Насколько тяжелым может быть атомное ядро?

С момента синтеза и онаружения пяти новых химических элементов с атомными номерами 107, 108 и 109 в 1981-1984 гг. и с атомными номерами 110 и 111 в конце 1994 - несомненным стало нахождение исследовательской группы GSI на переднем краю общемировых попыток расширить таблицу Менделеева. И эти возможности еще не исчерпаны. Даже "магическое" ядро элемента 114 близко к своему открытию.

Вопрос, связанный с верхней границей стабильности атомных ядер - проще говоря, вопрос о максимальном размере и массе, которые атомные ядра могут иметь - имеет не толко фундаментальную важность для физики ядерной структуры. Он также имеет непреходящее значение для нашего понимания структуры материи во Вселенной. Таким образом, ответ на этот вопрос является одной из главных целей исследований GSI, и главная причина их поисков.

Многие свойства атомных ядер могут быть описаны по аналогии с каплей жидкости. "Капельная модель" ядер, базирующаяся на этой иее, дает надежные предсказания атомных масс и энергий связи. Однако, она ничего не говорит о внутреннем расположении протонов и нейтронов в ядерной "капле". Это внутреннее взаимодействие, естественно, определяет свойства ядерных систем, например, точную энергию связи. Подобно электронной оболочке в атоме, атомное ядро также состоит из оболочек, которые завершаются определенным количеством протонов и нейтронов, называемых "магическими числами", ведущих к относительно устойчивым конфигурациям. Показательными примерами этого явления могут сичтаться "дважды магические" ядра гелия-4, кислорода-16, кальция-40 и кальция-48, а также свинца-208. В этих ядрах как число протонов, так и число нейтронов образует завершенные оболочки, поэтому эти ядра обладают значительно более высокой энергией связи.

Примерно в начале 1960-х годов возник вопрос, могут ли эти оболочечные эффекты проявляться в ядрах тяжелее урана таким образом, чтобы эти ядра были достаточно устойчивыми для их обнаружения в следовых количествах в природе или для возможности их синтеза. "Дважды магическая" конфигурация, подобная свинцу-208, была предсказана для ядра ²⁹⁸114 ( верхний индекс означает общее количество нуклонов, т.е. протонов и нейтронов), со 114 протонами и 184 нейтронами в ядре. Первые вычисления, сделанные в 1966 году, предсказали "остров стабильности" в этой области, с изотопом ²⁹⁸114 в центре. Это было рождением идеи о сверхтяжелых элементах и дало старт экспериментальным попыткам их обнаружить.

Этот вопрос был поставлен, когда Кристоф Шмельцер рекомендовал конструкцию универсального ускорителя тяжелых ионов (UNILAC) в Германии. Такой ускоритель позволил заняться систематическими исследованиями всех атомных реакций, в которых смогли бы появляться сверхтяжелые элементы. С момента основания GSI в 1969 году было положено началоработы германских физиков в области исследования тяжелых ионов.

***

Сначала все казалось просто: для сверхтяжелых элементов предсказывалось время жизни, сравнимое с ураном и торием, и предсказывалось их получение в макроскопических количествах. С точки зрения химии, казалось, были открыты двери для получения новых соединений и материалов, говорилось о том, что новые атомы станут топливом для атомной энергетики. Но к началу 1980-х, после нескольких лет общемировых исследований, стало ясно, что сверхтяжелые элементы будут короткоживущими и сложными в производстве. Все попытки синтезировать их или найти их следы в геологическх материалах оставались безуспешными. С точки зрения идеи, синтез сверхтяжелых элементов был, казалось бы, близок к завершению. Поиск путей к синетезу этих элементов лицом к лицу со всеми возникшими трудностями были и остается одним из величайших успехов GSI.

Ускоритель UNILAC был первым ключом к решению задачи синтеза тяжелых элементов. С его цепью индивидуальных резонаторов - первоначально такая концепция была реализована в линейном ускорителе - стало возможным изменять энергию ионов на небольшую величину и устанавливать их энергию в том диапазоне, который и был необходим для реакции.

Вторым "ключом" стал фильтр скорости SHIP (Separator for Heavy Ion Reaction Products - разделитель продуктов тяжелоионных реакций), который был построен во взаимодействии со вторым физическим институтом университета Гессена и введен в действие одновременно с UNILAC. SHIP имел задачу отфильтровать результаты реакции - крайне редкие продукты слияния ядер. Это, без преувеличения, подвиг - обнаружить одно сверхтяжелое ядро в день на фоне более чем трех триллонов частиц пучка и продуктов реакции, проходящих через фильтр за секунду.

Пучок частиц, идущий из UNILAC'а, сталкивался с тонким слоем висмута, нанесенным на дискообразную мишень. Мишень быстро вращалась вокруг своей оси, чтобы избежать перегрева.

Процесс разделения, который непосредственно реализовывался на двухэтапном фильтре скорости, был основан на принципах, изложенных немецким физиком Вильгельмом Вином (1864-1928). В фильтре использовалась комбинация электрическрого и магнитного отклоняющих полей, которые распределялись таким образом, что могли выделять частицу со строго определенной скоростью - синтезированный сверхтяжелый элемент. Другими словами, пересечение двух типов полей совершалось таким образом, что толко одно сверхтяжелое ядро могло пройти - а триллионы бомбардирующих частиц и других продуктов реакции пройти не смогли. Таким образом удавалось найти пресловутую иголку в стоге сена и обнаружить буквально единичные атомы сверхтяжелых элементов.

Третьим ключом к успеху стали методы детектирования. Скорости всех тяжелых ядер, проходящих через SHIP, определяются по времени их пролета через фильтр. Это третье измерение скорости, следующее за повтроной селекцией по скорости в спектрометре. Координатно-чувствительные кремниевые поверхностно-барьерные контейнеры, в которые частицы затем попадают, определяют местонахождение и энергию каждой частицы.

Благодаря такой высокой чувствительности процесса, любой изотоп со сколь угодно низкой скоростью производства может быть зафиксирован в GSI. Сейчас немногие ядерные спектрометры способны достичь чувствительности SHIP.

Для точной идентификации захваченного ядра, их характеристики распада определяются с помощью кремниевого детектора: общая цепь распада от "родительских" ядер через их дочерение изотопы к следующим и еще следующим продктам распада. Процесс основан на корреляционном методе, согласно которому продукты распада захваченного ядра имеют примерно те же самые координаты на детекторе, и мы можем коррелировать одно с другим. Распад нового, предположительно неизвестного изотопа, например, сверхтяжелого элемента, должен недвусмысленно коррелироватьсяс уже известными распадами сгенерированных им дочерних изотопов. Цепочки распада наблюдаются вплоть до пятого поколения.

Вероятность совершения такого события составляет меньше чем 1 на 10¹⁶, или в миллиард раз меньше, чем, например, правильно угадать шесть номеров в лотерею. Каждое такое обнаруженное событие чрезвычайно значительно, поскольку всесте взятые, эти события свидетельствуют о присутствии сверхтяжелого элемента.

***

Эта триада - UNILAC, SHIP и корреляция распадов - до сих пор, однако, недостаточна, чтобы достичь цели. Необходимы также новые открытия в физике. Еще до появления UNILAC'а российская исследовательская группа во главе с Ю.Оганесяном из Дубны показала, что при слиянии двух ядер с устойчивыми оболочками (например, свинца-208 или аргона-40) составное ядро будет иметь очень низкую энергию возбуждения. Этот результат проявляется в малом числе испущенных ("испаренных", по жаргону ученых) нейтрнов. Такое соединение еще называют "мягким слиянием": поскольку в этом виде реакций составное ядро очень слабо "нагрето", такая реакция кажется идеальным слиянием. Как мы теперь знаем, успешный синтез сверхтяжелых элементов очень сильно зависит от величины энергии возбуждения составных ядерных систем. В другой конфигурации взаиможействующие ядра делятся на два более легких фрагмента.

Применение этого открытия ломает последний барьер на пути производства сверхтяжелых элементов. Первый успех в этой области был отмечен исследователями GSI в 1980 году. Путем реакции свинца-208 с титаном-50, они получили изотоп ²⁵⁷104 с испусканием одного нейтрона. Кроме этого, технология "мягкого синтеза" имеет и другие экспериментальные преимущества: в отличие от радиоактивных актиноидов, исползуемых в других реакциях, свинец и висмут более доступны и более просты в использовании.

С тех пор GSI стала мировым лидером в синтезе сверхтяжелых элементов. В период с 1981 по 1984 год были синтезированы элементы 107, 108 и 109.

(комментарий редакции сайта: немецкий автор слегка искажает истину. Элемент номер 107 был впервые синтезирован в СССР в Дубне в 1976 году, а элементы номер 108 и 109 - там же на рубеже 19070-х и 1980-х годов)

Эти элементы позже были названы соответственно нильсборий (в честь датского физика Нильса Бора), хассий (гессий) - в честь германской земли Гесс, где расположен GSI и мейтнерий - в честь австрийского физика Л.Мейтнер.

(комментарий редакции сайта: вообще говоря, название "нильсборий" было дано элементу номер 105 его советскими первооткрывателями. Согласно правилам ЮПАК, на которые любят ссылаться заграничные плагиатчики, после этого уже нельзя использовать название "нильсборий" для какого-либо другого элемента, даже если ЮПАК и не признает название "нильсборий" для 105-го элемента).

После нескольких подтверждений этих результатов путем повторения экспериментов, усовершенствование детектора SHIP продолжалось до 1988 года. Эти модификации улучшили чувствительность более чем на порядок.

К 1994 году все подготовки были завершены и охота за новыми более тяжелыми элементами началась. Первый успех пришел 9 ноября 1994 года, когда - в результате реакции свинца-208 с никелем-62 и испусканием одного нейтрона - было идентифицировано ядро изотопа ²⁶⁹110. Элемент 110 был наконец открыт, и GSI обогнал конкурирующие лаборатории - Дубну и Беркли.

(комментарий редакции сайта: если быть точным, элемент номер 110 был впервые синтезирован в Дубне в 1986 году. Немецкому автору, естественно, «не выгодно» об этом упоминать)

23 ноября 1994 года, в реакции с использованием этой же самой мишени, но с никелем-64 в качестве бомбардирующей частицы был получен изотоп ²⁷¹110 - на два нейтрона тяжелее. 8 декабря 1994 года последовал очередной сюрприз - открытие элемента номер 111. Изотоп ²⁷²111 был создан путем "мягкого слияния" висмута-209 и никеля-64 с испусканием одного нейтрона.

Все изотопы элементов от 107 по 111, синтезированные в GSI, за редким исключением, альфа-активны, т.е. распадаются с использованием ядер гелия. Наблюдаемые цепочки альфа-распадов и есть характеристики сверхтяжелых элементов.

Причиной такого распада является резко уменьшенная вероятность распада - следствие оболочечной стабилизации - проще говоря, ядро может перейти в более устойчивое состояние только через альфа-распад. Между тем, благодаря теоретикам, мы теперь знаем намногобольше о механихме оболочечной стабилизации. Согласно теории, можно ожидать, что ядра, синтезированные в Дармштадте, будут изотопами с деформированной оболочкой. Экспериментальное подтверждение этой деформации, однако, еще только предстоит.

Деформация претерпевает изменения в районе 170 нейтронов. Ядра, дошедшие до этой точки, будут иметь структуру, похожую на мяч. Для свехтяжелых элементов, которые известны, таким образом более легкие изотопы деформированы, а более тяжелые изотопы - сферические. Для последних ожидается больший период полураспада. Однако ядра, обладающие большим числом нейтронов, трудно получить путем слияния стабильных изотопов. В настоящее время еще нет примеров их успешного синтеза.

На пути к 114-му элементу

Эксперименты, проведенные в конце 1994 года, продемонстрировали существование пяти новых изотопов элементов с номерами от 107 до 111 - количество известных к тому моменту сверхтяжелых элементов практически удвоилось. Более того, эти эксперименты являются этапом на пути к еще более тяжелым элементам, таким как "магический" 114-й элемент. При производстве изотопов ²⁶⁹210 и ²⁷¹110 при слиянии свинца-208 с никелем-62 и никелем-64 соответственно - добавление двух нейтронов увеличивает измеренную скорость их производства на 4 порядка. Однако при переходе к следующему тяжелому элементу вероятность слияния уменьшается на этот же самый порядок. Как следствие, выход изотопа ²⁷²111 при слиянии висмута-209 с никелем-64 примерно такой же самый, что и для изотопа ²⁶⁹210.

Если никель-64 заменить более тяжелыми бомбардирующими частицами с четным числом нейтронов, то механзм реакции существенно не изменится, и при этом можно будет синтезировать элементы 113 и 114 на существующей установке. При использовании цинка-70 или германия-76 будут получены изотопы ²⁷⁸113 и ²⁸³114. Все эти изотопы подвержены альфа-распаду с периодом менее одной миллисекунды. После удачного открытия 110 и 111 элементов 112-й и 114-й кажутся такими же доступными.

Путь к предсказанному центру сверхтяжелых элементов появляется на горизонте, через 30 лет после того, как было постулировано его существование. Производство 114-го элемента будет величайшим трумфом физики ядерной структуры и поэтому в ближайшие годы будут предприняты предприняты существенные усилия по экспериментальному достижению этой цели.

(комментарий редакции сайта: уже после написания данной статьи, в 1998 году, элемент 114 был получен в российской Дубне. Наши подтвердили свою репутацию мировых лидеров)

1995 год