Кандидат физико-математических наук Наталия ТЕРЯЕВА, журналист

28 февраля 2010 г. в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) закончился продолжительный эксперимент по синтезу нового химического элемента. Теперь он займет пустовавшую до сих пор 117-ю ячейку в Периодической таблице Д. И. Менделеева. Синтез осуществлен в реакции ускоренных ионов кальция-48 с уникальной мишенью из изотопа искусственного 97-го элемента - берклия-249, наработку которого произвели на самом мощном в мире атомном реакторе HIFR в Окриджской национальной лаборатории (США). Руководитель работы академик Юрий Оганесян в беседе с Наталией Теряевой подвел ее итог.

- Юрий Цолакович, самый волнующий общество вопрос: что даст человечеству это открытие физиков-ядерщиков?

- С древних времен люди задавали вопрос: где границы окружающего мира? Сначала они рисовали его в виде диска, лежащего на спинах слонов, потом - в форме купола... И каждая из картинок находилась в согласии с физическими и философскими представлениями конкретной эпохи. И когда в 1911 г. появилась планетарная модель атома*, предложенная английским физиком Эрнестом Резерфордом, ученые предсказали: больше 137 химических элементов быть не может. Это следовало из структурной модели атома

* Модель атома, предложенная Резерфордом, напоминает Солнечную систему: в центре находится положительно заряженное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны с отрицательным зарядом. Заряд ядра, численно равный порядковому номеру в Периодической таблице Д. И. Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов (прим. ред.).

в предположении, что его ядро является точечным. Однако когда выяснилось, что это не так, граница мира химических элементов стала отодвигаться.

К концу XX в. физики открыли 17 искусственных элементов, и каждый раз убеждались: по мере продвижения в сторону более тяжелых элементов время их существования резко уменьшается - ядро начинает все быстрее распадаться. При переходе от 92-го (урана) к 102-му (нобелию) период его полураспада сократился на 16 порядков: от 4,5 млрд. лет до нескольких секунд. Значит, сделали вывод исследователи, даже незначительное продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования и фактически обозначит границу материального мира. Ее вычислили теоретики, описывая атомное ядро по аналогии с каплей заряженной жидкости (отсюда и название - капельная модель ядра). А капля, как известно, большой не бывает и имеет конечный размер. Причем с увеличением заряда капли возрастает вероятность ее самопроизвольного (спонтанного) деления на две части, что и приводит к гибели последней, не позволяя продвигаться к более тяжелым элементам.

- То есть открытие 117-го элемента раздвинуло границы, за которые раньше человечество не могло заглянуть?

- Еще в конце 1960-х годов физики разных стран выдвинули неожиданную гипотезу о существовании так называемого "острова стабильности"* на карте атомных ядер - там, где элементов уже не должно быть. Его "население", по предсказаниям ряда теоретиков, состоит из сверхтяжелых элементов с номерами от 110-го до 120-го и, быть может, еще более тяжелого. Время их жизни, по расчетам специалистов, должно существенно возрастать по мере увеличения в их ядрах количества нейтронов. Самые долгоживущие из них содержат 184 таких частиц. Для сравнения: ядро урана, самого тяжелого элемента в окружающем нас мире, имеет 146.

- Значит, эксперимент по синтезу 117-го элемента - проверка этой гипотезы?

- Да, еще одна, но не первая. До этого мы уже синтезировали сверхтяжелые ядра новых элементов с

* См.: Е. Молчанов. В поисках "островов стабильности". - Наука в России, 1999, N 3 (прим. ред.).

Карта изотопов с атомными номерами Z ≥ 70; для элементов с атомными номерами Z ≥ 112 и числом нейтронов N ≥ 65 приведены теоретические предсказания периодов полураспада гипотетических сверхтяжелых атомов.

атомными номерами от 112-го до 116-го и 118-й с большим избытком нейтронов*.

- А раньше, до ваших опытов, данное предположение проверяли?

- Конечно, пытались! С 1970 по 1985 г. многие крупные лаборатории мира предпринимали попытки получить тяжелейшие ядра, для которых ожидалось значительное возрастание времени их жизни. Но все они оказались тщетными - в таком сложном деле результат приходит не сразу. В 1975 - 1996 гг. нам и коллегам из ускорительных центров в Дармштадте (GSI, Германия), Токио (RIKEN, Япония) и Беркли (LBNL, США) наконец удалось синтезировать 6 новых элементов. Самые тяжелые от 109-го до 112-го впервые получили в GSI и повторили в RIKEN. Японские физики попытались пойти дальше: они в течение 240 дней непрерывного облучения висмутовой мишени ионами цинка-70 зарегистрировали всего два события, относящихся, предположительно, к распаду 113-го элемента. Однако периоды полураспада наиболее тяжелых ядер, полученных в этих реакциях, составляли лишь десятитысячные и тысячные доли секунды. Из-за недостатка нейтронов они располагались далеко от "острова стабильности".

