В Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), в лаборатории ядерных реакций, руководимой академиком Г. Н. Флеровым, ведутся поиски сверхтяжелых ядер. Направлений поиска несколько. О некоторых из них (анализ геологических пород, исследования космических лучей) уже рассказывалось в нашем журнале в № 12 за 1970 год (стр. 108 - 120).
Существует еще одно направление поиска сверхтяжелых ядер - их пытаются синтезировать искусственно на ускорителях. Об этом рассказывает один из ведущих сотрудников лаборатории Г. Н. Флерова, руководитель отдела исследований тяжелых ядер доктор физико-математических наук Юрий Цолакович Оганесян.
От водорода до урана - вот все элементы, созданные природой и разместившиеся в таблице Менделеева с первой по девяносто вторую клетку. Каждый из них имеет несколько стабильных изотопов, общее число которых достигает 276.
Стабильными называются те изотопы, время жизни которых превышает или сравнимо с возрастом Земли, составляющим около 5 миллиардов лет. Другие элементы и их изотопы хотя и могли образоваться в процессе ядерного синтеза при формировании Солнечной системы, но полностью распались с тех давних времен.
Ядерная физика создала еще примерно 1 500 искусственных изотопов. Эти тысяча восемьсот ядер и составляют тот арсенал, пользуясь которым мы строим свои представления о строении ядра, о ядерных силах.
Самый тяжелый из природных элементов - уран. Его порядковый номер - 92 (напомним порядковый номер элемента указывает, сколько протонов содержится в его ядре). Период его полураспада - 4,5 миллиарда лет, то есть сравним с возрастом Земли; благодаря этому уран и сегодня встречается в природе.
Элементы тяжелее урана были синтезированы искусственно. Основные исследования по синтезу и изучению свойств новых элементов (а они теперь известны вплоть до 105-го) были выполнены в США, и в Объединенном институте ядерных исследований - международном физическом центре социалистических стран в Дубне.
Если проследить за временем жизни элементов от 92-го до 105-го, то мы сразу заметим интересную закономерность. Если уран живет миллиарды лет, то элемент 104 (курчатовий) живет всего 0,1 секунды. Если продолжить эту закономерность на более тяжелые ядра, то получится, что, скажем, 108-й элемент должен жить всего 1020 секунды, а следующие за ним и того меньше.
А можно ли вообще считать столь короткоживущую систему ядром? Вопрос естественный, если учесть, что в ядре нуклоны не покоятся, а движутся со скоростью, равной примерно 0,1 скорости света. За время 10^-20 секунды нуклоны проходят расстояние, равное диаметру ядра, не успевают наладить совместного движения, не успевают образовать связной системы.
Итак, на первый взгляд может показаться, что система, состоящая из 108 - 110 протонов и некоторого количества нейтронов, не способна образовать ядро.
Но доказали ли мы тем самым, что атомный номер 108 - 110 является пределом, за которым никакое ядро уже не может существовать, как целое? Разумеется, нет. Производя экстраполяцию для столь далеких ядер, мы совершенно игнорировали свойства ядерной материи. Хорошо известно, что ядра, содержащие некоторое определенное число протонов или нейтронов, особенно стабильны. Эти числа - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 и соответствующие ядра называются магическими. Еще более стабильными оказываются дважды магические ядра, то есть ядра с магическим числом и протонов и нейтронов. Этот феномен отчетливо прослеживается на примере свинца и его соседей по периодической системе. Наиболее распространенный изотоп свинца - это дважды магическое ядро 82 протона, и 126 нейтронов. Поэтому живет он удивительно долго - более 1О40 лет.
Весьма стабильны и ближайшие соседи свинца - ртуть, таллий, висмут. А вот у более далеких соседей свинца (полония, астата, и т. д.) числа протонов и нейтронов уже заметно отличаются от магических; распадаются они за несколько часов или дней.
Ядро свинца - самое тяжелое из известных дважды магических ядер. Следующее такое ядро должно иметь уже 126 протонов, и 184 нейтрона. Далеко за пределами менделеевской таблицы вокруг такого ядра мог бы находиться островок стабильности, включающий, как показывают расчеты, около 200 изотопов. Если свойства магических ядер проявляются и на этом далеком островке, то времена жизни изотопов будут значительно больше тех 10-20 секунды, полученных путем грубой экстраполяции.
Итак, дважды магическое сверхтяжелое ядро и его соседи должны быть стабильны. Но насколько стабильны!
Пока эта проблема исследовалась лишь теоретически. Расчеты ряда теоретиков из США, Швеции, а также ученых из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) привели к двум важным результатам. Наиболее долгоживущим на островке стабильности должно быть ядро со 114 протонами, и 184 нейтронами. Время жизни такого ядра громадно - от 106 до 1015 лет.
Предсказания неплохи для теории и довольно широки для эксперимента. Сложность для экспериментатора заключается в том, что поиски сверхтяжелого ядра в столь широком интервале времен жизни нельзя вести по единой методике. Поэтому поиски разделяются по нескольким направлениям.
Если время жизни гипотетического элемента окажется превышающим сто миллионов лет, то не исключено, что некоторое его количество существует на Земле. Период полураспада в сто миллионов лет означает, что каждые сто миллионов лет количество элемента уменьшается вдвое. Со времени образования Земли прошло примерно пять миллиардов лет. На этом отрезке времени укладывается 50 периодов полураспада. Если гипотетический сверхтяжелый элемент образовался вместе с Землей, то сейчас сохранилась /г50 часть его первоначального количества. Указанное число представляет собой десятичную дробь с четырнадцатью нулями после запятой. Современные чувствительные методы позволяют обнаруживать столь малые количества вещества. Гипотетический элемент ищут в вулканических породах, геотермальных водах, различных минералах, и т. д.
Возможно, что время жизни сверхтяжелого ядра существенно меньше, чем сто миллионов лет, но больше, чем сто тысяч лет. Тогда в земных объектах его обнаружить не удастся; не исключено, однако, что его можно обнаружить в космических объектах. Процессы, происходившие на Земле пять миллиардов лет назад, возможно, происходят сейчас в той части Вселенной, которая удалена от нас не более чем на сто тысяч световых лет. Поэтому второе направление исследований - это детальное - изучение тяжелой компоненты космических лучей с помощью шаров-зондов и спутников, а также исследования космических пришельцев - метеоритов, космической пыли, и т. д.
Возможен, конечно и еще один вариант. Время жизни гипотетического ядра может оказаться и меньше ста тысяч лет. Это не исключено, так, как теоретики могут ошибаться в своих предсказаниях. В таком случае сверхтяжелое ядро будет трудно обнаружить и во внеземных объектах. Единственным путем получения таких ядер будет искусственный синтез, подобный тому, что был применен для получения всех элементов тяжелее урана.
Итак, если сверхтяжелое ядро живет меньше ста тысяч лет, его следует создать искусственно.
Один из возможных путей синтеза - традиционный способ, который, в частности, был использован в Дубне для синтеза элементов 102, 103, 104, 105. Состоит он в следующем. Если, к примеру, нужно получить элемент с атомным номером 104, то берется достаточно тяжелый элемент, например, плутоний (атомный номер 94), и бомбардируется легкими ионами неона (атомный номер 10). Если оба ядра сольются, то в результате образуется составное ядро, атомный номер которого равен 104. Новое ядро будет возбуждено и поэтому нестабильно. Испустив несколько нейтронов, что не изменит его атомного номера, оно перейдет в невозбужденное состояние. После этого можно будет изучать его свойства.
Попытаемся в таком же мысленном эксперименте синтезировать сверхтяжелое ядро со 114 протонами, и 184 нейтронами. В качестве мишени выберем все тот же плутоний, но облучать его будем ионами кальция (атомный номер 20). Хотя на бумаге мы, и получим составное ядро со 114 протонами, попасть таким способом на островок стабильности мы не сможем. Почему? Напомним, что особая стабильность ядра обеспечивается определенным числом не только протонов, но, и нейтронов. В особо стабильном ядре со 114 протонами их должно быть 184. Так вот оказывается, что для любых реальных ядер - «мишени и снаряда, суммарное число протонов у которых равно 114, образующееся составное ядро будет иметь на 10 - 14 нейтронов меньше ^заветного числа 184. Теория утверждает, что, оказавшись так далеко от дважды магического ядра, мы не сможем получить стабильного образования.
Попробуем усовершенствовать наш эксперимент. Попытаемся получить возбужденное составное ядро с числом протонов больше 114. Возбужденное ядро в силу своей нестабильности будет превращаться в стабильное сверхтяжелое ядро, испуская альфа-частицы (альфа-частицы - это образование из двух протонов и двух нейтронов). При этом число протонов, возможно, снизится, как раз до 114.
Наилучшей для этой цели, как указал профессор В. Святецкий (Беркли, США), оказывается комбинация тория (мишень), и ионов германия (снаряды). В ядре тория - 90 протонов, в ядре германия - 32. Если при их слиянии образуется составное ядро, то оно будет содержать 122 протона, и 186 нейтронов. Такое ядро нестабильно и будет испускать 3 - 4 альфа-частицы. В результате число протонов уменьшится до 116 - 118, а нейтронов - до 178 - 180. Как видим, нейтронов опять не хватает. На вершину островка стабильности мы не попадем. Но, может быть, все же таким окольным путем удастся попасть хотя бы на берег островка?
Такой эксперимент был осуществлен в Дубне. Тщательные исследования показали, что среди десяти миллиардов случаев взаимодействия ионов германия с торием пока нет ни одного, который приводил бы к образованию сверхтяжелого ядра со временем жизни от одной тысячной доли секунды до года.
Итак, искусственный синтез с помощью легких ионов не дает возможности создать стабильное сверхтяжелое ядро.
Принципиально новый подход к проблеме получения сверхтяжелых элементов был предложен академиком Г. Н. Флеровым еще в 1964 году. Подход этот основывается на следующих представлениях. Известно, что при делении урана на два осколка образуются ядра более легкие - например, стронция и ксенона. Однако они отличаются от естественных ядер стронция и ксенона в ядрах-осколках слишком много нейтронов по сравнению с природными. Именно этого нам и недоставало в реакциях с легкими ионами.
Эти представления приводят к выводу атаковать островок стабильности не «в лоб», а «с тыла»; не пытаться «слепить» сверхтяжелое ядро из более легких, а, каким-то образом получить еще более тяжелое ядро, при делении которого образовался бы осколок со 114 протонами и числом нейтронов, близким к 184.
Видимо, такой путь в принципе позволяет попасть на вершину островка стабильности. