Экзотические вещества (металлический водород, жидкие кристаллы, фуллерены и др.). Сверхтяжелые элементы

Принято считать, что в начале XXI в. будет получен и использован ряд экзотических веществ, свойства которых кажутся нам сейчас совершенно фантастическими. Этот процесс уже начался (вспомним, например, получение жидких кристаллов или синтез фуллеренов).

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботаником Фридрихом Рейнитцером (1857—1927) и немецким физиком Отто Леманом (1855—1922). Они обнаружили, что вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают текучестью как обычные жидкости и в то же время их оптические свойства поразительно похожи на свойства твердых кристаллов. Сейчас интерес к жидким кристаллам обусловлен, прежде всего, возможностью их эффективного применения в системах обработки и отображения информации.

В настоящее время наиболее интересным жидким кристаллом считается сверхтекучий 3Не, за открытие которого американским ученым Дэвиду Моррису Ли (р. 1931), Дугласу Дину Ошерову (р. 1945) и Роберту Колману Ричардсону (р. 1937) была присуждена Нобелевская премия по физике (1996). Понятие сверхтекучести — отсутствия вязкости — ввел в физику в 1937 г. наш соотечественник П. Л. Капица после открытия этого совершенно необычного свойства у жидкого 4Не. Остановимся на совершенно уникальных свойствах сверхтекучего 3Не. Во-первых, это вещество, у которого куперовские пары имеют спин, равный 1 (в сверхпроводнике S = 0), и обладают ненулевым моментом количества движения. Это означает, что 3Не — магнитная и анизотропная сверхтекучая жидкость. Другими словами, 3Не имеет свойства, которые являются комбинацией свойств сверхпроводника, магнетика и жидкого кристалла. Другое такое вещество в природе не известно! Благодаря открытию сверхтекучего 3Не возможность образования куперовских пар с ненулевым моментом количества движения перестала быть абстрактной идеей и сейчас такая возможность обсуждается применительно к явлению высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП).

Особое место в физике высоких давлений занимает проблема металлического водорода. Водород является самым простым по своему устройству химическим элементом. Однако у жидкого и твердого водорода подобная простота отсутствует, поскольку он имеет очень маленькую массу, что приводит к преобладающей роли квантовых эффектов. Считается, что твердый водород должен обладать высокотемпературной сверхпроводимостью при давлениях, больших 1,5—2 млн атм. Кроме того, в процессе сжатия переход «диэлектрик — металл» может произойти и в жидком состоянии. Таким образом, может существовать новый тип вещества: жидкий металл в основном состоянии. Отличительной особенностью такой квантовой металлической жидкости является наличие двух заряженных подсистем, образованных из электронных и протонных куперовских пар. Пока исследователям не удалось экспериментально обнаружить металлическое состояние твердого водорода при сжатии вплоть до давления 2,16 млн атм, хотя в ударных экспериментах с жидким водородом, в которых давление достигало 1,4 млн атм, его электропроводность резко возрастала. Однако уже пройден рекорд в 3,75 млн атм, найдены три фазы твердого молекулярного водорода, обладающего металлической проводимостью, а искомая атомарная фаза пока не наблюдается. Согласно теоретическим предсказаниям, сжатый под давлением в 4 млн атм водород должен перейти в металлическое состояние. Но это всего лишь предположения. Как будет на самом деле, неизвестно, ведь получить металлический водород до сих пор никому не удалось.

Помимо металлического водорода к числу «экзотических» веществ можно отнести фуллериты, состоящие из гигантских молекул-фуллеренов (например, углеродной молекулы- кристалла С60). Фуллерены С60— специфическая, аллотропная форма углерода, обладающая сверхпроводимостью при довольно высоких температурах (~ 30 К). Их исследование ведется очень интенсивно.

Проблемы получения сверхтяжелых элементов относятся, вообще говоря, к области физики атомного ядра, а не к макрофизике. Однако, по мнению В. Л. Гинзбурга, «ядерная физика в целом должна уже быть отнесена скорее к макро-, чем к микрофизике в современном ее понимании». Число нуклонов в тяжелых ядрах весьма значительно, поэтому многое роднит ядро с каплей жидкости. Но главное — не в классификации. Значительный интерес представляет поиск и изучение еще не известных, «экзотических» ядер. Основные достижения в этой области связаны с именем американского физика и химика Гленна Теодора Сиборга (1912—1999), лауреата Нобелевской премии по химии 1951 г., первооткрывателя 10-ти трансурановых элементов.

Российскому ученому Юрию Цолаковичу Оганесяну (р. 1933) принадлежит блестящая идея, принятая сейчас во всем мире: проводить синтез в условиях образования «холодных ядер», когда бомбардирующая частица имеет достаточно большую массу и, следовательно, образующееся в реакции сверхтяжелое ядро слабо возбуждено. Тогда вероятность возникновения новых элементов существенно возрастает. Для исследований предельно тяжелых ядер были выбраны реакции слияния нейтронно-обогащенных изотопов актинидов с ускоренными ионами кальция-48. В этих реакциях были впервые синтезированы атомы с порядковыми номерами, равными 113 (2004), 114 (1998), 115 (2004), 116 (2000), 117 (2010), 118 (2006 г., хотя первые свидетельства его обнаружения относятся к 2002 г.). Свойства распада этих атомов (в частности, значительное увеличение времени жизни — периода полураспада) доказывают существование «островов стабильности» в области сверхтяжелых элементов. В гонке по открытию новых сверхтяжелых элементов и экспериментальному доказательству существования «острова стабильности» участвовали коллективы ученых крупнейших лабораторий США, Германии, Японии и Франции.

За время своего существования в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований удалось синтезировать 16 сверхтяжелых трансурановых элементов (Z = 102—118). В знак признания вклада лаборатории в изучение сверхтяжелых ядер Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) присвоил 105-му химическому элементу имя дубний. Кроме того, в честь основателя учения о сверхтяжелых элементах Георгия Николаевича

Флерова (1913—1990) 114-й химический элемент назван фле- ровием.

Исследования необычных «экзотических» свойств описанных здесь веществ укрепляет фундамент науки и способствует дальнейшему прогрессу техники.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >