В погоне за 120-м элементом таблицы Менделеева российские учёные за три последних года получили на фабрике сверхтяжёлых элементов пять новых изотопов… Что?! Таблица Менделеева расширяется?! Изотопы делают на фабрике?! Это что-то вроде адронного коллайдера, только по-русски? Сейчас всё объясним.
Сверхтяжёлые неизвестные
В таблице, которую составил Дмитрий Менделеев в 1869 году, было 63 химических элемента. К середине 20-го века таблица выросла в полтора раза, и все 92 существующих в природе элемента были найдены. Каждый из них — как новая звёздочка на карте, из которых складывается картина известной нам вселенной. Казалось бы, мы заполнили на этой карте все белые пятна…
Но, открывая новые элементы, учёные поняли, что карта нарисована не полностью и элементов может существовать больше. Только, начиная с 93-го, они нестабильны, то есть живут очень недолго и быстро распадаются. Вероятно, они существовали около 10 миллиардов лет назад как результат ядерных реакций внутри звёзд… Сейчас в природе их не найти. Зато их можно создать искусственно в лабораториях! Причём заранее предсказать, какими свойствами они обладают. Внизу периодической таблицы появились пустые клеточки без названий, но с уже вписанными некоторыми цифрами, такими как атомный номер, то есть число протонов в ядре, и атомный вес, то есть число протонов плюс нейтронов.
Чем ниже и правее клетка периодической таблицы, тем атомный вес элемента больше. Сначала в лабораториях искусственно создали трансурановые элементы — те, что следуют в таблице за ураном, с атомными номерами от 93-го до 103-го. Они получаются в атомных реакторах в ходе цепной реакции. Элементы следующей строки таблицы, начиная со 104-го, называют сверхтяжёлыми. Они рождаются в лабораторных ускорителях.
Во второй половине 20-го века в таблице Менделеева появилось 16 новых элементов. В 21-м веке — ещё пять. Сейчас таблица заканчивается на оганесоне (Og 118). Его впервые синтезировали в 2002 году в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковном городе Дубне, а в 2006-м здесь же подтвердили открытие.
Точный выстрел
Синтезировать сверхтяжёлые элементы можно, объединив более лёгкие. Но чтобы атомы объединились, нужно создать определённые условия, и это очень непросто. Ведь атомные ядра имеют одинаковый заряд, а значит, отталкиваются. Чтобы преодолеть это сопротивление и сблизить ядра атомов, нужно разогнать их до скорости примерно в 10% от скорости света, или 29 979 245 м/с. Для этого учёные построили ускорители.
От коллайдера ускоритель отличается скоростью разгона частиц. В коллайдерах частицы летят почти со скоростью света. Что происходит, когда они сталкиваются с такими сумасшедшими скоростями, учёные только предполагают, и посмотреть, что происходит на самом деле, подтвердить или опровергнуть теорию и есть главная цель всех экспериментов с коллайдерами. Для синтеза сверхтяжёлых элементов — тем более если вы хотите ещё и успеть их зафиксировать и изучить! — нужно действовать аккуратнее и бережнее: чтобы ядра не сталкивались, а соприкоснулись и слились. Это и происходит в ускорителе. В отличие от коллайдера, в ускорителе сталкиваются не два пучка частиц, а пучок с зафиксированной мишенью.
Представьте себе тир, где лучник должен попасть стрелой в мишень. Насколько метко он выстрелит, зависит не только от точности наводки, но и от твёрдости руки, силы натяжения тетивы и даже остроты самой стрелы. Стрела в ускорителе — это пучок частиц, ядер атомов. Мишень — микроскопический слой материала, нанесённый на тонкую фольгу. Цель эксперимента в том, чтобы выпущенные «стрелой» частицы слились с материалом мишени. Если правильно выбрать материалы «стрелы» и мишени, правильно рассчитать интенсивность потока и «силу удара», в результате «выстрела» родится новый элемент.
