http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=8722e218-384c-4092-8c9c-0f549512cde4&print=1© 2024 Российская академия наук
Российские физики раздвинули горизонты человеческого знания
Как сообщил 7 апреля академик Юрий Оганесян, ученым удалось синтезировать 117-й элемент таблицы Менделеева. Эксперимент в Объединенном институте ядерных исследований в подмосковной Дубне начался летом прошлого года, но только теперь физики официально объявили о том, что смогли заполнить пустоту между ранее открытыми 116-м и 118-м элементами. «Мы достоверно зафиксировали шесть событий рождения ядер 117-го элемента», - заявил Оганесян. О новом элементе и о поиске «острова стабильности» в современной физике НГС.НОВОСТИ рассказал глава комиссии РАН по борьбе с лженаукой, сотрудник Института ядерной физики (ИЯФ) академик Эдуард Кругляков.
Справка: Для синтеза 117-го элемента был использован ускоритель У-400, который начали строить в 1974 году и многократно модернизировали. Ученые обстреливали 97-й элемент периодической таблицы берклий-249 ионами кальция-48. 22 миллиграмма берклия, «продолжительность жизни» которого составляет всего 320 дней, были получены в Окриджской национальной лаборатории в США. В природе не существует элементов с атомными номерами (числом протонов в ядре атома) больше 92, то есть тяжелее урана. Более тяжелые элементы (плутоний) могут нарабатываться в атомных реакторах, а элементы тяжелее 100-го (фермия) можно получать только на ускорителях путем бомбардировки мишени тяжелыми ионами. (bbc.co.uk) У 117-го элемента нет названия, кроме рабочего «унунсептий».
Каким образом ученые получают новые элементы?
Подбирается пара элементов, чтобы сумма масс и суммарный заряд соответствовали тому элементу, который вы желаете создать. В данном случае сумма зарядов должна равняться 117, и для этого подошли берклий-249 и кальций-48. Ну а дальше эти ядра сталкивают после разгона на ускорителе. Чтобы понять, как наша Вселенная рождалась и развивалась, нужно выстроить всю таблицу Менделеева. Существует предсказание о том, что должен быть «остров стабильности», но пока во всех прошлых экспериментах по мере нарастания зарядов ядер искусственно созданных элементов их времена жизни убывали – нестабильные ядра быстро распадались. И вот где-то на 117-118-м элементах время жизни начало нарастать. Появляется надежда на то, что прогноз справедлив, и где-то на уровне 122-124-го элемента «остров стабильности» будет достигнут.
Зачем нам все это нужно? Ну, во-первых, очень интересно посмотреть элементы, которых нет в природе. Сегодня весь анализ делается на уровне нескольких штук частиц, а в опыте, выполненном под руководством академика Ю. Оганесяна, было получено всего шесть атомов.
Если «остров стабильности» существует, то это могут быть секунды, минуты, часы, а может быть десятилетия и столетия. Стабильность понимают по-разному. Это могут быть атомы, которые распадаются за час, за сутки. Кстати, вы знаете, что вообще-то ничего стабильного в природе нет? В частности, время жизни протона, - главного кирпичика мироздания, - около 10 млрд лет. Для практических целей стабильными можно называть атомы (ядра), распадающиеся за времена, большие человеческой жизни. В зависимости от того, какие времена жизни будут получаться на «острове», практические применения новых элементов могут оказаться самыми разными.
К примеру, если нестабильный искусственный элемент распадается с выбросом альфа-частицы, а время полураспада достигает несколько часов, это может найти практическое применение в онкологии: для уничтожения раковых клеток альфа-частицы наиболее предпочтительны.
Их можно будет использовать вместо медицинских ускорителей?
Да.
То есть клиника сможет лечить больных кусочком этого сверхтяжелого элемента?
Скорее это должен быть раствор, который содержит сверхтяжелый элемент и вводится в организм. Может быть, это вещество нужно будет доставлять на игле к пораженному органу. На самом деле, мечта медиков, физиков и химиков состоит в том, чтобы создать некую среду, которая бы непосредственно поглощала альфа-частицы в области злокачественной опухоли. Могу отвлечься и привести такой пример: в ИЯФ сейчас создается устройство, которое рождает нейтроны – очень холодные, с очень малой энергией – летящие направленно вперед под небольшим углом.
В опухолях мозга обнаружился такой эффект: если вы создаете некий жидкий лекарственный препарат, содержащий бор-10, то при введении его в организм человека по непонятным для нас причинам оказывается, что он локализуется в области опухоли.
