Петр Образцов - Удивительные истории о веществах самых разных

Следующие в Периодической таблице после плутония (номер 94) элементы уже точно не открывали, а синтезировали путем выстреливания ядрами одного элемента в ядра другого так, чтобы сумма протонов в новом ядре после слияния равнялась номеру искомого элемента.

Наш рассказ поневоле суховат, но, если задуматься, эта отрасль ядерной физики вызывает неподдельный восторг – во‐первых, перед мастерством ученых, а во‐вторых, перед стройностью мироздания. Авторы этой книги расходятся по вопросу о сотворении мира и (признаемся) нередко поддразнивают друг друга, поскольку один из них верит в «поповские сказки» и в «старичка с бородой, обитающего в стратосфере», а второй полагает, что если над мусорной свалкой долго будут бушевать грозы, то рано или поздно из бытовых отходов путем эволюции спонтанно возникнут птица Феникс, гепард и писатель Владимир Сорокин. Кто бы ни сотворил нашу Вселенную, однако поразительна свойственная этому творению экономия. Ну да, Вселенная бесконечна – но состоит она из чрезвычайно ограниченного количества химических элементов и элементарных частиц (не считая темной материи и темной энергии, в которых до сих пор не могут разобраться даже специалисты). Так что, создавая новые элементы, мы как бы соперничаем с Творцом (или Матерью-Природой). А это не может не волновать, поскольку многие поколения поэтов сокрушались своей подвластности раз и навсегда установленному миропорядку. Вот, например, классическое стихотворение Евгения Баратынского на эту тему:

Итак, мятежные мечты… В 2009 году в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова дубненского Объединенного института ядерных исследований успешно завершился эксперимент по синтезу нового химического элемента с атомным номером 117. Это было сделано путем обстреливания мишени из искусственного элемента берклия (№ 97) пучком снарядиков из исключительно редкого и дорогого изотопа кальция (№ 20) с массой 48. При слиянии ядер получается элемент № 117 (97 + 20 = 117).

Свойства 117‐го и ранее синтезированных в Дубне элементов 112 – 116 и 118 являются прямым доказательством существования так называемого «острова стабильности» сверхтяжелых элементов, предсказанного теоретиками еще в 60‐е годы прошлого века и существенно расширяющего пределы таблицы Менделеева. После открытия в 1940 – 1941 годах первых искусственных элементов – нептуния и плутония вопрос о пределах существования элементов стал исключительно интересным для фундаментальной науки о строении материи. К концу прошлого века были открыты семнадцать искусственных элементов и обнаружено, что их ядерная стабильность резко уменьшается с увеличением атомного номера: при переходе от 92‐го элемента – урана к 102‐му элементу – нобелию период полураспада уменьшается от 4,5 миллиарда лет до нескольких секунд. (Существование ломовых лошадей высотой в 10‐этажный дом, описанных Владимиром Сорокиным в его забавной повести «Метель», вряд ли возможно в условиях силы тяжести Земли; подобная лошадка будет нуждаться в слишком прочном скелете, который, в свою очередь, потребует небывалой мускульной системы, – и так далее. Примерно таким же образом совокупность существующих законов физики приводит к тому, что с определенного момента тяжелые элементы начинают как бы разваливаться под собственной тяжестью. Это, конечно, метафора, дело совсем не в гравитации – но вы нас понимаете.) Поэтому считалось, что продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования и обозначит границу существования материального мира . Однако в середине 60‐х годов теоретиками неожиданно была выдвинута гипотеза о возможном существовании сверхтяжелых атомных ядер. Согласно расчетам, время жизни ядер с атомными номерами 110 – 120 должно было существенно возрастать по мере увеличения в них числа нейтронов, что должно привести к существованию обширного «острова стабильности» сверхтяжелых элементов.

В 1975 – 1996 годах физикам Дубны, Дармштадта (Институт GSI, Германия), Токио (Институт RIKEN) и Беркли (Национальная лаборатория им. Лоуренса, США) удалось синтезировать шесть новых элементов. Наиболее тяжелые элементы 109 – 112 были впервые получены в GSI, а затем – в RIKEN. Но периоды полураспада наиболее тяжелых ядер, полученных в этих экспериментах, составляли всего лишь десятитысячные или даже тысячные доли секунды. Гипотеза о существовании сверхтяжелых элементов впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, в сотрудничестве с учеными из Национальной лаборатории им. Лоуренса. Результаты превзошли даже самые оптимистические ожидания. В 2000 – 2004 годах впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118. И впервые было показано, а через пять – восемь лет повторено и в других лабораториях мира, что они живут в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники.

Что сказать – прекрасный пример международного сотрудничества, куда более осмысленного, чем холодная война. В ядерной реакции с пучком кальция 117‐й элемент можно получить только с использованием мишени из искусственного 97‐го элемента – берклия. Период полураспада последнего составляет всего 320 дней, и поэтому его наработку в требуемом для мишени количестве (20 – 30 миллиграммов) необходимо вести в реакторе с высокой плотностью потока нейтронов. Такая задача по плечу только изотопному реактору Национальной лаборатории США в Оук-Ридже. (Кстати, именно в этой лаборатории, созданной в 1943 году в рамках Манхэттенского проекта, впервые изготовили плутоний для американской атомной бомбы.) Краткость жизни берклия заставляла вести все работы в высоком темпе, причем не только в физических лабораториях, но и в бюрократических ведомствах России и США, связанных с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и так далее.

Достойно приключенческой повести! А потом, в начале июня 2009 года, контейнер с металлом, столь же редчайшим, сколь недолговечным, прибыл в Москву. В НИИ атомных реакторов в Димитровграде была изготовлена мишень в виде тончайшего слоя берклия (300 нанометров), нанесенного на тонкую титановую фольгу, в июле ее доставили в Дубну. Началось непрерывное облучение мишени интенсивным пучком кальция. Уже при первом облучении продолжительностью семьдесят дней ученым сопутствовала удача: детекторы пять раз зарегистрировали картину образования и распада ядер 117‐го элемента. Как и ожидалось, его ядра трансформировались в ядра 115‐го элемента,115‐й элемент превращался в 113‐й, а затем 113‐й элемент переходил в 111‐й. А этот 111‐й элемент разрушался с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе – это огромное время! Так таблица Менделеева пополнилась еще одним из самых тяжелых элементов с атомным номером 117.