинаковыми химическими свойствами. Были какие-то элементы, масса которых не соответствовала закономерности, в следствие чего ее впоследствии скорректировали. И были дырки, где элементов не было, но было ясно, что они должны там быть, и эти элементы потом нашли. В том числе, три – еще при жизни самого Менделеева. Т.е. многие элементы были открыты потому, что они были предсказаны Таблицей Менделеева, и их искали целенаправленно, хотя в природе они встречаются редко.

Вот так написание учебника, т.е. образовательная деятельность, дала выдающийся научный результат. Соединение науки и образования всегда важно, и это один из главных уроков, которые дает нам Менделеев», – считает Н.Суетин. 

Сегодня в Таблице Менделеева почти в два раза больше элементов, чем 150 лет назад. Фото: Sk.ru

Судьба некоторых изобретений Менделеева тоже представляет собой определенный урок для дня сегодняшнего. Состав и метод производства бездымного пороха, разработанный Менделеевым, был запатентован не в России, а в Америке, вследствие чего Россия закупала «менделеевский порох» из-за океана. Что еще раз подчеркивает важность международной защиты, создаваемой интеллектуальной собственности.

В юбилейный год не принято вспоминать о проблемах, но Дмитрий Менделеев не был принят в Императорскую академию наук, хотя был членом множества зарубежных. Более того, когда из-за нарушения властями академических свобод ученый покинул петербургский университет, коллеги не стали его удерживать, хотя студенты и выходили на акции протеста.

«Есть такая беда: во все времена в стране было что-то неладное с признанием собственных гениев, – говорит Николай Суетин. – «Нет пророка в своем отечестве»: на Нобелевскую премию Менделеева выдвигали иностранцы, а члены Императорской академии наук при тайном голосовании неоднократно отвергали его кандидатуру. Хотя к Менделееву с очень большим уважением относились промышленники, и предприниматели, да и многие члены правительства, министры».

Тусовка длиною в год

По прошествии 150 лет Менделееву с лихвой воздают должное и на Родине, и далеко за ее пределами.

«Периодическая таблица есть попытка познать природу всех вещей»

Портал physicsworld.com в репортаже из штаб-квартиры ЮНЕСКО обращает внимание на то, что старт международного года в ЮНЕСКО был обставлен как веселая тусовка. В зале звучали музыкальные интерлюдии в исполнении знаменитой пианистки Миры Евтич. В кулуарах посетители толпились в молекулярном баре, выстраиваясь в очередь за мороженым, приготовленным с помощью жидкого азота. Можно было даже сделать селфи в интерьерах воссозданного для этой цели в Париже кабинета Менделеева.

Месседж вполне прозрачен: перефразируя Пушкина, быть можно важным в науке человеком и при этом делать селфи с Менделеевым. И, конечно, это нетривиальный способ популяризации науки. 

Фото: Sk.ru.

В России наука также нуждается в творческой популяризации, и «Сколтех, как никто другой, сейчас выполняет эту роль», – считает вице-президент Фонда «Сколково» по науке и образованию. Именно здесь выпустили первый сборник комиксов, основанных на реальных научных исследованиях российских ученых. Научно-просветительский проект Сколтеха «Это точно. Чертова дюжина комиксов о науке и ученых» отмечен дипломом в специальной номинации «Прорыв года» V Всероссийской премии «За верность науке».  

«Сколтех проникся идеей, что науку надо популяризировать, – утверждает Николай Суетин. – Благодаря академику Александру Кулешову профессора активно участвуют в «Сириусах», других научно-популярных мероприятиях для детей. На мой взгляд, лучший популяризатор науки в России сейчас – профессор Сколтеха Константин Северинов: никто лучше него не рассказывает о том, что такое генетика, редактирование генома».

В этом смысле стартовавший в феврале Международный год Периодической таблицы химических элементов дает хороший шанс для популяризации наследия Менделеева, о котором миллениалы знают по преимуществу то единственное, чего он никогда не делал: да, Менделеев не изобретал водку.

Периодическая таблица через 150 лет

Ю. Ц. Оганесян

По материалам доклада на Научной сессии Общего собрания членов РАН, посвященной закрытию Международного года Периодической таблицы 14 ноября 2019 г. В варианте статьи журнала «Вестник Российской академии наук» № 4 2020 г.

