Книга: Удивительные истории о веществах самых разных

Остров стабильности в нестабильном мире (трансураны)

Остров стабильности в нестабильном мире (трансураны)

Сотни лет алхимики пытались превратить свинец в золото, используя при этом таинственный философский камень. Ничего у них, как известно, не вышло, но трансмутация металлов в конечном итоге оказалась возможной, хотя вовсе не теми способами, которые изучали алхимики. Собственно, возможным оказалось многое, о чем мечтали наши предки. Человек научился стремительно перемещаться по железным дорогам, освещать свое жилище электричеством и даже пробрался в космос. И все – не так, как представляли это себе в сказках и фантастических романах. (Например, каникулы на Луне в XXI веке предсказывали, а мобильные телефоны почему?то нет…)

На конференции американских физиков в Нэшвилле в апреле 1941 года А. Шерр и К. Т. Бэйнбридж из Гарвардского университета доложили об успешных результатах своих опытов. Направив разогнанные дейтроны на литиевую мишень, они получили поток быстрых нейтронов и облучили им ядра ртути. В результате получилось золото (три новых изотопа с массовыми числами 198, 199 и 200). Правда, в отличие от природного золота-197, они в течение нескольких часов или дней претерпевали бета-распад с образованием все той же ртути, к тому же были в сотни раз дороже природного металла. Тем не менее принципиальная возможность реализации мечты алхимиков была доказана.

Сегодня с помощью ядерной физики можно получать не только существующие элементы (что, честно говоря, никому не нужно), но и искусственные. Кое-кто считает, что и это, вообще говоря, никому не нужно, как и любые фундаментальные исследования (а заодно и такая ерунда, как искусство, за исключением развлекательного), – но ошибочность этой простодушной точки зрения доказана уже давно.

Открыв периодический закон и нарисовав Периодическую таблицу элементов, наш великий соотечественник Дмитрий Менделеев предоставил будущим химикам и физикам огромное поле для захватывающей деятельности – поиска или «конструирования» новых элементов. «… Было бы весьма интересно, – писал он в 1898 году, – присутствовать при установке данных для доказательства превращения элементов друг в друга, потому что я тогда мог бы надеяться на то, что причина периодической законности будет открыта и понята». К 1917 году усилиями ученых разных стран было открыто 24 новых химических элемента, а именно: галлий (Ga), скандий (Sc), германий (Ge), фтор (F); лантаноиды: иттербий (Yb), гольмий (Но), тулий (Тu), самарий (Stn), гадолиний (Gd), празеодим (Рr), диспрозий (Dy), неодим (Nd), европий (Еu) и лютеций (Lu); инертные газы: гелий (Не), неон (Ne), аргон (Аr), криптон (Кr), ксенон (Хе) и радон (Rn) и радиоактивные элементы (к которым относился и радон): радий (Ra), полоний (Ро), актиний (Ас) и протактиний (Ра). Количество химических элементов в периодической системе Менделеева увеличилось с 63 в 1869 году до 87 в 1917?м. А в 1940 году был синтезирован уже второй элемент со столь малым временем жизни, что на Земле его уже давно практически не осталось. Это был первый трансурановый элемент, то есть находящийся в таблице Менделеева за ураном, – нептуний, но он не сыграл такой трагической роли в истории, как следующий за ним плутоний, с использованием которого были сделаны первые атомные бомбы в США (1945 год) и СССР (1949 год). С тех пор на специальных тайных заводах было изготовлено несколько тысяч тонн «оружейного» плутония. Плутоний был получен бомбардировкой урана ядрами дейтерия (тяжелого водорода) в ходе реализации Манхэттенского проекта, завершившегося, как известно, бомбардировками Хиросимы и Нагасаки. Интересно, что первоначальной целью была не Хиросима, а историческая столица Японии (и крупный промышленный центр) город Киото, но этому воспротивился тогдашний военный министр США, который провел в Киото свой медовый месяц и был очарован красотой города.

Следующие в Периодической таблице после плутония (номер 94) элементы уже точно не открывали, а синтезировали путем выстреливания ядрами одного элемента в ядра другого так, чтобы сумма протонов в новом ядре после слияния равнялась номеру искомого элемента.

Наш рассказ поневоле суховат, но, если задуматься, эта отрасль ядерной физики вызывает неподдельный восторг – во?первых, перед мастерством ученых, а во?вторых, перед стройностью мироздания. Авторы этой книги расходятся по вопросу о сотворении мира и (признаемся) нередко поддразнивают друг друга, поскольку один из них верит в «поповские сказки» и в «старичка с бородой, обитающего в стратосфере», а второй полагает, что если над мусорной свалкой долго будут бушевать грозы, то рано или поздно из бытовых отходов путем эволюции спонтанно возникнут птица Феникс, гепард и писатель Владимир Сорокин. Кто бы ни сотворил нашу Вселенную, однако поразительна свойственная этому творению экономия. Ну да, Вселенная бесконечна – но состоит она из чрезвычайно ограниченного количества химических элементов и элементарных частиц (не считая темной материи и темной энергии, в которых до сих пор не могут разобраться даже специалисты). Так что, создавая новые элементы, мы как бы соперничаем с Творцом (или Матерью-Природой). А это не может не волновать, поскольку многие поколения поэтов сокрушались своей подвластности раз и навсегда установленному миропорядку. Вот, например, классическое стихотворение Евгения Баратынского на эту тему:

Итак, мятежные мечты… В 2009 году в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова дубненского Объединенного института ядерных исследований успешно завершился эксперимент по синтезу нового химического элемента с атомным номером 117. Это было сделано путем обстреливания мишени из искусственного элемента берклия (№ 97) пучком снарядиков из исключительно редкого и дорогого изотопа кальция (№ 20) с массой 48. При слиянии ядер получается элемент № 117 (97 + 20 = 117).

Свойства 117?го и ранее синтезированных в Дубне элементов 112 – 116 и 118 являются прямым доказательством существования так называемого «острова стабильности» сверхтяжелых элементов, предсказанного теоретиками еще в 60?е годы прошлого века и существенно расширяющего пределы таблицы Менделеева. После открытия в 1940 – 1941 годах первых искусственных элементов – нептуния и плутония вопрос о пределах существования элементов стал исключительно интересным для фундаментальной науки о строении материи. К концу прошлого века были открыты семнадцать искусственных элементов и обнаружено, что их ядерная стабильность резко уменьшается с увеличением атомного номера: при переходе от 92?го элемента – урана к 102?му элементу – нобелию период полураспада уменьшается от 4,5 миллиарда лет до нескольких секунд. (Существование ломовых лошадей высотой в 10?этажный дом, описанных Владимиром Сорокиным в его забавной повести «Метель», вряд ли возможно в условиях силы тяжести Земли; подобная лошадка будет нуждаться в слишком прочном скелете, который, в свою очередь, потребует небывалой мускульной системы, – и так далее. Примерно таким же образом совокупность существующих законов физики приводит к тому, что с определенного момента тяжелые элементы начинают как бы разваливаться под собственной тяжестью. Это, конечно, метафора, дело совсем не в гравитации – но вы нас понимаете.) Поэтому считалось, что продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования и обозначит границу существования материального мира. Однако в середине 60?х годов теоретиками неожиданно была выдвинута гипотеза о возможном существовании сверхтяжелых атомных ядер. Согласно расчетам, время жизни ядер с атомными номерами 110 – 120 должно было существенно возрастать по мере увеличения в них числа нейтронов, что должно привести к существованию обширного «острова стабильности» сверхтяжелых элементов.

В 1975 – 1996 годах физикам Дубны, Дармштадта (Институт GSI, Германия), Токио (Институт RIKEN) и Беркли (Национальная лаборатория им. Лоуренса, США) удалось синтезировать шесть новых элементов. Наиболее тяжелые элементы 109 – 112 были впервые получены в GSI, а затем – в RIKEN. Но периоды полураспада наиболее тяжелых ядер, полученных в этих экспериментах, составляли всего лишь десятитысячные или даже тысячные доли секунды. Гипотеза о существовании сверхтяжелых элементов впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, в сотрудничестве с учеными из Национальной лаборатории им. Лоуренса. Результаты превзошли даже самые оптимистические ожидания. В 2000 – 2004 годах впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118. И впервые было показано, а через пять – восемь лет повторено и в других лабораториях мира, что они живут в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники.

Что сказать – прекрасный пример международного сотрудничества, куда более осмысленного, чем холодная война. В ядерной реакции с пучком кальция 117?й элемент можно получить только с использованием мишени из искусственного 97?го элемента – берклия. Период полураспада последнего составляет всего 320 дней, и поэтому его наработку в требуемом для мишени количестве (20 – 30 миллиграммов) необходимо вести в реакторе с высокой плотностью потока нейтронов. Такая задача по плечу только изотопному реактору Национальной лаборатории США в Оук-Ридже. (Кстати, именно в этой лаборатории, созданной в 1943 году в рамках Манхэттенского проекта, впервые изготовили плутоний для американской атомной бомбы.) Краткость жизни берклия заставляла вести все работы в высоком темпе, причем не только в физических лабораториях, но и в бюрократических ведомствах России и США, связанных с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и так далее.

Достойно приключенческой повести! А потом, в начале июня 2009 года, контейнер с металлом, столь же редчайшим, сколь недолговечным, прибыл в Москву. В НИИ атомных реакторов в Димитровграде была изготовлена мишень в виде тончайшего слоя берклия (300 нанометров), нанесенного на тонкую титановую фольгу, в июле ее доставили в Дубну. Началось непрерывное облучение мишени интенсивным пучком кальция. Уже при первом облучении продолжительностью семьдесят дней ученым сопутствовала удача: детекторы пять раз зарегистрировали картину образования и распада ядер 117?го элемента. Как и ожидалось, его ядра трансформировались в ядра 115?го элемента,115?й элемент превращался в 113?й, а затем 113?й элемент переходил в 111?й. А этот 111?й элемент разрушался с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе – это огромное время! Так таблица Менделеева пополнилась еще одним из самых тяжелых элементов с атомным номером 117.

Сейчас, конечно, это открытие не имеет никакого практического применения, ведь получено всего несколько атомов элемента 117. Но с фундаментальной точки зрения – представления о нашем мире теперь должны сильно измениться. Более того, если синтезируются элементы с огромным периодом полураспада, то не исключено, что они существуют и в природе и могли «дожить» до нашего времени с момента образования Земли – 4,5 миллиарда лет. И эксперименты по их поиску ведутся, в глубине Альпийских гор стоит российская установка по регистрации таких элементов.

Пока элемент 117 получил название «один-один– семь» по?латыни, то есть «унунсептий». Группа академика Юрия Оганесяна, как авторы открытия, имеет полное право дать настоящее имя и этому, и другим элементам, которые она открыла. Кое-что уже произошло, например, великому польскому немцу Копернику нашлось место в таблице Менделеева. При всем уважении к Речи Посполитой отметим, что отцом Коперника был немец, а сам великий астроном за всю жизнь не написал ни строчки по?польски, пользуясь только латынью и немецким языком. Но это к слову – в конце концов, многие письма Пушкина и князя Вяземского тоже написаны по?французски. Зато фамилия Коперника прекрасно рифмуется по?русски с «соперником», хотя употреблять эту рифму после Маяковского

кажется, уже не очень прилично.

Элемент 112 с временным названием «унунбий» (то есть «один-один-два») был впервые получен в 1996 году на ускорителе тяжелых ионов в Центре исследования тяжелых ионов в Дармштадте (Германия). Это одна из трех главных организаций, в которых проводится синтез новых трансурановых элементов, две другие – это уже упоминавшиеся Объединенный институт ядерных исследований в Дубне и американская Национальная лаборатория им. Лоуренса. Между этими центрами давно ведется гласная и негласная конкуренция за открытие новых элементов, особенно в связи с приближением к «острову стабильности». (Действительно, у № 112 уже вполне пристойный период полураспада – 34 секунды.)

После длительных проверок, в том числе в Дубне, Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) признал приоритет Дармштадтского центра и сам факт открытия. Это означает, что немецкие ученые могли выбрать имя для элемента с неказистым названием «унунбий»; они назвали его коперницием. Эти же ученые уже присваивали названия для элементов № 107 – борий и № 109 – мейтнерий.

По аналогии со ртутью коперниций должен быть вторым, после ртути, жидким металлом при нормальных условиях, хотя получить его в заметных количествах вряд ли удастся.

Для полученного в ОИЯИ в 1998 году элемента № 114, который, как обычно, поначалу назывался унунквадий (один-один-четыре), было предложено, и в конце концов утверждено IUPAC название флеровий, в честь советского академика Георгия Флёрова, основателя дубненского института. Известна ставшая легендой реальная история с отправкой Флёровым письма Сталину в 1942 году. Оказавшись по дороге на фронт в Воронеже, лейтенант Георгий Флёров зашел в университетскую библиотеку и обнаружил, что из западных физических журналов исчезли статьи по урановой тематике. Флёров, который уже до войны был известным ядерным физиком, сделал разумный вывод, что на Западе явно начали делать бомбу. Скорее всего, безграмотные вожди СССР выбросили письмо в корзину, но все же после войны Флёров был привлечен к работе над Атомным проектом и активно в нем участвовал.

Одним из величайших прозрений Менделеева было предсказание свойств еще не открытых тогда элементов скандия (экабора по терминологии Менделеева), галлия (экаалюминия) и германия (экасилиция). Не вдаваясь в подробности: предсказание было сделано на основании им же открытого Периодического закона, согласно которому еще неизвестный элемент обладает «средними» свойствами между соседними известными элементами, а при движении вниз по группе в таблице усиливается «металлический» характер элемента.

По той же логике можно предположить, что 112?й элемент обладает свойствами кадмия и ртути, а 114?й – олова и свинца. На вершине «острова стабильности» предположительно могут существовать сверхтяжелые элементы, время жизни которых составляет миллионы лет. Эта цифра не дотягивает до возраста Земли, но кто знает – может быть, сверхтяжелые элементы могут существовать в природе, где?нибудь в Солнечной системе или в глубинах космоса. Но пока эксперименты по поиску «природных» сверхтяжелых элементов не увенчались успехом. В последние годы в Дубне идет подготовка эксперимента по синтезу 119?го элемента таблицы Менделеева, а заграничные сообщения о синтезе элементов с номерами больше 120 – чуть ли не 126 – не подтверждаются.

А в завершение – отрывок из чудесной поэмы Андрея Белого «Первое свидание», где поэт размышляет о месте человека в мире физических законов и явлений, походя предсказывая изобретение атомной бомбы. (В слове ат?мный Белый ставит ударение на втором слоге, что, вообще?то говоря, правильнее, поскольку «а-томос» по?гречески означает «не-делимый», а ударению логично приходиться на корень слова, не на приставку).