Трансурановые элементы. Зачем синтезируют новые химические элементы? Доступно о сложном Прогресс в синтезе новых химических элементов

Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) сообщил, какие наименования считает наиболее подходящими для четырёх новых элементов таблицы Менделеева. Один из них рекомендуется назвать в честь российского физика, академика Юрия Оганесяна. Незадолго до этого корреспондент «КШ» встретился с Юрием Цолаковичем и сделал с ним большое интервью. Но ­ИЮПАК очень просит учёных не давать комментарии до 8 ноября, когда официально будут объявлены новые названия. Вне зависимости от того, чьё имя появится в таблице Менделеева, можно констатировать: Россия стала одним из лидеров в транс­урановой гонке, которая продолжается больше полувека.

Юрий Оганесян. Специалист в области ядерной физики, академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций ­ОИЯИ, заведующий кафедрой ядерной физики Университета «Дубна». В качестве учени­ка Георгия Флёрова участвовал в ­синтезе резерфордия, дубния, сиборгия, бория и др. Среди открытий мирового уровня - так называемый холодный синтез ядер, оказавшийся чрезвычайно полезным инструментом для создания новых элементов.

В нижних строках таблицы Менделеева вы легко найдёте уран, его атомный номер 92. Все последующие элементы в природе сейчас не существуют и были открыты в результате очень сложных экспериментов.
Первыми создали новый элемент американские физики Гленн Сиборг и Эдвин Макмиллан. Так в 1940 году на свет появился плутоний. Позднее, совместно с другими учёными, Сиборг синтезировал америций, кюрий, берклий… Сам факт рукотворного расширения таблицы Менделеева в каком-то смысле сравним с полётом в космос.

Ведущие страны мира включились в гонку по созданию сверхтяжёлых ядер (при желании можно было бы провести аналогию с лунной гонкой, но здесь наша страна скорее побеждает). В СССР первый трансурановый элемент был синтезирован в 1964 году учёными из Объединённого института ядерных исследований (­ОИЯИ) в подмосковной Дубне. Это был 104-й элемент - нарекли резерфордием. Руководил проектом один из основателей ­ОИЯИ Геор­гий Флёров. Его имя тоже вписано в таблицу: флеровий, 114. А 105-й элемент получил название дубний.

Юрий Оганесян был учеником Флёрова и участвовал в синтезе резерфордия, а потом дубния, сиборгия, бория… Успехи наших физиков сделали Россию лидером транс­ура­но­вой гонки наравне с США, Германией, Японией (а может, и первой среди равных).

Новые элементы, о которых идёт речь - 113-й, 115-й, 117-й, 118-й, - были синтезированы в 2002–2009 годах в ОИЯИ на циклотроне У‑400. В ускорителях этого типа пучки тяжёлых заряженных частиц - протонов и ионов - разгоняют с помощью высокочастотного электрического поля, чтобы потом столкнуть друг с другом или с мишенью и изучить продукты их распада.

Все эксперименты проводились международными коллаборациями практически одновременно в разных странах. Например, 113-й элемент учёные из японского института ­RIKEN синтезировали независимо от остальных. В результате приоритет открытия был отдан им.

Новому химическому элементу вначале присваивается временное название, образованное от латинского числительного. Например, унуноктий - это «сто восемнадцатый». Потом научный коллектив - автор открытия - отправляет свои предложения в ИЮПАК. Комиссия рассматривает аргументы за и против. В частности, она рекомендует придерживаться следующих правил: «Вновь открытые элементы могут быть названы: (а) по имени мифологического персонажа или понятия (включая астрономический объект); (б) по названию минерала или аналогичного вещества; (в) по названию населённого пункта или географической области; (г) в соответствии со свойствами элемента или (д) по имени учёного…»

Наименования должны ­легко произноситься на большинст­ве известных языков и заключать в себе информацию, позволяющую однозначно классифицировать элемент. Например, все трансураны имеют двухбуквенные символы и оканчиваются на «-ий», если это металлы: резерфордий, дубний, сиборгий, борий…

Получат ли два новых элемента (115 и 118) «российские» имена, станет ясно в ноябре. Но впереди ещё много экспериментов, ведь согласно гипотезе об островах стабильности есть более тяжёлые элементы, которые способны существовать относительно продолжительное время. Такие элементы даже пытаются найти в природе, но вернее будет, если Оганесян синтезирует их на ускорителе.

Досье на новые элементы

Порядковый номер: 113

Как и кем был открыт: мишень из америция‑243 бомбардировали ионами кальция‑48 и получили изотопы унунпентия, которые распались на изотопы 113-го элемента. Синтезирован в 2003 году.

Приоритет в открытии: Институт физико-химических исследований (RIKEN), Япония.

Нынешнее название: унунтрий.

Предполагаемые свойства: тяжёлый легкоплавкий металл.

Предлагаемое название: нихоний (Nihonium, Nh). Этот элемент стал первым, открытым в Азии вообще и в Японии в частности. «Нихоний» - один из двух вариантов самоназвания страны. «Нихон» переводится как «страна восходящего солнца».

Порядковый номер: 115

Как и кем был открыт: мишень из америция‑243 бомбардировали ионами кальция‑48. Синтезирован в 2003 году Приоритет в открытии: коллаборация в составе ОИЯИ (Россия), Ливерморской национальной лаборатории (США) и Окриджской национальной лаборатории (США).

Нынешнее название: унунпентий.

Предполагаемые свойства: металл, похожий на висмут.

Предлагаемое название: московий (Moscovium, Mc). ИЮПАК одобрил название «московий» в честь Московской области, где находятся Дубна и ОИЯИ. Таким образом, этот российский город может уже второй раз оставить след в таблице Менделеева: дубнием давно и официально называется 105-й элемент.

Порядковый номер: 117

Как и кем был открыт: мишень из берклия‑249 обстреливали ионами кальция‑48. Синтезирован в 2009 году. Приоритет в открытии: ОИЯИ, Ливермор, Окридж.

Нынешнее название: унунсептий.

Предполагаемые свойства: формально относится к галогенам вроде йода. Реальные свойства пока не определены. Скорее всего, сочетает характеристики металла и неметалла.

Предлагаемое название: теннессин (Tennessine, Ts). Знак признания заслуг штата Теннесси (США), в том числе Окриджской национальной лаборатории, Университета Вандербильта и Университета Теннесси, в деле синтеза трансуранов.

Порядковый номер: 118

Как и кем был открыт: мишень из калифорния‑249 бомбардировали кальцием‑48. Синтезирован в 2002 году. Приоритет в открытии: ОИЯИ, Ливермор.

Нынешнее название: унуноктий.

Предполагаемые свойства: по химическим характеристикам относится к инертным газам.

Предлагаемое название: оганессон (Oganesson, Og). В честь научного руководителя лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Юрия Оганесяна, внёсшего большой вклад в исследование сверхтяжёлых элементов. Публичное обсуждение возможных наименований продлится до 8 ноября, после чего комиссия примет окончательное решение.

на «Кота Шрёдингера»

Современную материально-техническую базу производства примерно на 90% составляют всего лишь два вида материалов: металлы и керамика. В мире еже­годно производится около 600 млн. т металла - свыше 150 кг. на каждого жи­теля планеты. Примерно столько же производится керамики вместе с кирпи­чом. Изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, и, главное, керамика во многих случаях оказыва­ется более подходящим конструк­цион­ным материалом по сравнению с ме­таллом.

С применением новых химических элементов - циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и т.д. в последнее время синтезируют огнеупорную, термостойкую, химостойкую, высо­котвердую керамику, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

Сверхтвердый материал - гексанит-Р как одна из кристалличе­ских разновид­ностей нитрида бора, с температурой плавления свыше 3200 0 С и твердостью, близкой к твердости алмаза, обладает рекордно высокой вязкостью, т. е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы. Решена, таким образом, одна из труднейших научно-технических проблем века: до сих пор всей конст­рукционной керамике был присущ общий недостаток - хрупкость, теперь же сделан шаг к его преодолению.

Большое преимущество технической керамики нового со­става в том, что детали машин из нее производятся прессова­нием порошков с получением готовых из­делий заданных форм и размеров.

Сегодня можно назвать еще одно уникальное свой­ство керамики - сверх­проводимость при температурах выше темпе­ратуры кипения азота, это свойство открывает невиданные просторы для на­учно-технического прогресса, для соз­дания сверхмощных двигате­лей и электрогенераторов, создания транспорта на магнитной по­душке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космосе и т.д.

Химия кремнийорганических соеди­нений позволила создать многотоннажное производство самых разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водо­отталкивающими, электроизоляционными и другими ценными свойствами. Эти полимеры незаменимы в ряде отраслей энерге­тики и авиапромышленности.

Фтороуглероды - тетравторметан, гексафторэтан и их производные, где атом углерода несет сла­бый положительный заряд, а атом фтора с присущей фтору электроотрицательностью - слабый отрицательный заряд. В результате фторо­углероды обладают исключительной устойчиво­стью даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей, особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси. Поэтому они применяются в качестве мате­риала для протезов внутренних органов человека.

Вопрос 57. Химические процессы и процессы жизнедеятельности. Катализа­торы и ферменты.

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и живот­ных тканей, так и химических процессов, происходящих в орга­низме. Идея о ведущей роли ферментов, впер­вые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером (1822-1895), остается основополагающей и по сей день. В то же время изуче­нием моле­кулярного состава и структуры ткани живого и неживого орга­низма занимается статическая биохимия.

Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX сто­летий, когда на­чали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ.

Исследование брожения составляет основной предмет фер­ментологии - стержневой отрасли знаний о процессах жизне­деятельности. На протяжении весьма длительной истории ис­следования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой - биологиче­ской - Л. Пас­тер.

В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому ката­лизу. Несмотря на упрощенный подход в рам­ках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между фермен­тами и катали­заторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонен­тов - активных центров и носителей; заключение о важной ро­ли ионов переход­ных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатали­за к катализу неорганическими агентами.

В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его пря­мые наблюдения за деятельностью молочнокис­лых бактерий, ко­торые позволили выявить брожение и способность микроорга­низмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельно­сти путем бро­жения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне матери­альной организации ферментов. Однако все его доводы, если и были не опро­вергнуты, то по крайней мере отодвинуты на задний план после открытия вне­клеточного бро­жения, а позиция Пастера была объявлена виталистической.

Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспективно­сти данной концепции свидетельствуют современ­ные эволюционный катализ и молекулярная биология. С одной стороны, установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых су­ществ, вполне доступный для исследования физических и хими­ческих свойств - одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизне­деятельности. С другой стороны, дока­зана исключительная спе­цифичность живого, проявляющаяся не только в выс­ших уров­нях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, на котором отражаются зако­номерности других уров­ней. Специфичность молекулярного уровня живого заключается в существен­ном различии принци­пов действия катализаторов и ферментов, в различии ме­ханиз­мов образования полимеров и биополимеров, структура которых опреде­ляется только генетическим кодом и, наконец, в своем необычном факте: мно­гие химические реакции окисления-восстановления в живой клетке могут про­исходить без непо­средственного контакта между реагирующими молекулами. А это означает, что в живых системах могут происходить такие химические пре­вращения, которые не обнаруживались в нежи­вом мире.

Ограничения на существование атомных ядер есть и со стороны сверхтяжелых элементов. Элементы с Z > 92 в естественных условиях не обнаружены. Расчеты по жидкокапельной модели предсказывают исчезновение барьера деления для ядер с Z2/A ≈ 46 (примерно 112 элемент). В проблеме синтеза сверхтяжелых ядер следует выделить два круга вопросов.

1. Какими свойствами должны обладать сверхтяжелые ядра? Будут ли существовать магические числа в этой области Z и N. Каковы основные каналы распада и периоды полураспада сверхтяжелых ядер?
2. Какие реакции следует использовать для синтеза сверхтяжелых ядер, типы бомбардирующих ядер, ожидаемые величины сечений, ожидаемые энергии возбуждения компаунд-ядра и каналы снятия возбуждения?

Так как образование сверхтяжелых ядер происходит в результате полного слияния ядра мишени и налетающей частицы необходимо создание теоретических моделей, описывающих динамику процесса слияния двух сталкивающихся ядер в компаунд-ядро.
Проблема синтеза сверхтяжелых элементов тесно связана с тем фактом, что ядра с Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (магические числа) обладают повышенной стабильностью по отношению к различным модам радиоактивного распада. Это явление объясняется в рамках оболочечной модели − магические числа соответствуют заполненным оболочкам. Естественно возникает вопрос о существовании следующих магических чисел по Z и N. В случае, если они существуют в области N-Z-диаграммы атомных ядер N > 150, Z > 101, должны наблюдаться сверхтяжелые ядра, имеющие повышенные периоды полураспада, т.е. должен существовать Остров Стабильности. В работе на основе расчетов, выполненных с использованием потенциала Вудса-Саксона с учетом спин-орбитального взаимодействия, было показано, что повышение стабильности ядер следует ожидать для ядра с Z = 114, то есть следующая заполненная протонная оболочка соответствует Z = 114, заполненная нейтронная оболочка соответствует числу N ~ 184. Замкнутые оболочки могут существенно увеличить высоту барьера деления и соответственно увеличить время жизни ядра. Таким образом в этой области ядер (Z = 114, N ~ 184) следует искать Остров Стабильности. Этот же результат был независимо получен в работе .
Ядра с Z = 101–109 были открыты до 1986 года и получили названия: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium). Учитывая заслуги исследователей из Дубны в открытии большого числа изотопов тяжелых элементов (102-105), в 1997 году решением Генеральной Ассамблеи чистой и прикладной химии элементу с Z = 105 было присвоено имя Dubnium (Db). Этот элемент ранее назывался Ha (Hannium).

Рис. 12.3. Цепочки распадов изотопов Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112).

Новый этап в исследовании сверхтяжелых ядер начался в 1994 году, когда была существенно повышена эффективность регистрации и усовершенствована методика наблюдения сверхтяжелых ядер. Как результат были обнаружены изотопы Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) и Cn (Z = 112) .
Для получения сверхтяжелых ядер использовались ускоренные пучки 50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn и 82 Se. В качестве мишеней применялись изотопы 208 Pb и 209 Bi. Различные изотопы 110 элемента были синтезированы в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова с помощью реакции 244 Pu(34 S,5n) 272 110 и в GSI (Дармштадт) в реакции 208 Pb(62 Ni,n) 269 110. Изотопы 269 Ds, 271 Ds, 272 Rg и 277 Cn регистрировались по их цепочкам распада (рис. 12.3).
Большую роль в получении сверхтяжелых элементов играют теоретические модели, с помощью которых рассчитываются ожидаемые характеристики химических элементов, реакции, в которых они могут образовываться.
На основе различных теоретических моделей были рассчитаны распадные характеристики сверхтяжелых ядер. Результаты одного из таких расчетов показаны на рис. 12.4. Приведены периоды полураспада четно-четных сверхтяжелых ядер относительно спонтанного деления (а), α-распада (б), β-распада (в) и для всех возможных процессов распада (г). Наиболее устойчивым ядром по отношению к спонтанному делению (рис. 12.4а) является ядро с Z = 114 и N = 184. Для него период полураспада по отношению к спонтанному делению ~10 16 лет. Для изотопов 114-го элемента, отличающихся от наиболее устойчивого на 6-8 нейтронов, периоды полураспада уменьшаются на
10-15 порядков. Периоды полураспада по отношению к α-распаду приведены на рис. 12.5б. Наиболее устойчивое ядро расположено в области Z = 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет).
Стабильные по отношению к β-распаду ядра показаны на рис. 12.4в темными точками. На рис. 12.4г приведены полные периоды полураспада, которые для четно-четных ядер, расположенных внутри центрального контура, составляют ~10 5 лет. Таким образом, после учета всех типов распада оказывается, что ядра в окрестности Z = 110 и N = 184 образуют «остров стабильности». Ядро 294 110 имеет период полураспада около 10 9 лет. Отличие величины Z от предсказываемого оболочечной моделью магического числа 114 связано с конкуренцией между делением (относительно которого ядро с Z = 114 наиболее стабильно) и α-распадом (относительно которого устойчивы ядра с меньшими Z). У нечетно-четных и четно-нечетных ядер периоды полураспада по отношению к
α-распаду и спонтанному делению увеличиваются, а по отношению к β-распаду уменьшаются. Следует отметить, что приведенные оценки сильно зависят от параметров, использованных в расчетах, и могут рассматриваться лишь как указания на возможность существования сверхтяжелых ядер, имеющих времена жизни достаточно большие для их экспериментального обнаружения.

Рис. 12.4. Периоды полураспада, вычисленные для четно-четных сверхтяжелых ядер (числа обозначают периоды полураспада в годах):
а − относительно спонтанного деления, б − α-распада, в − е-захвата и β-распада, г − для всех процессов распада

Результаты еще одного расчета равновесной формы сверхтяжелых ядер и их периодов полураспада показаны на рис. 12.5, 12.6 . На рис. 12.5 показана зависимость энергии равновесной деформации от количества нейтронов и протонов для ядер с Z = 104-120. Энергия деформации определяется как разность энергий ядер в равновесной и сферической форме. Из этих данных видно, что в области Z = 114 и N = 184 должны располагаться ядра, имеющие в основном состоянии сферическую форму. Все обнаруженные на сегодня сверхтяжелые ядра (они показаны на рис. 12.5 темными ромбами) деформированы. Светлыми ромбами показаны ядра стабильные по отношению к β-распаду. Эти ядра должны распадаться в результате α-распада или деления. Основным каналом распада должен быть α-распад.

Периоды полураспада для четно-четных β-стабильных изотопов показаны на рис. 12.6. Согласно этим предсказаниям для большинства ядер ожидаются периоды полураспада гораздо большие, чем наблюдались для уже обнаруженных сверхтяжелых ядер (0.1–1 мс). Так например, для ядра 292 Ds предсказывается время жизни ~ 51 год.
Таким образом, согласно современным микроскопическим расчетам, стабильность сверхтяжелых ядер резко возрастает по мере приближения к магическому числу по нейтронам N = 184. До недавнего времени единственным изотопом элемента Z = 112 Cn (коперниций) был изотоп 277 Cn, имеющий период полураспада 0.24 мс. Более тяжелый изотоп 283 Cn был синтезирован в реакции холодного слияния 48 Ca + 238 U. Время облучения 25 дней. Полное число ионов 48 Ca на мишени − 3.5·10 18 . Зарегистрированы два случая, которые были интерпретированы как спонтанное деление образовавшегося изотопа 283 Cn. Для периода полураспада этого нового изотопа получена оценка T 1/2 = 81 c. Таким образом, видно, что увеличение числа нейтронов в изотопе 283 Cn по сравнению с изотопом 277 Cn на 6 единиц увеличивает время жизни на 5 порядков.
На рис. 12.7 взятом из работы экспериментально измеренные периоды α-распада сравниваются с результатами теоретических расчетов на основе модели жидкой капли без учета оболочечной структуры ядер. Видно, что для всех тяжелых ядер, за исключением лёгких изотопов урана, оболочечные эффекты увеличивают период полураспада на 2–5 порядков для большинства ядер. Ещё более сильное влияние оболочечная структура ядра оказывает на периоды полураспада относительно спонтанного деления. Увеличение периода полураспада для изотопов Pu составляет несколько порядков и увеличивается для изотопа 260 Sg.

