Поиск
x
Журнал №189, июнь 2019
Журнал №69, апрель - май 2019
Это новый сайт National Geographic Россия. Пока мы работаем в режиме бета-тестирования.
Если у вас возникли сложности при работе с сайтом, напишите нам: new-ng@yasno.media
Наука
Новые элементы
Текст: Роб Данн Фотографии: Макс Агилера-Хеллвег
27 мая 2013
/upload/iblock/215/215ea0661b5acbe60e26cf192126b80c.jpg
Все элементы, или виды атомов, существующие в природе, уже давным-давно открыты. В наши дни, чтобы заполучить новый элемент, вам придется самому его создать – и расширить наши знания о материи.
В лаборатории Юрия Оганесяна в Дубне 22 октября 2012 года в 9 часов 19 минут зазвенел звонок. У толстой бетонной стены работал не раз реконструированный, заслуженный циклотрон, пучок которого уже много суток бомбардировал фольгу – мишень – атомами кальция со скоростью 108 миллионов километров в час. Звонок возвещал о том, что одно из столкновений ядра кальция с ядром мишени сработало: родился новый атом. Это был атом элемента за номером 117 – один из 14, когда-либо существовавших на Земле. Остальные тоже появлялись на свет в этой лаборатории, после чего быстро исчезали. Через долю секунды исчез и этот. Городок Дубна был построен посреди густых лесов на берегах Волги после Второй мировой войны. Лаборатория, научным руководителем которой сегодня является Оганесян, основал Георгий Флеров, легендарный физик, принимавший участие в исследованиях в области ядерного оружия. Именно Флеров в начале войны обратил внимание на то, что поток статей о радиоактивных элементах за авторством американских и немецких ученых внезапно прекратился, и сделал вывод, что они занялись созданием атомной бомбы, после чего стартовала советская атомная программа. За испытание первой атомной бомбы Флеров получил награды, и, что самое важное, ему было предложено создать новую научную лабораторию в Дубне. Там он и начал охоту за новыми элементами.
К 1940 году ученые уже знали все древние устойчивые атомы Земли – от водорода до урана. Но на этом они не остановились.
Все, что вы знаете и любите на Земле, а также все, чего вы не знаете и не любите, состоит из элементов – атомов различного типа. Этим атомам миллиарды лет; большинство из них разлетелось в пространстве после Большого взрыва или взрывов звезд. В конце XIX века Дмитрий Менделеев попытался упорядочить атомы, сгруппировав их по массе и другим признакам в своей периодической таблице. Позже ученые связали предложенный Менделеевым порядок расположения атомов в таблице с их структурой. Каждый элемент получил номер, соответствующий количеству протонов в его ядре. К 1940 году ученые уже знали все древние устойчивые атомы Земли – от водорода до урана, элемента с номером 92 – и заполнили все пустые клеточки, оставленные Менделеевым. Но на этом они не остановились. За ураном лежал целый мир элементов – нестабильных, радиоактивных, которые не могли просуществовать миллиарды лет с момента своего образования. Чтобы исследовать этот мир, его сначала нужно было создать. Первые шаги на этом пути изменили не только периодическую таблицу. В 1940 году, после того как Гленн Сиборг и его коллеги по Калифорнийскому университету в Беркли получили элемент номер 94, плутоний, их быстро взяли на работу в проект «Манхэттен» – Флеров был прав. Приняв участие в создании плутониевой бомбы – той, что потом сбросили на Нагасаки, – Сиборг вернулся в Беркли и продолжил создавать новые элементы с мирным практическим применением (америций, например, используется в дымовых детекторах) или без практического использования вовсе. К 1955 году его команде удалось синтезировать еще 6 искусственных элементов и добраться до 101-го элемента, которому Сиборг дал имя «менделевий». Какое-то время казалось, что таблица Менделеева закончится именно здесь, на фамилии ее создателя. Протоны в атомном ядре всегда пытаются разорвать его на части, поскольку их позитивные электрические заряды отталкивают друг друга, но нейтроны, электрически нейтральные частицы, которых больше, чем протонов, удерживают ядро от разрушения. Однако их связывающая сила работает лишь на очень близком расстоянии. С увеличением атомного номера ядра силы отталкивания растут быстрее сил притяжения. Поэтому в периодической таблице должна быть последняя клеточка, соответствующая максимальному размеру ядра, после которого атом не сможет сохранять стабильность даже на кратчайшее время, словно своего рода химическая муха-поденка. После получения менделевия, период полураспада которого составляет 51,5 суток, казалось, что ученые подобрались к этому пределу вплотную.
«Мы открыли “остров”, – говорит Юрий Оганесян. – Теперь пришло время исследовать его, “прогуляться” по его западному берегу».
Но исследователи из Беркли продолжали работу, соперничая с возглавляемой Флеровым Лабораторией ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне. С 1965-го по 1974 год Беркли объявлял о создании элементов с номерами 102, 103, 104, 105 и 106 – но то же самое уже сделали и в Дубне. Эти «поденки» жили всего по нескольку секунд. О том, кто первым произвел тот или иной элемент, шли ожесточенные споры – дело было в разгар холодной войны. В итоге сошлись на компромиссе: 105-й элемент получил имя «дубний», а 106-й – «сиборгий». Ядерной войны между физиками удалось избежать. Тем временем теоретики нашли новую цель для поиска элементов. Очень большое ядро, решили они, может оказаться неожиданно стабильным, если оно обладает «магическим числом» протонов и нейтронов – которому соответствует наиболее устойчивая структура ядра. Если эта гипотеза окажется верной, все изменится. Возможно, за горизонтом существует «остров стабильности», где чудовищно тяжелые элементы, например с числом протонов 114, 120 или 126, могут существовать минуты, недели, а быть может, даже сотни и тысячи лет. Смутные мечты о новом мире внезапно сделали путешествие к «острову» более увлекательным. В это время Оганесян уже работал в лаборатории Флерова. Новые элементы получались в результате бомбардировки тяжелых ядер легкими с энергией, достаточной для преодоления их взаимного отталкивания (оба заряжены положительно) и слиянием в единое нагретое сверхтяжелое ядро. Однако затем более тяжелые горячие ядра с большой вероятностью делились на две части, не успев охладиться до нормального (основного) состояния. В 1974 году Юрий Оганесян предположил, что, если использовать несколько более тяжелые «снаряды» и более легкие «мишени», ядра станут менее нагретыми, а столкновения – более продуктивными. Лаборатория в немецком Дармштадте, ухватившись за эту идею, синтезировала элементы со 107-го по 112-й. В 1990 году скончался Георгий Флеров, и лабораторию возглавил Оганесян. Чтобы получить элемент номер 114, он решил бомбардировать плутоний (94 протона) кальцием (20 протонов). Но ему были нужны редкие изотопы кальция-48 и плутония-244, содержащие достаточное количество дополнительных нейтронов, чтобы связать 114 протонов, и Оганесян убедил американских физиков из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса предоставить ему 20 миллиграммов тяжелого изотопа плутония-244. План заключался в том, чтобы циклотрон обстреливал пучком кальция со скоростью, равной одной десятой скорости света, фольгу, покрытую слоем драгоценного плутония. Оганесян рассчитывал, что среди триллионов атомов, появляющихся на другой стороне фольги (а фольга эта была намного тоньше волоса) будет хотя бы один атом 114-го элемента. Для его обнаружения группа Оганесяна совместно с учеными из Ливермора сконструировала новый детектор. В конце ноября 1998 года циклотрон синтезировал один-единственный атом элемента номер 114. Он просуществовал лишь несколько секунд – но это было в тысячи раз дольше, чем следовало бы ожидать, если бы «острова стабильности» не существовало; кроме того, было доказано, что кальциевый метод эффективен. С тех пор в Дубне и в других лабораториях синтезировали элементы с номерами 115, 116, 117 и 118, а также их изотопы с различным количеством нейтронов. До главной вершины «острова», где элемент может существовать годами, еще далеко, но Оганесян и его команда высадились на него, когда впервые синтезировали 114-й элемент, о котором мечтали несколько десятилетий. Весной прошлого года этот элемент был официально включен в периодическую таблицу и получил имя «флеровий». «Мы открыли “остров”, – говорит Юрий Оганесян. – Теперь пришло время исследовать его, “прогуляться” по его западному берегу». Кто-то должен выяснить, как ведут себя новые элементы – сами по себе и в реакциях с другими. Кто-то должен найти способ присоединить в ядре флеровия к 114 протонам магическое число нейтронов – 184 – чтобы достичь вершины острова. Кто-то должен проверить, нет ли других «пиков» – в районе120-го или 126-го элемента. Сегодня эти задачи кажутся почти невыполнимыми. Но академик Оганесян на покой не собирается.