Магия современной алхимии

Цепочка альфа-распада нового,116-го химического элемента.

Алхимики Средневековья шли по правильному пути. Они понимали, что для того, чтобы превратить в золото какой-нибудь другой металл, ему необходимо сообщить дополнительную энергию, поэтому нагревали, воздействовали химическими реагентами и так далее. Единственное, чего они не учли, это масштаб энергии. Нагревать нужно было не до тысячи градусов, а до десятков миллиардов.

Так считает член-корреспондент РАН Юрий Оганесян из Объединенного института ядерных исследований в Дубне, который уже много лет занимается синтезом новых элементов. Его тоже можно причислить к "алхимикам", причем известным.

В конце минувшего лета некоторые телеканалы объявили о том, что Лаборатория ядерных реакций им. академика Г.Н. Флерова готовится к созданию самого тяжелого элемента - 118-го. Говорилось, что эксперимент начнется чуть ли не в сентябре. Но все немножко затягивается.

Напомним, "НГ" писала примерно два года назад о том, что американские исследователи из Национальной лаборатории в Беркли объявили о получении 118-го элемента. Но через год после того, как в Японии и Германии, а потом и в самом Беркли этот эксперимент воспроизвести не удалось, американцы официально отозвали свое заявление об открытии.

Ну, казалось бы, разобрались и отозвали; грустно, досадно, но внесена ясность в этом вопросе. Ошибаться свойственно всем, особенно когда речь идет о ранее неизведанном. Это неотъемлемая часть научного исследования - так все научное сообщество это событие и восприняло. Но год спустя последовало заявление о том, что здесь была не просто ошибка, а фальсификация, и фальсификатор, приглашенный на работу в Беркли немецкий физик, болгарин по происхождению, Виктор Нинов, уже уволен.

Ученые иногда тоже не ангелы. И фальсификация, один из страшных грехов исследователя, к сожалению, чем-то уж очень необычным не является. Но фальсификация со 118-м элементом, пройди вдруг она без сучка и задоринки, пахла бы уже Нобелевской премией. И это, вне всякого сомнения, самый драматичный и самый непонятный эпизод и без того далеко не простой истории современной алхимии.

Сегодня неправильно было бы представлять историю синтеза искусственных элементов как историю конкуренции двух лабораторий - в Беркли и в Дубне. Потому что сейчас в этой области успешно работают группы в Германии, Франции, Японии. Но исторически эти две были явными фаворитами, и теперь, когда речь идет об одной и той же цели - 118-м элементе, - главное внимание вновь сосредоточено именно на них.

Магия элементов

Идея получения нового элемента на первый взгляд понятна и проста. Вы бомбардируете ядра одного элемента другими - так, чтобы суммарное число протонов в обоих ядрах равнялось желательному номеру в Периодической системе Менделеева. Дальше начинаются трудности - нужны достаточно большие энергии, чтобы ускоренное "ядро-снаряд" преодолело силы электрического отталкивания мишени. Дальше, если они и сольются, необходимо, чтобы новое образование, разогретое до миллиардов градусов, выжило, а не разделилось на два осколка. Все это делает процесс образования нового элемента очень маловероятным. Ситуация осложняется тем, что тяжелые элементы очень нестабильны - время их жизни резко падает с ростом числа протонов в ядре. Если, скажем, период полураспада 94-го элемента - плутония - составляет 25 тысяч лет, то 96-й живет тысячу лет, 98-й - несколько столетий, 102-й - секунды, 104-й - миллисекунды┘

Последнее обстоятельство, конечно, могло бы охладить любопытство. Однако потом появилась гипотеза о существовании "островов стабильности". Теоретики предсказывали, что начиная с некоторого номера - весьма большого - время жизни элементов может возрастать. Есть суждения о том, что при определенном сочетании числа протонов и нейтронов в ядре элемент, обитающий на "острове стабильности", может существовать многие годы, возможно, даже тысячи лет.

Современная алхимия, как и средневековая, не обходится и без магии. Физики обнаружили существование "магических" чисел. Это означает, что если количество протонов и нейтронов в ядре соответствует этим числам, то стабильность ядра, а значит, и атома резко повышается. Например, не будь их, свинец - яркий представитель этой магической структуры, был бы радиоактивным и в недрах Земли не существовал.

