С начала XXI в. прошло меньше 20 лет, а таблица Менделеева уже увеличилась на шесть элементов.
Большая часть из них пришлась на легендарный «остров стабильности», который ядерщики всего мира искали начиная с конца 1960-х гг. И все это было сделано в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ. О последних открытиях мы беседуем с ее руководителем академиком РАН Юрием Цолаковичем Оганесяном, именем которого назван последний на сегодня, 118-й, элемент — оганесон.
— Юрий Цолакович, у некоторых музыкантов есть любимые ноты, у художников — любимые цвета, а у вас есть любимый химический элемент?
— Нет, они для меня предмет работы, тут не до эмоций. С ними должно все получаться как задумано, а если не получается, значит что-то неправильно сделано. Хотя считается, что, если говорить об области известных элементов, для острова стабильности наиболее сильно выражен 114-й. Когда говорили о сверхтяжелых элементах, всегда предполагалось, что надо дойти до 114-го. Это часто повторялось, хотя, может быть, не очень обоснованно. Сегодня мы считаем, что наиболее стабильным будет не 114-й, а 110-й или 109-й. Но эффект дополнительной стабилизации за счет внутренней структуры ядра максимален именно для 114-го. И в этом смысле он особый. Получить его считали научно важным делом наши учителя — Г.Н. Флеров, И.В. Курчатов. К сожалению, они до этого не дожили, Мы же, получив 114-й элемент в 1998 г., назвали его «флеровий».
Элементарное ядро
— Что именно привело вас в большую науку?
— Все началось с интереса к ядерной физике. Слово «ядерная» тут определяющее, поскольку главные вопросы относятся
именно к ядрам: насколько они могут быть тяжелыми, чем обусловлен их предел, как они распадаются. Элементы идут уже потом, ибо если нет ядра, то нет и элемента.
Когда мы говорим «элемент», мы подразумеваем, что речь уже идет об электронном построении вокруг этого ядра. Там ядро рассматривается как некий почти точечный положительный заряд, вокруг которого создаются сложные электронные структуры.
Меня же всегда интересовало и интересует до сих пор само ядерное вещество.
— Разве можно рассматривать одно в отрыве от другого?
— Два интереса — к элементу и его ядру, — хотя и связаны построением атома, но на самом деле довольно сильно разнятся. О ядерном веществе мы поныне знаем мало. Не знаем природу ядерных сил, которые связывают вместе протоны и нейтроны в ядре, то есть как работает то, что мы называем сильным взаимодействием. Что же касается электронной структуры, здесь классическая законченная теория квантовой электродинамики. И силы известны — это электромагнитные силы.
— Однако, насколько я понимаю, последнее время вы занимаетесь именно элементами.
— Атомной физикой, касающейся строения атома, я занялся относительно недавно, когда поставил перед собой и своей группой задачу дойти до предела существования ядер. Проведя большое число опытов и продвинувшись к более тяжелым ядрам, мы пришли к выводу, что до границы еще не так близко и что ядер может быть больше, чем мы предполагали. Эта удивительная живучесть, простирающаяся от последнего стабильного ядра висмута за 118-й элемент, все больше и больше растягивает Периодическую таблицу химических элементов. Так что ни в ядре атома, ни в его структуре мы до границы еще не дошли.
— А она вообще должна быть?
— Безусловно. Тут есть разные ориентиры. Что касается физики ядра, то отсутствие наблюдаемых в эксперименте границ объясняется тем, что после сильного падения стабильности ядер с увеличением их массы и заряда возникают так называемые острова ядерной стабильности. Материк стабильных ядер ушел в «море нестабильности», но потом возник остров. Вопрос о том, существует этот остров или нет, волновал ядерных физиков и химиков более 30 лет. И вот последние сверхтяжелые элементы дают положительный ответ, потому что, по данным экспериментов, они значительно более стабильны, чем их более легкие предшественники. Они уже островитяне. Мы, конечно, еще далеки от вершины острова, где ядра могут жить миллионы лет, я даже не очень представляю, как можно в искусственном синтезе до нее добраться, но очень хочу надеяться на то, что это будут настолько длительные периоды, что мы сможем найти их в природе. Возможно, в космических лучах, метеоритах. Г.Н. Флеров в свое время посвятил этому более десяти лет своей жизни.
— Думаете, можно найти?
— Не исключаю такой возможности. Ведь Георгию Николаевичу в поиске просто не хватало чувствительности аппаратуры, а на сегодняшнем уровне развития техники поиск может увенчаться успехом. Что касается атомной физики, там предел ставит квантовая электродинамика. Для положительно заряженного ядра она предсказывает некоторое критическое поле (в соответствии с критическим зарядом), выше которого из вакуума вырывается электрон и садится на внутреннюю орбиту водородоподобного гиганта, понижая начальный заряд системы на единицу. Вакуум же переходит в нестабильное состояние, потому что в нем теперь не хватает этого электрона. Для того, чтобы вернуться в нейтральное состояние, он должен испустить позитрон.
— Думаю, теоретики уже этот предел вычислили? Чему равен такой критический заряд?
— Разные расчеты дают разное значение, но более достоверно, что 174.
— То есть места в таблице Менделеева еще много.
— И в этом сегодня заключается основная интрига. Пока мы далеки от этой области. Последнее ядро 118-го элемента было получено нами в виде двух изобар: с четными числами протонов и нейтронов и с нечетными. В обоих случаях времена жизни ядер в масштабах микромира огромны. Можно идти дальше. Мы убеждены, что можно будет синтезировать 119-й, 120-й, быть может и 121-й элементы. Но уже в структуру синтезированных сверхтяжелых элементов и более тяжелых, о которых идет речь, вмешивается теория относительности. По мере того как растет заряд ядра, ближайшие к нему электроны двигаются все быстрее. Их энергия растет, как квадрат заряда, и по мере того как скорость приближается к скорости света,
в точном соответствии с теорией Эйнштейна, работает эффект роста массы электрона. Релятивистский эффект приводит к сжатию внутренней орбиты. В свою очередь, компрессия внутренней орбиты атома меняет в разной степени всю электронную структуру атома, в том числе энергию связи самого удаленного электрона на последней орбите, который ответствен за химические свойства элемента. Из-за дополнительного экранирования электрического поля ядра сжавшейся внутренней электронной орбитой внешний электрон чувствует поле ядра слабее и для него уже становятся чувствительными соседние электроны, с которым он начинает взаимодействовать, как бы «разговаривать».
— Насколько понимаю, пока еще тихо, шепотом. Но ведь он и раньше «разговаривал»?
— Этим эффектом раньше пренебрегали, так как он был слишком малым по сравнению с основным эффектом — взаимодействием с положительно заряженным ядром. Его и сейчас пока еще учитывают как поправку. Но эти поправки быстро растут. В конце концов они становятся настолько большими, что начинают стирать разницу между группами в Периодической таблице химических элементов.
— Эффект накапливается?
— Этот эффект прямо связан с релятивистской массой электрона. Первичный эффект — релятивистское сжатие. Его следствия для удаленных от ядра электронов могут приводить, наоборот, к разбуханию внешних орбит. Но определенно это обстоятельство меняет стройную систематику таблицы. И стандартное разделение на восемь групп от самых химически активных металлов до самых инертных благородных газов будет постепенно размываться. Отметим, однако, что расчет поправки, связанной с взаимодействием 40 или 60 удаленных электронов, — типичная задача многих тел...
— ...практически нерешаемая на таком уровне.
— Даже для сверхмощных компьютеров задача тяжелая и громоздкая. Но дело не в компьютерах. Как составить задачу
этому компьютеру — дело людей, которые берутся за это трудное занятие. Они начинают с учета двухчастичных взаимодействий, потом включают трехчастичные, затем четырехчастичные... Для более высоких порядков вводят некоторые упрощения (например, расчет электронных кластеров). Все это необходимо, потому что по мере даже небольшого продвижения вперед влияние поправок растет очень быстро.
— Шагов до 174-го элемента еще много.
— От 118-го до 174-го — дистанция серьезная. И по мере движения в сторону все более тяжелых элементов нас явно ждет масса сюрпризов. Известно, что элементы в группах периодической таблицы подобны.
— Да, помню из школы, что стоящий во второй группе бериллий подобен стоящему под ним магнию, тот в свою очередь — кальцию и т.д.
— Отход от такого подобия у сверхтяжелых элементов мы уже чувствуем.
— То есть элемент в своем гнезде в таблице пока сидит, но при детальном рассмотрении видно, что он из него уже готов выпрыгнуть?
— Например, 112-й элемент, коперниций, уже отличается от находящейся прямо над ним ртути, а 114-й, флеровий, от свинца. И сейчас все говорят, и даже много статей уже опубликовано, что 118-й так же должен отличаться от радона, — и вообще неизвестно, представляет ли он собой, как ему по группе положено, также благородный газ.
— А чем же он может быть, металлом?
— Возможно, твердым телом. Хотя все его предшественники от гелия до радона были газами при комнатной температуре. Но есть вероятность, что вести себя он будет все-таки как благородный газ.
— Твердое тело, которое будет, подобно газу, заполнять весь доступный объем?
— Это, конечно, вряд ли, но как благородный газ это твердое вещество будет химически инертным. У благородных газов, как известно, последняя электронная оболочка замкнута, там нет места для того, чтобы принять еще один электрон и тем самым сделать атом отрицательно заряженным. А 118-й, по расчетам, принять может. Связь у этого дополнительного электрона будет слабая, но она будет, хотя у всех предыдущих благородных газов она отсутствует. Такие, пока небольшие, отличия наблюдаются у синтезированных сверхтяжелых элементов.
— По шажочку...
— Да, конечно. Пока мы так дошли до 118-го. Со следующим, 119-м, будет еще интереснее, там произойдет перескок из последнего ряда в первый.
— Из благородных инертных газов — в щелочные металлы.
— В химическом поведении большое изменение. Мы думаем, что оно будет проявляться, хотя и не столь сильно, как если бы не было «релятивистского эффекта». На этом пороге мы сейчас находимся.
Неэкономная экономика
— Синтез новых элементов занимает много лет и стоит огромных денег. На какую отдачу от них мы можем рассчитывать?
— Во-первых, не таких уж огромных средств. Почему-то все затраты на создание нового научного оборудования всегда кажутся непомерно большими. Видимо, сравнивают по старинке с пробиркой или пинцетом. Я бы сказал, что скорее больших
людских усилий, чем денег. Постановка же вопроса об отдаче в научном поиске неверна в корне. Не стоит думать, что когда мы идем к сверхтяжелым элементам, прикладной эффект появится в тот момент, когда мы их найдем. Совсем не так. На пути к заветной цели, долгом (годы, десятилетия) и трудном, приходится решать целый ряд задач, неведомых до этого ни науке, ни технике. Пока их не преодолеешь, не пройдешь дальше. Собственно, это и занимает время и силы экспериментатора. И этот этап работы — основной. Он связан непосредственно с научно-техническим прогрессом, и сам он — его часть. Работа в этот период несет новое качество, возникают кардинально новые подходы, позволяющие достигнуть этого качества (огромной чувствительности, высокого быстродействия, исключительной точности, большой скорости переработки громадных массивов информации и пр.). Теперь, кажется, мне не надо объяснять пользу этой деятельности для общества. Однако если бы у вас не было путеводной звезды, которая в этом направлении зовет, вы бы туда просто не пошли и этих задач, по крайней мере сейчас, не решили. Теперь часто и открыто говорят, что стратегически нет ничего более выгодного, чем вложение в науку. Потому что таким образом в нее вовлекается молодежь, отбираются способные молодые люди, которые потом в решении этих фундаментальных задач создают самые передовые технологии. Примеров тому масса, наиболее характерный и всем понятный — интернет. Кто бы им занимался в середине прошлого века, если бы не возникла проблема обработки гигантских массивов многомерных экспериментальных данных, поступающих ежесекундно со сложных устройств?
— То есть интернет стал побочным продуктом больших фундаментальных исследований?
— Мне странно слышать такое определение интернета сегодня. Он уже давно имеет свою самостоятельную жизнь и далеко не побочную ценность для общества. Суммарный положительный эффект от его создания уже многократно превзошел, казалось бы, колоссальные фундаментальные вложения в исследования, ради которых он в конце 1960-х гг. был создан. И примеров такого сорта — пусть, быть может, не такого масштаба — достаточно много. Это как корабль, на котором флаг какой-то державы, идет, скажем, к острову и тянет за собой невод. Среди того, что попадает в невод, есть вещи, которым нет цены.
— То есть вы по пути к острову стабильности тоже тянете такой невод?
— Конечно. Несколько синтезированных нами новых атомов не представляют для общества практической ценности. Полезными будут попутно решаемые задачи и создаваемые высокие технологии.
— Но ведь и в конечном продукте должна быть ценность. Так зачем человечеству нужны сверхтяжелые элементы?
— Я уже говорил, что у нас пока нет строгой теории строения ядерного вещества, но есть теоретические модели. По этим моделям, как по кочкам, мы двигаемся все дальше и дальше в познании ядерной материи. И каждый шаг, если мы его сделали правильно, дает нам возможность предвидеть дальнейшее развитие. Проверка предсказания о существовании острова стабильности, состоящего из ранее неизвестных сверхтяжелых нуклидов, их физические и химические свойства — это, по существу, строгий экзамен наших знаний о строении атома, а особенно знаний о самых тяжелых атомах вблизи границ их существования. И если мы познаем структуру ядра и атома, то шагнем в новую эру.
— У нас появится новая ядерная энергетика?
— У нас много чего нового появится. Новая ядерная физика, новая космология... Пока я получаю удовлетворение лишь от того, что этот остров действительно есть и мы до него дошли.
— Но ведь могло случиться так, что его и нет?
— Даже не знаю, как бы мы выходили из этого положения. Это бы значило, что мы шли по неверному пути, и надо было бы рассматривать другие сценарии ядерной теории.
— Когда-то академик Л.А. Арцимович сказал, что наука предоставляет уникальную возможность удовлетворения собственного любопытства за государственный счет.
