Свръхтежките елементи нарушават таблицата на Менделеев

В отдалечените кътчета на периодичната таблица, като се започне от елемент 104 (рутерфордий) има области, в които нещата се объркват. Елементи като дубний, сиборгий, борий и други, никога не са били откривани в природата. Техните ядра, пълни с протони и неутрони се разрушават миг след създаването им в резултат на делене или радиоактивен разпад.

Тези елементи се наричат свръхтежки елементи. Най-тежкият от тях е оганезонът (елемент 118). От 2002 година насам, когато за първи път е създаден в лаборатория, учените са успели да синтезират само 5 от неговите атоми.

Оганезонът е толкова радиоактивен, че е невъзможно да го държите в ръцете си – усеща се по-скоро като топлина, отколкото като материя.

Учените използват свръхбързи техники, за да изследват тези непознати области на периодичната таблица. Тук, на границата на химията, атомите имат изненадващи свойства – от ядра с форма на тиква до електрони, които се подчиняват на законите на относителността. Изучаването на тези свойства може да хвърли светлина върху първичните елементи, създадени при астрофизични явления като свръхнови и сливания на неутронни звезди.

В коридора на лабораторията Лорънс Бъркли е окачен плакат с таблица на елементите, подредени по броя на протоните и неутроните. Тази таблица съдържа цялата известна информация за структурата и разпадането на ядрата на елементите и техните изотопи. Тя непрекъснато се обновява, подобно на моряшка карта с нови острови, където островите са изотопи на тежки елементи, видими само в ускорителите на частици.

За първи път рутерфордий е синтезиран през 1969 година в лабораторията Бъркли и в Обединения институт за ядрени изследвания в Дубна, Русия. Оттогава насам различни научни институти се надпреварват да създават нови елементи. Днес в надпреварата участват лаборатории в Германия и Япония. Така например елемент 113, който е наречен нихоний е синтезиран за първи път през 2004 година в Япония.

Изследванията на свръхтежки елементи продължават не само заради правото да се дават имена на нови елементи, но и защото теоретиците предвиждат възможността за създаване на елементи с по-голяма стабилност. Такива елементи биха могли да имат период на полуразпад от една година или дори 1000 дни, което би открило нови възможности за експерименти и технологии.

Създаването на тези елементи е трудно. Учените използват снопове от тежки йони, насочени към целевия материал.

Например, за да се създаде флеровий (114 протона) – калций (20 протона) трябва да се сблъска с плутоний (94 протона). През повечето време йонният сноп преминава през мишената без взаимодействие, но успешните сблъсъци създават временно нови атоми.

Тези атоми се улавят и измерват с помощта на хелий и електрически полета. Учените изучават техните свойства, като наблюдават реакциите, които успяват да извършат преди да се разпаднат. Например наскоро беше доказано, че флеровият атом образува силни връзки със златото при стайна температура, което го отличава от благородните газове.

Електроните в тези тежки атоми изпитват силно привличане от ядрото. Това ги кара да се движат с огромна скорост, близка до тази на светлината. Това създава релативистични ефекти, които променят химичното поведение на елементите. В резултат на това тежките елементи може да не се подчиняват на обичайните химични правила на периодичната таблица. Охансонът например има размазан облак от електрони, което го прави труден за изучаване.

Дебатът за разположението на някои елементи в периодичната таблица все още продължава. От 2015 година група експерти от Международния съюз по чиста и приложна химия обсъжда къде трябва да се намират елементите лантан и актиний, както и лутеций и лавренций. Причината е, че релативистичните ефекти влияят върху разположението на външните им електрони.

В допълнение към химичните експерименти, учените изследват формата на ядрата на свръхтежките елементи. Тези ядра често са с овална форма, а по-тежките елементи теоретично могат да имат форми, наподобяващи летящи чинии или дори балони. Формата на ядрото влияе върху неговата стабилност и може да помогне на учените да определят какви комбинации от протони и неутрони могат да съществуват.

Съществуват така наречените магически числа на протоните и неутроните, които правят ядрата по-стабилни.

Например, стабилност може да се постигне с определени комбинации от магически числа. Все още обаче не е ясно дали съществуват такива комбинации, които могат да предпазят тежките ядра от разпад.

Интересно е, че съществува теоретична възможност да се открият ядра без електронни облаци, които не са способни на химични реакции. Това поставя под въпрос обичайните представи за периодичната система и химията като цяло.

Астрофизиците също така изучават свръхтежките елементи в космоса. Тези елементи могат да се образуват при бързото улавяне на неутрони, което се случва при катаклизми като сблъсъците на неутронни звезди. Наблюденията на събития като сливания на неутронни звезди помагат да се разбере образуването на тежки елементи.

През 2017 година учените за първи път наблюдаваха сливане на неутронни звезди, като регистрираха гравитационните вълни, предизвикани от събитието.

Това потвърди теорията, че r-процесът протича при такива събития. Изследователите откриха изотопи на лантаниди в това събитие, което показва наличието на тежки елементи. Въпреки това, за да се открият свръхтежки елементи, трябва да се определят по-точно спектрите на светлината, която те излъчват и поглъщат.

През декември 2023 година астрономите съобщиха за излишък на няколко по-леки елемента – рутений, родий, паладий и сребро в някои звезди. Тези елементи биха могли да са резултат от разпадането на тежки или свръхтежки елементи. Това показва, че могат да съществуват ядра с до 260 протона и неутрона.

В резултат на неотдавнашни изследвания в Мичиганския университет са създадени тежки изотопи на тулий, итербий и лутеций с помощта на нов мощен ускорител на редки изотопи. Тези изотопи могат да помогнат на учените да разберат процесите, свързани с улавянето на неутрони и тяхната роля при образуването на тежки елементи.

В цял свят учените продължават да усъвършенстват методите и оборудването си за синтез и изследване на свръхтежки елементи. Например в лабораторията „Лорънс Бъркли“ се инсталират нови инструменти за по-точно измерване на масите на отделните атоми. Това ще осигури нови данни за свойствата и поведението на свръхтежките елементи.

Изследването на свръхтежките елементи открива нови хоризонти пред учените в разбирането на химичните и ядрените процеси. Тези изкуствено създадени елементи имат уникални свойства, които не се срещат в естествени условия. Изследванията в тази област помагат на учените не само да разберат по-добре структурата и поведението на материята, но и хвърлят светлина върху процесите, протичащи при най-екстремните условия във Вселената.

С усъвършенстването на технологиите и изследователските методи учените продължават да откриват нови аспекти на свръхтежките елементи. Тези открития могат да доведат до нов напредък в науката и технологиите, както и да помогнат за разбирането на основните закони на природата.