Как в таблице Менделеева появляются новые элементы

Откуда берутся элементы

Элемент определяется одним числом: количеством протонов в ядре. У водорода один протон, у углерода шесть, у урана девяносто два. Этот номер и есть порядковый номер в таблице Менделеева. Добавить ядру протон значит получить новый элемент.

В природе в заметных количествах встречаются элементы примерно до урана. Всё, что тяжелее, получено искусственно. Первым синтетическим элементом тяжелее урана стал нептуний в 1940 году, затем плутоний. Дальше счёт пошёл быстрее: к 1960-м годам таблица выросла до сотни с лишним клеток.

Чем тяжелее ядро, тем сильнее протоны внутри него отталкиваются друг от друга, ведь все они заряжены положительно. Их удерживают ядерные силы, но у очень тяжёлых ядер равновесие хрупкое, и они быстро распадаются. Поэтому каждый следующий элемент получить труднее предыдущего.

Как получают сверхтяжёлые элементы

Метод звучит просто: нужно столкнуть два ядра так, чтобы они слились в одно. На ускорителе разгоняют ионы лёгкого элемента и направляют их на мишень из тяжёлого. Числа протонов складываются.

20 (кальций) + 98 (калифорний) = 118 (оганесон)

На деле всё очень трудно. Ядра должны столкнуться с правильной скоростью: если медленно, они оттолкнутся, если слишком быстро, новое ядро разлетится. Слияние случается крайне редко. Мишень бомбардируют неделями и месяцами, через неё проходят миллиарды миллиардов ионов, а новых атомов получается единицы.

Как понять, что атом родился, если он живёт меньше секунды? По цепочке распада. Новое ядро выбрасывает альфа-частицу и превращается в элемент на два номера меньше, тот тоже распадается, и так далее, пока цепочка не дойдёт до известных ядер. Детекторы записывают каждое событие с точным временем и энергией. Совпадение цепочки с расчётом и есть доказательство.

Дубна и её элементы

Одна из главных лабораторий в этой области работает в подмосковной Дубне, в Объединённом институте ядерных исследований. Там получены или впервые надёжно зарегистрированы элементы со 114 по 118. Отсюда и названия:

Оганесон второй в истории элемент, названный в честь живого учёного. Первым был сиборгий, названный в честь американского химика Гленна Сиборга. Атомов оганесона за всю историю получено лишь несколько, каждый из них прожил меньше тысячной доли секунды.

Кто даёт названия

Открытие проверяет и утверждает Международный союз теоретической и прикладной химии, ИЮПАК. Когда открытие признано, право предложить название получают авторы. Есть правила: элемент можно назвать в честь мифологического персонажа, минерала, места, свойства или учёного. Окончание тоже выбирают по правилу: у большинства элементов «-ий», у галогенов, как теннессин, «-ин», у благородных газов, как оганесон, «-он».

До получения названия элементы носят временные латинские имена по цифрам номера. Например, 119-й пока называется унуненний, от латинских «один, один, девять».

Остров стабильности

Физики давно предсказывают, что среди сверхтяжёлых элементов может быть «остров стабильности»: ядра с особыми, «магическими» числами протонов и нейтронов, которые проживут не миллисекунды, а минуты, дни или даже дольше. Такие числа уже известны для лёгких ядер: свинец-208, например, необычно устойчив.

Опыты в Дубне показали, что ядра с большим числом нейтронов действительно живут дольше. Значит, берег острова где-то рядом. Если до него добраться, химики смогут изучать свойства новых элементов не по одному атому, а по-настоящему.

Когда будет 119-й

Для 119 и 120 простой рецепт с кальцием больше не работает: нет достаточно тяжёлых мишеней. Нужно разгонять более тяжёлые ионы, титан или хром, а с ними слияние случается ещё реже. В 2024 году в лаборатории Беркли в США проверили метод на титановом пучке и получили два атома ливермория, 116-го элемента. Это значит, что путь к 120-му в принципе открыт. В Дубне на Фабрике сверхтяжёлых элементов тоже готовят такие опыты.

Если 119-й получат, он откроет восьмой период таблицы, и её придётся рисовать с новой строкой. Химики уже спорят, будет ли он вести себя как щелочной металл вроде натрия и калия: у очень тяжёлых атомов электроны движутся так быстро, что начинают сказываться эффекты теории относительности, и привычные закономерности таблицы могут нарушаться.

Что взять для уроков

Такие задачи на радиоактивный распад встречаются в физике 9 и 11 классов и на ОГЭ и ЕГЭ. Правило всегда одно: при альфа-распаде номер уменьшается на 2, а масса на 4, при бета-распаде номер растёт на 1, а масса не меняется.

Частые вопросы