Современные алхимики: как создают новые химические элементы

Как синтезируются ядра новых химических элементов, что такое остров стабильности, где границы Периодической таблицы и чего ждать от Фабрики сверхтяжелых элементов, — об этом Indicator.Ru рассказал Юрий Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.

— Юрий Цолакович, расскажите, пожалуйста, немного о том, как проходит синтез химических элементов в лабораторных условиях.

— Для этого нужно начать издалека. История изучения химических элементов насчитывает 22 века — можно сказать, она началась с Демокрита. Во времена Джона Дальтона (он жил в конце XVIII — первой половине XIX веков — прим. Indicator.Ru) считалось, что мир состоит из атомов. При Дальтоне было известно 36 химических элементов, и он полагал, что это и есть весь «алфавит» материального мира. В Периодической таблице Дмитрия Менделеева было уже 63 элемента, и он заметил, что между элементами есть определенная разница. Точнее, разницу замечали и до него, но он показал: можно разделить эти 63 элемента на восемь групп, и у элементов внутри одной группы будет одинаковая химическая активность, которая меняется при переходе в другую группу. Эту закономерность он и назвал Периодическим законом.

Я думаю, в то время не все поняли значимость этого открытия. Но Менделеев понял сразу, что, раз там есть закономерность, атомы — уже не «буквы в алфавите». Закономерность предполагает наличие сложной структуры внутри самих атомов. И он начал искать эту структуру, потратив на это полжизни. Он полагал, что источником мироздания является некая среда, «эфир», в котором «плавают» атомы, и атомы состоят из некого вещества. 42 года спустя Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома: с положительно заряженным ядром в центре и электронами вокруг, тем самым подтвердив мысль Менделеева о наличии сложной атомной структуры.

Давайте вернемся к синтезу. Вещество, из которого состоит Земля, возникло в результате Большого взрыва. А элементы, которые мы видим на Земле, появились во время становления и формирования нашей планеты. Этот процесс мы можем видеть и сейчас: если масса звезды больше массы Солнца, она эволюционирует определенным образом, и в конце концов мы наблюдаем так называемую вспышку сверхновой. Происходит синтез химических элементов, и все заканчивается возникновением нейтронной звезды. Вспышка длится несколько секунд. В нашей галактике такое происходит примерно один раз в тысячу лет, в других — чаще. Эти вспышки — это и есть космические лучи, выбросы вещества во Вселенную, которые регистрируются нашими детекторами. Так возникают элементы в природе.

— От водорода до урана, насколько я помню?

— Да, это первые 92 элемента. В лаборатории, конечно, мы не можем повторить ничего подобного. Искусственный синтез — это совсем другой процесс. Мы берем готовые элементы и превращаем один в другой. Сделать это человечество хотело с давних времен — помните алхимиков, которые пытались превратить свинец в золото? Конечно, ничего у них не получалось. Чтобы превратить один элемент в другой, надо изменить его ядро, а для этого нужна энергия, в миллионы раз большая той, что была в распоряжении древних ученых. А сегодня это возможно на специальных ускорителях: два ядра подходят близко друг к другу, между ними возникают ядерные силы (кстати, мы до сих пор не очень хорошо их понимаем), и одно ядро начинает «проглатывать» другое. Это называется реакцией слияния. Если такая реакция произошла — а это весьма редкий случай, — то вы получаете новое ядро с суммарной массой и суммарным зарядом. Оно обрастает электронами, и получается новый элемент. Самый интересный вопрос здесь: этот элемент будет похож на уже существующие, или же будет отличаться? И новые элементы великолепно вписываются в таблицу.

Сейчас мы, имея возможность сливать ядра, можем идти дальше и дальше, синтезируя все новые элементы.

— У Периодической таблицы есть границы? Есть предел элементов, которые можно синтезировать?

— Конечно. Все в мире имеет начало и имеет конец. А где границы таблицы и чем они определяются… Собственно, этот вопрос и был основным мотивом для меня заниматься этим делом. Мотив был подогрет еще тем, что само ядерное вещество, о котором я говорил, не аморфно, оно имеет внутреннюю структуру. Если она проявляется, можно продлить время существования ядра, до сверхтяжелых элементов.

— Продлить насколько?

— Знаете, есть такое научное предсказание: если уйти достаточно далеко от урана, то будет зона — остров — со сверхтяжелыми элементами, достаточно долгоживущими. В середине этого острова будут элементы, которые будут жить миллионы и даже миллиарды лет. А это уже интересно, потому что возраст Земли исчисляется миллиардами лет. Не значит ли это, что такие элементы надо искать в недрах Земли? Но искали везде, и в космосе, и в Земле… Не нашли. Ну, это ни о чем не говорит: может, они были, но распались, потому что время их жизни немного меньше. Но вот что касается острова стабильности — он был предметом интенсивных исследований с момента появления этой теории, с 1969 года.

Этот остров охватывает много элементов, но он требует, чтобы ядра имели много нейтронов. Дойти до «вершины» острова мы, наверно, никогда не сможем, мы пока только прикоснулись, подошли к нему. Время жизни элементов повысилось в сто тысяч раз, но это все равно еще всего лишь секунды. А на вершине острова — миллионы лет. Видите разницу? Конечно, новые установки вселяют некоторую надежду. Плюс один нейтрон к ядру — и время жизни элемента увеличивается в десять раз. В декабре 2018 года, совсем недавно, у нас в Дубне заработала «фабрика сверхтяжелых элементов» — ускоритель ДЦ-280. Строительство начали в 2012 году, и около месяца назад мы получили первый пучок ускоренных тяжелых ионов. Мы надеемся, что благодаря ДЦ-280 нам удастся получить 119, 120 и 121 элементы.

— Получится ли благодаря новой установке получать более значительное количество новых ядер, чем сейчас? Сейчас это «штучный товар», и это затрудняет исследования.

— Вы правы, новые ядра штучны. Мы были счастливы, когда получали один атом в день, в неделю… Новая установка, конечно, увеличит это количество, возможно, в сотни раз, но этого все равно будет недостаточно для накопления видимого количества вещества.

Беседа состоялась в рамках церемонии открытия года таблицы Менделеева в Париже. Мероприятие организовано при поддержке генерального партнера Международного года Периодической таблицы химических элементов в России благотворительного фонда Алишера Усманова «Искусство, наука и спорт».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.