— Конечно, это мечта, чтобы тебе профинансировали осуществление того, что ты задумал и на что у тебя средств не хватает.
Впрочем, их всегда не хватало, и я думаю, что это даже хорошо. Недостаток средств развивает фантазию, это чрезвычайно важно.
— Но кризис-то на науке сказывается?
— Наука существует долго, она пережила инквизиции, эпидемии, войны, кризисы — и тем не менее дошла до наших дней.
Русский Леонардо
— Д.И. Менделеев создал свой периодический закон и знаменитую Периодическую систему химических элементов задолго
до того, как стало известно, как эти самые элементы устроены. У него был минимум предпосылок, а его теория была гениальной догадкой?
— Естествознание есть, по сути, познание окружающего нас материального мира. Мы пытаемся понять, по каким законам он существует (законы природы), откуда берет начало (Большой взрыв), в каком направлении идет его развитие (эволюция Вселенной). Словом, он есть и мы его изучаем. Но если сегодня что-то неясно, то это вовсе не значит, что оно останется неясным навсегда. Рано или поздно ответ будет найден. А гениальность ученого заключается в том, что он это понял чуть раньше других. Как бы раньше своего времени, когда фактов еще было мало.
— В распоряжении Менделеева было всего 63 элемента. Если бы не было его гениальной догадки, люди через некоторое время нашли бы 64-й, потом 65-й, 66-й, и после каждой из этих ступенек существование периодического закона
становилось бы все заметнее. Даже если и тогда до него никто бы не додумался, в конце концов кто-то, необязательно Резерфорд, создал бы планетарную модель атома, из которой этот закон вытекал бы как следствие.
— Тут зависимость обратная: планетарная модель атома была предложена Эрнестом Резерфордом спустя 42 года после публикации работы Д.И. Менделеева. И это тоже было гениальным. Вообще, то, что создается в науке, имеет относительную ценность, потому что рано или поздно это все равно будет понято. Ценность в том, что понятое значительно раньше дает сильный толчок для дальнейшего познания. В то же время в отличие от относительных ценностей науки ценности искусства абсолютны.
Мы знаем много гениальных художников, скажем, Диего Веласкеса. Были художники до Веласкеса, были и после, но не было и не может быть Веласкеса второго. В этом смысле то, что создал он, имеет абсолютную ценность.
— Менделеев умел совмещать и то и другое.
— Я бы сказал, что Дмитрий Менделеев — это русский Леонардо да Винчи. Удивительный человек, которого интересовало все. Периодический закон и периодическая таблица — это общеизвестно. Но есть еще, например, его идеи о происхождении нефти или изобретение бездымного пороха. Когда ему надо было посмотреть на солнечное затмение, он поднялся в пасмурный день на аэростате над облаками, хотя у него до этого не было никакого опыта воздухоплавания.
— И рисовал он неплохо.
— И круг общения у него был широчайший. В него входили не только ученые, но и литераторы, музыканты, художники, политики, военные, предприниматели. Если вы не были в музее-архиве Д.И. Менделеева в Санкт-Петербургском университете, советую посетить. Там есть большой круглый стол, накрытый белой скатертью. К нему приходили гости, они сидели, обедали или ужинали, беседовали, а перед уходом Менделеевы просили каждого гостя расписаться на этой скатерти. Потом его супруга эти автографы вышивала. Это потрясающая коллекция имен: И.Е. Репин, М.П. Мусоргский, русская интеллектуальная элита того времени. Когда Г.Н. Флерову исполнилось 75 лет, мы решили подарить ему что-то, связанное с делом всей его жизни — химическими элементами. Я поехал в нефтяной техникум Ленинграда, расположенный на Хрустальной улице, в доме No 14, в здании бывшей Школы химиков, созданной Д.И. Менделеевым. Он подарил этой школе свою личную библиотеку. Библиотека и была предметом моего интереса. Я обратился к директору техникума с просьбой продать нам несколько книг в подарок академику Г.Н. Флерову. Мы готовы были купить всю библиотеку и сохранить ее в нашей лаборатории. Но директор сказал, что продавать эти книги он не может, и предложил нам книги из библиотеки по моему выбору в обмен на современные учебники по органической химии, которых им не хватает. Пошли смотреть библиотеку.
К моему удивлению, там не было ни одной книги на русском языке. Все книги в библиотеке Д.И. Менделеева были на немецком, французском, английском. Не было тогда на русском серьезных научных книг по химии! Только в 1877 г. вышла его толстая книга на русском языке «Основы химии». Я держал эту книгу в руках на Менделеевском съезде в сентябре 2019 г. Такое чувство, что Д.И. Менделеев создал не только Периодическую систему химических элементов, но и российскую химию.
Беседовал Валерий Чумаков
