Физика

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА - ВОПЛОЩЕНИЕ АЛХИМИИ?

Лаборатория ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в 2007 г. отпраздновала пятидесятилетний юбилей. Здесь синтезировано много новых тяжелых и сверхтяжелых элементов, работают ускорители тяжелых ионов. Тут раскрывают тайны атомного ядра и проводят другие интересные эксперименты. О предмете исследований нашему корреспонденту Екатерине Алтайской рассказал академик Юрий Оганесян.

- Юрий Цолакович, в вашей Лаборатории недавно вступил в строй ускорительный комплекс DRIBS (Dubna Radioactive Ion Beams) - дубненские радиоактивные пучки. Как родилась и на чем основана его идея? Что подтолкнуло к его созданию?
- Начнем с основных понятий. Элементы (от водорода до урана) существуют в природе - значит, все они дожили до наших дней с момента образования Земли. Поэтому мы называем их стабильными, и наш мир тоже хотелось бы считать таковым. На самом же деле элементов и изотопов значительно больше - только время их существования гораздо меньше возраста планеты. Поэтому наши суждения об атомах, о составляющих их ядерных структурах, о протонах и нейтронах долгое время были основаны на том, что есть в природе и легко доступно для исследования. Но физика может создавать вымершие элементы (если их жизнь очень коротка), используя ядерные реакции различного типа. Последнее привело к тому, что изотопов стабильных элементов примерно 360, а всех известных специалистам около 3 тыс., т.е. 10% существуют в природе, а остальные 90% получены искусственным путем в результате ядерных реакций. Время их жизни, конечно, меньше - от тысячных долей секунды до тысяч и миллионов лет.

Важно понять, где пределы массы ядра, а значит, и пределы существования материи, поскольку в масштабе микромира секунды - еще достаточно большое время. Чтобы синтезировать такие ядра, в которых содержится разное количество протонов и нейтронов, и понять, как они влияют на стабильность всего ядра, изучают короткоживущие ядра - их получают у нас в лаборатории. Наша задача - трансформировать стабильную материю в другую форму, часто нестабильную. В принципе, это то же, чем когда-то занимались алхимики, пытавшиеся превратить железо в золото. Они понимали: для этого нужно затратить энергию. Подход был правильный, просто им не был известен масштаб этой энергии. Ведь чтобы их мечта сбылась, например, обычный молоток, который они использовали в работе, должен был двигаться со скоростью равной 0,1 скорости света. Так и нам приходится: чтобы при столкновении двух ядер одно из них имело большую скорость и преодолело силу отталкивания, нужно его ускорить. Для чего и создаются ускорительные установки, основная задача которых - сообщить стабильному, покоящемуся ядру примерно 0,1 скорости света (иначе реакция не произойдет, и ядра разойдутся в разные стороны). По мере развития науки масса ускоряемых частиц увеличивалась, и когда мы говорим "ускоритель тяжелых ионов", подразумевается, что речь идет о частицах намного тяжелее атома водорода.

Но возможности таких установок ограничены. Не всегда можно достичь границ, определяющих стабильность системы. Родилась идея: а почему необходимо ускорять лишь стабильные элементы? Можно это осуществлять в два этапа: вначале трансформировать стабильные элементы в нестабильные - обогащенные нейтронами (или протонами), а затем их снова ускорить и вновь трансформировать в ядра, еще более удаленные от линии стабильности. В результате будет понятно, как далеко нужно отойти от стабильного ядра, когда "кончится" его существование вследствие переизбытка нейтронов или протонов. Поэтому необходимы уже два ускорителя. Один ускорит сначала стабильное ядро и превратит его в нестабильное. Полученные ядра поступят в другой ускоритель и там снова ускорятся. Это и происходит в нашем комплексе DRIBS: первая установка производит пучок стабильных ядер, который затем выводится на мишень. При взаимодействии стабильного пучка со стабильным ядром мишени происходит ядерная реакция, в которой рождаются многие нестабильные ядра. Однако нам нужны далеко не все, а какие-то определенные - их необходимо ускорить повторно. Для этого существует система отбора.

- В чем она заключается?
- В том, что ядро, которое вы хотите ускорить, имеет определенную массу и заряд, по ним необходимо его выделить из всех других побочных продуктов реакции, а затем ввести в другой ускоритель (предварительно настроив его на режим ускорения искомого ядра). Поскольку сам процесс ускорения длится всего стотысячные доли секунды, в качестве пучка можно использовать очень короткоживущие атомы. Так можно осуществлять ядерные реакции как со стабильными изотопами, так и нестабильными, весьма экзотическими, ибо последние сильно отличаются от ядер, существующих в природе. Ведь далеко не каждое количество протонов и нейтронов может образовать устойчивую систему. Вопрос же о том, где кончаются эти границы устойчивости и какие сочетания чисел протонов и нейтронов уже не дают связанную систему, и является предметом наших исследований. В этих исканиях сегодня ученые дошли лишь до области кальция (элемента с атомным номером 20). На примере его и более легких ядер можно экспериментально показать эти пределы. А уран - девяносто второй! Выходит, есть огромное поле для дальнейших поисков. Во многих странах мира сооружают подобные ускорительные комплексы. На нашей установке мы проводим работы примерно 40 дней в году. В экспериментах участвуют физики из разных стран.

- Какие ионы предпочтительнее для ваших поисков?
- Самые разные. Зависит от постановки задачи. Например, один из самых легких - гелий (атомный вес 4, состоит из 2 протонов и 2 нейтронов). Он стабилен. А гелий-6 живет 1 с, гелий-8 - около 0,1 с, гелий-10 уже нестабилен. Почему? Чем это обусловлено? В одной теоретической модели предсказано: если гелий-10 стабилен, то и все последующие, более тяжелые изотопы этого элемента, вплоть до гелия-20, также будут ядерно-стабильными. Если же гелий-10 нестабилен, то весь этот прогноз неоправдан. Но как добраться до изотопа гелий-10? Когда изначально имеется гелий-4, задача очень трудна, а если гелий-6, то добиться результата уже значительно легче. А от гелия-8 остается всего один шаг до цели. Вот мы и стараемся получить пучки гелия-6 и гелия-8.

- Над какими еще проектами трудятся в вашей Лаборатории?
- О первом я рассказал. Второй тоже связан с границами существования материи, только вопрос стоит иначе: какое самое тяжелое ядро может существовать? Где предел масс ядер? Ответ на вопрос непосредственно связан с одной из главных проблем современной ядерной физики - о природе ядерных сил, определяющих энергию связи протонов и нейтронов. Для их теоретического описания строят разные модели, ставят эксперименты. Не забудьте: когда мы подходим к границам стабильности, силы связи уже на исходе. Другой вопрос, как рушится эта система.

- И каков ее механизм?
- Если речь идет о предельных массах ядер, то нужно идти к очень тяжелым ядрам. Уран (92-й элемент) - последний из существующих на Земле. Но в мире ядер есть и более тяжелые, правда, они живут не столь долго, как уран. Плутоний (94-й элемент) - 24 тыс. лет, что по сравнению с возрастом Земли безумно мало, - поэтому на нашей планете его нет. Однако ученые нашли способ его синтезировать и успешно использовать не только в военном деле, но и в ядерной энергетике. А дальше? 98-й, 100-й и более тяжелые... Время жизни ядра 102-го элемента по отношению к ядру урана уменьшилось на 15 - 17 порядков! Затем, для более тяжелых элементов, вплоть до 112-го, оно мало менялось, оставаясь на уровне десятых и тысячных долей секунды. Почему? Долгое время это не находило разумного объяснения. Возникла гипотеза: если пойти еще дальше, период жизни элементов снова начнет расти. Затем опять будет падать. Иными словами, наш мир не кончается так называемым "уходом в море нестабильности".

После резкого сокращения времени жизни возникают "острова стабильности", где элементов будет много, и жить они могут значительно дольше - не секунды и даже не годы, а тысячи и, быть может, миллионы лет. Теоретически гипотеза была разработана учеными разных стран в конце 1960-х годов, но лишь недавно мы доказали ее справедливость опытным путем. Эксперименты начались в 2000 г., и за 6 лет нами синтезированы 113, 114, 115, 116 и 118-й элементы. Они живут секунды, иногда десятки секунд. Но когда последовательно распадаются, переходят в более легкие элементы, например, в 105-й (дубний), который живет около 32 ч. Это настолько долго, что можно не торопясь изучить его химические свойства. Мы провели опыты по исследованию его химических свойств и проверили, насколько таблица Менделеева справедлива для столь тяжелых элементов.

- И какие химические свойства выявлены у дубния?
- Как предсказывал Менделеев, свойства, подобные его химическим гомологам: танталу и ниобию (тяжелым металлам, относящимся к той же группе). В частности, во всех химических реакциях дубний был подобен танталу. Стало быть, периодичность элементов закономерна, по крайней мере, до 105-го элемента.

- А почему время жизни обычного дубния - секунда, а полученного в результате распада более тяжелых элементов - 32 часа?
- Хороший вопрос. Частично я на него ответил в первой части нашего разговора. В системе 105-го элемента - 105 протонов. В одном случае в его ядре имеется 105 протонов и 155 нейтронов, в другом - 105 протонов, но 163 нейтрона. Итак, стоило добавить всего 8 нейтронов, и время жизни дубния возросло в 100000 раз. Значит, комбинаторика 105 - 163 имеет большую энергию связи. Однако механизмы ее взаимодействий пока до конца не ясны.

- Какой тяжелый элемент открыт в последнее время?
- 118-й. Он живет мало - тысячную долю секунды. Но опять же - в масштабе микромира это очень большое время. Потому что иначе он распался бы за 10 - 20 с. И тогда его вообще бы не существовало, как элемента.

- Как названы следующие за дубнием элементы?
- Этим занимается Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC). Процесс очень долгий - для дубния, к примеру, потребовалось не менее пяти лет (название было официально присвоено в 1997 г.). Сначала рассматривают суть вопроса и приоритеты в открытии, затем Номенклатурная комиссия обсуждает все предложенные названия (обычно - в честь планет, великих исследователей, географических объектов). 105-й элемент - дубний, поскольку его открыли в Дубне.

- С какого времени в ОИЯИ создают сверхтяжелые элементы?
- Со дня основания Лаборатории. Когда ее организовали, одной из задач стал синтез 104-го элемента (открыт в 1964 г.). Тогда это был предел мечтаний. Начали же со 102-го элемента (открыт в 1963 г.). Сейчас мы получаем его в большом количестве. В 1967 г. датский физик Оге Бор заметил: "40% новой информации ядерная физика получает из физики тяжелых ионов". И это лишь через десять лет после того, как свою деятельность начали две первые лаборатории: в Беркли (США) и в ОИЯИ. Кстати, наша Лаборатория ядерных реакций возникла годом позже американской, однако скоро наверстала отставание. В целом, направление ее деятельности было выбрано удачно. Иначе чем объяснить, что и поныне в физике тяжелых ионов практически каждый год появляются новые результаты.

Академик Юрий ОГАНЕСЯН, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (Дубна)