СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ
В ИССЛЕДОВАНИИ СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ЧАСТЬ 1. ВСТУПЛЕНИЕ
Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н.Флерова в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне – мировой лидер в области синтеза новых химических элементов. Если трансурановые элементы от нептуния (атомный номер 93) до менделевия (номер 101) были открыты американцами, то все последующие элементы были открыты в Дубне: в 1960-е годы здесь были впервые синтезированы элементы с атомными номерами 102-104, в 1970-е – элементы 105-107, в 1980-е – элементы 108-110. После общеизвестных событий 1991 года, когда финансирование науки было прекращено и стоял вопрос об закрытии института вообще, конкуренты вырвались было вперед, но в 1998 году ученые Дубны сумели взять реванш, первыми в мире синтезировав элемент номер 114 – центр давно предсказанного “острова относительной стабильности”. Свойства открытого элемента показали, что “остров стабильности существует”, и теперь есть смысл выделять ресурсы на поиск высоконейтронных изотопов этих элементов с числом нейтронов 184, которые, по прогнозам, могут жить сотни миллионов лет. В 1999-2003 годах в Дубне были впервые открыты элементы с атомными номерами 113-118.
На первый взгляд кажется, что синтез этих элементов в количестве единичных атомов может иметь лишь сугубо теоретический интерес. Однако, во-первых, само по себе дальнейшее продвижение вглубь свойств материи весьма важно, во-вторых, не исключено, что в перспективе, если удастся накопить измеримые количества их долгоживущих изотопов, они могут представлять и практический интерес – например, их очень малая критическая масса деления (порядка миллиграммов) поможет достичь прорыва в атомной энергетике, что актуально в современных условиях исчерпания ресурсов традиционной энергетики. Поэтому государству есть смысл более внимательно отнестись к поддержке этих работ.
Наш корреспонедент встретился с несколькими сотрудниками ОИЯИ и задал им ряд вопросов о современном состоянии дел в области синтеза сверхтяжелых элементов. Ниже приводим ответы с некоторыми нашими комментариями.
ЧАСТЬ 2. ИНТЕРВЬЮ
1. Хронология открытия новых элементов и реакции, с помощью которых они были открыты, достаточно детально описано в литературе. Поэтому начну с не совсем традиционного вопроса. Вероятно, Вам известна такая история: когда первооткрывателю ядерных реакций Эрнесту Резерфорду задали вопрос, когда, по его мнению, ядерная энергия найдет практическое применение, он ответил: “Никогда! Или, в крайнем случае, не раньше чем через 200-300 лет”. Было это за 5 лет до запуска первого атомного реактора. Сейчас, после первых успехов на пути к “острову относительной стабильности” в прессе часто встречаются утверждения, что если удастся произвести действительно долгоживущие изотопы элементов “острова относительной стабильности”, то они с их чрезвычайно малой критической массой могут произвести резкий прорыв в ядерной энергетике. Каково Ваше отношение к этим прогнозам: вы повторите прогноз Резерфорда или у Вас более оптимистичные прогнозы?
Скорее, ближе к Резерфорду. Темпы продвижения в этой области можно оценить, например, при синтезе элемента номер 104: в момент открытия, когда он назывался курчатовием, его синтезировали со скоростью 1 атом за 6 часов, сегодня, когда он называется резерфордий, в последних экспериментах его синтезируют со скоростью 1000 атомов в час. Эти цифры позволяют составить впечатление о прогрессе ускорительной техники. Для того, чтобы ставить вопрос о получении этих элементов в обозримых количествах, требуются большие затраты времени и ресурсов, чего мы в нынешних условиях не можем себе позволить. [1] (цифры в квадратных скобках – наши комментарии к высказанной информации)
2. Для получения изотопов элементов с Z=114 и N=184 в литературе предлагалась реакция по столкновению двух атомов урана. Что мешает ее осуществлению – какие-либо принципиальные технические сложности или отсутствие средств на производство нового ускорителя?
Да, в свое время такая реакция предлагалась и она могла бы привести к результату, поскольку у атом урана отношение числа нейтронов к числу протонов выше, чем у легких элементов, которые сегодня используются в качестве бомбардирующих частиц.
Однако такая реакция наталкивается на значительные трудности. Во-первых, чем более “симметричная” реакция, тем она невыгоднее, поскольку энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера, пропорциональна произведению зарядов ядер. И в “симметричной” реакции энергия возбуждения получается очень высокая, что ведет к быстрому делению возбужденного ядра [V].
В свое время отдельные попытки провести реакцию U+U проводились, но не увенчались успехом: все тяжелые продукты реакции ушли в деление [II]
Хотя ускоритель У-400 не в состоянии ускорять ионы урана так же, как сейчас там ускоряют более легкие. В книге К.Хоффмана, написанной во время сооружения этого ускорителя, говорилось о том, что этот ускоритель сможет ускорять уран, но в реальности это не реализовано. Сейчас готовится модернизация этого ускорителя в рамках проекта DRIBS – путем фотоделения ядер урана будут образовываться богатые нейтронами изотопы, в частности “дважды магическое” ядро 132Sn или аналогичные ему устойчивые изотопы с “магической” оболочкой, что, вероятно, должно приблизить нас к получению более высоконейтронных изотопов элементов “острова стабильности” [III].
3. После того, как были изучены свойства “легких” изотопов 112-118 элементов, как Вы считаете, оправдался ли прогноз относительно того, что центром “острова стабильности” будет изотоп с Z=114 и N=184, или же опыты внесли коррективы в эти цифры. Какие Вы дадите оценки времени жизни этих элементов?
Верхняя граница жизни для элементов “острова относительной стабильности”, по прогнозам, может достигать до миллиарда лет. Причем если по спонтанному делению самый устойчивый – это действительно должен быть 114-й, то по альфа –распаду – это 108-й, химический аналог осмия. До сих пор искали только следы 114-го в свинцовых рудах, а 108-й в осмии никто не искал. В следующем году планируется эксперимент, чтобы восполнить этот пробел. [IV]
Интересен недавно синтезированный 268-й изотоп 105 элемента. Было синтезировано 3 его атома – каждый из них жил около 15 часов.
4. Ставятся ли на ближайшее будущее планы синтеза элементов из восьмого периода таблицы Менделеева? Если да, то каковы Ваши прогнозы относительно строения 8 периода: будет ли в нем 32 элемента, как в двух предыдущих периодах, или 50 элементов с учетом заполнения g-оболочки, или же из-за квантовых эффектов следует ожидать каких-либо принципиальных изменений? Как Вы считаете, по итогам проведенных экспериментов: имеют ли основания гипотезы о существовании второго “острова относительной стабильности” в районе Z=164? Каковы границы периодической системы, связанные с захватом электронов с орбиты при некотором критическом значении массы атомного ядра?
Теоретически возможен устойчивый 164-й элемент возможен как удвоенная оболочка с Z=82. Что же касается конкретных свойств, то теория может только указать на общее направление поисков, а конкретные свойства может указать только эксперимент.
Что касается перспектив синтеза элементов из 8 периода, то существующие на данный конкретный момент ресурсы, увы, пока не позволяют всерьез говорить об этом, так что это предмет более отдаленной перспективы.
5. Многие люди задают вопрос: почему после 1991 года из таблицы Менделеева исчезли названия “курчатовий” и “нильсборий”, но остались названия “нобелий” и “лоуренсий”, данные для этих элементов в результате ошибочных опытов? Причем если более детально вникнуть вопрос, то можно увидеть, что ЮПАК нарушает свои же собственные правила. Вот, например, элемент 103: советские открыватели предлагали назвать его резерфордием, а американцы – лоуренсием. Хорошо, допустим, ЮПАК предпочло название “лоуренсий”. Но, по правилам ЮПАК, они теперь не имеют права использовать и название “резерфордий” для других элементов. Почему же они дали это название элементу №104? Были ли политические мотивы в решении ЮПАк убрать из таблицы Менделеева имена Курчатова и Жолио-Кюри?
Сегодня первооткрыватель имеет право лишь предложить названия для элементов, а окончательное решение принимает ЮПАК. Учитывая, что сегодня ЮПАК контролируют американцы, то, естественно, они и определяют условия.
По конкретным названиям: относительно нобелия ЮПАК утверждает, что если оспаривать название “нобелий”, то, получается, что мы оспариваем полномочия всех нобелевских лауреатов.
Что касается курчатовия, то ЮПАК утверждает, что Курчатов – это был не ученый, а политический деятель, организатор атомной отрасли. Американцы говорят: “у нас организатором ядерной отрасли был Оппенгеймер, так что, нам в его честь элемент назвать?”[VI]
По поводу резерфордия – то мы как-то не обратили внимания на нарушение ЮПАКом своих правил прие го названии.
А что же касается политических причин, то, вообще говоря, замазаны очень многие ученые, увековеченные в таблице Менделеева: например, Эйнштейн был одним из первых инициаторов создания ядерного оружия, а Ферми подписал разрешение на взрыв атомных бомб в Японии.
