http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=e480ce35-1b5f-4e37-9b17-c35007424238&print=1© 2024 Российская академия наук
Российские физики готовятся провести эксперимент по синтезу 117-го элемента таблицы Менделеева
Его результаты могут перевернуть наши представления о материи
В Дубне в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) готовится уникальный эксперимент по синтезу нового сверхтяжелого химического элемента с порядковым номером 117. Синтезом новых элементов во Флеровской лаборатории занимаются уже более полувека. Только за последние девять лет здесь синтезировали 35 изотопов новых тяжелых элементов с порядковыми номерами больше 100. Но грядущий эксперимент обещает стать особенным.
Синтез тяжелых химических элементов часто сравнивают с конструктором, когда из данных известных частей получается что-то новое, неизвестное. Элементами "конструктора" ядерных реакций служат протоны и нейтроны, из которых, как из кирпичиков, собирают ядра новых элементов.
Физики играют в "ядерный конструктор" не из простого любопытства. Как известно, самым тяжелым элементом на Земле является уран (порядковый номер 92). В природе не существует устойчивых элементов тяжелее урана (единственно известное на сегодняшний день исключение - редчайший плутоний с порядковым номером 94). Сейчас так называемые трансурановые элементы получают только искусственно - в атомных реакторах и в реакциях слияния менее тяжелых атомов. При этом обнаружилась закономерность: с увеличением числа протонов в ядре время жизни таких тяжелых элементов резко сокращается. Впрочем, как оказалось, эта закономерность имеет ограничения.
"Теоретики еще в 60-е годы предсказали существование так называемых островов стабильности, - рассказывает Сергей Дмитриев, директор Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ. - Существует определенное число протонов и нейтронов, при которых ядро элемента устойчиво. Считается, что центр "острова стабильности" находится у элемента со 114 протонами и 184 нейтронами". Ученые предполагают, что сверхтяжелые стабильные элементы могут обладать удивительными, неизвестными науке свойствами. И главная задача физиков на сегодня - подобраться к "островам стабильности" как можно ближе.
Научный руководитель Флеровской лаборатории академик Юрий Оганесян предложил использовать для синтеза сверхтяжелых (то есть с избыточным числом нейтронов) элементов новый способ - бомбардировать трансурановую мишень более легкими ядрами. И мишень, и ядра специально обогащены нейтронами, так как увеличение их числа должно увеличить и срок жизни нового элемента. В качестве универсального "бомбардира" используется специально "наработанный" кальций-48 - в его ядре 28 нейтронов. В пару к нему подбирают и нейтронно обогащенную мишень, в зависимости от того, какой элемент надо получить на выходе. При столкновении ядра кальция и мишени сливаются, протоны и нейтроны складываются и получается искомый элемент.
"За последние девять лет в нашей лаборатории были синтезированы 112-й, 113-й, 114-й, 115-й, 116-й и 118-й элементы, - поясняет Сергей Дмитриев. - Для каждого этого элемента мы использовали свою мишень. Например, если надо получить 114-й элемент, мы берем плутоний, если 116-й - кюрий, если 118-й - то калифорний".
Главный результат экспериментов - подтверждение возможности существования "острова стабильности". Если изотоп 112-го элемента с массой 277 жил всего несколько микросекунд, то его более тяжелый вариант с массой 285, который был синтезирован в Дубне, жил уже полминуты. Разница - миллион раз! И это, уверены экспериментаторы, еще не предел.
В списке синтезированных в лаборатории ядер бросается в глаза отсутствие 117-го элемента. Для его создания необходима достаточно специфическая мишень из берклия (число протонов 97), который синтезируется только в атомных реакторах и существует всего 300 дней. За это короткое время берклий надо выделить, очистить, приготовить мишень и успеть поставить эксперимент. Задача непростая. Физики из Дубны, однако, взялись за ее решение, и уже в самое ближайшее время эксперимент, возможно, будет проведен. Специально для этого в Окриджской национальной лаборатории (США) в течение последних трех лет был "наработан" берклий-249 - всего 40 миллиграммов вещества. "Это первый в истории случай наработки столь весомых количеств такого короткоживущего и такого тяжелого изотопа, - делится Сергей Дмитриев. - Наработка берклия сейчас завершена, идет выделение необходимого изотопа из облученной мишени, и, как мы ожидаем, в первых числах июня эти 40 миллиграммов прибудут в Россию. Затем вещество переправят в Димитровград, где в Государственном научном центре - Научно-исследовательском институте атомных реакторов приготовят мишень. Если все пойдет по плану, то летом начнется сам эксперимент".
Основным инструментом физиков станет ускоритель У-400, который будет разгонять до высоких энергий (порядка 270 мегаэлектронвольт) пучки кальция-48. Ядра кальция попадут в мишень, и в результате с некоторой вероятностью должно появиться ядро нового, 117‑го элемента.
Под действием удара новое ядро вылетает из мишени, подобно бильярдному шару, и попадает в газонаполненный сепаратор, где ядра разделяются по массам, а потом регистрируются детекторами.
Регистрация нового ядра - процесс тоже непростой. Определить, что перед исследователями именно долгожданный 117-й элемент, можно, только регистрируя его альфа-распад, то есть испускание альфа-частицы. Альфа-частица - по сути ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона. Дальше вступает в дело простая арифметика: испустив одну альфа-частицу, 117-й элемент превратится в 115-й. Затем, после второго альфа-распада, - в 113-й. И так ядро должно претерпеть шесть альфа-распадов, пока не достигнет 105-го элемента дубния, который распадается на более короткоживущие элементы.
Изюминка эксперимента как раз и заключается в этой цепочке распадов. С одной стороны, ее звеньями станут элементы уже известные, синтезированные в Дубне раньше. Но в ходе опыта появятся их новые изотопы, полученные из 117-го элемента, которые будут отличаться большим числом нейтронов. И как следствие, более долгим временем жизни. Каким оно будет - сейчас физики не берутся предсказать.
"Изотоп дубния-268, известный сейчас, живет сутки, а тот, который будет получен в новом эксперименте, по некоторым оценкам, может жить уже и десять дней, и даже год, - объясняет Сергей Дмитриев. - Это, конечно, затрудняет эксперимент. Придется долго ждать его распада, чтобы определить, какое ядро было начальным".
Однако долгое время жизни изотопа открывает небывалые возможности по изучению свойств новых элементов. Сама по себе эта задача трудная. Во-первых, число новых ядер, которые появляются в реакциях синтеза, исключительно мало - вероятность рождения того же 117‑го элемента, например, единица на 10 в –36-й степени. Во-вторых, новые ядра, повторяем, живут недолго. В лаборатории ядерных реакций научились решать и эту задачу. Если изотоп живет 0,5 секунды, то химики уже способны изучать его свойства. Возьмем, например, 112-й элемент. Здесь результаты оказались вполне предсказуемыми. Дело в том, что, если посмотреть на таблицу Менделеева, то 112-й элемент по своим химическим свойствам должен оказаться так называемым тяжелым гомологом таких веществ, как цинк, кадмий и ртуть. Эксперимент подтвердил это теоретическое предсказание. Но вот со следующим, 114-м элементом результат оказался куда интереснее. Согласно периодической таблице, 114-й элемент располагается в одном ряду с оловом и свинцом. Но в ходе эксперимента обнаружилось, что 114-й - вещесто летучее, совсем не похожее ни на свинец, ни на олово.
Как полагают ученые, это первое указание на влияние релятивистских эффектов на свойства ядра. Как известно, релятивистские эффекты имеют место при скоростях, близких к скорости света. В атоме отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительного ядра. Чтобы не упасть на ядро, электрон должен вращаться с определенной скоростью. Чем больше заряд первого, тем больше скорость второго. И с определенного момента она становится уже соразмерной со скоростью света. При этом увеличивается и масса движущегося электрона по отношению к его массе покоя. В результате внешние электронные оболочки сильнее сжимаются и начинают напоминать структуру атомов инертного газа.
Задача исследователей теперь - определить, с какого же элемента влияние релятивистских эффектов становится заметным. Есть прогнозы, что уже 113‑й элемент поведет себя подобным образом. В экспериментах со 117‑м элементом ученые надеются это проверить, потому что время жизни изотопов и 113‑го, и 115‑го элементов должно увеличиться.
Так, шаг за шагом, с помощью экспериментов физики продвигаются к более глубокому пониманию структуры материи. Эксперименты по ядерному синтезу открывают еще одну, уже почти фантастическую перспективу. Время жизни сверхтяжелых элементов увеличивается приблизительно в 10 раз с добавлением одного нейтрона. А значит, теоретически не исключено, что во Вселенной могут существовать сверхтяжелые атомы, образовавшиеся миллиарды лет назад и дожившие до наших дней. Такие поиски уже ведутся физиками. Дальнейшие эксперименты в лаборатории, возможно, дадут понять, где именно искать сверхтяжелые элементы. И если они будут найдены, это перевернет взгляды на образование вещества в нашей Вселенной.