Объединенный институт ядерных исследований в Дубне строит первую в мире фабрику сверхтяжелых элементов
Во второй половине XX века в Периодической таблице появилось 16 новых элементов, в XXI веке еще пять. Сейчас таблица заканчивается на оганесоне (Og 118). Его синтезировали в 2002 и 2005 годах в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковном городе Дубне.
Оганесон — один из так называемых сверхтяжелых элементов, следующих за ураном (U 92). Некоторые из них появились около 10 млрд лет назад в результате ядерных реакций внутри звезд. Большинство уже давно распалось. К 40-м годам XX века все существующие в природе химические элементы были найдены. Последним стал франций (Fr 87). Все последующие элементы создавались — и создаются — в лабораториях.Сейчас ОИЯИ строит первую в мире фабрику сверхтяжелых элементов, чтобы синтезировать 119-й, 120-й, 121-й и детально изучать свойства ранее полученных элементов. Об этом суперпроекте мы поговорили с Андреем Попеко, заместителем директора лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ.
«Это просто арифметика»
Андрей Георгиевич, во-первых, почему «фабрика»? И чем она будет отличаться от, например, коллайдера?
«Фабрика» — потому что это ускоритель плюс вся инфраструктура вокруг него. Отличие от коллайдера принципиальное. В коллайдерах частицы разгоняют почти до скорости света, а потом сталкивают друг с другом. Получаются новые частицы или другие интересные события. А для синтеза сверхтяжелых элементов нельзя использовать сверхвысокие энергии. Наоборот, чем сильнее вы ударите одним ядром по другому, тем быстрее развалится система. Ничего путного вы не получите.
А что вы будете делать, чтобы получить «что-то путное»?
Надо будет сближать ядра атомов так, чтобы они коснулись друг друга. Дело в том, что, когда ядра заряжены одинаково, они отталкиваются. Для преодоления отталкивания нужно разогнать частицы до скорости, которая составляет примерно 10% от скорости света. Ядрами из ускорителя облучают мишень — слой материала, нанесенный на тонкую титановую фольгу. В результате реакции бомбардирующих частиц с материалом мишени будут получаться новые частицы. Их будет «ловить» детектирующая система — пластинки из кристаллического кремния. Она будет давать в некотором смысле электронную фотографию. Можно будет определить координаты, время прихода и энергию частицы.
В дальнейшем, мы надеемся, эффективность фабрики будет примерно в десять раз выше, чем раньше. Тогда откроются уже очень большие перспективы для экспериментов. Совсем другая жизнь у нас начнется.Так. Если очень коротко. Есть вещество, из которого сделана мишень, и есть вещества, которые через эту мишень пролетают. В результате можно получить какой-то совершенно новый химический элемент. Правильно? Все равно непонятно, как это работает.
Важно правильно подобрать комбинацию из мишенного материала и вещества, которое будет с ним сталкиваться. Условия здесь следующие: материал для мишени должен существовать в природе или может быть произведен искусственно в весовых количествах. Это первое требование. Но здесь надо смотреть не на Периодическую таблицу. Она в данном случае мало поможет. А надо смотреть на карту изотопов. Черные клеточки — это долгоживущие изотопы, существующие в природе. Теперь вы можете брать частицу, которая приводила бы к образованию желаемого элемента. Здесь действует закон сохранения электрического заряда. Например, если вам нужен 118-й элемент, вы берете для мишени изотоп, у которого заряд ядра 98 (калифорний), а для бомбардировки мишени кальций с зарядом ядра 20. 20 + 98 = 118. Все просто.
Можете брать любые другие комбинации, пожалуйста. Если вы хотите 120 элемент, то 120 — это два раза по 60. Берем элемент 60 — неодим. Делаем из него мишень и им же облучаем эту мишень. Получаем элемент 120. Это просто арифметика. Здесь не надо всю жизнь что-то перебирать. Плюс есть известные законы.
Какова вообще вероятность получить сверхтяжелый элемент?
Она складывается, как минимум, из двух частей — вероятности слияния ядер и вероятности выживания получившегося ядра в процессе остывания. Потому что ядра остывают точно так же, как, например, жидкость. Только в жидкости испаряются молекулы, а в ядрах нейтроны. Нейтроны уносят энергию из ядра, и система остывает. Это первое. Второе — ядра должны сливаться. К сожалению, чем ближе друг к другу масса мишени и масса бомбардирующей ее частицы, тем хуже они сливаются. Это только некоторые из обстоятельств, которые ограничивают получение сверхтяжелых ядер.
Какие эксперименты на «фабрике» сейчас проводятся?
Естественно, после того, как мы сделали новый ускоритель, самый верный способ показать его работоспособность, — это воспроизвести прежние результаты. Поэтому в январе этого года мы успешно провели эксперименты по синтезу 115-го элемента московия. Он был впервые получен в 2003 году.
Сейчас проводятся эксперименты по получению пучков ускоренных частиц, которые нужны для синтеза более тяжелых элементов.
До этого мы работали в основном с кальцием. Это элемент 20 в Периодической таблице. Им бомбардировали мишень. А самый тяжелый элемент, из которого можно сделать мишень, — это калифорний, 98. Соответственно, 98 + 20 — это 118. То есть,чтобы получить элемент 120, надо идти к следующей частице. Это, скорее всего, титан — 22 + 98 = 120.
Работы по отладке системы еще очень много. Я не хочу забегать вперед, но если получится провести успешно все модельные эксперименты, то в этом году, возможно, начнутся первые эксперименты по синтезу 120-го элемента.
А почему вообще существуют сверхтяжелые элементы? Благодаря каким законам природы?
Ядра атомов имеют структуру, которая чем-то похожа на структуру атомных оболочек. Электроны ведь удерживается на орбитах не просто так, а потому что орбиты имеет специальную сложную структуру. Примерно то же самое происходит и в ядрах. Структурные эффекты объясняют, почему существуют сверхтяжелые элементы. В обычном состоянии ядро не ведет себя подобно капле жидкости, не является аморфным телом, а имеет внутреннюю структуру. Без нее сверхтяжелые ядра вообще бы не существовали. А наличие структурных свойств ядерной материи приводит к тому, что эти ядра живут секунды, а мы надеемся, что они могут жить часы, сутки, а может быть даже миллионы лет.
Бесструктурные ядра после 103-го и 104-го элемента уже не имели бы права существовать. Это открытие структурных эффектов — очень большое достижение в понимании природы ядерных сил.
«Это никогда не скучно»
Можно ли как-то использовать сверхтяжелые элементы «в народном хозяйстве»?
Это совершенно законный вопрос, но мы занимаемся фундаментальными исследованиями. Накопить хоть какое-то количество атомов 118-го, сами понимаете, совершенно невозможно. За всю историю было зарегистрировано, по-моему, пять атомов этого элемента. И живут они меньше миллисекунды.
В частности, очень интересно, как будут эволюционировать химические свойства элементов, если двигаться дальше по таблице. Лишь две трети элементов таблицы Менделеева «вписываются» в периодический закон, который связывает зависимость свойств химических элементов с зарядами атомных ядер. А дальше начинаются нестыковки: совершенно инертных элементов — нет, элементы, которые должны быть газами, становятся твердыми, да еще и с металлическими свойствами и т.д.
Еще очень интересно, как образовались элементы в природе. Не только сверхтяжелые. Теория не исключает, что сверхтяжелые элементы могли дожить до наших времен после, скажем, образования Солнечной системы. А в таком случае их можно искать в природе.
Кроме всего прочего, открытие новых элементов демонстрирует высокий уровень науки, техники и образования, который, в свою очередь, приносит экономические и политические дивиденды.
Какие страны сейчас лидируют в поиске сверхтяжелых элементов?
В одиночку проводить такие исследования могут только две страны — Соединенные Штаты Америки и Россия. И причина здесь в том, что необходимо иметь материал для изготовления мишеней, а это тяжелые трансурановые элементы, такие как кюрий, берклий и калифорний. Чтобы эти элементы производить, требуются специальные реакторы.
Еще в поиске сверхтяжелых элементов активно участвуют Германия и Япония, но не в одиночку, а в кооперации с теми, у кого есть изотопы. Эти эксперименты очень длительные. Идет обычная работа: плановая, но интенсивная. Японцы получили три атома 113 элемента за 10 лет. Это некий мировой рекорд по настойчивости. По-моему, никто больше такого не делал и не станет делать.
Во-первых, в России существует очень давняя и плодотворная школа синтеза новых элементов, основанная Георгием Флеровым. В частности, его группе принадлежит приоритет в открытии 102-го элемента нобелия.
Во-вторых, есть школа создания ускорителей. Как известно, первый ускоритель был построен в США, в Беркли, а второй — в Ленинграде, в Радиевом институте. И, в-третьих, мы умеем производить материал для изготовления мишеней — изотопы трансурановых элементов. Вот наши преимущества: научная школа, ускорители и изотопы. Это три составляющие успеха.
Андрей Георгиевич, вы всю жизнь занимаетесь синтезом новых элементов. Уже более полувека. Вам до сих пор это нравится?
Да. Мне все еще это нравится. Важно, что развитие методик на грани возможностей обязательно к чему-нибудь приводит. Например, к созданию новых технологий. И еще, это никогда не скучно. Поверьте, это высочайшая радость — открыть нечто, неизвестное никому. Это никогда не может надоесть.
СЛОВАРЬ
Георгий Флеров (1913–1990). Советский физик-ядерщик, один из основателей ОИЯИ и один из пионеров поиска трансуранов. Участвовал в открытии 103-го, 104-го, 105-го и 106-го элементов.
Юрий Оганесян (р. 1933). Ученик Флерова и один из тех, кто синтезировал резерфордий, дубний и другие сверхтяжелые элементы. Академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. В 2016 году в его честь был назван 118-й элемент — оганесон.
Изотоп — разновидность атома какого-либо химического элемента, которая имеет одинаковый с ним атомный номер, но разные массовые числа. Например, изотоп водорода Н — дейтерий 2Н, который применяется при создании термоядерного оружия.
Остров стабильности. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Но только строго определенное количество этих «кирпичиков» связано друг с другом в единое тело, которое представляет ядро атома. Комбинаций, которые «не срабатывают», оказывается больше. Поэтому, в принципе, наш мир находится в море нестабильности. Есть ядра, которые остались со времен образования Солнечной системы, они стабильны. Водород, например. Участки с такими ядрами будем называть «континентом». Он постепенно уходит в море нестабильности по мере того, как мы идем к более тяжелым элементам. Но, оказывается, если далеко уйти от суши, возникает остров стабильности, где рождаются ядра-долгожители.
Сверхтяжелые элементы. Элементы, которые следуют за ураном (его атомный номер 92). Некоторые из них появились около 10 млрд лет назад в результате ядерных реакций внутри звезд. Большинство уже давно распалось. Теперь лишь остается синтезировать их в лабораториях.