В Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли – то есть больше 4,5 миллиардов лет. Остальные химические элементы распались, не дожив до наших дней.
Уран, у которого период полураспада около 4,5 миллиарда лет, всё ещё распадается, и поэтому мы находим его в земной коре.
Но некоторые из распавшихся элементов, которых уже нет на Земле, в середине ХХ века ученые научились получать сначала в лаборатории, а потом и в промышленных масштабах. Всем известный пример – плутоний. Его нарабатывают в ядерных реакторах. В ядре плутония 94 протона – ядро тяжелое. Изотоп плутония массой 239 ( 239 Pu) содержит в ядре 94 протона и 45 нейтронов. Он распадается наполовину всего за 20 тысяч лет – в 22 500 раз быстрее урана. Плутоний производится сотнями тонн и является одним из самых мощных источников энергии.
Но есть искусственные элементы и потяжелее плутония. Их уже целых двадцать четыре – почти пятая часть таблицы. Может ли химических элементов быть еще больше и есть ли предел у таблицы Менделеева, вопрос остается открытым. Разгадку этой тайны ищут в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне под научным руководством академика Юрия Оганесяна. Да-да, того самого академика Оганесяна, в честь которого назван 118-й элемент Таблицы Менделеева.
Вот какой разговор о пределах количества элементов во Вселенной состоялся у автора книги «Элементы жизни» с Юрием Цолаковичем Оганесяном в 2006 году по просьбе редакции газеты «Московские новости».
Наталия Теряева: Юрий Цолакович, когда-то Георгию Николаевичу Флерову один журналист задал вопрос: почему атом он рисует в виде кружочка, а не, скажем, крестика или ромбика. На что Георгий Николаевич якобы ответил, что он не знает, но, наверное, потому, что так удобнее. А вообще-то атом должен иметь скорее форму эллипсоида. Известно ли сегодня, какой формы атом
Юрий Оганесян: Ну, вообще-то говоря, круглой или шаровой формы. Это самая оптимальная, самая совершенная форма. Потому и капля жидкости имеет форму шарика – она имеет наименьшую потенциальную энергию. И все всегда считали с момента зарождения ядерной физики, что форма атома должна быть сферической и ввели такие понятия для ядра, как поверхность капли, радиус ядра, что уже подразумевает форму шара. Поэтому модель атома предполагает, (в настоящее время даже изображают ее на картинах) что в центре сферы находится ядро, а вокруг движутся электроны. Ядро содержит в себе фактически всю массу атома. Его масса существенно больше массы электронов – как минимум, в 2000 раз. И весь положительный заряд тоже в ядре, а электроны имеют отрицательный заряд. Это так называемая планетарная модель атома, которая была предложена Резерфордом в 1932 году. И все, что было сделано потом, подтверждает эту модель. Очень интересно отметить, что такая структура может быть и у сверхтяжелых элементов. Не только у 118-го, но и у 170-х и 180-х. То есть она устойчива к увеличению размера атома. А вот нестабильность или ограничение количества элементов наступают из-за нестабильности самого ядра. Поэтому вопрос о том, сколько может быть элементов, где кончается материальный мир, должен быть перемещен из области атомной физики, у которой уже нет вопросов, в область ядерной физики.
Н.Т.: То есть предположения о существовании элементов с номером 500 вполне основательны?
Ю.О.: Это предположение базируется уже на других обстоятельствах, которые возникли в связи с изучением структуры самого ядра. Если мы зададимся вопросом, сколько вообще существует разнообразных ядер, а значит и элементов, то вопрос этот оказывается очень сложным. Все это из-за того, что об атоме мы знаем много, а о ядре – мало. Об атоме мы знаем много потому, что движение электронов вокруг ядра определяется электромагнитными силами. А электродинамика – хорошо изученная наука. Есть строгая теория, мы знаем, как взаимодействует движущийся электрон с ядерным центром. Эти силы известны очень хорошо. Вы можете строить гигантские электростанции или микрочипы в компьютере, но законы электродинамики выполняются одинаково великолепно там и тут. Когда же мы говорим о ядерной физике, мы не знаем сил. Ядро состоит из протонов и нейтронов, они в ядре связаны вместе. Значит, есть силы, которые их должны удерживать вместе. Причем они удерживают вместе вполне определенное количество протонов и нейтронов. Поменяйте значительно число протонов и число нейтронов – все рассыплется. Ядра нет. Природа этих сил теоретически неизвестна. И поэтому вместо теории есть модели. И каждая модель пытается представить эту многотельную систему знакомым нам образом. Одна – капельная модель ядра модель говорит: они – протоны и нейтроны – взаимодействуют так же, как молекулы в капле. Другая модель говорит: нет, они, как газ, как рой пчел. Они удерживаются далеко друг от друга. Это модель Ферми-газа. Третья модель говорит: у них жесткая структура внутри ядра, и ведут себя протоны и нейтроны внутри ядра, как твердое тело, как кристаллы. И каждый раз, пытаясь объяснить те явления, которые мы наблюдаем в ядерной физике, привлекаются модели с тем представлением о ядерных силах, которое почерпнуто из макромира, чтобы опираться на известные нам понятия. Так получается, что ядро – какой-то многоликий Янус: то он как жидкость, то он как газ, то он, как твердое тело. А кто он на самом деле – пока неизвестно. Тем не менее, ядерная физика – это большая наука, она широко эксплуатируется для познания окружающего нас мира, познания астрофизических явлений, процессов образования и распада элементов. Мы используем ее для построения реакторов. Вытаскиваем из ядра энергию, хотя и не знаем сил. Поэтому процесс познания продолжается до того, пока мы не узнаем, что такое так называемые сильные взаимодействия – взаимодействия протонов, нуклонов и нейтронов в ядре.
Ну а если представлять ядро как каплю жидкости, то поскольку весь положительный заряд в ядре, то протоны отталкиваются друг от друга. А удерживает их поверхностное натяжение капли. Под поверхностным натяжением мы подразумеваем ядерные силы. Пока поверхностное натяжение больше, чем отталкивание, до тех пор существует ядро. Вокруг него строятся электроны, из атомов молекулы и т.д. Теперь представьте, что они – электромагнитные силы отталкивания и поверхностное натяжение – сравнялись. Тогда чуть тронь – все рассыплется. Ну а если мы придем к ситуации, когда силы отталкивания больше – никогда не склеите эту систему. Поэтому когда мы подходим к пределу, то это очень напоминает чаши весов. На обоих плечах два гиганта-тяжеловеса. На одной стороне силы сцепления – в энергетической шкале это примерно 2000 МэВ, на другой – силы отталкивания, тоже примерно 2000 МэВ. Весы уравновешены. Стоит маленькую гирьку к любой стороне добавить – ядро либо будет существовать, либо не будет. И тут начинается вся эта музыка относительно того, что на самом деле ядерные весы – это не капля. Поэтому любой отход от капли в ту или другую сторону ваши весы выведет из равновесия и соответственно отодвинет тот предел материального мира, о котором мы говорили.
Н.Т.: Означает ли это, что есть некий пропуск в номерах элементов: тех, которые так мало существуют, что их даже невозможно заметить никакими способами?
