Золотое свечение: ядерные физики превратили свинец в золото

Открытия, сделанные на Большом адронном коллайдере (БАК), нередко сотрясают основы представлений о природе вещества. Но недавнее сообщение на портале Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) произвело фурор не только в научной среде: коллаборация ALICE превратила свинец в золото.

БАК как философский камень

ALICE — ​один из восьми детекторов Большого адронного коллайдера. Трансмутация свинца в золото стала побочным эффектом эксперимента по получению кваркглюонной плазмы — ​горячего и плотного состояния, в котором находилась материя, заполнившая Вселенную сразу после Большого взрыва.

Когда ядра в ускорителе пролетают чрезвычайно близко друг от друга, окружающие их интенсивные электромагнитные поля могут вызывать взаимодействия фотон — ​фотон и фотон — ​ядро. В ядрах свинца, разгоняющихся до 99,999993 % скорости света, такое сближение создает кратковременные фотонные импульсы. Это вызывает эффект электромагнитной диссоциации, при котором взаимодействующий с ядром фотон может возбуждать колебания внутренней структуры атома, что приводит к выбросу небольшого количества нейтронов и протонов. Если из ядра свинца вытряхнуть три протона, оно превращается в ядро золота.

Вылетающие протоны и нейтроны фиксирует детектор. Ученые подсчитали, что при столкновениях свинца образуются ядра таллия (81 протон), ртути (80 протонов) и золота (79 протонов). Золото появляется реже всего: около 89 тыс. ядер в секунду. За время работы ALICE с 2015 по 2018 год (эксперимент Run 2) возникло 86 млрд ядер золота — ​29 пикограмм (0,000000000029 г). В эксперименте Run 3 (с 2022 года по настоящее время) «производство» удвоилось благодаря улучшению ускорителя. Это все еще ничтожно мало, да и живет золото в БАКе доли секунды: ядра с огромной энергией врезаются в стенки и распадаются на протоны, нейтроны и другие частицы.

Великие превращения

«С точки зрения ядерной физики ничего невозможного в трансмутации соседствующих в Периодической системе Менделеева элементов нет, — ​комментирует заместитель директора Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований Александр Карпов. — ​Сам по себе факт, что в результате взаимодействия двух ядер при достаточно высоких энергиях из одного или обоих выбивается некоторое количество протонов, неудивителен. Если ядро теряет один или два протона, происходит то самое превращение. В эксперименте ЦЕРН необычно то, что превращения происходят за счет электромагнитного взаимодействия ядер, закон которого точно определен, тогда как в традиционных экспериментах определяющая роль — ​у сильного ядерного взаимодействия. Это делает эксперименты ЦЕРН чрезвычайно важными для теории атомного ядра».

Управляемая трансмутация используется давно и широко. «Возьмем радиофармпрепараты, — ​приводит пример Александр Карпов. — ​Для диагностики или терапии онкологических заболеваний требуются изотопы с заданными свойствами. И физики научились получать их в нужных объемах. К Большому адронному коллайдеру это прямого отношения не имеет. Для ядерных превращений нужны гораздо более скромные энергии — ​такие, чтобы ядра смогли коснуться друг друга, преодолев силы взаимного отталкивания. Это примерно 10 % скорости света. Для получения таких энергий создают компактные ускорители, работающие по принципам больших научных».

Другой пример — ​уменьшение объема и опасности радиоактивных отходов. Благодаря трансмутации в быстром реакторе минорные актиниды с периодом полураспада порядка 1 тыс. лет, накапливающиеся в ядерном топливе при эксплуатации, могут быть преобразованы в элементы с периодом полураспада 150–200 лет. В России эта технология отрабатывается на практике.

Трансмутация и радиоактивность

Первым успехом в превращении одних химических элементов в другие можно считать опыты Эрнеста Резерфорда 1919 года. К тому моменту уже было известно, что в результате радиоактивного распада уран становится торием, торий — ​полонием, полоний — ​радием, радий — ​радоном и так далее до свинца.

В 1940 году физикам удалось получить элементы тяжелее урана, который часто называют последним природным элементом. В Национальной лаборатории Лоуренса (США) группа под руководством Эдвина Макмиллана и Гленна Сиборга синтезировала трансурановые плутоний и нептуний. «Так началась эра открытия искусственных химических элементов. Более чем за полвека исследований в этом направлении таблица Менделеева приросла 26 элементами, 10 из которых были открыты в Объединенном институте ядерных исследований. Это уже, можно сказать, и есть алхимия», — ​подытоживает Александр Карпов.

Экскурс в алхимию

Идее перехода одних веществ в другие несколько тысяч лет. Теорию о превращении свинца в золото последовательно развивали алхимики Средиземноморского региона.

Король Англии Генрих VI и король Франции Карл VII, а также правители помельче содержали придворных алхимиков, ожидая от них рецепта золота. Особо покровительствовал оккультным наукам император Священной Римской империи, король Германии, Богемии, Венгрии и эрцгерцог Австрийский Рудольф II (1552–1612). На него работали английские натурфилософы и алхимики Джон Ди и Эдвард Келли. Рудольф II нуждался в золоте, чтобы вести войну с Османской империей. Его надежды не оправдались.

На волне всеобщего увлечения герметическими (тайными, передающимися от посвященного к посвященному) искусствами, а также реальных достижений прикладной химии мечта о золоте из реторты благополучно дожила до конца XVIII века. Знаменитый на всю Европу граф Сен­-Жермен предлагал варить золото русскому графу Петру Панину. Не менее известный Джузеппе Бальзамо (граф Калиостро) в письмах потенциальным покровителям уличал Сен-­Жермена во лжи и утверждал, что сам способен провести «великое делание».

Игорь Пшеничнов
Ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН

— Наша работа в составе коллаборации ALICE дала несколько неожиданный результат: выяснилось, что на каждое событие, в котором происходит сильное взаимодействие ядер, где, собственно, коллаборация и ищет сигналы образования знаменитой кварк-глюонной плазмы, приходится примерно одно событие электромагнитного взаимодействия, в котором ядро свинца-208 трансмутируется в золото в точке пересечения встречных пучков.

Разумеется, ядерные реакции, в которых золото образуется в результате облучения нейтронами или протонами ртути или платины известны уже многие десятилетия. Изотопы золота производятся для нужд ядерной медицины на ускорителях при энергиях в миллион раз меньших. Но в нашей работе впервые было обнаружено образование золота именно из свинца и именно под действием фотонов. Образующиеся вторичные ядра в большой части нестабильные, радиоактивные, имеют огромную кинетическую энергию, их невозможно остановить или поймать, не разрушив.

Говорить о возможной технологии производства золота в весовых количествах с использованием таких огромных энергий бессмысленно ещё и потому, что стоимость изотопически-чистого Pb-208, которым «заправляют» БАК, заметно выше стоимости золота. Такое производство экономически бессмысленно.

Главным результатом эксперимента, на мой взгляд, стало подтверждение модели электромагнитной диссоциации (ЭМД) RELDIS, которая позволяет вычислять сечения образования вторичных ядер разных элементов (включая всеми любимое золото). Результаты эксперимента важны для проведения будущих сеансов на БАК — вторичные ядра от ЭМД могут оказывать нежелательное воздействие на компоненты ускорителя. Важно знать, сколько их и куда они летят.

Сергей Тимашев
Профессор, сотрудник Научно-исследовательского ядерного университета «МИФИ»

— Мое мнение: использование БАК для разработки технологий получения материалов с заданными свойствами — это пустая трата денег, причем больших. Вопросы получения нужных стабильных изотопов вполне можно решать, используя низкоэнергетические ядерно-химические процессы. Тем более, что такие процессы инициируются при энергиях на шесть порядков меньших, нежели при инициировании ядерных процессов, и при практическом отсутствии опасных излучений. Надо просто четко ставить задачу и открывать госфинансирование. Тем более, развиваемые представления полностью соответствуют общей идее возможности инициирования кварк-кумулятивных процессов в ядерной материи, выдвинутой академиком Александром Балдиным в 1977 году на основе результатов исследований в Дубне взаимодействий релятивистских протонов с простыми ядрами. Думаю, уже достигнутое понимание физического механизма инициирования искусственной радиоактивности исходно нерадиоактивных ядер при взаимодействии с такими ядрами неравновесных электронов низкотемпературной плазмы, когда реализуется «глубокое» возбуждение ядерной материи с последующими ее релаксационными перестройками при участии кварков разных нуклонов, произведет не только революцию в материаловедении, но и откроет новые пути в решении проблем переработки радиоактивных отходов, в том числе, с получением новых источников энергии. Один из примеров — разработка технологии механо-активируемой переработки обедненного урана для возможного получения ядерного топлива на основе эффекта Чердынцева-Чалова об активации распада U-238 в урановых рудах, локализованных в областях с повышенной сейсмической активностью. Перспективность данной темы еще и в том, что количество исходного «сырья» — миллионы тонн, сейчас уходящих в отвалы.