Путешествие на край таблицы Менделеева

Архив

Интервью с Юрием Оганесяном

Ядра - чистый изумруд…
А. С. Пушкин

Лаборатория ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне является одним из самых сильных отечественных научных коллективов, по уровню результатов опережающим своих коллег в других странах на два-три года. Именно здесь в 1998-м и 2000 году нашим физикам удалось синтезировать два новых сверхтяжелых элемента таблицы Менделеева - 114-й и 116-й. Такой результат дался нелегко. Оригинальный метод холодного синтеза сверхтяжелых ядер был предложен руководителем лаборатории членом-корреспондентом РАН Юрием Цолаковичем Оганесяном еще в начале 1970-х годов, но первыми воспользовались этим методом немецкие физики: через несколько лет в ядерном центре в Дармштадте были синтезированы четыре новых химических элемента. В 1997 году, после ввода в эксплуатацию нового ускорительного комплекса, группа Оганесяна принялась за эксперименты и почти сразу получила целый ряд блестящих результатов. Важнейший из них - экспериментальное подтверждение гипотезы о том, что сверхтяжелые ядра могут быть стабильными.

Юрий Цолакович, наверное, у многих сложилось впечатление, что химические элементы, находящиеся в конце периодической таблицы Менделеева, почти эфемерны: время их жизни ничтожно, в природе они не встречаются, их практическое применение маловероятно. Со школьной скамьи все эти элементы казались чем-то вроде игрушки высоких технологий.

- Возможно, школьнику так и кажется. Окружающий нас мир составляют элементы от водорода до урана. Начиная с урана все элементы радиоактивны, они подвержены альфа-распаду, время их жизни с ростом порядкового номера уменьшается в логарифмическом масштабе: от 92-го элемента (урана) до 100-го (фермия) стабильность ядра уменьшается на двадцать с лишним порядков. Все элементы после урана и тория могут быть получены только искусственно. Однако кроме альфа-распада существует еще и спонтанное деление ядер, четвертый вид радиоактивности, который был открыт нашими учеными Г. Флеровым и К. Петржаком в 1940 году и который становится основным по мере приближения к более тяжелым элементам. Существование этого вида распада еще больше укорачивает жизнь тяжелых ядер. Теоретическое объяснение спонтанного деления было дано Н. Бором, предположившим, что ядерное вещество является аморфной материей типа капли заряженной жидкости. Если под действием электрических сил капля деформируется, то ее потенциальная энергия растет до определенного предела, а затем необратимо уменьшается с ростом деформации до тех пор, пока капля не разделится на две части.

Когда в 1962 году у нас в лаборатории был открыт второй период полураспада урана и других трансурановых элементов, стало ясно, что у этих ядер есть по крайней мере два состояния, с которых начинается распад, а значит, ядерная материя не является аморфной, а имеет некую внутреннюю структуру. За дело взялись теоретики, и с тех пор ядро представлялось не только как капля жидкости, но и как «снежинка». Разработка теории ядра, учитывающей структуру ядерной материи, позволила сделать вывод: у тяжелых элементов возникает структурный барьер, удерживающий ядро атома этих элементов от распада и позволяющий ему жить достаточно долго, иногда очень долго. По расчетам, гипотетическая область стабильности сверхтяжелых элементов расположена далеко от тех элементов, с которыми привыкли работать ученые. Этот теоретический вывод породил во всех лабораториях мира волну экспериментов по синтезу сверхтяжелых ядер.

Как получают такие ядра?

- Чтобы ядра были достаточно стабильными, надо внести в них много нейтронов. Чем больше, тем лучше. Поэтому сначала пытались облучать стартовое вещество мощным потоком нейтронов. Однако дальше изотопа фермия с массой 258 дело не пошло. Попытка получения сверхтяжелых элементов в ядерных взрывах также не дала существенного продвижения. Только метод синтеза ядер, основанный на слиянии сложных ядер, одно из которых ускорено до энергии, превышающей порог ядерной реакции, оказался продуктивным. Всё, что мы знаем сегодня о свойствах элементов второй сотни, было получено в ядерных реакциях на ускорителях тяжелых ионов.

Расскажите об экспериментах, поставленных в вашей лаборатории?

- Мы использовали реакции, в которых большой нейтронный избыток изначально задан как в ядре материала мишени, так и в ядре-снаряде (тяжелом ионе). В качестве вещества мишени был выбран плутоний-244 (94 протона и 150 нейтронов) и кюрий-248 (96 протонов, 152 нейтрона), которые бомбардировались ускоренным тяжелым ионом - изотопом кальция-48, содержащим 28 нейтронов. Таким образом, мы надеялись при слиянии этих ядер синтезировать ядра 114-го и 116-го элементов, имеющих большой избыток нейтронов.

За пять лет мы построили уникальный по своим параметрам ускоритель, который, с одной стороны, экономно расходует очень дорогое вещество - кальций-48, а с другой - дает высокую интенсивность ускоренных ионов. На этой установке при расходе вещества 0,3 мг/час мы получили интенсивность пучка в несколько единиц на 10¹² ионов в секунду и смогли ставить эксперимент в сто и тысячу раз более чувствительный, чем удавалось нашим коллегам в других странах на протяжении последних двадцати пяти лет.

Грубая схема эксперимента такова. На циклотроне тяжелых ионов мы разгоняем высокозарядные ионы кальция-48 примерно до одной десятой скорости света и направляем пучок на мишень - титановую фольгу, на которую нанесен слой плутония (или кюрия, в другом эксперименте). Если в результате слияния двух ядер образуются атомы нового элемента, то они вылетают из мишени и вместе с пучком продолжают двигаться вперед. В сепараторе под действием поперечного электрического поля отделяются ионы кальция-48 и другие продукты реакции, а сверхтяжелые ядра, движущиеся по криволинейной траектории, доходят до детектора. Детектор распознает, что в него имплантировалось тяжелое ядро. Затем мы наблюдаем его последовательный радиоактивный распад.

А как вы узнаёте, что пришедшее в детектор ядро является ядром нового сверхтяжелого элемента?

- Если справедлива гипотеза о существовании «острова стабильности» в области сверхтяжелых элементов, то тогда эти ядра должны быть устойчивы к спонтанному делению и испытывать другой тип радиоактивного превращения - альфа-распад. В эксперименте с плутонием мы наблюдали целую цепочку последовательных альфа-распадов. Анализируя ее, мы пришли к заключению, что 114-й элемент, выбросив альфа-частицу (напомним, что альфа-частица представляет собой ядро гелия - два протона и два нейтрона), становился 112-м элементом, после следующего распада - 110-м, затем, уже для 108-го элемента (у которого действие структурных сил в ядре ослабевает) начинается спонтанное деление. Если при альфа-распаде высвобождается энергия около 10 МэВ, то при спонтанном делении - около 200 МэВ. Для экспериментатора это достаточно яркая картина.

Сколько событий распада наблюдалось за время эксперимента?

- Чтобы получить одно ядро 114-го элемента, мы работали три месяца. Сейчас в среднем мы получаем одно ядро за месяц-два непрерывного эксперимента. Изотоп 114-го элемента с массой 288 (174 нейтрона) мы наблюдали три раза, другой изотоп, с массой 287, - два раза, третий, с массой 289, - один раз, ядро 116-го элемента (его масса 292 - самое тяжелое ядро) наблюдали один раз. Искомая цепочка распада вылавливается из огромного потока событий. Например, за время проведения эксперимента по синтезу 116-го элемента было зафиксировано и последовательно записано около 10¹¹ самых разнообразных событий, каждое из которых характеризуется набором 16 параметров. В секунду регистрируется от 15 до 25 различных событий. Вот в этом «стоге сена» мы и отыскиваем «иголку» - распад ядра сверхтяжелого элемента.

С чем связана такая низкая частота образования ядер и какова вероятность ошибки или случайного совпадения?

- При попадании ядра кальция в ядро мишени получается новое ядро, оно сильно нагрето, в нем, строго говоря, структуры нет, это капля. Для того чтобы проявилась «снежинка», ядро нужно охладить. А поскольку в горячем ядре структуры нет, то вероятность его выживания очень мала - 10^-10.

С ошибками ситуация такая. Оба распада 114-го элемента совпадают по 13 параметрам: время, спустя которое ядро выпускает альфа-частицу, ее энергия, координаты сигналов от этих частиц в детекторе и т. д. Кроме того, распад 116-го в качестве дочерних продуктов породил тот же 114-й элемент и всю цепочку его распада. По нашим подсчетам, вероятность совпадений в детекторе сигналов, имитирующих подобный распад, составляет всего 10^-13.

В чем главный результат, полученный вашей лабораторией?

- Главное то, что время жизни синтезированных ядер составляет десятки секунд и даже минуты. Это подтверждает теорию о существовании структуры ядра, дающей дополнительную энергию связи нуклонов, а также говорит о том, что из моря нестабильности, где ядра подвержены спонтанному делению и живут доли миллисекунд, мы выбираемся на твердую почву, на остров, где сверхтяжелые ядра могут существовать годы, тысячи, быть может, миллионы лет. Синтезированный нами 114-й элемент со 174 нейтронами живет около двух секунд. Мы предполагали, что изотоп 114 со 184 нейтронами должен был бы жить значительно дольше. А еще дольше, по оценкам теоретиков, возможно миллионы лет, будут жить элементы 106 или 108 с числом нейтронов близким к 184. Это так называемая вершина «горы» на острове стабильности. Посмотрите на «Карту изотопов». Число 184 является «магическим». То есть в ядрах сверхтяжелых элементов 184 нейтрона образуют замкнутую оболочку и подобно замкнутой электронной оболочке атомов, приводящей к образованию химически устойчивых элементов, дают ядру дополнительные силы, удерживающие его от спонтанного деления. Однако этот изотоп невозможно получить искусственно, потому что нельзя создать в лаборатории такую систему, которая бы имела 106 или 108 протонов и 180-184 нейтрона.

Но мы подошли к границам острова и убедились, что продолжительность жизни элементов действительно растет. То есть там, где есть гора, мы обязательно увидим ее отроги и по ним уже сможем судить о ее высоте. Ядро, которое мы получили, имеет на 10 нейтронов меньше «магического» числа 184, но даже при таком удалении время жизни выросло на несколько порядков.

Над чем вы работаете в настоящее время?

- Хотим иметь больше событий, больше ядер. И когда мы их получим, будем более детально исследовать их свойства. Может быть, надо будет обратить внимание на соседние нечетные элементы. Мы намерены точно определить массу и химические свойства сверхтяжелых атомов, однако для этого надо ставить эксперименты иначе, рассматривая не только структуру ядра, но и структуру атома… Очень интересно, чем отличается, например, 112-й элемент от ртути и сколь точно применим закон Менделеева о периодичности свойств элементов к сверхтяжелым элементам. Есть у химиков идеи, что свойства сверхтяжелых могут отличаться от свойств их аналогов. В первую очередь потому, что у сверхтяжелого атома значительно возрастает энергия k-электрона (вращающегося по ближайшей к ядру орбите). Тогда начнут сказываться релятивистские эффекты. Масса электрона растет, а значит, сдвигаются все энергетические состояния, в том числе и последнего электрона, который, как известно, и определяет химические свойства вещества. Энергия k-электрона пропорциональна квадрату количества протонов в ядре, то есть масса электрона у сверхтяжелых элементов по сравнению с ураном возрастает почти на 40%. Это существенно для расчета всех электронных оболочек атома.

Есть ли какие-либо предварительные воззрения на химические свойства этих элементов?

- Такого рода прогнозы - работа химиков-теоретиков. Очень сложная работа. Необходимо с высокой точностью рассчитать, как увеличение массы электрона на первой орбите скажется на изменении энергии «последнего» электрона. Но, к счастью, в отличие от ядерной физики, где ядерные силы еще недостаточно хорошо изучены, атомная физика оперирует вполне точной теорией.

О химических свойствах есть разные гипотезы. В том числе и такая: сверхтяжелые аналоги известных веществ (например, свинец - 82-й элемент и экасвинец - 114-й) за счет смещения энергетических уровней будут более летучи, то есть их свойства будут «прижиматься» к газам. Хотя, конечно, ответ даст только эксперимент.

Когда же будут поставлены эксперименты?

- Можно сказать, что мы уже взялись за эту работу…

О добыче и практическом применении этих веществ говорить, наверное, еще рано. А вот если на эту тему пофантазировать?..

- Применение - это хороший вопрос. Он всегда возникает в подобных случаях…

Мы не знаем высоту «горы» острова стабильности, то есть время жизни самого долгоживущего атома, а говорить о высоте «горы» по ее отрогам - занятие неблагодарное. С другой стороны, и отроги могут многое сказать, учитывая, что до сих пор к этой «горе» никто не подходил. Современная теория должна быть пересмотрена с учетом экспериментальных данных, которые говорят, что ядра оказались примерно в десять раз стабильнее, чем предсказывалось. Но то, что «немного» для отрогов, может быть очень большой величиной на вершине. Если теория предсказывает десятки тысяч, а то и миллионы лет жизни ядер, находящихся на вершине, то не исключено, что реальное время жизни составит сотни миллионов лет. А если так, то эти вещества должны быть в недрах Земли. И не нашли их до сих пор потому, что «плохо искали», в том смысле, что никто пока не знает, как их искать, - химические свойства сверхтяжелых веществ неизвестны, а их концентрация может не превышать 10^-16 грамм на грамм руды.

Однако сегодня уже обсуждаются эксперименты по поиску сверхтяжелых элементов в природе, основанные на свойствах их аналогов, использующие различные химические технологии разделения веществ по массам и наблюдение исключительно редких распадов тяжелых элементов.

Поиски пока ничего не дали?

- Первые эксперименты положительных результатов не дали, но тогда мы предполагали, что самым стабильным элементом должен быть 114-й. Однако, по нашим последним сведениям, стабильным элементом должен быть не 114-й, не 112-й и даже не 110-й, а скорее 106-й или 108-й…

Если заглянуть в будущее, то можно говорить и о технологии обогащения руды - и, если фантазия окажется реальностью, можно научиться добывать весомые количества такого уникального вещества.

В чем его уникальность?

- В том, что его критическая масса - миллиграммы.

То есть атомная электростанция или ядерная бомба в кармане?

- Лучше сказать: компактный источник энергии, - если вышеперечисленные предположения окажутся верными.

Юрий Цолакович, первооткрыватель химического элемента имеет право дать ему имя. Существуют ли у вас на этот счет планы?

- Название элементам присваивает Международный союз чистой и прикладной химии (ЮПАК). Предложения первооткрывателей по поводу названий и символов элементов учитываются в значительной степени, но могут и не быть приняты. У рабочей группы, которая занимается этими вопросами в ЮПАК, есть определенные критерии, как по сути открытия, так и по названию. На сегодняшний день утвердилась традиция давать имена либо в честь известных естествоиспытателей прошлого, либо по географическим названиям тех мест, где произошло открытие. В общем, присвоение новому элементу имени - это долгая и утомительная процедура. Например, утверждение названия «дубний» для 105-го элемента заняло у ЮПАК пять лет.

Ну а что касается имен для новых элементов, то кандидатов, удовлетворяющих требованием ЮПАК, мы имеем предостаточно: этого были бы достойны и основатель нашей лаборатории Георгий Николаевич Флеров, и Московская область, где имеет честь находиться наш институт.

Восхождение на вершину острова стабильности продолжается, ширится «география» периодической системы элементов, и на ее карте скоро появятся новые имена.

[i39528]