Авторизация Регистрация

Запомнить меня
Забыли пароль?

Сброс пароля

Свежий номер уже доступен

Менделееву и не снилось

Гениальному творению Дмитрия Менделеева, периодической системе химических элементов, исполнилось 150 лет. В феврале 1869 года ученый разослал извещение об открытии ведущим химикам мира. Тогда были известны 62 элемента, сегодня — уже 118. В России за поиск, точнее создание, элементов отвечает Объединенный институт ядерных исследований в Дубне. В лаборатории ядерных реакций им. Флерова корреспондентам «СР» рассказали, как получают новые элементы, и показали Фабрику сверхтяжелых элементов, где вскоре будут делать громкие открытия.

Текст: Ольга Ганжур / Фото: «Страна Росатом»

До XX века большинство химических элементов находили буквально под ногами. Взяли кусок руды или пробу воды или воздуха, провели манипуляции — и вуаля, открытие. В прошлом столетии физики-ядерщики научились синтезировать элементы. Первым стал технеций. Менделеев предсказал его существование в 1871 году, но найти технеций в природе не удалось. В 1936 году элемент получил американский физик Эрнест Лоуренс, облучая молибден ядрами дейтерия на своем изобретении — циклотроне.

Изохронный циклотрон тяжелых ионов ДЦ 280 — сердце Фабрики сверхтяжелых элементов

Изохронный циклотрон тяжелых ионов ДЦ 280 — сердце Фабрики сверхтяжелых элементов

Следы многих искусственно полученных элементов позже нашли в земной коре. Так было и с первыми трансуранами, 93-м и 94-м элементами — нептунием и плутонием, которые «добыли» в реакторе, а потом обнаружили в урановых рудах. Элементов с 95-го по 118-й на нашей планете нет. Их создали в научных лабораториях — таких как лаборатория ядерных реакций им. Флерова, национальные лаборатории в США, Германии, Франции, Японии.
«Чтобы создать долгоживущее тяжелое ядро, необходимо внедрить в исходный образец как можно больше нейтронов. Все элементы с 93-го до 101-го получили ученые в США, бомбардируя ядра урана либо следующих за ним трансуранов нейтронами, дейтронами или альфа-частицами, — рассказывает заместитель директора лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Андрей Попеко. — Исключения — 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, которые обнаружили при радиохимическом анализе проб, собранных в районе взрыва 10-мегатонного термоядерного заряда «Айви-Майк». Менделевий, № 101, стал последним трансураном. Его получили, бомбардируя альфа-частицами эйнштейний. Для синтеза следующих элементов тем же методом пришлось бы делать мишени из сотого элемента — фермия. Изготовить их не представляется возможным: фермий живет всего 100 дней».
Когда работает ускоритель, находиться в помещении нельзя. Управляют циклотроном и контролируют параметры эксперимента из пультовой

Когда работает ускоритель, находиться в помещении нельзя. Управляют циклотроном и контролируют параметры эксперимента из пультовой

В середине 1950-х американские специалисты по синтезу оказываются в тупике. На сцену выходит советский физик-ядерщик, один из отцов-основателей ОИЯИ Георгий Флеров с предложением использовать новый метод — слияние тяжелых ядер.
Никто в идею Флерова не верит: чтобы слияние произошло, ядрам нужно соприкоснуться. Ядра заряжены положительно, одноименные заряды отталкиваются. «А мы их разгоним», — говорит Флеров. «Да у нас и ускорителя такого нет. Они, ускорители, не могут разогнать ничего тяжелее аргона», — волнуется мировая научная общественность. «Построим», — успокаивает Флеров. «Позвольте, но, если скорость будет низкая, ядра не сольются, а если высокая — их просто разорвет». — «А мы очень точно подберем скорость». Оказалось, для слияния нужно 10 % скорости света — ни больше ни меньше. Первые опыты Георгий Флеров проводил на циклотроне в лаборатории № 2 АН СССР (нынешний Курчатовский институт). Он бомбардировал мишени ионизированными атомами и доказал, что его идея стоящая.
Специальный магнит раздает пучок на пять установок для регистрации новых элементов или изучения свойств сверхтяжелых ядер

Специальный магнит раздает пучок на пять установок для регистрации новых элементов или изучения свойств сверхтяжелых ядер

Все бросились строить ускорители тяжелых ионов. Первый, HILAC, запустили в Калифорнийском университете в Беркли в 1957 году, циклотрон У 300 — в лаборатории ядерных реакций ОИЯИ в 1960-м. В 1957 году из Нобелевского физического института в Стокгольме поступило сообщение о том, что группе исследователей в результате бомбардировки ядер кюрия 244 ускоренными ионами углерода 13 удалось получить трансурановый элемент 102. Его предложили назвать нобелием в честь института, в котором велось исследование. Однако подтвердить свое открытие шведские ученые не смогли. Американские ученые действовали тем же методом, что и шведы, и тоже не доказали результат.
Ученые из Дубны под руководством Флерова выбрали другую реакцию для синтеза 102-го элемента — бомбардировку ядер урана ионами неона. Именно за ОИЯИ Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) признал право открытия. Но из уважения к шведским коллегам название элемента менять не стали.
Андрей Попеко на фоне таблицы всех известных науке изотопов. Как изменят ее эксперименты на Фабрике сверхтяжелых элементов?

Андрей Попеко на фоне таблицы всех известных науке изотопов. Как изменят ее эксперименты на Фабрике сверхтяжелых элементов?

