«В Дубне можно воспроизвести сотворение мира»
Зачем нужны новые элементы, о которых мало кто знает, кроме физиков-ядерщиков, вписывающих их в периодическую таблицу Менделеева? Академик Юрий Оганесян, посвятивший жизнь охоте за флеровиями и оганесонами, объяснил «Огоньку», что это — наш шанс разгадать устройство мира. А заодно объяснил, как это знание его изменит.
Российские физики готовы приступить к синтезу 119-го и 120‑го элементов периодической таблицы Менделеева. На вопрос «зачем?» отвечают так: это позволит расширить наши знания о материи и, возможно, поправит сам периодический закон Менделеева в области очень тяжелых, еще не открытых элементов. Что нужно для решения этой задачи? В подмосковной Дубне в Объединенном институте ядерных исследований уже построили новую лабораторию, которую назвали «Фабрика сверхтяжелых элементов». Хотя на самом деле на фабрику все это похоже не очень. Тысячи причудливо изогнутых труб самого разного диаметра, соединяющих части установки, создают технологичный геометрический рисунок, напоминая кадры из научно-фантастических фильмов. В трех залах с высокой степенью радиационной защиты расположено новейшее экспериментальное оборудование — различные установки с магнитами, камерами, детекторами… Центр «Фабрики» — новый ускоритель ДЦ-280. Эксперименты, которые тут планируют проводить, тоже вполне научно-фантастические: ученые собираются получать ядра элементов, которых нет в природе. На их установке каждую секунду происходят десятки триллионов ядерных реакций. Чтобы получить новое вещество, ученые обстреливают ядро«мишень» ядрами-«снарядами». «Снаряды» разгоняются до гигантской скорости в 25 тыс. км/с, а затем врезаются во вращающееся колесо с секторами из титановой фольги, на которую нанесены миллиграммы вещества-мишени. В сепараторе легкие атомы, как в мелком сите, отделяются от тяжелых, тем более от сверхтяжелых элементов, которые так интересуют физиков. Сложность в том, что образование нового элемента — редкий процесс, поэтому результата иногда приходится ждать годами. Больше всего на эффективность работы влияет интенсивность пучка — в новом ускорителе она в десять раз больше, чем была в ускорителях предыдущих. Для того чтобы проверить работу новой машины, в Дубне уже готовы воспроизвести эксперимент с получением открытых ранее 114-го и 115-го элементов (флеровия и московия), а потом пойдут дальше. Будущие эксперименты в Дубне станут важным тестом современной теории ядер и атомов.
— Юрий Цолакович, ученым известно 118 элементов — от водорода до оганесона. За последние 15 лет в Дубне синтезировали пять новых элементов, теперь Россия — лидер этого научного направлении. Почему для поиска последующих элементов пришлось прервать работу и строить новую мега-установку?
— Потому что на старой ничего нового мы бы уже не сделали. По своим параметрам, прежде всего по наработке сверхтяжелых атомов, «Фабрика» превосходит все, что есть в этой области в мире. Это открывает новые возможности как в синтезе новых элементов, так и в детальном изучении их свойств. Например, раньше мы получали в среднем всего один атом 118-го элемента в месяц. «Фабрика» же позволит получать уже десятки атомов. Также мы планируем изучить другие недавно открытые элементы — коперниций (112), флеровий (114) и московий (115), о свойствах которых пока известно немного. Считается, что элементы 113–118 могут прояснить процесс образования элементов в природе, а синтез 119-го и 120-го элементов позволит нам открыть восьмой ряд таблицы Менделеева и продвинуться к еще более тяжелым. Пока мы о них ничего не знаем. Возможно, эти элементы откроют нам неизвестную и яркую область химии. Но, чтобы туда добраться, нужно придумать новые подходы их получения и изучения их свойств.
— В чем принципиальная сложность в получении следующих элементов?
— Ситуация, действительно, такова: чем тяжелее элемент, тем сложнее его получить. Чтобы создать ядро нового элемента, взаимодействующие ядра «снаряда» и «мишени» должны слиться друг с другом, стать целым. Для этого им надо подойти друг к другу достаточно близко, чтобы включились в игру короткодействующие ядерные силы, иными словами — произошло сильное взаимодействие. Для этого ядро «снаряда» нужно сначала разогнать до огромной скорости, в 0,1 скорости света, чтобы преодолеть отталкивание двух положительно заряженных ядер — «мишени» и «снаряда». Сегодня основная проблема в том, что мы используем в качестве мишеней искусственные элементы тяжелее урана, которые получают на ядерных реакторах с высоким потоком нейтронов. В мире существуют два подобных реактора. Один в Ок-Ридже, США (именно здесь был впервые произведен плутоний для амери-канской атомной бомбы.— «О»), второй у нас — в Димитровграде Ульяновской области. Но самый тяжелый элемент, который можно наработать на этих реакторах в необходимом количестве,— калифорний (элемент 98). (Калифорний-252 — самый дорогой промышленный металл в мире, один его грамм стоит четыре миллиона долларов.— «О».)
— Теперь вам надо менять «снаряд»?
— Да, именно так. 118-й элемент мы получили при слиянии ядер кальция-48 и калифорния. Теперь вместо чрезвычайно эффективного кальция нужно брать более тяжелый элемент. Следующим в таблице Менделеева стоит титан, но с ним, как мы убедились, эффективность получения сверхтяжелых элементов сразу падает.
— Но сейчас на «Фабрике» вы будете использовать как раз титан?
— Да, получить 120-й элемент мы надеемся, сталкивая титан с калифорнием. Мишень из изотопов калифорния уже готовят наши коллеги из Национальной лаборатории в Ок-Ридже (США). Затем будем использовать реакцию слияния титана с берклием для получения 119-го элемента. С берклием работать сложнее, он быстро распадается: его количество убывает вдвое через 320 дней!
Остров сокровищ
— Часто говорят об «острове стабильности», подобраться к которому физики мечтали десятки лет. Что он собой представляет?
— Сначала это была теория, которая, без преувеличения, создавалась в конце 1960-х всеми теоретиками мира. До этого долгое время считалось, что, если в периодической таблице переходить от урана, элемента с порядковым номером 92, к элементам с более высокими номерами, продолжительность их жизни будет стремительно уменьшаться. И уже на 100-м элементе они прекратят свое существование. Считалось, что такое движение ведет к пределу существования материального мира.
Однако из новой теории следовало, что далеко за пределами известных в то время тяжелых радиоактивных элементов, там, где по старой теории ядра существовать не могут, будет большая область так называемых сверхтяжелых элементов, значительно более стабильных, чем их легкие предшественники.
— То есть теоретически они могли бы существовать в природе?
— Да, именно так. После этих прогнозов во всем мире начался настоящий бум: сверхтяжелые трансурановые элементы искали в космических лучах, в метеоритах, в лунных и земных образцах. Их пытались синтезировать в мощных атомных реакторах. Затем в мощных ядерных взрывах (пять попыток предприняли в США). К сожалению, эти усилия не привели к результатам.
— А когда начали синтезировать на ускорителях?
— Параллельно в других крупных ядерно-физических лабораториях мира ставились эксперименты по искусственному синтезу гипотетических сверхтяжелых элементов. Мы тоже были заняты этой проблемой. Но целых 15 лет напряженной работы также не дали результатов. Анализируя причины неудач, мы решили кардинально изменить подход к синтезу сверхтяжелых. И решили в качестве ядра-«снаряда» взять редкий и чрезвычайно дорогой изотоп —кальций-48.
— Недавно вице-президент Лондонского королевского общества опубликовал видео, где был показан прозрачный пузырек с белым порошком, говорилось, что это одно из самых дорогих веществ на Земле: шесть граммов кальция-48 стоимостью полтора миллиона долларов.