Ученые ищут границы материального мира
Физики готовятся к событию международного масштаба. Трем новым, не существующим на Земле химическим элементам предстоит инаугурация названий (официальный термин) в Москве, в Центральном доме ученых Академии наук. Там 2 марта в торжественной обстановке они будут введены в таблицу Менделеева.
Новые 115-й, 117-й и 118-й элементы — это московий (Mc), теннессин (Ts) и оганесон (Og). Почему их так назвали? Московий — в честь Московского региона, древней Русской земли, где в Дубне находится Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ). 117-й — теннессин — закрепил заслуги исследователей Ок-Риджской национальной лаборатории и университета Вандербильта (штат Теннесси, США). А оганесон (Oganesson) назван именем нашего выдающегося физика-ядерщика, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова (ОИЯИ), академика Юрия Оганесяна. В этой лаборатории в последние годы в сотрудничестве с учеными национальных лабораторий США в Ок-Ридже и Ливерморе синтезированы шесть новых сверхтяжелых элементов с атомными номерами 113-118. Ранее в 2012 году 114-му элементу было присвоено название флеровий (Fl) в честь Лаборатории ядерных реакций и ее основателя, первого директора академика Г.Н. Флерова. В истории науки это первый случай, когда имена двух ученых одного научного центра вписаны в Периодическую таблицу (элементы флеровий и оганесон).
В преддверии инаугурации директор Лаборатории ядерных реакций профессор Сергей ДМИТРИЕВ рассказывает читателям «Труда» о том, как прокладывается дорога в неведомое, о поисках острова стабильности, близких и далеких перспективах исследований.
— Великая тайна природы — где проходит граница материального мира, состоящего из химических элементов, сколько их вообще во Вселенной и сможет ли человек когда-нибудь приблизиться к краю и понять, как происходило сотворение мира? — с интереснейших вопросов начинает беседу Сергей Николаевич. — Мы используем все более мощные циклотроны (только один магнит весит больше 2 тысяч тонн), проникаем в глубины атомного ядра...
Во времена Менделеева было известно 63 химических элемента. Гениальность его открытия заключалась в том, что, анализируя их свойства, он сформулировал периодический закон, предложил Периодическую таблицу, которая не только разложила по клеточкам известные элементы, но и давала четкие указания свойств еще не открытых. На сегодня в таблице уже 118 элементов, причем наиболее тяжелый — найденный в земных условиях уран (92-й элемент). А 26 получены искусственным путем — первые восемь (от нептуния до фермия) в атомном реакторе, все последующие — на ускорителях тяжелых ионов.
Рукотворным является и широко известный плутоний, который когда-то был на Земле, но распался, не сохранился до наших дней. Нынче он используется при производстве оружия, в качестве топлива для ядерных реакторов, источника энергии в космических аппаратах.
Сверхтяжелые элементы удается получить на специальных ускорительных установках, сталкивая два атомных ядра. Одно — неподвижно, другое вонзается на фантастической скорости порядка 30 тысяч километров в секунду. Для сравнения: это 1/10 скорости света, за 13 секунд можно долететь до Луны...
Как же разогнать микроскопическое атомное ядро в земных условиях? Пучок заряженных частиц, удерживаемый в пустоте, внутри круговой вакуумной камеры циклотрона, раскручивается с помощью сверхмощного магнитного поля, а затем направляется на мишень. Атомные ядра при этой бомбардировке могут соединиться, слиться — и тогда ученые получат долгожданный новый элемент, но куда чаще раскалываются. Поэтому очень важно с большой точностью поддерживать скорость пучка, не превысить ее, иначе после столкновения ядер останутся одни осколки.
— В качестве мишени мы используем долгоживущие изотопы пяти искусственно получаемых элементов: плутония, америция, кюрия, берклия и калифорния, — продолжает профессор Дмитриев. — Причем работаем с теми изотопами, у которых максимальное содержание нейтронов. А бомбардируем мишени весьма редким и поэтому очень дорогим изотопом кальция-48 (более 100 тысяч долларов за грамм). Длительность одного эксперимента — несколько тысяч часов непрерывной работы ускорителя. Нам удалось снизить расход кальция-48 с 20 мг в час (так было четверть века назад, и это никого не устраивало) до 0,5 мг, то есть в 40 раз. А интенсивность разгоняемого пучка увеличили до 8 трлн заряженных частиц в секунду. Длительность эксперимента напрямую зависит от интенсивности. Чем выше интенсивность, тем выше вероятность синтеза нового элемента. Материалы для мишеней были произведены на самом мощном в мире ядерном реакторе в Ок-Ридже (яркий пример эффективности международного сотрудничества). Сами мишени изготовили радиохимики «Р-осатома» (НИИАР) в Димитровграде. А наработку уникального изотопа кальция-48 (специально для наших экспериментов) осуществили высококлассные специалисты комбината «Росатома» «Электрохимприбор» (город Лесной Свердловской области).
Ученый поясняет, что время жизни синтезированных ядер стремительно уменьшается по мере удаления от 100-го элемента. До 108-го элемента оно измеряется секундами, а у следующих — десятыми, тысячными и миллионными долями секунды. Что же, выходит, дальше идти безнадежно? Нет, это неверно, потому что ученые предполагают: в большом море короткоживущих элементов есть остров или даже острова стабильности, где ядра могут существовать тысячи, миллионы лет. И, возможно, исследователям уже удалось подойти к краю этого острова. Потому что при синтезе некоторых изотопов время их жизни составляет уже не миллионные доли секунды, а целые секунды, минуты и даже часы.
К примеру, один из изотопов 105-го элемента — дубний-268 (продукт распада сверхтяжелого 115-го элемента — московия) живет 29 часов. Отпущенный природой срок увеличился в миллионы и миллиарды раз.
Похоже, подтверждается правильность гипотезы островов. Конечно, ученые вступили только на прибрежную кромку острова стабильности, и до вершины еще далеко. Но теперь они знают, где начинается крутой подъем вверх. Так в чем же заминка? Очень просто: требуется новая мощная техника.
— К освоению острова мы сможем приступить в 2019-м, когда у нас завершится сооружение первой в мире фабрики сверхтяжелых элементов, — уточняет Сергей Николаевич. — Это будет уникальный научный комплекс, располагающий замечательным ускорителем (циклотроном) нового поколения DC-280. Мы сможем работать с пучками кальция, титана, хрома с интенсивностью, на порядок превышающей сегодняшний мировой уровень. Станет возможным синтез новых элементов с атомными номерами 119 и выше. Открываются уникальные возможности не только синтеза новых элементов, но и детального изучения свойств ранее открытых сверхтяжелых. Несомненно, здесь нас ждут новые открытия.
Строительство фабрики, о которой сказал Дмитриев, идет полным ходом. Недавно в новом просторном экспериментальном корпусе завершился монтаж основного магнита нового циклотрона. Этот комплекс создается специально для синтеза сверхтяжелых элементов следующего, пока еще не существующего восьмого периода таблицы Менделеева. Чрезвычайно интересный проект. Если удастся достичь желанной цели, получить, наконец, элементы, живущие долго, тогда откроются фантастические перспективы. Появится принципиально новая атомная энергетика, новый класс топливных элементов, двигателей, да много всего... По мнению ученых, необычные формы материи, которых сегодня нет на Земле, изменят жизнь людей кардинально.
Впрочем, и сегодня «попутная» отдача от фундаментальных исследований впечатляет. Например, созданные в Дубне трековые мембраны оказались очень востребованными. Изготавливаются они так. Тончайшая полимерная пленка толщиной в сотые доли миллиметра облучается на циклотроне в Дубне тяжелыми ионами криптона, ксенона. В пленке образуются фантастически малые сквозные отверстия, которые в тысячу раз тоньше человеческого волоса (диаметр каналов от нескольких микрон до сотых долей микрона). Этот чудо-фильтр при прокачивании, например, воды задерживает бактерии, вредные примеси, неразличимые без микроскопа твердые частицы.
Широкое применение нашли трековые мембраны в медицине, в том числе при очистке крови (плазмаферезе) и ее заготовке. А в развитых зарубежных странах эту надежную защиту используют еще и для фильтрации содержимого ампул, предназначенного для внутривенных инъекций. Оказывается, когда медсестра отламывает головку ампулы, микроскопические частицы стекла попадают в жидкий препарат, который на вид кажется совершенно прозрачным. Эти частицы могут оседать в кровеносных сосудах, что чревато, как считают многие специалисты, серьезными последствиями. Чтобы исключить такую опасность, раствор пропускается через мембранный фильтр. Китай, например, долгое время закупает нашу пленку, изготавливаемую в Дубне. Ранее власти одобрили использование новой технологии в китайских больницах.
— На циклотроне ИЦ-100 в Дубне мы изготавливаем более 100 тысяч квадратных метров трековых мембран в год, — подчеркивает мой собеседник.
Другим не менее ярким примером «побочного» использования достижений фундаментальной науки является создание на ускорителях специальных стендов, на которых идет тестирование (проверка) электронных компонентов космической техники. Это важнейшая проблема. Наиболее часто причиной аварий космических аппаратов является сбой электроники под действием космических лучей. В ОИЯИ в Дубне совместно с организациями Роскосмоса проводятся серии испытаний на ускорителях, созданных для синтеза новых элементов. Это единственный центр в России, обеспечивающий потребности Роскосмоса в таких исследованиях.
После пуска фабрики, то есть уже через пару лет, возможности исследователей увеличатся стократно.
— Будет ли покорен в обозримом будущем таинственный остров стабильности? — спросил я в завершение нашей беседы Сергея Николаевича. — Понимаю, что вопрос некорректный, планировать открытия невозможно. Но если чисто интуитивно... Когда?
— Синтез новых 119-го и 120-го элементов мы начнем уже в 2019 году, а вот центра острова стабильности достигнем, может быть, лет через 10-20, — после некоторой паузы ответил ученый.
Что ж, если так, то научная сенсация случится при жизни нынешнего поколения.