Отдельная задача — оценить «меткость стрелка»: в отличие от мишени в тире, в мире элементарных частиц мы не можем просто приблизить мишень и посмотреть, куда попала «стрела». Сложность не только в том, что речь идёт об одном или двух атомах, но и в том, что сверхтяжёлые элементы живут буквально доли секунды. Чтобы их «поймать», учёные придумали специальные сепараторы и детекторы.
Сепараторы «очищают» поток частиц от лишнего и делают так, чтобы до детектора долетали только нужные тяжёлые ядра. А детектор умеет делать своего рода электронную фотографию частиц. На таком «фото» видна траектория полёта частицы, время рождения и энергия. По этим данным учёные «узнают в лицо» частицу и видят, случился ли «меткий выстрел» — удалось ли соединить два ядра воедино и получить новый элемент.
Атомная арифметика
Как же решить, какие элементы объединять: какой материал выбрать для мишени и каким веществом в него «выстрелить»?
«Здесь надо смотреть не на периодическую таблицу, — объясняет Андрей Попеко, заместитель директора Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова ОИЯИ, в своём интервью сайту «Год науки и технологий в России». — Она в данном случае мало поможет. А надо смотреть на карту изотопов. Чёрные клеточки — это долгоживущие изотопы, существующие в природе. Теперь вы можете брать частицу, которая приводила бы к образованию желаемого элемента. Здесь действует закон сохранения электрического заряда. Например, если вам нужен 118-й элемент, вы берёте для мишени изотоп, у которого заряд ядра 98 (калифорний), а для бомбардировки мишени — кальций с зарядом ядра 20. 20 + 98 = 118. Все просто. Можете брать любые другие комбинации, пожалуйста. Если вы хотите 120-й элемент, то 120 — это два раза по 60. Берем элемент 60-й — неодим. Делаем из него мишень и им же облучаем эту мишень. Получаем элемент 120-й. Это просто арифметика».
От советской фантастики к фабрике звёзд
На самом деле, чтобы покорить эту «атомную арифметику», уходят годы. Первые ускорители появились в середине 20-го века. Ведущие роли принадлежали двум научным центрам: советской Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова в Объединённом институте ядерных исследований и американской Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Позже к ним присоединились германский Центр исследования тяжёлых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте и Институт физико-химических исследований (RIKEN) в Японии.
В 1955 году в Беркли получили новый, 101-й элемент — его назвали менделевием. В 1963 году в Дубне синтезировали 102-й и 103-й элементы. Процесс пошёл.
А в 1960-х годах началась эпоха ускорителей. В 1969 году в Дубне синтезировали резерфордий, а в 1969 году опыт повторили в Беркли. В 1970 году сразу и в Дубне, и в Беркли получили дубний. В 1974 году так же независимо друг от друга в этих же двух странах родился сиборгий и так далее.
Конкуренция между американскими и советскими учёными привела к горячим спорам вокруг… названий новых элементов. Учёные каждой страны хотели увековечить успехи своих земляков в периодической таблице. Так что во второй половине 20-го века существовало два разных варианта таблицы Менделеева: в советском были курчатовий (104) и нильсборий (105), а в американском в тех же клетках — резерфордий (104) и ганий (105). Договорились только к 1997 году. С тех пор 104-й элемент называется резерфордий, а 105-й — дубний.
В 1978 году в Дубне запустили циклотронный ускоритель У-400. В нём «стрелы», состоящие из ионов, выстреливают в мишень — быстро вращающееся колесо с секторами из титановой фольги с нанесёнными на неё миллиграммовыми количествами вещества-мишени. Выбитые из мишени ядра попадают в сепаратор DGFRS. Аббревиатура расшифровывается как Dubna Gas-Filled Recoil Separator, то есть сепаратор, заполненный разряженным лёгким газом, например гелием или водородом. В этой среде лёгкие и тяжелые частицы ведут себя по-разному, и их можно разделить магнитным полем: лёгкие частицы — «завернуть» в сторону, а тяжёлые — пропустить дальше, чтобы они долетели до детектора.