Элементы от 102-го до 106-го получили, сталкивая ядра искусственных трансурановых элементов с ускоренными ионами сравнительно легких частиц (реакция горячего слияния). Этим же методом, но с использованием редкого изотопа кальций 48 синтезировали шесть сверхтяжеловесов — со 113-го по 118-й. Элементы от 107-го до 112-го синтезированы в реакциях холодного слияния — бомбардировкой ядер свинца или висмута ионами от хрома до цинка.
ЭТО ИНТЕРЕСНО
До сих пор многие верят в легенду о том, что Менделеев увидел периодическую таблицу химических элементов во сне. Хотя сам ученый сказал: «Я над ней, может быть, 20 лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово». История о том, что Дмитрий Менделеев изобрел русскую водку, тоже миф. Всех сбила тема докторской диссертации Менделеева: он исследовал особенности смешивания воды и спирта. Установление же традиционного 40 %-го отношения спирта к воде стало результатом работы чиновников: они округлили значение ранее принятого эталона крепости водки, полугара, в 38 градусов.
Ускорительная техника, конечно, не стояла на месте. В Дубне, например, появились мощные установки У 400 и У 400М. Но с синтезом 119-го и 120-го элементов и им уже не справиться, потому что пришло время бомбардировать трансураны более тяжелыми частицами — титаном, хромом, а интенсивность потока ионов на старых машинах явно недостаточна. Совсем скоро в ОИЯИ запустят на полную мощность новый исследовательский комплекс — Фабрику сверхтяжелых элементов. У изохронного циклотрона ДЦ 280 интенсивность пучков ионов больше в 10–20 раз, работать комплекс будет практически круглосуточно, то есть производительность фабрики почти в 100 раз больше, чем у установок сейчас. Это важно, ведь для доказательства открытия нового элемента нужно наработать хотя бы несколько атомов. Помимо ускорителя фабрика оснащена сепараторами для разделения продуктов реакции и системой доставки ядер к детекторам, химическим модулям и другим установкам.
Газонаполненный сепаратор. На его мишень выводится пучок ионов из ускорителя. В результате столкновения образуются новые ядра, которые летят дальше вместе с пучком. Сепаратор нужен для того, чтобы направить пучок в одно место, а тяжелые ядра — в другое. Линзы фокусируют продукты реакции на детектор. По свойствам распада можно понять, что же, собственно говоря, распалось — может, новый элемент таблицы Менделеева?

Газонаполненный сепаратор. На его мишень выводится пучок ионов из ускорителя. В результате столкновения образуются новые ядра, которые летят дальше вместе с пучком. Сепаратор нужен для того, чтобы направить пучок в одно место, а тяжелые ядра — в другое. Линзы фокусируют продукты реакции на детектор. По свойствам распада можно понять, что же, собственно говоря, распалось — может, новый элемент таблицы Менделеева?

«Днем рождения фабрики считается 26 декабря прошлого года — когда был получен первый пучок ускоренных тяжелых ионов на циклотроне ДЦ 280, — говорит Андрей Попеко. — А 17 января, в юбилей директора лаборатории Сергея Дмитриева, мы впервые вывели пучок на сепаратор» (на фото на стр. 1). Сейчас на фабрике идут пусконаладочные работы, затем Ростехнадзор и ФМБА проведут тесты и выдадут лицензию на эксплуатацию. Осенью должны начаться эксперименты для синтеза 119-го элемента.
Именем Менделеева
Имя ученого носит не только периодическая таблица и один из ее элементов, но и город в Татарстане, несколько российских поселков, станция Московского метрополитена, вузы. Крупнейший в стране центр обработки данных, сооружаемый близ Калининской АЭС, тоже получил название «Менделеев». «Станция расположена в городе Удомля, который был родиной и деда, и прадеда Дмитрия Ивановича Менделеева. Мы просто не могли проигнорировать факт связи Удомельской земли с семьей, которая произвела на свет гения мирового масштаба. И дело даже не в маркетинге. С одной стороны, это символично, с другой — и проект ЦОДа достаточно масштабный и, полагаю, достоин имени нашего великого соотечественника», — говорит заместитель генерального директора «Росэнергоатома», директор по экономике и финансам Сергей Мигалин.
Любимый вопрос журналистов к специалистам по синтезу новых элементов: зачем все это нужно? Во-первых, это интересно. Эксперименты в лаборатории ядерных реакций направлены на познание ядерной материи, изучение ее структуры, природы ядерных сил. Ученые ищут ответы на вопросы: где предел существования ядер и элементов, где кончается таблица Менделеева и т. д. Но простому человеку, конечно, хочется увидеть хотя бы «инновационные гвозди» из оганесона (недавно открытый 118-й элемент, названный в честь научного руководителя лаборатории ядерных реакций Юрия Оганесяна). До этого еще очень и очень далеко, признаются ученые. И вообще не факт, что получится. Но по дороге к открытиям создаются и практичные вещи. «В ходе экспериментов по синтезу ученые изобрели нанофильтры, или ядерные мембраны, — рассказывает Андрей Попеко. — Это материал с отверстиями точно заданных параметров. Он получился как побочный продукт экспериментов с трековыми пленочными детекторами. Мембрана может, например, отфильтровать эритроциты из крови. В электронной промышленности ее используют для фильтрации газов, реактивов. В ОИЯИ собственное производство фильтров на ускорителях. Также на наших ускорителях в свободное от синтеза элементов время мы проводим исследования для «Роскосмоса»: моделируем космические лучи и изучаем их воздействие на технику».