Физика

В ПОИСКЕ "ОСТРОВОВ СТАБИЛЬНОСТИ"

Синтез новых, сверхтяжелых элементов в периодической таблице Д.И. Менделеева -одно из основных направлений деятельности Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в г. Дубна. В знак признания работы ученых Международный союз чистой и прикладной химии в 1997 г. дал название "Дубний" 105-му элементу, синтезированному в Дубне.

Сегодня на повестке дня стоит новая приоритетная задача - синтез элементов вблизи атомных ядер с номерами 114 и изучение реакций слияния-деления для слабовозбужденных сверхтяжелых ядер. Что кроется за этой формулировкой? Как продвигается в Лаборатории ядерных реакций им. академика Г.Н. Флерова этот поиск и какова его стратегия и тактика?

Половина рукотворных элементов (от 93 - нептуния до 101 -менделевия) была синтезирована в 40-50-е годы в Радиационной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) группой под руководством Г. Сиборга. Все они обязаны своим появлением ядерным реакторам - основному инструменту для овладения атомной энергией; их синтез проводился при захвате нейтронов ядрами- мишенями, принадлежащими более легким элементам.

Начало исследований по трансурановым элементам в нашей стране заложил в 50-е годы Г.Н. Флеров. Он основал новое направление - физику тяжелых ионов. С этого момента у нас синтез новых элементов осуществляется на ускорителях тяжелых ионов. Поскольку последние обладают электрическим зарядом, то сильными электромагнитными полями их можно разогнать до больших скоростей, благодаря чему они приобретают энергию, достаточную для преодоления электростатических сил отталкивания, и могут сливаться с ядрами различных элементов-мишеней. При этом удается совершить прыжок на несколько ступеней вверх и "сконструировать" ядро с атомным номером, равным сумме номеров ядер-снарядов и ядер-мишеней. Но уровень техники тогда не мог предоставить физикам пучки тяжелых ионов необходимой интенсивности. Предстояло создать ускорители очередного поколения.

И тут была непростая альтернатива: линейный ускоритель или циклотрон? Американские ученые выбрали первый вариант, наши - второй. Тогда выбор определял вкус создателей и соображения практического опыта. Однако жизнь показала: циклический метод ускорения тяжелых ионов оказался значительно перспективнее. И здесь нужно отдать должное научному предвидению академиков И.В. Курчатова и Г.Н. Флерова. Не случайно сейчас в мире работают десятки циклических ускорителей тяжелых ионов различных модификаций, тогда как линейные не получили широкого распространения.

Для обнаружения сверхтяжелых трансурановых элементов важно было знать, будут ли они существовать достаточно продолжительное время, т.е. есть ли для них, как говорят физики, "остров стабильности". Их наличие было предсказано теоретиками уже более тридцати лет назад. Во многих лабораториях мира пытались к ним подступиться, однако успех не приходил. И не потому, что специалисты неправильно представляли проблему, а потому, что ее решение оказалось чрезвычайно сложным технически. Однако запуск в последние годы в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова новых ускорителей, развитие ионных источников, целая серия экспериментов на наших физических установках привели к открытию "малого острова стабильности".

Наиболее трудной частью опытов по синтезу была проблема "эффект-фон". В чем она заключается? Нужно было научиться распознавать одиночные атомы нового элемента с неизвестными свойствами, возникающими в ядерной реакции с вероятностью один атом в час, на фоне гигантского количества других продуктов от деления ядер, превосходящего искомый эффект в 10s раз. Вначале это казалось практически нереальным. Затем стало ясно: для решения задачи потребуется больший арсенал средств, а чувствительность эксперимента должна быть примерно в 1000 раз выше, чем когда-либо достигнутая в лабораториях наших коллег-конкурентов в США, Германии, да и ранее у нас в Дубне.

Академик Л.А. Арцимович (1909-1973) говорил: если вы хотите повысить эффективность установки в 2-3 раза - вам надо "вылизать" ее в деталях, если же до десяти и более раз - выбросьте эту установку и сделайте новую. Что и пришлось практически сделать сотрудникам Лаборатории: интенсивность ускорения ионов им предстояло повысить как раз в 10 раз. Два года ушло на создание необходимого ионного источника, повышение параметров ускорителя. В результате оказалось возможным не только приступить к синтезу нового элемента, но и развернуть более широкую работу по изучению физики очень тяжелых ядер, детально исследовать их образование, распад и свойства. Проблемы носили глобальный характер, и было решено объявить программу международной. Пригласили американских физиков, которые приехали со своей уникальной мишенью из плутония; французских химиков с их методикой быстрого выделения элементов; немецких коллег, с которыми мы уже много лет сотрудничаем; японских специалистов с их знаменитой электроникой. С российской стороны участвовала большая группа исследователей, занимающихся изучением деления ядер, а в скором будущем присоединится и вновь создающееся объединение ученых ряда европейских стран со своим вкладом - уникальным детектором нейтронов(*).

Объединенные усилия не пропали даром, и требуемая чувствительность эксперимента (выше прежней в 1000 раз) была достигнута. Опыты стали проводить с марта 1998 г. Первые эксперименты убедили: именно таким путем можно получить ядро нового элемента с исключительно необычными свойствами. И хотя последний очень тяжелый, он, по расчетам теоретиков, и жить должен очень долго, т.е. у него есть "остров стабильности". 3 ноября 1998 г. в Лаборатории ядерных реакций имени академика Г.Н. Флерова начали очередной эксперимент по синтезу сверхтяжелых элементов. Он увенчался успехом. В реакции облучения мишени из урана-238 ионами кальция-48 был синтезирован самый тяжелый из известных в настоящее время изотоп элемента 112 с атомной массой 283. Эти работы проводили на сепараторе "Василиса", предназначенном для разделения продуктов ядерных реакций. В них принимали участие физики из Общества по исследованиям с тяжелыми ионами (Дармштадт, ФРГ) и Национального центра по тяжелым ионам РИКЕН (Япония). Очередной цикл работ стал реальным после получения на ускорителе У-400 интенсивного пучка ионов кальция-48. На газонаполненном сепараторе (это устройство разработали ученые ОИЯИ в начале 80-х годов) поставили опыт по синтезу изотопов элемента 114 в реакции, где мишень облучают ионами кальция-248. Вещество мишени - уникальный изотоп плутония-244 в необходимом количестве предоставили дубнен-цам коллеги из Ливерморской национальной лаборатории (США). Ее сотрудники приняли также участие в эксперименте совместно с нашими учеными. По замыслу руководителей экспериментов, он должен был продлиться до конца 1998 г. и определить дальнейшую программу исследований в области синтеза и изучения свойств сверхтяжелых элементов. И вот в конце декабря 1998 г. пришло радостное сообщение: получен новый сверхтяжелый элемент таблицы Менделеева с порядковым номером 114 и массой 289. По ядерным масштабам времени он оказался долгоживущим (30 с).

* См.: Л.Н. Смирнова. Шаг в двадцать первый век. - Наука в России, 1996, N 1.

Е.М. МОЛЧАНОВ, главный редактор еженедельника Объединенного института ядерных исследований "Дубна: наука, содружество, прогресс"