Материалы портала «Научная Россия»

Сверхтяжелые элементы

Сверхтяжелые элементы
После открытия 113—118 элементов седьмой период таблицы Менделеева полностью укомплектован. Академик РАН Юрий Оганесян,научного руководителя Лаборатории ядерных реакций, рассказал о процессе поиска

30 декабря 2015 г. Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) окончательно утвердил факт открытия четырех новых химических элементов с атомными номерами 113, 115, 117 и 118. Теперь седьмой период таблицы Менделеева из шести элементов полностью укомплектован в соответствии с периодическим законом. Все шесть элементов седьмого периода — 113, 114, 115, 116, 117, 118 — были синтезированы в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) на ускорительном комплексе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова в сотрудничестве с физиками и химиками Национальных лабораторий США в Ливерморе, штат Калифорния, Ок-Ридже, штат Теннесси, и Университета Вандербильта. 

Эксперименты проводились в Дубне (Московской области) под руководством и при непосредственном участии академика РАН Юрия Цолаковича Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований. Он рассказал нашему журналу, как шел поиск столь долгожданных элементов.

Один из фундаментальных научных вопросов — где находится граница материального мира, или сколько элементов может вместить таблица Менделеева?

Большой шаг в поисках ответа на этот вопрос был сделан нашим соотечественником Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Именно он первым попытался классифицировать все природные элементы и понял, что их химические свойства укладываются в некоторую закономерность, известную теперь как периодический закон Д.И. Менделеева.

Отметим, что когда Менделеев создавал свою периодическую систему, в его распоряжении было всего 63 элемента. И он, полагаю, тоже задумывался над тем, сколько их может быть сверх того. Этот вопрос и по сей день не потерял свою актуальность в современной науке.

В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил свою планетарную модель атома: положительно заряженное ядро, содержащее практически всю массу атома и весь положительный заряд, и электроны, которые двигаются на громадном расстоянии от этого ядра. Когда два года спустя великий Нильс Бор рассчитал, как выглядит простейший атом водорода (протон, вокруг которого вращается электрон), можно считать годом рождения ядерной физики. Дальше, как известно, она развивалась поистине бурными темпами.

Людям свойственно стремление познать границы своего обитания, в том числе границы окружающего нас материального мира. Впоследствии оказалось, что планетарная модель атома Резерфорда — Бора достаточно устойчива и хорошо работает вплоть до атомных номеров 173-175. Но проблема в том, что задолго до достижения этих номеров перестает жить ядро атома. Поэтому вопрос, где же проходит граница, должен быть переадресован из атомной физики в ядерную физику.

Здесь следовало бы заметить, что атомная физика базируется на квантовой электродинамике — науке точной. Эта теория позволяет рассчитать огромную атомную станцию или маленький чип, и все будет работать абсолютно так, как это следует из фундаментальных законов электродинамики. В ядерной физике, к сожалению, до этого пока далеко. В ней до сих пор неизвестна природа ядерных сил, посредством которых в ядре взаимодействуют друг с другом протоны и нейтроны. Теория ядра находится еще в процессе создания. Однако если мы все-таки хотим определить границу существования ядер, нам надо понять или предположить, как выглядит ядро и каковы основные свойства ядерной материи.

Название изображения

Ядро — капля

Наш соотечественник Георгий Антонович Гамов, выпускник Ленинградского университета, работавший с известным ученым Абрамом Федоровичем Иоффе в Ленинградском физико-техническом институте, а затем всю последующую жизнь –в США, в 1928 г. высказал удивительное предположение о том, что ядро похоже на каплю заряженной жидкости. В конце 1920-х гг. уже было известно, что ядро имеет малый размер, высокую плотность, хорошо очерченные края, сферическую форму и оно несжимаемо. На самом деле очень похоже на каплю заряженной жидкости.

Предположение, что в микромире объект может быть идентифицирован как макроскопическое тело (видимая капля жидкости), было достаточно смелым. И в то, что такая аналогия будет работать, верилось с трудом. Но «капельная» модель оказалась весьма плодотворной. Она позволила самому Гамову создать теорию альфа - распада и объяснить явление радиоактивности, которое было открыто еще в 1898 г. Анри Беккерелем. Капельная модель позволила Карлу Вайцзеккеру вывести свою знаменитую формулу для расчета потенциальной энергии ядра. И наконец, когда в 1939 г. в Берлине было открыто ядерное деление, Нильс Бор и Джон Уилер на основе «капельной модели» создали теория деления.

Согласно Бору и Уилеру, в заряженной капле происходит противоборство двух сил: поверхностного натяжения, которое сжимает каплю и придает ей сферическую форму, и кулоновских сил, которые ее растягивают, поскольку положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга. В сферической капле эти силы уравновешены. По мере добавления в ядро протонов мы мало меняем силы поверхностного натяжения, но определенно наращиваем деструктивные силы кулоновского расталкивания. В результате, как следовало из расчетов, «капля» будет деформироваться. До определенного предела подобная деформация ей не страшна: силы поверхностного натяжения возвращают ее в начальную сферическую форму. Но по достижении некоторой критической деформации у нее появляется перетяжка — «шейка». Дальнейшее увеличение все более растягивает эту «шейку», и, в конце концов, капля разрывается на две примерно равные части. По-английски «деление» — division. Но Лизе Майтнер, которой, как мне кажется, удалось первой объяснить процесс ядерного деления, сказала: «Нет, это не похоже на division, процесс деления ядра скорее напоминает fission — деление биологической клетки». Именно так делится клетка: сначала она растягивается, потом появляется шейка, а потом клетка разрывается на две части. Уран — самый тяжелый элемент, сохранившийся в Земле со времени образования Солнечной системы. Отто Ган и Фриц Штрассман из Института химии Общества кайзера Вильгельма в Берлине впервые наблюдали образование осколков деления при облучении урановых слоев потоком нейтронов. Они показали, что стоит к ядру урана добавить нейтрон и внести в ядро энергию около 6 МэВ, как ядро поделится на две части. Этот феномен объясняла классическая (капельная) теория деления.

Но из теории Бора и Уилера следовало также, что уран и без дополнительной энергии может самопроизвольно (спонтанно) разделиться на две части. Спонтанное деление урана — очень редкий процесс, имеющий чисто квантово-механическую природу. Бор и Уилер предсказали гигантское время такого распада. Если на участке от критической деформации (вершины барьера деления) до момента разрыва на два осколка процесс деления занимает всего 10-19 секунды, то здесь, согласно ожиданиям, требовалось более 1020 лет. Возраст Вселенной меньше этого времени распада почти в миллион раз!

В первом эксперименте американского физика и химика Уилларда Либби спонтанное деление урана не было обнаружено. Из этого эксперимента следовало, что время деления урана — более чем 1015 лет, что не было удивительным, т.к. не противоречило предсказаниям «капельной» теории деления.

Четвертый вид радиоактивности

Я и сейчас не совсем понимаю, чем руководствовался Игорь Васильевич Курчатов, когда предложил двум молодым ученым — вчерашнему студенту Георгию Флерову и Константину Петржаку — заняться исследованием спонтанного деления урана. Он не верил Либби, не верил предсказаниям Бора и Уилера?

Но два молодых человека взялись за дело с большим энтузиазмом. И уже в скором времени обнаружили спонтанное деление урана.

Название изображения

Наши герои решили измерять в эксперименте не сопутствующее делению урана излучение (нейтроны), как делал Либби, а непосредственно регистрировать осколки деления. Осколки нужно было обнаружить на фоне 10 млн альфа-частиц. Многие отработанные и широко используемые к тому времени методы оказались непригодными. В качестве детектора осколков деления была выбрана пропорциональная ионизационная камера, для которой необходимо было создать специальный широкополосный усилитель с коэффициентом усиления примерно 2×106. Усилитель, естественно, был ламповым, а камера со слоями урана общей площадью 1 тыс. см2 (а затем и 6 тыс. см2) была удивительно похожа на переменную емкость от старинного радиоприемника.

