Создать элемент и попасть в таблицу Менделеева

По сложившейся традиции к Дню науки, который отмечается 8 февраля, российское научное сообщество определяет лауреатов Демидовской премии. В 2019 году ими стали академики Юрий Оганесян (Дубна) – за выдающийся вклад в открытие новых химических элементов, Вячеслав Рожнов (Москва) – за сохранение и восстановление биоразнообразия животного мира, включая особо редкие виды фауны, Александр Чибилев (Оренбург) – за изучение степей Евразии и разработку теории и практики охраны природы России и сенатор от Свердловской области Эдуард Россель (Екатеринбург) – за неоценимый вклад в развитие Демидовского движения.

Исследование ядерных реакций

В честь теперь уже демидовского лауреата Юрия Оганесяна самому тяжёлому элементу Периодической системы элементов Менделеева с атомным номером 118 присвоено название «Оганесон». Специалист в области экспериментальной ядерной физики, в частности, синтеза и исследования свойств новых химических элементов, академик Оганесян широко известен не только в России, но и в мире. В 1989–1997 годах он был директором Лаборатории ядерных реакций имени Георгия Флёрова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) РАН в Дубне, сейчас — научный руководитель этой лаборатории. Открытие в институте целого семейства сверхтяжёлых элементов с атомными номерами 114, 115, 116, 117 и 118 стало первым и прямым экспериментальным доказательством существования на карте ядер «острова стабильности», предсказанного в теории ещё около 50 лет назад.

– В 1950–1960-е годы вы занимались физикой тяжёлых ионов, созданием мощных ускорителей, изучением редких процессов ядерных превращений, и это стало совершенно новым на тот момент научным направлением…

– Когда я начинал эти исследования, ещё не было ясно, что они могут положить начало целому направлению. Вместо простых частиц — протона и нейтрона — мы выбрали «снаряды» в 20–40 раз тяжелее и начали исследовать ядерные реакции под действием этих «гигантов». Академик Лев Арцимович, который был и остаётся для меня огромным авторитетом, скептически относился к этим экспериментам. Он спросил однажды: «Вы устраиваете крушение поездов и рассчитываете получить что-то новое?» Я смешался, не знал, что ответить, но подумал тогда: «Зачем же крушение, когда можно устроить просто мягкое сцепление вагонов». Сначала ядро-снаряд движется быстро, но потом тормозится в электрическом поле ядра-мишени. В момент касания, когда снаряд потеряет практически всю свою скорость, вступят в действие ядерные силы притяжения, и ядра сольются. Грубо говоря, одно ядро поглотит другое, и получится новое тяжёлое ядро суммарной массы. Вот это, пожалуй, и есть новое. Получение новых химических элементов – только последняя часть этих сложных ядерных превращений.

– То есть синтез новых элементов не был вашей главной целью?

- Поначалу – нет. В Америке меня, наверное, назвали бы ядерным химиком (кстати, один из основателей ядерной физики Эрнест Резерфорд получил Нобелевскую премию именно по химии). Меня и моих коллег прежде всего интересовало, как взаимодействуют ядра, особенно один из типов этого взаимодействия, связанный с использованием максимально тяжёлых снарядов. Мы исходили из того, что слияние ядер химических элементов чем-то похоже на процесс, обратный делению. При разделении урана на два осколка высвобождается огромная энергия, которую мы используем в атомных электростанциях. Казалось бы, если слить ядра-осколки, приложив энергию, то получим уран. На практике создать уран из его осколков невозможно. Осколки нагреты и нестабильны. Но это не отвергает идею слияния массивных ядер, имеющих определённую внутреннюю структуру.

Так, например, если стабильный элемент свинец с атомным весом 82 облучать ускоренными ионами кальция с атомным весом 20, то в случае полного слияния их ядер образуется новое ядро суммарной массы с атомным номером 102. И это ядро, полученное в такой реакции, будет слабо нагретым. Это существенно повышает выживаемость нового ядра в процессе его охлаждения посредством вылета нейтронов и гамма-лучей. Мы синтезировали 102-й элемент нобелий дважды. Сначала в середине 1960-х годов в реакции слияния 94-го элемента плутония с кислородом (горячее слияние), что дало нам приоритет в открытии этого элемента, и во второй раз – в реакции холодного слияния свинца с кальцием. Такая реакция была примерно в 100 раз эффективнее первой. По существу, это было открытием нового класса реакций, получивших на Западе название холодного слияния массивных ядер. И с тех пор в течение последующих 38 лет реакции холодного слияния стали использоваться в лабораториях США, Германии, Японии, Франции для синтеза более тяжёлых элементов с атомными номерами от 107 до 113.

Новые элементы

– Имеется ли практический смысл в получении таких новых химических элементов?

- По-видимому, надо пояснить, что уран с атомным весом 92 – последний и самый тяжёлый элемент, сохранившийся на Земле с момента её образования (4,5 миллиарда лет тому назад). Элементы тяжелее урана с меньшим периодом полураспада до нас не дожили. Поэтому их нет в природе. Они получены в лабораториях искусственным путём. Реакции их синтеза сильно отличаются от ядерных процессов, протекавших при образовании Солнечной системы. Поэтому пока они имеют чисто научное значение, а практическое может появиться только в том случае, если удастся получать их тоннами или хотя бы килограммами. Вот плутоний, 94-й элемент, получают тоннами, есть плутониевое производство. А 95-й элемент, америций, можно синтезировать лишь в очень малых количествах. Элемент 118 уже получают только в виде отдельных атомов.

– И сколько ещё элементов может быть открыто?

- На этот вопрос пока нет ответа. Я бы даже сказал, что поиск такого ответа – одна из самых актуальных научных проблем, стоящих перед нами сегодня.

Мне кажется, что предел существования элементов будет определяться пределом существования ядер. Здесь у нас пока нет теории, способной описывать ядерные силы, которые связывают, как мы знаем сегодня, почти 300 протонов и нейтронов. При отсутствии строгой теории мы пользуемся различными теоретическими моделями. Области их описания ограничены, ещё более неопределёнными будут и прогнозы. Поэтому эксперимент, подтверждающий (или опровергающий) нетривиальное предсказание о существовании некоего «острова стабильности», продлевающего карту ядер до больших масс и периодическую таблицу до конца восьмого периода, был жёсткой проверкой наших знаний о свойствах ядерной материи. В каком-то смысле мы сдали экзамен на «остров стабильности».

Модели же предсказывают существование ядер с атомным номером более 120. В некоторых случаях рассматривается существование второго «острова» в области атомных номеров около 146. Более смелые предположения допускают для ещё более тяжёлых ядер экзотические конфигурации в виде пузырей, тора и прочее. Насколько справедливы эти прогнозы? Только эксперимент может дать ответ на этот вопрос.

В электронной структуре сверхтяжёлых атомов тоже ожидаются изменения. По мере роста положительного заряда ядра атома растёт и энергия электронов. Чем ближе к ядру находится электрон, тем выше его скорость. При приближении скорости расположенных близко от ядра электронов к скорости света, согласно теории относительности, будет «возрастать» их масса. И это обстоятельство должно быть учтено в расчётах всей электронной структуры атома, включая внешний электрон, ответственный за химические свойства элемента. Здесь, к счастью, мы имеем строгую теорию – квантовую электродинамику, которая позволяет проводить сложные расчёты движения электронов в релятивистском приближении. С ростом атомного номера химическое поведение сверхтяжёлых элементов может отличаться от своих лёгких гомологов. Сейчас наблюдается большой всплеск статей по этой проблеме.

Возможно, этот эффект имеется у всех уже синтезированных нами сверхтяжёлых элементов. В частности, самый тяжёлый элемент 118, согласно расчётам, будет проявлять свойства семейства благородных газов, хотя будет не газом, а твёрдым телом при комнатной температуре. Однако для элементов тяжелее 121-го можно ожидать различные сценарии продолжения периодической таблицы.

• Опубликовано в №19 от 04.02.2020 под заголовком «В число лауреатов Демидовской премии по науке вошёл Эдуард Россель»