Чтобы определить химические свойства сверхтяжелых элементов, химики должны провести один из самых сложных химических экспериментов в мире за считанные секунды. Когда ученые открывают новые элементы, это только начало пути открытий в мире химии.
Химиков интересует не только количество протонов и нейтронов в новых, сверхтяжелых элементах. Они также хотят узнать их физические и химические свойства, такие как температуры кипения и плавления, растворимость элемента в воде или кислоте и то, как элемент связывается и реагирует с другими атомами и молекулами.
Конечно, напрямую измерить температуру кипения сверхтяжелых элементов невозможно, но химики могут получить косвенный ответ, измерив летучесть; то есть насколько сильно элемент связывается с металлической поверхностью.
Проводить такие эксперименты можно только в очень небольшом количестве лабораторий в мире, например. GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung в Германии и Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, Россия. Университет Осло сотрудничает с обоими этими центрами.
Проведение экспериментов стоит дорого, и получить доступ к этим лабораториям сложно. Поэтому химикам совершенно необходимо заранее тщательно подготовиться к экспериментам.
Эти приготовления происходят в ускорителе частиц (циклотроне), соединенном с химической лабораторией.
Заряженные ядра водорода и гелия разгоняются до огромных скоростей и бомбардируются тонкой металлической фольгой.
Это приводит к образованию ионов радиоактивных металлов, которые напоминают сверхтяжелые элементы. Затем химики могут проводить эксперименты с ионами металлов в химической лаборатории.
Лишь очень немногие научно-исследовательские институты имеют в подвале собственный циклотрон. Еще меньше имеют автоматическую связь между циклотроном и химической лабораторией. Университет Осло - одно из немногих мест в мире, где есть и то, и другое.
«Наша установка вызывает интерес за границей. После того, как мы убедимся, что наше самодельное оборудование работает нормально, мы загрузим фургон и повезем его с собой на эксперимент за границу», - говорит профессор ядерной химия, Джон Петтер Омтведт, в SAFE-Центре исследований на основе ускорителей и энергетической физики Университета Осло.
Чрезвычайно короткий срок службы
В кампусе университета в Блиндерне в Осло элементы проецируются прямо из циклотрона через двадцатиметровую трубу в химическую лабораторию. Многое из того, что происходит, происходит полностью автоматически. Невероятно мало времени. Поскольку период полураспада элементов чрезвычайно короток, у химиков нет времени провести эксперимент в обычном режиме. Время жизни элемента меньше одной минуты. Многие из сверхтяжелых элементов, с которыми они хотят поэкспериментировать, существуют всего несколько секунд, прежде чем распасться.
Таким образом, бесполезно помещать их в классические пробирки для последующего анализа. Это занимает слишком много времени. Иногда химические реакции должны происходить внутри самого детектора, чтобы вещества были обнаружены до того, как они исчезнут.
Детектор обнаруживает только то, что происходит с одним атомом в момент его исчезновения. Затем он посылает специальный радиоактивный сигнал. Именно этот сигнал и обнаруживается.
Самые тяжелые элементы имеют такой короткий срок жизни, что их невозможно исследовать химически. Не облегчается и то, что можно экспериментировать только с одним атомом за раз.
Джон Петтер Омтведт провел последние пятнадцать лет, разрабатывая лабораторное оборудование в Блиндерне.
Его специализация - детекторная система особого типа, которая измеряет особый тип радиоактивного излучения, называемого альфа-лучами, исходящего от жидкости. Другая его специализация - продвинутое автоматизированное проведение экспериментов по так называемой «мокрой химии».
Поскольку время жизни этих веществ настолько короткое, мы должны действовать молниеносно. Все этапы эксперимента должны выполняться одновременно. Мы максимально расширяем границы. Это можно сравнить с изучением самых отдаленных космических просторов. В мире не так много детекторов, которые могут обнаружить один-два атома особого элемента, особенно когда в смеси много мути», - отмечает Омтведт. Несколько лет назад он участвовал в химических исследованиях элемента 104, резерфордия.
Повторение эксперимента
Сейчас Омтведт участвует в крупной международной группе ученых для изучения химических свойств сверхтяжелого элемента 114.
Чтобы получить достаточно достоверные данные, химикам приходится проводить один и тот же эксперимент несколько раз. Каждый раз они проверяют, связывается ли атом с другими молекулами. Повторяя эксперимент несколько раз, они могут определить приблизительную вероятность того, как часто атом будет связываться. Омтведт также хотел бы изучить, как сверхтяжелые атомы реагируют друг с другом, но, поскольку циклотрону удается создавать только один сверхтяжелый атом за раз, эту задачу решить невозможно.
Самые тяжелые элементы в мире, 119 и 120, которые, как мы надеемся, будут обнаружены этой осенью, будут иметь настолько короткое время жизни, что их не хватит для химического эксперимента. Следовательно, существует верхний предел того, насколько тяжелым может быть элемент, который все еще можно изучать химически.
Улучшенные химические модели
Если химики поймут больше о том, как сверхтяжелые элементы ведут себя химически, для неспециалистов может стать сюрпризом, что они смогут узнать больше о химических свойствах более легких элементов.
Хотя это фундаментальное исследование в прямом смысле этого слова, эти открытия могут улучшить существующие математические химические модели. Эти модели лежат в основе всей химии. Химики используют их для предсказания химических реакций.
Данные экспериментов могут подтолкнуть модели к получению еще лучших результатов.
Электроны становятся тяжелее
Теория относительности Эйнштейна является важным компонентом этих химических моделей. Чем тяжелее становятся элементы, тем выше будет скорость их электронов. Когда электроны движутся все быстрее и быстрее, они также становятся все тяжелее и тяжелее. Современные математические описания атомов зависят от этой взаимосвязи. Вот где вступает в действие теория относительности.
Один забавный пример: если бы золото не обладало релятивистскими свойствами, оно было бы белым.
В GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung российская коллега Омтведта Валерия Першина занимается исключительно теоретическими расчетами свойств атомов.
"Она может предсказывать химические реакции. Время от времени ее теория не согласуется с нашими экспериментами. Тогда вопрос в том, кто допустил ошибку", - заключает Омтведт.