«Пустые клеточки» таблицы Менделеева
• Откуда берутся новые химические элементы • Существуют ли они в природе • Зачем нужно расширять таблицу Менделеева • Есть ли её предел и что дают новые знания о химических элементах в практическом смысле.
Рассказывает доктор физико-математических наук Александр Карпов, учёный секретарь Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова Объединённого института ядерных исследований. Разговор состоялся на фестивале «Менделеевские дни», организованном в феврале 2024 года в честь 190-летия Дмитрия Ивановича Менделеева на его родине, в Тобольске.
Беседу ведёт Наталия Лескова.
— Александр Владимирович, что для вас значит Менделеев?
— Учёным часто приходится рассказывать, чем они занимаются. В таких ситуациях бывает непросто найти ту первую ступень в разговоре, на которой собеседнику должно быть всё знакомо и понятно. Мне как сотруднику Лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований это сделать легко: говоришь про таблицу Менделеева и про то, что в нашей лаборатории открываются новые элементы, которые наполняют эту таблицу, и более комфортной «первой ступеньки» в разговоре не представить. Чтобы объяснить такие вещи, как, например, бозон Хиггса или теория струн, найти общеизвестную отправную точку сложно. И нужно отыскать своего рода «таблицу Менделеева», чтобы рассказать о том, чем занимаешься.
Конечно, Дмитрий Иванович Менделеев — очень интересная личность. Многогранная! Многоплановая! Не так много людей, которым всегда что-то интересно, а Дмитрий Иванович — из таких, с внутренним мотором, до последних дней заставляющих искать новые задачи, решать научные проблемы. Эта любознательность продлевает жизнь — физическую и умственную, делает людей интересными для окружающих. Такие люди вызывают у меня восхищение, это то, к чему нужно стремиться.
— Как вы думаете, каким образом он додумался до создания такого фундаментального закона? Как ему пришло в голову это сделать?
— Идея витала в воздухе. В то время было очевидно, что химические элементы не просто хаотичный набор каких-то сущностей, а «кирпичики», которые должны укладываться в некую «стену». У разных учёных были попытки, более или менее удачные, разгадать принцип, по которому можно было бы систематизировать элементы, но догадка Менделеева оказалась самой близкой к современному представлению о периодичности свойств химических элементов. Он расположил элементы в соответствии с их атомными весами. Сейчас мы понимаем, что это не совсем верно, правильнее было бы расположить их в соответствии с атомным номером — числом протонов в ядре, но во времена Менделеева не было известно ни ядро, ни то, что в нём находятся протоны, — существовало только понятие атомного веса.
Затем Дмитрий Иванович увидел закономерности повторяемости химических свойств. Так элементы выстроились в периоды и группы. Это групповое сходство стало величайшим открытием, которое дало возможность не только упорядочить существующие элементы, но и оставить пустые клеточки для ещё неизвестных элементов, свойства которых были заранее описаны.
— Откуда он знал, что в пустых клеточках обязательно появятся новые элементы?
— Очевидно, что плохая теория не объясняет ничего. Хорошая теория объясняет то, что мы наблюдаем. А великая — та, которая не только объясняет известные факты, но и предсказывает то, что в настоящее время неизвестно. И пустые клеточки были заполнены ещё при жизни Дмитрия Ивановича. Менделеев сформулировал фундаментальный закон, закон природы.
Кстати, в западном мире эту таблицу не называют «таблицей Менделеева», но ассоциируют именно с именем Дмитрия Ивановича. Год 150-летия открытия периодического закона (2019 год. — Прим. ред.) был объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Дата праздновалась во всём мире, на эмблеме был Менделеев, и все мероприятия проходили под его именем.
— Когда французский химик Лекок де Буабодран открыл галлий, Менделеев написал ему письмо, что он неправильно посчитал плотность. Тот удивился, пересчитал — и оказалось, что Менделеев прав...
— В этом свойство периодичности — он видел, как изменяются физико-химические свойства элементов и довольно точно предсказал свойства ещё неизвестных элементов, которые и помогли найти эти элементы. Открыли галлий, и вскоре германий.
— Многие новые элементы появляются и сейчас, и вы, в частности, этим занимаетесь. Откуда они берутся? Ведь их может и не быть в природе?
— Часть из них, безусловно, есть в природе. Мы с вами находимся на Земле, в Солнечной системе, возраст которой четыре с половиной миллиарда лет. И, по счастью для нас с вами как людей и по несчастью как для исследователей, мы находимся очень далеко от тех катастрофических событий во Вселенной, в которых рождаются элементы. Мы удалены на десятки тысяч световых лет от этих мест, и поэтому на Земле очень трудно обнаружить тяжелейшие элементы, что могли бы прилететь из космоса.
В основном учёные находят те элементы, которые были когда-то на Земле и сохранились до наших дней. Это возможно, только если ядра стабильны, либо если времена их жизни сравнимы с возрастом Земли — четыре с половиной миллиарда лет. Например, уран, несмотря на свою радиоактивность, считается долгоживущим, период его полураспада — миллиарды лет. Все элементы тяжелее урана живут меньше, и хотя некоторые из них — миллионы и десятки миллионов лет, но и этот срок несравним с возрастом нашей планеты, поэтому трансурановые элементы просто не сохранились, не дожили до наших дней, по крайней мере, в значимых весовых количествах.
— То есть элементы, которые были, но теперь их нет?
— Да. Уран считается самым тяжёлым элементом в природе. Это не совсем верно, но так принято говорить. Начало пути поиска трансурановых элементов — это воссоздание тех условий, которые существовали миллиарды лет назад, или тех, что существуют во Вселенной за десятки и сотни тысяч световых лет от нас. Когда мы говорим о самых тяжёлых элементах, здесь, действительно, встаёт вопрос: есть ли они в природе, могут ли они образовываться, и если образуются, то где?
— А почему нужно искать там, где тяжелее?