В следующем году исполнится 150 лет со дня создания Дмитрием Менделеевым периодической таблицы. Организация Объединенных Наций провозгласила 2019 год Международным годом периодической таблицы химических элементов (IYPT 2019).

Спустя 150 лет таблица все еще растет. В 2016 году в нее были добавлены четыре новых элемента: нихоний (Nh), московий (Mc), теннессин (Тs) и оганесон (Og). Атомное число – количество протонов в ядре – определяет их химические свойства и место в периодической таблице—это 113, 115, 117 и 118 соответственно.

Потребовалось десятилетие и глобальные усилия, чтобы подтвердить существование этих последних четырех элементов. И теперь ученые задаются вопросом: как далеко еще продолжается периодическая таблица?

Некоторые ответы можно найти в статье Витольда Назаревича, ведущего ученого Установки получения ионных пучков редкоземельных изотопов при Университете штата Мичиган, в Nature Physics Perspective.

Все элементы с более чем 104 протонами обозначаются как «сверхтяжелые» и являются частью обширной, совершенно неизвестной материи, которую ученые пытаются постичь. Предсказано, что атомы, содержащие до 172 протонов, могут физически образовывать ядро, связанное ядерной силой. Именно эта сила предотвращает его распад, но лишь на несколько долей секунды.

Эти ядра, полученные в лабораторных условиях, очень нестабильны и спонтанно распадаются вскоре после их образования. Для элементов тяжелее оганесона это может происходить настолько быстро, что им недостаточно времени для привлечения и захвата электрона, чтобы сформировать атом. Они проведут всю свою жизнь как конгрегация протонов и нейтронов.

Если это так, то это бросает вызов тому, как ученые сегодня определяют и понимают «атомы». Они больше не могут быть описаны в виде модели центрального ядра с электронами, вращающимися вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца.

Что касается того, могут ли эти ядра вообще образоваться, до сих пор остается загадкой. Ученые медленно, но верно проникают в этот регион, синтезируя элемент за элементом, не зная, как они будут выглядеть или где будет конец.

Поиск элемента 119 продолжается в нескольких лабораториях, главным образом в объединенном Институте ядерных исследований в России, в GSI в Германии и в RIKEN в Японии.

«Ядерная теория не обладает способностью надежно прогнозировать оптимальные условия, необходимые для их синтеза, поэтому вам нужно делать догадки и проводить эксперименты по термоядерному синтезу, пока вы что-то не найдете. Таким образом, вы могли бы работать годами», – говорит Назаревич.

Хотя новая установка получения ионных пучков редкоземельных изотопов при Университете штата Мичиган не будет производить эти сверхтяжелые элементы, по крайней мере, в рамках нынешнего проекта, она может пролить свет на то, какие реакции могут быть использованы, раздвигая границы текущих экспериментальных методов. Если элемент 119 будет подтвержден, он добавит восьмой период к периодической таблице.

Назаревич говорит, что открытие может быть не слишком далеким: «Скоро. Может быть, через два-три года. Мы не знаем, эксперименты продолжаются».

Остается еще один интересный вопрос. Можно ли производить сверхтяжелые ядра в космосе? Считается, что они могут возникать при слиянии нейтронных звезд – это настолько мощное столкновение звезд, что оно буквально потрясает саму ткань Вселенной. В таких звездных средах, где нейтроны в изобилии, ядро может сливаться со все большим количеством нейтронов, чтобы образовать более тяжелый изотоп.

Он имел бы такое же число протонов и, следовательно, являлся тем же элементом, но более тяжелым. Проблема здесь заключается в том, что тяжелые ядра настолько нестабильны, что они разрушаются задолго до добавления новых нейтронов и формирования этих сверхтяжелых ядер.

Это мешает их синтезу в недрах звезд. Надежда состоит в том, что благодаря передовым симуляторам ученые смогут «увидеть» эти неуловимые ядра через наблюдаемые закономерности синтезированных элементов.

По мере развития экспериментальных возможностей ученые будут использовать эти более тяжелые элементы, чтобы добавить их в перестроенную таблицу.

«Мы не знаем, как они выглядят, и это вызов, – говорит Назаревич. – Но то, что мы узнали до сих пор, может означать конец периодической таблицы в том виде, в котором мы ее знаем».