Ученые впервые за десятилетия успешно изучили эйнштейний - один из самых неуловимых и тяжелых элементов периодической таблицы, и раскрыли некоторые из его основных химических свойств. Это достижение приближает химиков к открытию так называемого «острова стабильности», где, как считается, находятся некоторые из самых крупных и короткоживущих элементов.
Министерство энергетики США впервые обнаружило эйнштейний в 1952 году при испытании первой водородной бомбы. Этот элемент не встречается на Земле в природе и может быть произведен только в микроскопических количествах с использованием специализированных ядерных реакторов. Кроме того, его трудно отделить от других элементов, он очень радиоактивен и быстро распадается, что делает его чрезвычайно трудным для изучения.
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнийском университете недавно создали 233-нанограммовый образец чистого эйнштейния и провели первые эксперименты с этим элементом с 1970-х годов. При этом они впервые смогли раскрыть некоторые фундаментальные химические свойства элемента.
Физики почти ничего не знают об эйнштейнии.
Ученые из лаборатории Беркли - Дженнифер Вакер (слева направо), Летисия Арнедо-Санчес, Кори Картер, Кэтрин Шилд работают в химической лаборатории Ребекки Абергель. Фото: Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Физики почти ничего не знают об эйнштейнии.
«Это сложно сделать только из-за того, где он находится в периодической таблице», - сказала изданию Live Science соавтор исследования Кори Картер, доцент Университета Айовы и бывший ученый из лаборатории Беркли.
Как и другие элементы в ряду актинидов - группе из 15 металлических элементов, находящихся в нижней части периодической таблицы - эйнштейний создается путем бомбардировки целевого элемента, в данном случае кюрия, нейтронами и протонами для создания более тяжелых элементов. Команда использовала специализированный ядерный реактор в Ок-Риджской национальной лаборатории в Теннесси, одном из немногих мест в мире, где можно производить эйнштейний.
Однако эта реакция предназначена для производства калифорния - коммерчески важного элемента, используемого на атомных электростанциях - и поэтому в качестве побочного продукта образуется лишь очень небольшое количество эйнштейния. Извлечь чистый образец эйнштейния из калифорния сложно из-за сходства между двумя элементами, а это означает, что исследователи получили только крошечный образец эйнштейния-254, одного из самых стабильных изотопов или версий неуловимого элемента.
«Это очень небольшое количество материала», - сказала Картер. «Вы не можете его увидеть, и единственный способ узнать, что он есть, - это по радиоактивному сигналу».
Однако получить эйнштейний - это только половина дела. Следующая проблема - найти место для хранения.
Эйнштейний-254 имеет период полураспада 276 дней - время, в течение которого половина материала распадается - и распадается на берклий-250, который испускает очень разрушительное гамма-излучение. Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико разработали специальный держатель для образцов, напечатанный на 3D-принтере, чтобы содержать эйнштейний и защищать ученых лаборатории Беркли от этого излучения.
Однако распад элемента создал и другие проблемы для исследователей.
«Он постоянно распадается, поэтому при его изучении вы теряете 7,2% его массы каждый месяц», - сказала Картер. «Вы должны учитывать это при планировании экспериментов».
Команда лаборатории Беркли привыкла иметь дело с другими элементами с коротким периодом полураспада. Тем не менее, команда начала свою работу незадолго до вспышки пандемии COVID-19, что означало, что они потеряли драгоценное время и не смогли завершить все запланированные эксперименты.
Удивительные результаты
Основным результатом исследования стало измерение длины связи эйнштейния - среднего расстояния между двумя связанными атомами - фундаментального химического свойства, которое помогает ученым предсказать, как он будет взаимодействовать с другими элементами. Они обнаружили, что длина связи эйнштейния противоречит общей тенденции актинидов. Это то, что теоретически предсказывалось в прошлом, но никогда раньше не было экспериментально доказано.
По сравнению с остальными актинидами, эйнштейний также очень сильно люминесцирует при воздействии света, что Картер описывает как «беспрецедентное физическое явление». Необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы выяснить, почему.
Новое исследование «закладывает основу для того, чтобы можно было заниматься химией в очень малых количествах», - сказала Картер. «Наши методы позволят другим раздвинуть границы, изучая другие элементы таким же образом».
Исследования команды также могут упростить создание эйнштейния в будущем. В этом случае эйнштейний потенциально может использоваться в качестве целевого элемента для создания еще более тяжелых элементов, в том числе неоткрытых, таких как гипотетический элемент 119, также называемый - Унуненний.
Одной из конечных целей для некоторых химиков было бы затем обнаружить гипотетические сверхтяжелые элементы, период полураспада которых составляет минуты или даже дни, то есть они «живут» на этом острове стабильности, по сравнению с максимум микросекундами для периода полураспада других тяжелых элементов.
Исследование было опубликовано 3 февраля в журнале Nature.
Источник: Live Science