К началу 2019 г., провозглашенного ООН и ЮНЕСКО Международным годом Периодической таблицы химических элементов, 7-й период таблицы был уже заполнен новыми, самыми тяжелыми элементами. Согласно предсказаниям теории, изотопы сверхтяжелых элементов, обладающие повышенной стабильностью, образуют на карте нуклидов большую зону в виде острова с вершиной, расположенной вблизи «магических» чисел протонов Z=114 и нейтронов N=184. Новые элементы с атомными номерами от 114 до 118 были синтезированы в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне в 2000–2012 гг. в реакциях слияния ядер мишени – тяжёлых изотопов актиноидов (Z = 94–98) – с бомбардирующими ионами кальция-48. Из полученных экспериментальных результатов следует, что могут существовать ядра/элементы с атомными номерами более 118 и массами более 300 а.е.м. Для исследования ядерной и электронной структур новых элементов, а также их химических свойств, равно как и синтеза элементов начала 8-го периода Периодической таблицы, в Дубне создан новый экспериментальный комплекс Фабрика сверхтяжелых элементов (Фабрика СТЭ), где уже состоялся пуск нового ускорителя DC-280 и в ближайшее время начнутся эксперименты. Вводная и заключительная части моего выступления на Научной сессии Общего собрания членов РАН относились к открытию периодического закона, опубликованного Д.И. Менделеевым 150 лет назад. Действие этого закона в свойствах тяжелейших элементов представляет и сегодня одну из актуальных и интересных задач естествознания.

Ключевые слова: Периодическая таблица Д.И. Менделеева, сверхтяжёлые элементы, “остров” стабильности, Фабрика сверхтяжёлых элементов, спонтанное деление.

ПРОЛОГ

Предание гласит, что всё началось с письма, которое сэр Мартин Поляков, профессор Ноттингемского университета (Великобритания) и иностранный член РАН, направил 28 июля 2016 г. президенту Международного союза чистой и прикладной химии (ИЮПАК) члену-корреспонденту РАН Наталии Павловне Тарасовой:

«Уважаемая Наталия,
надеюсь, что Вы в порядке.
Как я понимаю, 2019 год станет 150-й годовщиной публикации Менделеевым Периодической таблицы. Было бы интересно знать, можно ли поднять вопрос о том, чтобы объявить 2019 год Международным годом Периодической таблицы. Чувствую, что это предложение может получить большую поддержку. Как Вы думаете?
С наилучшими пожеланиями,
Мартин Поляков»

Н.П. Тарасова поставила этот вопрос на заседании Исполнительного комитета ИЮПАК, который, как ей показалось, со здоровым скептицизмом поддержал идею Международного года Периодической таблицы и предложил России воплотить её в жизнь через ЮНЕСКО. Начиная с этого момента, вся деятельность по данному вопросу, проводимая Международным союзом чистой и прикладной химии в течение 18 месяцев, легла на плечи президента ИЮПАК и её коллег.

Российская академия наук и российские химики с большим воодушевлением взялись за дело: написали обращение Менделеевского съезда (2016) и Российского химического общества к мировой научной общественности, президент РАН академик В.Е. Фортов направил письмо министру иностранных дел России С. В. Лаврову, РАН обратилась в ИЮПАК, Н.П. Тарасова написала письмо Генеральному директору ЮНЕСКО и пр. К этому времени подошло другое событие, непосредственно связанное с Периодической таблицей химических элементов. После включения в 2012 г. в таблицу 114-го и 116-го элементов ИЮПАК принял название и утвердил символы ещё четырех химических элементов, в их числе двух самых тяжёлых. Это случилось 28 ноября 2016 г. Все четыре элемента со своими названиями и символами заполнили и замкнули 7-й период Периодической таблицы Д.И. Менделеева. На инаугурации новых химических элементов, состоявшейся 2 марта 2017 г. в Доме учёных РАН, три директора сотрудничающих лабораторий – академик РАН Виктор Матвеев (ОИЯИ, Дубна, Россия), профессор Томас Мейсон (Ок-Риджская национальная Лаборатория, Oк-Ридж, США) и профессор Вильям Гольдштейн (Ливерморская национальная лаборатория, Ливермор, США) – направили совместное письмо в ЮНЕСКО в поддержку юбилейного года Периодической таблицы. И это далеко не полный перечень шагов, предпринятых научным сообществом в преддверии 2018 г.

А 20 декабря 2017 г. с интересной и необычной формулировкой – “признавая важность глобального расширения знаний о том, как химия способствует устойчивому развитию в области энергетики, образования, сельского хозяйства и здоровья,” – Генеральная Ассамблея ООН, затем и ЮНЕСКО провозгласили 2019-й Международным годом Периодической таблицы химических элементов – IYPT-2019.

НОВЫЕ ОБИТАТЕЛИ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ

В 1928 г. Георгий Антонович Гамов, наш соотечественник, выпускник Ленинградского государственного университета, уже известный к тому времени советский физик, предложил первую теоретическую модель атомного ядра в виде капли заряженной жидкости с плотностью, на 15 порядков превышающей плотность воды [1]. В новой науке, ядерной физике, этой работе суждено было сыграть большую роль. На основе капельной модели ядра Гамов создал теорию альфа-распада (1928) [2], Карл Фридрих фон Вайцзеккер предложил свою знаменитую формулу для расчёта энергии связи ядер (1935) [3], а Нильс Бор и Джон А. Уилер создали теорию ядерного деления (1939) [4]*.