Рис. 12.7. Экспериментально измеренные (● exp) и теоретически рассчитанные (○ Y) периоды полураспада трансурановых элементов на основе модели жидкой капли без учета оболочечной структуры ядра. Верхний рисунок − периоды полураспада для α-распада, нижний рисунок − периоды полураспада для спонтанного деления.

На рис. 12.8 показано измеренное время жизни изотопов сиборгия Sg (Z = 106) в сравнении с предсказаниями различных теоретических моделей . Обращает на себя внимание уменьшение почти на порядок времени жизни изотопа с N = 164 по сравнению с временем жизни изотопа с N = 162.
Наибольшего приближения к острову стабильности можно достичь в реакции 76 Ge + 208 Pb. Сверхтяжелое почти сферическое ядро может образоваться в реакции слияния с последующим испусканием γ-квантов или одного нейтрона. Согласно оценкам образующееся ядро 284 114 должно распадаться с испусканием α-частиц с периодом полураспада ~ 1 мс. Дополнительную информацию о заполненности оболочки в районе N = 162 можно получить, изучая α-распады ядер 271 Hs и 267 Sg. Для этих ядер предсказываются периоды полураспада 1 мин. и 1 час. Для ядер 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271,273 Ds ожидается проявление изомерии, причиной которой является заполнение подоболочек с j = 1/2 и j = 13/2 в районе N = 162 для ядер деформированных в основном состоянии.

На рис. 12.9 показаны экспериментально измеренные функции возбуждения реакции образования элементов Rf (Z = 104) и Hs (Z = 108)для реакций слияния налетающих ионов 50 Ti и 56 Fe с ядром-мишенью 208 Pb.
Образовавшееся компаунд-ядро охлаждается испусканием одного или двух нейтронов. Информация о функциях возбуждения реакций слияния тяжелых ионов особенно важны для получения сверхтяжелых ядер. В реакции слияния тяжелых ионов необходимо точно сбалансировать действие кулоновских сил и сил поверхностного натяжения. Если энергия налетающего иона недостаточно большая, то расстояние минимального сближения будет недостаточно для слияния двойной ядерной системы. Если энергия налетающей частицы будет слишком большой, то образовавшаяся в результате система будет иметь большую энергию возбуждения и с большой вероятностью произойдет развал ее на фрагменты. Эффективно слияние происходит в довольно узком диапазоне энергий сталкивающих частиц.

Рис.12.10. Схема потенциалов при слиянии 64 Ni и 208 Pb.

Реакции слияния с испусканием минимального числа нейтронов (1–2) представляют особый интерес, т.к. в синтезируемых сверхтяжелых ядрах желательно иметь максимально большое отношение N/Z. На рис. 12.10 показан потенциал слияния для ядер в реакции 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds. Простейшие оценки показывают, что вероятность туннельного эффекта для слияния ядер составляет ~ 10 –21 , что существенно ниже наблюдаемой величины сечения. Это можно объяснить следующим образом. На расстоянии 14 Фм между центрами ядер первоначальная кинетическая энергия 236.2 МэВ полностью компенсируется кулоновским потенциалом. На этом расстоянии находятся в контакте только нуклоны, расположенные на поверхности ядра. Энергия этих нуклонов мала. Следовательно существует высокая вероятность того, что нуклоны или пары нуклонов покинут орбитали в одном ядре и переместятся на свободные состояния ядра-партнера. Передача нуклонов от налетающего ядра ядру-мишени особенно привлекательна в случае, когда в качестве мишени используется дважды магический изотоп свинца 208 Pb. В 208 Pb заполнены протонная подоболочка h 11/2 и нейтронные подоболочки h 9/2 и i 13/2 . Вначале передача протонов стимулируется силами притяжения протон-протон, а после заполнения подоболочки h 9/2 - силами притяжения протон-нейтрон. Аналогично нейтроны перемещаются в свободную подоболочку i 11/2 , притягиваясь нейтронами из уже заполненной подоболочки i 13/2 . Из-за энергии спаривания и больших орбитальных моментов передача пары нуклонов более вероятна, чем передача одного нуклона. После передачи двух протонов от 64 Ni 208 Pb кулоновский барьер уменьшается на 14 МэВ, что способствует более тесному контакту взаимодействующих ионов и продолжению процесса передачи нуклонов.
В работах [В.В. Волков. Ядерные реакции глубоконеупругих передач. М. Энергоиздат, 1982; В.В. Волков. Изв. АН СССР серия физич., 1986 т. 50 с. 1879] был детально исследован механизм реакции слияния. Показано, что уже на стадии захвата формируется двойная ядерная система после полной диссипации кинетической энергии налетающей частицы и нуклоны одного из ядер постепенно оболочка за оболочкой передаются другому ядру. То есть оболочечная структура ядер играет существенную роль в образовании компаунд-ядра. На основе этой модели удалось достаточно хорошо описать энергию возбуждения составных ядер и сечение образования элементов Z = 102–112 в реакциях холодного синтеза.
Таким образом, прогресс в синтезе трансурановых элементов Z = 107–112 был связан с «открытием» реакций холодного синтеза, в которых магические изотопы 208 Pb и 209 Bi облучались ионами с Z = 22–30. Образующееся в реакции холодного синтеза ядро нагрето слабо и охлаждается в результате испускания одного нейтрона. Так впервые были получены изотопы химических элементов с Z = 107–112. Эти химические элементы были получены в период 1978–1998 гг. в Германии на специально построенном ускорителе исследовательского центра GSI в Дармштадте. Однако, дальнейшее продвижение − к более тяжелым ядрам − таким методом оказывается затруднительным из-за роста величины потенциаль­ного барьера между сталкивающимися ядрами. Поэтому в Дубне был реали­зован другой метод получения сверхтяжелых ядер. В качестве мишеней использовались наиболее тяжелые изотопы искусственно полученных химических элементов плутония Pu (Z = 94), америция Am (Z = 95), кюрия Cm (Z = 96), берклия Bk (Z = 97) и калифорния Cf (Z = 98). В качестве ускоренных ионов был выбран изотоп кальция 48 Ca (Z = 20). Схематический вид сепаратора и детектора ядер отдачи показан на рис. 12.11.

Рис. 12.11. Схематический вид сепаратора ядер отдачи, на котором проводятся эксперименты по синтезу сверхтяжелых элементов в Дубне.

Магнитный сепаратор ядер отдачи уменьшает фон побочных продуктов реакции в 10 5 –10 7 раз. Регистрация продуктов реакции осуществлялась с помощью позиционно-чувствительного кремниевого детектора. Измерялись энергия, координаты и время пролета ядер отдачи. После остановки все последующие сигналы от регистрируемых частиц распада должны исходить из точки остановки имплантированного ядра. Созданная методика позволяла с высокой степенью надёжности (≈ 100%) установить связь между остановившимся в детекторе сверхтяжелым ядром и продуктами его распада. С помощью такой методики были надёжно идентифицированы сверхтяжелые элементы с
Z = 110–118 (табл. 12.2).
В таблице 12.2 приведены характеристики сверхтяжелых химических элементов с Z = 110–118: массовое число A, m − наличие изомерного состояния в изотопе с массовым числом A, спин-четность J P , энергия связи ядра E св, удельная энергия связи ε, энергии отделения нейтрона B n и протона B p , период полураспада T 1/2 и основные каналы распада.
Химические элементы Z > 112 пока не имеют названий и приводятся в принятых международных обозначениях.

Таблица 12.2

Характеристики сверхтяжелых химических элементов Z = 110–118

На рис. 12.12 показаны все известные наиболее тяжелые изотопы с Z = 110–118, полученные в реакциях синтеза с указанием экспериментально измеренного периода полураспада. Здесь же показано теоретически предсказанное положение острова стабильности (Z = 114, N = 184).

Рис. 12.12. N-Z-диаграмма элементов Z = 110–118.

Полученные результаты однозначно указывают на рост стабильности изотопов при приближении к дважды магическому ядру (Z = 114, N = 184). Добавление к ядрам с Z = 110 и 112 7–8 нейтронов увеличивает период полураспада от 2.8 ас (Ds-267) до ≈ 10 с (Ds-168, Ds 271). Период полураспада T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5 мс увеличивается до T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 мин. Наиболее тяжелые изотопы элементов Z = 110–112 содержат ≈ 170 нейтронов, что ещё далеко от магического числа N = 184. Все наиболее тяжелые изотопы с Z > 111 и N > 172 распадаются преимущественно в результате
α-распада, спонтанное деление – более редкий распад. Эти результаты находятся в хорошем согласии с теоретическими предсказаниями.
В Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Дубна) синтезирован элемент с Z = 114. Была использована реакция

Идентификация ядра 289 114 проводилась по цепочке α-распадов. Экспериментальная оценка периода полураспада изотопа 289 114 ~30 с. Полученный результат находится в хорошем согласии с ранее выполненными расчетами .
При синтезе 114 элемента в реакции 48 Cu + 244 Pu максимальный выход изотопов с Z = 114 наблюдался в канале с испарением трех нейтронов. При этом энергии возбуждения составного ядра 289 114 была 35 МэВ.
Теоретически предсказываемая последовательность распадов, происходящих с ядром 296 116, образующемся в реакции 248 Cm + 48 Ca → 296 116, приведена на рис.12.13

Рис. 12.13. Схема распада ядра 296 116.

