Science (США): прославленная российская лаборатория пытается выйти за рамки периодической таблицы и открыть новые экзотические элементы
С определенной точки зрения Лаборатория ядерных реакций имени Флерова больше похожа на авторемонтную мастерскую, чем на легендарный научно-исследовательский институт. По ней расхаживают люди в грязных синих халатах. На столах разбросаны болты, стоят емкости с чистящими жидкостями. Научный журнал рассказывает о том, как появляются новые химические элементы.
05.02.2019
Сэм Кин (Sam Kean)
Дубна, Россия — С определенной точки зрения Лаборатория ядерных реакций имени Флерова (ЛЯР) больше похожа на авторемонтную мастерскую, чем на легендарный научно-исследовательский институт. По ней расхаживают ученые в грязных синих халатах, и деловито выстукивает свой ритм «техно» топливный насос. На столах разбросаны болты, стоят емкости с чистящими жидкостями, в том числе, наполовину заполненная этиловым спиртом бутылка из-под водки. И повсюду лежат запчасти: в ящиках, на полках, которые тянутся вдоль стен. Эти металлические штуковины заполняют все помещение, напоминая ненужный хлам.
Но они нужны, потому что обслуживают шесть находящихся в лаборатории ускорителей частиц, которые напоминают огромных механических гусениц с десятками сегментов, заполняющих почти все помещение. Вернее, помещения, потому что когда оборудование не помещается в одной комнате, ученые пробивают дыры в стенах и устанавливают его в другой, соединяя нитями проводов и трубок. Чтобы увидеть ускоритель целиком, надо серьезно попотеть, взбираясь по крутым лестницам и проползая под пучками нависающих проводов. На трубах, под которые приходится подныривать, висят предупреждающие знаки, призывающие быть внимательнее — но не к собственной голове, а к оборудованию, В лаборатории Флерова преимущественное право движения у частиц.
Они заслужили это право. За последние полвека эти ускорители в своих разных версиях синтезировали девять новых химических элементов, добавив их в периодическую систему и доведя их общее количество до 118. Среди них пять самых тяжелых элементов из числа известных.
Это направление возглавляет физик Юрий Оганесян, работающий здесь с тех пор, как Никита Хрущев в 1956 году подписал распоряжение о создании секретной ядерной лаборатории, которую построили посреди березовых лесов в двух часах езды от Москвы. 85-летний Оганесян невысокого роста с пышной седой шевелюрой. Когда он волнуется, голос у него становится скрипучим. Он хотел изучать архитектуру, однако из-за бюрократической путаницы попал в физику. Оганесян до сих пор скучает по своей первой любви: «Мне действительно нужно нечто зримое в моей науке. Я ощущаю этот дефицит».
Знаменательно то, что ни один из ныне живущих людей не повлиял на архитектуру периодической таблицы так, как Оганесян, из-за чего ее 118-й элемент был назван в его честь — оганесон. Но и это для него не предел. Чтобы еще больше расширить менделеевскую таблицу, в лаборатории построили «фабрику» сверхтяжелых элементов (СТЭ) стоимостью 60 миллионов долларов, которая этой весной начнет охоту на элементы под номерами 119 и 120.
Некоторые ученые утверждают, что поиск новых элементов не стоит затраченных денег, особенно из-за того, что их атомы изначально нестабильны и исчезают в мгновение ока. «Мне лично, как ученому, неинтересно просто производить на свет новые недолговечные элементы», — говорит физик Витольд Назаревич (Witold Nazarewicz), исследующий структуру ядра в Университете штата Мичиган в Ист-Лансинге.
Но охотникам за элементами интересен результат. Новые элементы позволят начать восьмой период в периодической системе, где сейчас их семь, а некоторые теоретики предсказывают появление экзотических свойств. Элементы в этом периоде способны даже разрушить саму периодичность таблицы, так как химические и физические свойства у них могут не повторяться через регулярные интервалы. Переход в восьмой период также может дать ответы на вопросы, которые ученые ищут со времен Дмитрия Менделеева: сколько вообще существует элементов и как далеко можно продлить таблицу?
Решение создать фабрику сверхтяжелых элементов было в определенном смысле непростым. Это дорогостоящее мероприятие, и кроме того, строительство фабрики означало отказ от старых ускорителей, синтезировавших так много новых элементов, и их перевод в другие проекты. «На уровне эмоций, — говорит Оганесян, — очень непросто отказаться от чего-то, что очень многое дало. Но другого пути для продвижения вперед просто нет».
Самый тяжелый элемент, который находят в ощутимых количествах в природе, это уран, имеющий в периодической таблице порядковый номер 92. (Такой порядковый номер означает количество протонов в атомном ядре.) Далее ученые вынуждены создавать новые элементы в ускорителях, для чего они обычно направляют пучок легких атомов на мишень, состоящую из тяжелых атомов. Время от времени ядра легких и тяжелых атомов сталкиваются и сливаются в единое целое. В результате такого синтеза рождается новый химический элемент. Например, если выстрелить неоном (элемент под номером 10) по урану, получится нобелий (номер 102).
Но когда атомы становятся тяжелее, шансов на синтез становится значительно меньше из-за усиливающегося взаимного отталкивания ядер с положительным зарядом, а также из-за других факторов. Поэтому для создания большинства сверхтяжелых элементов (с атомным номером более 102) приходится идти на особые ухищрения. Один такой трюк в 1970-х годах придумал Оганесян, назвав его холодным слиянием. Это не имеет отношения к скандально известному холодному ядерному синтезу, о котором много говорили в 1980-е годы. В реакции холодного слияния Оганесяна соединяются атомы пучка и мишени, более близкие по своим размерам, чем в традиционной реакции синтеза новых элементов. И они не сталкиваются друг с другом. «Мы соединяем два ядра так, что это похоже на мягкое соприкосновение», — говорит Оганесян. Сделать это намного труднее, чем кажется, ибо и у пучка, и у ядер мишени положительный заряд, из-за чего они взаимно отталкиваются. Приближающийся атом должен обладать достаточной скоростью, чтобы преодолеть эту силу отталкивания. Но она не должна быть чрезмерной, потому что слишком сильный удар может разрушить ядро образующегося сверхтяжелого элемента.
Коллектив из Центра по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца в немецком Дармштадте усовершенствовал методику Оганесяна и использовал ее для создания элементов от 107-го до 112-го номера. Но в этой методике обнаружились определенные ограничения, ибо шансы на синтез и сохранение элементов стали резко снижаться. Начиная с 2003 года, коллектив Института физико-химических исследований (RIKEN) в японском городе Вако пытался методом холодного слияния создать элемент под номером 113, обстреливая цинком (номер 30) висмут (номер 83). В 2004 году они получили один атом, а через год еще один, отметив это событие в аппаратном помещении веселыми возгласами, пивом и сакэ.
А потом началась настоящая агония. Чтобы подтвердить открытие, ученым RIKEN нужен был еще один атом, и они повторили эксперимент в 2006 и 2007 годах. Но ничего не вышло. Они попытались снова в 2008 и 2009 годах. Опять ничего. И лишь спустя семь лет, в 2012 году, ученые обнаружили еще один атом. «Честно говоря, у нас было такое ощущение, что нам больше не повезет, — вспоминает химик-ядерщик Хиромицу Хаба (Hiromitsu Haba). — Статистика одному Богу известна». Все атомы прожили до распада не более пяти миллисекунд.
Чтобы пойти дальше 113-го элемента, требовался иной подход, метод горячего слияния, который ученые ЛЯР разработали в конце 1990-х. В реакции горячего слияния используется более мощная энергия пучка, а также специальный изотоп с избытком нейтронов кальций-48. (Нейтроны стабилизируют сверхтяжелый атом, ослабляя силу отталкивания протонов, которые в противном случае могут разорвать ядро.) Изотоп кальция-48 очень дорог, поскольку его приходится кропотливо и ценой больших усилий изолировать от источников природного кальция. Его цена составляет 250 тысяч долларов за грамм. Однако расходы окупились. Институт RIKEN трудился девять лет, чтобы найти три атома с номером 113. В Дубне такое же количество атомов под номером 114 получили за шесть месяцев. Оганесян с коллегами тоже отпраздновал это событие на своем боевом посту — радостными возгласами, пивом и кое-чем покрепче.