Согласно Бору и Уилеру, тяжёлое ядро предохраняет от разделения на две части потенциальный барьер. Высота барьера деления ядра урана составляет 6 МэВ. Поэтому если в ядро внести энергию более чем 6 МэВ (например, энергию захвата ядром нейтрона), оно моментально разделится на две части. В этом процессе выделяется энергия около 200 МэВ, что используется в атомных электростанциях. Однако ядро урана может разделиться самопроизвольно (спонтанно) без вноса в ядро дополнительной энергии. Для этого, как было впервые измерено Г.Н. Флёровым и К.А. Петржаком (1940) [6], потребуется огромное время: 1016 лет! По мере удаления от урана в область более тяжелых ядер, высота барьера деления быстро уменьшается, что приводит к резкому увеличению вероятности спонтанного деления. При исчезновении барьера деления ядро будет испытывать спонтанное деление за время около 10-19 с. В теории Бора и Уилера подобная критическая ситуация наступает при подходе к элементам с атомным номером 100. По сути, это и есть предел существования ядер.

Ещё 60 лет назад такое макроскопическое, и в этом смысле классическое, описание процесса деления не вызывало сомнений. Особенно после синтеза первых искусственных элементов тяжелее урана, прекрасно подтверждающих капельную теорию деления: от урана (Z = 92) до калифорния (Z = 98) период полураспада относительно спонтанного деления уменьшился в 1014 раз [7]! Сомнения в прогнозах капельной модели деления возникли позже, после открытия в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова ОИЯИ спонтанно-делящихся изомеров (1962) [8]. Оказалось, что внутренняя структура ядра, наблюдаемая в основных состояниях, сохраняется и в сильно деформированных конфигурациях на пути к делению, продолжая играть важную роль в вероятности спонтанного деления тяжёлых ядер. Теперь уже более сложное описание коллективного движения в новой микроскопической теории давало одновременно также и новые предсказания границы масс ядер. Результаты оказались весьма неожиданными. Согласно прогнозам, резкое падение стабильности трансурановых нуклидов относительно спонтанного деления должно смениться резким подъёмом в области сверхтяжёлых элементов при подходе к “магическим” ядрам с числом протонов Z = 114 и нейтронов N = 184. Эти нуклиды, обладающие большим избытком нейтронов, более связаны. Они отделены от известной области ядер. Их достаточно много. На карте ядер они представляют собой подобие некого “острова” весьма тяжёлых (сверхтяжёлых) элементов, у которых могут быть очень долгоживущие изотопы. В научных статьях и докладах начала 1970-х годов можно найти различные иллюстрации, подобные той, что представлена на рис. 1.


Рис. 1. Периоды полураспада ядер с Z ≥ 96 относительно спонтанного деления. Черные кружки – экспериментальные значения для актиноидов и изотопов 104 элемента. Открытые кружки – один из вариантов предсказаний для ядер c Z ≥ 106 и N ≥ 150. С правой стороны: периоды спонтанного деления изотопов 114-го элемента, рассчитанные в макро – микроскопической модели ядра.

Многие лаборатории мира буквально ринулись на поиски этих долгоживущих тяжеловесов. Но, к сожалению, все экстенсивные попытки найти их в природе, космических лучах и даже путём искусственного синтеза сверхтяжёлых элементов, предпринятые в течение 15 лет (1970–1985), не дали результатов. Оставляя пока вопрос о вероятности образования ядер с массой около 300 в процессах природного ядерного синтеза, отметим, что время жизни сверхтяжёлых долгожителей заметно меньше возраста Солнечной системы (4.5∙109 лет) и они не дожили до наших дней. Что же касается искусственного синтеза, то все методы синтеза двадцати известных к тому времени искусственных элементов тяжелее урана, к сожалению, не пригодны для этих целей. Они “не дотягивают” до “острова” стабильности прежде всего из-за дефицита нейтронов в системе сливающихся ядер.

После 1985 г. мы кардинально изменили подход к синтезу сверхтяжёлых элементов. Для того чтобы добраться до “острова” и увидеть резкий подъём стабильности, предсказанный теорией, пришлось существенно усложнить эксперимент. Теперь вместо использования стабильных ядер в качестве материала мишени были выбраны тяжёлые изотопы трансурановых элементов (такие как плутоний-244 или кюрий-248), полученные в высокопоточном ядерном реакторе. Мишени из этих материалов подвергались бомбардировке ускоренными ионами кальция-48, исключительно редкого и дорогого изотопа природного кальция. Содержание кальция-48 в естественной смеси по отношению к основному изотопу кальцию-40 составляет всего 0.2%. Преимущества этой реакции прямо следуют из сравнения результатов экспериментов по синтезу 113-го элемента Nh, проведённого в RIKEN (Япония) и 114-го элемента Fl – в ОИЯИ (Дубна). Элемент Nh был синтезирован при слиянии ядер висмута-209 и цинка-70 [9]. Составная система после слияния двух атомных ядер содержит 113 протонов и 165 нейтронов. В этой реакции в течение девяти лет были получены три атома 113-го элемента. Элемент Fl (Z = 114), полученный в Дубне в реакции плутоний-244 + кальций-48, имел в составном ядре 114 протонов и 178 нейтронов [10] – на 13 нейтронов больше, чем в предыдущем случае. Эти 13 нейтронов, как следует из дальнейшего, и сыграли решающую роль.

Высадка на берег “острова” в северо-западной его части была действительно впечатляющей. Вероятность образования тяжёлого изотопа 114-го элемента оказалась примерно в 500 раз выше, чем 113-го элемента, полученного в RIKEN. Еще более сильное отличие наблюдалось в свойствах ядер, в частности, во временах жизни, измеряемых обычно периодами полураспада. Повышение числа нейтронов на 8 единиц в ядрах, синтезированных с ионами кальция-48, увеличило их период полураспада примерно в 100 тысяч раз! Оба фактора: рост вероятности образования и стабильности ядер демонстрируют сильный эффект “магической” структуры N = 184, даже несмотря на то, что синтезированный изотоп 114-го элемента содержит всего 175 нейтронов. После первых результатов по исследованию изотопов 114-го и 116-го элементов в реакциях с ионами кальция-48 (2000–2002) последующие эксперименты по синтезу других элементов с атомными номерами 115, 117 и 118 были проведены по той же методике с мишенями из америция-243, берклия-249 и калифорния-249 соответственно [11-13]. За 15 лет работы (около 100 тыс. часов облучения мишеней пучком ионов кальция-48) были синтезированы 52 новых изотопа [14] от 104-го до 118-го элементов (рис. 2, а). На карте нуклидов они простираются до ядер массой 294 а.е.м. (рис. 2, б). Это предельно тяжёлое ядро было получено в виде двух изобар: как чётно-чётный изотоп 118-го элемента с периодом полураспада около 0.5 миллисекунд и как нечётно-нечётный изотоп 117-го элемента с периодом полураспада около 50 миллисекунд. Оба периода полураспада в ядерном масштабе – огромные времена! Учитывая, что после образования нового ядра за время 10-14–10-13 секунды вокруг него выстраивается вся электронная система атома, то подобный вывод можно сделать и о существовании элементов. Из данных экспериментов следует, что мы не дошли до предела масс ядер. Определённо, ядра могут иметь массу более 300 а.е.м., а количество элементов может быть свыше 118.


Рис. 2, а. Таблица Менделеева (площадь 150 м2). на фасаде химического факультета Университета в городе Мурсия (Испания, 2017). В красной рамке показаны элементы, полученные с пучком кальция-48.
 

Рис. 2, б. Область конца карты нуклидов: показаны изотопы от свинца до элемента 118. Красными квадратами обозначены самые тяжелые ядра: с массой 252 а.е.м. (No, 1962) и 294 а.е.м. (Og, 2004), полученные впервые в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Желтым цветом показана область ядер, полученных в реакциях с использованием мишеней из свинца и висмута. Розовое поле – область ядер синтезированных в реакциях с пучком ионов кальция-48. Фон – карта потенциальной энергии ядер в зависимости от содержания протонов и нейтронов, полученная в расчетах макро-микроскопической модели. Цифры и цвет указывают амплитуду структурной поправки (в МэВ) к жидко-капельной энергии ядра.

Заключая краткий экскурс в мир сверхтяжёлых, можно отметить, что уйдя от висмута, последнего стабильного элемента, в область больших масс и зарядов, мы наблюдаем удивительную живучесть атомных ядер. В области предельных кулоновских сил дополнительные связи протонов и нейтронов структурного свойства создают в тяжёлом ядре барьер деления и делают тем самым возможным существование сверхтяжёлых элементов.

Эксперименты проводились в Дубне на ускорителе У400 Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (ОИЯИ) в сотрудничестве с ВНИИЭФ (Саров, Россия), НИИАР (Димитровград, Россия), а также с Ливерморской и Ок-Риджской национальными лабораториями (США), взявшими на себя труд по наработке мишенного материала и участвовавшими в ряде экспериментов.

ТЯЖЕЛЕЙШИЕ АТОМЫ И ХИМИЯ СВЕРХТЯЖЁЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

На фотографии (см. рис. 2, а) изображена самая большая (150 м2) Периодическая таблица химических элементов, встроенная в фасад химического факультета Университета г. Мурсия (Испания).** На ней красной рамкой выделены сверхтяжёлые элементы от 112-го до 118-го, полученные в реакциях с кальцием-48, когда в качестве материала мишени использовались тяжёлые изотопы от урана (Z = 92) до калифорния (Z = 98), соответственно***.