Измерения в ленинградском Физтехе проводились только ночью, чтобы не мешали трамваи, которые искрят и создают электрический фон. Молодые физики тренировали себя сидеть часами в темном помещении, всматриваясь в экран осциллографа, на котором была видна всегда мелкая рябь — сигналы от альфа-частиц урана. Но иногда в этом частоколе наблюдался всплеск, большой сигнал от осколков деления. Спонтанное деление! И такой сигнал приходил раз в полчаса, иногда в час. Они сидели часами и ждали, когда вновь появятся эти сигналы. И они появлялись…

На первом же заседании, где были доложены результаты ночных бдений, научная элита была предельно скептична. Мало кто поверил в то, что уран испытывает спонтанное деление с вероятностью всего в десять раз меньшей, чем экспериментальный предел, полученный Либби, но в миллион раз выше, чем предсказывал великий Бор. Были и такие высказывания: «Понятно, молодые люди увлеклись, им кажется, что они сделали величайшее открытие. Они, может быть, еще не знают, что есть космические лучи, которые могут вызвать деление урана, а урана в камере много. Куда смотрит Курчатов?»

К чести людей работающих, они меньше спорили, а больше делали. Решено было проверить устойчивость результата к убийственной гипотезе о делении космическим излучением. Наркому Кагановичу было написано письмо с просьбой предоставить им небольшую комнату на подземной станции московского метро, чтобы повторить свои эксперименты в новых условиях. И молодые люди со своим странным багажом прибывают из Ленинграда в столицу СССР, чтобы на самой глубокой тогда станции «Динамо» (кажется, 32 м под землей) повторить опыты по самопроизвольному делению урана. Они целый день носились по Москве, с нетерпением ожидая ночи, когда остановится последний поезд и можно будет с часу ночи до пяти утра проводить измерения. Эффект спонтанного деления полностью повторился, хотя поток космических лучей на этой глубине ослаблен почти в тысячу раз.

Далее следует то, что написано в их отчете 1940 г.:

Название изображения

«Итак, можно утверждать, что установленный эффект спонтанных импульсов обусловлен актами деления урана. Такой процесс представляет новый вид радиоактивности, принципиально отличной от известных ранее видов радиоактивности с испусканием альфа и бета-частиц.

Расхождение между экспериментально наблюдаемым временем жизни урана и указанным Бором и Уилером объясняется тем, что формула прохождения частицы через барьер очень чувствительна к выбранной высоте и ширине барьера, а выбор этих величин в значительной мере произволен.

Выражаем искреннюю благодарность нашему руководителю, проф. И.В. Курчатову, наметившему все основные контрольные опыты и принимавшему самое непосредственное участие в обсуждении результатов».

Так через 42 года после открытия альфа - радиоактивности был обнаружен новый тип радиоактивного распада ядер — спонтанное деление. Об этом было послано короткое сообщение в американский журнал Physical Review. Потом опыты прекратились, началась война.

Далеко за ураном…

Очень быстро стало ясно, что это будет война не пехоты и кавалерии, а механизмов и техники. Было известно, что Германия пытается создать грозное оружие, использующее энергию деления урана, что в ядре урана аккумулирована огромная энергия и ее высвобождение несопоставимо ни с какими другими способами импульсной наработки энергии.

Ядерная физика привлекла тогда большое внимание воюющих правительств. В разработку вопроса были вложены огромные средства. Очень быстро, в 1943 г. в США и в 1946 у нас, были построены первые ядерные реакторы. В них начали нарабатывать плутоний — следующий за ураном, но уже искусственный элемент.

Таблица элементов, найденных в Земле, кончается 92-м элементом — ураном. Плутоний — 94-й, рукотворный. Тем не менее в ХХ в. этот искусственный элемент нарабатывали многими сотнями тонн на специальных установках не только для ядерного оружия, но и для энергетики — как источник нейтронов и для многих других целей.

