Физики из проекта ISOLDE впервые точно измерили то, насколько много энергии выделяют атомы очень редкого химического элемента – астата – при присоединении к ним электрона. Результаты замеров были опубликованы в журнале Nature Communications. "Сродство к электрону – важнейшее свойством всех атомов. Оно определяет то, насколько активно они взаимодействуют с другими веществами. Астат-211 давно считается одним из самых перспективных материалов для радиотерапии, однако его применению мешало то, что мы не знали, как и насколько часто формируются отрицательно заряженные ионы этого галогена", – пишут исследователи.
Среди химических элементов есть как стабильные, которые не могут самопроизвольно распадаться, так и нестабильные, чья жизнь часто измеряется долями наносекунды. Среди них как очень тяжелые элементы, такие как плутоний, так и относительно легкие вещества, такие как технеций. Радиоактивные элементы особенно интересны физикам, поскольку с их помощью можно изучать внутреннюю структуру оболочек атомов и проверять различные постулаты Стандартной модели. Помимо этого подобные вещества часто применяют в медицине – например, в качестве радиоактивных меток или действующего компонента химиотерапии.
Работая на ускорительной установки ISOLDE, физики узнали химические свойства самого редкого из существующих на Земле элемента – астата. Эту установку создали в CERN в 1964 году для изучения свойств радиоактивных изотопов и элементов, которые не существуют в природе. Пользуясь способностью этого ускорителя "сортировать" производимые изотопы, физики использовали ее для того, чтобы синтезировать достаточно большие количества атомов астата-211 – короткоживущего изотопа, с которым специалисты в области ядерной медицины связывают большие надежды.
Несмотря на то, что американские физики синтезировали астат в 1940 году, а в природе его нашли несколькими десятилетиями позже, многие физические и химические свойства этого элемента остаются для ученых загадкой. Это связано с тем, что во всей земной коре присутствует всего лишь несколько десятков граммов всех изотопов этого элемента. Искусственный синтез увеличил количество доступного для изучения астата лишь незначительно. В общей сложности на разработку методик синтеза астата и одновременного изучения его важнейших химических свойств физики ISOLDE потратили около десяти лет. Одно из самых важных свойств – сродство к электрону, то есть способность присоединять к себе свободный носитель отрицательного заряда и выделять при этом энергию.
У галогенов обычно относительно высокое сродство к электрону. Благодаря этому они являются сильными окислителями и очень агрессивны с химической точки зрения. В прошлом ученые уже пытались предсказать этот параметр для астата с помощью методов квантовой физики. Однако до недавнего времени проверить эти предсказания было невозможно из-за того, что сродство к электрону при переходе от одной клетки таблицы Менделеева к другой меняется нелинейно. Участники ISOLDE получили первые данные такого рода, научившись вырабатывать достаточно большие количества астата-211. Для этого они бомбардировали мишень из тория протонами высокой энергии. Одновременно с этим они соединяли образовавшиеся атомы с электронами, получая отрицательно заряженные ионы астата. После этого их пропускали через луч лазера.
Свойства этого пучка частиц света физики подобрали таким образом, что они "отрывали" лишний электрон от иона астата-211, заставляя его поглощать энергию. Наблюдая за тем, как много атомов переходило в нейтральное состояние, а также отслеживая изменения в свойствах самого лазерного луча, ученые смогли точно вычислить его сродство к электрону. Оно оказалось очень близким к теоретически предсказанному значению, 2,41 электронвольт. Это значительно меньше, чем у йода – самого малоактивного галогена и соседа астата по VII группе периодической таблицы Менделеева. Тем не менее, это выше, чем сродство к электрону для всех остальных элементов, в том числе и кислорода. Это нужно учитывать при использовании астата в медицине, заключают ученые.
