2017 год стал годом сокрушительной победы в физике сверхтяжелых элементов
Наука
Недавно были даны официальные названия четырем самым тяжелым из открытых элементов периодической таблицы. В Дубне советский храм науки вот уже 60 лет пытается раздвинуть границы этой сферы науки.
В Конгресс-центре Дубны (небольшой поволжский город с населением в 70 000 человек в 120 километрах от Москвы) проходит банкет по случаю шестидесятилетия Лаборатории ядерных реакций им. Флерова. Спиртного кругом предостаточно, и шум разговоров быстро становится все громче. В скором времени следить за их ходом становится все сложнее. Но мы не слишком об этом жалеем: и так уже ясно, что мы мало что поймем. Дармштадтий, рентгений, коперниций, дубний… Для простого смертного слова этих физиков и химиков не значат ровным счетом ничего.
По одной простой причине: речь идет об элементах, которых в принципе не существует на нашей планете. Если конкретнее, они были получены искусственным путем в ускорителях частиц и обладают той же природой, что и встречающиеся в значительном количестве водород, гелий, хром, свинец, золото или уран. В то же время они намного тяжелее… «Сверхтяжелые» элементы, как здесь говорят.
По счастью, язык тела с легкостью позволяет восполнить пробелы вокабуляра. В скором времени становится очевидно, что хорошее настроение окружающих объясняется не широким выбором закусок и не радостью по поводу встречи специалистов из самых разных стран. Оно отражает общее чувство удовлетворения, которое после возлияний принимает очертания реванша за десятилетия неприятностей и разочарований…
Дело в том, что 2017 год стал годом сокрушительной победы в закрытой, но невероятно престижной и соревновательной дисциплине под названием физика сверхтяжелых элементов. Так, 2 марта на прошедшей в Москве трогательной церемонии Международный союз теоретической и прикладной химии (МСТПХ, единственная инстанция с полномочиями для такой процедуры) торжественно завершил «инаугурацию» четырех новых химических элементов, официально подтвердив тем самым их существование в реальном мире. Причем не абы каких. В совокупности с утвержденными в 2012 году двумя предшественниками они, быть может, позволят физикам, наконец, решить старую задачу с общими свойствами простых веществ.
Впечатляющее достижение. По традиции, химические элементы классифицируются в порядке возрастания числа протонов в ядрах их атомов, вокруг которых вращаются электроны. Так, водород, в атоме которого содержится всего один протон, занимает самую первую позицию. Гелий с его двумя протонами значится под номером 2. Литий стоит третьим
Первые три были названы «нихоний» (Nh), «московий» (Mc) и «теннессин» (Ts), соответственно, в честь страны (Японии), российского региона (Московская область) и американского штата (Теннесси), где находятся научные центры, которым принадлежит ключевая роль в их синтезе и идентификации: Институт физико-химических исследований, Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, в него входит Лаборатория им.Флерова) и Национальная лаборатория Ок-Ридж. Что касается четвертого и самого тяжелого из всех (118 протонов), его назвали «оганесон» (Og) в честь профессора Юрия Оганесяна, который в свои 84 года остается в добром здравии и ясном уме, а сейчас произносит тост за столом почетных гостей.
Государственная пропаганда
Несколькими часами ранее, пока собравшиеся в концертном зале гости наслаждались отрывками из опер Генделя и Бизе, престарелый российский физик (его влияние в своей команде все еще просто огромно) в одиночестве гулял по коридорам Дома культуры и мира, воспользовавшись затишьем, чтобы рассмотреть представленные в нем фотографии. На одной из них он изображен еще молодым московским студентом (родом он из армянской семьи из Ростова-на-Дону), который впервые приехал в Дубну в 1957 году.
В те времена страх перед разрушительной силой атома (его подкрепляли воспоминания о бомбардировке Хиросимы и Нагасаки) смешивался в умах ученых с надеждой приручить этот новый источник энергии, чтобы использовать его в мирных целях. В ОИЯИ (этот международный исследовательский центр был создан в 1956 году СССР для конкуренции с Европейской организации по ядерным исследованиям) поставили целью сформировать открытую к внешнему миру лабораторию для изучения потенциала самых тяжелых элементов.
Уран, самый тяжелый из всех имеющихся на Земле 92 элементов, встречается в естественном виде, однако это не относится к плутонию (идет в таблице под номером 94), которым пользуются военные при создании бомб. Он является практически полностью искусственным и производится реакторами. Идея физика Георгия Флерова (1913-1990) заключалась в том, что при движении по направлению ко все более тяжелым атомам мы можем наткнуться на редкую жемчужину с точки зрения производства энергии. Элементы под номерами с 93 по 101 были практически в полном составе открыты в период с 1940 по 1955 год командой американца Гленна Сиборга (Glenn Seaborg, 1912-1999) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли в результате исследований в рамках Манхэттенского проекта или на основании образцов с места взрыва «Иви Майк» (первая в истории водородная бомба).