В тот момент синтез следующих сверхтяжелых элементов являлся в основном арифметической задачей. Химический элемент кальций имеет порядковый номер 20, а кальций плюс америций (элемент под номером 95) дает элемент 115. Кальций плюс кюрий (номер 96) дает элемент 116 и так далее. К 2010 году Дубна в сотрудничестве с учеными из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (Калифорния) и из национальной лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, заполнили седьмой период системы элементов.
Но после элемента под номером 118 работа снова застопорилась. Для реакции синтеза необходимо несколько миллиграммов элемента мишени, но сегодняшние технологии не позволяют производить в достаточном количестве 99-й элемент эйнштейний, чтобы синтезировать элемент с атомным номером 119. Некоторые ученые предлагали заменить кальций-48 на титан-50, у которого протонов на два больше, а потом обстрелять им элементы 97 и 98, чтобы синтезировать номера 119 и 120, соответственно. Но по техническим причинам вероятность синтеза с применением титана в 20 раз ниже, чем с применением кальция. У большинства ускорителей шансов на успех примерно столько же, сколько было у японцев из института RIKEN при создании элемента 113. То есть, опять статистика, известная одному Богу.
Фабрику СТЭ создали для преодоления этих препятствий. В отличие от старых ускорителей из лаборатории Флерова, похожих на грязных и маслянистых механических гусениц, СТЭ девственно чистая. Дверные ручки там до сих пор обернуты полиэтиленом с пупырышками, а полы пока без единого пятнышка.
В целом фабрика СТЭ — это синтез мощи и утонченности. Пучок возникает в источнике ионов и ускорителе высотой с двухэтажный дом — выше, чем некоторые дачи в окрестностях города. Ионный источник испускает шесть триллионов атомов в секунду, то есть, в 10-20 раз больше всех прочих ускорителей, синтезирующих химические элементы. Сделав несколько поворотов в 90 градусов (это самая компактная схема движения в ограниченном пространстве), поток попадает в массивный циклотрон, присутствие которого в этой схеме весьма примечательно. Тысячетонный магнит для этого циклотрона был изготовлен в 2014 году в украинском городе Краматорске недалеко от линии фронта войны с Россией, рассказал физик ЛЯР Александр Карпов. Этот город подвергался мощным обстрелам, и там шли боевые действия, в связи с чем сотрудники лаборатории очень нервничали, опасаясь, что магнит будет поврежден или уничтожен.
После ускорения потока до скорости, составляющей примерно одну десятую скорости света, циклотрон направляет его в очень чувствительный сегмент: на пластины толщиной несколько микрометров с находящимися на них атомами мишени. Эти пластины устанавливаются на диске размером с компьютерный компакт-диск, который вращается с целью охлаждения. Если бы диск не вращался, пучок прожег бы в нем дыру.
В случае синтеза возникающий сверхтяжелый атом проникает сквозь пластину. К сожалению, она настолько тонкая, что кусочки других частиц тоже проникают сквозь нее, и это создает настоящий вихрь из посторонних шумов. И здесь свою роль призван сыграть сепаратор. Он состоит из пяти магнитов одинакового ярко-красного цвета (как пожарная машина) совокупный вес которых составляет 64 тонны. Несмотря на огромную массу, магниты выровнены с точностью до 0,01 миллиметра, а их поля настолько точны, что отфильтровывают более легкие атомы, в том числе, почти все атомы из пучка, сбрасывая их в устройство под названием ловушка пучка.
Этот сепаратор, как и источник пучка, дает фабрике существенное преимущество. Сепараторы более ранних версий настраивали на сверхтяжелые атомы с узким диапазоном скорости, заряда и направления; те атомы, что слишком сильно отклонялись, оказывались в ловушке пучка. Новый сепаратор намного щедрее и дает проход в два-три раза большему количеству сверхтяжелых атомов.
Слаломом пролетев через сепаратор, атом попадает в кремниево-германиевый детектор, который фиксирует положение и время прибытия атома, после чего начинает следить за ним. Сверхтяжелые атомы распадаются, излучая серию альфа-частиц, которые представляют собой атом из связанных вместе двух протонов и двух нейтронов. Высвобождение альфа-частиц меняет сущность атома: 118-й элемент становится 116-м, тот становится 114-м и так далее.
Цепочка распада позволяет ученым задним числом определить, какой элемент они создали. Каждая альфа-частица в цепочке вылетает с характерной для нее энергией. Поэтому, если детектор зафиксирует альфа-частицу с соответствующей энергией, и что крайне важно, определит, что она появилась из той же точки в детекторе, куда только что ударился сверхтяжелый атом, он начинает пристально следить за появлением новых альфа-частиц.
Чтобы поиск проходил легче, детектор автоматически отключает пучок циклотрона, чтобы уменьшить количество летающего вокруг мусора. Такое отключение вызывает громкий сигнал в помещении управления, где сидит несколько скучающих ученых. (Во время моего недавнего визита в соседнее помещение управления пара аспирантов смотрела отстойный фантастический фильм про монстров.) Звонок — он как сигнал тревоги, дающий встряску и вызывающий волнение посреди скуки и однообразия.
Но тревога здесь даже не нужна. Внутри детектора атом продолжит испускать альфа-частицы. На самом деле, несколько событий в цепочке распада происходят еще до того, как ученые услышат сигнал тревоги. Со сверхтяжелыми атомами все как-то не так: получить их тяжело, а потерять очень даже просто. Ученые смогут установить, какой элемент они создали, только позднее, когда тщательно проанализируют данные и сопоставят каждую обнаруженную альфа-частицу с конкретным элементом в реакции распада.
Более мощный пучок и более щедрый сепаратор могут теоретически повысить вероятность синтеза титана-50. Это дает ученым из Дубны надежду на то, что атомы 119-го и 120-го элемента скоро дадут о себе знать. Коллектив из института RIKEN тоже ведет поиск 119-го элемента, но использует иную и, пожалуй, более сложную методику (они обстреливают кюрий ванадием, элементом под номером 23). Исследователи из обеих лабораторий уверены, что 119-й и 120-й элементы появятся в течение следующих пяти лет.
Дальнейшее вызывает определенную тревогу. Вполне может так оказаться, что метод горячего слияния не годится для синтеза элементов тяжелее 120-го номера. Обнаружить их будет в равной степени трудно. Если ожидаемый срок жизни сверхтяжелого элемента окажется слишком непродолжительным, атомы могут не пережить путешествие через сепаратор длиной в одну микросекунду. Они распадутся прямо в полете, став атомами-призраками, исчезнувшими без следа.
Таким образом, поиск дальнейших элементов может потребовать новых подходов. Для проведения «многоядерной реакции передачи» может понадобиться, например, обстрел кюрия ураном на относительно низких скоростях — очередное «мягкое соприкосновение». Полный синтез их ядер не произойдет, но кусок одного элемента может оторваться и связаться с другим. В зависимости от размера такого куска ученые могут даже перескочить на гораздо более тяжелый элемент вместо того, чтобы по порядку идти от одного атомного номера к другому.
Но это непроверенные методы. «Ученые, занимающиеся тяжелыми элементами, любят действовать по порядку», — говорит Жаклин Гейтс (Jacklyn Gates), возглавляющая группу исследователей тяжелых элементов в калифорнийской национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли. Если говорить об элементах с номером более 120, продолжает она, то «мы даже не знаем, что искать — какой период полураспада, какие свойства распада».
Указывая на эти трудности, некоторые ученые предлагают отказаться от ускорителей. Есть другой метод, при котором маломощный ядерный взрыв вызывает реакцию синтеза в атомах мишени. Это не такое безумие, как может показаться. Элементы под номерами 99 и 100 были обнаружены в радиоактивных осадках после испытания атомной бомбы в атмосфере. Тем не менее, большинство ученых скептически относятся к данному методу из-за вполне очевидной опасности радиации и короткой продолжительности жизни сверхтяжелых атомов, которая может закончиться еще до того, как исследователи найдут их в радиоактивных продуктах взрыва.
Другие исследователи предлагают искать новые элементы по старинке, ведя на них охоту в окружающей среде. Это было довольно популярное времяпрепровождение несколько десятков лет тому назад, когда физики обследовали космические лучи, метеориты, лунные камни и даже зубы древних акул в попытке отыскать там сверхтяжелые элементы. Но из этих попыток ничего не вышло. Сегодня они переключили свое внимание на взрывы сверхновых и аномальные звезды, такие как звезда Пшибыльского, в чьем спектре обнаружены следы эйнштейния, который в природе никогда не находили. Возможно, в раскаленных и плотных внутренностях этой звезды находятся еще более тяжелые элементы.
Тем не менее, нет никакой гарантии, что сверхтяжелые элементы существуют в природе. Ученых также беспокоит долгий неурожайный период в деле создания новых элементов (с 2010 года не создано ни одного).
«Если оглянуться назад на несколько десятилетий, — говорит специалист по теоретической химии из Хельсинкского университета Пекка Пююкке (Pekka Pyykkö), — то мы увидим, что ученые делали один новый элемент раз в три года, но сейчас такого нет». Сегодняшний неурожай может быть новой нормой.
Даже если ученые сумеют преодолеть технические трудности создания новых элементов, остается без ответа другой вопрос: сколько элементов вообще может существовать, даже гипотетически? Насколько можно расширить периодическую таблицу?
Есть одна известная теория, согласно которой элементы закончатся на номере 172. Никто не знает, что произойдет дальше, однако по причинам квантовой механики ядро атома может начать поглощать электроны и соединять их с протонами, производя в качестве побочного продукта нейтроны. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока счет протонов не снизится до 172-го номера, который станет верхним пределом по атомному номеру. (Звучит странно, но это же квантовая механика.)
Другие исследования свидетельствуют о том, что химические элементы закончатся задолго до номера 172. По мере увеличения ядра сила отталкивания между протонами становится непреодолимой. По всеобщему убеждению, ядро должно просуществовать как минимум 10-14 секунд, чтобы считаться новым элементом. Но с учетом того, насколько неустойчивы и хрупки элементы после 110-го номера, более тяжелые элементы могут не продержаться даже это время. Некоторые ученые предсказывают, что ядро может преодолеть эту трудность, приняв экзотическую форму, скажем, полого пузыря или похожей на решетку углеродной структуры. Но другие исследователи выражают сомнение в стабильности таких форм.
Что очень досадно, ибо номера от 130 до 150 могут показать нечто удивительное. В частности, сама периодичность периодической системы может полностью нарушиться.
В общем, у всех элементов из одной группы таблицы аналогичные химические и физические свойства. Но не исключено, что такая тенденция не может существовать вечно. Ученым всего мира удалось проверить свойства единичных сверхтяжелых атомов, изучив, как они соединяются с различными веществами. Они обнаружили, что связь между столбцами и химическими свойствами нарушается в районе 110-го элемента и дальше.
Например, 114-й элемент ведет себя как газ при комнатной температуре, хотя находящийся над ним элемент свинец совершенно не похож на газ. Точно так же, хотя элемент 118 попадает в ряд инертных газов, теоретически он должен с готовностью притягивать электроны, что другим инертным газам не свойственно. Такие аномалии возникают из-за скалярных релятивистских эффектов: мощный сконцентрированный заряд сверхтяжелого ядра меняет орбиту окружающих его электронов, а это отражается на их поведении и формировании связей.
Как говорит Хаба, «химические свойства сверхтяжелых элементов уникальны, и мы не можем просто так их экстраполировать». И хотя элементы под номерами 114 и 118 лишь немного отличаются от ожиданий, более тяжелые элементы могут обладать совершенно неожиданными свойствами, так как релятивистские эффекты по мере увеличения веса элементов будут только нарастать. Куда же денутся аномальные элементы? В тот ряд, куда они должны попасть по своим атомным номерам, или в один ряд с элементами, обладающими аналогичными свойствами?
Ответ зависит от того, кому вы зададите этот вопрос. По мнению некоторых ученых, периодическая таблица в основном объясняет основополагающую атомную структуру, но не химические свойства. Следовательно, отклонения недопустимы. Однако исследователи более прагматичны. «Периодическая таблица более полезна в том смысле, что она может рассказать мне о химическом свойстве элемента, поэтому я за внесение в нее изменений», — говорит Гейтс.
Пююкке продвигает идею об аномальных элементах еще дальше, до крайности. Он рассчитал теоретические свойства всех элементов до номера 172 и свел их в футуристическую таблицу. Результат поражает. В какой-то момент последовательность атомных номеров разворачивается вспять от номера 164 до 139 и 140, а потом перескакивает на номер 169. Эта странная таблица висит сегодня на стене в его кабинете. «Когда я читаю лекции, — говорит Пююкке, — я обычно шучу, что этой периодической таблицы должно хватить до конца нынешнего века».
Но разногласия существуют не только по поводу структуры таблицы. Есть и более глубокие расхождения между людьми, считающими целесообразным поиск новых элементов, и теми, кто думает, что это пустая трата времени и ресурсов. Гейтс говорит об этом так: «Что касается элементов 119 и 120, то с нашими нынешними технологиями мы потратим годы на один атом. И что он нам расскажет?»
Тем не менее, она понимает, почему некоторые лаборатории занимаются синтезом новых элементов. «Новый элемент вызывает интерес у людей. И он помогает получать финансирование. Я думаю, что здесь не наука является движущей силой экспериментов, а политика». Действительно, коллектив японского Института физико-химических исследований все девять лет работы по созданию элемента 113 получал неплохой бюджет. А поскольку 113-й элемент стал первым, созданным в Азии, этих ученых сделали в Японии народными героями. Кто-то даже опубликовал книгу комиксов про их работу.
Ученые из Дубны утверждают, что их работа — это не просто гонка за трофеями. Физик Карпов, у которого четыре пиджака спортивного покроя, и на каждом он носит значок с изображением разных созданных в России элементов (дубний, флеровий, московий и оганесон), говорит, что создание новых элементов помогает проверить теоретические прогнозы о их периоде полураспада и о прочих свойствах.
Во время экспериментальных прогонов он с коллегами попытается добавить нейтроны к существующим сверхтяжелым элементам и создать более долгоживущие версии. Назаревич, скептически относящийся к синтезу новых элементов, считает такие эксперименты полезными. «Хотелось бы добиться больше стабильности», — говорит он. Работа с существующими элементами может даже дать ученым возможность добраться до «острова стабильности», как называют гипотетическую область, где время жизни сверхтяжелых элементов значительно больше, и изучить свойства таких элементов. В любом случае, технологии получения новых элементов способны помочь в производстве радиоактивных изотопов для медицины и проверить, насколько хорошо детали спутников выдерживают облучение ядерными частицами.
Но в конечном итоге поиск новых элементов сам по себе является наградой. Так сказать, искусство ради искусства. «Есть некое величие в увеличении количества протонов, — говорит Карпов. — Это естественно, когда ты доходишь до предела, а потом пытаешься раздвинуть горизонты и пойти дальше». Плюс к этому, добавляет он, с улыбкой поглаживая блестящий значок с московием, «иногда приятно заявить, что ты сделал что-то первым».
