Главная Новости НИИАРовцы в погоне за 121 элементом
НИИАРовцы в погоне за 121 элементом

По мнению авторов проекта, это посвящение должно повысить качество повседневной жизни и способствовать будущим научным достижениям. С предложением сделать 2019 год годом Периодической системы выступили несколько международных и национальных организаций, в том числе Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC), Российская академия наук, Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Московская обл.) и Русское химическое общество им. Д.И.Менделеева.

Несколько фактов из истории химии
Чтобы понять значимость решения Генеральной Ассамблеи, по-видимому, необходимо вернуться на несколько тысячелетий назад. Такие ремесла, как металлургия, гончарное дело, стеклоделие, крашение, парфюмерия, косметика достигли значительного развития еще до нашей эры. Например, состав современного бутылочного стекла практически не отличается от состава стекла, применявшегося за 4000 лет до нашей эры в Египте. Хотя химические знания тщательно скрывались и за разглашение некоторых из них людей ожидала смертная казнь, они все равно медленно проникали в другие страны. К европейцам химическая наука попала главным образом от арабов после завоевания ими Испании в 711 году. Арабы называли эту науку «алхимией», от них это название распространилось и в Европе. Кстати, многие из нас, изучавших школьный курс химии, помнят, что в истории человечества были так называемые «алхимики», которые мечтали получить «философский камень», способный превратить любую субстанцию в золото. Эти попытки с позиций сегодняшнего дня вызывают где-то даже снисходительные улыбки. Тем не менее, необходимо отметить, что накопленный ими опыт положил основы препаративной, аналитической химии, качественному и количественному анализам. В истории химии хотелось бы отметить несколько важных вех, а именно за 800 лет до нашей эры арабский алхимик по имени Джабар ибн Хайян сумел впервые получить чистые мышьяк и сурьму; в 1669 году немецкий алхимик Хеннинг Брандт открыл фосфор, который был сначала принят за философский камень; в 1789 году французский естествоиспытатель Антуан Лавуазье издал «Начальный учебник химии», который тотчас же был переведен на многие иностранные языки и положил конец эпохе флогистона, объяснив состав воздуха, воды, многих органических соединений. Лавуазье первым дал классификацию веществ, он издал список 33 химических соединений, сгруппированных в газы, металлы, неметаллы и земли, заложил основы химической номенклатуры. К середине 19-го века были открыты 63 химических элемента и попытки найти закономерности в этом наборе принимались неоднократно. В частности, немецкий ученый Йохан Вольфганг Доберайнер в 1829 году занялся систематизацией химических элементов по триадам, положив в основу своей квалификации, помимо атомных весов, аналогию свойств и характерных признаков элементов и их соединений. Исследования Доберайнера подготовили почву для окончательной систематизации элементов, проведенной впоследствии великим ученым-химиком Д.И.Меделеевым.


Из биографии Д.И.Менделеева
 
Дмитрий Иванович Менделеев родился 27 января (8 февраля по новому стилю) 1834 года в г. Тобольске в семье Ивана Павловича Менделеева (в то время занимавшего должность директора Тобольской гимназии и училищ) и Марии Дмитриевны Менделеевой (урожденной Корнильевой). Дмитрий был в семье последним, семнадцатым ребенком (по другим сведениям, четырнадцатым). Мария Дмитриевна рано овдовела, но в год окончания сыном гимназии ликвидировала все дела в Сибири  и вместе с Дмитрием и младшей дочерью Елизаветой выехала из Тобольска, чтобы определить сына в университет. В 1855 году Дмитрий Иванович с золотой медалью окончил отделение естественных наук физико-математического факультета Главного Педагогического института в Санкт-Петербурге, преподавал некоторое время в гимназиях Симферополя и Одессы. А после защиты диссертации на «право чтения лекций» с 1857 по 1890 год он преподавал в Императорском Санкт-Петербургском университете (с 1865 года – профессор химической технологии, с 1867 – профессор общей химии); одновременно в 1863 – 1872 годах являлся профессором Санкт-Петербургского технологического института (преподавал органическую химию); одновременно преподавал в Николаевских академии и училище; в Институте корпуса инженеров путей сообщения.
Получив в январе 1859 года разрешение на командировку в Европу «для усовершенствования в науках» Дмитрий Иванович только в апреле , по завершении курса лекций в университете и занятий во втором кадетском корпусе и Михайловской артиллерийской академии, смог выехать из Санкт-Петербурга.  После ознакомления с возможностями нескольким научных центров, им было отдано предпочтение Гейдедьбергскому университету, где работали такие незаурядные естествоиспытатели, какР.Бунзен, Г.Кирхгоф, Г.Гельмгольц и др. Оборудование лаборатории Р.Бунзена не позволяло проводить такие «деликатные опыты, как капиллярные»и Менделеев оборудует свою собственную исследовательскую базу для синтеза и очистки веществ. В этот период он занимался теоретическими опытами «молекулярной механики», исходными причинами которой предполагались масса, объем и сила взаимодействия частиц (молекул). Рабочие тетради ученого показывают, что он последовательно искал аналитическое выражение, демонстрирующее связь состава вещества с тремя этими параметрами.
В этот период Менделеевым был написан учебник по «Органическрй химии», представленный на Демидовскую премию. Академики Ю.Ф.Фрицше и Н.Н.Зимин дали высокую оценку представленному труду и отметили, что он «…является в высшей степени соответствующей назначению книги как учебника». Непременный секретарь Академии наук в Санкт-Петербурге К.Веселовский 26 апреля 1862 года уведомил Дмитрия Ивановича, что «Императорская академия наук постановлением 17 апреля сего года назначила Вам за сочинение Ваше под заглавием «Органическая химия» полную Демидовскую премию в тысячу четыреста двадцать восемь рублей».
На заседании совета физико-математического факультета Саект-Петербургского университета 31 января 1865 года Менделеев защитил докторскую диссертацию «О соединении спирта с водой», в которой были изложеныосновы его учения о растворах. После этого он получил должность экстраординарного профессора университета по кафедре технической химии.