В течение длительных кампаний в ядерном реакторе образуется не только плутоний. В меньшем количестве там синтезируются следующие элементы таблицы Менделеева: 95-й (америций), 96-й (кюрий), 97-й (берклий), 98-й (калифорний). Количество трансурановых элементов сильно уменьшается с ростом атомного номера. Одновременно резко уменьшается их время жизни. Действительно, уран живет 4,5 млрд лет, плутоний — 25 тыс. лет, америций распадается еще быстрее, период полураспада наиболее долгоживущего изотопа этого элемента — 8 тыс. лет. Сотый элемент (фермий) живет год, 102-й (нобелий) — секунды. 104-й элемент — миллисекунды.

Поэтому ответить на вопрос, где предел таблицы Менделеева, согласно приведенным выше данным, казалось бы, нетрудно: совсем недалеко. Тем более что из капельной теории деления следовало, что таблица Менделеева будет ограничена лишь элементами первой сотни. Тот факт, что мы синтезировали 104-й, мало менял дело. Дальнейшее продвижение к более тяжелым ядрам быстро приведет нас к критической ситуации, когда бессмысленно говорить об элементе. Мы получим ядро, которое распадется раньше, чем вокруг него возникнут орбитальные электроны. Это произойдет, когда период полураспада этого ядра будет менее 10-14 секунды. Подобную картину можно было ожидать для ядер 106-го или для 108-го элементов. Поэтому приведенную выше тенденцию резкого падения времени жизни ядер с ростом их атомного номера следовало бы рассматривать как хорошее согласие с предсказаниями капельной модели ядра.

Так обстояло дело до 1962 г., когда в нашей лаборатории совершенно случайно, в другом эксперименте, нацеленном на синтез 104-го элемента, обнаружили спонтанное деление с очень коротким (14 миллисекунд) периодом полураспада. Очень скоро оказалось, что это не 104-й, не 100-й и даже не 98-й, а 95-й элемент — америций. Но изотопы 95-го элемента тогда были уже известны и неплохо изучены. Мы знали, что у изотопа америция-242, который наблюдался в нашем эксперименте, период спонтанного деления превышает 1015 лет. А тут — второе значение этого периода полураспада, всего 14 миллисекунд. Странное обстоятельство: два периода полураспада или две вероятности спонтанного деления одного и того же ядра! По всей видимости, ошибка, решили мы.

В поисках причин этой ошибки появился другой изотоп америция — америций-244 с периодом спонтанного деления 0,9 миллисекунд. Потом выяснилось, что еще 33 изотопа трансурановых элементов имеют два, а иногда и три периода полураспада, один очень длинный, другой — существенно более короткий. Тот же изотоп урана-238 с периодом спонтанного деления, который Флеров и Петржак определили как 1016 лет, имеет второй период полураспада, равный 0,3 микросекунды. Отличие составляет 30 порядков!

Название изображения

Два периода полураспада (или две различные вероятности одного и того же типа распада, в данном случае — спонтанного деления) могут быть только в случае наличия у ядра двух состояний, из которых происходит деление. Но это никаким образом не вписывается в представление о капле. Два состояния могут быть только в том случае, если тело не аморфное, а обладает внутренней структурой. Этот факт был, пожалуй, наиболее ярким примером того, что ядерное вещество не представляет собой полного аналога капли заряженной жидкости. Капельная аналогия — это некое приближение в описании свойств ядра. Более строгое описание требует учитывать его структурные особенности.

Теперь, переходя к вопросу о границе масс ядер, нам придется пересмотреть ранее высказанные суждения. С ростом массы и заряда ядер мы неумолимо приближаемся к критической точке. Когда силы кулоновского отталкивания будут сравнимы с силами поверхностного натяжения или будут превосходить их, даже маленькие поправки к энергии связи ядра будут играть важную роль. Эту роль на чаше весов «быть или не быть» играет структурная поправка, о которой пойдет речь ниже.