Ю.О.: Из того, что я только что сказал, идут большие следствия. Если ядро не капля, тогда отход от капли должен объяснить все аномалии, например, те, о которых Вы говорите. Нужно объяснить аномалию того, что, скажем, такое тяжелое ядро, как свинец, которого много на Земле, – стабильно: живет десятки и сотни миллиардов лет. Но стоит вам, следуя по таблице элементов, уйти за свинец, как моментально начинается резкий распад. Для капли это неестественно. Свинец – 82-й элемент. А у 86-го элемента – полония самый тяжелый изотоп живет 200 дней. Радон живет еще меньше – миллисекунды, микросекунды. И вдруг уран, торий – опять живут миллиарды лет. А дальше – опять нет. Это и есть аномалии, которые в каплю никак не вписываются. Не может быть такого, чтобы маленькая капля была устойчивая, средняя – неустойчивая, а большая снова устойчивая. Капля – аморфное тело, бесструктурное. Значит, в ядре есть структура. Небольшая, но структура. Как арматура внутри. Или можно сказать, что это капля, внутри которой снежинка. Снежинка – это арматура. Если вы нагреете каплю, снежинка растает, будет просто капля. Значит, снежинка играет связующую роль. По каким законам она живет, какую форму имеет? То, о чем я сейчас говорю, имеет масштаб энергии 1, 2, 4 МэВ. По сравнению с электромагнитными силами это тысячные доли, но мы не знаем природу этих новых сил. Поэтому необходимо сначала познать эти силы, чтобы вести какие-то рассуждения с точностью до одной тысячной. Тем не менее, эта одна тысячная в виде гирьки на одной из чаш весов играет важнейшую роль. Для процесса познания такая критическая ситуация – это как раз то, что надо, потому что маленькими изменениями можно добиться громадных эффектов. Потому что, грубо говоря, твой объект исследования очень чувствителен к маленьким изменениям. Но для этого надо уйти на самую границу его существования, дойти до точки «быть или не быть» и в этой точке начинать вести исследования. Тогда эти исследования будут очень информативными. Потому что там не нужны точнейшие приборы, там чуть тронь – и все изменится. Именно этим и обусловлен чисто научный интерес к сверхтяжелым элементам. Это действительно критическая точка, которая проверяет очень многие наши знания относительно существования и пределов существования материального мира.
Н.Т.: Для ученых такая ситуация, когда небольшими изменениями можно добиться больших качественных скачков в процессе познания мира, безусловно, представляет огромный интерес и имеет колоссальное значение. Но что могут извлечь для себя обычные люди, не имеющие отношения к науке, и общество из открытия новых элементов и изучения их свойств?
Ю.О.: Обычные люди ведь много извлекают для себя из электричества? Колоссально много. И обязаны мы этому Фарадею, Максвеллу и их последователям, которые создали строгую теорию. И то, что общество обладает электромагнитной теорией, позволяет ему вести вычисления и делать самые тонкие и изощренные технологии, имея за плечами полное понимание того, что вы делаете. И если вы этого не сделали, то это сделает другой. Тут дело уже в умении, а не в знании.
Такой строгой теории нет в ядерной физике. Необходимо добиться пусть не полного понимания, а хотя бы получить представление о том, насколько правильны существующие модели, где их можно применять, с какой степенью точности они описывают реальные процессы. Это чрезвычайно важно, и это надо делать. В более общем плане это – познание окружающего нас мира. Раз человек живет в этом мире, он должен его познавать. И в этом смысле ядерная физика не является каким-то исключением среди других наук, таких, как, например, биология, химия. В биологии тоже нет точных знаний о том, как сотворить живой организм, но есть большой прогресс в знаниях о молекулах ДНК, РНК – кирпичиков, из которых состоит жизнь. Это есть завоевания науки.
Вместе с тем параллельно с исследованиями сверхтяжелых элементов говорится о новой энергетике, о втором этапе развития атомной энергетики, о создании реакторов 2-го и 3-го поколения. Это масштаб глобальной энергии. Но сколь успешен будет этот прогресс, прямо зависит от того, сколь успешен будет прогресс науки. Пока наши представления о ядерных силах ограниченны и аналогичны игре ребенка с кубиками. Если у него десять кубиков, он немногое может с ними сделать. Дайте ему тридцать, сорок, и возможности его что-нибудь из них построить резко возрастут.
Н.Т.: Когда-то Резерфорда спросили, какое практическое применение может найти открытие атомного ядра. На что он ответил: «Абсолютно никакого». А через несколько лет была открыта цепная реакция, что повлекло за собой изобретение ядерного оружия и ядерной энергетики.
Ю.О.: Вот насчет прямой пользы тут есть тоже интересная деталь. Пользу на тарелке не принесешь. Но другая вещь интересна, что подобные исследования довольно непросто сделать. Для этого нужно создать очень крупные ускорители, суперпрецезионные методы измерения, суметь регистрировать атомы поштучно, набраться терпения и ждать, пока один атом распадется за месяц. Суметь из колоссального массива данных, где 10 миллиардов событий, вытащить одно, которое будет иметь вполне отличительные признаки, составить специальные программы, протеститровать их. Это все очень нетривиально. И очень часто получается, что нет того, что нужно для всего этого. Тогда нужно заниматься созданием того, чего нет. И на пути к конечной цели очень много таких барьеров, которые преодолеваются, но преодолеваются на совершенно новом уровне: так, как об этом раньше никто не думал. Может потому, что раньше это никому не было нужно. И некоторые решения получаются супероригинальными. Такая попутно сделанная конкретная вещь может стать основой совершенно новых технологий, которых даже и в помине не было.
Например, деление ядра на два осколка регистрируется детекторами. Но если событие происходит очень редко, да еще на фоне десяти миллиардов других событий, то зарегистрировать именно то событие, которое ожидается, чрезвычайно трудно. Нет уверенности в безупречности детектора, который фиксирует событие в виде электрического сигнала. Хорошо было бы иметь фотографию события, чтобы можно было с этим событием много раз общаться. И вот выяснилось, что если поставить на пути осколка ядра тонкую полимерную пленку, то осколок пролетит пленку навылет. Специальная полимерная пленка устойчива к щелочи, и если протравить ее щелочью после облучения осколками ядра, то в том месте, где осколок пробил пленку, останется след – трек. И очень интересно, что это повреждение в пленке, который оставил осколок, не залечивается: остается отверстие в пленке, которое видно под микроскопом. Эта технология, очень сильно сработавшая и послужившая колоссальным средством контроля при синтезе сверхтяжелых элементов, обернулась совершенно неожиданным образом. Ускоритель очень мощный и дает тысячу миллиардов таких частиц. Если дырявить этой тысячей миллиардов частиц пленку, потом ее травить, то получим тысячу миллиардов отверстий, размер которых зависит от степени их обработки щелочью. Поскольку частицы, которые дырявят пленку, строго одинаковы по энергии и по массе, то все отверстия получаются строго определенного размера. Можно сделать миллиард отверстий на 1 квадратный сантиметр со скоростью 1 квадратный метр в секунду. Это же суперфильтр, который может отделять бактерии и вирусы в жидкости или газе. Такая вещь может снабдить целую отрасль промышленности, такую, например, как электроника, где нужны сверхчистые условия. Кто думал, рассматривая эти отверстия в экспериментах на ускорителе, что они могут найти такое широкое применение? Теперь эти пленочки дырявят не на том ускорителе, где мы получаем сверхтяжелые элементы, а на специально предназначенном ускорителе, где пучок идет, как в телевизоре, перед ним магнитофон – это пленка, которая движется. Пленка засвечивается пучком, потом проявляется автоматом, и на выходе имеем уже готовый фильтр. Вот вам побочный продукт на пути к сверхтяжелым.
Таких примеров можно привести очень много. Когда ты занимаешься фундаментальными исследованиями, находящимися на переднем крае знания и незнания, то словно неводом гребешь за собой колоссальное количество новых технологий, которые прямо сейчас могут получить путевку в жизнь.
Расскажу о другом примере. Мы работали над детектором для фиксации факта одного ядерного распада за 1 месяц, и в один прекрасный день я получил письмо от атташе по науке английского посольства, который сообщил, что к нему обратились с просьбой английские радиобиологи. Им нужен был сверхчистый изотоп плутония, но не 239-й, который используется в атомной промышленности, а 237-й, безопасный, который дает только рентгеновское излучение. Они читали наши статьи и просили нас при посредничестве английского посольства помочь им получить такой плутоний. Мы сделали такой плутоний чище английского не в 10 раз, как они просили, а в 1000. И два английских профессора совершенно безбоязненно ввели себе в вену этот чистый плутоний для того, чтобы исследовать метаболизм плутония в человеческом организме. То есть для того, чтобы увидеть, как плутоний распределяется по организму, где оседает, как выводится. В Англии это стало сенсацией: русский плутоний инжектируют английским профессорам. Этот изотоп плутония совершенно безопасный – он живет всего 40 дней. Такой метод исследования организма с помощью плутония – своего рода рентгеновский аппарат изнутри. А доза, которую человек при этом получает, меньше, чем та, которую он получает, просто идя по улице. Это уникальное исследование вызвало такой большой спрос на наш плутоний во всем мире, что мы задумались, а не сделать ли технологию его промышленного получения. И один из моих коллег, Сергей Николаевич Дмитриев, посвятил свою диссертацию разработке технологии получения плутония-237. Вот вам пример побочной разработки для соседней науки – радиобиологии. Теперь этим широко пользуются не только в радиобиологии.
Это примеры того, как конечная цель неводом извлекает разнообразные полезные для практической жизни вещи.
Н.Т.: А что для вас интереснее: получить элемент, который уже существовал при возникновении мира или синтезировать совершенно новый, ранее никогда не существовавший элемент?
Ю.О.: Сотворение мира мы не можем воссоздать в лабораторных условиях. То состояние материи, которое имело тогда температуры в миллиарды градусов, в лаборатории не получишь. Поэтому элементы, в том числе и сверхтяжелые, если они были при сотворении мира, сотворить так, как они сотворялись тогда, мы не можем. То, что мы делаем, называется искусственным синтезом. Мы находим пути их получения теми средствами, которые нам доступны. И хотя мы получаем не те изотопы, которые могли существовать тогда, но мы получаем правильное представление о том, как тогда могло это быть. Грубо говоря, в свою модель образования новых ядер, которое происходило тогда и происходит сейчас на далеких звездах, мы можем вложить уже некоторые свойства, которые мы получили в лаборатории. Исследуются и существующие и несуществующие элементы, но так уж получилось, что если ты идешь к границам существования материи, то чем критичнее условия, а отсюда чем точнее мы определяем свойства нуклеосинтеза, тем точнее мы получаем его модель.
Сейчас исследования идут таким образом. Возьмем кальций. Постепенно к его ядру добавляем нейтроны, до тех пор, пока он не перестает принимать их. А последний принявший нейтроны изотоп, перегруженный нейтронами, живет очень мало. И тут начинается самое интересное. Именно в тот момент, когда он нейтронами насытился и следующие уже не берет. Это и есть граница, предел существования нейтронно избыточных ядер. С протонами можно делать то же самое. И если мы посмотрим на наш мир – гряду в море нестабильности, то возникает вопрос, а сколько вообще может быть в ядре протонов и нейтронов, т. Е. грубо говоря, какой можно построить самый большой дом? Из скольких этажей? Из скольких кирпичей? Из 1200, а 1201-й уже обрушит дом? А это зависит от структуры, от архитектуры дома. Архитектура – это силы. Силы неизвестны, но пробуй разные и иди. Ты пробуешь и видишь, что дом стоит, можно идти и дальше. Только надо быть внимательным на 18-м этаже, потому что он определяет устойчивость всего сооружения. Но если очень внимательно его пройдешь, построишь 19-й, 20-й, 21-й и задумаешься только на 35-м этаже, как дальше идти, то у вас будет уже конструкция.
Н.Т.: Получается, что это некая модель сотворения мира: вы заново творите те элементы, которые до нас не дожили.
Ю.О.: Да, к сожалению, планета очень старая, ей 4,5 миллиарда лет. Поэтому мы с вами довольствуемся теми элементами, что живут больше 4,5 миллиардов лет. Это все элементы, стоящие в периодической таблице до урана. А то, что тяжелее – не дожило до нас. Поэтому люди вынуждены производить плутоний, строить реакторы с большой «головной болью», потому что период полураспада плутония 25 тысяч лет. По сравнению с человеческой жизнью это много, а по сравнению с жизнью Земли – мало. Он ведь раньше был, но распался. Теперь его надо делать искусственно. А то ковыряли бы его из земли и строили бы реакторы. Но его нет. Плутоний сотворен руками человека. Причем не отдельные атомы, а сотни тонн. И в этом весь атомный двадцатый век. Это нетривиально: производить новый элемент, на основе которого можно строить те или иные сооружения и получать энергию.
Наталия Теряева