Создание Периодической системы элементов
Закон триад Доберайнера подготовил почву для систематизации элементов, завершившейся созданием Д.И.Менделеевым Периодической системы. Написав на карточках основные свойства каждого элемента (их в то время было известно 63, из которых ДИДИМ оказался в дальнейшем смесью двух вновь открытых элементов ПРАЗЕОДИМОМ и НЕОДИМОМ) Дмитрий Иванович начинает многократно переставлять эти карточки, составлять из них ряды сходных по свойствам элементов, сопоставлять ряды один с другим. Итогом работы сталпервый вариант системы («Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве), отправленный в 1869 году в научные учреждения России и других стран. В данном варианте элементы были расставлены по девятнадцати горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по шести вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). В 1870 году Дмитрий Иванович в «Основах химии» публикует второй вариант системы (Естественную систему элементов»), имеющий более привычный нам вид.
Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определенного количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две: атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеевым были предприняты очень смелые шаги: он исправил атомные массы некоторых элементов (например, бериллия, индия, урана, тория, церия, титана и иттрия), несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими (например, таллий, считавшийся щелочным металлом, он поместил в третью группу согласно его фактической максимальной валентности), оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. На основе этих работ в 1871 Менделеев сформулировал Периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована.
Научная достоверность Периодического закона получила подтверждение очень скоро: в 1875 - 1886 годах были открыты галлий (экаалюминий), скандий (экабор) и германий (экасилиций), для которых Менделеев, пользуясь Периодической системой, предсказал не только возможность их существования, но и с поразительной точностью описал целый ряд их физических и химических свойств. Последним элементом Периодической системы является уран с порядковым номером 92, открытый в 1789 году немецким химиком Мартином Клапротом. Этот элемент в 1874 году был помещен Дмитрием Менделеевым в  его Периодическую систему элементов, причем Менделеев удвоил атомный вес урана в два раза. И лишь спустя двенадцать лет опытным путем было доказано, что великий химик не ошибался в своих расчетах. По легенде, мысль о системе химических элементов пришла к Менделееву во сне, однако известно, что однажды на вопрос, как он открыл Периодическую систему, ученый ответил: «Я над ней может быть двадцать лет думал, а Вы думаете: сидел, сидел и вдруг..готово».
И только в декабре 1869 года выходит работа немецкого химика Л.Мейера, который в зарубежной литературе считается либо «одним из первооткрывателей», либо «независимо от Менделеева опубликовавшим этот периодический закон». Однако Л.Мейер    в своих исследованиях не пошел дальше расстановки части (28 из 63) открытых на тот момент элементов в сплошной ряд  и периодического закона не формулировал вообще.
Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была естественной квалификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в стройной связи друг с другом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследований. С её помощью решаются многие задачи современной химии, например, получение сверхчистых веществ и сплавов для атомной, ракетной и полупроводниковой промышленности.
Наряду с плодотворной научной деятельностью Дмитрий Иванович принимал активное участие и в общественной жизни, выступая с требованиями о разрешении чтений публичных лекций, популизирующих достижения современной науки, протестовал против циркуляров, ограничивающих права студентов, обсуждал новый университетский устав. Из-за конфликта с тогдашним министром просвещения, который во время студенческих волнений отказался принять от Менделеева петицию студентов, Дмитрий Иванович  в 1890 году  покинул Императорский Санкт-Петербургский университет.
После отставки Дмитрий Иванович посвящает все свои силы практическим делам. В 1892 году он был назначен ученым-хранителем Депо образцовых гирь и весов, которое в 1893 году по его инициативе было преобразовано в Главную палату мер и весов (ныне ВНИИ метрологии им. Д.И.Менделеева). При работе на химическом заводе П.А.Пушкова им был разработан состав бездымного пороха (пироколлодия) Впоследствии он отмечал, что «посетив немало западноевропейских заводов, с гордостью увидел, что может созданное русским деятелем не только не уступать, но и во многом превосходить иноземное». Большой вклад Дмитрий Иванович внес в нарождающуюся нефтехимию. В 1863 году на нефтеперегонном заводе купца Кокорина недалеко от Баку он создал прообраз современного технологического процесса перегонки и транспортировки нефти. Именно Менделеев предсказал, что вбудущем нефть не останется лишь топливом и сырьем для освещения, а превратится в основу всей химической промышленности. Широко известен его афоризм: «Сжигать нефть – все равно, что топить печку ассигнациями». Это сказано почти полтора века тому назад, а мы и сегодня призываем экономику «слезть с нефтяной иглы»…
Дмитрий Иванович являлся членом многих академий наук и научных обществ, одним из основателей Русского физико-химического общества и третьим его президентом.
Искусственно полученные элементы
Самым тяжелым элементом Периодической системы является уран (Z=92). Это объясняется тем обстоятельством, что в Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли (4,5 млрд. лет). Другие – распались и не дожили до наших дней.
Развитие атомной энергетики положило начало получению и исследованию ядерно-физических и химических свойств, так называемых трансурановых элементов, образующихся в атомных реакторах в результате облучения ядерного топлива нейтронами.
В 1940 – 1953 годах профессором ГленомСиборгом и его коллегами в Ок-Риджской национальной лаборатории (Беркли, США) были синтезированы искусственные элементы с  порядковыми номерами 93 -100. Они были получены в реакциях последовательного захвата нейтронов изотопа урана-235  длительным облучением в мощных ядерных реакторах
 Открытие первых искусственных элементовстало началом нового направления ядерной физики и химии по исследованию свойств трансурановых элементов и их применению во многих отраслях науки  и техники. В результате многолетней, интенсивной и целенаправленной работы физиками-ядерщиками были синтезированы около свыше десятка новых элементов. Существует три признанных во всем мире исследовательских центра по синтезу тяжелых элементов: в Дубне (Россия), в Беркли (США) и в Дармштадте (Германия). Все новые элементы, начиная с нептуния, были получены в этих центрах.
Вновь синтезируемыепо этому методу элементы обладали малым временем жизни, что существенно осложняло реакторное получение каждого из последующих  нуклидов, а также их химическое выделение в требуемых количествах. Поэтому этот метод оказался неэффективным для синтеза более тяжелых элементов с порядковым номером более 100.
С 1960-х годов началась эпоха ускорителей элементарных частиц (циклотронов), эпоха ускорения тяжелых ионов, когда синтез  новых элементов стали производить только при взаимодействии двух тяжелых ядер. Элементы с порядковыми номерами свыше 100 были синтезированы в реакциях с ускоренными тяжелыми ионами, когда в ядро-мишень вносится комплекс протонов и нейтронов. Принципиальная схема такого синтезасверхтяжелых элементов  представлена на рисунке.
В качестве облучаемых ядер использовали как трансурановые элементы (плутоний-242,  америций-243, кюрий-248, берклий-249 и калифорний-249), так и более легкие элементы Периодической системы (висмут-209, свинец-208). В ядро-мишень внедряли ускоренные ионы углерода-13, неона-22, кальция-48, хрома-54, железа-58, никеля-64. Синтезированные сверхтяжелые элементы попадали в специально сконструированную систему детектирования, в которой изучались их ядерно-физические свойства (время жизни, энергия распада, цепочки распада). По данной методике были синтезированы элементы с порядковыми номерами от 101 до 118.Время жизни таких элементов составляет доли секунд, поэтому в основном изучены только их ядерно-физические свойства: время  жизни и энергия излучаемых альфа-частиц. Однако, теоретические расчеты, проведенные лауреатами Нобелевской премии М.Гепперт-Мейер и Х.Йенсеном, показывают, что элементы с порядковыми номерами 114 и 126 и «магическими и дважды магическими» числовыми значениями ядер будут иметь нетипично большой период полураспада. Для элемента 114 это предположение было подтверждено учеными ОИЯИ.