В белой рамке находятся дочерние нуклиды – продукты альфа-распада ядер из красной рамки. Они заполняют практически все оставшиеся клетки 7-го периода, вплоть до резерфордия (Z = 104). Дочерние ядра, берущие начало от нейтронно-избыточных материнских изотопов сверхтяжёлых элементов, тоже обогащены нейтронами, что значительно повышает их период полураспада и открывает широкие возможности для исследования химических свойств транс-актиноидов. Подобные исследования элементов, особенно конца 7-го периода, представляют большой интерес. Их химическое поведение может отличаться от более лёгких гомологов из-за релятивистского возрастания массы электронов с ростом заряда ядра. В более лёгких элементах релятивистский эффект проявляется в свойствах благородных металлов: золото – мягкий металл жёлтого цвета – не окисляется, ртуть тоже металл, но жидкий при комнатной температуре. Благородные металлы способны взаимодействовать друг с другом и создавать соединения типа ртуть/золото (амальгама ртути и золота). С увеличением атомного номера элемента и приближением скорости электронов к скорости света эффект будет быстро возрастать, вследствие чего химическое поведение сверхтяжёлых элементов, например, 112-го элемента (Cn), может отличаться от своего лёгкого гомолога – ртути (Hg). В первом эксперименте, проведённом в Дубне (2007), исследовалась именно эта пара гомологов [15]. Измерялась адсорбция Cn и Hg на поверхности золота (Au) при различной температуре на предмет наблюдения различия в образовании соединений [Au-Hg] и [Au-Cn]. Наблюдаемое смещение пика адсорбции в область более низких температур было первым прямым экспериментальным наблюдением релятивистского эффекта в транс-актиноидах. В целом, 112-ый элемент продемонстрировал свою принадлежность 12-й группе Таблицы Менделеева. Но из результатов этого эксперимента и проведенных недавно расчетов [16] были выявлены также отличия физико-химических свойств Cn и Hg, в частности, в температурах их фазовых переходов. Как известно, температура плавления ртути составляет -38.8 °С, температура кипения 353.7 °С, в то время как расчетные значения для Сn заметно отличаются: 10 °С и 67 °С, соответственно. При комнатной температуре, с учетом погрешности измерений, 112-ый элемент будет либо сильно летучей жидкостью, либо газообразным.

Но это первый звонок. Дальнейшее увеличение заряда ядра будет более ощутимым. Поэтому, спустя 100 лет после открытия Вильямом Рамзаем радона (1904) [17], последнего до 2004 года представителя семейства благородных газов 18 группы таблицы, мы задаемся сегодня вопросом: а будет ли 118-ый элемент благородным газом? Релятивистский эффект сильнее проявляется на ближайших к ядру электронах, скорость которых максимальна [18-20], что приводит к сжатию внутренних орбит (рис. 3, а). Для внешних электронов “релятивистское сжатие” приводит к экранированию положительного заряда ядра. В этой ситуации необходимо учитывать (пока в виде малых поправок) взаимодействие внешних электронов друг с другом, которое мало в природных элементах и которым пренебрегают в нерелятивистских расчётах. Нетрудно предвидеть, что роль этих поправок будет быстро возрастать с увеличением атомного номера в сверхтяжёлых элементах. Сам расчёт поправок – по сути, задача многих тел – требует огромных вычислительных мощностей. Большие надежды здесь связаны с квантовым компьютером. А пока доступными средствами в различном приближении отрабатываются методы расчёта на известных атомах, которые затем используются для предельно тяжёлых систем. Релятивистский расчёт элементов 18-й группы показывает, что пространственное распределение внешних электронов 118-го элемента [21] существенно размыто по сравнению с радоном и тем более с ксеноном (рис. 3, б). Подобная картина воспроизводится в расчётах В.М. Шабаева и его коллег [22], но указывается одновременно, что 118-й элемент на 94% будет благородным газом. Возможно, и не газом, а твёрдым телом при комнатной температуре [16,23].


Рис. 3, а. Расчетная плотность электронов 118-го элемента (Og) в зависимости от радиуса (логарифмическая шкала) в двух вариантах расчета: в релятивистском (синяя кривая) и не релятивистском (красный пунктир) приближениях.
Цифрами на графике указаны электронные оболочки (периоды). Видно сильное сжатие внутренних электронных оболочек, в то время как средний радиус внешних (валентных) электронов мало меняется
 

Рис. 3, б. Пространственные распределения (функции локализации) электронов 118-го элемента (Og), полученные в работе [20]. Хорошо видно размытие внешних электронов в сравнении с его гомологами — радоном и ксеноном

На примере 118-го элемента можно видеть, что в конце 7-го периода у элементов, именуемых сегодня сверхтяжёлыми, появляются отличные от лёгких гомологов признаки. Экспериментальные данные, к сожалению, весьма скудны прежде всего из-за малого количества сверхтяжёлых элементов и короткого времени их жизни. Одно из направлений будущих исследований нацелено на изучение атомной структуры и химических свойств уже синтезированных сверхтяжёлых элементов на новом оборудовании (см. далее).

Пока не видно принципиальных ограничений для синтеза 119-го и 120-го элементов – начала 8-го периода таблицы. Несмотря на то, что попытки их получения на старых установках в реакциях с ионами титана, хрома и даже железа, предпринятые в разных лабораториях, не увенчались успехом [24-26], это остаётся делом техники. Сложнее будет изучать их химические свойства из-за короткого периода полураспада, исчисляемого долями миллисекунды. Но здесь не ожидается сюрпризов. Большой скачок в химии будет иметь место при переходе от 118-го к 119-му элементу (от последней колонки таблицы к первой). По всей вероятности, 120-й элемент также в целом будет следовать своим лёгким гомологам второй колонки. Отклонения начнутся, скорее всего, после 121-го элемента с различными сценариями дальнейшего продолжения таблицы (рис. 4). Элемент 122 либо откроет новую серию так называемых супер-актиноидов [27], включающую ещё 33 элемента вплоть до 155-го, либо 122-й элемент и все последующие продолжат 8-й период. Но в этом случае групповое различие элементов начнёт быстро исчезать (размываться). Пока же остается только гадать, как будет выглядеть химия атомных гигантов за пределами периодического закона.


Рис. 4. Таблица Д.И. Менделеева с различными вариантами релятивистских расчетов. В синей рамке – сверхтяжёлые элементы, полученные в реакциях с пучком ионов кальция-48.

ФАБРИКА СВЕРХТЯЖЁЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

После открытия новых элементов, расположенных на “острове” стабильности, дальнейшее развитие исследований в этой области связано прежде всего с получением сверхтяжёлых нуклидов в значительно бóльших количествах. Спустя 10 лет после первых экспериментов по синтезу 114-го и 116-го элементов по результатам, полученным в опытах с пучком ионов кальция-48, а также в связи с общим прогрессом в смежных областях науки и техники стало ясно, что светимость экспериментов может быть существенно увеличена. Поэтому с 2012 г. мы сильно сократили экспериментальную программу на действующих установках и стали строить новую лабораторию – Фабрику cверхтяжёлых элементов, которая пока не имеет мировых аналогов. Она определяет и тем самым отражает технический уровень всех этапов работы по получению сверхтяжёлых элементов от создания мишеней из трансурановых элементов до доставки сверхтяжёлых нуклидов к экспериментальным физическим и химическим установкам. По достижению проектных параметров возможности Фабрики СТЭ будут превосходить современный уровень в 50–100 раз.

Новый комплекс с инфраструктурой для работы с высокорадиоактивными материалами расположен в отдельном строении (рис. 5, а). Там же находится новый сильноточный ускоритель тяжелых ионов – циклотрон DC-280 [28], пуск которого состоялся в марте 2019 года (рис. 5, б). Ускоритель доставляет пучки ионов в три экспериментальных зала, где размещаются сепарирующие каналы, химические и физические установки, а также другое экспериментальное оборудование. В настоящее время идет наладка нового сепаратора и подготовка первого эксперимента.


Рис. 5, а. Строение ускорительного комплекса «Фабрики СТЭ»
 

Рис. 5, б. Ускоритель тяжелых ионов — циклотрон DC-280

ЭПИЛОГ

За прошедшие 80 лет после открытия нептуния и плутония (1940) – первых искусственных элементов – Периодическая таблица пополнилась ещё 24 рукотворными элементами. Пять самых тяжёлых из них заняли своё место в таблице в последние семь лет. Искусственных элементов, как известно, в природе нет. А сверхтяжёлых элементов, скорее всего, не было и при зарождении Солнечной системы. Они получены в лабораториях в совершенно других условиях (реакциях), чем природные химические элементы. Однако все известные сегодня 118 элементов располагаются в единой таблице в строгом соответствии с периодическим законом, открытым Дмитрием Ивановичем Менделеевым 150 лет назад.

Между тем Международный год Периодической таблицы — IYPT2019, начавший своё шествие в ЮНЕСКО 29 января 2019 г., закончился в Токио (Япония) 5 декабря. Огромное количество статей в научных, научно-популярных и совсем не научных изданиях, удивительный всплеск очень интересных работ в области ядерной физики, химии, атомной физики, астрофизики, истории науки – все посвященные 150-летию открытия Периодической таблицы химических элементов. Год был встречен с невероятным энтузиазмом не только научным миром, но и широкой общественностью. Форумы, конференции, симпозиумы, лекции, собрания научных обществ, академий наук многих стран мира, везде по-разному, но всегда одухотворенно и очень интересно.

Что-то объединяет людей. Быть может, также великие открытия и любовь к науке.

* В то же время в нашей стране теорию ядерного деления независимо развивал Я.И. Френкель [5].

** С 2019 года самая большая периодическая Таблица элементов (660 м2) находится в Австралии в государственном университете Эдит Коуэн (ECU) в г. Перт.

*** К сожалению, калифорний – самый тяжёлый элемент, который может быть получен в ядерном реакторе в количестве, необходимом для изготовления мишени. Для синтеза 119 элемента и более тяжелых придется увеличивать массу и заряд бомбардирующих ионов.

Литература


1. Gamov G. Discussion оn the structure of atomic nuclei// Proc. of the Royal Society A. 1929. № 123. P. 386–387.
2. Gamov G. Zur Quantentheorie des Atomkernes // Zeitschrift fur Physik. 1928. V. 51. № ¾. P. 204–212.
3. Von Weizsäcker C.F. Zur Theorie der Kernmassen// Zeitschrift fur Physik. 1935. V. 96. P. 431.
4. Bohr N., Weeler J.A. The Mechanism of Nuclear Fission // Phys. Rev. 1939. V. 56. P. 426–450.
5. Френкель Я.И. Электрокапиллярная теория расщепления тяжёлых ядер медленными нейтронами // ЖЭТФ. 1939. № 6. С. 641–653.
6. Flerov , Petrjak . Spontaneous Fission of Uranium // Phys. Rev. 1940. V. 58. Р. 89.
7. Seaborg G.T., Loveland W.D. Transuranium Nuclei // Treatise on Heavy-Ion Science / Edited by D.A. Bromley. V. 4. P. 289. N.Y.: Plenum Press, 1985.
8. Polikanov S.M., Druin A.V., Karnaukhov V.A. et al. Spontaneous fission with an anomalously short period // Soviet Physics JETP-USSR. 1962. № 15(6). P.1016–1021.
9. Morita K., Morimoto K., Kaji D. et al. Experiment on the Synthesis of Element 113 in the Reaction 209Bi (70Zn,n)278113 // J. Phys. Soc. Jpn. 2004. V.73. P. 2593–2596.
10. Oganessian Yu.Ts., Utyonkov V.K., Lobanov Yu.V. et al., Synthesis of Superheavy Nuclei in the 48Ca+244Pu Reaction // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 83. P. 3154–3157.
11. Oganessian Yu.Ts., Utyonkoy V.K., Lobanov Yu.V. et al. Experiments on the synthesis of element 115 in the reaction 243Am(48Ca,xn)291−x115 // Phys. Rev. C. 2004. V. 69. № 021601(R).
12. Oganessian Yu.Ts., Abdullin F.Sh., Bailey P.D. et al. Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117 // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. № 142502.
13. Oganessian Yu.Ts., Utyonkov V.K., Lobanov Yu.V. et al. Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the 249Cf and 245Cm+48Ca fusion reactions // Phys. Rev. C. 2006. V. 74. № 044602.
14. Oganessian Yu.Ts., Utyonkov V.K. Super-heavy element research // Rep. Prog. Phys. 2015. V. 78. № 036301.
15. Eichler R., Aksenov N.V., Belozerov A.V. et al. Chemical characterization of element 112 // Nature. 2007. V. 447. P. 72–75.
16. Mewes J.-M., Smits O. R., Kresse G. et al.  Copernicium: A Relativistic Noble Liquid // Angew. Chem. Int. Ed.2019. V.58, P.17964 – 17968
17. Ramsay W., Soddy F. Further Experiments on the Production of Helium from Radium // Proceedings of the Royal Society of London (1854–1905). 1904. V. 73. P. 346–358.
18. Pershina V. Relativity in the electronic structure of the heaviest elements and its influence on periodicities in properties // Radiochimica Acta. 2019. V. 107. Р. 833–864.
19. Eliav E., Borschevsky A., Kaldor U. Electronic Structure at the Edge of the Periodic Table // Nuclear Physics News. 2019. V. 29. Р. 16–20.
20. Lackenby B.G.C., Dzuba V.A, Flambaum V.V. Atomic structure calculations of superheavy noble element oganesson (Z=118) // Phys.Rev. A. 2018. V. 98. P. 042512.
21. Jerabek P., Schuetrumpf B., Schwerdtfeger P., Nazarewicz W. Electron and Nucleon Localization Functions of Oganesson: Approaching the Thomas-Fermi Limit// Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. Р. 053001.
22. Shabaev V.M., Tupitsyn I.I., Kaygorodov M.Y., Kozhedub Y.S. Localisation of electron states of Oganesson atoms // The 4th International Symposium on Superheavy Elements (SHE2019). Hakone, Japan. Dec.1–5, 2019
23. Giuliani S. A., Matheson Z., Nazarewicz W. et al., Colloquium: Superheavy elements: Oganesson and beyond// Rev. Mod. Phys. 2019. V. 91. No. 1. P.01100.
24. Düllmann C.E. Superheavy Element Research at TASCA at GSI // Fission and Properties of Neutron-Rich Nuclei. 2013. V. 44. Р. 271–277.
25. Hofmann S., Heinz S., Mann R. et al. Review of even element super-heavy nuclei and search for element 120 // Eur. Phys. J. A. 2016. V. 52. Р. 180.
26. Oganessian Yu.Ts., Utyonkov V.K., Lobanov Yu.V. et al. Attempt to produce element 120 in the 244Pu+58Fe reaction // Phys. Rev. C. 2009. V. 79. Р. 024603.
27. Borschevsky A., Pershina V., Eliav E., Kaldor U. Ab initio predictions of atomic properties of element 120 and its lighter group-2 homologues // Phys. Rev. A. 2013. V. 87. P. 022502.
28. Gulbekian G.G., Dmitriev S.N., Itkis M.G. et al. Start-Up of the DC-280 Cyclotron, the Basic Facility of the Factory of Superheavy Elements of the Laboratory of Nuclear Reactions at the Joint Institute for Nuclear Research // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2019. V. 16(6). Р. 866–875.

Таблица Менделеева: проверено временем

Этот год объявлен ЮНЕСКО Международным годом Периодической таблицы химических элементов в честь 150-летнего юбилея со дня открытия Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодического закона, определившего дальнейшее развитие химии, физики и других наук. О том, как Периодическая таблица Менделеева помогает химикам сегодня, нам рассказали сотрудники кафедры физической химии – одной из старейших кафедр университета.

04.04.2019 3318

Первое обнародование Периодической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева состоялось 6 марта 1869 года на заседании Русского физико-химического общества. Множество последующих открытий и новых концепций в физике, химии и других науках опиралось на закономерности Периодической таблицы. Кафедра химии в ЛЭТИ была создана почти через три десятка лет после великого открытия Дмитрия Ивановича. Её основал в 1891 году доктор химических наук, профессор Александр Александрович Кракау. Курс «Физическая химия» ввёл основатель физико-химического анализа академик Николай Семёнович Курнаков. В разные годы здесь работали: создатель отечественной электрометаллургической промышленности проф. Максимилиан Степанович Максименко, проф. Николай Антонович Пушин, впервые получивший электролитическим способом алюминий из отечественного сырья, создатель термодинамической шкалы твёрдости профессор Борис Филиппович Ормонт, при котором кафедра была переименована в кафедру физической химии.

С приходом на заведование члена-корреспондента РАН Виктора Владимировича Гусарова кафедра после почти 80-летнего перерыва опять стала выпускающей. На ней осуществляется подготовка магистров по программе «Биосовместимые материалы» в рамках направления «Биотехнические системы и технологии», а также аспирантов по специальности «Физическая химия». Образовательную и научную деятельность осуществляют как преподаватели ЛЭТИ, так и учёные из ведущих научно-исследовательских институтов Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Так, сотрудни- ками кафедры под руководством В.В. Гусарова в рамках совместной работы с коллективами НИТИ имени А.П. Александрова, СПб АЭП и проектно-конструкторского филиала концерна «Росэнергоатом» по разработке и обоснованию работоспособности отечественного устройства   локализации расплава активной зоны ядерного реактора (ловушки расплава) был создан новый класс функциональных материалов – жертвенный материал. Он призван именно «пожертвовать собой», чтобы минимизировать последствия тяжёлых аварий на атомных станциях. Впервые в мире он был внедрён при строительстве АЭС в Китае, затем – в Индии, потом – в России.

На кафедре ведутся работы над созданием оксидных катализаторов (в том числе, для нужд атомной энергетики), нанокомпозиционных материалов (группа доцента А.Н. Бугрова), изучаются механизмы формирования наночастиц, свойства и области применения фуллеренов и фуллеренолов (группа профессора Н.А. Чарыкова). Об этом нам рассказала заведующая кафедрой физической химии ЛЭТИ, доктор химических наук Оксана Владимировна Альмяшева. Сама она принимала участие в разработке новых катализаторов окисления водорода для пассивной системы безопасности АЭС, позволяющих понизить вероятность образования и взрыва гремучей смеси в реакторном пространстве. В итоге разработанный научной группой химического конструирования материалов нанокомпозиционный катализатор превзошёл по ключевым параметрам более дорогие, используемые в настоящее время платино-палладиевые катализаторы.

По словам сотрудников кафедры, без использования периодического закона Д.И. Менделеева невозможно себе представить процесс конструирования новых материалов с требуемым набором свойств. Вот что рассказал начальник отдела исследований тяжёлых аварий НИТИ имени А.П. Александрова, преподаватель спецкурса для магистрантов кафедры физической химии Вячеслав Исхакович Альмяшев, принимавший непосредственное участие в разработке жертвенных материалов:

– После техногенной катастрофы на Чернобыльской АЭС стало понятно, что атомные станции помимо активных систем безопасности должны иметь такие системы, которые на уровне физико-химических процессов без участия оперативного персонала существенно понижали бы вероятность выхода радиоактивных материалов за пределы реакторного пространства, даже в случае таких серьёзных аварий, как тяжелая авария с расплавлением активной зоны. К таким системам (пассивным системам безопасности) относится и ловушка расплава, в качестве функционального наполнителя которой выступает разработанный нами жертвенный материал. Его назначение – изменить свойства поступающего в ловушку расплава таким образом, чтобы обеспечить благоприятные условия его охлаждения и кристаллизации в корпусе ловушки. Разработка любого материала начинается с выбора элементного состава, то есть с анализа Периодической системы Д.И. Менделеева. Далее осуществляется термодинамический анализ и выбор оптимальной композиции. В курсе «Физико-химическое конструирование биосовместимых материалов» я прививаю студентам навыки обоснования выбора элементного состава и структуры материалов для направленного получения совокупности свойств, требуемых для решения поставленной задачи. В иных курсах программы «Биосовместимые материалы» ребята получают опыт синтеза материалов.

Сегодня происходит смена технологического уклада. Наиболее важные и заметные открытия происходят на стыке наук и опираются на использование новых материалов, конструирование которых начинается с атомного уровня. Оно немыслимо без понимания Периодической таблицы Менделеева.