/ Москва

Шесть атомов как залог стабильности

Синтез нового химического элемента всегда сенсация. Унунсептий, полученный российскими физиками, сообщает важные факты о большом и о малом мире. В большом мире: российская наука еще в состоянии получать выдающиеся результаты. В мире атомов: читайте текст!

Иллюстрация: Corbis/Fotosa.ru
Иллюстрация: Corbis/Fotosa.ru
+T -
Поделиться:

В Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне синтезировали унунсептий, сто семнадцатый химический элемент. Изотоп, который получился у ученых, — самый тяжелый атом из известных: в нем сто семнадцать протонов и целых сто семьдесят семь нейтронов. Что любопытно, атом-рекордсмен имеет предпоследний номер. Казалось бы, тяжелые элементы должны открывать по очереди — сначала сотый, потом сто первый и т. д. Чем больше заряд ядра (а также — номер в таблице и, что то же самое, число протонов в ядре), тем сложнее такое ядро сконструировать. Однако все не так просто. Сто восемнадцатый элемент, который бедней нейтронами и потому чуть легче, открыли раньше сто семнадцатого. Дыра между сто шестнадцатым и сто восемнадцатым мозолила глаз ядерщикам целых восемь лет, и вот ее наконец залатали. Теперь таблица Менделеева выглядит как никогда аккуратно — в ней ровно семь полных рядов, без единой пустой клетки. Школьные учителя с тягой к прекрасному должны порадоваться.

Физики из дубнинского ОИЯИ пришли на первую пресс-конференцию с пустыми руками — ни колбы, где плескалась бы загадочная жидкость, ни бруска невиданного металла. Потому что в эксперименте получилось всего шесть атомов, которые к тому же распались за доли секунды (в разговоре с журналистами академик Оганесян, научный руководитель ОИЯИ, не сдержался и воскликнул: «Но ведь когда-нибудь будет не шесть атомов, а шестьдесят!»). Даже слово «синтезировали» стоит понимать по-особому — новый элемент образовался во время бомбардировки ядрами кальция-48 мишени из элемента берклия.

Мишень — главный герой процесса, благодаря которому вся история начинает напоминать плохой детектив. Тут и радиоактивная капсула в пассажирском «Боинге», и звонки политиков силовикам, и борьба демократов с республиканцами. Двадцать два миллиграмма берклия, из которых мишень сделана, почти год готовили в Национальной лаборатории Оак-Риджа — поэтому ее сотрудники по праву числятся соавторами работы. По словам Оганесяна, в Оак-Ридже жаловались на застой в сотрудничестве, вызванный бушевскими антитеррористическими мерами, и после прихода Обамы согласились помочь бескорыстно — в обмен, разумеется, на соавторство. Надо думать, результат того стоил. В Россию берклий везли пассажирским самолетом (физики признаются, что, даже когда все бумаги были подписаны, отдельной проблемой было уговорить пилота — тот, надо полагать, по пути не раз вспомнил историю с Литвиненко и полонием). Прежде чем с мишенью столкнулись первые ядра, сама мишень столкнулась с российской таможней — и чуть было не отправилась обратно. Период полураспада у берклия-249 — 330 дней, и общение с чиновниками угрожало съесть заметную долю этого срока. Помогло только вмешательство политиков, имена которых физики назвать не решились.

Законный вопрос — ради чего столько усилий? Даже название «унунсептий» — временное: если переводить с латыни, выйдет 1-1-7 — принцип ясен, так первое время называют все свежеоткрытые элементы. Еще лет десять IUPAC, Международный союз чистой и прикладной химии, будет сверять бумаги и уточнять приоритеты, а потом элементу дадут настоящее имя. Пока «сто семнадцатый элемент» звучит как «сто семнадцатый километр» — вроде как очередной безымянный полустанок на пути ядерной физики. Безымянность сильно портит атомам биографию: со стороны кажется, что с шестидесятых физики производят много шума из ничего — считанные атомы радиоактивных элементов, не существующих на Земле, с ничтожным временем жизни. Такое не насыплешь в пробирку и не заложишь в бомбу.

Академика Юрия Оганесяна каждый раз спрашивают — если искусственных атомов все равно мало, какой в них толк? Чем, похоже, сильно выводят из себя. Логика академика проста. Во-первых, эти атомы ничем не хуже естественных и в газово-пылевом облаке, из которого возникла Земля, присутствовали наравне с прочими. Просто со сверхтяжелыми элементами — как с динозаврами. Их подвел срок жизни: в природе мы наблюдаем только те девяносто два элемента (от водорода до урана), которые за четыре с половиной миллиарда лет существования планеты не успели распасться. Однако шансы выкопать новые элементы из-под земли все равно есть. По расчетам, где-то в районе сто двадцатого элемента находится «остров стабильности» — неизвестные нам элементы, способные жить гораздо дольше, чем унунсептий и его соседи по таблице. Не исключено, что эти долгожители прячутся где-то в толще земной коры — поэтому специальные детекторы под Альпами дежурят в ожидании первых признаков их распада.

