Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Экспериментальные результаты по получению и исследованию свойств нового ядерного мира заставляют по-иному посмотреть и на свойства ядерных сил. Здесь, на краях материка стабильности, ядерные силы, как оказалось, не слабеют, а проявляют себя еще очень активно. В области, близкой к пределу устойчивости ядерного вещества, физики обнаружили новые дважды магические ядра, новые области деформированных ядер, новые типы радиоактивного распада.

Короткоживущая связанная система нуклонов, обедненная нейтронами, проявляет себя совершенно необычно для ядерного вещества. Она превращается в излучатель запаздывающих протонов. А ядерная «капля» с большим избытком нейтронов, как говорят теоретики, может повести себя еще более неслыханным доселе образом — испускать пары нейтронов.

— А чем, по путеводителю, кончается линия стабильности в области самых тяжелых ядер?

— Путеводитель предрекал такой же резкий обрыв, знаменующий окончательную и безоговорочную победу сил отталкивания над силами притяжения.

Сорок лет назад периодическая таблица Менделеева заканчивалась 92-м химическим элементом — ураном. Более тяжелых элементов в природе не находили. На ядре урана круто обрывалась и линия стабильности.

Прорыв урановой границы совершил итальянский ученый Э. Ферми. Облучая ядра урана замедленными до тепловых скоростей нейтронами (то есть до скорости, соответствующей тепловому движению молекул при комнатной температуре), Э. Ферми получил первый трансурановый, девяносто третий, элемент — нептуний.

Один за другим семь новых типов ядер были вырваны физиками из небытия, семь новых химических элементов могли изучать химики. Как непрерывно растет площадь Голландии за счет земли, отвоеванной у моря, так удлиняется и таблица элементов за счет искусственно создаваемых новых ядер.

Работа по синтезу трансурановых элементов, вплоть до сотого, названного в честь Э. Ферми фермием, не была особенно затруднительной для физиков. Методика в принципе не отличалась от той, что использовал сам Э. Ферми. Экспериментаторы помещали тяжелые ядра в мощный поток нейтронов, например в ядерный реактор, и выжидали, пока время и бета-распад (распад одного ядерного нейтрона на протон, электрон и нейтрино) не сделают свое дело. И все шло отлично. Тяжелые ядра послушно глотали нейтроны, а после бета-распада исправно превращались в ядра элементов с атомным номером, на единицу большим.

Однако после сотого элемента фермия этот номер неизменно проваливался. Ядро фермия-258 уже не гордилось для получения ядра бета-радиоактивного изотопа фермия-259. Оно самопроизвольно делилось раньше, чем должно было бы выполнить возлагаемые на него обязанности.

Спокойная жизнь кончилась. Физики поняли, что бета-распад им больше не помощник. Для продвижения в трансфермиевую область следовало поискать нового гида. Им стала реакция захвата тяжелым ядром ускоренных альфа-частиц или ядер изотопа водорода — дейтерия.

Альфа-частица приносила в ядро сразу два новых протона, поэтому мишень было можно сделать не из фермия, а из более долгоживущего 99-го элемента, эйнштейния-253. Но где было взять эти тяжелые ядра для мишени? Ни один химик в мире не мог бы выполнить заказ по изготовлению такой мишени. Ядра эйнштейния сначала предстояло «вырастить» в атомном реакторе.

К 1955 году накопилось около 5 · 10 –7микрограмма 99-го элемента, которые и были использованы для синтеза 101-го элемента. И вот в реакции: ядро эйнштейния альфа-частица были получены первые 17 атомов нового, 101-го, элемента, названного менделевием в честь выдающегося русского химика Д. Менделеева.

Но, располагая столь эфемерной мишенью из эйнштейния, экспериментаторы могли получить лишь один атом менделевия в час. Это сколько же пришлось бы ждать, пока накопится достаточное количество ядер для мишени из 101-го элемента?

Ученым стало ясно, что и с помощью легких заряженных частиц далеко не продвинуться.

Надежного проводника в трансфермиевую область они получили только после создания ускорителей тяжелых ионов. И кошмарная проблема выращивания ядер для мишени перестала существовать. В далекую трансфермиевую область можно было проникнуть, облучая мишени из более легких веществ сложными ядрами.

Но выбранный физиками никем еще не пройденный путь на неизвестное расстояние, ведущий по тропе, захлестываемой волнами моря нестабильности, оказался нелегким. Мишени содержали достаточно большое количество вещества, и ускоритель давал интенсивные потоки ионов, а ядра новых трансфермиевых элементов опять возникали, как говорится, в час по чайной ложке. Несколько десятков атомов 102-го элемента в час и только один атом 105-го элемента за десятки часов можно было получить на ускорителе тяжелых ионов, работающем во всю мощь.

Затраченные усилия практически пропадали даром. Реакция деления, как бы насмехаясь над надеждами физиков, подряд «рубила» пополам полученные с такими затратами энергии составные тяжелые ядра. Только незначительной их доле удавалось избежать превращения в легкие ядра и остыть путем испарения нейтронов.

Но маршрут не считается пройденным, если отсутствуют отметки в контрольных пунктах. У физиков, пробирающихся по трансфермиевой области, контрольный пункт — это открытие очередного, более тяжелого ядра. Отметка же о действительно пройденном этапе — это четкое опознание нового элемента, необходимое для присвоения ему порядкового номера в периодической системе.

Необходимо было выполнить сложнейшую работу по определению заряда ядра, массы, времени жизни, вида радиоактивного распада при получении атомов, распадающихся быстрее, чем их удается собрать вместе.

Ничего не получилось бы у физиков, если б не помог закон сохранения энергии и импульса. Тяжелое ядро, захватывая ускоренный ион, одновременно приобретает его импульс и, как барон Мюнхгаузен на пушечном ядре, вылетает из мишени. Остается лишь уловить эти ядра-продукты и транспортировать из зоны облучения в зону анализа химических и физических свойств.

В некоторых экспериментах это делал гелиевый «ветер». Мишень помещалась в камеру, заполненную гелием при давлении в одну атмосферу. Отверстие в полмиллиметра соединяло эту камеру с другой, воздух из которой предварительно откачивался. Газ из первой камеры устремлялся к отверстию, увлекая за собой и выбитые из мишени тяжелые ядра. На расстоянии сантиметра от отверстия струя гелия ударялась в предусмотрительно поставленный там специальный сборник, на котором и оседали новые ядра. Сборник, например алюминиевый обод колеса, перемещался, поднося полученные ядра прямо к счетчикам, регистрирующим радиоактивное излучение от этих нестабильных ядер.