НАУКА / #4_2026
Путешествие к острову стабильности
Записала Надежда Фетисова / Фото: Nano Banana
Объединенный Институт ядерных исследований в Дубне в конце марта отметил юбилей — 70 лет. А за несколько дней до этого у научного руководителя лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, академика РАН Юрия Оганесяна выдалась личная круглая дата — 70 лет с момента окончания Московского инженерно-физического института. Юрий Цолакович — единственный в мире здравствующий ученый, чьим именем назван элемент таблицы Менделеева — 118-й — оганесон. Академик Ю. Оганесян приехал из Дубны в Москву и прочитал в альма-матер лекцию «Синтез сверхтяжелых элементов». «НАЭ» подготовил материал на ее основе.
Юрий Оганесян
Слово «атом» (в переводе с греческого «неделимый») придумал древнегреческий ученый Демокрит (V-IV вв. до н. э.). Он сказал: все состоит из мельчайших неделимых частиц.
В начале XIX века английский ученый Джон Дальтон сравнил атомы с буквами, из которых можно составлять слова, образующие тексты. Тогда было открыто всего 36 химических элементов.
Примерно через 60 лет, когда было известно уже 63 химических элемента, наш выдающийся соотечественник Дмитрий Иванович Менделеев задумался над устройством этих «кирпичиков» мироздания. Он расположил все известные ему элементы в ряд по возрастанию их атомных масс. Оказалось, что через каждые восемь позиций физические и химические свойства элементов повторяются (с вариациями). Однако некоторые элементы «ломали» обнаруженный порядок. Менделеев пересмотрел данные об их атомных массах, скорректировал — и убедился, что периодический закон сохраняется. Более того, в таблице оставались незаполненные клетки, и ученый предположил, что их занимают еще не открытые элементы с определенными массами и свойствами. Как мы теперь знаем, он и в этом оказался прав.
В начале XIX века английский ученый Джон Дальтон сравнил атомы с буквами, из которых можно составлять слова, образующие тексты. Тогда было открыто всего 36 химических элементов.
Примерно через 60 лет, когда было известно уже 63 химических элемента, наш выдающийся соотечественник Дмитрий Иванович Менделеев задумался над устройством этих «кирпичиков» мироздания. Он расположил все известные ему элементы в ряд по возрастанию их атомных масс. Оказалось, что через каждые восемь позиций физические и химические свойства элементов повторяются (с вариациями). Однако некоторые элементы «ломали» обнаруженный порядок. Менделеев пересмотрел данные об их атомных массах, скорректировал — и убедился, что периодический закон сохраняется. Более того, в таблице оставались незаполненные клетки, и ученый предположил, что их занимают еще не открытые элементы с определенными массами и свойствами. Как мы теперь знаем, он и в этом оказался прав.
Демокрит
Однако удача привела его к тревожному выводу. Если элементы так похожи, они уже не могут считаться «буквами» мироздания. Значит, сами элементы состоят из более простых составляющих, и путь к настоящим кирпичикам природы еще не проложен.
Спустя 40 лет после публикации Периодического закона Менделеева Эрнест Резерфорд провел серию опытов: он обстреливал тонкие листы металлической фольги альфа-частицами. Большинство проходили фольгу почти без отклонений, однако некоторые резко отклонялась на большие углы. Это можно было объяснить только тем, что почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в маленьком ядре, а электроны занимают огромный по сравнению с ним объем. Основываясь на этих опытах, Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома: крошечное, но массивное и положительно заряженное ядро, вокруг которого на больших расстояниях вращаются электроны. Они удерживаются на орбитах за счет электростатического притяжения к ядру, создающего необходимое центростремительное ускорение.
Спустя 40 лет после публикации Периодического закона Менделеева Эрнест Резерфорд провел серию опытов: он обстреливал тонкие листы металлической фольги альфа-частицами. Большинство проходили фольгу почти без отклонений, однако некоторые резко отклонялась на большие углы. Это можно было объяснить только тем, что почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в маленьком ядре, а электроны занимают огромный по сравнению с ним объем. Основываясь на этих опытах, Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома: крошечное, но массивное и положительно заряженное ядро, вокруг которого на больших расстояниях вращаются электроны. Они удерживаются на орбитах за счет электростатического притяжения к ядру, создающего необходимое центростремительное ускорение.
Джон Дальтон
Э. Резерфорда возражали: если электрон движется по круговой орбите, он должен непрерывно излучать энергию, а значит, не пройдет и 1-8 секунды, как он потеряет всю свою энергию и упадет на ядро.
Тем не менее 7 марта 1911 года Э. Резерфорд сделал в Манчестерском философском обществе доклад «Рассеяние альфа- и бета-лучей и строение атома». Эту дату можно считать днем рождения ядерной физики. Атомное ядро стало объектом пристального изучения.
Наш соотечественник Георгий Гамов, выпускник Пермского университета, в 1928 году предложил рассматривать атомное ядро как объект, похожий на жидкую каплю с плотностью на 15 порядков выше плотности воды. В том же 1928 году Г. Гамов построил квантово-механическую теорию альфа-распада — испускания ядром альфа-частицы за счет туннелирования через потенциальный барьер.
Тем не менее 7 марта 1911 года Э. Резерфорд сделал в Манчестерском философском обществе доклад «Рассеяние альфа- и бета-лучей и строение атома». Эту дату можно считать днем рождения ядерной физики. Атомное ядро стало объектом пристального изучения.
Наш соотечественник Георгий Гамов, выпускник Пермского университета, в 1928 году предложил рассматривать атомное ядро как объект, похожий на жидкую каплю с плотностью на 15 порядков выше плотности воды. В том же 1928 году Г. Гамов построил квантово-механическую теорию альфа-распада — испускания ядром альфа-частицы за счет туннелирования через потенциальный барьер.
Дмитрий Менделеев
В середине 1930-х Нильс Бор и Карл Фридрих фон Вайцзеккер на основе аналогии с каплей вывели полуэмпирическую формулу энергии связи нуклонов (формулу Бора-Вайцзеккера).
А в 1939 году Н. Бор и Джон Уилер описали механизм деления урана в рамках капельной модели. Это произошло практически одновременно с экспериментальным открытием ядерного деления в Институте химии Общества кайзера Вильгельма в Берлине.
Согласно теории Бора-Уилера, в «капле"-ядре борются две силы: поверхностное натяжение стремится сделать ядро компактным и сферическим, кулоновское отталкивание протонов — «разорвать» каплю. Тяжелое ядро урана от самопроизвольного деления защищает барьер. Высота барьера для урана — порядка 6 МэВ. Если деформировать ядро с энергией меньше 6 МэВ, оно возвращается к сферической форме. Но как только деформация превышает 6 МэВ, пути назад нет: ядро урана разделяется на два осколка. При этом выделяется энергия порядка 200 МэВ.
На этом и построена ядерная энергетика: нужно заставить ядра урана делиться и использовать высвобождаемую энергию сначала как тепловую, а потом преобразовывать ее в электрическую.
А в 1939 году Н. Бор и Джон Уилер описали механизм деления урана в рамках капельной модели. Это произошло практически одновременно с экспериментальным открытием ядерного деления в Институте химии Общества кайзера Вильгельма в Берлине.
Согласно теории Бора-Уилера, в «капле"-ядре борются две силы: поверхностное натяжение стремится сделать ядро компактным и сферическим, кулоновское отталкивание протонов — «разорвать» каплю. Тяжелое ядро урана от самопроизвольного деления защищает барьер. Высота барьера для урана — порядка 6 МэВ. Если деформировать ядро с энергией меньше 6 МэВ, оно возвращается к сферической форме. Но как только деформация превышает 6 МэВ, пути назад нет: ядро урана разделяется на два осколка. При этом выделяется энергия порядка 200 МэВ.
На этом и построена ядерная энергетика: нужно заставить ядра урана делиться и использовать высвобождаемую энергию сначала как тепловую, а потом преобразовывать ее в электрическую.
Эрнест Резерфорд
Когда барьеры исчезают
Как ни странно, ядро урана может делиться и без внешней энергии, не «взбираясь» на барьер. Это квантово-механический эффект, называемый туннелированием, или просачиванием через барьер. В рамках классической механики такое невозможно: если вы посылаете теннисный мяч на бетонную стенку, он каждый раз будет отскакивать обратно — хоть тысячу, хоть миллиард раз. В квантовой механике мяч с некоторой, пусть и ничтожной, вероятностью может оказаться по другую сторону стенки.
Таким же образом ядро «просачивается» через барьер и самопроизвольно делится. Правда, ждать такого события приходится невероятно долго — примерно 10¹⁶ лет (Н. Бор и Д. Уилер называли 10²² лет). Американский физик Уиллард Либби первым попытался экспериментально зарегистрировать этот процесс, но его установке не хватило чувствительности.
Как ни странно, ядро урана может делиться и без внешней энергии, не «взбираясь» на барьер. Это квантово-механический эффект, называемый туннелированием, или просачиванием через барьер. В рамках классической механики такое невозможно: если вы посылаете теннисный мяч на бетонную стенку, он каждый раз будет отскакивать обратно — хоть тысячу, хоть миллиард раз. В квантовой механике мяч с некоторой, пусть и ничтожной, вероятностью может оказаться по другую сторону стенки.
Таким же образом ядро «просачивается» через барьер и самопроизвольно делится. Правда, ждать такого события приходится невероятно долго — примерно 10¹⁶ лет (Н. Бор и Д. Уилер называли 10²² лет). Американский физик Уиллард Либби первым попытался экспериментально зарегистрировать этот процесс, но его установке не хватило чувствительности.
Георгий Гамов
В 1940 году советские физики Георгий Флеров и Константин Петржак, работавшие в ленинградском Физико-техническом институте, с помощью более чувствительной аппаратуры наблюдали самопроизвольное деление урана. Они доложили о результатах наблюдений на ученом совете, но к их заявлению отнеслись скептически. Один из старших коллег сказал: «Понятно, молодым людям хочется славы. Наверное, они не слышали о космических лучах — очевидно же, что именно эти лучи вызвали ложный фон, который был принят за самопроизвольное деление урана. И куда только смотрит Курчатов, их руководитель?»
Игорь Васильевич Курчатов и молодые экспериментаторы — им тогда было около 30 лет — решили устранить все сомнения. Они обратились к Лазарю Кагановичу, курировавшему строительство московского метро. Попросили выделить им помещение для лаборатории под самой глубокой тогда станцией — «Динамо». Над ней — 40−50 метров грунта: ядерно-активная компонента космических лучей под такой защитой ослабевала примерно в тысячу раз.
Днем молодые ученые посещали музеи, а ночью, пока не ходили поезда, работали. Самопроизвольное деление урана было зафиксировано. В 1940 году они опубликовали короткую заметку об этом в журнале Physical Review.
Если идти к еще более тяжелым ядрам, кулоновское отталкивание между протонами растет, а сила поверхностного натяжения, удерживающая нуклоны вместе, почти не меняется. В результате высота барьера деления снижается, и вероятность спонтанного деления значительно возрастает. С увеличением числа протонов в ядре барьер становится еще ниже. В конце концов можно «доиграться» до того, что он исчезнет. В этом пределе ядро перестает быть устойчивым и неминуемо распадается — это и есть граница существования материального мира.
Н. Бор и Д. Уилер предположили, что устойчивость ядер должна практически исчезнуть у элементов с атомными номерами 100 и выше.
Игорь Васильевич Курчатов и молодые экспериментаторы — им тогда было около 30 лет — решили устранить все сомнения. Они обратились к Лазарю Кагановичу, курировавшему строительство московского метро. Попросили выделить им помещение для лаборатории под самой глубокой тогда станцией — «Динамо». Над ней — 40−50 метров грунта: ядерно-активная компонента космических лучей под такой защитой ослабевала примерно в тысячу раз.
Днем молодые ученые посещали музеи, а ночью, пока не ходили поезда, работали. Самопроизвольное деление урана было зафиксировано. В 1940 году они опубликовали короткую заметку об этом в журнале Physical Review.
Если идти к еще более тяжелым ядрам, кулоновское отталкивание между протонами растет, а сила поверхностного натяжения, удерживающая нуклоны вместе, почти не меняется. В результате высота барьера деления снижается, и вероятность спонтанного деления значительно возрастает. С увеличением числа протонов в ядре барьер становится еще ниже. В конце концов можно «доиграться» до того, что он исчезнет. В этом пределе ядро перестает быть устойчивым и неминуемо распадается — это и есть граница существования материального мира.
Н. Бор и Д. Уилер предположили, что устойчивость ядер должна практически исчезнуть у элементов с атомными номерами 100 и выше.
Карл Вайцзеккер
До сотой отметки и выше
Итак, в реакторах за счет потока нейтронов синтезировались все более тяжелые трансурановые элементы — плутоний, кюрий и их соседи по таблице. Постепенно дошли до области около сотого элемента.
Однако для того, чтобы получить элементы с атомными номерами 99 и 100, возможностей обычных реакторов оказалось недостаточно — требовался более мощный поток нейтронов. В Соединенных Штатах это было достигнуто во время крупного термоядерного испытания в 1952 году: после взрыва водородной бомбы самолеты с фильтрами на борту пролетали через радиоактивное облако, собирали пробы воздуха и аэрозолей и доставляли их в лаборатории. При химическом анализе этих образцов в крошечных количествах были обнаружены новые элементы — 99-й (эйнштейний) и 100-й (фермий).
В это время Юрий Цолакович начал работать в только что созданном Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Георгий Николаевич Флеров, до того работавший вместе с И. Курчатовым над советским атомным проектом, решил вернуться к «чистой» науке. Он предложил дополнить арсенал ядерной физики — пучки нейтронов, протонов, дейтронов и альфа-частиц — еще одним типом снарядов: ядрами более тяжелых элементов, ускоренными до высоких энергий.
Итак, в реакторах за счет потока нейтронов синтезировались все более тяжелые трансурановые элементы — плутоний, кюрий и их соседи по таблице. Постепенно дошли до области около сотого элемента.
Однако для того, чтобы получить элементы с атомными номерами 99 и 100, возможностей обычных реакторов оказалось недостаточно — требовался более мощный поток нейтронов. В Соединенных Штатах это было достигнуто во время крупного термоядерного испытания в 1952 году: после взрыва водородной бомбы самолеты с фильтрами на борту пролетали через радиоактивное облако, собирали пробы воздуха и аэрозолей и доставляли их в лаборатории. При химическом анализе этих образцов в крошечных количествах были обнаружены новые элементы — 99-й (эйнштейний) и 100-й (фермий).
В это время Юрий Цолакович начал работать в только что созданном Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Георгий Николаевич Флеров, до того работавший вместе с И. Курчатовым над советским атомным проектом, решил вернуться к «чистой» науке. Он предложил дополнить арсенал ядерной физики — пучки нейтронов, протонов, дейтронов и альфа-частиц — еще одним типом снарядов: ядрами более тяжелых элементов, ускоренными до высоких энергий.
Нильс Бор
Эти частицы назвали тяжелыми ионами. В те годы было совершенно не понятно, к каким результатам приведут столкновения тяжелых ядер и что́ принципиально нового они позволят увидеть.
Юрий Цолакович вспоминает свое первое выступление в Москве. Физик Лев Арцимович, выслушав предложения коллеги, сказал: «Я вас не понимаю, молодой человек. Вы хотите устроить лобовое столкновение двух поездов и думаете, что при этом получите что-то новое, кроме обломков?»
Ю. Оганесян тогда не нашелся, что ответить, но позже подумал: необязательно устраивать крушение. Можно сделать так, чтобы два ядра лишь коснулись друг друга. Для этого энергию налетающего ядра выбирают примерно равной высоте кулоновского барьера: при таком сближении отталкивание зарядов удерживает ядра от слияния, но начинают действовать ядерные силы. Возникает двухцентровая конфигурация, в которой они стягивают систему к центру, а кулоновское отталкивание, напротив, стремится ее разорвать.
Именно так и поступили ученые. При столкновении тяжелых ионов с точно подобранной энергией был получен 102-й элемент. Попытки получить его предпринимались в Швеции и США, но результатов удалось достичь лишь в Дубне примерно через 10 лет после запуска нового ускорителя тяжелых ионов. Как раз на этом ускорителе Юрий Цолакович и работал.
Юрий Цолакович вспоминает свое первое выступление в Москве. Физик Лев Арцимович, выслушав предложения коллеги, сказал: «Я вас не понимаю, молодой человек. Вы хотите устроить лобовое столкновение двух поездов и думаете, что при этом получите что-то новое, кроме обломков?»
Ю. Оганесян тогда не нашелся, что ответить, но позже подумал: необязательно устраивать крушение. Можно сделать так, чтобы два ядра лишь коснулись друг друга. Для этого энергию налетающего ядра выбирают примерно равной высоте кулоновского барьера: при таком сближении отталкивание зарядов удерживает ядра от слияния, но начинают действовать ядерные силы. Возникает двухцентровая конфигурация, в которой они стягивают систему к центру, а кулоновское отталкивание, напротив, стремится ее разорвать.
Именно так и поступили ученые. При столкновении тяжелых ионов с точно подобранной энергией был получен 102-й элемент. Попытки получить его предпринимались в Швеции и США, но результатов удалось достичь лишь в Дубне примерно через 10 лет после запуска нового ускорителя тяжелых ионов. Как раз на этом ускорителе Юрий Цолакович и работал.
Джон Уилер
Тогда Г. Флеров предложил Ю. Оганесяну с командой синтезировать 104-й элемент. Это был первый, самый смелый эксперимент в этой области.
Молодые ученые быстро нашли нужную активность — спонтанно делящийся нуклид с периодом полураспада порядка 10 миллисекунд. Точка с таким временем жизни как раз попадала в ожидаемую область на графике.
Все проверочные опыты подтверждали: это и есть искомый 104-й элемент. Однако позже выяснилось, что ученые ошибались. Аналогичные короткоживущие спонтанно делящиеся состояния встречаются у целого ряда уже известных тяжелых элементов: актиния, кюрия, калифорния и даже урана. Уран, например, в основном состоянии спонтанно делится с характерным временем порядка 10¹⁶ лет, но может иметь возбужденные состояния, в которых спонтанное деление происходит за микросекунды.
Молодые ученые быстро нашли нужную активность — спонтанно делящийся нуклид с периодом полураспада порядка 10 миллисекунд. Точка с таким временем жизни как раз попадала в ожидаемую область на графике.
Все проверочные опыты подтверждали: это и есть искомый 104-й элемент. Однако позже выяснилось, что ученые ошибались. Аналогичные короткоживущие спонтанно делящиеся состояния встречаются у целого ряда уже известных тяжелых элементов: актиния, кюрия, калифорния и даже урана. Уран, например, в основном состоянии спонтанно делится с характерным временем порядка 10¹⁶ лет, но может иметь возбужденные состояния, в которых спонтанное деление происходит за микросекунды.
Георгий Флеров
Капля со структурой
Как такое вообще возможно: одно и то же ядро испытывает один и тот же тип распада, но с разной вероятностью и совершенно разным временем жизни? В ядерной физике подобные ситуации относят к изомерии: ядро может находиться на разных энергетических уровнях, а элемент в возбужденном состоянии (изомер) живет иначе, чем в основном.
Но в данном случае речь идет о другом: кажется, что ядро находится в одном и том же состоянии, а время его жизни меняется радикально. Что же это за изомер? Оказывается, речь идет об изомерии формы. Ядро может иметь более компактную или более вытянутую (деформированную) форму, причем эти формы разделены потенциальными барьерами. В результате появляются два (или больше) устойчивых состояния, каждое из которых может спонтанно распадаться за разное время.
Для классической капельной модели это выглядит совершенно неожиданно. Представьте себе пипетку: капля жидкости либо держится на кончике, либо отрывается и падает. А здесь у ядра появляется промежуточная форма: оно словно задержалось на полпути, «задумалось», а потом продолжило делиться.
К концу 1960-х годов усилиями ученых разных стран была разработана современная модель ядра. Его по-прежнему рассматривают как каплю, но добавляют структурную часть.
В целом капельная модель неплохо описывает экспериментальные значения масс и энергий связи ядер: гладкая теоретическая кривая повторяет общий ход зависимости. Но если всмотреться в график более пристально, то видно: отдельные точки (эксперименты) выбиваются из сплошной линии, описывающей капельную модель. Возникают регулярные отклонения: для одних ядер энергия связи заметно выше, чем она предсказывает (они связаны сильнее), для других — немного ниже.
Сильно связанные состояния на графиках выглядят как «провалы» относительно гладкой капельной кривой. Особенно выделяются ядра ¹⁶O, ⁴⁰Ca и ⁴⁸Ca, а также ряда изотопов олова. Самое тяжелое из них — ядро свинца.
Если бы оболочечной структуры не было, свинец распался бы, но благодаря ей он остается стабильным элементом. Поэтому в таблице изотопов по мере увеличения массового числа можно проследить ряд стабильных ядер вплоть до свинца, а дальше — очень короткоживущие ядра со временем жизни до микро- и наносекунд.
Возникает вопрос: могут ли за сотым элементом существовать подобные, особо устойчивые конфигурации — в еще неизведанной области сверхтяжелых ядер?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно научиться количественно описывать отклонения от капельной модели и связать их с хорошо изученными спектроскопически ядрами, такими как ядра плутония, кюрия.
Как такое вообще возможно: одно и то же ядро испытывает один и тот же тип распада, но с разной вероятностью и совершенно разным временем жизни? В ядерной физике подобные ситуации относят к изомерии: ядро может находиться на разных энергетических уровнях, а элемент в возбужденном состоянии (изомер) живет иначе, чем в основном.
Но в данном случае речь идет о другом: кажется, что ядро находится в одном и том же состоянии, а время его жизни меняется радикально. Что же это за изомер? Оказывается, речь идет об изомерии формы. Ядро может иметь более компактную или более вытянутую (деформированную) форму, причем эти формы разделены потенциальными барьерами. В результате появляются два (или больше) устойчивых состояния, каждое из которых может спонтанно распадаться за разное время.
Для классической капельной модели это выглядит совершенно неожиданно. Представьте себе пипетку: капля жидкости либо держится на кончике, либо отрывается и падает. А здесь у ядра появляется промежуточная форма: оно словно задержалось на полпути, «задумалось», а потом продолжило делиться.
К концу 1960-х годов усилиями ученых разных стран была разработана современная модель ядра. Его по-прежнему рассматривают как каплю, но добавляют структурную часть.
В целом капельная модель неплохо описывает экспериментальные значения масс и энергий связи ядер: гладкая теоретическая кривая повторяет общий ход зависимости. Но если всмотреться в график более пристально, то видно: отдельные точки (эксперименты) выбиваются из сплошной линии, описывающей капельную модель. Возникают регулярные отклонения: для одних ядер энергия связи заметно выше, чем она предсказывает (они связаны сильнее), для других — немного ниже.
Сильно связанные состояния на графиках выглядят как «провалы» относительно гладкой капельной кривой. Особенно выделяются ядра ¹⁶O, ⁴⁰Ca и ⁴⁸Ca, а также ряда изотопов олова. Самое тяжелое из них — ядро свинца.
Если бы оболочечной структуры не было, свинец распался бы, но благодаря ей он остается стабильным элементом. Поэтому в таблице изотопов по мере увеличения массового числа можно проследить ряд стабильных ядер вплоть до свинца, а дальше — очень короткоживущие ядра со временем жизни до микро- и наносекунд.
Возникает вопрос: могут ли за сотым элементом существовать подобные, особо устойчивые конфигурации — в еще неизведанной области сверхтяжелых ядер?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно научиться количественно описывать отклонения от капельной модели и связать их с хорошо изученными спектроскопически ядрами, такими как ядра плутония, кюрия.
Константин Петржак
Магия чисел
Что такое устойчивость с точки зрения квантовой механики? У ядра есть система квантовых уровней — дискретных состояний, в которые оно может переходить при возбуждении или распаде. Если вблизи основного состояния доступно множество уровней, система легко «перескакивает» между ними. Если же ближайшие уровни лежат далеко, ядро с трудом находит пути распада. «Магическое» ядро — это ядро с «пустотой» вокруг основного уровня: ему просто некуда с легкостью перейти.
У дважды «магического» ²⁰⁸Pb первый низколежащий возбужденный уровень находится примерно на энергии 2,6 МэВ. У многих других тяжелых ядер в интервале от нуля до нескольких МэВ располагаются сотни уровней, на которых система может возбуждаться и распадаться, тогда как у свинца таких уровней намного меньше.
Эта «магичность», наличие замкнутых оболочек, стала по-настоящему понятной, когда удалось связать движение отдельного нуклона с коллективным движением всего ядра. За выяснение этой связи и построение теории структуры ядра на ее основе Ааге Бор, Бен Моттельсон и Джеймс Рейнвотер получили Нобелевскую премию по физике 1975 года. Это открыло путь к расчетам целых семейств ядер по всей таблице.
Был выделен набор «магических» чисел протонов и нейтронов, при которых соответствующая оболочка в ядре полностью заполнена, и ядро из-за этого становится необычно устойчивым. Классические «магические» числа: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Ядро называют «магическим», если таковыми являются либо Z (протоны), либо N (нейтроны); «дважды магическим», если и Z, и N — «магические».
Свинец имеет 82 протона и 126 нейтронов, поэтому относится к числу «дважды магических» ядер. После того как удалось хорошо описать свойства свинца, стало ясно: теоретические кривые энергий связи и экспериментальные точки великолепно совпали. Как любую закономерность, это можно экстраполировать в еще не исследованные области. Когда это сделали для тяжелых и сверхтяжелых ядер, оказалось: на теоретических кривых снова появляются выраженные минимумы. Первый из них приходится на область зарядового числа около Z≈108 и числа нейтронов N≈162, где ожидается деформированное, но аномально устойчивое ядро. Еще дальше, в районе Z≈114 и N≈184, расчеты предсказывают второй глубокий минимум — уже для почти сферического ядра, похожего на ²⁰⁸Pb: тот же «провал» устойчивости.
Что такое устойчивость с точки зрения квантовой механики? У ядра есть система квантовых уровней — дискретных состояний, в которые оно может переходить при возбуждении или распаде. Если вблизи основного состояния доступно множество уровней, система легко «перескакивает» между ними. Если же ближайшие уровни лежат далеко, ядро с трудом находит пути распада. «Магическое» ядро — это ядро с «пустотой» вокруг основного уровня: ему просто некуда с легкостью перейти.
У дважды «магического» ²⁰⁸Pb первый низколежащий возбужденный уровень находится примерно на энергии 2,6 МэВ. У многих других тяжелых ядер в интервале от нуля до нескольких МэВ располагаются сотни уровней, на которых система может возбуждаться и распадаться, тогда как у свинца таких уровней намного меньше.
Эта «магичность», наличие замкнутых оболочек, стала по-настоящему понятной, когда удалось связать движение отдельного нуклона с коллективным движением всего ядра. За выяснение этой связи и построение теории структуры ядра на ее основе Ааге Бор, Бен Моттельсон и Джеймс Рейнвотер получили Нобелевскую премию по физике 1975 года. Это открыло путь к расчетам целых семейств ядер по всей таблице.
Был выделен набор «магических» чисел протонов и нейтронов, при которых соответствующая оболочка в ядре полностью заполнена, и ядро из-за этого становится необычно устойчивым. Классические «магические» числа: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Ядро называют «магическим», если таковыми являются либо Z (протоны), либо N (нейтроны); «дважды магическим», если и Z, и N — «магические».
Свинец имеет 82 протона и 126 нейтронов, поэтому относится к числу «дважды магических» ядер. После того как удалось хорошо описать свойства свинца, стало ясно: теоретические кривые энергий связи и экспериментальные точки великолепно совпали. Как любую закономерность, это можно экстраполировать в еще не исследованные области. Когда это сделали для тяжелых и сверхтяжелых ядер, оказалось: на теоретических кривых снова появляются выраженные минимумы. Первый из них приходится на область зарядового числа около Z≈108 и числа нейтронов N≈162, где ожидается деформированное, но аномально устойчивое ядро. Еще дальше, в районе Z≈114 и N≈184, расчеты предсказывают второй глубокий минимум — уже для почти сферического ядра, похожего на ²⁰⁸Pb: тот же «провал» устойчивости.
Игорь Курчатов
Позднее расчеты уточнили. Вилен Струтинский и его коллеги предложили разделять энергию ядра на две части: макроскопическую (капля) и микроскопическую (структурная, оболочечная часть). Оболочки дополняют энергию связи осциллирующим вкладом; его можно изобразить отдельной кривой, то понижающей, то повышающей энергию относительно гладкой капельной линии.
Если сложить классический, «колоколообразный» капельный барьер деления с этой осциллирующей оболочечной поправкой, для урана и соседних ядер получаем двугорбый барьер: два максимума, разделенных вторым минимумом. Именно метод В. Струтинского дал возможность количественно объяснить существование такого барьера. Слева находится основное состояние, затем — локальный минимум на деформированной форме ядра, из которого возможно спонтанное деление ядра с коротким временем жизни.
Этот подход применим и к сверхтяжелому ядру: с точки зрения капли, барьер исчезает, но структурный, оболочечный вклад остается. Если сложить его с плавно меняющейся макроскопической энергией, снова появляется барьер — на этот раз обусловленный структурными эффектами. И он достаточно высок, чтобы подавлять деление.
Это значит, что могут существовать очень тяжелые ядра, несмотря на огромный заряд, живущие достаточно долго благодаря оболочечной структуре.
В результате получается красивая картина. «Материк стабильности» ядер тянется вплоть до свинца, затем обрывается. Чуть дальше расположен «полуостров стабильности» — уран и торий. За ним — «океан нестабильности». Раньше казалось, что он бескрайний. Но теперь мы знаем, что в нем нас ждут «острова»: один — в районе Z≈108, другой — в области Z≈114 и далее. И это не точки, а целые группы изотопов, живущих достаточно долго. Современные модели показывают: время жизни некоторых сверхтяжелых ядер может быть на многие порядки больше, чем у их ближайших соседей. В ряде расчетов для отдельных сочетаний Z и N получаются оценки, превышающие возраст Земли.
Если сложить классический, «колоколообразный» капельный барьер деления с этой осциллирующей оболочечной поправкой, для урана и соседних ядер получаем двугорбый барьер: два максимума, разделенных вторым минимумом. Именно метод В. Струтинского дал возможность количественно объяснить существование такого барьера. Слева находится основное состояние, затем — локальный минимум на деформированной форме ядра, из которого возможно спонтанное деление ядра с коротким временем жизни.
Этот подход применим и к сверхтяжелому ядру: с точки зрения капли, барьер исчезает, но структурный, оболочечный вклад остается. Если сложить его с плавно меняющейся макроскопической энергией, снова появляется барьер — на этот раз обусловленный структурными эффектами. И он достаточно высок, чтобы подавлять деление.
Это значит, что могут существовать очень тяжелые ядра, несмотря на огромный заряд, живущие достаточно долго благодаря оболочечной структуре.
В результате получается красивая картина. «Материк стабильности» ядер тянется вплоть до свинца, затем обрывается. Чуть дальше расположен «полуостров стабильности» — уран и торий. За ним — «океан нестабильности». Раньше казалось, что он бескрайний. Но теперь мы знаем, что в нем нас ждут «острова»: один — в районе Z≈108, другой — в области Z≈114 и далее. И это не точки, а целые группы изотопов, живущих достаточно долго. Современные модели показывают: время жизни некоторых сверхтяжелых ядер может быть на многие порядки больше, чем у их ближайших соседей. В ряде расчетов для отдельных сочетаний Z и N получаются оценки, превышающие возраст Земли.
Вилен Струтинский
Доплыть до «острова стабильности»
Когда в конце 1960-х годов идея «острова стабильности» была оформлена в расчетах, во всем мире начался настоящий бум поиска новых сверхтяжелых элементов. Г. Флеров со своей группой в Дубне искал их как в природных образцах, так и в продуктах ядерных реакций: ученые пытались что-то синтезировать, строили новые установки, совершенствовали методики.
К сожалению, ни одна из многочисленных попыток обнаружить сверхтяжелые элементы в природе не увенчалась успехом. Не получалось и синтезировать их в лабораториях.
Стало ясно: нужен новый «корабль» (ядерная реакция), способный доплыть через «океан нестабильности» к заветному «острову стабильности». Раньше все «корабли» тонули, не доплыв до него. Какие же это были корабли?
«Корабли под флагом нейтронов» — это реакторы и ядерные взрывы. Они добавляют к ядру урана новые нейтроны, доводя его до массы 257 — а нам нужно порядка 300.
Еще один неудачный «корабль» — столкновения с легкими ионами. Они позволяли доплыть только до середины пути — до тяжелых актинидов, но не до самого «острова стабильности».
Очень тяжелые ионы, наоборот, приводят к так называемым холодным реакциям синтеза: получаются изотопы, у которых не хватает нейтронов, и они распадаются слишком быстро.
Чтобы «высадиться на остров», нужно существенно больше нейтронов. Но откуда их взять? Сталкивают два ядра с заранее заданными числами протонов и нейтронов — третьего варианта нет. Значит, надо подбирать такие комбинации мишени и снаряда, которые уже имеют избыток нейтронов. Это непросто: подходящую мишень нужно получить в реакторе путем последовательных захватов нейтронов. Тогда она станет нейтроноизбыточной.
Когда в конце 1960-х годов идея «острова стабильности» была оформлена в расчетах, во всем мире начался настоящий бум поиска новых сверхтяжелых элементов. Г. Флеров со своей группой в Дубне искал их как в природных образцах, так и в продуктах ядерных реакций: ученые пытались что-то синтезировать, строили новые установки, совершенствовали методики.
К сожалению, ни одна из многочисленных попыток обнаружить сверхтяжелые элементы в природе не увенчалась успехом. Не получалось и синтезировать их в лабораториях.
Стало ясно: нужен новый «корабль» (ядерная реакция), способный доплыть через «океан нестабильности» к заветному «острову стабильности». Раньше все «корабли» тонули, не доплыв до него. Какие же это были корабли?
«Корабли под флагом нейтронов» — это реакторы и ядерные взрывы. Они добавляют к ядру урана новые нейтроны, доводя его до массы 257 — а нам нужно порядка 300.
Еще один неудачный «корабль» — столкновения с легкими ионами. Они позволяли доплыть только до середины пути — до тяжелых актинидов, но не до самого «острова стабильности».
Очень тяжелые ионы, наоборот, приводят к так называемым холодным реакциям синтеза: получаются изотопы, у которых не хватает нейтронов, и они распадаются слишком быстро.
Чтобы «высадиться на остров», нужно существенно больше нейтронов. Но откуда их взять? Сталкивают два ядра с заранее заданными числами протонов и нейтронов — третьего варианта нет. Значит, надо подбирать такие комбинации мишени и снаряда, которые уже имеют избыток нейтронов. Это непросто: подходящую мишень нужно получить в реакторе путем последовательных захватов нейтронов. Тогда она станет нейтроноизбыточной.
Детектировать и наблюдать распад
В качестве мишени выбрали плутоний, причем не ²³⁹Pu, а более тяжелый изотоп ²⁴⁴Pu, содержащий на пять нейтронов больше. Мишени нарабатывались на двух реакторах: российском в Димитровграде и американском в Окридже. После года облучения мишени в горячих камерах перерабатывали: выделенный ²⁴⁴Pu наносили тонким слоем на металлическую подложку. Мишени делали вращающимися, чтобы распределить тепловую и радиационную нагрузку по кругу.
На роль бомбардирующей частицы предложили ⁴⁸Ca. Кальция на Земле много, но в природе он обычно представлен изотопом ⁴⁰Ca. ⁴⁸Ca встречается с естественной долей всего около 0,19%, поэтому он крайне дорог: 1 грамм такого изотопа стоит десятки тысяч долларов.
Итак, предстояло выделить и обогатить ⁴⁸Ca, затем ускорить его примерно до 0,1 скорости света и облучать им мишень.
Ядра кальция и плутония сталкиваются и сливаются, образуя новое ядро массой порядка 292. Но это ядро нагрето, оно должно еще «выжить», то есть успеть охладиться. Охлаждение идет за счет испускания нейтронов и гамма-квантов; при этом часть потенциально годных событий теряется, но оставшиеся ядра благодаря импульсу отдачи вылетают вперед.
Пучок выбивает из мишени разные фрагменты; часть первичного пучка проходит ее насквозь. Все это попадает в камеру сепаратора, заполненную водородом при давлении 0,0001 атмосферы.
В таких условиях быстрые тяжелые ионы теряют электроны и приобретают более высокие заряды, а медленные — меньшие заряды. Быстрые частицы летят дальше; самые тяжелые остаточные ядра взаимодействуют с газом сильнее и эффективнее отделяются от фона. Магнитное поле в комбинации с газом обеспечивает разделение ядер по массам и зарядам. В результате все самые тяжелые продукты реакции фокусируются в фокальной плоскости, расположенной примерно в четырех метрах от мишени.
Если среди этих тяжелых ядер есть новый сверхтяжелый элемент и время его полураспада дольше одной микросекунды, можно его зарегистрировать. Если меньше — он распадется еще по пути к детектору и останется незамеченным.
Около 50 самых тяжелых фрагментов попадают сначала в систему «старт-стоп», где измеряется их скорость, а затем — во фронтальный кремниевый детектор, установленный на хвосте фокальной плоскости. Там они останавливаются. Таким образом, каждый прилетевший тяжелый ион дает тройку данных: свою скорость и координаты места своей остановки по осям X и Y.
Следующая задача — наблюдать распад иона. Чтобы зарегистрировать всё, что вылетит при распаде, фронтальный детектор окружен «коробкой» из дополнительных детекторов, которые ловят альфа-частицы и осколки спонтанного деления.
Ключевое условие отбора событий: все частицы распада должны приходить в координаты X и Y, соответствующие исходному имплантированному ядру. Если такое событие произошло, система дает сигнал, автоматически отключает пучок — и мы наблюдаем распад сверхтяжелого ядра.
Важно, чтобы это ядро не распалось сразу (не произошло спонтанное деление). Идеальный вариант — когда оно проходит цепочку последовательных альфа-распадов. Именно такая красивая картинка покажет, что мы сошли с «острова стабильности» и погрузились в «море нестабильности».
Беря разные мишени — уран, плутоний, америций, кюрий, и другие актиниды — и облучая их ионами ⁴⁸Ca, можно реализовать целый ряд семейств распадов, начинающихся от ядер с зарядовыми числами 112−118. В сумме в этой области сегодня — более 50 ядер сверхтяжелых элементов.
В качестве мишени выбрали плутоний, причем не ²³⁹Pu, а более тяжелый изотоп ²⁴⁴Pu, содержащий на пять нейтронов больше. Мишени нарабатывались на двух реакторах: российском в Димитровграде и американском в Окридже. После года облучения мишени в горячих камерах перерабатывали: выделенный ²⁴⁴Pu наносили тонким слоем на металлическую подложку. Мишени делали вращающимися, чтобы распределить тепловую и радиационную нагрузку по кругу.
На роль бомбардирующей частицы предложили ⁴⁸Ca. Кальция на Земле много, но в природе он обычно представлен изотопом ⁴⁰Ca. ⁴⁸Ca встречается с естественной долей всего около 0,19%, поэтому он крайне дорог: 1 грамм такого изотопа стоит десятки тысяч долларов.
Итак, предстояло выделить и обогатить ⁴⁸Ca, затем ускорить его примерно до 0,1 скорости света и облучать им мишень.
Ядра кальция и плутония сталкиваются и сливаются, образуя новое ядро массой порядка 292. Но это ядро нагрето, оно должно еще «выжить», то есть успеть охладиться. Охлаждение идет за счет испускания нейтронов и гамма-квантов; при этом часть потенциально годных событий теряется, но оставшиеся ядра благодаря импульсу отдачи вылетают вперед.
Пучок выбивает из мишени разные фрагменты; часть первичного пучка проходит ее насквозь. Все это попадает в камеру сепаратора, заполненную водородом при давлении 0,0001 атмосферы.
В таких условиях быстрые тяжелые ионы теряют электроны и приобретают более высокие заряды, а медленные — меньшие заряды. Быстрые частицы летят дальше; самые тяжелые остаточные ядра взаимодействуют с газом сильнее и эффективнее отделяются от фона. Магнитное поле в комбинации с газом обеспечивает разделение ядер по массам и зарядам. В результате все самые тяжелые продукты реакции фокусируются в фокальной плоскости, расположенной примерно в четырех метрах от мишени.
Если среди этих тяжелых ядер есть новый сверхтяжелый элемент и время его полураспада дольше одной микросекунды, можно его зарегистрировать. Если меньше — он распадется еще по пути к детектору и останется незамеченным.
Около 50 самых тяжелых фрагментов попадают сначала в систему «старт-стоп», где измеряется их скорость, а затем — во фронтальный кремниевый детектор, установленный на хвосте фокальной плоскости. Там они останавливаются. Таким образом, каждый прилетевший тяжелый ион дает тройку данных: свою скорость и координаты места своей остановки по осям X и Y.
Следующая задача — наблюдать распад иона. Чтобы зарегистрировать всё, что вылетит при распаде, фронтальный детектор окружен «коробкой» из дополнительных детекторов, которые ловят альфа-частицы и осколки спонтанного деления.
Ключевое условие отбора событий: все частицы распада должны приходить в координаты X и Y, соответствующие исходному имплантированному ядру. Если такое событие произошло, система дает сигнал, автоматически отключает пучок — и мы наблюдаем распад сверхтяжелого ядра.
Важно, чтобы это ядро не распалось сразу (не произошло спонтанное деление). Идеальный вариант — когда оно проходит цепочку последовательных альфа-распадов. Именно такая красивая картинка покажет, что мы сошли с «острова стабильности» и погрузились в «море нестабильности».
Беря разные мишени — уран, плутоний, америций, кюрий, и другие актиниды — и облучая их ионами ⁴⁸Ca, можно реализовать целый ряд семейств распадов, начинающихся от ядер с зарядовыми числами 112−118. В сумме в этой области сегодня — более 50 ядер сверхтяжелых элементов.
Что дальше?
Конец таблицы изотопов, раньше представлявшийся почти пустым, сегодня выглядит иначе: часть предсказанных точек достигнута, и на «острове стабильности» появились новые химические элементы.
Когда Юрий Цолакович только начинал работу, самым тяжелым известным элементом был 102-й, с массовым числом 254. За прошедшие с того времени годы удалось синтезировать ядро с массовым числом 294, причем это было сделано дважды в виде изотопов элементов с атомными номерами 118 и 117. В первом случае время жизни изотопа составило около 0,7 миллисекунды, во втором — около 50 миллисекунд. Для микромира это гигантские цифры. Отсюда вывод: могут существовать и еще более тяжелые, более устойчивые ядра с атомными номерами больше 120 и массами свыше 300.
Ученые пока не добрались до предполагаемой «вершины» острова — области максимально устойчивых сверхтяжелых ядер, — однако уже виден резкий подъем времени жизни некоторых ядер по сравнению с соседними нуклидами: примерно на 10−12 порядков.
«Еще в 2012 году я понял: для того чтобы проводить эксперименты по синтезу сверхтяжелых элементов, нужна настоящая „фабрика“, производящая редкие ядра в большом количестве. В 2017 году начались работы по созданию „Фабрики сверхтяжелых элементов“ в Дубне. В 2020 году наш ускоритель ДЦ-280 был введен в эксплуатацию. Он позволяет получать порядка 10 атомов нужных сверхтяжелых ядер в сутки. Сейчас этот ускоритель мощнее всех установок-конкурентов, — отмечает Ю. Оганесян и завершает свою лекцию так: — Я хотел бы показать вам фотографию Дмитрия Ивановича Менделеева. Каждый раз, глядя на это лицо, я думаю: мог ли он предположить, что его Периодическая система распахнет нам ворота в удивительный микромир? И сколько еще открытий в этой области нас ждет»?
Конец таблицы изотопов, раньше представлявшийся почти пустым, сегодня выглядит иначе: часть предсказанных точек достигнута, и на «острове стабильности» появились новые химические элементы.
Когда Юрий Цолакович только начинал работу, самым тяжелым известным элементом был 102-й, с массовым числом 254. За прошедшие с того времени годы удалось синтезировать ядро с массовым числом 294, причем это было сделано дважды в виде изотопов элементов с атомными номерами 118 и 117. В первом случае время жизни изотопа составило около 0,7 миллисекунды, во втором — около 50 миллисекунд. Для микромира это гигантские цифры. Отсюда вывод: могут существовать и еще более тяжелые, более устойчивые ядра с атомными номерами больше 120 и массами свыше 300.
Ученые пока не добрались до предполагаемой «вершины» острова — области максимально устойчивых сверхтяжелых ядер, — однако уже виден резкий подъем времени жизни некоторых ядер по сравнению с соседними нуклидами: примерно на 10−12 порядков.
«Еще в 2012 году я понял: для того чтобы проводить эксперименты по синтезу сверхтяжелых элементов, нужна настоящая „фабрика“, производящая редкие ядра в большом количестве. В 2017 году начались работы по созданию „Фабрики сверхтяжелых элементов“ в Дубне. В 2020 году наш ускоритель ДЦ-280 был введен в эксплуатацию. Он позволяет получать порядка 10 атомов нужных сверхтяжелых ядер в сутки. Сейчас этот ускоритель мощнее всех установок-конкурентов, — отмечает Ю. Оганесян и завершает свою лекцию так: — Я хотел бы показать вам фотографию Дмитрия Ивановича Менделеева. Каждый раз, глядя на это лицо, я думаю: мог ли он предположить, что его Периодическая система распахнет нам ворота в удивительный микромир? И сколько еще открытий в этой области нас ждет»?
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