В 2021 году на стене бассейна «Архимед» в Дубне, который принадлежит социальной структуре Объединенного института ядерных исследований, открылась самая большая в Европе таблица Д.И. Менделеева. Помимо уже известных науке элементов в ней есть три пустые серые клетки – для 119, 120 и 121 элементов, которые еще не синтезированы. Работа над этим также ведется в ОИЯИ: на каком этапе она находится, рассказал Александр Карпов, ученый секретарь Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова.

Александр Владимирович, как происходит синтез нового элемента?

Для того, чтобы получить новый элемент, нужно изменить его ядро так, чтобы получить нужное число протонов и нейтронов. Все элементы тяжелее фермия (элемент номер 100 в Таблице Д.И. Менделеева) синтезируются только одним способом – это реакция слияния. Наша задача – заставить два ядра соприкоснуться, тогда они, как две капли жидкости, могут слиться и дать ядро нового элемента. Для того, чтобы два положительно заряженных ядра коснулись друг друга, их нужно ускорить для преодоления силы отталкивания. Для этого нужен ускоритель: скорости, до которых нужно разогнать ядра, – это примерно 10% скорости света, т.е. около 30 тысяч км/сек. Поэтому эксперимент всегда выглядит так: у вас есть ускоритель, на котором вы получаете одну разогнанную частицу – ее называют пучком – и бомбардируете ей вторую составляющую реакции, которую называют мишенью. Обычно частицы пучка более легкие, а мишени более тяжелые – это необязательно, но чаще всего так. Самые тяжелые элементы, открытые в ОИЯИ, были синтезированы с кальцием-48: кальций элемент номер 20, соответственно, для синтеза элемента с номером 114 нужно взять элемент с номером 94 – это плутоний. Московий – элемент 95, оганесон – 98 и так далее. Элементы тяжелее урана (92-ой элемент Таблицы Д.И. Менделеева) на Земле если и существуют, то в мизерных следовых количествах. Поэтому необходимые нам материалы мишени получают искусственно, на специальных реакторах. Реакторов, где это делают, в мире два: один в США в Окридже, второй в России, в Димитровграде.

Самая тяжелая мишень, которая существует, может быть сделана из калифорния, 98 элемента. При слиянии с кальцием получается тот самый 118 элемент, оганесон, который уже открыт и который сегодня самый тяжелый из известных. При использовании кальция получить элемент тяжелее нельзя, потому что нет мишени. Поэтому, когда мы говорим про элементы, которые должны начинать восьмой период Таблицы Д.И. Менделеева, мы должны использовать более тяжелые элементы для пучка – например, титан, 22 элемент. Тогда при слиянии с калифорнием как раз получится 120. 

Эксперимент будет проходить в ОИЯИ на Фабрике сверхтяжелых элементов, запущенной совсем недавно – в 2020 году. Основные задачи Фабрики – синтез новых элементов и исследование уже известных элементов и их изотопов.

Что именно можно исследовать на Фабрике сверхтяжелых элементов?

Направлений исследования много. Прежде всего, готовятся эксперименты по синтезу новых элементов. Кроме того, большой интерес к изучению химических свойств сверхтяжелых элементов, их ядерных свойств, например, измерению масс. Для сверхтяжелых ядер массы пока предсказываются только теоретически, а экспериментально их никто еще не измерял. Можно изучать возбужденные состояния ядер. Форма ядра – ее тоже можно определить экспериментально, прежде всего, какая она: сферическая или деформированная. Некоторые из этих задач решаются довольно успешно: первый эксперимент на Фабрике был в конце 2020 года, почти три года она работает и дает иногда результаты даже сверх того, что ожидалось. Удалось увидеть некоторые новые вещи: новые изотопы, новые моды распада, изучить новые реакции.

Что дает открытие нового изотопа какого-то элемента и нового элемента? 

Магия нового элемента не в последнюю очередь связана с Таблицей Д.И. Менделеева. Ядро состоит из нейтронов и протонов, казалось бы, на первый взгляд: какая разница, сделали вы на один нейтрон больше или меньше? Или, наоборот, на один протон. Но это только на первый взгляд. Во-первых, с точки зрения атомной физики, протон дает вам новый химический элемент со своими свойствами, а этой очень большой пласт исследований. Кроме того, границы существования тяжелейших ядер, а, следовательно, и химических элементов определяются, прежде всего, зарядом ядра, от которого, в свою очередь, зависит стабильность ядра относительно деления.

Получается, сейчас есть техническое оснащение и пучок, но нет мишени для синтеза новых элементов?

Да, есть пучок, готовый процентов на 90. Мы абсолютно готовы в плане технического оснащения, мишень тоже в процессе изготовления. Тестовые подготовительные эксперименты тоже в процессе.

Механика получения нового изотопа и нового элемента ведь одинакова? В чем между ними принципиальная разница?

Один из вариантов получения изотопа – изменить энергию столкновения ядер, увеличить или уменьшить. Когда в результате слияния получается новое ядро, вы неизбежно получаете лишнюю энергию. Как говорят, ядро получается горячим, и оно должно остыть, чтобы стать ядром, которое сможет относительно долго прожить, стать атомом и быть зарегистрированным. Обычно ядро остывает за счет того, что испаряет нейтроны: они, покидая ядро, уносят энергию. Испарятся три нейтрона – получается один изотоп, четыре – соседний, два – еще, пять – еще. Сколько нейтронов должно испариться, определяется энергией столкновения, которую вы внесли в систему.

Для получения же нового элемента нужно получить правильное число протонов, потому что оно определяет заряд ядра – основную характеристику химического элемента. А число нейтронов играет важную, но второстепенную роль: если число нейтронов не оптимальное, то ядро может жить настолько мало, что атом не успеет образоваться или будет так коротко жить, что его не удастся зарегистрировать. Для получения нового элемента сначала надо это простое арифметическое действие совершить, сложить атомные номера ядра снаряда и ядра мишени. Например, кальций – 20-ый элемент, плутоний – 94-ый, сливаясь они дают элемент с номером 114, который получил название флеровий в честь Георгий Николаевича Флерова – великого советского физика, а также в честь лаборатории, носящей его имя, в которой мы сейчас находимся и там, где этот элемент и был открыт.

Если все сверхтяжелые элементы искусственные, зачем их синтезировать? Я правильно понимаю, что их можно найти в природе, просто невозможно зарегистрировать?

Есть ли сверхтяжелые элементы в природе или нет – вопрос открытый. Их довольно много искали, даже какие-то следы если не самих элементов, то их распада находят. Речь идет, конечно, не о миллиграммах, а о единичных атомах.

Уран есть на Земле в большом количестве, потому что он живет долго: он радиоактивный, но его период полураспада примерно 4,5 млрд лет. Возраст Солнечной системы, Земли, тоже примерно 4,5 млрд лет. Поэтому сейчас урана на земле примерно половина от того количества, которое было изначально. Элементы тяжелее урана природа производит так же и там же, где и уран. Они на Земле не сохранились в значимом количестве: находят только следы, потому что элементы короткоживущие. Что-то может нарабатываться на Земле (есть такие «природные ядерные реакторы»), тяжелые элементы могут прилетать из космоса, но их, как минимум, тяжело найти, следовые количества трансурановых элементов остались. Насколько тяжелыми бывают элементы, которые может производить природа – вопрос, здесь расходятся выводы исследователей. 

Что дает синтез элементов, если их нет в природе?

С точки зрения фундаментальной науки ее задача — познать окружающий нас мир. Из чего он состоит, по каким законам управляется. Но если говорить о какой-то пользе для человечества, то вся история научно-технического прогресса говорит о том, что великие изобретения, без которых мы жизнь себе сейчас не представляем, появились не как самоцель, а как «побочный продукт»: человек решал научные головоломки, а в итоге получал электричество, радио, антибиотики, интернет. Ядерная физика тоже много что дает человечеству, и это тоже – производная фундаментальных исследований. 

Сейчас большинство применений, как правило, идут в медицинскую плоскость: радиоизотопы для лечения опухолей и диагностики, ускорители для терапии. Есть, например, так называемые трековые мембраны — наш ускоритель в том числе используется для их производства. Это полимерная пленка, которую облучают на ускорителе, дальше химически обрабатывают и получается мембрана, которую нельзя сделать никакими другими способами. Можно контролировать размеры и форму пор, их направление. Вариантов использования такого продукта – множество: от всевозможных фильтров до экспресс-тестов на определение опухолей. Еще одно направление прикладных работ связано с тематикой Роскосмоса. На ускорителях тестируют электронику, которая потом используется при создании космических аппаратов, отправляемых в космос, и будет подвергаться губительному воздействию космических лучей. Предварительное тестирование же в условиях лабораторий продлевает срок службы техники в космосе.

Получается, научная ценность безусловна всегда, а для обычного человека ценность определяется в процессе?

На существующих знаниях и существующей базе можно что-то делать: есть арсенал и инструменты, которые можно комбинировать. Но принципиально новое что-то не откроешь, для этого нужно выйти за рамки известного, а это задача фундаментальной науки. Любой серьезный прогресс в жизни человечества всегда связан с открытиями фундаментальной науки. 

Что прямо сейчас происходит на Фабрике сверхтяжелых элементов?

В начале июня закончили эксперимент по получению изотопов 110 элемента – дармштадтия в реакции слияния аргона и урана. До этого этот же элемент синтезировали при взаимодействии кальция и тория: очень успешный эксперимент получился, некоторые интересные результаты получились. Далее будут эксперименты на другом сепараторе, а после — время летних отпусков. Где-то полтора месяца ускоритель будет стоять, это происходит каждый год: ускорители работают 24 часа в сутки 7 дней в неделю, за исключением новогодних праздников в районе двух недель и полтора месяца летом. Но работа и в это время не прекращается. Остановка экспериментов – это время технического обслуживания ускорителя и другой аппаратуры.

Автор текста: Арина Кузнецова

Автор фото: Арина Кузнецова, Пресс-служба Объединенного института ядерных исследований

Автор видео: Пресс-служба Объединенного института ядерных исследований