Получение 115, 116, 117 и 118 элементов в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ (Дубна)
Эксперименты по облучению проводили в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Московская обл.) под научным руководством Юрия Цолаковича Оганесяна – академика Российской академии наук. Выдающийся физик-экспериментатор Ю.Ц.Оганесян широко известен своими работами в области ядерной физики, экспериментами по синтезу и исследованию свойств новых элементов таблицы Менделеева. Родился Юрий Цолакович 14 апреля 1933 года в Ростове-на-Дону, в 1939 году вместе с семьей переехал в Ереван, куда был приглашен на работу его отец. По окончании школы с золотой медалью он поступил в Московский физико-технический институт. Вся жизнь Юрия Цолаковича связана с ОИЯИ, куда он был направлен после окончания в 1956 году. Он прошел путь от молодого инженера, руководителя группы по пусконаладке ускорителя до  директора и научного руководителя Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова. Здесь он защитил диссертации кандидата и доктора наук, стал профессором и академиком Российской академии наук. Ю.Ц.Оганесян сформулировал основные принципы синтеза трансфермиевых элементов в реакциях холодного синтеза и совместно с коллегами провел фундаментальные эксперименты по синтезу элементов с Z = 101-118. По решению Международного союза чистой и прикладной химии за большой вклад ОИЯИ в исследование сверхтяжелых элементов элементу 105 присвоено название Дубний, а элементу 114 – Флеровий (в честь Георгия Николаевича Флерова, академика АН СССР, создателя и руководителя Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ с 1957 по 1997 годы). Для изучения сверхтяжелых ядер Юрием Цолаковичем разработана программа синтеза сверхтяжелых изотопов в реакциях синтеза кальция-48 с актинидными мишенями, построены прецизионные экспериментальные установки.
На основе циклотронов и комплекса современных экспериментальных установок (масс-сепараторы, 4π-спектрометры заряженных частиц, нейтронов и гамма-квантов) была создана уникальная исследовательская база, которая обеспечила ведущую роль Объединенного института ядерных исследований в ряде областей ядерной физики.
Вклад АО «ГНЦ НИИАР»  в синтез 114-118 элементов
АО «ГНЦ НИИАР» обладает уникальной экспериментальной базой, позволяющей получать в реакторе СМ весовые количества трансурановых элементов (плутоний, америций, кюрий, берклий и калифорний), необходимых для синтеза сверхтяжёлых элементов, проводить их радиохимическое выделение в условиях «горячих камер», изучать ядерно-физические свойства.
Автору этих строк довелось в 2006-2015 годах руководить коллективом по изготовлению мишеней на основе плутония-244, америция-243, кюрия-248, берклия-249 и калифорния-249 для синтеза сверхтяжелых элементов. Что же собой представляли эти мишени?Это была титановая фольга толщиной 1,5 микрона (что в несколько десятков раз тоньше человеческого волоса), на которую необходимо было равномерно нанести требуемый нуклид, устойчивый к вращению около 2000 оборотов в минуту. Это была достаточно сложная и многоплановая работа. Необходимо было получить в высокопоточном реакторе СМ достаточные количества требуемых нуклидов, разработать технологию их радиохимического выделения и нанесения  на титановую фольгу, методы контроля их содержания, способы транспортировки и т.д. и т.п. Кстати, хотелось бы отметить, что для синтеза  элемента-117 использовался препарат берклия-249 в количестве нескольких десятков миллиграмм и стоимостью несколько миллионов долларов, который был безвозмездно передан нашему институту Ок-Риджской национальной лабораторией (США). По-видимому, такие отношения между нашими странами (в отличие от взаимных санкций) необходимо только приветствовать.
Прошло столько лет, но я до сих пор вспоминаю тех людей, с помощью которых удалось провести эти работы. Хотелось бы поименно отметить профессионализм всех сотрудников, принимающих непосредственное участие в выполнении этих уникальных работ. Это Николай Андрейчук, Александр Баранов, Евгений Ерин, Иван Зеленковский, Дмитрий Ильин, Александр Пахомов, Евгений  Сальников и Иван Целищев.Подложки с нанесенными нами нуклидами передавались в Дубну, где они облучались ядрами кальция-48.Юрий Цолакович Оганесян внимательно следил за ходом выполнения работ по изготовлению мишеней, обсуждал результаты проведенных исследований, и это обсуждение всегда было доброжелательным и плодотворным.

