Продолжительный эксперимент по синтезу нового химического элемента с атомным номером 117 закончился в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ 28 февраля 2010 года. Он стал еще одной, очередной проверкой гипотезы существования «острова стабильности» долгоживущих сверхтяжелых химических элементов.
До экспериментов по синтезу 117 элемента, в Дубне уже синтезировали сверхтяжелые ядра новых элементов с атомными номерами от 112 до 116 и 118 с большим избытком нейтронов.
С 1970 по 1985 годы во многих крупных лабораториях мира были предприняты попытки получить тяжелейшие ядра, для которых ожидалось значительное возрастание их времени жизни. Но все эти попытки были безрезультатными. В таком сложном деле результат не приходит сразу.
В 1975 – 1996 годы дубненским физикам и их коллегам из ускорительных центров в Дармштадте (GSI, Германия), Токио (RIKEN, Япония) и Беркли (LBNL, США) удалось синтезировать шесть новых элементов.
Самые тяжелые элементы от 109-го до112-го были получены впервые в GSI и повторены в RIKEN. Японским физикам в течение 240 дней непрерывного облучения висмутовой мишени ионами цинка-70 удалось зарегистрировать всего два события, относящиеся, предположительно, к распаду 113-го элемента. Но периоды полураспада наиболее тяжелых ядер, полученных в этих реакциях, составляли всего лишь десятитысячные и тысячные доли секунды. Из-за недостатка нейтронов они располагались далеко от гипотетического «острова стабильности». Потому что теория могла проверяться только для ядер сверхтяжелых элементов, обладающих значительным избытком нейтронов. Именно там, согласно теоретическим представлениям, располагается гипотетический «остров стабильности».
Ученым из Дубны удалось сделать то, что оказалось не под силу их немецким, американским и японским коллегам. Удалось потому, что они кардинально изменили подход к синтезу сверхтяжелых ядер.
Вместо свинца и висмута (с мишенями из этих материалов работали зарубежные коллеги дубненцев) группа из Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ использовала мишени из изотопов искусственных трансурановых элементов с большим избытком нейтронов, нарабатываемых в ядерных реакторах.
В качестве снаряда был выбран исключительно редкий и весьма дорогой изотоп 20-го элемента – кальция-48 массой 48. По отношению к основному изотопу этого элемента, кальцию-40, его ядро имеет 8 дополнительных нейтронов. На ускорителе тяжелых ионов ЛЯР впервые удалось получить интенсивный пучок ускоренных ионов кальция-48. Материал мишени – изотопы плутония, кюрия и калифорния (элементы 94, 96 и 98) – наработали на мощных реакторах Национальной лаборатории в Окридже (США) и Научно-исследовательского института атомных реакторов в г. Димитровграде Ульяновской области.
Результаты, полученные в экспериментах 2000 – 2004 годов в Дубне на пучке ионов кальция-48, превзошли даже самые оптимистические ожидания. В течение пяти лет именно в этих реакциях впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118. И впервые было показано, что живут они в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники. Физики вступили на «остров стабильности» и почувствовали твердый грунт под ногами. Через 5 – 8 лет результаты Дубны по синтезу 112 и 114 элементов повторили и в других лабораториях мира.
Наиболее интригующих результатов в этих исследованиях в Дубне ожидали при синтезе элементов с нечетными атомными номерами, в частности, при изучении свойств радиоактивного распада 117, 115-го и 113-го элементов. Теоретики предсказывали, что 117-й элемент должен испытывать альфа-распад и трансформироваться в 115-й элемент. Тот, в свою очередь, в результате аналогичного процесса, должен переходить в элемент 113. Затем можно было ожидать появление элемента с номером 111. То есть эксперимент позволял наблюдать ядерные превращения в нескольких поколениях последовательного распада ядер нового элемента до тех пор, пока этот процесс последовательного испускания альфа-частиц не оборвется на ядре, которое просто распадется на две части. Этот момент означал бы, что мы подошли к береговой линии, дальше – «море нестабильности».
Постановка эксперимента по синтезу 117 элемента приобрела реальные очертания лишь после успешного завершения в Дубне всего цикла работ по синтезу и изучению свойств распада 115 и 113 элементов.
Эксперимент требовал серьезной подготовки. Дело в том, что 117 элемент в ядерной реакции с пучком кальция-48 может быть получен только с использованием мишени из изотопа искусственного 97-го элемента – берклия-249. Период полураспада этого изотопа составляет всего 320 дней. Из-за короткого времени жизни наработку берклия в требуемом для мишени количестве (20 – 30 миллиграммов) необходимо вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов. Такая задача по плечу только изотопному реактору Национальной лаборатории США в Окридже, которая находится на другом континенте по отношению к России. В этой лаборатории, созданной в 1943 году в рамках Манхэттенского проекта, был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы.
Кроме лаборатории в Окридже, в дубненском эксперименте по синтезу 117-го принимали участие также ученые другой американской Национальной лаборатории в Ливерморе (в штате Калифорния), Университета Вандербильта (в штате Теннесси, США) и НИИАР в Димитровграде. Забегая вперед, скажу, что название элемента 117, синтезированного в Дубне, стало подарком российских ученых американским коллегам – элемент назвали «теннесин»
Между пятью группами исследователей, работавшими на разных континентах, быстро установился рабочий контакт. Из-за временного фактора (с момента производства берклия, его количество убывает вдвое через 320 дней!) все работы велись в высоком темпе. Причем не только физиками. Официальные структуры России и США, связанные с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности, тоже должны были, вопреки обычному режиму, действовать быстро.
За 250 дней работы реактора в Окридже к концу декабря 2008 года было наработано требуемое количество вещества для мишени. Три месяца облученный образец «остывал», потом в два этапа из него были выделены и очищены от посторонних примесей 22,2 миллиграмма изотопа берклия-249.
В начале июня 2009 года контейнер прибыл в аэропорт Москвы. Затем он последовал непосредственно в Димитровград, где в НИИАР была изготовлена мишень в виде тончайшего слоя берклия (300 нанометров), нанесенного на тонкую титановую фольгу. В июле шесть пластин фольги с берклием общей площадью 36 квадратных сантиметров, укрепленные на диске, который должен вращаться со скоростью 1700 оборотов в минуту, доставили в Дубну. К этому моменту в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ все подготовительные работы были завершены. После краткосрочных испытаний началось непрерывное облучение мишени интенсивным пучком кальция-48.
Образовавшиеся в ядерном слиянии берклия (97 протонов) и кальция (20 протонов) ядра 117 элемента (97 + 20 =117 протонов) во время облучения отделяются в сепараторе от огромного количества побочных продуктов реакции и через одну микросекунду попадают в детектор, регистрирующий их распад.
Уже в первом, 70-дневном облучении мишени из берклия-249, ученым сопутствовала удача: детекторы пять раз зарегистрировали идентичную картину образования и распада ядер 117 элемента. Как и ожидалось, ядра 117 элемента испускали альфа-частицу и трансформировались в ядра 115 элемента. В результате второго распада 115 элемент превращался в 113, затем 113 элемент переходил в 111. На этом последовательные распады закончились. 111-й элемент испытывал спонтанное деление с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе – это огромное время!
Поскольку каждое ядро в цепочке распада измеряется по трем параметрам, а сама цепочка состоит из четырех ядер, и такие цепочки были зарегистрированы пять раз в течение эксперимента, любые случайности, имитирующие образование и распад ядер 117 элемента полностью исключены. Элемент №117 узнаваем с абсолютной точностью.
В процессе синтеза 117-го удалось узнать кое-что новое о тех элементах, на которые он распадался. Например, внучатое ядро с атомным номером 113 оказалось более чем в 10 раз стабильнее соседнего изотопа, полученного ранее в эксперименте по синтезу 115 элемента. А период полураспада 111 элемента – правнука 117 элемента – по сравнению с известным изотопом 111 элемента, у которого всего на 3 нейтрона меньше, увеличился примерно в 6000 раз! Различие было бы еще большим, если бы цепочку распадов не оборвало спонтанное деление.
Фактически результаты эксперимента не только подтвердили факт синтеза нового117-го элемента, но и показали значительное удлинение жизни четырех новых ядер (продуктов распада 117-го) по мере их подъема к вершине «острова стабильности». Теперь можно изучать химические свойства новых элементов.
С той стороны, с которой ученые подошли к заветному острову, исследования его заметно расширились. А значит, наше понимание строения ядра стало ближе к истине. Ведь точной модели ядра и строгой теории ядерных взаимодействий, которая была бы столь же понятна как электромагнитные взаимодействия, пока не существует. Мы постепенно приближаемся к пониманию тайн природы, но все еще далеки от полного знания.
Похоже, ядерная физика чем-то напоминает медицину – обе науки движутся экспериментальным путем к познанию законов природы. Удовлетворение от эксперимента исследователь получает, когда видит, что предсказание, ради проверки которого ставился эксперимент, оказалось правильным, или наоборот – совершенно неожиданным. В этом его счастье. Но получение ожидаемого результата означает, что сделан еще один шаг на правильном пути познания.
Наталия Теряева