Первые экспедиции к тяжеловесам

Уже давно было замечено, что среди известных сегодня примерно 3тыс. ядер есть ядра, более связанные по сравнению с расчетом в модели жидкой капли, а есть другие — связанные слабее. Нас, естественно, интересуют первые, более связанные. Максимальный эффект повышенной стабильности наблюдается лишь при определенном, так называемом магическом, числе нейтронов или протонов в ядре. Среди обилия ядер есть и уникальные, дважды магические образования с магическим числом одновременно протонов и нейтронов. Таких ядер немного. К дважды магическим ядрам относятся: гелий (два протона, два нейтрона), кислород (восемь протонов, восемь нейтронов), кальций (20 протонов, 20 нейтронов; есть и другой, редкий изотоп — 20 протонов и 28 нейтронов), никель (28 протонов 28 и 50 нейтронов), олово (по 50 протонов, 50 и 82 нейтронов), свинец (82 протона и 126 нейтронов). Кстати, свинец-208 сохранился в Земле, потому что он имеет дважды магическую структуру. В отсутствие этой структуры он был бы менее связанным - радиоактивным и не дожил бы до наших дней с момента образования Земли (примерно 4,5 млрд лет тому назад).

Название изображения

Что же находится за фермием (элементом с атомным номером 100) — там, где по чистой капельной теории ничего быть не должно? Оказалось, что если отойти от фермия несколько дальше — к числу протонов 108 и числу нейтронов 162, то у ядер в этой области, согласно структурным эффектам, энергия связи может вновь возрасти. И ядро с числом протонов 108 и нейтронов 162 в принципе может существовать; его жизнь, по оценкам, составит несколько часов. А если уйти совсем далеко, к числу протонов 114 и огромному числу нейтронов 184, эта структурная поправка будет еще больше. Там будет примерно такая же ситуация, как с упомянутым ранее стабильным ядром — свинцом-208. Сверхтяжелые ядра могут существовать очень долго — не секунды, а часы, годы, тысячи, может быть, миллионы лет.

Эти долгожители образуют целую область, ее часто называют островом стабильности гипотетических, очень тяжелых, сверхтяжелых элементов.

Тут мы приходим к удивительному заключению о том, что наш мир не кончается на фермии, после которого элементы, согласно «капельным» прогнозам, тонут в «море нестабильности». Далеко от известной области ядер возникает остров, который отодвигает предел существования ядер и элементов.

Новая теория была сформулирована в 1969 г., и все бросились ее проверять. Первый эксперимент, на который пригласили и меня, был проведен во Франции уже в 1970 г. Тогда у нас ничего не получилось. В отличие от своих французских коллег, я уже имел некий опыт — с середины 60-х занимался синтезом 104-го и 105-го элементов в Дубне и чувствовал, что задача получения сверхтяжелых ядер значительно труднее, что наших средств явно недостаточно для того, чтобы рассчитывать на успех. На самом деле этот эксперимент был только началом массированного наступления экспериментаторов.

С 1970 по 1985 г. во всех лабораториях мира — в Германии, Японии, Франции, Соединенных Штатах — шла интенсивная работа, нацеленная на синтез сверхтяжелых элементов. К сожалению, во всех этих экспериментах сверхтяжелые элементы обнаружить не удалось. В эти годы и наши попытки синтеза сверхтяжелых ядер в Дубне также оказались безрезультатными.

Причин неудачи всегда может быть две: либо не дотянулись (низкая чувствительность эксперимента), либо предмета поиска вообще нет (идея постановки данного эксперимента неверна). Однако когда одним и тем же делом занимаются многие лаборатории мира и у всех нулевой результат, кажется более вероятной вторая. К 1985 г. это привело к пессимистическому мнению о возможности синтеза гипотетических сверхтяжелых элементов.

Восемь дополнительных нейтронов

Анализируя результаты своих экспериментов, а также все «за и против» в результатах экспериментов других лабораторий, мы пришли к выводу, что отрицательный результат всех опытов обусловлен тем, что не дотянулись. Скорее всего, метод синтеза сверхтяжелых ядер, который использовали все лаборатории, исчерпан и следует искать новые подходы к решению этой трудной задачи.

В поисках этих подходов можно увеличивать количество протонов, использовать все более тяжелый снаряд. Но надо иметь еще и много нейтронов. Ведь мы ведем искусственный синтез: сталкиваем два ядра в расчете, что в какой-то, пусть даже очень малой, доле случаев они сольются. Но соотношение протонов и нейтронов в них задано. И нейтронов при этом оказывается недостаточно. Это равносильно отклонению корабля от курса на «остров».

Реакция, которую мы предложили еще в 1974 г. и продемонстрировали в Дубне ее возможности для синтеза элементов тяжелее 106-го, была подхвачена в Германии, а затем и всеми другими национальными лабораториями мира: в США, Франции, Японии. Новые элементы с атомными номерами 107, 108, 109, 110, 111 и 112 были синтезированы в Германии именно этим методом, который использовался на протяжении 38 лет!

Мне часто говорили: «Вы придумали новый метод синтеза. Почему сами его не используете?» Если кратко, ответ прост: он не ведет туда, где находится остров стабильности. В ядрах, полученных этим способом, большой дефицит нейтронов. Поэтому дальнейшее продвижение к элементам тяжелее 112-го есть движение в глубину моря нестабильности, в бездну. И 113-й элемент, синтезированный в Японии, о котором сейчас много говорят, — последний в этой серии на дороге, ведущей в тупик. Не удивительно, что на синтез всего трех новых атомов в лаборатории японского Института физико-химических исследований (RIKEN) было потрачено девять лет. Нетрудно также понять, что это уже не дорога, а исчезающая тропинка.

Название изображения

В левой части рисунка — тяжелейшие изотопы 110го, 111го и 112го элементов, полученные к 1998 г. в Центре по изучению тяжелых ионов (Дармштадт, Германия) в реакциях слияния ядер свинца и висмута с ускоренными ядрами никеля-64 и цинка-70. В правой стороне — результаты первого эксперимента по синтезу изотопов 114го и 116го элементов в реакциях слияния ядер плутония-244 и кюрия-248 с ускоренными ядрами кальция-48. Видно, что увеличение числа нейтронов в изотопах 110го и 112‑го элементов на восемь единиц ведет к повышению на пять порядков их периодов полураспада.

Стало ясно, что для того чтобы получить в сверхтяжелых ядрах столь недостающие нейтроны, надо существенно усложнить эксперимент. Мы решили использовать в качестве мишенного материала искусственные элементы тяжелее урана, который нарабатывается в реакторе путем захвата нейтронов. Полученные таким способом ядра хоть и радиоактивны (дополнительная проблема), но имеют максимальный избыток нейтронов. Как минимум надо взять 94-й элемент — плутоний, и вновь, не плутоний-239, который нарабатывается и используется в атомной энергетике, а самый тяжелый изотоп — плутоний-244, который может быть накоплен в специальных реакторах с высоким потоком нейтронов. А в качестве бомбардирующего снаряда использовать ионы кальция. Но также не обычный, наиболее распространенный изотоп — кальций-40, где 20 протонов и 20 нейтронов (его содержание в естественной смеси изотопов — 97%), а значительно более редкий изотоп, кальций-48, в котором 20 протонов и 28 нейтронов. В кальции-48 восемь избыточных нейтронов! К сожалению, у кальция нет летучих соединений, поэтому тяжелый изотоп можно обогатить только весьма трудоемким способом, посредством массового разделения природных изотопов кальция на электромагнитном сепараторе. Содержание этого изотопа в обычном кальции — 0,19%, он очень дорогой: один грамм стоит около $200 тыс. А нам надо его ускорить почти до 0,1 скорости света и направить этот пучок на мишень из плутония.

Название изображения

Если мы сможем осуществить реакцию слияния плутония-244 и кальция-48, то образовавшееся ядро 114-го элемента с массой 292 будет содержать 178 нейтронов. При таком избытке нейтронов мы достигаем острова стабильности, хотя еще удалены от магического числа N = 184 на шесть нейтронов. Подходя к прибрежным границам острова, мы должны «почувствовать землю» и, если справедливы теоретические предсказания, увидеть резкий рост стабильности сверхтяжелых ядер при движении вглубь острова.

Наши исследования пришлись на 1990-е гг., и нетрудно представить, с какими сложностями мы столкнулись. Достояние, наработанное годами, которое мы имели, — прекрасный ускоритель, прецизионные установки, электронная аппаратура — для этой задачи не подходило. Все надо было делать заново.

Георгий Николаевич уже ушел из жизни, и я вступил в должность директора Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Решение было принято, и мы пошли по дороге отработки нового метода синтеза. Это была непростая задача. Как уже сказано выше, часто нас не устраивало то, что было достигнуто ранее большим трудом. В частности, расход того же кальция-48 в источнике ионов нашего ускорителя, в то время одного из лучших в мире, составлял 20 мг в час! При таком расходе дорогого вещества у нас не хватило бы никаких средств, чтобы вести работу на пучке ионов кальция-48 годами. Пришлось переходить на другую, для нас совершенно новую конструкцию ионного источника, работающего на другом принципе, и исследовать его в режимах получения рекордной интенсивности пучка при минимальном расходе исходного материала.

Но все в конечном итоге было сделано, и в 1999 г. мы впервые увидели, как в результате длительного облучения плутония-244 пучком кальция-48 детекторами был зарегистрирован распад сверхтяжелого ядра, который составил две секунды. Не миллисекунды или сотые доли миллисекунд, как ранее при синтезе более легких ядер, а секунды! После альфа - распада ядра 114-го элемента (спонтанный выброс тяжелым ядром ядра гелия-4) образовалось дочернее ядро 112-го элемента, которое прожило почти минуту, после чего таким же образом перешло во внучатое ядро 110-го элемента, последнее распалось спонтанно на два осколка. Сценарий этого ядерного превращения был весьма необычен, но очень близок к картине, предсказанной теорией. Мы решили продолжить эксперимент и скоро увидели второе такое событие.

Чтобы проверить себя, мы «поднялись этажом выше» с целью синтезировать подобным способом 116-й элемент: вместо плутония-244 использовали изотоп следующего, 96-го элемента — кюрия-248 и облучали его кальцием-48. В аналогичной реакции образовавшееся ядро 116-го элемента в результате альфа -распада должно переходить в ядро 114-го элемента, полученного ранее в реакции плутоний-244 + кальций-48. Все последующие распады в 112-й и 110-й элементы будут такими же, как в эксперименте с мишенью из плутония-244.

В наблюдаемых цепочках распада регистрируются координаты ядер в фокальном детекторе сепаратора, а также времена и энергии альфа-частиц и осколков деления (для цепочки из трех звеньев — 11 параметров). В этих условиях генетическая достоверность (последовательность распадов: материнское — дочернее — внучатое и т.д. ядро) и повторяемость результатов устанавливаются с высокой точностью.

Периодическая таблица химиче- ских элементов Д.И. Менделеева

Периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева.

Синтез элементов 113–118 заполняет седьмой период таблицы (желтые квадраты). Продуктами распада ядер этих элементов становятся также новые ядра — изотопы 104–112го элементов с большим избытком нейтронов (квадраты с зеленым контуром).

Первые пришельцы с острова стабильности

Первым отреагировал журнал «В мире науки / Scientific American». На обложке первого номера за 2000 г. — матрос стоит на мачте, всматривается в тонкую полосу на горизонте и кричит «Земля!». Статья называлась «Путешествие на остров сверхтяжелых элементов». Действительно, и для нас после первых экспериментов по синтезу 114-го и 116-го элементов гипотетический остров приобрел видимые очертания.

