Интервью 17 Ноября 2021

Магия ядерной жизни

О границах Периодической системы химических элементов, о возможности второго острова стабильности для сверхтяжелых атомных ядер и об ускорении экспериментальной работы «Стимул» беседует с выдающимся российским физиком Юрием Оганесяном, одним из двух первых лауреатов Премии имени Д. И. Менделеева, которой он был удостоен вместе с итальянским химиком Винченцо Бальцани. Вручение премии состоялось в понедельник 15 ноября
Магия ядерной жизни
Научный руководитель лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) академик Юрий Оганесян
Из архива Ю.Ц.Оганесяна

Торжественная церемония награждения первых лауреатов Международной премии ЮНЕСКО—России имени Д. И. Менделеева за достижения в области фундаментальных наук прошла 15 ноября в рамках работы 41-й сессии Генеральной конференции ЮНЕСКО в Париже. Имена лауреатов этой новой премии, учрежденной в 2019 году по инициативе российского правительства, были объявлены в начале месяца: ими стали научный руководитель лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) академик Юрий Оганесян, удостоенный ее «в знак признания его прорывных открытий, позволивших дополнить Периодическую таблицу химических элементов Д. И. Менделеева, а также за вклад в развитие фундаментальных наук в общемировом масштабе», и итальянский химик, профессор Болонского университета Винченцо Бальцани «в знак признания перспективности его выдающихся научных открытий в области базовых химических дисциплин, а также за многолетние усилия в деле поощрения международного сотрудничества, научного образования и содействия устойчивому развитию».

Под непосредственным руководством Юрия Оганесяна в подмосковной Дубне только с 2000 по 2014 год были впервые в мире синтезированы шесть новых элементов периодической системы химических элементов, а последний по времени, 118-й, уже был официально назван в честь него самого — оганесоном.

— Юрий Цолакович, мой первый вопрос, конечно же, связан с присуждением вам Международной премии ЮНЕСКО—России имени Менделеева. Как бы вы могли в целом охарактеризовать эту новую премию и общее отношение к ней в мировом научном сообществе?

— Вообще говоря, у этой премии есть своя история, хотя она и весьма недавняя. 2019 год был юбилейным для периодической таблицы Менделеева: исполнилось 130 лет с того момента, как Дмитрий Иванович принес рукопись своей статьи с первой версией таблицы в редакцию (Русского химического общества. — «Стимул»). Предложенная им новая система элементов на самом деле очень многое меняла в привычной философской картине мира: прошло примерно двадцать два века с появления первой атомистической концепции Демокрита до Джона Дальтона, знаменитого английского ученого, сформулировавшего собственную систему (первая таблица относительных атомных весов ряда химических элементов и соединений была разработана Дальтоном в 1804 году. — «Стимул»).

И очень долгое время считалось, что наш мир состоит из неких неделимых «кирпичиков», названных Демокритом атомами, которые взаимодействуют друг с другом в вакууме. Дальтон первым связал эти «кирпичики» с химическими элементами, известными к тому моменту, их тогда было всего 36. Он постулировал, что эти 36 элементов являются алфавитом материального мира и буквами, составленными из них, можно «описать всё».


МЕНДЕЛЕЕВ.jpg
Д. И. Менделеев
Wikipedia

После этого прошло еще примерно полвека, и число элементов выросло уже до 63. Менделеев предложил свой вариант этого «алфавита», в котором присутствовало восемь «кучек» — групп — элементов, обладавших похожими свойствами, меняющимися от одной «кучки» к другой.

Причем Менделеев, выявивший такую закономерность при соответствующем расположении в таблице этих элементов от легких к тяжелым, то есть периодическое повторение ими своих свойств, был очень изумлен, поскольку, раз у этих элементов имеется определенная закономерность, то их уже нельзя считать теми самыми «кирпичиками мироздания»: ведь буквы в алфавите не могут быть похожими друг на друга, а если же они похожи, значит, они еще не буквы и для того, чтобы добраться до таких «настоящих» букв, нужно копать глубже.

magnifier.png Найти эфир Менделееву, как и прочим ученым-экспериментаторам, так и не удалось (мир в итоге оказался не непрерывным, а корпускулярным). И тем не менее именно он впервые заявил, что атомы нельзя считать «кирпичиками мироздания»

На самом деле именно в этом, то есть в осознании того, что элементы не могут считаться такими «кирпичиками», и заключалась его главная мысль, о которой почему-то очень мало говорят. Менделеев понял, что у элементов имеется своя собственная сложная структура, благодаря которой и возникает выявленная им периодичность их свойств. Он попытался разобраться с этой проблемой и полагал, что есть «эфир», некая непрерывная среда, в которой порождаются все элементы. Но этот эфир напрямую увидеть нельзя, потому что мешает воздух; следовательно, нужно как-то убрать, откачать воздух, чтобы добраться до этой первозданной среды.

