Читать книгу Элементы жизни - Наталия Теряева - Страница 10

В 70-е годы прошлого века все советские школьники в кабинетах химии видели в таблице Менделеева под номером 104 химический элемент с названием «курчатовий» (Ku). До сих пор многие из них, став взрослыми людьми, не понимают, куда делся этот родной нам элемент и почему на его месте теперь во всех периодических таблицах мира расположился заморский резерфордий.

История исчезновения курчатовия и замещения его резерфордием связана с интереснейшей и во многом загадочной областью физики – синтезом тяжелых ядер. Именно синтез ядер замешан в истории с химическим элементом номер 104.

Ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон почти одинаково тяжелые – масса нейтрона больше массы протона всего на 0,1378%. Самое легкое ядро у водорода (¹Н) – оно содержит всего один протон. Чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем оно тяжелее. С нарастанием массы ядра растет и порядковый номер химического элемента в периодической системе (порядковый номер химического элемента равен числу протонов в его ядре). Следовательно, самые тяжелые ядра сконцентрированы в самом низу периодической таблицы химических элементов.

Тяжелое, а значит, крупное по размеру ядро может распасться на несколько мелких. Такой процесс называется реакцией распада. Если происходит наоборот – несколько более мелких ядер объединяются в одно более крупное, – это событие называется реакцией синтеза. Естественные реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко. В процессе синтеза ядер гелия (²Не) из ядер водорода насыщаются выделяемой при синтезе энергией видимые нам звезды. Первую искусственную реакцию термоядерного синтеза человек использовал для создания водородной бомбы, но не сумел пока найти способ направить термоядерный синтез в мирное русло и научиться получать с его помощью энергию для жизни.

Единственный мирный вариант искусственного синтеза новых ядер в мирных целях доступен физикам, работающим на ускорителях тяжелых ионов. В таких экспериментах обычно получают считанные количества новых ядер – до нескольких десятков. И нужно проявить большое искусство и сообразительность, чтобы с помощью приборов достоверно узнать, что за ядра получились при синтезе. Причем важно не только узнать ядра «в лицо», но и убедительно доказать, что «лицо» опознано верно. К тому же распознать продукт синтеза нужно необычайно быстро, поскольку он почти всегда не жилец – тут же начинает делиться, испуская нейтроны, электроны или альфа-частицы и распадаясь на другие элементы – долгоживущие.

В Советском Союзе исследования ядер тяжелых ионов инициировал Игорь Васильевич Курчатов в Институте атомной энергии, в Москве. Ими занялась группа физиков под руководством Георгия Николаевича Флерова.

В 50-е годы XX века физики стали ускорять тяжелые ионы (ядра углерода, азота и кислорода) на циклотроне диаметром в полтора метра, сталкивать их с неподвижными мишенями и исследовать происходящие при этом ядерные реакции. Это были первые попытки синтеза трансурановых элементов – химическим элементов, которые тяжелее урана.

Впоследствии синтез сверхтяжелых химических элементов продолжился в международном ядерно-физическом центре в Дубне – в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В составе ОИЯИ специально для изучения сверхтяжелых элементов учредили целый научный институт под названием Лаборатория ядерных реакций (ЛЯР ОИЯИ). Естественно, ее директором стал академик Георгий Николаевич Флеров.

В 1959 году там создали самый мощный на тот момент в мире 310-сантиметровый циклотрон тяжелых ионов. А ныне в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований функционируют три уникальных ускорителя тяжелых ионов У-400, У-400М и DC-280, последний из которых запущен в 2018 году на единственной в мире Фабрике сверхтяжелых элементов.

Фабрика сверхтяжелых элементов построена в ЛЯР ОИЯИ специально для синтеза сверхтяжелых элементов на основе новых технологий высокопоточного ускорительного комплекса DC-280. Всего за один месяц работы этого комплекса физики получают столько ядер сверхтяжелых элементов, сколько на других ускорителях они получали за год.

Так вот, в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций, в 1964 году и родился на свет химический элемент курчатовий. Для синтеза сто четвертого элемента выбрали реакцию слияния ядер плутония (²⁴²Рu) и неона (²²Ne). Масса самого тяжелого изотопа 104-го элемента могла бы быть не больше 264 (242+22).

Ядра изотопа 104-го элемента с массовым числом 260 группа Флерова в Дубне получила при бомбардировке мишени из плутония пучком ускоренных ядер неона. Почему решили получить именно этот изотоп? Чтобы не обознаться, разыскивая среди осколков, вылетающих из обстреливаемой мишени, ядра нового – 104-го элемента.

«Каждый новый элемент дается с большим трудом, чем предыдущие. Причины кроются в малых временах жизни тех изотопов, которые позволяют получать современные методы синтеза, и особенно в малых выходах этих элементов, обусловленных малыми сечениями реакций, малым количеством вещества мишени и ограниченными возможностями экспрессных методов выделения и идентификации короткоживущих изотопов». Эти слова принадлежат академику Г. Н. Флерову и его соавторам В. А. Друину и А. А. Плеве.

Время жизни новых сверхтяжелых элементов не сравнимо не только с вечностью, но даже с длиной человеческой жизни. В 1964 году американские ученые предсказали элементу №104, который они тоже готовились синтезировать, жизнь длиной в сотые доли секунды. Первые опыты показали, что живет он в десять раз дольше – десятые доли секунды. Но и за это время «узнать в лицо» новый сверхтяжелый химический элемент, доказать, что это именно он, и изучить его химические свойства чрезвычайно трудно – нужно либо стать волшебниками, либо проявить чудеса инженерной и научной мысли. Что и сделали в Лаборатории ядерных реакций сотрудники группы Флерова.

Почему трудно «узнать в лицо» новый химический элемент? Во-первых, потому что его никто никогда не видел. Во-вторых, потому что узнают его не глазами, а приборами. В-третьих, потому что узнавать его нужно, выделяя из толпы других ядер, которые образовались в реакции синтеза.

В процессе синтеза химических элементов №102, 103, 104 и 105 ученым удалось эти трудности обойти.