Наличие "острова стабильности" возбудило интерес исследователей, и охота за новыми элементами развернулась с новой силой.

В 1974 году Оганесян и его коллеги показали экспериментально, что если в качестве мишени взять "магический" свинец и облучать его тяжелыми ионами, то можно получить новые, ранее неизвестные элементы. Например, если облучать его ионами хрома, то получится 106-й элемент, если железом - 108-й, никелем - 110-й, цинком - 112-й. Теперь, казалось бы, добыча новых элементов стала делом пусть очень сложной, но - техники. Инициатива была подхвачена, и вскоре в Дармштадте (Германия) был получен 110-й элемент и начаты опыты по синтезу 112-го элемента. Самое интересное, что Дубна, создав этот уникальный метод, пошла по другому пути.

"Все дело в том, - объяснил Оганесян корреспонденту "НГ", - что эта методика при всех своих плюсах не ведет, к большому сожалению, к "острову стабильности". С ее помощью можно синтезировать новый элемент, но подтвердить или опровергнуть гипотезу о существовании сверхтяжелых и долгоживущих элементов невозможно. Элемент 112-й, лучше сказать изотоп 112-го элемента, полученный в этой реакции, живет около одной десятитысячной секунды, поскольку нейтронов в его ядре всего 165, а это еще далеко от магического числа 184. Нашей задачей было как можно ближе подойти к этой цифре, но для этого нужен был излишек нейтронов и в мишени, и в бомбардирующей его частице. В качестве мишени мы использовали плутоний-244, а в качестве частицы использовали кальций-48. В частности, для 112-го элемента это давало нам по сравнению с Дармштадтским экспериментом 7 лишних нейтронов".

Чаша Грааля современных алхимиков - элемент с числом нейтронов 184 - нынешними методами недостижима. В природе просто нет таких элементов, соединив которые вместе, можно было его бы получить. Но добавление 7 нейтронов увеличило период полураспада в миллион раз: вместо двухсот микросекунд полученные в Дубне атомы под номером 112 с числом нейтронов 172 жили почти минуту! Именно это и предсказывала теория.

Этот эпизод, который, возможно, уже стал достоянием истории, мы привели здесь не напрасно. Он, похоже, определяет разницу между различными школами физики. Надо отметить - это часто приходится слышать от наших ученых, - что сильная финансовая зависимость научного исследования чаще побуждает стремление получить побыстрее результат и опубликовать статью, чем углубляться в дебри фундаментальных исследований.

Мы идем своим путем

Не берусь утверждать, но, быть может, нечто похожее произошло и в случае со 118-м элементом. Польский теоретик Роберт Смолянчик показал в своих расчетах, что если облучать мишень из "магического" свинца ускоренными ионами криптона-84, у которых 48 нейтронов, что очень близко еще к одному магическому числу 50, то вероятность образования 118-го элемента возрастет в сотни тысяч раз. Смолянчику поверили, не проверили другими расчетами, а просто поверили, потому что это существенно облегчало эксперимент. Справедливости ради следует отметить, что впоследствии все проверки были сделаны - теоретиками и экспериментаторами. Но тогда это выглядело настолько привлекательно и настолько необычно, что в Беркли сразу приступили к синтезу 118-го элемента.

Сообщение о 118-м элементе пришло в Дубну, когда там уже был закончен первый этап опытов по синтезу 114-го элемента, шла подготовка к следующему - 116-му. Разумеется, все всполошились. Стали бурно обсуждать данные Беркли, прикидывать, не стоит ли повторить этот эксперимент, для этого были все возможности. Оганесян был против.

"Некоторые мои коллеги говорили, и небезосновательно, что результаты Беркли сомнительны, что по разным косвенным обстоятельствам они не могли наблюдать 118-й, наконец, что это просто невозможно, - говорит он. - Но, по-моему, в науке часто самое интересное происходит там, где это не ожидается. Там иногда действительно рождается новое. Однако в любом случае все сомнения должны быть сняты в прямом эксперименте. Одним результатам должны быть противопоставлены другие. Правда, в таком случае ради проверки чужого, пусть даже сомнительного с нашей точки зрения, эксперимента мы должны были бы отставить в сторону свой, к которому готовились несколько лет. Эксперимент действительно готовился долгое время: на предприятиях Минатома для нас производили очень дорогой изотоп - кальций-48, химики отрабатывали технологию изготовления мишени, физики и инженеры отрабатывали режимы работы ускорителя, физики и электронщики налаживали измерительную аппаратуру - словом, много в этот эксперимент было вложено средств и сил, да еще в такое непростое время┘ Все это было в работе, и все это надо было бросить - ради чего?"

К ситуации с Ниновым Оганесян относится с полным недоумением.

"Мне это совершенно непонятно, - подчеркивает он. - Я не в состоянии представить, как такое могло произойти. Не то чтобы не верю, просто не понимаю".

Прекрасно зная кухню охоты за новыми химическими элементами, он не понимает, как здесь можно сфальсифицировать. Встречу с "событием", то есть рождение желанного атома, готовят годами, а ждут неделями и даже месяцами. Событие это мало чем отличается по накалу эмоций от рождения ребенка. Разве что тем, что это действие коллективное. Когда на детектор поступает сигнал - все равно, от новорожденного элемента или из-за аппаратной ошибки, сбоя, какой-то случайности - короче, приходит сигнал, похожий, но не имеющий к делу никакого отношения, все приходят в возбуждение и тут же начинают проверять - все ли правильно работает? Пропустить такое невозможно. Оганесян просто не может себе вообразить, как такая ситуация могла произойти в одном месте, да еще трижды!

Охота за 118-м

Так или иначе, но уже после этой неприятной истории дубнинская команда готовится к взятию того же рубежа, но уже другим, ранее проверенным на 114-м и 116-м методом. Правда, теперь эксперимент должен быть выполнен с предельной скрупулезностью, так, чтобы отбросить всякие сомнения.

Схема эксперимента следующая.

"Мы хотим облучать калифорний (98-й элемент) кальцием-48, - поясняет Оганесян. - Калифорний - искусственный элемент, накапливаемый в течение длительной работы мощного ядерного реактора, - предоставят наши коллеги из Ливерморской национальной лаборатории (США), кальций-48 нарабатывают предприятия Минатома, ускоритель и экспериментальная методика подготавливаются в ОИЯИ. Если два таких ядра сольются и новое сверхтяжелое ядро будет "остывать", испуская последовательно три нейтрона, то получится в конечном итоге ядро, состоящее из 118 протонов и 176 нейтронов. Но предварительно эту реакцию надо исследовать, и лучше всего это сделать в реакции, когда вместо калифорния мишенью является изотоп 96-го элемента - кюрий-247, - и получать таким образом знакомый 116-й элемент, свойства которого нам хорошо известны".

Но этого уникального материала нет ни в США, ни в России. Он существует только в НИИ атомных реакторов в г. Димитровграде, где работает наш мощный реактор, но - в смеси с другими изотопами с массой от 242-го до 248-го. Единственный сепаратор, способный разделить эти изотопы, тоже у нас, в НИИ экспериментальной физики в г. Сарове. Когда Оганесян обратился к руководству этих институтов, те без колебаний согласились ему помочь, хотя для обоих эти изотопы и установки - источники финансирования. По сути, оба согласились ради дела расстаться с суммой, в целом немалой по масштабам нашего бедного научного финансирования. Эти расходы надо как-то компенсировать, и вот здесь появляются неожиданные препятствия┘

"Люди, с которыми мы работаем в России, меня просто вдохновляют, - говорит Оганесян, - они готовы отдать ради дела все, что имеют. Чтобы помочь нам, они отложили все свои важные дела. Но вот как только дело доходит до поддержки, ранее не предусмотренной планами (которые, как мы знаем, тоже не всегда выполняются), - все начинает тормозиться бюрократической канителью, возникает куча вопросов и куча бумаг. Здесь, к счастью, есть исключения: мы имеем грант министра Минатома, грант губернатора Московской области на проведение этих работ. Но это все еще остается исключением из суровых правил нашей действительности. А время идет┘"

Дубна-Москва