Изотоп 296 116 охлаждается в результате испускания четырех нейтронов и превращается в изотоп 292 116, который далее с 5% -ой вероятностью в результате двух последовательных e-захватов превращается в изотоп 292 114. В результате α-распада (T 1/2 = 85 дней) изотоп 292 114 превращается в изотоп 288 112. Образование изотопа 288 112 происходит и по каналу

Конечное ядро 288 112, образующееся в результате обеих цепочек, имеет период полураспада около 1 часа и распадается в результате спонтанного деления. Примерно с 10%-ой вероятностью в результате α-распада изотопа 288 114 может образовываться изотоп 284 112. Приведенные выше периоды и каналы распада получены расчетным путем.
На рис. 12.14 приведена цепочка последовательных α-распадов изотопа 288 115, измеренная в экспериментах в Дубне. ER − энергия ядра отдачи, имплантированного в позиционно-чувствительный кремниевый детектор. Можно отметить хорошее совпадение в периодах полураспада и энергиях α-распадов в трёх экспериментах, что свидетельствует о надёжности метода идентификации сверхтяжелых элементов с помощью измерений спектров α-частиц.

Рис. 12.14. Цепочка последовательных α-распадов изотопа 288 115, измеренная в экспериментах в Дубне.

Самый тяжелый, полученный в лабораторных условиях элемент с Z = 118, был синтезирован в реакции

48 Ca + 249 Cf → 294 118 + 3n.

При энергии ионов вблизи кулоновского барьера наблюдалось три случая образования 118 элемента. Ядра 294 118 имплантировались в кремниевый детектор и наблюдалась цепочка последовательных α-распадов. Сечение образования 118 элемента составляло ~2 пикобарна. Период полураспада изотопа 293 118 равен 120 мс.
На рис. 12.15 показана теоретически рассчитанная цепочка последовательных α-распадов изотопа 293 118 и приведены периоды полураспада дочерних ядер, образующихся в результате α-распадов.

Рис. 12.15. Цепочка последовательных α-распадов изотопа 293 118.
Приведены средние времена жизни дочерних ядер, образующихся в результате α-распадов.

Анализируя различные возможности образования сверхтяжелых элементов в реакциях с тяжелыми ионами нужно учитывать следующие обстоятельства.

1. Необходимо создать ядро с достаточно большим отношением числа нейтронов к числу протонов. Поэтому в качестве налетающей частицы надо выбирать тяжелые ионы, имеющие большое N/Z.
2. Необходимо, чтобы образующееся компаунд-ядро имело малую энергию возбуждения и небольшую величину момента количества движения, так как в противном случае будет снижаться эффективная высота барьера деления.
3. Необходимо, чтобы образующееся ядро имело форму близкую к сферической, так как даже небольшая деформация будет приводить к быстрому делению сверхтяжелого ядра.

Весьма перспективным методом получения сверхтяжелых ядер являются реакции типа 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На рис. 12.16 приведены оценочные сечения образования трансурановых элементов при облучении ускоренными ионами 238 U мишеней из 248 Cm, 249 Cf и 254 Es. В этих реакциях уже получены первые результаты по сечениям образования элементов с Z > 100. Для увеличения выходов исследуемых реакций толщины мишеней выбирались таким образом, чтобы продукты реакции оставались в мишени. После облучения из мишени сепарировались отдельные химические элементы. В полученных образцах в течение нескольких месяцев регистрировались продукты α-распада и осколки деления. Данные, полученные с помощью ускоренных ионов урана, ясно указывают на увеличение выхода тяжелых трансурановых элементов по сравнению с более легкими бомбардирующими ионами. Этот факт чрезвычайно важен для решения проблемы синтеза сверхтяжелых ядер. Несмотря на трудности работы с соответствующими мишенями прогнозы продвижения к большим Z выглядят довольно оптимистично.

Рис. 12.16. Оценки сечений образования трансурановых элементов в реакциях 238 U с 248 Cm, 249 Cf и 254 Es

Продвижение в область сверхтяжелых ядер в последние годы оказалось ошеломляюще впечатляющим. Однако все попытки обнаружить Остров Стабильности пока не увенчались успехом. Поиск его интенсивно продолжается.
Оболочечная структура атомных ядер играет существенную роль в повышении стабильности сверхтяжелых ядер. Магические числа Z ≈ 114 и N ≈ 184, если они действительно существуют, могут привести к значительному повышению стабильности атомных ядер. Существенным является также то, что распад сверхтяжелых ядер будет происходить в результате α-распада, что важно для разработки экспериментальных методов детектирования и идентификации новых сверхтяжелых ядер.

≪ Химическая эра≫ в химиотерапии началась вместе с развитием

обрабатывающей промышленности. Гениальный анализ

Маркса и Ленина показывает нам, как протекал процесс

развития капитализма в промышленности: от простой кооперации

труда через мануфактуру (в XVI-VII веке) промышленность

в конце XVIII и начале XIX века перешла к капиталистической

фабрике, т. е. к крупному машинному производству.

Ручной труд вытеснялся машинным.

Паровые машины, развитие железнодорожного и водного

парового транспорта, машинное прядение, новые способы

литья чугуна и стали -все это вызвало революцию в промышленности.

Наступила эпоха промышленного переворота.

Химическая наука едва поспевала за требованиями механической

промышленности. В области теории эта наука сделала

крупный скачок вперед в середине XVIII века.

Основы научной химии и термодинамики заложил наш

знаменитый соотечественник Ломоносов.

В 1748 году в известном письме к математику Эйлеру - члену Российской академии наук -Ломоносов впервые сформулировал

закон постоянства материи и движения. Ему же

принадлежит и вторая важнейшая заслуга: он пропагандировал

идею о необходимости изучить проблему атомного и

молекулярного строения материи, ибо от этого строения зависят

свойства всех тел, их химическая и физическая природа.

≪ ...Химия, -писал Ломоносов в Слове о пользе химии,

Первая предводительница будет в раскрытии внутренних

чертогов тел, первая проникнет во внутренние тайники

тела, первая позволит познакомиться с ч а с т и ч к а м и ≫ .

≪ Широко простирает химия руки свои в дела человеческие

≫ -таким словом закончил он один из отделов этого

≪ Слова≫ . ≪ Непрерывное рождение и разрушение тел достаточно

красноречиво говорит о движении корпускулой≫ , писал

мертвых, движутся в растениях -живых и мертвых, в минералах

или в неорганическом, следовательно, во всем≫ .

Механизация ткацкого производства вызвала необходимость

революции в механике и химии ситцепечатного и красильного

дела, обработка же металлов, их упрочнение потребовали

глубокого вмешательства химических элементов в процесс

Несомненно, основными достижениями химии современная

наука обязана трем гениальным русским химикам -Николаю

Николаевичу Зинину, Александру Михайловичу Бутлерову я

Дмитрию Ивановичу Менделееву.

Профессор Казанского университета Н. Н. Зинин в 1841

году путем химического синтеза получил из циклического соединения

нитробензола анилин -исходный продукт, из которого

путем обработки получаются десятки различных красителей.

До этого краски готовились из растительных продуктов.

Зинин по справедливости считается отцом так называемой

с и н т е т и ч е с к о й химии.

Если бы Зинин не сделал ничего более, кроме превращения

нитробензола в анилин, то имя его и тогда вошло бы в

историю науки как имя величайшего химика. Синтез анилина

открыл новую эру в химической и лекарственной промышленности.

Воздействуя на анилин соляной кислотой, метиловым спиртом,

фосгеном и другими реактивами, можно получить очень

большое число красителей для тканей. Более двухсот красителей

производит советская химическая промышленность из

бесцветного анилина. Анилин используется при производстве

фильмов, а также проявителей для цветных фильмов. Из анилина

получается вещество, ускоряющее процесс вулканизации

резины. Более ста лекарственных препаратов, изготовляемых

в настоящее время, в том числе стрептоцид и сульфаниламиды,

являются производными анилина.

Ясный ум Ломоносова еще в XVIII веке предвидел значение

химии для медицины: ≪ Медик без довольного знания химии

совершен быть не может...≫ ; ≪ от одной химии уповать

можно на исправление недостатков врачебной науки...≫ .

Преемник Зинина А. М. Бутлеров совершил революцию в

учении о строении органических химических соединений.

Убежденный в реальности атомов, Бутлеров поставил целью

выразить точными формулами химические связи между атомами,

образующими молекулу органического соединения. Бутлеров

считал, что можно выяснить строение молекул и с помощью

физических методов, и путем химических превращений.

Идя по этому пути, он разработал свою теорию химического

строения органических соединений. После настойчивых опытов

с бутильными спиртами Бутлеров установил, что одно и

то же количество определенных атомов (например, углерода,

водорода и кислорода), находящихся в цепном соединении,

может давать различные продукты и что свойства получаемых

химических продуктов зависят от того, в каком порядке будут

связаны элементы друг с другом. Это увеличило как число

возможных комбинаций при синтезе новых химических веществ,

так и количество лечебных препаратов, получаемых

путем химического синтеза.

Величайшее открытие XIX века -периодический закон

Менделеева - . привело к установлению строгого порядка и

закономерности среди химических элементов. Мерилом этой

закономерности стал атомный вес. Многие химиопрепараты в

прошлом открывались случайно. Но наука -враг случайного.

По мере прогресса научных знаний многое, казавшееся таинственным

и непостижимым, стало ясным и закономерным.

Периодический закон Менделеева поставил всю химическую

науку и, в частности, химиотерапию на прочную научную основу.

≪ До периодического закона, -писал Менделеев, - . простые

тела представляли лишь отрывочные, случайные явления

природы: не было поводов ждать каких-либо новых, а вновь

находимые в своих свойствах были полной неожиданной новинкой.

Периодическая законность первая дала возможность

видеть не открытые еще элементы в такой дали, до которой не

вооруженное этой закономерностью химическое зрение до тех

пор не достигало, а при этом новые элементы, ранее их открытые,

рисовались с целой массой свойств≫ 1.

Недаром Энгельс охарактеризовал научное предвидение

Менделеева как научный подвиг. Это действительно была выдающаяся

победа науки о химических явлениях, победа позволившая

человечеству встать на прочный путь освобождения

от власти случайностей и подчинения себе сил природы. Периодическая

система Менделеева позволила найти целую

группу близких друг другу химических элементов, полезных

для лечения многих болезней (мышьяк, ртуть, сурьма).

Эти элементы явились для ученых конца XIX века как

бы золотой жилой. При этом ученые полностью использовали

зининский принцип химического синтеза и бутлеровские комбинации

в расположении атомов и молекул.

Среди ученых медиков, занявшихся изготовлением синтетических

лекарств, наибольший успех выпал на долю Эрлиха.

Вся жизнь Эрлиха была посвящена настойчивому осуществлению

одной идеи -получить путем химического соединения

не вредя организму.

Важно подчеркнуть, что эту мысль в 1891 году высказал

основоположник химиотерапии Д. Л. Романовский. Он писал,

что считает идеальным лекарством ≪ вещество, которое при

введении в заболевший организм окажет наименьший вред

последнему и вызовет наибольшее деструктивное изменение в

поражающем агенте≫ . Романовский предвосхитил идею Эрли-

ха о ≪ волшебных пулях≫ , легко попадающих во врагов. Романовский

первый на основе точных наблюдений установил

важнейший закон химиотерапии -прямой механизм действия

химического лекарства на возбудителя болезни.

≪ Хинин при введении в организм малярика в достаточной

легко наблюдаемые деструктивные изменения, главным

образом -его ядра, почему этот препарат нужно считать истинным

специфическим лекарством против малярии≫ .

сказывается специфичность этого средства при малярии - истинная специфичность действия на самую сущность болезни,

Романовский первый поставил вопрос о ≪ радикальном действии

≫ химиопрепаратов на возбудителей или, как он выразился,

≪ производителей≫ болезни. Таким образом, он был зачинателем

идеи в е л и к о й с т е р и л и з у ю щ е й т е р а п и и.

Если существует в природе хинин, -рассуждал вслед за

для организма человека, то должны быть и другие

подобные вещества, которыми можно победить остальные болезни.

В конце XIX века химическая наука продолжала свое

триумфальное шествие, начатое Ломоносовым и завершенное

Зининым, Бутлеровым и Менделеевым.

Журналы были переполнены новыми и интереснейшими

сообщениями о завоевании химии.

Однако с чего начать? Какое вещество из сотен уже полученных

химически может быть использовано для синтеза

химиопрепарата?

Еще в студенческие годы Эрлих повторил известный опыт

киевского профессора Гейбеля, который доказал, что при

отравлении свинцом этот металл неравномерно распределяется

в организме: в одних органах свинец скапливается в заметных

количествах, в трупе же его не удается обнаружить даже тончайшими

реактивами. Значит, химические вещества обладают

избирательным действием, решил Эрлих.

Однако Эрлих отказался от опытов со свинцом, ибо на

глаз отравленные клетки ничем не отличались от здоровых.

Он остановился на краске -метиленовой синьке, так как она

будет удобнее для наблюдения, и предложил лечить малярию

метиленовой синькой. Это лечение дало кое-какие результаты.

Эрлих был ободрен ими и стал расширять свои опыты.

узкий листок с хвостиком и вызывающих у лошадей

мышам и вызывали у них смертельное заболевание.

Эрлих засел в лаборатории и стал проверять краски на

зараженных мышах. Это был, возможно, упрощенный способ,

но таковы были первые шаги научной химиотерапии. Трудно

сразу установить, какая краска имеет в условиях животного

От одной краски мыши синели, от другой -желтели, а

хвостатые трипаносомы попрежнему плавали в кровяном русле

мышей и убивали их. С красками ровно ничего не выходило.

В естествознании ≪ золотые крупинки истины≫ рождаются

из ≪ тысяч тонн переработанной руды≫ . Надо только открыть

какое-либо средство, а там химик расчленит его, добавит

кислоту или щелочь, соединит с реактивами, определит атомный

вес, испытает на больных животных, а потом на людях...

И тогда в таблице лечебных химиопрепаратов появляется

новое спасительное средство.

Трудно было пробиваться к рациональной химиотерапии.

Надо было искать компас, который должен вывести на правильный

путь. Надо было искать закономерности...

И вот однажды, сидя в своем кабинете, Эрлих прочитал в

свежем номере химического журнала о новом патентованном

средстве. Оно называлось ≪ атоксил≫ , что означает нетоксичный.

Начались испытания этого средства на мышах, зараженных

трипаносомами.

После сотен опытов можно было отметить, что атоксил

действительно излечивает мышей.

Но некоторые мыши все же погибали. Следовательно, не

так уже атоксил безвреден.

Эрлих решил сделать его безвредным. Это средство стоило

того, чтобы над ним поработать.

В состав атоксила входило то же бензольное кольцо, что

и в некоторые краски.

Бензольное кольцо -это шесть атомов углерода, сцепленных

в один круг. Но к нему была добавлена окись мышьяка.

Это, очевидно, и сделало препарат целебным. Мышьяк -известный

яд, но при соединении его с бензольным кольцом

получилось химиотерапевтическое средство.

Однако надо было больше ≪ облагородить≫ этот яд, превратив

его в еще более безопасное и в то же время сильно действующее

на возбудителей болезни средство.

атоксил, заявили, что изменить атоксил нельзя, он тут же

распадется. Однако Эрлиху удалось видоизменить этот препарат

в сотни препаратов мышьяка, совершенно не нарушая

комбинации бензола с мышьяком.

Два года проработал он в своей лаборатории, пока не

открыл такое средство, которое совершенно очищало кровь

мышей от убивавших их свирепых трипаносом. При этом новое

средство оказалось безвредным для мышей. Они хорошо переносили

≪ 606≫ или сальварсан, -так был назван новый препарат,

ибо он был 606-м вариантом атоксила. Этот препарат являлся

продуктом тончайшего химического синтеза, и его приготовление

было сопряжено с опасностью взрыва и пожара ввиду

большого количества участвующих в реакции соединения

эфирных паров.

А самое главное -удалось установить, что препарат надо

сохранять в безвоздушной ампуле -примесь воздуха делает

его ядовитым.

Таков был препарат, носивший химическое название: диок-

си-диамино-арсенобензол-дигидро-хлорид.

Но тут произошло одно знаменательное событие.

Незадолго до исследования Эрлиха известный ученый Шау.

дин открыл возбудителя сифилиса -бледную спирохету, происходящую

из семейства трипаносом.

Но, подумал Эрлих, нельзя же останавливаться на лошадиных

трипаносомах, надо воздействовать и на спирохету,

поражающую человека.

Однако он не сразу перешел на людей; он заразил сифилисом

кроликов, а затем лечил их препаратом ≪ 606≫ . После

нескольких вливаний у кроликов не оставалось ни одной

спирохеты. На кроликах вырабатывались и дозы препарата.

Эрлих произвел еще 308 соединений и получил более совершенный

препарат -≪ 914≫ (неосальварсан). Этот препарат

растворялся в 5 кубических сантиметрах воды. Его введение

в организм оказалось еще более безопасным: реакции бывали

Препараты все же сохранили какие-то ядовитые свойства.

У отдельных больных, особенно при введении повышенных доз,

препараты ≪ 606≫ и ≪ 914≫ вызывали воспаление мозга, потерю

сознания, повышение температуры, кожные кровоизлияния.

Враги Эрлиха подняли шумиху вокруг новых препаратов.

Немало волнений доставили они Эрлиху.

Когда препараты Эрлиха были проверены на большом количестве

больных, выяснилось, что ядовитое действие они оказывают

крайне редко.

Весь мир признал огромное значение новых средств.

Сифилис перестал быть страшной болезнью. Лечение давало

прекрасные результаты; язвы у больных исчезали после

нескольких вливаний.

Эрлих решил покончить и со спирохетой возвратного тифа,

родственной сифилитической спирохете.

В это время в некоторых городах России наблюдались

вспышки возвратного тифа. Русские врачи Ю. Ю. Иверсен в

Петербурге и П. К. Галлер в Саратове приняли смелое решение

и первые в мире поставили широкое испытание нового

препарата на больных возвратным тифом.

Эффект лечения был поразительный: после того как больному

при температуре 40° вливалось полграмма эрлиховского

препарата, через 14-6 часов начинался сильнейший пот и

температура падала совсем. Больной совершенно выздоравливал.

Организм его полностью освобождался от спирохет.

Разве это не осуществление мечты ученых о великой стерилизующей

После нескольких лет применения сальварсана русские ученые

установили, что после вливаний сальварсана наблюдаются

лишь небольшие реакции, а смертельные осложнения наступают

крайне редко (на 100 000 вливаний один смертельный исход).

Улучшение качества препарата, установление правильных

доз и точных противопоказаний, -писали в 1916-917

годах наши ученые Г. И. Мещерский, С. Л. Богров и В. В. Ива.

нов, -приведут к тому, что это средство будет совершенно

безопасным.

Передовые русские исследователи-химики и врачи вскоре

после открытия Эрлиха поставили перед собой задачу изготовить

отечественный сальварсан.

Химиком В. А. Смирновым в фармацевтической лаборатории В. К. Ферейна

уже в 1914 году был получен хороший, нетоксичный препарат типа

сальварсана. Единственным его недостатком было несколько сниженное

мышах, произведенного Я. Г. Шерешевским, С. Л. Богровым,

С. С. Усольцевым и др., новый препарат, который получил название ≪ бен-

зарсан≫ , стали применять в клиниках для лечения больных. Профессор

Т. П. Павлов, Г. И. Мещерский и В. В. Иванов в ряде статей, опубликованных

в 1916-917 годах в ≪ Русском враче≫ , ≪ Врачебной газете≫ и

≪ Русском журнале кожных и венерических болезней≫ , дали о первом русском

сальварсане отличный отзыв.

В дальнейшем, с 1916 года, было организовано массовое фабричное

производство русского сальварсана. Это производство возглавил известный

русский химик П. Ф. Рюмшин, разработавший оригинальную общепризнанную

технологию синтеза сальварсана.

Одновременно со Смирновым русский сальварсан (под названием ≪ ар-

Ол≫ ) синтезировали в 1914 году московские химики И. И. Остромыслен-

ский и С. С. Келбасинский.

В 1915 году в ≪ Русском журнале кожных и венерических болезней≫

появился весьма благоприятный отзыв Богрова и Мещерского об этом

препарата.

После Великой Октябрьской социалистической революции было налажено

производство русского сальварсана (новарсалана, новарсола)в заводских

Химические элементы.

Достижения и перспективы

Определение, которое дал химической науке Д.И.Менделеев, до сих пор остается правильным и точным: «Химия – это учение об элементах и химических соединениях». Химические элементы являются фундаментом всей химии, поскольку из них состоят все известные на сегодня химические соединения (в настоящее время их более 14 млн), а также все те, которые будут когда-нибудь получены.

Основную часть периодической системы многие вполне справедливо воспринимают как перечень элементарных «кирпичиков», из которых построены предметы окружающего мира. Однако не следует рассматривать химические элементы только как «строительный материал» для конструирования молекул, поскольку в чистом виде они имеют заслуги ничуть не меньшие, чем миллионы полученных из них соединений, и исключительно широко применяются в современном мире (см. об этом подробнее: Химические элементы в повседневной жизни. «Химия», 1998, № 42).

Уважая строгую терминологию, отметим, что химический элемент – это латинский символ в периодической системе либо конкретный атом, а вот получить и провести последующие исследования можно не с химическим элементом, а только с так называемым простым веществом, состоящим из атомов одного типа. В англоязычной литературе проще: и то, и другое в ней называют одним словом – element . А потому далее будем пользоваться русским аналогом этого слова в широком смысле.

Подводя итоги столетия, прежде всего рассмотрим, как происходило в нынешнем столетии заполнение периодической системы новыми элементами. К концу предыдущего столетия в таблице Д.И.Менделеева находилось около 80 элементов. Начало ХХ в. было ознаменовано присуждением Нобелевской премии У. Рамзаю за открытие инертных газов (1904); однако далеко не всегда такое событие отмечалось столь торжественно. Получение еще только двух элементов – радия и полония – было отмечено таким же образом (М.Склодовская-Кюри, Нобелевская премия 1911 г.).

В 1927 г. был получен рений. Это был своеобразный этап в истории открытия новых элементов, поскольку рений был последним стабильным химическим элементом, найденным в природе. Далее все стало намного сложнее, т. к. все последующие элементы можно было получить исключительно с помощью ядерных реакций.

Достаточно много времени ушло на то, чтобы заполнить четыре пустующие ячейки в середине таблицы до урана (см. об этом: Ошибки и заблуждения в истории химии. «Химия», 1999, № 8). Технеций – элемент № 43 – был получен в 1937 г. при длительном облучении ядрами тяжелого водорода (дейтерия) пластинки из молибдена. Элемент № 87 – франций – в 1939 г. был обнаружен в продуктах радиоактивного распада природного актиния. Элемент № 85 – астат – удалось получить в 1940 г. при бомбардировке висмута ядрами гелия. Элемент № 61 – прометий – выделили в 1945 г. из продуктов деления урана. Далее с помощью реакций ядерного синтеза началось постепенное заполнение 7-го периода таблицы элементами, следующими за ураном. Последним химическим элементом, получившим название, стал № 109. Элементы с № 110 и далее обозначают только порядковыми номерами.

Сейчас уже можно сказать, что ХХ столетие завершается не менее торжественно, чем начиналось. В декабре 1998 г. в Дубне был получен новый элемент – № 114 – при облучении изотопа плутония пучком ускоренных ионов кальция. Если просуммировать количество протонов двух взаимодействующих ядер – плутония и кальция, то получим 94 + 20 = 114. Это и соответствует элементу № 114. Однако получившееся ядро, масса которого 244 + 48 = 292, оказалось нестабильным. Оно выбрасывает три нейтрона и образует изотоп Предварительные расчеты показывали, что элемент № 114, а также недостижимые пока элементы № 126 и № 164 должны попадать в так называемые острова стабильности. Относительно элемента № 114 это подтвердилось. Время его жизни более 0,5 мин, что составляет очень большую величину для такого сверхтяжелого атома. В 1999 г. в лаборатории г. Беркли (США) был получен элемент № 118 при бомбардировке свинца ионами криптона. Время его жизни – миллисекунды. При распаде он образует новый нестабильный элемент № 116, который быстро превращается в более устойчивый элемент № 114.

Итак, на сегодня периодическая система завершается 118-м элементом. Эксперименты по синтезу новых элементов необычайно трудоемки и достаточно длительны. Дело в том, что, проходя через электронные оболочки атомов, ядра-снаряды тормозятся и теряют энергию. Кроме того, ядро, образовавшееся при слиянии, чаще всего распадается на два более легких ядра. Лишь в редких случаях оно испускает несколько нейтронов (как, например, при получении элемента № 114) и образует нужное тяжелое ядро. Несмотря на трудности, эксперименты, направленные на синтез новых элементов, продолжаются.

Рассматривая все богатство накопленных к настоящему моменту химических элементов, попробуем подвести итог столетию. Проведем своеобразное состязание между всеми известными на сегодня химическими элементами и попробуем определить, какие из них оказались в ХХ в. самыми значимыми. Иными словами, отметим лишь те элементы, которые более всего способствовали повышению уровня цивилизации и развитию прогресса.

Очевидных лидеров всего два. Первый – это уран , создавший совершенно новую научную дисциплину – ядерную физику и предоставивший человечеству громадные запасы энергии. Многим, вероятно, покажется такое лидерство спорным. Уран дал человечеству ожидание мрачных последствий применения ядерного оружия, аварии атомных электростанций (АЭС) и проблемы утилизации ядерных отходов.

Все эти опасения вполне обоснованны, однако рассмотрим вопрос более детально.

Что касается угрозы применения ядерного оружия, то эту проблему человечество постоянно держит в поле своего зрения. Все вопросы, связанные с полным запрещением производства и применения такого оружия, неизбежно придется решать и в будущем. Более сложным и спорным является вопрос о применении ядерной энергии в мирных целях. Чернобыльская катастрофа 26 апреля 1986 г. привела к тому, что у всех людей тревожно сжимается сердце при словах «радиация» и «облучение». Во всем мире пошатнулось доверие к ядерной энергетике.

Не следует ли вообще отказаться от АЭС? Вначале казалось, что так и произойдет. Многие страны стали пересматривать необходимость строительства новых станций. Проведенные референдумы показывали: большинство людей считает, что надо отказаться от использования атомной энергии. Однако спокойный трезвый анализ всего произошедшего постепенно привел к иным выводам. По аварийности АЭС стоят практически на последнем месте среди всех современных источников, производящих электроэнергию в больших количествах. Более того, количество смертных случаев при эксплуатации АЭС несколько ниже, чем даже в пищевой и ткацкой отраслях промышленности.

Эта картина не изменилась и при учете последствий чернобыльской аварии, крупнейшей за всю историю развития атомной энергетики. Произошла она прежде всего из-за грубейшего нарушения правил эксплуатации: в реакторе находилось недопустимо малое количество кадмиевых стержней, тормозящих реакцию. Кроме того, станция не имела защитного колпака, предотвращающего выброс радиоактивных веществ в атмосферу. В итоге реализовался один из самых худших вариантов. Тем не менее выброс в атмосферу радиоактивных веществ не превысил 3,5% от их суммарного количества, накопленного в реакторе. Разумеется, никто не считает, что с этим можно смириться. Системы контроля безопасности АЭС были после этого существенно пересмотрены. Основные научно-исследовательские и конструкторские разработки в настоящее время направлены на повышение их безаварийности. Управление реактором должно быть надежно заблокировано как от преступной небрежности, так и от возможных злонамеренных замыслов террористов. Кроме того, все вновь строящиеся станции будут снабжены защитными колпаками, для того чтобы исключить возможность попадания радиоактивных веществ в окружающую среду.

Никто не собирается преуменьшать опасность ядерных реакторов. Однако хотим мы того или нет, весь накопленный опыт развития цивилизации неизбежно приводит к определенному выводу.

Никогда в истории человечества не было случая, чтобы оно отказывалось от достижений прогресса только из-за того, что они представляют определенную опасность. Взрывы паровых котлов, железнодорожные и авиакатастрофы, автомобильные аварии, поражения электрическим током не привели к тому, что человечество запретило бы использование этих технических средств. В результате лишь увеличивалась интенсивность работ, направленных на повышение их безопасности. Запреты имели место только для различных видов оружия. То же самое и в случае с ядерной энергетикой.

Неужели будут строиться новые АЭС? Да, это неизбежно, поскольку уже сейчас более четверти электроэнергии, потребляемой крупными городами (Москва, Санкт-Петербург) производятся АЭС (в западных странах эта цифра выше). От этого нового вида энергии человечество уже не сможет отказаться. При надежно организованной эксплуатации АЭС, несомненно, выигрывают в сравнении с тепловыми станциями, пожирающими железнодорожные составы с углеводородным топливом и загрязняющими атмосферу продуктами сгорания угля и нефти.
Гидростанции превращают леса и пахотные земли в заболоченные участки и нарушают естественный биоритм всего живого на громадной территории. АЭС несравненно удобнее в эксплуатации. Они могут быть расположены в местах, удаленных от залежей угля и лишенных источников гидроэнергии. Смена ядерного горючего происходит не чаще чем один раз в полгода. Расход топлива можно оценить по следующему показателю. При делении 1 г изотопов урана выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 2800 кг углеводородного топлива. Иными словами, 1 кг ядерного горючего заменяет эшелон угля.

При этом мировые запасы урана содержат аккумулированной энергии в миллионы раз больше, чем энергетические ресурсы имеющихся запасов газа, нефти и угля. Ядерного топлива хватит на десятки тысяч лет с учетом постоянно возрастающей потребности в источниках энергии. При этом углеводородное сырье можно использовать намного эффективнее для синтеза различных органических продуктов.

Сразу возникает вопрос, что делать с отходами отработанного ядерного топлива. О проблемах захоронения таких отходов слышали, наверное, многие. Проводятся интенсивные научные работы для решения этой проблемы (человечество обычно спохватывается с некоторым запаздыванием). Один из перспективных путей – строительство ядерных реакторов, воспроизводящих горючее. В обычных ядерных реакторах изотоп урана 238 U является как бы балластом, основная реакция проходит при участии изотопа 235 U, которого, кстати, в природном уране очень мало (менее 1%). Однако малоактивный 238 U, находясь в определенном количестве в ядерном реакторе, может захватывать часть выделяющихся нейтронов, образуя в конечном итоге плутоний 239 Pu, который сам по себе является ядерным горючим, не менее эффективным, чем 235 U.

Схемы многих ядерных превращений просты и наглядны. Перед символом химического элемента помещают два индекса. Верхний указывает массу ядра, т. е. сумму протонов и нейтронов, нижний – число протонов, т. е. положительный заряд ядра. При написании уравнения реакции надо соблюдать простое правило – суммарные количества зарядов протонов и электронов в обеих частях уравнения должны быть равны. Кроме того, следует знать одно из простых уравнений ядерной химии – нейтрон может распадаться на протон и электрон: n 0 = p + + e – .

Вот как выглядит схема превращения 238 U в 239 Pu, благодаря чему удастся в будущем использовать в качестве горючего полностью все запасы природного урана:

В первом уравнении показано, что происходит захват нейтрона ядром урана и образуется крайне неустойчивый изотоп урана. Промежуточная стадия – образование и распад неустойчивого изотопа нептуния. Во втором и третьем уравнениях происходит превращение нейтрона в протон (который остается в ядре) и электрон, который выделяется в виде b -излучения. Это традиционное название потока электронов, испускаемых радиоактивным веществом. В итоге образуется очень устойчивый изотоп плутония с периодом полураспада 24 тыс. лет, который можно использовать как ядерное горючее в тех же самых реакторах.

Итак, проблема уничтожения отходов на время отодвигается, но полностью не снимается, однако и она в принципе разрешима.

При работе реактора происходит распад ядра урана с образованием радиоактивных изотопов различных элементов с меньшей массой. Основные – это изотопы кобальта 60 Со, стронция 90 Sr и цезия 137 Cs, прометия 147 Pm, технеция 99 Tc. Некоторые из них уже нашли применение, например, при лечении опухолей (кобальтовые пушки), для предпосевной стимуляции семян и даже в криминалистике. Другая область применения – стерилизация продуктов питания и медицинских препаратов, поскольку испускаемые этими изотопами b - и g -излучения не приводят к появлению радиоактивности в облучаемом веществе.

Очень привлекательна возможность создавать на основе таких b -излучателей источники электроэнергии. Под действием b -лучей (т. е. потока электронов) в полупроводниковых веществах, таких, как кремний или германий, возникает разность потенциалов. Это позволяет создавать, например на основе изотопа 147 Pm, долговременные источники электрического тока, работающие без подзарядки много лет.

Ядерный реактор можно использовать так же, как своеобразную реакционную колбу для направленного синтеза изотопов различных элементов, помимо тех, которые образуются при самопроизвольном распаде. Различные вещества помещают в специальных капсулах в ядерный реактор, где они интенсивно облучаются нейтронами, в результате чего образуются соответствующие изотопы. Получаемые таким образом g -активные изотопы тулия и иттербия, а также образующиеся в реакторах изотопы технеция применяют для создания компактных передвижных установок, заменяющих громоздкие рентгеновские аппараты. Их можно применять не только для диагностики в медицинских целях, но и для нужд техники в целях дефектоскопии различных конструкций и оборудования.

Таким образом, радиоактивные отходы содержат достаточно заметные запасы неизрасходованной энергии, и способы ее извлечения будут в дальнейшем совершенствоваться.

Подведем итог. Уран занимает выдающееся место среди всех остальных элементов. Благодаря ему в ХХ столетии было создано новое научное направление – ядерная физика – и открыт практически неисчерпаемый источник энергии.

Вторым элементом, претендующим на исключительную роль в ХХ в., является кремний . Доказать его значимость не составит особого труда, поскольку с ним не связаны различные мрачные опасения, как в случае с ураном. Во второй половине столетия громоздкие ламповые электронно-вычислительные машины были вытеснены компактными компьютерами. Мозг компьютера – процессор – изготавливается из кристалла сверхчистого кремния. Полупроводниковые свойства кремния позволили создать на его основе миниатюрные сверхбыстродействующие вычислительные устройства, которые и легли в основу всех современных компьютеров. Разумеется, в производстве компьютеров используется масса современных технологий и различных веществ, но поскольку мы ведем речь только о химических элементах, то исключительная роль кремния очевидна.

Ясно, что мы находимся сейчас в начальной стадии мощно развивающегося процесса – ураганного распространения компьютеров буквально во всех областях деятельности человека. Это не просто этап технического прогресса. Наблюдаемый результат впечатляет сильнее, чем в случае с ураном, поскольку происходит не только развитие новых технических средств, но и изменение стиля жизни и образа мыслей человечества.

Компьютеры решительно и энергично входят в дома, покоряя каждого члена семьи, в особенности молодое поколение. На наших глазах происходит в какой-то степени процесс перестройки человеческой психологии. Компьютеры постепенно оттесняют телевизоры и видеомагнитофоны, поскольку большинство именно им отдает большую часть свободного времени. Они открывают удивительные возможности для творчества и досуга.

Возможности компьютеров необычайно велики, и потому они становятся незаменимыми в работе ученых, писателей, поэтов, музыкантов, дизайнеров, шахматистов, фотографов. Они полностью покорили поклонников головоломок и стратегических игр, а также желающих изучать иностранные языки и любителей домашней кухни. Всемирная информационная сеть Интернет буквально удвоила возможности компьютеров. Стали доступными любые информационные и справочные источники, литературные и энциклопедические издания; но появилась исключительная возможность для общения людей, связанных общими интересами. В результате большинство испытывает к своему компьютеру чувство привязанности, сравнимое с любовью к домашним животным.

Нельзя не отметить дополнительные достоинства кремния, основанные на его полупроводниковых свойствах. Об одном из них мы упомянули несколько ранее. Это возможность превращать b -излучение в электроэнергию. Второе очень ценное свойство реализовано в солнечных батареях – возможность превращать дневной свет в электрическую энергию. В настоящее время это используется в маломощных устройствах, например в калькуляторах, а также для энергоснабжения космических аппаратов. В недалеком будущем более мощные солнечные батареи найдут широкое применение в быту.

Таким образом, кремний частично вторгается даже в область энергетики, где лидером является уран. Итак, второй победитель нашего состязания – кремний, открывший эру полупроводников и компьютерных технологий.

Соревнование между химическими элементами можно устроить по другим параметрам. Поставим вопрос иначе. Какой из химических элементов (напомню, что химические соединения мы не рассматриваем) более всего потребляет человечество? Очевидно, тот, который более всего производит. Для того чтобы соревнование было справедливым, снимем эффект различия атомных масс у элементов, будем их считать поштучно, т. е. рассмотрим объемы производства, выраженные в молях.

Ниже приведены в порядке возрастания среднегодовые объемы производства (в молях) некоторых наиболее потребляемых элементов (уровень 1980-х гг.):

W – 1,4 10 7 ; U – 2 10 8 ; Si – 2,8 10 8 ; Mo – 6 10 8 ; Ti – 6,3 10 8 ;
Mg – 8 10 9 ; Cu – 1,2 10 11 ; Al – 4,4 10 11 ; O – 1 10 12 ; Cl – 1,2 10 12 ;
S – 1,7 10 12 ; N – 5,1 10 12 ; Fe – 1,2 10 13 ; H – 3 10 13 ; C – 3,3 10 13 ,

Углерод занял главенствующее место благодаря каменноугольному и нефтяному коксу, потребляемому прежде всего металлургией. Алмазы и графит составляют лишь незначительную часть от всего производимого и добываемого углерода. Водород вполне закономерно занял второе место, поскольку области его применения необычайно разнообразны: металлургия, нефтепереработка, химическое и стекольное производство, а также ракетная техника. Железо в нашем конкурсе заняло почетное третье место, несмотря на достаточно высокую атомную массу.

Напомню, что мы сравниваем производство элементов, выраженное в молях. Если бы проводилось сравнение в массовом выражении, то железо оказалось бы бесспорным лидером. Оно известно человечеству с древнейших времен, и его роль в развитии прогресса постоянно возрастала. Образно говоря, упомянутые выше уран и кремний можно сравнить со вспыхнувшими новыми звездами на небосклоне ХХ столетия, в то время как железо – надежное светило, озаряющее весь путь цивилизации в течение многих веков. Железо – стержень всей современной индустрии, и можно полагать, что эта его роль сохранится и в XXI в.

Интересно сравнить полученный выше ряд с распространенностью элементов на земном шаре. Вот восемь наиболее распространенных элементов (в порядке возрастания их мольного содержания): Na, Fe , H , Mg , Ca , Al , Si , O . Очевидно, что закономерность иная. Природе не удалось навязать человечеству свои правила игры. Мы потребляем больше всего не то, что имеется в максимальном количестве, а то, что диктуют нужды прогресса.

Возможности химических элементов исчерпаны далеко не полностью. Интересно, какие из них окажутся самыми значимыми в ХХI в.? Вряд ли такое возможно предугадать. Предоставим решать этот вопрос и подводить итоги тем, кто будет встречать 2101 г.

Вновь вернемся к периодической системе – замечательному каталогу химических элементов. В последнее время ее чаще изображают в форме развернутой таблицы. Такая конфигурация несравненно более наглядна и удобна. Горизонтальные ряды, называемые периодами, стали длиннее. В таком варианте присутствует уже не восемь групп элементов, как ранее, а восемнадцать. Исчезает термин «подгруппы», остаются только группы. Все однотипные элементы (они отмечены индивидуальной раскраской фона) расположены компактно. Лантаноиды и актиноиды, как и прежде, размещены в отдельных строках.

Теперь попробуем заглянуть в будущее. Как будет заполняться периодическая система далее? Показанная выше таблица заканчивается актиноидом лоуренсием – № 103. Рассмотрим нижнюю часть таблицы более подробно, введя в нее элементы, открытые в последние годы.

Химические свойства полученного в 1998 г. элемента № 114 можно ориентировочно предсказать по положению в периодической системе. Это – непереходный элемент, находящийся в группе углерода, и по свойствам должен напоминать свинец, расположенный над ним. Впрочем, химические свойства нового элемента недоступны для непосредственного изучения – элемент зафиксирован в количестве нескольких атомов и недолговечен.

У последнего полученного на сегодня элемента – № 118 – целиком заполнены все семь электронных уровней. Поэтому вполне естественно, что он находится в группе инертных газов – над ним расположен радон. Таким образом, 7-й период таблицы Менделеева завершен. Эффектный финал столетия!

В течение всего ХХ в. человечество в основном заполняло именно этот седьмой период, и сейчас он простирается от элемента № 87 – франция – до недавно синтезированного элемента № 118 (некоторые элементы в этом периоде пока не получены, например № 113, 115 и 117).

Наступает момент в определенном смысле торжественный. С элемента № 119 в периодической системе начнется новый, 8-й период. Вероятно, это событие украсит начало следующего столетия. Схема постепенного достраивания электронных оболочек в общих чертах ясна. Все будет воспроизводиться по уже известной системе: в определенный момент появятся f -элементы, соответствующие лантаноидам, а далее – аналоги d -элементов, называемых переходными. Самое интересное, что у элементов 8-го периода начнет заполняться также новый, не существующий у всех на сегодня полученных элементов g -уровень. Итак, появятся g -элементы, не имеющие аналогов в известной нам на сегодня периодической системе. Есть основания полагать, что они будут предшествовать f -элементам.

Внимательное рассмотрение периодической системы позволяет обнаружить в ней определенную стройность, которая заметна не сразу. Именно благодаря этой стройности система имеет некоторую предсказательную силу. Подтвердим это несколькими примерами.

Поставим вопрос: сколько будет ожидаемых g -элементов в 8-м периоде? Простой расчет позволяет это выяснить. Вначале вспомним, что электроны располагаются на определенных уровнях. Количество возможных уровней для каждого элемента соответствует номеру периода. Электронные уровни делятся на подуровни, называемые орбиталями и обозначаемые буквами латинского алфавита s, p, d, f. Каждый новый подуровень может появиться только в установленный момент, когда атомный номер достигает определенной величины. На каждом подуровне (или, иначе говоря, на каждой орбитали) может расположиться не более двух электронов. s- Орбиталь у каждого элемента может быть только одна, на ней либо один, либо два электрона. р -Орбиталей может быть три, стало быть, на них максимально возможное число электронов – шесть. Почему р -орбиталей может быть только три? Это определяется законами квантовой механики. В нашей беседе мы сосредоточиваться на этом не будем. d -Орбиталей может быть только пять, значит – 10 электронов.

Групповые названия элементам дают в соответствии с названиями орбиталей. Элементы, у которых происходит заполнение электронами s- орбиталей, называют s -элементами, если заполняются р -орбитали, то это р -элементы, и так далее. Все это хорошо видно на таблице, где для каждого типа элементов дана соответствующая окраска фона. Таким образом, в каждом периоде таблицы присутствует по два s -элемента, по шесть p- элементов и по десять d -элементов. Проверьте эту простую закономерность по таблице (d -элементы появляются впервые только в 4-м периоде).

Вероятно, вы заметили, что количество возможных орбиталей при переходе от s- к p- и d- орбиталям имеет простую закономерность. Это ряд нечетных чисел: 1, 3, 5. Как, по-вашему, сколько существует возможных f -орбиталей? Логика подсказывает, что семь. Так оно и есть, и на них может разместиться максимально 14 электронов. Значит, f -элементов в одном периоде может быть только 14. Именно таково число лантаноидов в таблице. Актиноиды тоже f -элементы, и их тоже 14. Теперь основной вопрос: сколько может быть g -орбиталей? Продлим мысленно ряд чисел: 1, 3, 5, 7. Стало быть, g -орбиталей – девять, а число возможных g -элементов – 18.

Итак, мы ответили на поставленный выше вопрос. Экспериментально все это может быть подтверждено только в отдаленном будущем. Какой же будет номер у самого первого g- элемента? Однозначно ответить пока невозможно, поскольку порядок заполнения электронных уровней может быть совсем не тот, что в верхней части таблицы. По аналогии с тем, в какой момент появляются f -элементы, можем предположить, что это будет элемент № 122.

Попробуем решить другой вопрос. Сколько же всего будет элементов в 8-м периоде? Поскольку прибавление каждого электрона соответствует появлению нового элемента, то просто надо сложить максимальное число электронов на всех орбиталях от s до g : 2 + 6 + 10 + 14 + 18 = 50. Долгое время так и предполагали, однако компьютерные расчеты показывают, что в 8-м периоде будет не 50, а 46 элементов.

Итак, 8-й период, который, как мы полагаем, начнет заполняться в XXI в., будет простираться от элемента № 119 до № 164. Впрочем, открытие нового элемента – вещь ожидаемая, но не всегда предсказуемая, и потому надо быть готовым к тому, что элемент № 119 будет получен еще до того, как эта статья попадет в руки читателю, что придаст еще большую торжественность моменту наступления нового века.

Внимательное рассмотрение периодической системы позволяет отметить еще одну простую закономерность. р -Элементы впервые появляются во 2-м периоде, d -элементы – в 4-м, f -элементы – в 6-м. Получился ряд четных чисел: 2, 4, 6. Эта закономерность определяется правилами заполнения электронных оболочек. Теперь вам должно быть понятно, почему g- элементы появятся, как уже было сказано выше, в 8-м периоде. Простое продолжение ряда четных чисел! Существуют и более дальние прогнозы, но они основаны на достаточно сложных расчетах. Например, показано, что в 9-м периоде будет всего 8 элементов, как во 2-м и 3-м, что несколько неожиданно.

Очень интересно, существует ли теоретически последний элемент периодической системы? Современные расчеты ответить на этот вопрос пока не могут, так что он наукой еще не решен.

Мы достаточно далеко зашли в наших прогнозах, может быть, даже в XXII в., что, впрочем, вполне объяснимо. Попытаться бросить взгляд в отдаленное будущее – вполне естественное желание для каждого человека, особенно в тот момент, когда происходит смена не только столетия, но и тысячелетия.

М.М.Левицкий