Новый источник энергии для человечества? Зачем ученые синтезируют новые сверхтяжелые элементы
Научный руководитель Лаборатории ядерных реакций, академик Юрий Оганесян на радиостанции "Комсомольская правда"
Фото: Михаил ФРОЛОВ. Перейти в Фотобанк КП
Есть ли границы у материального мира? Зачем в ведущих лабораториях идет гонка в области синтеза новых химических элементов? Какую практическую пользу могут принести такие исследования? Об этом в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” говорили радиожурналист Мария Баченина, академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) и их гость академик РАН, профессор, заведующий кафедрой ядерной физики университета «Дубна», председатель Научного совета «Релятивистская ядерная физика и физика тяжелых ионов» Юрий Цолакович Оганесян.
ПОЧЕМУ НА НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРАТЯТ ОГРОМНЫЕ ДЕНЬГИ?
Александр Сергеев:
- В какой бы аудитории мы встречались с Юрием Цолаковичем, первый вопрос всегда про таблицу Менделеева: правда ли то, что у Периодической системы есть начало, но нет окончания?
Юрий Оганесян:
- То, что сотворила и сохранила природа за 4,5 миллиарда лет после того, как образовалась Земля и Солнечная система, кончалось ураном. Это 92-й элемент. А вот 93-й, 94-й элемент - их нет в природе, и физики уже давно пытались их получить в лабораториях. Хотя бы отдельные атомы. Первым в 1935 году это попытался сделать великий итальянский физик Ферми, который облучая уран нейтронами увидел радиоактивность, ранее не наблюдаемую. Он решил, что это новый 93-й элемент, впервые полученный в лаборатории. Оказалось, что нет. Радиоактивность, которую он наблюдал, относилась к осколкам деления урана, физического процесса, тогда еще неизвестного. Но уже в 1940 году впервые были получены нептуний и плутоний. Сейчас это никого не удивляет, потому что есть плутониевые производства и элемент, которого нет в природе, человек производит сотнями тонн, так, что этого хватает и на производство электричества, и на вооружение, и на медицину.
В том же 1940 году произошла интересная история, когда Ферми обратился в американский Конгресс, чтобы ему выделили средства на создание ускорителя, который позволил бы получить в лабораторных условиях антивещество - не протон – ядро атома водорода, а антипротон. Он рассчитал, что для этого нужно иметь пучок протонов, ускоренных до энергии 6.2 гигаэлектронвольт, и тогда в реакции с протоном мишени родится антипротон. Но ускоритель штука дорогая и этот вопрос слушался в Конгрессе. Молодой конгрессмен задал ему вопрос: «Профессор, ответьте честно и без всяких ваших научных выкрутасов. Вы, наверное, знаете, что Америка большая страна, но у нее есть не только достижения, но и проблемы: с образованием, есть бездомные, есть безработные, есть больные. Их надо содержать и это делается за счет средств казны. Так скажите мне, пожалуйста, почему мы должны взять эти средства у нуждающихся и дать их вам, чтобы вы удовлетворили свое любопытство и получили, как вы говорите, “антивещество в атмосфере вещества”?» На что Ферми сказал: «Упаси Боже отнимать хлеб у голодного, бездомного, не помочь больному. Но я просто вам хочу сказать, что это наука. И когда Гленн Сиборг, открыватель 94-го элемента, получил 17 атомов плутония, никто не мог даже предположить, что через 5 лет это станет вторым источником энергии для человечества». Ему дали деньги, он построил ускоритель, получил антипротон.
ПОЧЕМУ 7 МАРТА - ДЕНЬ РОЖДЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
Мария Баченина:
- Хеппи-энд. Но в истории новых элементов это еще не «энд»?
Юрий Оганесян:
- Да. Это были первые искусственные элементы – плутоний. Нептуний – это 93-й, плутоний – 94-й, все по имени планет.
Мария Баченина:
- То есть мы идем по порядку таблицы Менделеева?
Юрий Оганесян:
- Да, по возрастанию – тяжелее, тяжелее и еще тяжелее. Тогда было только два новых элемента, сейчас их 26.
Мария Баченина:
- А мы изначально знаем, зачем мы хотим произвести новый элемент? Или отталкиваемся от фундаментальной науки, а практическое применение приходит потом?
Юрий Оганесян:
- В конечном итоге, это попытка понять, из каких кирпичиков состоит мироздание. Еще 400 лет до нашей эры греческий философ Демокрит рассуждал о том, что, наверное, в основе сотворения мира есть какой-то элементарный кирпичик, уже неделимый, Демокрит назвал его атомом. Это логично, все, в конце концов, состоит из таких кирпичиков. В 1808 году великий Джон Дальтон, известный английский ученый, президент Манчестерского философского общества, сказал: «Помилуйте, химические элементы и есть кирпичики мироздания». Тогда было известно только 36 элементов. Они, как буквы в алфавите, из которых можно составлять слова, предложения, писать романы, все что угодно. Как буква в алфавите, так и элементы, говорил Дальтон, есть разновидность кирпичиков мироздания. Атомы соединяются друг с другом, получаются молекулы, а мы живем в мире молекул. Примерно 60 лет спустя, в 1869 году, Менделеев выстраивает все элементы в ряд, по возрастанию их массы и атомного номера, и замечает, что через каждые 8 позиций химические и физические свойства элементов повторяются. Он ищет отклонения, по сути нарушения этой закономерности и предлагает проверить результаты опытов, где они наблюдались. Проверка подтверждает его сомнения, отклонения исчезают. Тогда Менделеев предсказывает существование элементов, еще неизвестных. Открытие элементов: галлия, скандия и германия подтверждают его прогнозы. Но с открытием Периодического закона Менделеев понял сразу, что элементы (буквы) не являются кирпичиками мироздания. Буквы в алфавите не должны быть похожи друг на друга, если это действительно кирпичики. И если он нашел какую-то закономерность, значит, и сам элемент не является кирпичиком мироздания, надо копать глубже. В этом смысле творение Менделеева, его Периодический закон, найденные им закономерности – это как распахнутые врата в новый мир, микромир. И только 41 год спустя Резерфорд предложил свою модель атома. Он говорил, что атом состоит из ядра, а вокруг него на большом расстоянии вращаются электроны. Ему сразу никто не поверил, конечно. Но на самом деле, 7 марта 1911 года, день, когда Резерфорд представил свою планетарную модель атома - является днем рождения ядерной физики. Мы отмечали этот день рождения, устроили конференцию в Дубне и даже издали книжечку «100 лет ядерной физике» в 2011 году.
КАКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ МОГУТ СУЩЕСТВОВАТЬ ЗА ОГАНЕСОНОМ?
Александр Сергеев:
- Наверное, мы должны спросить у Юрия Цолаковича, сейчас граница - она видна? Есть ли фиксированное число устойчивых элементов, это, во-первых. А во-вторых, здорово, что последний элемент - 118-й носит имя “оганесон”.
Мария Баченина:
- Да, в честь Юрия Цолаковича.
Александр Сергеев:
- Но все-таки хотелось, чтобы были следующие элементы.
Юрий Оганесян:
- Вы спрашиваете, есть ли граница? Наш соотечественник Георгий Антонович Гамов в 1928 году впервые поставил вопрос о том, что такое ядро, из чего оно состоит? По его мнению, этот маленький объект, который содержит всю массу и весь заряд атома, безумно плотный, похож на мизерную каплю воды. Плотность этого вещества на 15 порядков больше, чем у обычной воды. Это абсолютно новое вещество. И он попытался описать ядро похожее на каплю в своей капельной модели ядра. Спустя 11 лет в Германии Ганном и Штрассманом было открыто деление урана под действием нейтронов, а через год в Ленинграде, Петржаком и Флеровым было открыто явление самопроизвольного (спонтанного) деления урана – явление, которому суждено определять границу существования тяжелых ядер (элементов). На основании этих экспериментов и капельной модели ядра Нильс Бор и Джон Уиллер создали теорию деления и предсказали, что за ураном с ростом массы и заряда тяжелого ядра вероятность спонтанного деления будет сильно возрастать и ядро, как целое, перестанет существовать на элементе с атомным номером 100. Это было первое предсказание границы материального мира - элемент 100. Ваш покорный слуга начал заниматься ядерной физикой, когда все верили в эту границу, и я в том числе.
Юрий Оганесян и ведущий программы "Время науки" Александр Сергеев
Фото: Михаил ФРОЛОВ. Перейти в Фотобанк КП
Мария Баченина:
- Юрий Цолакович, то есть вы были убеждены, что как только мы дойдем до сотого элемента, нечему будет делиться?
Юрий Оганесян:
- Да. Потому что считалось, что у ядра есть потенциальный барьер, который предохраняет ядро от разделения на две части, и когда барьер исчезает ядро делится так быстро, что вокруг него не успевает образоваться электронные оболочки, следовательно, и никакие элементы существовать не могут. Но оказалось, что подобные, казалось бы, четкие предсказания, не безупречны. Здесь, пожалуй, и есть самая интригующая часть – которая проявилась при рождении в муках 102-го элемента. Это первое русское открытие, сделанное в Дубне в 1969 году, имеет предысторию. Сначала элемент 102, как будто получили в Стокгольме в 1959 году и дали ему название «нобелий». В последующих экспериментах в Беркли (США) шведские данные не подтвердились. Но не подтвердились и американские данные в новой лаборатории. В Дубне, где был пущен новый ускоритель тяжелых ионов и начала работать молодая лаборатория под руководством 45-летнего физика, член-корреспондента Академии наук СССР, Георгия Николаевича Флерова. А уже совсем потом выяснилась, что дальше за сотым элементом время жизни элементов не падает, а держится на уровне десятых и сотых долей секунды. Флеров назвал эту закономерность клюшкой – резкое падение вниз, а потом плоская часть. Возникла весьма необычная ситуация: следуя предположению Гамова - ядро жидкость, бесструктурная материя, аморфное тело. А это, как видим, противоречит эксперименту. Не исключено, однако, что неизвестная нам ядерная материя может проявлять одновременно и черты твердого тела, в котором, наоборот, структура определяет свойства материи. Например углерод: в виде графита, это мягкий карандаш, им можно рисовать…
Мария Баченина:
- А может быть алмаз.
Юрий Оганесян:
- Совершенно верно. Так вот, подобная структура может проявляться в “ядерной капле”. Когда научились считать эти «структурные поправки» выяснилось, что, если уйти еще дальше от известной области ядер, стабильность их будет резко возрастать, образуя так называемый “остров стабильности”, где много очень тяжелых (сверхтяжелых) элементов. Помните, плутоний - 94-й элемент, а здесь предсказание идет для элемента 114-го. То есть на 20 элементов надо уйти вдаль, чтобы наблюдать этот мистический “остров стабильности”. гипотетические сверхтяжелые элементы. Искали в природе, в космических лучах, метеоритах, лунных образцах. Пытались синтезировать их на мощных ускорителях, высоко-поточных реакторах, Американские исследователи провели 5 подземных ядерных взрывов. К великому сожалению, не нашли. К середине 80-х годов уже появился определенный пессимизм, что эксперимент не способен проверить столь нетривиальные предсказания теории. Не исключалось также, что сверхтяжелых элементов вообще может не быть. С последним заключением мы не согласились, для него не было оснований. Но одно было ясно, что мы делаем что-то неправильно и надо искать новые пути синтеза сверхтяжелых элементов.
Александр Сергеев:
- Юрий Цолакович, на сегодняшний день ваша лаборатория и еще несколько лабораторий в мире заняты поиском все более и более тяжелых элементов – 119-й, 120-й… Какая ваша сегодняшняя оценка? Есть ли граница, и где она?
