Ученые впервые за десятилетия успешно изучили эйнштейний - один из самых неуловимых и тяжелых элементов периодической таблицы. 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 (Berkeley Lab) 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.

Ученые из лаборатории Беркли Дженнифер Вакер (слева направо), Летисия Арнедо-Санчес, Кори Картер, Кэтрин Шилд работают в химической лаборатории Ребекки Абергель. (Изображение предоставлено Мэрилин Сарджент / Лаборатория Беркли)Очень сложно учиться

Физики почти ничего не знают об эйнштейнии.

«Это сложно сделать только из-за того, где он находится в периодической таблице», - сказала Live Science соавтор 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 Национальной лаборатории Ок-Ридж 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, что означало, что исследователи получили только крошечный образец эйнштейния-254, одного из самых стабильных изотопов или версий неуловимого элемента.

«Это очень небольшое количество материала», - сказал 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 Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико разработали специальный напечатанный на 3D-принтере держатель для образцов, который содержит эйнштейний и защищает ученых из лаборатории Беркли от этого излучения.

Однако распад элемента создал и другие проблемы для исследователей.

«Он постоянно разлагается, поэтому при его изучении вы теряете 7,2% своей массы каждый месяц», - сказал Картер. «Вы должны учитывать это при планировании экспериментов».

Команда лаборатории Беркли привыкла иметь дело с другими элементами с коротким периодом полураспада. Несмотря на это, 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 выводом 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 проводить химию в очень малых количествах», - сказал 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 быть использован в качестве целевого элемента для создания еще более тяжелых элементов, в том числе неоткрытых, таких как гипотетический элемент 119, также называемый унунениумом. 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 микросекундами максимум для периода полураспада другие тяжелые элементы.

Исследование было опубликовано 3 февраля в журнале Природа.

Химики создают и улавливают эйнштейний, неуловимый 99-й элемент