Періодична система

«Періодична система». На момент відкриття Періодичного закону було відомо 63 хімічних елемента. У наш час відомо вже 118. Оцініть максимальний «розмір» Періодичної системи хімічних елементів. Які гіпотези та теорії можна використовувати для оцінки максимально можливої кількості хімічних елементів?

Періодичний закон, відкритий Дмитром Івановичем в 1869 році, – напевне, найзагадковіший з усіх фундаментальних законів природи. З одного боку, його нескладне формулювання «властивості атомів хімічних елементів, а також склад і властивості їх сполук перебувають у періодичній залежності від заряду атомних ядер» здається цілком однозначним. Однак, з іншого боку, поняття «періодична залежність» можна трактувати в дуже широких межах. Коливання гітарної струни теж періодичні, але скільки різних звуків можна витягти з гітари!

Коротко про історію Періодичного закону.

Історичний крок від емпіричних закономірностей до фундаментального закону природи першим зробив Д. І. Менделєєв. У своїй статті «Періодична законність хімічних елементів», опублікованої в 1871 році, він вказав на те, що атомна маса зумовлює властивості елемента, і відповідно з цим вніс правки в загальноприйняті на той час значення атомних мас, а також передбачив властивості ще не відкритих елементів. У тій же статті Менделєєв дав наступне формулювання відкритого ним закону: «форми і властивості сполук елементів, а тому і властивості утворених ними простих і складних тіл, стоять у періодичній залежності від їх атомної маси».

Подальший розвиток Періодичного закону було пов’язано, головним чином, з появою нових наукових даних, відкриттям раніше невідомих елементів, а також з розвитком уявлень про будову атома. Класичний «короткоперіодний» варіант, опублікований Менделєєвим в 1871 р. в тій же статті, доповнився «нульовий 1 групою», до якої увійшли благородні гази; потім виділилося сімейство рідкоземельних елементів, яке згодом трансформувалося в сімейство лантаноїдів. Відкриття ізотопів в 1909 р. серйозно похитнуло уявлення про атомної маси, як основу Періодичного закон, у однак чотирма роками пізніше Г. Мозлі встановив взаємозв’язок рентгенівського спектру атомів з величиною атомного номера Z хімічного елемента, що в кінцевому підсумку призвело до розкриття в 1920 р. фізичного сенсу Z як величини заряду атомного ядра. У результаті Періодичний закон придбав сучасну формулювання.

Відкриття нових хімічних елементів дозволило у свій час Д. І. Менделєєву захистити право на відкриття Періодичного закону, оскільки цими відкриттями підтвердилися його передбачення. З часом всі прогалини в таблиці були усунені, і, здавалося, система елементів набула завершеного вигляду. Однак прогрес в області ядерної фізики відкрив нові горизонти: штучно синтезовані хімічні елементи почали відсувати кордон періодичної системи області все більших значень атомних номерів.

Як далеко може зайти цей процес? Таке питання постало перед ученими ще в 1940 році, коли з продуктів бомбардування урану нейтронами вперше був виділений елемент № 93, названий нептунієм. Хоча в наступні 25 років були синтезовані елементи аж до Лоуренсія (Z = 103), було вже ясно, що нескінченно такий процес тривати не може. Дійсно, при необмеженому збільшенні заряду ядра Z енергія взаємодії електрона з ядром підвищується настільки, що стає можливим їх злиття, супроводжується випромінюванням гамма-кванта і зменшенням атомного номера на одиницю. Класична орбітальна модель давала обмеження Z = 137 (у відповідності зі значенням постійної тонкої структури α ≈ 1/137).  Хоча різні вчені висувають різні гіпотези. Наприклад Вольтер Грейнер вважає, що Періодична система немає межі; Джон Емслі прогнозує останній елемент 128, а Альберт Хазан використовуючи метод рівносторонніх гіпербол теоретично обґрунтував межу на 155 елементі з відносною атомною масою 411,66. Для відповіді на запитання, де може проходити межа періодичної таблиці, у свій час була проведена оцінка електростатичних сил тяжіння внутрішніх електронів атомів до позитивно зарядженого ядра. Чим більший порядковий номер елемента, тим сильніше стискається електронна оболонка навколо ядра, тим сильніше притягуються внутрішні електрони до ядра. Має настати такий момент, коли електрони почнуть захоплюватися ядром. У результаті такого захоплення і зменшення заряду ядра існування дуже важких елементів стає неможливим. Подібна катастрофічна ситуація повинна виникнути при порядковому номері елемента, що дорівнює 170-180. Але досягти цієї межі на практиці не вдавалося. Цю гіпотезу було спростовано і показано, що немає обмежень для існування дуже важких елементів з точки зору уявлень про будову електронних оболонок. Обмеження виникають в результаті нестійкості самих ядер.  Довгий час експериментальні дані вказували на те, що стабільність надважких ядер при збільшенні атомного номера падає в геометричній прогресії. отримувані атоми елементів з Z> 104 мали час життя близько мікросекунд, і ні про яке вивчення їх хімічних властивостей не могло бути й мови. Здавалося, періодична система повинна була завершитися в районі Z = 110 з причини нестійкості атомних ядер, і для останніх елементів прогнозувалися властивості за аналогією з елементами шостого періоду. Але ядерна фізика принесла нові сюрпризи.

Експерименти з «гарячим» злиттям атомних ядер дозволили отримати більш багаті нейтронами ізотопи трансактиноїдів, і їх стійкість виявилася на порядки вище. Новий поштовх у розвитку уявлень про будову атомного ядра привів до передбачення так званого «острова стабільності» для насичених нейтронами атомних ядер в області Z = 114; подальші експерименти і уточнення ядерної моделі відсунули «Центр» цього острова в область Z = 120.

На практиці за допомогою реакцій «гарячого» злиття ядер вдалося досягти лише «берега» цього острова, проте для отримання найбільш стабільних ядер в цій області необхідно дуже велика кількість нейтронів.

Уточнені моделі атомного ядра пророкують також наявність другого «острова стабільності » в області Z = 164. І якщо поки не знайдені способи отримати такі ядра штучно, не слід виключати можливість їх утворення в космосі в ході процесу швидкого «накачування» атомних ядер нейтронами. Наприклад, при вибухах наднових зірок щільність нейтронного потоку перевищує 1022 нейтронів в секунду на квадратний сантиметр, в результаті чого за короткий час з ядер заліза у великій кількості синтезуються надважкі ядра. Якщо будуть надійно передбачені спектри поки що не отриманих надважких елементів, а астрономам вдасться домогтися гарного співвідношення сигнал/шум, то, можливо, перші атоми цих елементів будуть виявлені саме в космосі, а не в земних умовах. У будь-якому випадку, є ненульова ймовірність того, що міркування про хімію елементів в області Z = 164 не опиняться порожнім звуком. На сьогоднішній же день отримані атоми всіх елементів аж до 118-го з масовими числами, що досягають 294. У таблиці Менделєєва ці елементи завершують сьомий період.

Таким чином, питання про межу періодичної таблиці елементів лишається незмінним. Виходячи з правил заповнення електронних оболонок із збільшенням атомного номера елемента, прогнозований 8-й період таблиці Менделєєва повинен містити суперактіноїдні елементи. Відведене їм місце відповідає ІІІ групі, так як вже відомим рідкоземельним та актиноїдним трансурановим елементам.