У-400 неоднократно модернизировали, и именно на нём удалось создать пять новых элементов: 114-й — флеровий, 115-й — московий, 116-й — ливерморий, 117-й — теннессин и 118-й — оганесон. Однако чтобы пойти дальше, чувствительности У-400 не хватает. Поэтому в 2011 году начали строить новый ускоритель ДЦ-280 и новый сепаратор DGFRS-2.
ДЦ-280, или дубнинский циклотрон, умеет выпускать в пять раз более плотный поток частиц, поэтому они чаще сталкиваются с мишенью, а значит, рождается больше новых ядер. Сепаратор DGFRS-2 — тоже новый, и он отсеивает ненужные ядра, а нужные доставляет к детекторам примерно в три раза эффективнее, чем старый, за счёт более совершенной конструкции. Новый комплекс назвали фабрикой сверхтяжёлых элементов, и она заработала к 2020 году. В 2021 году запустили и DGFRS-3, у которого сразу два отвода: один для экспериментов по изучению ядерно-физических свойств и структуры сверхтяжёлых ядер, а другой — для изучения химических свойств сверхтяжёлых атомов.
Сначала на фабрике повторили эксперименты, которые удавались на У-400, чтобы доказать его работоспособность, и всё получилось. Сейчас цель учёных — синтезировать 119-й и 120-й элементы. И это уже давно не международная гонка: для научных исследований такого уровня объединяются учёные разных научно-исследовательских центров нескольких стран. Хотя «сердце» исследования всё так же бьётся в Дубне.
Остров стабильности
Открывая новые элементы — звёздочки на карте нашей вселенной — учёные нащупывают дорогу к так называемому «острову стабильности». Это действительно остров!
«Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, — объясняет Юрий Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова в ОИЯИ для журнала «Кот Шрёдингера». — Но только строго определённое количество этих “кирпичиков” связаны друг с другом в единое тело, которое представляет ядро атома. Комбинаций, которые “не срабатывают”, оказывается больше. Поэтому, в принципе, наш мир находится в море нестабильности. Да, есть ядра, которые остались со времён образования Солнечной системы, они стабильны. Водород, например. Участки с такими ядрами будем называть “континентом”. Он постепенно уходит в море нестабильности по мере того, как мы продвигаемся к более тяжёлым элементам. Но оказывается, если далеко уйти от суши, возникает «остров стабильности», где рождаются ядра-долгожители. Остров стабильности — это открытие, которое уже сделано, признано, но точное время жизни долгожителей на этом острове пока не предсказывается достаточно хорошо».
Пока учёные только зацепили край этого острова. Чем больше атомный номер созданных в лабораториях сверхтяжёлых элементов, тем они оказываются стабильнее, то есть живут дольше, хотя речь всё ещё идёт о долях секунды. Тем не менее тенденция видна, и сейчас учёные предполагают существование сверхтяжёлых элементов вплоть до 500-го!
Ближе к жизни
До сих пор учёным всего мира удавалось создать считанные атомы сверхтяжёлых элементов. Например, атомов оганесона было зафиксировано всего пять. И живут сверхтяжёлые элементы доли секунды. Казалось бы, что эти открытия могут дать нашей повседневной жизни, кроме новой главы в учебнике физики?
На самом деле у этих фундаментальных знаний может найтись и практическое применение. В процессе исследований учёные «набивают руку» в создании редких изотопов, а изотопы сегодня востребованы в самых различных областях науки и техники. В ядерной медицине с их помощью лечат рак и проводят тонкую диагностику разных заболеваний, а при изучении экосистем используют как «метки», с помощью которых отслеживают передвижение микроорганизмов. В ней же применяют и саму технологию: уменьшенные копии циклотронов — основа протонной и ионной терапии.
Ещё перспективное направление — поиск и создание новых материалов. Та же технология, благодаря которой учёные получают пучки частиц в ускорителе, позволяет тестировать электронику на устойчивость к космическому излучению, а ведь сегодня его влияние на спутники — это актуальная проблема.