Работа, на которую издали поглядывали военные круги, сосредоточилась на элементах с порядковым номером больше 102. В скором времени благодаря знаменитому циклотрону У-300 советским ученым (но не только им) тоже удалось создать новые химические элементы. С 1963 по 1974 год в Дубне были получены элементы под номерами 102, 104, 103, 105 и 106.
Как бы то ни было, в период холодной войны эти одновременно престижные и радикальные исследования (разве их целью не было установить границы природы?) были поставлены на службу государственной пропаганде. Поэтому с 1960-х годов СССР, США и ФРГ (Институт тяжелых ионов в Дармштадте) принялись оспаривать друг у друга первенство в открытии элементов и право дать им названия. В результате элементы под номерами 104 и 105 долгое время назывались по-разному по обе стороны железного занавеса: резерфордий и ганий на западе, курчатовий и нильсборий на востоке.
Эти «трансфермиевые войны», как их назвали впоследствии (из-за того, что рассматривавшиеся элементы находились в периодической таблице выше фермия, 100), коснулись восьми атомов. Все вопросы были окончательно решены МСТПХ после множества споров… только в 1997 году!
Достичь предела
Этот конфликт типичен для своей эпохи, которая характеризовалась соперничеством великих держав во всех областях, от космической гонки до путешествий в океанские глубины. По большей части, он объясняется недобросовестным поведением с немалой долей шовинизма. Кроме того, обострила ситуацию, наверное, и неправильная оценка. Дело в том, что с самого начала физики были убеждены, что создание все более тяжелых элементов в конечном итоге приведет их к пределу, за которым синтез будет попросту невозможен.
28.12.2011 В природе все обстоит так, что все элементы, которые обладают большей массой, чем свинец (82), являются радиоактивными. Это означает, что с течением времени они саморазрушаются и формируют более легкие ядра, выделяя в зависимости от случая гамма- или альфа-излучение, электроны, нейтроны и протоны. Первые наблюдения указывали на то, что скорость этого процесса возрастает вместе с массой элемента. Если период полураспада урана (в его ядре насчитывается 92 протона) составляет 4,5 миллиарда лет, у плутония (94 протона) он равняется 80 миллионам лет. У занимающего 98 строчку калифорния речь идет всего о 900 годах!
Ученые не видели никаких причин для того, чтобы эта тенденция остановилась в дальнейшем. И разве это не предсказывали еще в 1939 году датский и американский физики Нильс Бор (Niels Bohr) и Джон Уилер (John Wheeler) в знаменитой статье о ядерном распаде? Кто был готов оспорить их представление ядра атома как «капли», в которой нейтроны и протоны рассеяны единообразно? Не указывает ли эта модель на то, что выше 100 номера в таблице элементов вообще не может существовать? Аргументы казались непогрешимыми.
Тем не менее, как рассказывает Юрий Оганесян (кабинет по соседству с его собственным теперь стал музеем его наставника Георгия Флерова), с 1960-х годов начали проводиться различные опыты (в том числе и в Дубне), которые поставили под сомнение представление ядра атома в качестве однородного образования: «Казалось все более очевидным, что в нем должна быть внутренняя структура».
Волшебные цифры
В скором времени теоретики выдвинули новые предположения о том, что внутри ядра протоны и нейтроны формируют «слои» примерно так же, как электроны в атомах. В 1966 они пришли к удивительному заключению, что проложенный физиками путь на самом деле продолжается дальше и достает до регионов, где атомы вновь становятся устойчивыми. Если точнее, расчеты показали, что ядра, чье число протонов и нейтронов близко к «волшебным» 114 и 184 (отличается выдающейся стабильностью) должны иметь длительный период полураспада. По первым оценкам, речь должна была идти о миллионах или даже миллиардах лет. Более того, они даже могли оказаться нерадиоактивными. Иначе говоря, была выдвинута идея о возможности синтеза новых простых веществ, которые сравнимы по сроку жизни с теми, что составляют наше земное окружение. Безумная мечта алхимика!
Впоследствии специалисты не раз подтвердили эту гипотезу. А дальнейшая история сводится к долгим поискам эльдорадо ядерной физики: «острова стабильности». Но как же его достичь? Создать настолько тяжелые элементы как 114 в тот момент казалось непосильной задачей. В теории, конечно, все было просто: нужно собрать в одном ядре протоны и нейтроны двух менее массивных атомов. Была известна и процедура: требуется разогнать одни атомы (с помощью мощного электромагнитного поля циклотрона или другой установки) до скоростей порядка одной десятой скорости света, а затем направить их на тяжелую цель в количестве 100 миллиардов в секунду.
При удачном стечении обстоятельств время от времени происходит столкновение атомов. Иногда оно приводит к «слиянию» ядер, создавая новый элемент в результате так называемой фазы «нейтронного охлаждения». Все тонкости в этой игре в боулинг сводились к тщательному подбору «инструментов». Дело в том, что не все они подходили для использования и были доступны: одни трудно достать, другие очень дороги, третьи создавали проблемы в плане безопасности. Некоторые сочетания (предмет острой конкуренции групп специалистов) оказались более выигрышными, чем другие. В результате в те времена «ингредиенты» подбирались таким образом, что синтез элементов с номером выше 106 был кране маловероятным.
Тут в дело вступил Юрий Оганесян. Главный инженер дубнинского центра разработал технику так называемого «холодного слияния», которую быстро скопировали за границей, сначала без особых результатов, но затем, после длительных исследований в Германии, с большими успехами. Именно благодаря ей Институт тяжелых ионов в Дармштадте открыл с 1981 по 1994 год все химические элементы под номерами от 107 до 112. Японские специалисты в свою очередь синтезировали в 2012 году 113 элемент.
Тем не менее в 1990-х годах проявились и недостатки этого метода. Дело в том, что самые тяжелые ядра с его помощью можно получить лишь в ничтожных количествах. И это стало настоящей проблемой. Для подтверждения существования нихония (113) японским физикам пришлось довольствоваться всего тремя атомами. Причем на их синтез ушло десять лет: два были получены в 2005 году, а третий - в 2012 году!
Поэтому физики Лаборатории им. Флерова (Юрий Оганесян возглавил ее в 1989 году) решили в очередной раз изменить «мишени» и «снаряды», воспользовавшись изотопами элементов, которые обладают большим количеством нейтронов. Для синтеза 114 элемента они захотели использовать экзотический плутоний-244 и кальций-48, редкую форму природного кальция с рыночной ценой в 200 000 долларов за грамм. Как бы то ни было, до проверки этого сочетания им нужно было провести серьезную модификацию установок У-400 и У-400М, которые еще работали в Дубне. Осуществить это было очень непросто в условиях переходного периода в России после распада Советского Союза: страна переживала тяжелейший финансовый и экономический кризис. В результате команде удалось подтвердить верность расчетов только в 1998 и 2000 годах, когда ей были открыты элементы под номерами 114 и 116 (официально названы «флеровий» (Fl) и «ливерморий» (Lv) в 2012 году).
Следующие номера, последние на данный момент, обошлись науке так же дорого. В США разразился громкий скандал: Виктора Нинова из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, который объявил в 1999 году о синтезе 118 элемента, обвинили в фальсификации данных, представив тому доказательства. В результате узкий круг западных специалистов в этой области захлестнул глубокий и долгий кризис, а дубнинская лаборатория (Юрию Оганесяну тем временем удалось установить сотрудничество с Ливерморской национальной лабораторией и Национальной лабораторией Ок-Ридж) осталась без прямых конкурентов. Команда Оганесяна воспользовалась возможностью и синтезировала в своих впечатляющих установках (занимают целых два здания) три значимых элемента: оганесон, московий и теннессин.
Достоверная модель
Создание 118, 115 и 117 элементов, а также нихония (113) стало завершением стартовавшего еще накануне Второй мировой войны долго цикла. За без малого 80 лет физикам удалось добавить 26 простых веществ к известным до того 92, заполнив периодическую таблицу вплоть до последнего значения седьмого периода. Период полураспада и радиоактивность 300 их изотопов тоже были измерены, что позволило «создать достоверную модель ядра атома с погрешностью до 5%", - считает Юрий Оганесян.
Как бы то ни было, физиком до сих пор не удалось дойти до центра «острова стабильности», мифического атома флеровия из 114 протонов и 184 нейтронов. В настоящий момент у самого тяжелого из полученных изотопов этого элемента их число составляло 175. В то же время на «карте ядер» исследованные области теперь формируют круг у terra incognita, о которой говорят такие признаки, как, например, более долгий срок существования (до нескольких секунд). Физики полагают, что период полураспада таких ядер на самом деле короче, чем предполагалось изначально (вероятно, менее 30 лет). По разным теориям, все находится на уровне 120 или 126 элемента, тогда как некоторые не исключают возможности существования стабильных ядер где-то между 108 и 112. Если эта зона на самом деле обладает подобными качествами и расположена в указанном месте, рано или поздно ее все же достигнут. Однако, как отмечает Юрий Оганесян, «это произойдет потому, что к тому моменту мы будем лучше понимать сверхтяжелые элементы».
Дело в том, что они до сих пор хранят почти все свои тайны. Но разве могло быть иначе? При нынешних возможностях счет синтезированных атомов идет на единицы. У оганесона их было создано всего четыре! Поэтому в Лаборатории им. Флерова поставили перед собой новую цель: речь идет о проекте завода сверхтяжелых элементов стоимостью порядка 60 миллиардов долларов, на котором они должны синтезироваться в 100 раз быстрее, чем это возможно сейчас, для дальнейшего изучения. Эти опыты помогут физикам испытать непроверяемые в настоящее время теории вроде предположения Юрия Оганесяна о существовании второго «острова стабильности». Он, возможно, находится где-то там, очень далеко от оганесона, в высших сферах элементов, куда вот уже 60 лет устремлен мыслями российский физик…
http://www.sdelanounas.ru/blogs/95833/