«Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю» — сказал когда-то Архимед, открывший правило рычага. Эту точку знаменитому жителю Сиракуз, к счастью или к сожалению, никто предоставить не смог, поэтому и параметры орбиты нашей планеты остались без изменений.

«Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю» — сказал когда-то Архимед, открывший правило рычага. Эту точку знаменитому жителю Сиракуз, к счастью или к сожалению, никто предоставить не смог, поэтому и параметры орбиты нашей планеты остались без изменений. Зато его дерзкая фраза обрела крылья и стала своеобразным символом силы научного знания. Другой знаменитый учёный — Дмитрий Иванович Менделеев, открыв периодический закон, был не менее убеждён в его справедливости, поэтому смело оставил посреди таблицы химических элементов свободные ячейки для ещё неоткрытых элементов. И действительно, скандий, галлий и германий вскоре заняли «забронированные» для них места, как и множество других открытых, а точнее синтезированных, элементов, заселивших низ периодической таблицы.

Ценность таблицы не в том, что она строго и красиво систематизирует все химические элементы (что, конечно, само по себе полезно), а в том, что в ней просто и наглядно проявилось квантовое устрой-ство окружающего нас мира. Менделеев смог заметить косвенные признаки того, о чём в то время никто даже не догадывался. Но, как и у многих других законов природы, у периодического закона обнаружились свои границы применимости. Сформулированная Дмитрием Ивановичем периодическая зависимость химических свойств от массы атома начала сбоить, как только в химию пришли физики с их циклотронами, ионными пучками и прочим оснащением, совсем не похожим на инструменты обычного химика.

Дело в том, что уже много десятилетий новые химические элементы не открываются в природе, а синтезируются в результате ядерных реакций. Разогнанные в ускорителях до огромных скоростей атомы сталкивают с другими атомами в мишенях, в результате чего на очень короткое время и в очень небольших количествах рождаются «атомы-тяжеловесы». Время жизни сверхтяжёлых элементов редко превышает доли секунды, но если чувствительные детекторы всё же зафиксировали появление нового для науки атома, то ему сначала присваивают забавное временное название вроде «унунтрия», а уже потом (иногда в ходе нешуточных международных баталий) элемент получает своё постоянное имя и законное место в периодической таблице.

Проблема с этими новыми элементами в том, что они очень нестабильны и, как следствие, радиоактивны. Их практически невозможно синтезировать в сколь бы то ни было измеримых количествах, и уж точно их соединения не получится поместить в баночку и поставить на полку с реактивами. Что касается изучения их химических свойств, пусть даже в некотором теоретическом виде, то тут химики связаны по рукам и ногам. Поэтому обычно всё ограничивается общими выводами из всё того же периодического закона: что свойства элемента должны быть похожи на свойства его соседа клеточкой выше. Поэтому для ответа на вопрос, как мог бы выглядеть кусок какого-нибудь рентгения или дармштадтия, можно посмотреть на более привычные и безопасные глазу платину и золото. Но именно в этот момент незыблемая химическая логика таблицы начинает спотыкаться. Потому что чем дальше мы уходим вниз по таблице, тем больше себя начинает проявлять теория относительности.

Ядро атома химического элемента имеет положительный заряд, а находящиеся вокруг него в постоянном движении электроны — отрицательный. У атомов сверхтяжёлых элементов ядро включает в себя большое число протонов, и поэтому оно имеет много «плюсиков». Чтобы электрону чувствовать себя комфортно рядом с таким положительным ядром, ему приходится очень быстро двигаться. Если электрон у атома водорода, первого элемента в таблице, перемещается со скоростью чуть больше 1% от скорости света, то у сверхтяжёлых элементов электроны, находящиеся вблизи ядра, разгоняются до скоростей от половины скорости света и даже выше. И для них уже начинают сказываться те эффекты, которые предсказал Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности. Например, у «быстрого» электрона растёт масса. Эти так называемые релятивистские эффекты серьёзно путают карты «обычного» электронного строения атома, из-за чего он может начать вести себя не очень, а то и очень непериодично.

Релятивистские эффекты проявляются и в «классической» части таблицы Менделеева, химические элементы из которой ещё можно в буквальном смысле и без особого вреда здоровью подержать в руке. Тот же свинец — своими химическими свойствами он уже всецело даёт понять, что знает о теории относительности не понаслышке, но всё же старается вести себя в рамках периодических приличий. А вот сверхтяжёлые элементы даже этим себя не утруждают. Например, элемент, который должен бы быть металлом, становится инертным газом, и наоборот. Теоретически.

Но химия, как известно, наука экспериментальная. Поэтому одно дело предсказать свойства, а совсем другое — их наблюдать в реальности. Так что когда международная группа исследователей под началом Александра Борисовича Якушева из Центра по изучению тяжёлых ионов имени Гельмгольца (Германия) решила изучить химические свойства элемента с номером 106 — сиборгия, ни у одного химика не возникло вопроса «зачем?». Вопрос был только «как?».

Сиборгий получили с помощью обстрела пучком ионов хрома мишени из сульфида свинца. В результате ядерной реакции образовались атомы сиборгия, которые затем пропустили через газовую смесь, состоящую из гелия и угарного газа (CO), в которой получался гексакарбонил сиборгия. То есть один атом сиборгия присоединял к себе шесть молекул CO. За исключением ядерных реакций выглядит как не самая сложная химия. Разве что атомов сиборгия из мишени всего 75 (не миллионов и даже не тысяч), а его период полураспада — меньше половины секунды! Целью исследователей было измерить энергию связи между атомом сиборгия и молекулой CO, сравнив её с такой же энергией в молекуле гексакарбонила вольфрама, соседа сиборгия «сверху». Оценить её удалось по косвенным признакам — сиборгий с шестью молекулами CO более летуч, чем тот же сиборгий с пятью или меньшим числом молекул CO. Поэтому настроив детектор так, чтобы он мог регистрировать отдельно целые молекулы гексакарбонила и отдельно их обломки, можно по их соотношению оценить прочность искомой связи.

Если бы мы ориентировались только на таблицу и периодичность свойств, то энергия этой связи должна была быть больше, чем в молекуле гексакарбонила вольфрама. Другими словами, если бы ядро атома сиборгия не разваливалось на куски само по себе, то гексакарбонил сиборгия был бы более прочной молекулой, чем гексакарбонил вольфрама. Но, как показал эксперимент, связь оказалась менее прочной, то есть на сиборгии монотонность изменения свойств от элемента к элементу при движении вертикально вниз по столбику в таблице закончилась*. «Сверхтяжесть» элемента оказалась в некотором смысле сильнее периодического закона.

С одной стороны, этот сложный эксперимент показал справедливость теории, предсказывающей подобное поведение сверхтяжёлых элементов. А с другой — это, возможно, повод задуматься, а какой могла бы быть химия за пределами известной нам части таблицы? Ведь физики давно допускают существование так называемого острова стабильности — группы сверх-сверхтяжёлых элементов. Если их получится синтезировать или найти где-то во Вселенной, то как будет выглядеть и какими свойствами будет обладать это вещество?

Комментарии к статье

* Yakushev A., Khuyagbaatar J., Düllmann C. E. et al. Observation of relativistic bond weakening in seaborgium hexacarbonyl. Nature 658, 337—341 (2026).

№11, 2026