К сожалению, в настоящее время достижения российской науки не так уж часто становятся темой мировых и российских СМИ. Тем приятнее исключения - в начале февраля ведущие научно-популярные интернет-издания и средства массовой информации оповестили широкую общественность об успехе российских ученых - синтезе элементов 115 и 113 периодической таблицы Менделеева.

Уран (атомный номер, равный числу протонов, Z = 92) - последний химический элемент, существующий на Земле в естественных условиях. Все последующие (трансурановые) элементы были синтезированы искусственным путем. Такая ситуация обусловлена тем, что более тяжелые ядра имеют достаточно малые периоды полураспада. Нестабильность тяжелых ядер связана с тем, что для них становятся более существенным кулоновское отталкивание между протонами: хотя электрические силы слабее ядерных, удерживающих нуклоны вместе, в сотни раз, однако они, в отличие от последних, дальнодействующие, поэтому по мере увеличения числа протонов в ядре оно становится все менее стабильным (основные каналы распада сверхтяжелых элементов - это спонтанное деление и альфа-распад). Но, наряду с этой общей закономерностью, на стабильность ядер существенное влияние оказывает и их структура, поэтому, при определенных условиях, ядра сверхтяжелых элементов с бОльшим числом протоном могут быть даже более стабильными, чем их "соседи" по периодической таблице с меньшим числом протонов. В этой связи говорят о существовании "острова стабильности" для сверхтяжелых элементов. Если раньше "остров стабильности" был сугубо теоретической конструкцией, то в последние годы на него, похоже, уже ступила нога человека.

К задаче синтеза сверхтяжелых элементов (начиная с Z = 104) человечество приступило в начале семидесятых годов двадцатого века, и одну из ключевых ролей в этом процессе играли советские (а теперь российские) физики из Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Заветной целью ученых из разных стран был именно "остров стабильности": экспериментальное исследование свойств ядер, стабилизированных структурными факторами, является крайне важным для проверки работоспособности существующих моделей атомного ядра. Также большой интерес представляет задача исследования химических свойств сверхтяжелых элементов, для электронов которых гораздо более существенную роль играют релятивистские эффекты. Попытки синтеза "ядер с острова стабильности" предпринимались еще в конце семидесятых - начале восьмидесятых, однако сечения рождения таких ядер столь малы, что чувствительность регистрирующей аппаратуры тогда не позволяла зафиксировать буквально единичные события образования таких ядер.

Параллельно с синтезом ядер сверхтяжелых элементов на ускорителях проводился поиск сверхтяжелых элементов в природных условиях. Все элементы, за исключением водорода и гелия, образовавшихся в первые секунды после Большого взрыва, синтезируются в процессах ядерных реакций, протекающих в звездах. Но если относительно легкие элементы (с малым атомным номером) - углерод, азот, кислород, вплоть до железа - синтезируются на протяжении спокойного эволюционного периода в жизни звезды, то более тяжелые элементы рождаются в процессах грандиозных космических катаклизмов, таких, как взрывы сверхновых звезд. Поэтому обнаружение природных сверхтяжелых элементов могло бы сыграть существенную роль не только для ядерной физики, но и для астрофизики, помогая лучше понять механизмы космических событий, сопровождающихся колоссальным энерговыделением. Однако на сегодняшний момент, несмотря на большой объем работы, не было получено точных данных, подтверждающих наличие сверхтяжелых элементов в природе, хотя некоторые "намеки" были. Например, в ходе одного проводившегося у нас в стране исследования метеоритного вещества, в течении десяти лет велась работа по изучению образцов этого вещества - буквально милиграмм за миллиграммом и микрон за микроном - с целью обнаружения и идентификации следов(треков) тяжелых ядер, которые бомбардировали метеорит в космосе. Все обнаруженные треки идентифицировались путем сравнения с треками, полученными в экспериментах на Земле. "На выходе" этой гигантской десятилетней работы оказалось три трека, которые предположительно можно было приписать элементу 108 (что, понятно, еще не является доказательством, что это действительно следы сверхтяжелых ядер).

С начала девяностых годов российская наука оказалась в тяжелом экономическом положении, и, казалось, пальма первенства в борьбе за синтез новых элементов должна бесповоротно перейти к американским и европейским ученым. Не раз продолжение экспериментов на ускорителях в Дубне оказывалось под угрозой по причине банальных долгов за электроэнергию. Тем не менее, несмотря на все трудности, физики из Дубны смогли не только "выжить", но и стать лидерами в синтезе новых элементов. В последние годы в экспериментах в ОИЯИ были зафиксированы события рождения элементов с Z = 114 и 116, и вот недавно группой Ю.Ц.Оганессяна из ОИЯИ была опубликована статья [1], сообщающая о синтезе элемента 115.

Для синтеза нового элемента использовались ядра с по возможности большим числом нейтронов (большое число нейтронов необходимо для стабилизации образующегося ядра). Поток ионов ⁴⁸Ca с энергией 248 МэВ (или 253 МэВ в другой серии экспериментов) бомбардировал мишень из тонкой титановой фольги, на поверхность которой был нанесен изотопически чистый ²⁴³Am (99.9 % америция было именно в виде этого изотопа) в форме AmO₂. Чувствительность регистирующей системы позволяла фиксировать единичные события распада ядер и энергии фрагментов распавшегося ядра (например, альфа-частиц). В экспериментах было зафиксировано четыре цепочки распада образовавшихся в процессе синтеза ядер элемента 115 - рис.1. В процессе последовательной цепочки альфа-распадов был получен также элемент 113 ("второе звено" на рис.1).

Рис.1. Временная последовательность цепочки альфа-распадов синтезированного элемента 115. Три распада получны в экспериментах с энергией ионов кальция в пучке 248 МэВ (a) и один - экспериментах с энергией ионов кальция в пучке 253 МэВ (b). Сразу после обнаружения альфа-частицы частицы с "нужной" энергией периодическая бомбардировка мишени пучками ионов кальция прекращалась (показано рамкой).

В качестве небольшого заключительного замечания можно сказать, что синтезируемые в процессе экспериментов российских ученых ядра сверхтяжелых элементов - это самое дорогое вещество на нашей планете. Расхожая метафора "на вес золото" здесь совершенно неуместна: даже если забыть о важности получения для новых элементов развития науки, "на вес" они дороже порядков эдак на двадцать не то, что золота, а самых уникальных и дорогих бриллиантов.

1. Yu.Ts.Oganessian, V.K.Utyonkov, Yu.V.Lobanov et al. Phys.Rev. C, v.69, 021601 (2004).

Е.Онищенко

Обсудить на форуме