Он присутствует во всем организме, но концентрация его в опухоли значительно превосходит среднюю по организму. Если вы пучком нейтронов локально облучаете мозг в области опухоли, то получается следующее: медленно летящий нейтрон вступает во взаимодействие с этим бором, ядро распадается, образуется альфа-частица и литий-6. Обе эти частицы имеют огромную энергию – несколько мегаэлектронвольт – и начинают крушить клетки мозга, но только там, где есть опухоль. Они уничтожают выборочно только то, что нужно уничтожить.
Такая точность неподвластна никакому скальпелю…
Конечно. Это совершенно конкретный препарат и конкретная схема операции, связанная только с онкологией мозга. Что касается вообще альфа-частиц, то в других институтах идет целенаправленная работа по созданию таких препаратов, которые будут выборочно осаждаться в области опухолей.
Если вы находите «остров стабильности», то получаете некие новые элементы, которые могут оказаться лучше с точки зрения решения этой задачи, чем имеющийся сегодня набор.
Если вы получаете «стабильные» элементы, то у вас открываются новые технологические возможности, потому что раньше их в природе не было. Их свойства могут оказаться очень интересными с точки зрения материаловедения для создания совершенно новых сверхпрочных изделий. Вот зачем это нужно в обиходе. Но сегодня в первую очередь решается фундаментальная задача, позволяющая задать природе новые вопросы: «Что такое наша Вселенная? Как она рождалась? Как она развивалась?». И вот при решении этой задачи ученые творят ювелирные чудеса. Вы видите, с каким количеством атомов приходится иметь дело, и по этим штучным атомам в конечном итоге определяются все параметры этого материала будущего.
Меня восхищает мужество Ю. Оганесяна. После 2000 года в США был открыт 118-й элемент. Вообще говоря, обязательно требуется повторить эксперимент, и его попытались повторить в Японии и в Германии. Им это не удалось, и тогда они обратились за разъяснениями в Штаты. Там начали разбираться, и оказалось, что это была фальсификация. Нашли виновника, который теперь имеет «волчий билет»: в науке он больше не может работать нигде. И вот после этого скандала Оганесян открывает 118-й элемент, причем это уже признано во всем мире. Так что ему и его команде принадлежит честь открытия двух элементов подряд – 118-го и 117-го.
Вы можете объяснить с точки зрения физики, почему в природе не существует элементов с числом протонов в ядре более 92, то есть тяжелее урана?
Это не совсем так. Вспомните плутоний. Хотя он получен искусственно, сейчас его запасы на Земле исчисляются тоннами. А ведь есть еще целый букет тяжелых элементов. Таких как нептуний, америций, кюрий, которые содержатся в отработанном ядерном топливе атомных электростанций. У всех у них заряд ядра больше, чем у урана. Просто у всех этих элементов период полураспада меньше времени существования нашей Земли. Вот почему до недавнего времени их на Земле не было. Этим объясняется отсутствие в земле тех элементов, которые сейчас ученые с таким трудом получают. А вот почему так, сказать не могу.
Эдуард Кругляков: «Появляется надежда на то, что «остров стабильности» будет достигнут»
И наука вместе с вами тоже не может?
О каких-то соображениях можно говорить, но лучше этого не делать.
А где-то во Вселенной они могут рождаться и существовать?
Понимаете ли, Вселенная, несмотря на то, что мы уже много о ней знаем, таит в себе еще очень много загадок. Представьте себе, в последние годы обнаружилась Темная энергия, Темная материя. И выяснилось, что мы знаем всего-навсего о 4 % вещества Вселенной. Сейчас уже есть оценки того, какую долю занимает темная энергия, какую темная материя и какие у них свойства. А свойства у них удивительные. Например, темная энергия фактически порождает во Вселенной антигравитацию. У нас, правда, есть умельцы, которые обещают антигравитацию на Земле, но это уже вне науки.
Из ваших слов я понял, что новые элементы – это передний край современной физики, как и большой адронный коллайдер…
Да. Это острие.
А какое место на этом острие занимают новосибирские физики?
Роль Института ядерной физики довольно значительна. Вы знаете, что сейчас заработал почти на полную мощность большой адронный коллайдер в ЦЕРНе. Он работает на принципах, которые были сформулированы и реализованы в ИЯФ. Речь идет о встречных пучках. В то время, когда эти пучки создавались, подавляющее большинство физиков утверждало, что это очень интересно, но абсолютно невозможно осуществить технически. В Новосибирске это было реализовано. Некоторые скептики потом сюда приезжали и извинялись. Теперь весь мир работает на встречных пучках, в том числе и суперколлайдер – это первое.
Второе: чтобы поднять светимость или число полезных событий (рождений частиц) в единицу времени, - событий, которые вы далее будете исследовать, нужно охлаждать пучки. В свое время в ИЯФ был предложен и реализован метод электронного охлаждения, который тоже воспринимался с большим недоверием до тех пор, пока это не было экспериментально продемонстрировано в Новосибирске. С тех пор этот метод тоже используется на многих ускорителях мира.
Ну и, наконец, последнее – непосредственно в строительстве элементов суперколлайдера активное участие принимал ИЯФ. Многие его элементы были созданы, испытаны в институте и отправлены в ЦЕРН. К примеру, у нас были созданы магниты для предварительных инжекторов – это система длиной 6 километров сплошных умных высокоточных магнитов. Они были отправлены в Швейцарию, где их собирали сотрудники ИЯФ, и сразу после сборки в первом же испытании пучок протонов, находившийся на оси этой системы, прошел 6 километров и вышел точно «в яблочко». ИЯФ принимал участие в создании сложнейших детекторных систем для регистрации рождающихся при встречных столкновениях протонов новых частиц в области высоких энергий. Это очень сложные и дорогостоящие сооружения. Сегодня сотрудники Института принимают участие в экспериментах на суперколлайдере.
Какие опыты проводятся физиками в самом Новосибирске?
Есть разграничение обязанностей. Естественно, мы не можем добраться до столь высоких энергий как в ЦЕРНе, но у нас недавно создан и запущен новый ускоритель со встречными электрон-позитронными пучками на область 2 х 1ГэВ (гигаэлектронвольт). В этой области точность измерений масс рождающихся частиц у нас самая высокая в мире. Сейчас поднимается энергия и светимость – то есть мы сможем наблюдать самые редкие события. Если хотите, то все это нужно для познания нашей Вселенной. Есть у нас старый ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-3/ВЭПП-4. На нем тоже ведутся прецизионные исследования масс резонансов. И здесь в ряде случаев, благодаря уникальным детекторам, построенным в Институте, наши измерения оказываются самыми точными в мире. Попутно эти же ускорители используются как генераторы синхротронного излучения. Используя это уникальное излучение, химики, биологи, механики ведут здесь фундаментальные исследования. К примеру, ученые Института гидродинамики впервые с хорошим временным разрешением исследовали процесс образования алмазов из графита во взрыве. Институт создал и запустил самый мощный в мире лазер на свободных электронах, на котором работают ученые разных институтов Сибирского отделения. Следует отметить, что сама идея лазера на свободных электронах родилась в нашем институте. Словом, у института есть свое лицо.
Молодые физики понимают, какие научные перспективы перед ними открываются? У вас есть конкурс в ИЯФ?
Никакого конкурса нет. У нас физтеховская система. Есть Новосибирский университет, где ИЯФ имеет пять с половиной кафедр, которые начинают отбирать студентов и профессионально их готовить по определенным направлениям. Некоторые добровольцы приходят с первого курса, некоторые со второго, но формально практика в институте начинается третьего курса. Когда студенты заканчивают университет, часть из них мы берем себе. Причем лучших.
Им под силу решить задачи, связанные с «островом стабильности» и темной материей?
Я бы не отважился отвечать за всех. Конечно, страна наша талантами богата, но общий уровень образования в России катастрофически снижается. Новосибирский университет предпринимает все усилия для того, чтобы этого не было, но от него не все зависит. Я могу сказать, что школьные знания физики столь удручающе низкие, что когда ребята приходят в университет, выясняется, что они ничего не знают. Сейчас ведутся интенсивные дискуссии: «А что же делать? Наплевать на то, что было в школе и начать все с начала, потратив часть времени на их подготовку?» Представьте себе, что вы 1,5 года потратили, и у вас осталось на подготовку университетского специалиста 4,5 из 6 лет. Это означает, что уровень подготовки такого специалиста будет заведомо хуже, чем в былые времена. Но если вы имеете дело с талантливыми ребятами, есть шанс на что-то надеяться.
ЕГЭ по физике позволяет определить уровень знаний абитуриента?
Я бы убрал ЕГЭ по физике – было бы правильнее. Все-таки при приеме в университет надо видеть перед собой человека, задавать ему вопросы, принимать у него экзамены. Тогда вы поймете, что он собой представляет.
Физмат-школа вас не выручает?
Она есть, но с ней тоже есть проблемы. В частности, стоимость проживания в физмат-школе - это 70 тыс. рублей в год. И были уже случаи, когда хорошего мальчика берут, а потом родители объявляют: «Мы не можем платить». Если государство не изменит свою политику в области образования, мы сможем рассчитывать только на воспитание самородков, ну а средний уровень подготовки школьников, если не переломить ситуацию, скоро сравняется с уровнем африканских стран…