Мы сегодня не считаем нужным оспаривать названия, данные ЮПАК в 1997 году. В свое время по поводу названий было много конфликтов, а после решения ЮПАК был установлен определенный компромисс.[VII]
6. В отношении элементов с атомными номерами от 104 до 110 в литературе, изданной в советское время (например, в книгах Г.Флерова “На пути к сверхэлементам”, К.Хоффмана “Можно ли сделать золото”, Э.Оганесяна “Пособие по химии для поступающих в вузы”) четко говорилось, что эти элементы были впервые синтезированы в Дубне, а конкуренты из Беркли и Дармштадта сумели их синтезировать значительно позже нас. Однако в современной литературе либо утверждается, что “приоритет в открытии этих элементов является предметом спора”, либо же пальму первенства прямо отдают конкурентам. Какая же из двух этих точек зрения правильная?
Вообще говоря, никто и не спорит, что эти элементы открыли у нас: Оганесян на международных конференциях рассказывает о своих открытиях и его все признают его приоритет. Бывают, конечно, со стороны наших конкурентов и претензии, как было в случаях со 102 и 103, или совсем недавно, в 2001 году, правда, был случай, когда американцы объявили об открытии 118-го элемента раньше нас, но это оказалось липой. Что является проблемой их совести.
Когда в 1998 году искали плутоний-244 для синтеза 114-го элемента, приходилось выпрашивать его у американцев. Сейчас мы от них мало зависим: уже кюрий-248 для последующих экспериментов мы получали частично у американцев, частично в Димитровграде, а америций-243 и калифорний-249 для самых последних экспериментов мы получали исключительно в Димитровграде. В наших работах американцы идут как соавторы, но даже если не будут участвовать, то от этого мало что изменится.
7. Ставится ли учеными Дубны вопрос о предложениях по названиям для синтезированных в Дубне элементов №114-118? Например, с предложением о присвоении одному из элементов имени Г.Н.Флерова (если в таблице Менделлева уже есть имя Сиборга, то, соотвестственно, должно быть и имя Флерова), а также об увековечении памяти ряда других деятелей нашей атомной науки?
На официальном уровне пока не ставится, пока еще мы можем это только обсуждать в частных разговорах. Вообще, имеется такая практика: если ты открыл элемент, то открытие признается только после того, как твое открытие подтвердили другие, и только тогда можно ставить вопрос о названии. А если ты сильно опередил всех в развитии, то и подтвердить твой приоритет некому.
8. Как вы считаете, достаточное ли внимание проявляет нынешнее государство к проводимой Вами работе, например, в части должного материального обеспечения проводимых экспериментов? Что сейчас изменилось в этом отношении по сравнению с советскими временами?
В СССР на ОИЯИ выделялось 50 миллионов рублей в год. Сегодня на проект DRIBS требуется 2,7 млн долларов, где их взять – непонятно. Бюджета и коммерческих разработок хватает только на то, чтобы как-то существовать. В первые годы нас спасали немецкие коллеги.
РФФИ выделяет гранты, но они их выделяют только на каждый отдельный эксперимент, а на содержание и развитие инфраструктуры этого не хватает. Да и выбивать из РФФИ эти гранты приходится с большими унижениями.
Сегодняшний уровень финансирования ОИЯИ позволяет лишь хоть как-то поддерживать существование, но не позволяет делать качественное развитие.
ЧАСТЬ 3. Заключительные выводы.
По итогам высказанной информации сделаем некоторые выводы и рацпредложения по данной области.
[I] Таким образом, для получения данных изотопов в количествах, больших, чем сейчас, необходимо повышение в первую очередь тока ионов в ускорителях. Один из возможных вариантов создания ускорителя с очень большим потоком ионов – это проект ускорителя, описанный в дипломной работе автора (ссылка на нее дана в материале с предложением о создании ускорительно-вычислительного комплекса, расположенная в интернете по адресу http://www.minspace.ru/114.html). Когда государство наконец начнет проявлять интерес к науке, то этот проект можно будет реализовать,
[II] Возможно, в опытах по проведению реакции U+U и были получены долгоживущие высоконейтронные изотопы элементов “острова относительной стабильности”, но их распад не был зафиксирован из-за большого времени жизни? То есть, например, в такой реакции было получено 10 атомов изотопа 298114, а его время жизни составляет, допустим, 100 миллионов лет. Нетрудно подсчитать, сколько придется ждать хотя бы одного распада. Есть смысл проверить такую возможность.
