Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева

Странные сходства между астатом и францием начинаются с их ядер. Внутри ядер астата и франция, как и во всех других атомах, соперничают разные силы: сильные ядерные взаимодействия (силы притяжения) и электростатические силы (способные отталкивать частицы). Сильное ядерное взаимодействие – самая мощная из фундаментальных сил природы, но, как ни парадоксально, руки у нее коротки, словно тоненькие лапки огромного тираннозавра. Если частицы отдаляются друг от друга всего на несколько триллионных сантиметра, ядерные силы теряют всю свою мощь. По этой причине они редко проявляются за пределами атомных ядер и черных дыр. Но на подвластных ему небольших расстояниях эти взаимодействия в сотни раз мощнее электростатических сил. Это хорошо, поскольку они крепко удерживают протоны и нейтроны в ядре, не давая электростатическим силам разорвать атомные ядра на части.

На периферии ядер такого размера, как у франция и астата, сильное ядерное взаимодействие практически сравнивается с электростатическими силами, поэтому удержать все протоны и нейтроны в таком ядре становится очень сложно. У франция 87 протонов, и они совершенно не хотят соприкасаться друг с другом. Еще в ядре франция насчитывается порядка 130 нейтронов, которые образуют неплохой буфер между положительно заряженными частицами. Но в то же время они делают ядро столь массивным, что сильному взаимодействию не удается распространиться до самых границ и погасить центробежные силы. Именно поэтому франций (и по схожим причинам астат) являются крайне нестабильными элементами. Соответственно, логично предположить, что ядра с еще большим количеством протонов, чем у франция, должны испытывать на себе еще более мощные силы отталкивания, и более тяжелые атомы окажутся еще менее стабильными, чем франций.

Однако это лишь отчасти верно. Вспомните Марию Гёпперт-Майер («Мать из С. Д. получила Нобелевскую премию»). Мы уже говорили о том, что она разработала теорию о долгоживущих «магических» элементах. Так она называла элементы, в атомах которых содержится два, восемь, двадцать, двадцать восемь и т. д. протонов или нейтронов. Стабильность таких элементов оказалась гораздо выше, чем у их соседей по периодической системе. Другие количества протонов и нейтронов – например, девяносто два – также образуют компактные и довольно стабильные ядра, в которых сильные взаимодействия надежно удерживают протоны вместе. Именно поэтому уран гораздо устойчивее франция и астата, хотя и тяжелее их. По мере того как мы спускаемся все ниже и ниже по периодической системе, элемент за элементом, борьба между сильными взаимодействиями и электрическими силами все сильнее напоминает резко снижающийся график биржевого тикера. На нем прослеживается общая тенденция к понижению, но в то же время возникают многочисленные флуктуации, когда берет верх то одна сила, то другая[169].

Исходя из этого общего принципа, ученые предположили, что срок существования элементов тяжелее урана будет асимптотически приближаться к 0,0. Но по мере того, как в 1950-е и 1960-е годы удавалось синтезировать все более тяжелые элементы, стало происходить нечто неожиданное. Теоретически магические ядра должны встречаться до бесконечности, и оказалось, что гораздо ниже урана должен располагаться элемент с условно стабильным ядром – № 114. Более того, ученые из Калифорнийского университета в Беркли вычислили, что 114-й элемент может существовать значительно дольше, чем атомы примерно десяти предшествующих ему тяжелых элементов. Учитывая, как ничтожен период полураспада изотопов этих элементов (в лучшем случае – несколько микросекунд), подобная идея казалась нелогичной и дикой. Упаковка все новых протонов и нейтронов в искусственные ядра напоминает упаковку взрывчатки: чем больше частиц в ядре, тем более сильное напряжение оно испытывает. Но казалось, что элемент № 114 должен быть исключительно стабильным для такого крупного атома. Не менее странно (как минимум на бумаге) было и то, что элементы с атомными номерами 112 и 116 также должны испытывать на себе положительное влияние близости 114-й клетки. Даже имея «почти магическое» количество протонов, они должны были обладать сравнительно высокой стабильностью. Ученые окрестили это скопление элементов «островом стабильности».

Вдохновившись собственной метафорой и ощутив себя отважными мореплавателями, ученые принялись готовиться к завоеванию этого острова. Они обсуждали поиски «Атлантиды химических элементов», а некоторые, подобно старинным мореходам, даже вычерчивали в сепии карты неизведанных ядерных морей. Казалось, никто бы не удивился, если бы эти моря кишели спрутами. Попытки достичь этого острова сверхтяжелых элементов породили одну из самых захватывающих физических дисциплин. Ученые пока не добрались до этих берегов (чтобы получить по-настоящему стабильные «дважды магические» элементы, требуется искать способы внедрения все новых нейтронов в элементы-мишени), но уже прочесывают отмели, отыскивая удобную бухту, чтобы высадиться на берег.