В лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне продолжается эксперимент по синтезу нового, 116-го элемента таблицы Менделеева. Как заверяют ученые, эксперимент продлится до конца года. Но уже в первых опытах физиков ждала удача: 19 июля, в 1 час 21 минуту, было зарегистрировано событие, которое можно интерпретировать как распад ядра 116-го элемента.

"В нашем циклотроне У-400 мы бомбардировали мишени из кюрия-248 ионами кальция-48, разогнанными до скорости 0,1 от скорости света, - рассказывает научный руководитель Лаборатории ядерных реакций, член-корреспондент РАН Юрий Цолакович Оганесян. - При слиянии должен был образоваться стабильный элемент, который испытывает альфа-распад (при альфа-распаде испускаются два протона и два нейтрона, то есть ядро атома гелия), и тогда он превращается в 114-й. Этот, в свою очередь, - в 112-й элемент, а потом в 110-й. И вот, 19 июля мы такую цепочку распадов зарегистрировали".

"Синтез 116-го элемента - это замечательный результат, чрезвычайно важный для развития всей ядерной теории, - комментирует произошедшее событие директор ОИЯИ, академик Владимир Кадышевский. - Фактически это прямое подтверждение существования так называемых "островов стабильности" сверхтяжелых элементов. Но, кроме всего прочего, этот эксперимент наглядно показал потенциальные возможности физиков Объединенного института. Ведь им потребовалось на несколько порядков поднять чувствительность всех составных частей экспериментальной установки. И в этом смысле ОИЯИ - уникальное место для развития физической науки самого высокого класса. Вообще, я бы саму Дубну сравнил с островом стабильности в неспокойном сегодня океане отечественной науки".

Трансурановый мираж

Время жизни нового 116-го элемента - 50 миллисекунд. Однако важен не столько даже сам факт синтеза нового химического элемента. "Честно сказать, больше всего нас интересует не синтез еще одного элемента. Ну 116-й, ну еще один… Ну и что? - комментирует результаты эксперимента Юрий Оганесян. - Вообще-то говоря, речь идет о совершенно необычном веществе, основу которого составляет очень тяжелое ядро".

Дело в том, что уже 35 лет существует и развивается теоретическая гипотеза относительно того, что таблица Менделеева не кончается трансурановыми элементами. И это несмотря на то что по мере того, как мы идем ко все более тяжелым элементам, время жизни их очень сильно уменьшается.

Когда в прошлом веке Дмитрий Менделеев сформулировал свой периодический закон, ему было известно 63 химических элемента. К 1940 г. была заполнена практически вся таблица Менделеева до номера 92 - урана включительно. (Кроме элемента 61 - прометия, открытого в 1945 г.). Все последующие 18 трансурановых элементов в буквальном смысле - творение рук человеческих. В природе их нет.

Любой школьник непременно задавался вопросом: что там дальше, за ураном, - последним "нормальным" химическим элементом в таблице Менделеева? "И тут обнаружилась интересная закономерность: чем тяжелее новый элемент (больше порядковый номер, соответствующий числу протонов в ядре), тем меньше период его полураспада - вплоть до тысячных долей секунды, - поясняет Юрий Оганесян. - Если уран, 92-й номер в таблице, живет миллиард лет, то время жизни 112-го элемента, который был синтезирован в Германии в 1995 г., составляет всего 240 микросекунд! Но вот что важно. Все элементы после 104 хоть и живут доли секунды, но это время жизни уже практически не изменяется с ростом номера. Таким образом, если всю совокупность химических элементов представить как некий полуостров в море нестабильности, то, вообще-то говоря, нет никаких оснований заявлять, что "земля" бесследно исчезает в морской пучине. Да, она уходит под "воду", но потом появляются "острова стабильности" - супертяжелые элементы. По крайней мере теоретики уже давно вычисляют "координаты" подобных "островов стабильности"".

Другими словами, ядерная теория предсказывает, что если продолжать двигаться еще дальше, к супертяжелым элементам, время их жизни должно опять очень сильно возрастать. Теоретики предсказали, что в окрестностях элемента с атомным номером 114, при числе нейтронов в его ядре - 184, должен существовать так называемый "остров стабильности". Время жизни этого гипотетического элемента 184114 оценивается в несколько миллионов лет! Нынешний эксперимент в Дубне стал очень важным тестом на правильность всей ядерной теории. Полученный результат экспериментально подтверждает факт существования "острова стабильности" сверхтяжелых атомных ядер.