[III] в проекте DRIBS можно получить новое приближение к центру с Z=114 и N=184. Если это окажется очередным подтверждением существования центра “острова относительной стабильности” вокруг Z=108 или 114 и N=184, тогда будет смысл ставить вопрос и на выделение средств на ускоритель U+U. Хотя можно делать эти вещи и параллельно, подобно тому, как во времена первого атомного реактора разрабатывались параллельно графитовый и тяжеловодный реакторы
[IV] есть подозрение, что обнаружить сверхэлементы в природе не получится. Во-первых, если их время жизни намного меньше возраста Земли, то они давно распались,а если их время жизни сравнимо с возрастом Земли, то распада единичных атомов, что называется, замучаешься ждать. Во-вторых, в природе нуклеосинтез тяжелых ядер может идти лишь путем захвата нейтронов – а такие реакции обрываются на 258Fm.
[V] Предлагается такое решение этой проблемы: перебрать все возможные промежуточные реакции: от ныне планируемой на
132Sn до гипотетической реакции U+U, и, возможно, среди них удастся найти такие реакции, для которых энергия кулоновского возбуждения будет примерно равна энергетическому выходу – в этом случае получатся вполне приемлемые значения итоговой энергии возбуждения ядра и шансы обнаружить его в целом виде.[VI] Чисто субъективные комментарии автора по поводу аргументов ЮПАК, что “Курчатов – не ученый, а политический деятель”. Начнем с того, что Нобель – ученый в значительно меньшей степени, чем Курчатов. Далее, если американцы хотят назвать какой-либо элемент именем Оппенгеймера, то ради бога - открывайте и называйте. Другое дело, что открыть новый элемент раньше нас американцам будет очень трудно, но это их проблемы. И, наконец, Курчатов занимался в первую очередь научной стороной атомного проекта, а его организатором, кстати говоря, был Лаврентий Павлович Берия. Далее, у американцев очень двойные стандарты: выступая против наличия в таблице Менделеева имени создателей советского и французского ядерного проектов - Курчатова и Жолио-Кюри - они упорно пытались дать 105-му элементу имя... Отто Гана - организатора ядерной отрасли фашистской Германии
! Так, например, различные интернет-энциклопедии, например, расположенная по адресу http://persona.rin.ru/cgi-bin/rus/view.pl?id=17532&a=f&idr=, рассказывают следующее:“Германия проявляла особый интерес к использованию процесса ядерного распада для усиления своего военного потенциала, и вскоре после начала второй мировой войны вермахт создает центр ядерных исследований. Ган был подключен к этим проектам, хотя и занимался лишь фундаментальными проблемами по изучению продуктов ядерного расщепления”.
Ага, “лишь фундаментальными проблемами”. Сразу вспоминается классический эпизод:
“- Это верно, - согласился Холтофф. - Вы правы. А вот по частностям я готов поспорить. Рунге утверждал, что надо продолжать заниматься изучением возможностей получения плутония из высокорадиоактивных веществ, а именно это вменялось ему в вину его научными оппонентами. Именно они и написали на него донос, я заставил их в этом признаться” (Юлиан Семенов, “Семнадцать мгновений весны”.)
Как видите, фундаментальнее некуда
[VII] Мы не предлагаем ставить вопрос о том, чтобы оспаривать названия элементов, данные ЮПАК. Речь пока идет о чисто просветительских задачах, информировании интересующихся об истории открытия этих элементов. Если я, например, еще застал времена, когда в таблице Менделеева был курчатовий, то нынешнее молодое поколение этого уже практически не помнит. А те, кто помнят и кто обрати внимание на изменение названий – для них причина не представляет ни малейшего сомнения. В то время как не вечно же будет такое положение, как сейчас. Возможно, в свое время российская наука возродит свою былую славу, и тогда вопрос об установлении справедливости в названиях элементов возникнет сам собой.
Итоговый вывод
Сейчас государство мало интересуется вопросами поддержки работы по синтезу трансурановых элементов, поскольку считает, что это вопрос чисто фундаментальный, не имеющий прикладного значения, и поэтому у государства есть более важные места приложения средств – например, повышать в 5 раз зарплату госчиновникам. Однако, возможно, удастся заинтересовать общество в этих работах, если поставить вопрос об их возможном практическом применении. Это будет тогда, когда удастся их синтезировать в масштабах, в которых можно будет видеть их свойства (хотя бы в количестве от 0,1 мг). То есть ускорительную технику надо нацеливать на весомые количества.