Физики-ядерщики создали новую таблицу Менделеева

Учёные придумали новую периодическую систему элементов, отражающую законы ядерной физики, а не химии. Авторы надеются, что теперь ориентироваться в странном мире атомного ядра станет гораздо удобнее.

Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Foundations of Chemistry.

Таблица Менделеева стала одним из величайших открытий в химии. Она внесла удивительный порядок в, казалось бы, хаотическое нагромождение разнообразных элементов. Наш великий соотечественник расположил элементы так, чтобы соседи по столбцу имели схожие химические свойства.

В те времена о строении атома ещё ничего не знали. Даже того, что он состоит из положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него электронов. Когда же устройство атома было подробно исследовано, оказалось, что в одном столбце таблицы Менделеева находятся элементы с одним и тем же числом электронов на последней электронной оболочке.

Таким образом, порядок элементов в таблице Менделеева отражает расположение электронов в атоме, и это очень удобно химикам. Что же до физиков-ядерщиков, им важно знать расположение протонов и нейтронов в ядре.

В первой половине XX века была предложена модель, согласно которой протоны и нейтроны в ядре тоже организованы в оболочки (в 1963 году за неё присудили Нобелевскую премию по физике). Ядро, у которого последняя протонная и/или нейтронная оболочка полностью заполнена, особенно устойчиво и не склонно к ядерным реакциям. Точно так же в химии практически не вступают в реакции инертные газы, у которых полностью заполнена последняя электронная оболочка.

Коуити Хагино (Kouichi Hagino) и Ёситэру Маэно (Yoshiteru Maeno) из Киотского университета воспользовались этой аналогией, создав новую периодическую таблицу. Она основана на строении протонных оболочек атомных ядер.

За отправную точку авторы взяли список ядер с полностью заполненными протонными оболочками. Это гелий, кислород, кальций, никель, олово, свинец и элемент флеровий. Число протонов в их ядрах составляет 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 114, соответственно. Эти числа называют магическими за ту особую устойчивость, которую они придают ядрам (это, как мы помним, связано с полным заполнением протонных оболочек).

Также физики включили в этот список цирконий с его 40 протонами. У него полностью заполнена полуоболочка, так что он тоже весьма стабилен. В силу этого число 40 называется полумагическим.

Эти восемь элементов эксперты расположили в одном столбце, аналогичном столбцу инертных газов в таблице Менделеева. На основе этого столбца они создали таблицу из восьми строк.

В первую строку вместе с гелием попал только водород, единственный элемент, у которого последняя протонная оболочка того же типа, что и у гелия: 1s (только у гелия она заполнена, а у водорода – нет).

Во вторую строку попали элементы последней протонной оболочкой типа 1p: литий, бериллий, бор, углерод, азот и кислород. Авторы расположили элементы слева направо в порядке заполнения оболочки.

Аналогичным образом были заполнены и другие строки таблицы. В них оказалось разное число столбцов, так как на оболочку/полуоболочку того или иного типа вмещается разное число протонов. Но столбец магических и полумагических ядер оказался последним во всех восьми строках.

Исключение составила последняя, девятая строка. Она содержит четыре самых тяжёлых элемента таблицы Менделеева, открытых не так давно: московий, ливерморий, теннессин и оганесон (последний, между прочим, назван в честь российского физика). Эти ядра крайне нестабильны, они живут лишь доли секунды, и для их последней протонной оболочки не нашлось ядра с магическим числом протонов (или, по крайней мере, человечество пока не в силах его синтезировать).

Добавим, что новая система несёт информацию и о форме ядер.

"Наша ядерная периодическая таблица также показывает, что ядра, как правило, имеют сферическую форму вблизи магических чисел, но деформируются при удалении от них", – отмечает Хагино.

Новая система выстроена так, что закономерности в заполнении оболочек ядра представлены наглядно. Конечно, она не несёт в себе новых знаний, а только в удобной форме организует известную информацию. Но последнее тоже крайне важно, чтобы помочь человеку разобраться в экзотическом мире ядерной физики. Неизвестно, приведёт ли работа японских экспертов к новым открытиям, но вот студенты наверняка скажут её создателям спасибо.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как физики открыли новое магическое число для нейтронов. Рассказывали мы и о новом методе изучения процессов, происходящих внутри атомного ядра.