Синтез нестабильного сто семнадцатого элемента — тоже попытка подобраться к «острову стабильности». Такие элементы, находясь в таблице неподалеку от «острова», подсказывают, что именно на этом острове искать и каких свойств ждать от следующих клеток таблицы. На унунсептии и его родственниках обкатывают универсальные модели атомного ядра — от «капельной», в которой протоны и нейтроны сравнивают с молекулами жидкости, до «оболочечных», где ядро уподобляют многослойной луковице, только квантовой. Как объяснил мне вице-директор ОИЯИ Михаил Иткис, такие модели — что вовсе неожиданно — не хуже, чем ядра, должны описывать нейтронные звезды, сверхплотные остатки от взрыва сверхновых. Каждая такая звезда — это, по сути, одно гигантское атомное ядро с большим избытком нейтронов. Вроде ядра сто семнадцатого элемента, раздутого до неузнаваемости.

Будем считать, что это наш ответ Большому адронному коллайдеру. Там — микроскопические черные дыры, тут — микроскопические нейтронные звезды. Звучит, по крайней мере, чуть убедительней, чем сто семнадцатый элемент.

Комментировать Всего 15 комментариев

Мне рассказывали в конце советских времен, когда открыли очередной такой тяжелый атом, жены этих физиков-первооткрывателей, предложили свое название новому элементу: НЕНАВИДИМ.

Я читал, что международное признание подобных открытий предполагает повторение результата в нескольких лабораториях.

Эту реплику поддерживают: Борислав Козловский

Да, и для этого будет нужен еще и еще берклий. Но даже как первый результат - это сообщение конечно же требует шампанского.

А на основе каких соображений предполагается, что ядра в "островке стабильности" будут более стабильны? 

Это расчеты, модели - давай спросим у Игоря Москаленко? он же ядерщик.

Магические ядра

К сожалению, не разделяю оптимизм Артема (см. ниже), что это открытие продвигает нас к великому объединению. Да, это важно изучать ядра и создавать новые, это ведет к лучшему пониманию ядерных взаимодействий при низких энергиях, а также продвигает статистическую теорию: 300 нуклонов уже может быть достаточно для статистики, а 10 или 50 маловато. В целом, это достаточно частный успех и об этом же говорит наличие всего лишь 3 ускорителей в мире, да и те под угрозой закрытия. Простите, но я не очень сильно восхищен научными успехами Дубненских ядерщиков. Скорее, это подвиг выживания в условиях отсутствия финансирования. Вот если бы они синтезировали новый СТАБИЛЬНЫЙ изотоп, это было бы интересно!

К вопросу об острове стабильности. Существуют, т.н. магические числа нуклонов. Ядра имеющие магические числа протонов или нейтронов заметно стабильнее, чем соседние. А те, что имеют магические числа протонов и нейтронов одновременно являются самыми стабильными. Дорожка стабильности на карте изотопов идет вдоль таких ядер. Магии тут никакой нет, просто определенные нуклонные оболочки заполняются и такое ядро имеет бОльшую (О-ударное) энергию связи чем соседние ядра, отсюда и стабильность. Грубо говоря, чтобы ядро распалось, это должно быть энергетически выгодно, т.е. дочерние ядра должны быть "плотнее" связаны, чем родительское. Пример заполнения оболочек легко увидеть в периодической системе Менделеева. Например гелий с двумя электронами (заполненная оболочка) химически очень нейтрален, а соседние водород и литий, наоборот очень активны. Все инертные газы имеют заполненные оболочки, а прибавь один электрон (и протон) и вот вам уже активные элементы типа натрия, калия и т.д.

Так вот, разные ядерные модели предказывают немного различное значение для следующих магических чисел, но все они в районе 120 для протонов и 170 для нейтронов. Т.о. ядра с общим числом нуклонов около 300 должны быть намного стабильнее, чем соседние. Намного - по ядерным меркам. Если соседние ядра живут микро- и наносекунды (возможно даже фемтосекунды), то миллисекунды или секунды - это уже стабильные ядра по ядерным меркам.

Существование острова стабильности может быть важно в понимании синтеза элементов при взрыве сверхновых. Там даже время жизни в миллисекунды может оказаться достаточным. Если время жизни таких ядер миллиард(ы) лет, то они могли играть важную роль в формировании солнечной системы и планет.

В пределе, когда число нуклонов стремится к бесконечности, мы получаем нейтронную звезду - макроскопическое тело с ядерной плотностью. 

Смотрите: когда на Большом адронном коллайдере откроют бозон Хиггса, перепроверять открытие будет просто негде - нет такого второго прибора, эксперимент слишком масштабный.

Со 117-м похожая история: синхрофазотроны для тяжелых ядер имеют еще три лаборатории в мире (в Дармштадте, Лос-Аламосе и еще некий японский институт, не вспомню названия). В Дубне эксперимент длился полгода и стоил десятки миллионов. Ради открытия - не жалко. Спрашивается, кому будет не лень перебрасывать всех своих сотрудников на полугодовую проверку чужих результатов?

Физики с химиками давно жалуются, что идея независимой экспертизы, которую требует IUPAC - пережиток старой науки, где приборов и лабораторий было много, а открытий мало. В Дубне предлагают другую процедуру: у химиков есть свой метод убедиться, что два-три атома обладают всеми нужными свойствами, а у физиков - свой. Значит, эти методы независимо друг от друга подтверждают открытие.

Воспроизводимость в чистом виде - полезная догма, кто бы спорил. Но от нее (не без сожаления) надо будет со временем отказываться.

Эту реплику поддерживают: Степан Пачиков

На самом деле достаточно только одного эксперементального наблюдения, чтобы подтвердить гипотезу. Ну и потом, все данные будут сохранены и выложены позднее в общий доступ.

Дубна?!

Я была крайне удивлена, что в Дубне, оказывается, ведутся какие-то настоящие научные изыскания. Последний раз, когда что-то было слышно об этом милом подмосковном городке, Путин приказал строить там силиконовую долину. Для этих целей даже успели засыпать берег Волги. Однако теперь Медведв приказал строить силиконовую долину в Сколково, так что, боюсь, путинская инициатива дальше гидроработ не продвинется.  

Эту реплику поддерживают: Борислав Козловский

У Дубны и Силиконовой долины (что российской, что оригинальной) - разные функции, по определению. В одном месте из старой науки добывают деньги, в другом их тратят на новую науку. Американский ядерный Лос-Аламос никогда не был особо прибыльной бизнес-площадкой - туда, наоборот, в свое время свезли половину запасов казначейства, чтобы отлить из государственного серебра обмотку для магнитов. Если из Дубны сделают что-нибудь в духе Лос-Аламоса - нам останется только радоваться. А инновации пусть селятся где-нибудь еще.

да, Дубна!

Там не только лидируют в синтезе новых элементов. Мои знакомые британцы ездят в Дубну на измерения дифракции нейтронов - по их мнению, Дубна для этого куда круче, чем их собственная национальная лаборатория под Оксфордом. Оказывается, так тоже бывает...

Надо же)) Ну я только рада, что город не умирает...

Волнующее открытие! Когда я был ребенком, открыть новый элемент было моей первой мечтой. Я сменил с тех пор профиль, но зато открываю новые формы у известных элементов.Что касается синтеза новых элементов, тут российская наука все еще лидирует — наряду с центрами в Беркли и Дармштадте.

Когда спрашивают, какая польза от таких открытий, я сразу вспоминаю: когда Фарадей открыл электромагнитную индукцию, его тоже спросили, какая польза. Он ответил: а какая польза от ребенка? Сегодня его открытие — это основа основ нашей жизни.

Получение ядер новых элементов — даже на доли секунды — приближает нас к пониманию природы ядерных сил. Приближает к созданию объединенной теории взаимодействий — в природе есть четыре типа взаимодействий и нет объединяющей их теории. Более того, в таких атомах внутренние электроны движутся со скоростями, очень близкими к предельной - т.е. скорости света. Это вводит ряд новых физических эффектов - и интереснейшие химические последствия. Теория таких атомов не может строиться на основе нерелятивистского уравнения Шредингера - необходима релятивистская квантовая механика, в частности, уравнение Дирака, которое решать крайне сложно. Химия таких элементов - превосходный тест для исследования применимости приближенных методов квантовой химии.

Кстати, забавна традиция наименования новых элементов - имя дают только после того, как элемент подтвержден другой лабораторией. Так вот, элементу 112 совсем недавно присвоили имя - коперниций. Когда я об этом рассказал на лекции, то увидел одну большую улыбку в аудитории - это была польская аспирантка Анна Плонка.

Вчера смотрел интервью. Запомнил, что Ca48 стоит $250 000\грамм и такой результат достигнут благодаря совместной работе USA и РФ. В Дубне все совсем не плохо, если такие дорогие эксперименты там имеют место быть. Название судя по словам руководителя проекта дает международный коммитет химиков после повторения эксперимента, открыто голосуя за предложенные варианты. У нашей стороны есть вариант, но пока он держится в секрете.