Гипотезу о существовании сверхтяжелых элементов впервые подтвердили в нашей Лаборатории. Я бы уточнил: эту теорию вообще можно было проверять только для ядер сверхтяжелых элементов, обладающих значительным избытком нейтронов. Именно там, согласно нашим представлениям, мог располагаться гипотетический "остров стабильности".

- Как удалось сделать то, что оказалось не под силу вашим зарубежным коллегам?

- Мы кардинально изменили подход к синтезу сверхтяжелых ядер. Вместо свинца и висмута, применявшихся как мишенный материал в иностранных лабораториях, мы использовали мишени из изотопов искусственных трансурановых элементов, обладающих большим избытком нейтронов. В качестве "снаряда" выбрали исключительно редкий и весьма дорогой изотоп 20-го элемента - кальция с массой 48, ядро которого имеет 8 дополнительных нейтронов по отношению к основному изотопу этого элемента - кальцию-40. На дубненском ускорителе тяжелых ионов У-400 получили его интенсивный пучок. Материал мишени - изотопы плутония, кюрия и калифорния (элементы 94, 96 и 98) - был наработан на мощных реакторах Окриджской национальной лаборатории (США) и Научно-исследовательского института атомных реакторов в городе Димитровграде (Ульяновская область).

Результаты, полученные в экспериментах 2000 - 2004 гг., превзошли самые оптимистические ожидания: в течение 5 лет именно в реакциях на пучке ионов кальция-48 мы впервые синтезировали сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114-й, 116-й, 118-й и показали: они живут в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники. Иными словами, мы наконец-то вступили на "остров" и почувствовали под ногами твердый грунт (кстати, через 5 - 8 лет результаты Дубны по синтезу 112-го и 114-го повторили и в других лабораториях мира).

Самые интригующие данные мы ожидали при получении элементов с нечетными атомными номерами, в частности, 113-го, 115-го и 117-го. Теоретики предсказывали: 117-й должен испытывать альфа-распад (испускать ядро гелия) и трансформироваться в 115-й, а тот, в свою очередь, в результате аналогичного распада - переходить в 113-й. И только затем можно было ожидать появление 111-го. Словом, опытным путем мы могли наблюдать ядерные превращения в нескольких поколениях последовательного распада нового элемента до тех пор, пока процесс испускания альфа-частиц не оборвется на ядре, которое "разваливается" на две части. Этот момент означал бы, что мы подошли к береговой линии, дальше - "море нестабильности". Постановка эксперимента, о котором сейчас идет речь, приобрела реальные очертания

* См.: Ю. Оганесян. Ядерная физика - воплощение алхимии? Наука в России, 2008, N 1 (прим. ред.).

лишь после успешного завершения в Дубне всего цикла работ по 115-му и 113-му.

- Как же проходил синтез 117-го?

- Дело в том, что его можно получить только с использованием мишени из изотопа искусственного 97-го элемента - берклия-249, его период полураспада составляет всего 320 дней. Из-за короткого времени жизни наработку последнего в требуемом количестве (около 20 - 30 мг) необходимо вести на установке с очень высокой плотностью потока нейтронов. Такая задача по плечу только изотопному реактору Окриджской национальной лаборатории (кстати, здесь в рамках Манхэттенского проекта в 1943 г. впервые был произведен плутоний для американской атомной бомбы). Кроме ее специалистов, в эксперименте в Дубне участвовали также американские физики из Ливерморской национальной лаборатории (штат Калифорния), Университета Вандербильта (штат Теннесси) и наши соотечественники из упомянутого НИИ атомных реакторов. Между этими пятью группами, действующими на разных континентах, быстро установился рабочий контакт. Из-за временного фактора (повторю: с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней!) подготовку к опыту вели в достаточно высоком темпе. Причем так действовали не только в физических лабораториях. Официальные структуры России и США, связанные с вопросами сертификации необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности, тоже работали весьма оперативно.

- Какова хронология эксперимента?

- За 250 дней в Окридже к концу декабря 2008 г. наработали требуемое количество вещества для мишени. Три месяца облученный образец "остывал", потом в два этапа из него выделили и очистили от посторонних примесей 22,2 мг изотопа берклия-249. В начале июня 2009 г. контейнер прибыл в Москву. Затем его доставили в Димитровград, где специалисты НИИ атомных реакторов изготовили мишень в виде тончайшего слоя берклия (300 нм), нанесенного на титановую фольгу. В июле 2009 г. 6 таких пластин общей площадью 36 см, укрепленных на диске, который должен был вращаться со скоростью 1700 об/мин, доставили в Дубну. К этому моменту все подготовительные работы в нашей Лаборатории были завершены, и после краткосрочных испытаний началось непрерывное облучение мишени интенсивным пучком кальция-48.

- Можно ли схематически описать процесс непосредственного получения ядер нового элемента?

- Образовавшиеся в слиянии берклия (97-й элемент) и кальция (20-й элемент) ядра во время облучения отделяются в сепараторе от огромного количества побочных продуктов реакции и через одну микросекунду попадают в детектор, регистрирующий их распад.

Уже при первом 70-дневном облучении мишени из изотопа берклия-249 нам сопутствовала удача: электронные устройства 5 раз регистрировали идентичную картину образования и распада ядер 117-го элемента. Как и ожидалось, они испускали альфа-частицу и трансформировались в ядра 115-го. В результате второго распада тот превращался в 113-й и затем переходил в 111-й, испытывавший спонтанное деление с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе - это огромное время!

- Насколько однозначно определили, что получили искомый элемент?

- Поскольку каждое ядро в цепочке распада, состоящей из четырех ядер, измеряется по трем параметрам, и подобные цепочки были зарегистрированы 5 раз в течение эксперимента, то любые случайности, имитирующие образование и распад 117-го элемента, исключены.

- Что нового удалось узнать о продуктах распада?

- Например, что "внучатое" ядро с атомным номером 113 оказалось более чем в 10 раз стабильнее соседнего изотопа, полученного ранее в эксперименте по синтезу 115-го элемента. А период полураспада 111-го - "правнука" 117-го - по сравнению с его изве-

стным изотопом, у которого всего на 3 нейтрона меньше, увеличился примерно в 6000 раз! Различие стало бы еще большим, если бы цепочку распадов не оборвало спонтанное деление. Фактически полученные данные обозначили не только факт синтеза нового элемента, но и значительное удлинение жизни продуктов его распада по мере подъема к вершине "острова стабильности". Теперь можно изучать их химические свойства. Подчеркну: с той стороны, откуда мы подошли к заветному острову, исследования заметно расширились. А значит, наши представления о строении ядра стали ближе к истине. Ведь точной его модели и строгой теории ядерных взаимодействий, столь же понятной, как и электромагнитные взаимодействия, пока не существует. Мы постепенно пополняем наши знания, но все еще далеки от полного понимания природы ядерных сил.

- Похоже, ядерная физика чем-то напоминает медицину - обе науки движутся опытным путем к познанию законов природы...

- Удовлетворение исследователь получает, когда видит, что предсказание, ради проверки которого и ставился эксперимент, оказалось правильным, или наоборот - совершенно неожиданным. Мы получили ожидаемый результат, а значит, сделали еще один шаг на верном пути.

ИЗ ОТЗЫВОВ КОЛЛЕГ

Д-ру Юрию Оганесяну

Прекрасная статья в PRL* по синтезу 117-го элемента! Ваше использование ²⁴⁹Bk-мишени с периодом полураспада всего 0,88 лет представляет демонстрацию мастерства. Поздравляю вас и вашу группу. Я с нетерпением жду деталей этой работы в выходящем номере PRL.

Искренне ваш, Чарлз Виттен, профессор физики Калифорнийского университета

Участникам открытия 117-го элемента

Я изумлен и восхищен работой, проделанной вашей группой. Это поразительно, и я приношу свои самые искренние поздравления по случаю очень трудного и исключительно важного эксперимента, с окончанием которого заполнился седьмой ряд Периодической таблицы. Все участники вашей группы стали теперь частью истории, и я горжусь вашими успехами.

Альберт Гиорсо, ведущий специалист США по трансураном, соавтор открытия ряда новых химических элементов

Участникам открытия 117-го элемента

Это значительный прорыв в науке. Открытие нового элемента проливает свет на строение материи и являет собой силу науки и технологий в институтах-партнерах.

Джордж Миллер, директор Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (США)

Академику Ю. Ц. Оганесяну Профессору М. Г. Иткису Профессору С. Н. Дмитриеву Коллективу Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова

Мне очень приятно от лица нашего многотысячного интернационального коллектива поздравить вас с успешным окончанием большого цикла исследований, увенчавшимся открытием 117-го элемента таблицы Д. И. Менделеева, новыми данными о свойствах "острова стабильности" в мире трансфермиевых элементов, подтверждением эффективности научных методов, разработанных в школе выдающегося ученого - академика Г. Н. Флерова.

Это блестящее научное достижение явилось результатом самоотверженной работы ученых-экспериментаторов и теоретиков, методистов, инженеров, техников, рабочих и специалистов Лаборатории, а также сотрудничающих научных центров и лабораторий ОИЯИ - коллектива, признанным научным лидером которого сегодня является академик Юрий Цолакович Оганесян.

Ваши открытия являются предметом гордости и достоянием всего нашего Объединенного института ядерных исследований, а, вообще говоря, и мирового научного сообщества.

Алексей Сисакян, директор ОИЯИ

P.S. Когда материал готовился к печати, из Дубны пришло печальное известие: 1 мая 2010 г. академик Алексей Норайрович Сисакян - известный физик-теоретик, член Президиума Российской академии наук, с 2006 г. возглавлявший институт в Дубне - один из крупнейших в мире исследовательских центров в области ядерной физики, скончался на 66-м году жизни.

* PRL (Physical Review Letters) - один из самых престижных журналов в области физики, издающихся Американским физическим обществом (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: