Сверхтяжелые шаги в неизвестное

Таблица Менделеева, которой в этом году исполнилось 150 лет, последний раз менялась в 2016 году, когда в нее добавили сразу четыре новых элемента — нихоний (113), московий (115), теннессин (117) и оганессон (118). Но последний из них, 117-й элемент, названный в честь штата Теннесси, был синтезирован почти десять лет назад, в конце 2009 года. С тех пор синтезировать ядра новых элементов физикам не удавалось, хотя попытки были. В понедельник, 25 марта, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне официально запущен ускоритель ДЦ-280, который являлся сердцем «фабрики сверхтяжелых элементов». Редакция N + 1 решила разобраться, чего ждать от новой установки, закончится ли таблица Менделеева на 118-й клетке и смогут ли физики найти новых обитателей «острова стабильности».

«Сколь-нибудь строгих ядерных теорий вообще не существует, нам приходится опираться на эмпирику. Мы знаем, что происходит в одной реакции слияния ядер, и можем это как-то экстраполировать на близкие области, но точно предсказать результат того или иного эксперимента мы пока не можем», — объясняет Андрей Попеко, заместитель директора Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Он знает, о чем говорит: Попеко участвовал почти во всех экспериментах по синтезу новых элементов за последние десятилетия.

Элементы тяжелее урана (атомный номер 92) не встречаются в природе, но их можно нарабатывать в ядерных реакторах. Однако для получения элементов тяжелее 100-го (фермий) реакторы уже не подходят, нужны ускорители, где сверхтяжелые ядра получаются в результате столкновений ядра-«снаряда» и ядра-«мишени».

В первом приближении эта задача кажется очень простой: нужно взять два атома, у которых число протонов в сумме равно числу протонов в ядре нового элемента, столкнуть их с помощью ускорителя и получить атом желаемого элемента. Однако на практике все намного сложнее: на то, чтобы подобрать снаряд и мишень, способные слиться и породить ядро нового элемента, уходят годы.

Читатели могут составить себе приблизительное представление о масштабах этой работы, познакомившись с нашей игрой «Алхимии отцовой пережитки» — она наглядно демонстрирует, насколько сложно подобрать результативную пару.

Чтобы понять, почему все-таки сложно, попробуем разобраться в причинах нестабильности атомов.

Непредсказуемая нестабильность

Если мы представим себе, что ядро атома представляет собой точечный положительный заряд, то законы квантовой механики допускают существование атомов с атомными номерами до 137-го, а если мы учтем, что ядро имеет ненулевой размер, то граница окажется еще дальше — где-то на уровне 174–176. Однако реальные границы существования атомов находятся гораздо ближе — из-за нестабильности самих ядер.

Их стабильность определяется максимальным числом протонов и нейтронов, при котором энергия связи ядра остается положительной. Разная энергия связи означает разный срок существования атома. Поскольку процесс распада атомных ядер вероятностный и никто не может предсказать, в какой момент распадется то или иное ядро, то обычно, когда хотят измерить срок жизни изотопа, говорят о периоде полураспада — то есть о сроке, за который распадется половина имеющихся ядер.

Последний «почти» стабильный элемент — висмут-209, чей период полураспада немного превышает 10¹⁹ лет, с ядром, которое состоит из 83 протонов и 126 нейтронов. За висмутом следуют нестабильные элементы — полоний, астат, радон, чьи периоды полураспада варьируются от дней до микросекунд. За ними уровень стабильности ядер начинает расти: у тория и урана период полураспада составляет 10¹⁰ и 10⁹ лет, и эти элементы в значительном количестве присутствуют в земной коре.

Для трансурановых элементов уровень стабильности начинает быстро падать: добавление 10 протонов в ядро урана, то есть переход от атомного номера 92 к 102 (нобелий), сокращает период полураспада в 10¹⁶ раз. В этом случае речь идет о так называемом альфа-распаде, когда ядро спонтанно испускает альфа-частицу — ядро гелия — и превращается в ядро элемента с атомным номером на две единицы меньше. Однако есть и второй способ распада, при котором ядро спонтанно делится на два сравнимых по массе «осколка», — спонтанное деление. И его вероятность растет еще быстрее, здесь различия между ураном и нобелием достигают 23 порядков. Пределы существования тяжелых ядер ставит вероятность именно этого типа распада.

Еще Нильс Бор подсчитал, что потенциальный барьер для спонтанного распада ядра урана составляет 6 мегаэлектронвольт — то есть столько энергии надо «закачать» в ядро, чтобы оно распалось на два осколка. В случае с более тяжелыми элементами, например с калифорнием-252, высота барьера оказывается уже 4 мегаэлектронвольта.

Капельная модель ядра атома предсказывала, что начиная с 100-го элемента барьер для спонтанного распада становится нулевым. То есть если такое ядро все же сформируется, то тут же распадется на обломки — за период около 10^-19 секунды. Когда появились ядерные реакторы и в них были синтезированы первые искусственные элементы, эта теория казалась подтвержденной — элементы тяжелее фермия получить не удавалось даже в термоядерных взрывах.

Однако в 1962 году в экспериментах в Дубне был зафиксирован странный факт: ядра хорошо изученного америция-242, делящегося спонтанно с периодом полураспада 10¹⁴ лет, распадались с двумя принципиально разными периодами — один уже известный (10¹⁴ лет), а другой — 0,014 секунды.

Позже подобного рода «двойные» сроки распада были обнаружены у 31 типа ядер элементов с номерами от 92 до 97. Ученые пришли к выводу, что эти сроки соответствуют двум принципиально разным состояниям ядер — основному и изомерному, то есть структура одного и того же ядра может различаться настолько, что периоды их полураспада могут различаться на много порядков. Это никак не соответствовало капельной модели.

Кроме того, было обнаружено, что особой стабильностью отличаются ядра с определенными — «магическими» — числами протонов и нейтронов.

Магический путь к острову стабильности

Советский физик Дмитрий Иваненко в 1930-х годах впервые дал объяснение этой «магии»: он предположил, что атомные ядра состоят из множества составленных из нейтронов и протонов оболочек (напоминающих электронные оболочки атома).

В 1949 году эту теорию развили Мария Гёпперт-Майер и Йоханнес Йенсен, за что им впоследствии была присуждена Нобелевская премия. Магические числа нейтронов и протонов соответствуют полностью заполненным оболочкам, и такие ядра отличаются большей стабильностью по сравнению со своими «соседями» с незаполненными оболочками.

Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особенно устойчивыми оказываются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, ядра кислорода-16 или свинца-208.

Строго говоря, «магические» ядра не всегда оказываются настолько стабильными, как ожидалось. Например, в некоторых экспериментах ученые наблюдали, что «магичность» чисел Z = 20 и N = 28 исчезает и они заменяются числами Z = 14, 16 и N = 32, 34 соответственно. Поэтому для подтверждения «магии» приходится проводить эксперименты. Например, в 2017 году физикам удалось доказать двойную «магичность» никеля-78, а в декабре 2018 года в ЦЕРНе была подтверждена двойная «магичность» олова-132.

Однако в 1966 году оболочечная теория позволила ученым из ОИЯИ в Дубне сделать крайне интригующее предсказание: о возможности существования сверхтяжелых ядер с достаточно длительным периодом полураспада — островом стабильности. Согласно расчетам, в центре острова стабильности должен был находиться изотоп 114-го элемента, содержащий 184 нейтрона.

Несмотря на то, что барьер 100-го элемента был успешно пройден (напомним, прежняя теория предсказывала, что все ядра тяжелее фермия не будут существовать дольше 10^-19 секунд) и таблица Менделеева была расширена еще на 18 клеток, ученые не берутся точно предсказать, когда можно ожидать следующих шагов и в какой реакции получится синтезировать новые элементы — на этом пути множество сложностей, от непредсказуемой физики до до влияния экономических и политических факторов.

Бьем аккуратно

Получить новое ядро, сталкивая два других, — крайне непростая задача. «Снаряд» и «мишень» должны слиться воедино, а для этого им надо подойти друг к другу достаточно близко, чтобы «включилось» сильное ядерное взаимодействие.

«Ядерные силы — короткодействующие. В отличие от кулоновских, они почти не выпячиваются за пределы ядра. Радиус их действия — около 10^-13 сантиметров. Чтобы включились ядерные силы, нужно, чтобы ядра смогли преодолеть кулоновское отталкивание. Для этого «снаряд» необходимо разогнать примерно до 10 процентов скорости света, но ни в коем случае не больше, потому что большая энергия, «закачанная» в ядро, приведет к его распаду, и мы ничего не получим, кроме осколков», — объясняет Попеко.

Кроме того, ядро может просто не успеть сформироваться, как произойдет распад — это то, что ученые называют квазиделением.

«При столкновении снаряд начинает проникать в мишень, и в зоне контакта образуется нагретая область. Что будет с этой нагретой областью, сказать очень непросто, потому что классическое приближение не работает, это квантово-механические процессы: как распределяется энергия между частицами, как они возбуждаются, как они переселяются по оболочкам. Начинается перестройка оболочечной структуры, при этом действуют и кулоновские силы. И в какой-то момент они могут пересилить этот процесс, и система, не успев образовать единство, развалится», — объясняет ученый.

По его словам, квазиделение происходит примерно через 10^-20 секунд во время столкновения. Если ядро выдержало первый удар, происходит полное слияние, энергия перераспределяется и возникает энергетическое равновесие — тогда говорят, что образовалось составное ядро, или компаунд-ядро, и оно уже может жить 10^-18 секунды или дольше.

Успех синтеза во многом зависит от количества нейтронов в ядре. Чем больше нейтронов в тяжелом ядре, тем оно стабильнее. Например, у самого долгоживущего изотопа фермия, фермия-257, который «живет» примерно год, 100 протонов и 157 нейтронов. Много протонов дают сильное кулоновское расталкивание, и чтобы его «уравновесить», нужно больше электрически нейтральных частиц.

Поэтому, объясняет Попеко, нужно брать как можно более тяжелую бомбардирующую частицу, и более тяжелую мишень, обогащенную нейтронами. Легкие «снаряды», где заведомо мало нейтронов, в этом случае — не очень удачный выбор.

«Например, для синтеза 114-го элемента в качестве снаряда берут кальций-48 и самый тяжелый изотоп плутония — 244-й — в качестве мишени. Тогда вы получаете максимально нейтронно-обогащенный 114-й. И то же самое с кюрием-248: если вам нужен 118-й элемент, то доступен калифорний-249», — говорит ученый.

Хороший снаряд — настоящее сокровище. Все элементы со 112-го по 118-й были синтезированы в реакциях с обогащенным нейтронами кальцием-48, ядрами которого бомбардировали мишень из тяжелых элементов — изотопов урана, нептуния, плутония, америция, кюрия, берклия и калифорния.

Более 96 процентов природного кальция приходится на изотоп кальций-40, на долю тяжелого кальция-48 приходится всего 0,18 процента, и получить его в достаточных количествах непросто. Однако физики научились получать достаточно эффективные пучки из этих снарядов, что позволило расширить таблицу Менделеева до 118-й клетки.

Но сейчас возможности этой «волшебной пули» уже исчерпаны — для движения к 119 и 120 элементу для кальция-48 не удается подобрать мишень, поскольку нужные для этого элементы не удается получить в достаточных количествах. Требуются новые, более тяжелые снаряды.

Чем хороша новая машина

Установки для синтеза сверхтяжелых элементов — не коллайдеры физиков высоких энергий, для них не требуются фантастические скорости и энергии частиц, намного важнее точность и интенсивность пучка.

Все «российские» элементы ученые ОИЯИ синтезировали на циклотроне У-400, запущенном еще в советские времена. На этом циклотроне разгоняются снаряды (например, ионы кальция-48), которые затем бьют в мишень — быстро вращающееся колесо с секторами из титановой фольги с нанесенными на нее миллиграммовыми количествами вещества-мишени. Выбитые из мишени ядра попадают в газонаполненный сепаратор.

«Он заполнен гелием или водородом под давлением примерно 1 миллиметр ртутного столба, здесь легкие и быстрые частицы сталкиваются с атомами и теряют или приобретают электроны. Процесс этого взаимодействия для легких и тяжелых частиц разный, и их можно разделить магнитным полем», — объясняет Попеко.

По его словам, магнитное поле «заворачивает» легкие частицы, например ионы кальция, в болванку-стоппер, а тяжелые ядра летят дальше и попадают в детектор, где и фиксируется рождение нового элемента.

Главное преимущество «фабрики сверхтяжелых элементов» (так физики из Дубны называют новый ускорительный комплекс) — высокая интенсивность пучка. Как ожидается, она составит от 5 до 10 микроампер — поскольку речь идет о потоке заряженных частиц, интенсивность пучка измеряется в тех же единицах, что и сила тока. Это примерно в 10 раз больше, чем интенсивность пучка на У-400, где ток составлял примерно 1 микроампер.

Рост интенсивности увеличивает «объем производства» сверхтяжелых ядер: чем больше «снарядов» бьет по мишени в единицу времени, тем выше вероятность их рождения. Кроме того, более интенсивный пучок позволяет использовать более толстую мишень, а значит, более высока вероятность рождения новых ядер.

К настоящему времени ученые уже провели на ДЦ-280 серию экспериментов с разгоном ионов (использовались ионы аргона и криптона) и получили интенсивность на выходе из ускорителя до 50 микроампер.

Кроме того, на «фабрике» установлен новый газонаполненный сепаратор, который отсеивает ненужные ядра, а нужные будет доставлять к детекторам примерно в 3 раза эффективнее, чем старый, за счет более совершенной конструкции. Благодаря нововведениям фоновые продукты будут лучше уходить, а нужные ядра — лучше собираться.

Следующий шаг

Эксперименты по синтезу следующих элементов таблицы Менделеева — за пределами 118-го — проводились уже не раз.

В частности, в 2008 году физики из ОИЯИ пробовали получить 120-й элемент в реакции слияния плутония-244 и железа-58, но этот эксперимент результата не дал. В 2016 году Хоффман и его коллеги описали результаты экспериментов с реакцией хрома-54 и кюрия-248. Однако и тогда синтезировать 120-й элемент не удалось — не было обнаружено достоверных событий, подтверждающих синтез нового элемента и цепочку его последовательных распадов.

По словам Попеко, эксперименты на ДЦ-280 начнутся с повторения пройденного. Сначала ученые попытаются провести хорошо изученную на ускорителе У-400 реакцию америция-243 и кальция-48 и синтезировать 115-й элемент — московий, чтобы проверить все характеристики новой установки. И только после этого можно попытаться начать синтез 119-го и 120-го элементов.

Для синтеза 119 элемента предполагается использовать реакцию титана-50 и берклия-249. Здесь, по словам Попеко, потребуется решить много непростых задач. «До сих пор никому не удавалось получить хороший — то есть с высокой интенсивностью — пучок ионов титана-50. Мы отрабатываем эту методику совместно с французскими коллегами», — пояснил он.

Непросто и с мишенью: берклий-249 с периодом полураспада 320 дней можно синтезировать из кюрия-248 на специализированных реакторах — например, на реакторе HFIR в США или СМ-3 в российском НИИ атомных реакторов в Димитровграде.

«Если не будет политических осложнений, то мы можем получить часть берклия из США, часть из Димитровграда», — говорит ученый. Первые эксперименты такого рода могут быть начаты до конца 2019 года, полагает он.

И уже на следующем этапе можно начинать синтез 120 элемента в реакции титана-50 и наиболее тяжелого изотопа калифорния-251.

Екатерина Жданова