Юрий Оганесян:
- Безусловно все имеет начало и все имеет конец. Но когда мы говорим об элементе, надо представлять, что положит конец: стабильность ядра тяжелейшего атома или рухнет его электронная конструкция? К счастью, для расчетов электронной структуры атомов есть хорошая теория, разработанная великими физиками: Полем Дираком, Владимиром Александровичем Фоком, коллегами и более молодыми продолжателями их дел (работают в Санкт-Петербургском университете). Все они считают, что электронная конструкция ядра будет живучей до 176-го элемента. А в Таблице сегодня самый тяжелый элемент 118-ый! До предела еще далеко!
Александр Сергеев:
- Ну, работы еще много, надолго.
Юрий Оганесян:
- По старым расчетам - помните, как говорили “до 100-го элемента” – атомное ядро давно уже должно было перестать существовать. А оно существует, по сути, только за счет эффекта структуры ядерной материи, особенно “острова стабильности” -, который проявился на 114-м. Вопрос: а может-ли быть за этим островом еще другой “остров стабильности” или уже нет? Если его не будет, то в отсутствие ядра не будет и элемента. Здесь, мне кажется, мы весьма близки к границе существования тяжелейших ядер (элементов)!
Главный редактор и генеральный директор медиагруппы "Комсомольская правда" Олеся Носова, академик Юрий Оганесян (второй слева), ведущие программы "Время науки" Александр Сергеев и Мария Баченина (слева)
Фото: Михаил ФРОЛОВ. Перейти в Фотобанк КП
КУДА ЛЕТИТ “РОЙ ПЧЕЛ” В АТОМНОМ ЯДРЕ?
Мария Баченина:
- А известно, что удерживает эту структуру, чтобы она не рушилась? Какие силы взаимодействия нам известны?
Юрий Оганесян:
- Замечательный вопрос. Я уже говорил об этом: мы можем рассчитать электричество, электронную структуру атомов, в том числе Таблицу Менделеева - здесь у нас есть совершенная теория – квантовая электродинамика. В ядерной физике этого пока нет. Мы не знаем какие силы держат вместе протоны и нейтроны. Эти силы очень странные - они короткодействующие, начинают работать только, когда протоны и нейтроны близко находятся друг от друга. Есть только теоретические модели, на основе которых делаются некоторые расчеты… Мне лично ядро напоминает рой пчел. Посмотрите: пчелы летят, в общем-то, компактно (форма и границы роя пчел хорошо видны), не наталкиваясь друг на друга. Существует же какая-то связь между взаимодействием соседних пчелок и всего этого ансамбля? Вот если мы такую взаимосвязь найдем на ядерном уровне, то появится теория, которая, быть может, все объяснит и предскажет. А пока приходится прыгать с кочки на кочку, с «острова» на «остров», довольствуясь лишь модельными расчетами, достоверность которых требует серьезной экспериментальной проверки.
Александр Сергеев:
- Юрий Цолакович, поскольку мы с вами физики, мы любим упрощать. А не может ли изучение более легких ядер пролить какой-то свет на эти особенности внутренней структуры? Может быть, наоборот, нужно уйти в начало таблицы Менделеева и там разобраться более детально?
Юрий Оганесян:
- В легких ядрах этой проблемы нет. А вот там, в тяжелых, куда мы идем, борются две силы – ядерная, которая держит ядро и все нуклоны вместе - и кулоновская, электромагнитная сила, которая стремится растянуть ядро и разделить его на две части. И по мере того, как мы идем дальше в сторону тяжелых элементов, кулоновская сила отталкивания положительно заряженных протонов в ядре возрастает пропорционально квадрату их числа, в то время как короткодействующие ядерные силы мало меняют связь протонов и нейтронов в ядре с ростом его массы И только появление структуры в новом образовании (сверхтяжелом ядре) могут дать дополнительную связь и избежать катастрофы и распада. В легких ядрах этого нет, ядерные силы значительно сильнее, чем кулоновские.
Естественно, возникает вопрос: вот мы создаем ускорители, реакторы, пытаемся искусственно синтезировать элементы - а что природа, Вселенная? Она ведь все сотворила. Разве она не может дойти до 118-го элемента и дальше?
Мария Баченина:
- То есть, может лучше поискать в закромах у природы?
Юрий Оганесян:
- Да! Но как их искать? Мы живем на Земле, она не молода, ей 4,5 миллиарда лет. Если эти элементы родились когда-то в процессе образования Земли, они могли распасться и не дожить до наших дней. Поэтому мы должны быть готовы к тому, что содержание сверхтяжелых элементов в земных образцах может быть исключительно малым, или не быть вовсе.
Тем не менее мы разработали сверхчувствительный детектор, способный зарегистрировать распад одного атома сверхтяжелого элемента за 1 год! Наша установка была помещена в французскую подземную лабораторию под Альпами, где горный массив защищает детектор он воздействия космических лучей. В течение 5 лет было зарегистрировано несколько сигналов, ожидаемых для спонтанного деления сверхтяжелых ядер. Для дальнейшей работы, однако, надо повышать чувствительность аппаратуры
С другой стороны стоит внимательно посмотреть на космические лучи. Потому что, может быть, где-то на другой планете процесс рождения ядер и элементов (нуклеосинтез) произошел значительно позднее, чем в нашей Солнечной системе, нужно только, чтобы продукты нуклеосинтеза успели долететь до Земли. Вместо миллиардов лет паузы (как в предыдущем случае поиска сверхтяжелых элементов в земных образцах), переместив аппаратуру в космическое пространство, можно сократить паузу до миллионов лет, т.е. в тысячи раз! Американский спутник Skylab, за полгода полета вокруг Земли, набрал 7 ядер урана, космического происхождения.
Юрий Оганесян
Фото: Михаил ФРОЛОВ. Перейти в Фотобанк КП
Более весомый результат был получен Г.Н. Флеровым и В.П. Перелыгиным в 10-летних исследованиях латентных треков космических ядер, обнаруженных в метеорите, возраст которого около 10 миллионов лет. Здесь исследователи обнаружили 2700 треков урана и тория и лишь несколько треков более тяжелых ядер. Уже много лет мы в сотрудничестве с проф. Н.Г. Полухиной и ее группой из ФИАН работаем над дальнейшим повышением чувствительности наших экспериментов.
ВСЕ, ЧТО СЕЙЧАС ПРОИСХОДИТ ВО МНЕ, ТОЖЕ ЯВЛЯЕТСЯ ЧАСТЬЮ ВСЕЛЕННОЙ
Александр Сергеев:
- Юрий Цолакович, мы сейчас перешли к очень волнующей теме: фактически обсуждаем происхождение элементов, Большой взрыв и так далее. Мария, мы же с вами тоже состоим из этих кирпичиков мироздания, из атомов. Я иногда думаю: вот атомы водорода, из которых я состою, они откуда? Может быть, они в первые мгновения после Большого взрыва образовались?
Мария Баченина:
- А я думаю, чем они станут после того, как я перестану существовать? Мне кажется, это какой-то круговорот. Меня всегда это удивляло. Однажды я даже популяризатору физики задала вопрос: «Когда мы распадаемся, частицы из которых мы состоим, не исчезают, они строят что-то новое. Получается, я живу и продолжаю жить?» Он сказал: «Мария, давайте об этом не будем».
Александр Сергеев:
- Эта наша причастность ко Вселенной - удивительная вещь. Помимо водорода и углерода в нас есть более тяжелые элементы, которые образовались явно позже Большого взрыва - в результате взрыва сверхновых и так далее. А какой-то атом углерода, присутствующий во мне, возможно, в предыдущем поколении принадлежал кому-то великому, например, Леонардо да Винчи.
Мария Баченина:
- Это вдохновляет! Получается, что мы все родственники.
Александр Сергеев:
- Мария, когда мы с вами обсуждали тему передачи, то пришли к выводу, что речь пойдет не только о таблице Менделеева, тяжелых и легких элементах - разговор пойдет и о жизни во Вселенной. По-моему, так и получилось.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Физики реализовали мечту алхимиков - научились превращать свинец в золото
От антиматерии до грунта с астероида Бенну: Топ-5 самых дорогих веществ на Земле