Менделееву и не снилось: системе химических элементов 150 лет

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.

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

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

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

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?

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.

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?

«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.

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».