"Сверхтяжелая" гонка

К сожалению, достигнуть пика - элемента 184114, практически невозможно. Никакие варианты слияния стабильных и даже долгоживущих изотопов не могут привести к ядрам на вершине "острова стабильности", никакие мыслимые на сегодня реакции синтеза не приводят к такому большому избытку нейтронов в ядре. Были даже попытки "вбить" необходимое количество нейтронов в ядро в экспериментах с импульсными потоками нейтронов большой мощности (подземные ядерные взрывы) - все неудачно, максимум, чего удалось достигнуть - синтезировать тяжелый изотоп сотого элемента в таблице Менделеева - фермий-257.

"Сегодня, однако, можно надеяться подойти к границам этой неизвестной области настолько близко, чтобы войти в зону действия оболочки с #=184 нейтронов в ядре", - подчеркивает Юрий Оганесян.

"Поиски так называемых супертяжелых элементов, то есть ядер, входящих в предсказанный "остров стабильности" или лежащих вблизи него около атомного номера 114 при числе нейтронов в ядре 184, пока не принесли успеха", - констатировали еще лет десять назад американские исследователи из Калифорнийского университета в Беркли. Впрочем, принципиальный способ достижения этих "островов" был известен уже и тогда. Одновременно с ростом числа протонов в ядре (т.е. с ростом порядкового номера в таблице Менделеева) необходимо усиленно наращивать и число нейтронов. Весь вопрос в том, как это сделать?

В начале 70-х в Лаборатории ядерных реакций был разработан метод холодного слияния ядер. Собственно, именно этим занимались еще средневековые алхимики, пытаясь превратить железо в золото. Но у них не было молотка, двигающегося с релятивистскими скоростям и, а для холодного слияния элементов нужно, чтобы один из них имел скорость лишь в 10 раз меньшую, чем скорость света. В Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР, как зовут ее сами сотрудники Объединенного института ядерных исследований) такой "релятивистский молоток" имеется - ускоритель тяжелых ионов - циклотрон У-400. Именно с его помощью в этом году был поставлен уникальный эксперимент, готовившийся три года.

1993 г., май. Впервые у физиков появились реальные доказательства существования "острова стабильности" сверхтяжелых элементов. Совместно с учеными Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США) в ЛЯРе был успешно выполнен крупномасштабный синтез двух новых необычайно тяжелых изотопов элемента 106 (недавно он получил официальное название - сиборгий, Sg). Два новых "обитателя" таблицы Менделеева оказались первыми из трансурановых элементов после фермия (#100), время жизни которых - несколько десятков секунд! По масштабам ядерной физики - это уже геронтологический возраст. В них удалось "вбить", соответственно, 159 и 160 нейтронов (против 154 в ранее известном изотопе сиборгия). Разница в 5-6 нейтронов качественно изменила свойства 106-го: новые изотопы оказались удивительно стабильными. Мало того, согласно теоретическим расчетам, если бы удалось "пристроить" еще два нейтрона, то время жизни супертяжелых элементов возрастет аж до 100 лет!

Тогда в беседе со мной Юрий Цолакович подчеркивал: "На сегодняшний день синтезированы и охарактеризованы элементы по 109 включительно. Сейчас готовится элемент 110".

1994 г., 18 ноября. Агентство Ассошиэйтед Пресс сообщило, что группа ученых, работавшая под руководством немецкого физика Петера Армбрустера в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштадте (ФРГ), открыла новый элемент 159110. По своим химическим свойствам он соотносится с никелем, палладием и платиной.

В течение 10 лет исследователи во всем мире соревновались между собой, предпринимая усилия с целью получить этот элемент. Ученые из Ливерморской Национальной лаборатории (США) работали над этой проблемой вместе с российскими коллегами в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Однако, немецкая группа (в составе которой, впрочем, были исследователи из Финляндии, Словакии и России) опередила дубненцев.

1994 г., 29 декабря. В совместном эксперименте с группой физиков из Ливерморской Национальной лаборатории в ЛЯРе синтезировали самый тяжелый изотоп 110-го элемента - его ядро содержало уже 163 нейтрона (163110).

1995 г. В Центре исследований тяжелых ионов в Дармштадте (ФРГ) синтезирован элемент #112 - аналог ртути.

1999 г., 7 июня. Американские физики сообщили о наблюдении трех цепочек распада 118-го элемента, синтезированного в реакции слияния свинца и криптона. Их опыты пытаются повторить в Дармштадте - безрезультатно; у японцев и французов также отрицательный результат. После этого американцы сами вновь делают попытку воспроизвести свой результат - ни одного события… До сих пор вопрос со 118-м остается открытым.

1999 г., октябрь. В Лаборатории ядерных реакций в Дубне в совместном российско-американском эксперименте зафиксировано рождение ядер 114-го элемента. Но в них удалось "вбить" только 174 нейтрона (174114). А для приближения к вершине "острова стабильности" каждый нейтрон значит очень много. Так, время жизни изотопа 173112 по сравнению с изотопом 165112 (то есть разница всего в 8 нейтронов) выросло в 4 млн. раз (!) и составило несколько минут.

2000 г., 19 июля. В ЛЯРе синтезировано ядро нового, 116-го элемента таблицы Менделеева.

На отрогах "острова стабильности"

Итак, вершина "острова стабильности" уже оконтурена: 116-й - это как бы перелет через нее, а 112-й - недолет.

Однако, о приближении к вершине "острова стабильности" можно судить и по "отрогам". По словам Оганесяна, время жизни нового элемента оказалось даже больше, чем предсказывает теория. И этот факт сам по себе еще требует объяснения.

"Надо пахать этот "остров стабильности", хотя бы на "отрогах", и полученные результаты экстраполировать на вершину, - уверен Юрий Оганесян. - И если только окажется, что на вершине время жизни ядра может исчисляться сотнями миллионов лет, то тогда необходимо ставить эксперимент по поиску сверхтяжелых элементов в земной коре. Они должны еще в ней сохраниться. Это тем более интересно и важно, что примерно из двух тысяч ядер, известных в настоящее время, лишь 287 нуклидов сохранились в природе с момента нуклеосинтеза".

Практические следствия этой работы - самые фантастические. Например, если критическая масса урана составляет около 20 кг, то критическая масса сверхтяжелых элементов может быть всего несколько миллиграммов. Фактически же, после синтеза нового # 116 элемента таблицы Менделеева, можно говорить об открытии целого радиоактивного семейства сверхтяжелых элементов, подобно тому, как мы знаем радиоактивное семейство урана и тория.

При этом необходимо отметить уникальность эксперимента по синтезу #116.

Во-первых, чтобы наблюдать распад дочернего ядра - изотопа 114-го элемента - в отсутствие всякого искажающего фона, в ЛЯРе использовали систему мгновенной остановки циклотрона У-400 после регистрации нового атома # 116.

Чрезвычайно дорогой изотоп кальция-48 (1 грамм стоит 250 тыс. долларов), по решению министра по атомной энергии РФ Евгения Адамова, для дубненских физиков наработали на комбинате "Электрохимприбор" города Лесной. Производительность комбината - 4,5 грамма кальция-48 в год! Учитывая это обстоятельство, в Лаборатории ядерных реакций разработали такую методику эксперимента, при которой кальция-48 расходуется 0,3 мг в час. "Мы считаем, одним из больших наших достижений, - подчеркивает Юрий Оганесян, - то, что это уникальное вещество нам удалось перевести в разряд рутинных. Это позволило нам вести эксперименты продолжительностью полгода. В США, например, попытались это сделать, но у них меньше 40 миллиграмм не получилось".

Кюрий-248, тоже весьма экзотическое вещество, изготовили в НИИ атомных реакторов Димитровграда.

А физики-теоретики уже обсуждают свойства элемента с порядковым номером… 400 и числом нейтронов в ядре - 900! Эти гипотетические ядра должны иметь вид пузыря, так называемый bubble-nuclear - центр ядра пустой... Похоже, что ядерная материя действительно неисчерпаема в своих проявлениях.