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)

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD