„Атом по атом“: науката достигна до края на Менделеевата таблица

Изследователите са „уловили“ молекули, които е почти невъзможно да се видят и измерят.

Един от най-големите триумфи на науката е периодичната таблица на Менделеев. Тя позволява да се прогнозират масата, плътността и химичните свойства на елементите още преди те да бъдат открити. Но на най-тежките етажи, където атомите буквално се разкъсват от огромния брой протони, тази предсказваща сила започва да се проваля. Това важи особено за свръхтежките елементи с повече от 103 протона – техният химичен състав остава загадка дори за най-модерните лаборатории.

Проблемът е, че експериментите с такива елементи са изключително трудни. Учените трябваше да се задоволят с догадки, тъй като беше невъзможно да се определи какви точно молекули се получават по време на експериментите. Сега обаче ситуацията започна да се променя. Изследователи от лабораторията „Бъркли“ към Министерството на енергетиката на САЩ, Калифорнийския университет и Университета на Алабама са разработили нов метод, който позволява не само да се получават молекули с тежки елементи, но и директно да се откриват. За първи път в историята на практика е възможно да се фиксира молекула, съдържаща нобелиум – елемент с атомен номер 102. Досега не е откривана директно молекула с елементи, по-тежки от фермия (99).

Експериментът се проведе на 88-инчовия циклотрон в Бъркли. Планът беше прост: ускорени калциеви изотопи се сблъскват с мишена от талий и олово, за да образуват поток от частици, сред които и желаните актиниди. Специална система избираше само подходящите атоми – нобелий и актиний – и ги насочва към газов капан. Там, при свръхзвукова скорост, атомите реагират с газа, за да образуват молекули, които след това се анализират с помощта на високоточния спектрометър на FIONA.

Но учените бяха изненадани: още преди да успеят да добавят реактивния газ, в капана започнаха да се образуват молекули на нобелий. Причината за това са следите от вода и азот, присъстващи в системата. Атомите на нобелия спонтанно реагирали с тях, което поставило под въпрос установеното мнение за „чистотата“ на експериментите. Оказа се, че дори при идеални условия свръхтежките атоми лесно се комбинират с молекулите и образуват химични връзки. Това откритие може да обясни противоречивите резултати от предишни експерименти с елементите 113, 114 и 115.

Авторите на статията твърдят, че това е началото на нова ера в изучаването на химията на свръхтежките елементи. FIONA се оказа неочаквано полезен за химическите изследвания, въпреки че първоначално беше създаден единствено за измерването на маси. Съоръжението е успяло да събере почти 2000 молекули за 10 дни – впечатляващ резултат за стандартите на тежката химия. В същото време става дума за наблюдение на реакции на ниво отделни атоми, които живеят за части от секундата. Предишните методи не бяха толкова чувствителни и не позволяваха да се определи точно кои молекули се образуват.

Благодарение на високата чувствителност и бързината на анализа новият подход ще даде възможност да се изучават все по-масивни и нестабилни елементи, чийто химичен състав може коренно да се различава от обичайните тенденции в Менделеевата таблица. Става въпрос за т.нар. релативистки ефекти: огромният брой протони в ядрото ускорява вътрешните електрони, което променя поведението им и като следствие – химичните свойства на елемента. Ето защо свръхтежките елементи може да не са съвсем на „своите“ места в таблицата.

Практическото значение на това изследване също е огромно. Една от обещаващите насоки е да се подобри разбирането на химията на актиний-225 – рядък изотоп, който показа ефикасност при лечението на метастатичния рак. Днес той е наличен в микроскопични количества и използването му в медицината е трудно. Познавайки по-добре неговата химия, ще бъде по-лесно да се синтезират подходящите съединения и да се увеличи достъпността на терапиите.

Новият метод не само помага за изясняване на подредбата на елементите в таблицата, но и дава инструмент за работа с най-тежките и най-редките атоми във Вселената.