В первых экспериментах по синтезу 114-го элемента мишень была изготовлена из плутония-244 американского производства. Это был вклад сотрудничающих с нами американских коллег из Ливерморской национальной лаборатории. Другие изотопы 114-го элемента мы получили в реакциях с мишенью из плутония-242 российского производства. Недавно были закончены эксперименты по синтезу еще двух изотопов 114-го элемента, где использовалась мишень из плутония-240, полученного на мощном реакторе Ок-Риджской национальной лаборатории. Так началось — и уже давно продолжается — наше плодотворное сотрудничество с американскими ядерно-исследовательскими центрами. Поэтому, когда дело дошло до присвоения названия элементам 114 и 116, мы предложили назвать их в честь сотрудничающих лабораторий: 114-й — «флеровий» с символом Fl и 116-й — «ливерморий», символ Lv. С этими символами они вошли в таблицу Д.И. Менделеева как первые сверхтяжелые элементы.

В последующих экспериментах были синтезированы элементы с нечетными атомными номерами 115 и 117, а также самый тяжелый 118-й элемент. Дочерним продуктом распада 115-го элемента стал также неизвестный ранее 113-й элемент. В общей сложности мы получили 52 новых ядра — изотопов 112–118-го элементов и продуктов их распада вплоть до ядер 104-го и 105-го элементов. Прибрежную полосу и выход на сам остров мы прощупали в 52 точках.

Сейчас и в будущем

Фундаментальная часть нашей работы заключается в подтверждении теоретических предсказаний о существовании сверхтяжелых элементов. В том, что далеко от известной области ядер вследствие ядерной структуры проявляются новые магические числа протонов и нейтронов, которые формируют остров (острова) стабильности сверхтяжелых элементов. Сам факт существования сверхтяжелых ядер существенно смещает пределы масс ядер и атомов. Таблица Д.И. Менделеева содержит сегодня 118 элементов, заполняющих ее семь рядов. Вполне возможно заполнение восьмого ряда.

Название изображения

Карты атомных ядер. На рисунке показаны все известные к настоящему времени ядра изотопов с атомными номерами более 103. В овале расположены ядра, синтезированные в реакциях с кальцием-48.

Существенное преимущество ядер, расположенных на острове стабильности, — их относительно большое время жизни по отношению к ядрам более легких элементов. Это дает возможность исследовать электронную структуру сверхтяжелого атома, особенно последнего электрона, ответственного за химические свойства данного элемента. Раньше, когда периоды полураспадов более легких ядер исчислялись миллисекундами, мы такой возможности были лишены. Теперь, с использованием современной экспрессной химической аппаратурой, начаты химические исследования 112-го, 113-го и 114-го элементов, их химического поведения по отношению к легким гомологам: ртути, таллию и свинцу (см.: Скерри Э. Таблица Менделеева: век недолог? // ВМН, № 7–8, 2014).

Вполне естественно, что открытие сверхтяжелых элементов породило много вопросов. Где граница масс ядер, последний ли этот остров или могут существовать еще более тяжелые элементы? Могли ли образоваться сверхтяжелые элементы в Солнечной системе, когда шло образование всех элементов вплоть до урана? Как будут вписываться элементы-тяжеловесы в периодическую систему Д.И. Менделеева? И это далеко не все вопросы.

Проблема в этих исследованиях, как и во многих других, — низкий выход сверхтяжелых атомов. Производительность от одного атома в месяц до одного атома в день сильно ограничивает фронт работ. Поэтому уже третий год в ОИЯИ идет создание нового комплекса — «Фабрики сверхтяжелых элементов», на которой производительность будет повышена до 100 раз. Новый комплекс — это новый, более мощный ускоритель, новые экспериментальные залы, новые физические и химические установки, возможность длительной, круглосуточной работы в течение многих месяцев и т.д.

С вводом нового комплекса будет реализована новая программа исследований. В основных очертаниях она была разработана нами в прошлом году. Эксперименты, которые ведутся сегодня на пучке ионов кальция-48, нацелены сейчас и в ближайшем будущем на проверку ряда подходов, которые будут реализованы на новом комплексе.

Штурм острова стабильности продолжается.

оияи сверхтяжелые элементы юрий оганесян

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий