Предыстория синтеза 117-го элемента

Рисунок, на котором в метафорической форме изображена вся предыстория штурма "острова стабильности" сверхтяжелых химических элементов.
Источник: предоставлено Лабораторией ядерных исследований имени Г.Н.Флерова, ОИЯИ (Дубна)

На прошлой неделе, 7 апреля, пришло сообщение о том, что в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) имени Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне успешно закончился эксперимент по синтезу нового химического элемента с порядковым номером 117 (см. «НГ» от 08.04.10). Эксперимент, начавшийся 27 июля 2009-го, продолжался до 28 февраля года нынешнего. В результате было зафиксировано в общей сложности шесть событий рождения ядер нового сверхтяжелого трансуранового элемента. Сегодня можно рассказать о некоторых подробностях этой работы.

Все трансурановые элементы (то есть элементы, имеющие порядковый номер больше 92, который принадлежит урану; отсюда и название) в буквальном смысле – творение рук человеческих. В природе их не существует. Все они получены искусственно, в лабораторных условиях. Впрочем, трудно назвать лабораторными условия, при которых американцы в 40–50-е годы прошлого века синтезировали первые девять трансуранов. В США для этого использовали┘ подземные ядерные взрывы. В радиоактивном облаке термоядерного взрыва и были обнаружены в начале 50-х годов изотопы эйнштейния (99-й элемент) и фермия (100-й).

«Однако получение изотопов с атомными номерами, большими 100, в импульсных нейтронных потоках термоядерного взрыва нам представлялось неперспективным», – отмечал в 1980 году академик Георгий Флеров, инициатор в СССР масштабной программы синтеза и поиска тяжелых трансуранов.

В сугубо физические аспекты проблемы в то время вплетались и вопросы геополитики. Тот же Флеров вспоминал: «После долгих детальных обсуждений с И.В.Курчатовым мы остановились на проблеме синтеза новых трансурановых элементов. Тому было несколько причин. К 1945 году, если использовать спортивную терминологию, счет был 9:0 в пользу США. Со столь разгромным счетом просто нельзя было проигрывать!»

В итоге советские физики предложили синтезировать трансураны не в термоядерных взрывах, а в кольцевых ускорителях, где поток тяжелых частиц бомбардирует специальные мишени. И это дало блестящие результаты: впервые советскими физиками были изучены элементы со 102-го по 107-й.

К концу прошлого века были открыты уже 17 искусственных элементов. Стабильность трансурановых элементов резко уменьшалась с увеличением их атомного номера. При переходе от 92-го элемента – урана к

102-му элементу – нобелию период полураспада ядра уменьшается на 16 порядков: от 4,5 млрд. лет до нескольких секунд. «Поэтому считалось, что даже незначительное продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования, по существу, обозначит границу существования материального мира», – поясняет академик Юрий Оганесян, научный руководитель ЛЯР.

Но тут обнаружилась интересная закономерность: теоретики предсказали, что в окрестностях элемента с атомным номером Z=114 при числе нейтронов в его ядре – 184 должен существовать так называемый «остров стабильности». Время жизни этого гипотетического элемента 184114 оценивается в несколько миллионов лет!

К сожалению, достигнуть пика этого «острова стабильности» – элемента 184114 – практически невозможно. Никакие мыслимые на сегодня реакции синтеза не приводят к такому большому избытку нейтронов в ядре. Но вот оконтурить этот пик, взобраться на его предгорья – это вполне реально.

«Надо пахать этот «остров стабильности» хотя бы на «отрогах» и полученные результаты экстраполировать на вершину, – подчеркивал в беседе со мной Юрий Оганесян еще 10 лет назад, летом 2000 года, после синтеза 116-го элемента в его Лаборатории ядерных реакций. – И если только окажется, что на вершине время жизни ядра может исчисляться сотнями миллионов лет, то тогда необходимо ставить эксперимент по поиску сверхтяжелых элементов в земной коре. Они должны еще в ней сохраниться. Это тем более интересно и важно, что примерно из двух тысяч ядер, известных в настоящее время, лишь 287 нуклидов сохранились в природе с момента нуклеосинтеза».

Большим энтузиастом поиска сверхтяжелых трансуранов в современной биосфере был академик Георгий Флеров. «Так, если сверхъядра делятся спонтанно с периодом полураспада 2х108 лет, то примерно одна миллионная доля таких ядер сохранится в Земле со времени синтеза элементов Солнечной системы», – подчеркивал он в 1980 году в своем докладе на научной конференции. Весь вопрос – где искать эти трансураны.

Флеров предлагал, например, поискать сверхтяжелых долгожителей в веществе мантии Земли, в метеоритах. Перспективными в этом отношении он также считал воды подземных соленых источников, насыщенных тяжелыми элементами; предлагал заняться поиском сверхтяжелых устойчивых ядер космического происхождения, пришедших к нам из других областей космоса, где процессы ядерного синтеза еще не завершены (в Солнечной системе они закончились 5 млрд. лет назад). Очевидно, что для этого понадобилось бы развить и принципиально новую методику таких поисков┘

Любопытно, что нечто похожее предлагали советские фантасты Аркадий и Борис Стругацкие. В своей знаменитой повести «Возвращение. Полдень. XXII век» (1961) они описывают некий Коллектор рассеянной информации (КРИ). «Теоретически любой след можно отыскать и восстановить – и след проникновения света с молекулой в шкуре бронтозавра, и след зубов бронтозавра на древовидных папоротниках. Для отыскания, сортировки, сопоставления этих следов и для преобразования их в привычные формы информации – например, в изображение – был построен Великий КРИ».

Для поиска стабильных трансуранов такой «Коллектор» очень пригодился бы. Впрочем, экспериментальная установка, которая была в распоряжении дубненских физиков, – это и есть своеобразный аналог «Великого КРИ». Эксперименты по синтезу 117-го элемента проводились на ускорителе тяжелых ионов – нуклотрон У-400М в ЛЯРе, в сотрудничестве с национальными лабораториями США в Ок-Ридже и Ливерморе, университетами Вандербильта и Невады (США), а также с Научно-исследовательским институтом атомных реакторов (г. Димитровград Ульяновской области).

Оганесян и его коллеги использовали в качестве материала мишени изотоп 97-го элемента с большим избытком нейтронов – берклий-249. В качестве снаряда был выбран исключительно редкий и весьма дорогой изотоп 20-го элемента – кальция – с массой 48. Образовавшиеся в ядерном слиянии берклия и кальция атомы 117-го элемента отделяются в сепараторе от огромного количества побочных продуктов реакции и через одну микросекунду имплантируются в детекторную сборку, регистрирующую их распад. Созданная для этих целей сверхчувствительная установка – газонаполненный сепаратор ядер отдачи – была разработана в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Чем не Великий КРИ!

Редчайший изотоп берклия-249 поставили в Дубну физики из Национальной лаборатории США в Ок-Ридже. Вес посылки составил 22,2 миллиграмма! Кстати, именно в этой лаборатории, созданной в 1943 году в рамках Манхэттенского проекта, был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы.

Сотрудничество с группой исследователей этой лаборатории под руководством профессора Джеймса Роберто, а также сотрудничество с профессором Джозефом Гамильтоном из Университета Вандербильта (г. Нэшвилл, США) сыграло существенную роль в постановке эксперимента по синтезу 117-го элемента. Это немаловажное обстоятельство, так как в силу временного фактора (с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней!) необходимо было все работы вести в высоком темпе.

Теперь таблица химических элементов Д.И.Менделеева пополнилась одним из самых тяжелых элементов с атомным номером 117. Нынешний эксперимент в Дубне стал очень важным тестом на правильность всей ядерной теории. Полученный результат экспериментально подтверждает факт существования «острова стабильности» сверхтяжелых атомных ядер.

А физики-теоретики уже обсуждают свойства элемента с порядковым номером┘ 400 и числом нейтронов в ядре – 900! Эти гипотетические ядра должны иметь вид пузыря, так называемый bubble-nuclear – центр ядра пустой... Похоже, что ядерная материя действительно неисчерпаема в своих проявлениях.