 

Об утверждении названий элементам 113, 115, 117, 118
Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) 28 ноября 2016 года утвердил названия четырех новых элементов, дополнивших таблицу Менделеева. Один из них назвали в честь академика РАН Юрия Оганесяна, другой -  в честь Московской области.
Элементы 113, 115, 117 и 118 теперь официально называются Нихоний (Nh), Московий (Mc), Теннессин (Ts) и Оганессон (Og) соответственно. Международный союз чистой и прикладной химии предложил утвердитьте имена новым элементам, которые рекомендовали их первооткрыватели. На публичное рассмотрение этих названий и их утверждение ушло пять месяцев.
Элемент Оганессон назвали в честь Юрия Оганесяна - российского ученого, академика РАН, который синтезировал такие химические элементы, как Дубний, Резерфордий, Московий и Оганессон. Это второй случай в истории, когда элементу дают имя живущего человека, первым таким был ГленСиборг, в честь которого назвали 106 элемент.Элемент 115 назвали Московием в честь Московской области, так как он был получен в Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубна Московской области.
Элемент Нихоний получил свое название от японского слова «Нихон», которое буквально переводится как «Страна восходящего солнца». Кстати, немного о получении и изучении свойств этого элемента. Он был получен в Институте физико-химических исследований (Япония) путем облучения висмута-209 ионами цинка-70. Эксперимент продолжался в течение восьми лет, при этом были получены три атома и исследованы их ядерно-физические свойства. Следует отметить, что при альфа-распаде элемента 115 (Московия), синтезированного в ОИЯИ, было получено и изучено на порядок больше атомов 113 элемента. По-видимому,  и в этом случае при определении приоритета открытия и исследования свойств 113 элемента сыграла свою роль,так называемая толерантность. Кстати, присвоение элементу113 названия Нихон широко праздновалось в Японии, открытие 117 элемента в докладе премьер-министра Д.А.Медведева президенту В.В.Путинубыло названо в числе наиболее важных достижений в области фундаментальной науки за 2015 год, в то время как вклад АО «ГНЦ НИИАР» в получение 117 и 118 элементов остался практически незамеченным. Лишь на сайте института появилась коротенькая заметка об этом событии, к тому содержащая не совсем достоверную информацию.
Теннессин получил свое название из-за большого вклада, который внесли американские ученые из штата Теннесси, точнее, из Ок-Риджской Национальной лаборатории (Беркли), Университета Вандербильта и Университета штата Теннесси в Ноксвилле.
Перспективы дальнейших исследований по синтезу сверхтяжелых элементов
Сотрудники Объединенного института ядерных исследований  планируют в ближайшее время осуществить пуск уникальной по мировым меркам научной установки - так называемой "Фабрики сверхтяжелых элементов". "Фабрика" представляет собой большой комплекс современного научного оборудования. Ее центральной частью стал ускоритель заряженных частиц - циклотрон DC-280, позволяющий на порядок увеличить поток ионов кальция-48 и титана-50, внедряемых в ядра берклия-249 и калифорния-249.  Ожидается, что благодаря этой новой технике эффективность экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов повысится на несколько порядков.
Предполагается, что АО «ГНЦ НИИАР» продолжит дальнейшее сотрудничество с ОИЯИ по изготовлению мишеней для синтеза новых сверхтяжелых элементов. В частности, в 2019-2020 годах будет проведена реконструкция реактора СМ, что позволит реализовать программу увеличения  производства и номенклатуры мишенных радионуклидов.

Сейчас в крупнейших ядерно-физических центрах мира фактически начаты работы по синтезу 119-го, 120-го и 121-го элементов, которые назвали "большой гонкой". В ОИЯИ благодаря "Фабрике сверхтяжелых элементов" намерены получить новые элементы первыми.

Использованы материалы интернет-сайтов
и фото из личного архива М.А. Рябинина

 

10 января 2019

Комментарии (0)