Однако найти эфир Менделееву, как и прочим ученым-экспериментаторам, так и не удалось (мир в итоге оказался не непрерывным, а корпускулярным). И тем не менее именно он впервые заявил, что атомы нельзя считать «кирпичиками мироздания».

После него опять-таки прошло довольно много времени, пока Анри Беккерелем не было обнаружено явление радиоактивности, а Пьером и Марией Кюри — спонтанное превращение одних элементов в другие. И наконец, спустя 42 года после появления первой версии таблицы Менделеева, в 1911 году, Эрнест Резерфорд представил свою знаменитую «планетарную модель атомов», согласно которой в их середине находится ядро, содержащее практически всю массу и весь положительный заряд, и это очень плотная материя. А вокруг него на очень большом расстоянии вращаются электроны. И между положительным внутренним зарядом ядра и отрицательными зарядами всех электронов возникает некое равновесие. Иными словами, 1911 год был годом рождения ядерной физики, годом открытия ядра атомов.

Вот, пожалуй, в предельно кратком виде предыстория того, чем мы, собственно, сейчас и занимаемся…


ПиМ Кюри.jpg
Пьер и Мария Кюри
Wikipedia

— Спасибо за этот полезный исторический мини-обзор, и если вернуться к собственно Премии имени Менделеева…

— А касательно самой премии, точнее того ученого, именем которого она названа, мне бы еще хотелось отметить, что Дмитрий Иванович был на самом деле очень разносторонним человеком. Правда, он так и не был избран в Российскую академию наук, но был избран в Академию художеств — он прекрасно рисовал и к тому же замечательно знал математику (в том числе рассчитывал профили кораблей), а еще регулярно, примерно раз в месяц, устраивал на Соловках специальные «мультидисциплинарные» семинары. Один из таких семинаров, например, был посвящен цвету — обсуждению того, что он собой представляет, — и в нем участвовали физики, химики, художники, артисты, которые на свой лад описывали свое понимание цвета… Также, как известно, он был изобретателем оригинальной теории происхождения нефти — ее органического происхождения.

И когда ООН и ЮНЕСКО официально назвали 2019 год Годом периодической таблицы Менделеева, помимо всего прочего, меня выбрали в международный комитет по его проведению. В течение этого года я прочел 24 лекции в восьми странах мира, в самых разных по составу аудиториях, и в том числе я воочию убедился в том, насколько интересны те научные проблемы, о которых я рассказывал, для обычных, простых людей.

Ну и на волне такого массового интереса, проявленного в тот год, в недрах правительства России возникла идея учредить специальную научную премию имени Менделеева. Эта идея была воспринята очень хорошо, ее, в частности, дружно поддержали приглашенные для консультаций нобелевские лауреаты из разных стран мира.

Далее Россия предложила ЮНЕСКО присуждать ее в совместном формате, там эту идею тоже поддержали, и поначалу предполагалось выбрать первых лауреатов еще в прошлом году, но из-за пандемии запуск премии был отложен до этого года.

Хотел бы еще уточнить, что эта премия довольно необычна, что отчасти можно объяснить и тем, что она присуждается в честь весьма необычного человека. И присуждается не по одной научной дисциплине, а по четырем — физике, химии, биологии и математике, но лауреатов ежегодно может быть выбрано только два. Видимо, тем самым ее создатели-кураторы хотели в том числе как-то отразить многосторонность научных интересов самого Менделеева. В этом году было представлено 80 с лишним кандидатов из самых разных стран мира, что, опять-таки, было обязательным требованием ее соучредителей из ЮНЕСКО.

— При этом одним из семи членов международного жюри премии был директор ОИЯИ Григорий Трубников…

— Да, но он не имел права голоса. То есть формальная сторона дела при принятии итогового решения была соблюдена.

— Давайте перейдем от самой премии к делу вашей жизни, то есть к многолетним усилиям по синтезу новых тяжелых химических элементов.

— Пожалуй, начну с дежурного упоминания о том, что я смотрю на все это прежде всего как физик, а не как химик. С точки зрения химии здесь изучается то, как атом и его последний электрон взаимодействуют с другими атомами, как при этом получаются сложные молекулы и так далее. А вся структура ядра, да и атома в целом — это уже физика, конечно. Причем эта физика далеко еще не понята. В частности, мы до сих пор толком не знаем те силы, которые удерживают протоны и нейтроны друг с другом в ядре. Эти силы на самом деле какие-то странные: когда протоны и нейтроны уходят в ядре достаточно далеко друг от друга, они очень слабеют, но если ты их сильно сжимаешь (приближая друг к другу), они этому очень сильно сопротивляются. То есть эта сила меняет свой знак в зависимости от расстояния между этими «шариками», нуклонами.


ГАМОВ.jpg
В 1928 году Джордж (Георгий Антонович) Гамов, известный физик российского происхождения, выпускник Ленинградского/Петроградского университета, позднее, в 1933-м, уехавший из СССР, предложил первую научную модель ядра
Wikipedia

Еще в 1928 году Джордж (Георгий Антонович) Гамов, известный физик российского происхождения, выпускник Ленинградского/Петроградского университета, позднее, в 1933-м, уехавший из СССР, предложил первую научную модель ядра. В его версии оно хорошо очерчено, имеет почти сферическую форму, безумно плотное и похоже на каплю жидкости. Только его плотность при этом примерно на 15 порядков больше, чем у воды. И вот эта капельная модель ядра имела потрясающий успех. В частности, она позволила самому Гамову объяснить радиоактивность, — то, как из такой капли вылетают маленькие частицы.

А в 1935 году немецкий физик барон Карл Фридрих фон Вайцзеккер написал свою формулу энергии ядра (формулу для энергии связи атомного ядра. — «Стимул»). И он также использовал в качестве модели жидкую каплю. У капли есть в том числе поверхностное натяжение, определенный объем, капли могут сливаться друг с другом, дробиться и так далее. Вайцзеккер все это на базе капельной модели прекрасно описал для ядра атома.


ВАЙЦЗЕККЕР.jpg
В 1935 году немецкий физик барон Карл Фридрих фон Вайцзеккер написал свою формулу энергии ядра
Wikipedia

Наконец, что самое важное, год спустя Нильс Бор на основе все того же «капельного представления» смог объяснить, что такое деление ядра. Причем по-английски «деление» (в том числе в математическом понимании) — это division, но Лизе Мейтнер (в ее честь назван 109-й элемент таблицы Менделеева — мейтнерий. «Стимул»), которая работала вместе с Отто Ганом, в свою очередь, возразила, что правильнее назвать этот процесс fission (в русском переводе это более многозначное понятие — разделение, расщепление, фрагментация и прочее). А fission — это уже чисто биологическое название: именно так, в частности, делится живая клетка. Она не делится просто пополам, у нее сначала возникает особая перетяжка, шейка, и уже потом происходит собственно разделение.

Подобное научное объяснение тогда, конечно, многим показалось несколько странным. Ведь капля — это нечто макроскопическое, а тут мы говорим о микромире, о размерах, которые на много порядков меньше. И в этом микромире механика Ньютона уже не работает, в нем действуют законы квантовой механики. Соответственно, казалось удивительным, что подобные макроскопические модели могут быть эффективно применены для описания процессов, происходящих в необычном микромире, где время может меняться, где пространство можно преобразовывать, где нет траектории движения…


БОР.jpg
В 1936 году Нильс Бор на основе все того же «капельного представления» смог объяснить, что такое деление ядра
Wikipedia

И тем не менее данная жидко-капельная модель великолепно работала до поры до времени. Но если атомное ядро — это капля, то максимальный размер этой капли не может быть больше 100 (полного числа составляющих его нуклонов. — «Стимул»). То есть исходя из этой модели мы не можем пойти дальше 100-го элемента: все более крупные ядра сразу же должны будут распадаться.

И если мы возьмем для примера очень тяжелый природный элемент, встречающийся в земле, уран (с атомным номером 92), его предохраняет от деления так называемый потенциальный барьер, высота которого составляет шесть мегаэлектронвольт. То есть, если в его ядро будет извне привнесена энергия свыше этих шести мегаэлектронвольт, он будет делиться. На этом принципе и построены все атомные реакторы: урановые ядра облучаются нейтронами, несущими энергию шесть мегаэлектронвольт, благодаря которой происходит превышение потенциального барьера и начинается выделение громадного объема энергии, так называемой атомной энергии.

magnifier.png Если вы будете все больше и больше добавлять заряд и наконец придете к элементу с атомным номером 100, его потенциальный барьер окажется равным нулю и его деление произойдет примерно за 10 в минус 19-й степени секунды!

Но если вы будете все больше и больше добавлять заряд и наконец придете к элементу с атомным номером 100, его потенциальный барьер окажется равным нулю и его деление произойдет примерно за 10 в минус 19-й степени секунды! И далее, конечно, становится совершенно бесполезным рассуждать о каких-то более тяжелых «химических элементах», потому что у таких ядер даже не успеют еще толком появиться свои электроны, когда от самого атома уже ничего не останется.

— А когда произошел переход этого рубежа?

— К обозначенному теоретическому пределу ученые подошли еще до войны, в 1939 году. И когда позднее стали создавать атомные реакторы и получать так называемые трансурановые элементы — плутоний 94-й, 95-й и 96-й, они наглядно убедились в том, как, действительно, очень резко стало сокращаться время их деления. Все это, в свою очередь, воспринималось как блестящее экспериментальное подтверждение базовой теории жидко-капельной модели ядра, и, к слову, ваш покорный слуга еще застал это время — примерно тогда я учился в институте.

Позднее я стал работать в команде Флерова (Георгий Николаевич Флеров — ведущий советский физик-ядерщик, один из основателей дубненского ОИЯИ. — «Стимул»), который очень плотно участвовал в советском атомном проекте, и, понятное дело, обо всем, связанном с процессами деления сверхтяжелых ядер, мы говорили тогда очень много.

И был тогда у нас очень сильный научный азарт: мы думали, что, если нам удастся вплотную подойти к пресловутому пределу, элементу с атомным номером 100, и затем попытаемся его перейти, мы сможем наконец понять механизмы работы этих ядерных сил в экстремальном состоянии вещества.

В 1957 году шведы в Нобелевском институте вроде бы искусственно синтезировали первый «запредельный» 102-й элемент, но вскоре американцы (в Калифорнийском университете Беркли. — «Стимул») показали, что в их эксперименте была допущена ошибка. Однако и они тоже ошиблись. А в 1963 году нашей команде в ОИЯИ все-таки удалось его получить. И эти многолетние мучения в том числе продемонстрировали, насколько труден дальнейший путь, когда вы находитесь у той самой границы…


ОИЯИ.jpg
Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне
mii.mosreg.ru

— А какое, к слову, было время жизни у этого 102-го элемента?

— Время было по научным меркам огромное — несколько секунд.

— И как его назвали?

— Шведы изначально назвали его нобелием в честь своего Альфреда Нобеля. В нашей же версии он должен был получить название жолиотий — в честь Фредерика Жолио-Кюри (который помимо своих больших научных заслуг также был членом французской компартии). Но признавший позднее за нами научный приоритет Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) попросил нас не менять первое название, предложенное шведами, и мы не стали настаивать на своем варианте.

Причем одна из самых больших трудностей в этом процессе синтеза сверхтяжелых элементов заключалась в том, что все предыдущие новые элементы были получены экспериментально при помощи нейтронов. И те же американцы смогли получить 99-й и 100-й элементы при помощи ядерного взрыва, в результате которого было получено на много порядков больше этих нейтронов по сравнению с обычными научными экспериментами. Но этим фактически все и закончилось.

magnifier.png И все бы было хорошо, только это совершенно несовместимо с поведением жидкой капли. У капли не может быть двух состояний: капля, которая висит на кране, она либо капает, либо не капает. И, скажем, она не может оторваться от крана, повиснуть в воздухе, а потом вдруг разделиться на две

В качестве же альтернативного метода стали пробовать реакции с использованием более тяжелых «снарядов». То есть в дело пошли тяжелые ионы. И как раз 102-й элемент и был первым, который получили при помощи этих тяжелых ионов, тогда это были ионы кислорода, а позднее также использовались ионы неона. Но в этой новой схеме уже меняются сами базовые механизмы физических реакций, нужно применять новые экспериментальные подходы, а также переходить от использования реакторов к специальным ускорителям.

— И что, дальше все встало на поток?

— На самом деле новые серьезные проблемы возникли уже при попытках получить следующий, 104-й элемент. Не вышло у одной группы, у второй, и Флеров тогда поручил мне попробовать свой вариант экспериментальной схемы. И как будто бы у нас начало что-то получаться. Наблюдалось спонтанное деление, время жизни было сверхкоротким — миллисекунды, однако вскоре выяснилось, что этот эффект был совершенно не связан со 104-м. И даже со 102-м, и даже с 100-м! Это оказался 95-й элемент, который уже давно был хорошо известен, и у которого период полураспада составляет…10 в 15-й степени лет!

Налицо был, как говорится, научный казус: было совершенно непонятно, каким образом у одного и того же ядра мог оказаться период полураспада в 10 в 15-й лет и в какие-то миллисекунды? А потом похожая картина наблюдалась и у другого его изотопа — со временем жизни порядка девяти миллисекунд.

А позднее выяснилось, что аналогичный эффект наблюдается сразу у 30 разных ядер! В том числе у того же урана, у которого период полураспада — 10 в 16-й лет, происходило деление за одну микросекунду. То есть это тридцать порядков разницы!

Вывод тут вроде бы напрашивался такой: раз у тебя наблюдается один и тот же тип распада у одного и того же ядра, это может означать, что он происходит из его разных состояний. Только так это можно было бы объяснить.

Одно из таких состояний — то, где получается очень долгий период жизни, — соответственно, можно назвать основным, а другие состояния (там, где идет очень быстрый распад ядер) — изомерными.

И это можно было бы считать объяснением (в рамках исходной теории), особенно если понимать все так, что процесс деления — это удлинение ядра-капли, при котором его основное состояние близко к сферическому, а изомерное уже сильно вытянутое, примерно три к одному, у оси.

И все бы было хорошо, только это совершенно несовместимо с поведением жидкой капли. У капли не может быть двух состояний: капля, которая висит на кране, она либо капает, либо не капает. И, скажем, она не может оторваться от крана, повиснуть в воздухе, а потом вдруг разделиться на две «производных».

Иными словами, экспериментально обнаруженное явление так называемой изомерии формы фактически окончательно погубило эту теоретическую капельную модель.

А это, в свою очередь, означало, что ядерное вещество на самом деле не является аморфным. Оно имеет свою внутреннюю структуру. И эта структура зависит от общего количества протонов и нейтронов, и есть ядра, которые связаны сильнее, и есть ядра с более слабыми связями. И те ядра, где эта связь особенно сильна, были названы магическими, и, соответственно, имеющееся у таких ядер общее число протонов также назвали магическим, а если у них к тому же наблюдается еще некое магическое число нейтронов, тогда даже можно говорить о дважды магическом состоянии таких стабильных ядер.

Однако таких уникальных магических ядер очень мало — их известно всего девять (причем некоторые были получены искусственно), тогда как общее число обнаруженных учеными ядер — порядка трех тысяч.


ЛАБ ЯД РЕАКЦ.jpg
Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова создана в Объединённом институте ядерных исследований в 1957 году
Wikipedia

— И какие именно это ядра?

— Из природных это гелий — два протона плюс два нейтрона, дальше — кислород (восемь плюс восемь) и два изотопа кальция — основной 40-й (20 плюс 20) и 48-й (20 плюс 28), тоже магическое ядро. А следующий — свинец — 82 протона и 126 нейтронов. Причем, если бы свинец не был дважды магическим, его бы в природе давным-давно не осталось, он бы очень быстро распался.

Эта так называемая оболочечная модель, то есть ядра с замкнутыми оболочками и семь соответствующих магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Исходя из данной модели, в свою очередь, возникает другой гипотетический вопрос: а может ли иметься такая магическая структура у еще более тяжелых ядер, далеко за 100-м элементом? Там, где по капельной модели никаких стабильных ядер не может быть в принципе.

magnifier.png Теоретическая идея о существовании острова стабильности на значительном отдалении от общей массы известных науке ядер была изначально сформулирована в 1969 году. И многие научные группы по всему миру с большим энтузиазмом тогда сразу включились в процесс поиска этих пресловутых магических сверхтяжелых ядер

И новая теория строения ядер, которая уже называется микроскопической, постулирует, что подобные стабильные структуры существовать могут. Первой такой магической комбинацией должно быть ядро с числом протонов 114, а нейтронов — 184. И у него время жизни может быть очень большим — тысячи, а возможно, даже миллионы лет. А если миллиарды, то их даже можно поискать в природе. А если миллионы, то, хотя в нашей Земле их уже давно нет (они распались), отнюдь не исключено, что они могут быть обнаружены где-то в космосе.

Эта теоретическая идея о существовании так называемого острова стабильности на значительном отдалении от общей массы известных науке ядер была изначально сформулирована в 1969 году. И многие научные группы по всему миру с большим энтузиазмом тогда сразу включились в процесс поиска этих пресловутых магических сверхтяжелых ядер.

Те же американцы делали специальные подземные лаборатории, пытались получить такие ядра на сверхмощных ускорителях, Флеров искал их, помимо всего прочего, в природе, в метеоритах, в лунных образцах… Но так нигде их и не нашли.

— То есть казалось, что эта гипотеза себя не оправдала?

— Да, примерно к середине 1980-х практически везде наблюдался большой пессимизм в отношении этой идеи. Причем, как это обычно бывает в процессе научного поиска, на принципиальный вопрос, почему нам не удается наблюдать тот или иной эффект/процесс/явление, которое было теоретически предсказано, можно было дать два различных ответа. Один: просто нам пока не удалось до них «дотянуться», пока не получается.

Однако когда подобный отрицательный результат выходит сразу у многих различных научных групп мира, конечно же, невольно возникает другое желание — сказать, что предсказанные явления/эффекты просто-напросто вообще не имеют места.

И подавляющее большинство ученых тогда склонялось ко второй точке зрения — к тому, что подобных сверхтяжелых магических ядер все-таки нет.

А вот вашему покорному слуге, напротив, показалось, что такой пессимистический ответ несостоятелен. Конечно, я тогда не мог что-либо доказать, но мне казалось, что приводившиеся негативные аргументы как минимум не были до конца убедительными. И я предложил своим коллегам попробовать еще раз, выложиться по полной, сделать эксперимент с рекордной чувствительностью, и, если снова ничего не получится, тогда, скорее всего, продолжением подобных попыток будут заниматься уже даже не наши дети, а наши внуки.

Однако вскоре случился распад СССР, в 1990-е годы в нашей науке (как и вообще в стране) происходил жуткий бардак — в общем, практическое осуществление этой идеи пришлось, мягко говоря, сильно отложить на потом.

И, более того, тогда же мы пришли к выводу, что и сам наш эксперимент потребуется заметно усложнить. Основная трудность заключалась в том, что для получения сверхтяжелых элементов нам необходимо произвести столкновение двух разных (более легких) ядер с целью их последующего слияния и образования более тяжелого, с суммарной массой двух исходных. Но для этого не хватало нейтронов. Иными словами, такие сверхтяжелые элементы обязательно должны быть сильно нейтроноизбыточными. Тот самый остров стабильности по определению должен находиться в «акватории» с очень большим числом нейтронов. Следовательно, чтобы попытаться как-то до него добраться, изначально нужно было выбрать партнеров для осуществления подобных экспериментов по слиянию ядра со значительным избытком нейтронов.

А такая задача представлялась очень непростой, потому что у стабильных элементов, существующих в природе, подобная нейтроноизбыточность не наблюдается, то есть для получения необходимого нам мишенного вещества его предварительно нужно было специально нарабатывать, в мощных реакторах путем облучения нейтронами (для их захвата этими ядрами).

Но время жизни таких нарабатываемых искусственных ядер, в свою очередь, довольно короткое, и наш рекордный результат по таким мишеням, их время жизни — около одного года. Соответственно, общая картина была такой: максимум за один год мы должны успеть ее изготовить, затем привезти из Америки (там эти ядра нарабатывались) сюда в Россию и успеть провести эксперимент по облучению. Причем все это без права на ошибку.


САЙН АМЕР .jpg
Статья в журнале Scientific American, январь 2000 года
Scientific American

— Не успел — значит проиграл?

— Именно так. На мощных реакторах подобное вещество нарабатывается как минимум в течение года-двух, потом оно вытаскивается в так называемых горячих шкафах, и из него делается мишень, которая ставится на ускоритель.

Но это только часть дела. Вторая ключевая задача: а чем ее затем облучать?

И тут, слава богу, природа преподнесла нам большой подарок в виде упоминавшегося мной до этого магического изотопа кальция-48, у которого 20 протонов и 28 нейтронов, то есть как бы у него имеется восемь «лишних» нейтронов. Однако это в то же время безумно дорогое вещество: один его грамм стоит примерно 250 тысяч долларов. И нам нужно еще его разогнать в ускорителе до скорости где-то в одну десятую от скорости света, поскольку иначе процесс слияния ядер не будет происходить (не хватит энергии).

А для наработки кальция-48, в свою очередь, также нужен новый специальный ионный источник, потому что с тем, который у нас до этого был, мы бы просто вылетели в трубу (с учетом предполагаемых расходов на наработку требуемого его количества).

magnifier.png А затем на протяжении почти 15 лет, с 2000-го по 2014-й, мы работали практически без остановки, без выходных, круглосуточно. И фактически нам тогда удалось получить все сверхтяжелые элементы, которые были нами обозначены в качестве плановых

И я, конечно, очень благодарен своим коллегам, что они тогда, в середине-конце 1990-х, меня просто не послали куда подальше с этими моими идеями. Короче говоря, на все эти предварительные процедуры мы тогда в общей сложности потратили семь лет.

Первый эксперимент был нами запущен в 1999 году, а первый результат мы увидели в следующем, 2000-м. И когда мы опубликовали его в известном журнале Scientific American, на обложку был вынесен рисунок, на котором был изображен корабль, взобравшийся на мачту которого юнга кричит всем остальным: «Я вижу остров!»

А затем на протяжении почти пятнадцати лет, с 2000-го по 2014-й, мы работали практически без остановки, без выходных, круглосуточно. И фактически нам тогда удалось получить все сверхтяжелые элементы, которые были нами обозначены в качестве «плановых». Их, правда было всего шесть, но они полностью замкнули ряд в периодической таблице, и нам, что особенно важно, также удалось показать, что пресловутый остров стабильности должен существовать. И, конечно же, я испытал очень большое удовлетворение от выполнения этой задачи. Ибо столь нетривиальное предсказание о таком острове — это непосредственный теоретический продукт нашего общего понимания физической природы ядер, причем не исключено, что такой остров стабильности не последний и за ним найдется еще один…

Иными словами, этот экзамен, проверку на прочность теория сдала на отлично.

— А я, кстати, так и не понял, чья, собственно это была теоретическая идея о существовании такого острова…

— Ну, тут говорить о ком-то одном я бы не стал, это, скорее, коллективный продукт изысканий многих теоретиков. Причем полученный нами в итоге экспериментальный результат отличался от теоретических расчетов лишь примерно на пять процентов. То есть в некотором смысле это было не только качественным, но и количественным доказательством. Более того, почти все синтезированные нами сверхтяжелые элементы оказались более стабильными, чем предсказывалось в теории.

И эти элементы также очень интересно распадаются. Они начинаются на том самом острове, идет их альфа-распад, и, скажем, тот же 114-й элемент, который мы назвали в честь Георгия Флерова флеровием, сначала переходит в 112-й, тот — в 110-й и так далее вниз, и время жизни каждого нового продукта распада, соответственно, постепенно растет.

А 115-й мы назвали московием в честь Московской области, в которой находится наш дубненский институт.


ФЛЕРОВ ОГАНЕСЯН.jpg
Почетный директор Лаборатории ядерных реакций, академик АН СССР Георгий Флеров (слева) и академик АН СССР Юрий Оганесян. Объединенный институт ядерных исследований
Sputnik / А. Князев

— Собственно дубний, кажется, появился задолго до этого…

— Да, это элемент с номером 105, он был получен здесь еще в 1970 году (свое окончательное название по решению ИЮПАК он получил уже в 1997 году. — «Стимул»).

И если взять тот же 115-й элемент, время жизни (полураспада) которого составляет 0,16 секунды, то уже через пять «поколений» распада, у 105-го элемента, это время жизни уже составляет весьма приличные 30 часов. Ну а за такое время экспериментаторы уже могут, например, спокойно попить чайку, хорошо выспаться и так далее. (Смеется.)

— И все эти элементы было получены по одной экспериментальной методике, то есть при помощи бомбардировки кальцием-48?

— Да. По сути, после успешных первых экспериментов все последующие были делом техники: просто менялись мишени, а облучение происходило все тем же кальцием-48. И самый последний эксперимент был проведен по мишени с элементом-98: при его облучении кальцием с числом протонов 20 как раз и получается элемент 118 (который как раз назвали оганесоном. — «Стимул»). В общем, пока все идет совершенно замечательно, нами уже получено десять таких новых семейств элементов. А общее число таких новых ядер к настоящему моменту — уже 52.

И все наши дубненские эксперименты позднее были успешно повторены в других лабораториях мира.

И после того, как этот процесс (подтверждения полученных нами результатов) стал стабильным, примерно к концу нулевых годов, я начал серьезно задумываться над тем, а что же делать дальше. И не только я, тот же вопрос мне тогда же стали активно задавать и многие мои коллеги.

И я как-то их почти всех собрал в соседней комнате (наш разговор проходил непосредственно в рабочем кабинете Юрия Оганесяна в лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. — «Стимул»), в кабинете, который носит имя Флерова, и сказал им, что на самом деле для определения наших дальнейших рабочих планов нужно ответить только на один ключевой вопрос. Вот мы начали все эти наши эксперименты в 1999‒2000 годах, и с тех пор прошло уже 15 лет (этот разговор состоялся в 2014-м), многое поменялось за это время с теми же вычислительными возможностями, значительно усовершенствовалась измерительная аппаратура, произошел значительный прогресс в области физики плазмы, в физике ускорителей, и наконец, что особенно существенно, мы очень многое узнали обо всех таких сверхтяжелых ядрах и практических методах их получения. И как вы считаете, сколько бы времени у нас ушло на повторение всех полученных результатов, если бы мы запустили те же эксперименты только сейчас? Какой, по-вашему, у нас бы получился «коэффициент ускорения»?

— Ну и каков был ваш совместный ответ?

— Когда я сам попытался тогда прикинуть, у меня получилось ускорение примерно в сто раз! То есть, понимаете, мы сейчас живем в такое удивительное время, когда эксперименты такого рода за десять-пятнадцать лет можно разогнать не то что на порядок, а примерно на два порядка. И осознание этого, то есть того, что сейчас бы мы все могли сделать настолько быстрее, на самом деле так убивает… Но, конечно, помимо подобных расстроенных чувств возникает и столь же понятное желание наверстать упущенное, то есть поставить этот экспериментальный процесс на поток.

Иными словами, я тогда прямо призвал своих коллег запустить «фабрику» синтеза новых элементов, и выйти-таки на этот расчетный коэффициент ускорения в сто раз.

Причем сегодня мы уже имеем коэффициент где-то 20. И если станем дальше примерно в пять раз больше облучать мишени, то как раз и должны получить эти 100.

Заодно напрашивается и такое общефилософское умозаключение: никогда не следует упрямо держаться за то, что ты уже имеешь. То, что кажется тебе сейчас уникальным, уже через десять лет может оказаться никому не нужным. И поэтому, например, я никогда не мог понять повального увлечения строительством различных установок-монстров. Ведь они стареют прямо на глазах, все параллельно развивается дикими темпами…

В общем, я уже тогда сказал, что, мол, все, что у нас тогда было, надо просто выбросить. И чтобы получить дальше что-то по-настоящему важное и интересное, нужно все делать по-новому.

Вскоре после этого разговора состоялся ученый совет ОИЯИ, на котором я делал специальный доклад, в котором обрисовал это мое общее видение дальнейшей работы. И, что показательно, меня на этом совете до самого его завершения никто даже не спросил: «А сколько нам все это будет стоить?» Этот вопрос, конечно, в итоге задали, и я обозначил примерную сумму: 60 миллионов долларов. И добавил заодно, что попросил бы не спрашивать, можно ли это сделать дешевле. Потому что дешевле будет означать откат назад. Никто тогда так и не высказался против моего предложения, за него проголосовали единогласно. И мы такую фабрику за семь лет здесь построили.

magnifier.png Этот вопрос, конечно, в итоге задали, и я обозначил примерную сумму: 60 миллионов долларов. И добавил заодно, что попросил бы не спрашивать, можно ли это сделать дешевле. Потому что дешевле будет означать откат назад. Никто тогда так и не высказался против моего предложения

И сейчас у нас начинается новая жизнь, все экспериментальные события наблюдаются намного чаще, чем раньше, мы можем заметно расширить область наших исследований. Причем, что самое главное, мы наконец сможем исследовать «химию» этих новых синтезируемых элементов.

Да, все эти элементы — искусственные, но ведь и природные получались совсем не так: это были гигантские температуры, огромные потоки нейтронов, большие массы, сопоставимые с массой нашего Солнца. Подобные условия, конечно же, в лабораториях воспроизвести совершенно невозможно. И тем более интересно понять, насколько такие искусственно создаваемые элементы будут вписываться в логику периодической системы и подчиняться ее законам. Исходя из общих соображений, если считать, что периодический закон — это закон природы, тогда все эти новые элементы должны ему тоже подчиняться. Мы некоторое время назад делали специальный и очень красивый эксперимент по 112-му элементу (коперницию. — «Стимул»), его идея была не моей, поэтому я могу его с чистой совестью хвалить.

Этот 112-й элемент идет в одной группе со ртутью, а ртуть считается благородным металлом. К их числу относятся, помимо ртути, золото, серебро, висмут, свинец и ряд других. Они отличаются от прочих, «обычных» металлов, вроде того же железа или никеля, в том числе не вступают во взаимодействие с кислородом (не окисляются), но при этом взаимодействуют друг с другом. Например, ртуть может взаимодействовать с золотом — получается амальгама. И многие золотые купола эпохи Возрождения делались с учетом этого особого свойства: на них сначала наносились слои ртути, а затем поверх них прикладывались тонкие золотые листики, которые химически прилипали к ртутному слою. И, к слову, мало кто знает, что, если пройтись по таким куполам паяльной лампой, нагретой до 160 градусов, это поверхностное золото можно снять. То есть до этого температурного уровня у ртути и золота сохраняется их химическая связь.

И был задан вопрос: а будет 112-й элемент из той же группы давать аналогичную амальгаму с золотом? Нам удалось получить на него экспериментальный ответ: да, дает. Только эта связь теряется при более низкой температуре, около нуля градусов, то есть 112-й — более инертный элемент, что объясняется изменениями структуры всех его электронных орбит, в том числе самой последней, которая отвечает за химические свойства элементов.


ОГАНИСЯН ТЕКСТ.jpg
Юрий Оганесян перед лекцией
Из архива Ю.Ц.Оганесяна

А сегодня во многих научных изданиях, например, обсуждается другой вопрос аналогичного порядка: будет ли последний, 118-й элемент (оганесон) соответствовать свойствам благородных газов, к которым он должен в теории относиться? И очень часто встречается отрицательный ответ: предполагается, что, возможно, он окажется вовсе не газом, а твердым телом, а в газообразное состояние перейдет при температуре 180 градусов. Есть, впрочем, и альтернативный прогноз, согласно которому по своим свойствам он все-таки будет больше походить на благородный газ, в том числе будет таким же инертным.

И всеми такими интересными вопросами мы и планируем в скором времени всерьез заняться на нашей новой фабрике.

— А что бы вы могли сказать о возможных пределах периодической таблицы элементов?

— Сама общая концепция зарядового центра-ядра и «электронной гирлянды» вокруг него вроде бы должна работать даже у элемента с атомным номером 174. И пока те же наши предварительные расчеты и первые эксперименты показывают, что в природе могут быть ядра с числом протонов более 118. Но я, конечно, не думаю, что будут получены элементы с номерами вплоть до 170 с лишним. Просто вряд ли у таких супермассивных элементов будет какое-то ядро или оно окажется очень короткоживущим. С другой стороны, как я уже сказал, возможно позднее и удастся найти какие-то новые магические числа для подобных супертяжеловесов. Однако для подобного теоретического предсказания (следующего острова стабильности) сначала необходимо куда детальнее изучить свойства уже полученных новых сверхтяжелых элементов, измерить их массы с большой точностью, выявить их химические свойства и так далее. И именно на этом, как я уже сказал, и сфокусирована научная программа нашей фабрики.

Темы: Интервью

Еще по теме:
22.11.2021
Регистрация и анализ электромагнитных сигналов мозга дали возможность создать полезные интерфейсы человек — машина, вост...
21.09.2021
Как решить задачи импортозамещения и внедрения инновационных технологических разработок российских компаний в хозяйствен...
20.09.2021
Директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ академик РАН Сергей Гаранин рассказывает о состоянии разр...
23.08.2021
Генеральный директор крупнейшего российского производителя микроэлектроники АО «Микрон» Гульнара Хасьянова — о перспекти...
Наверх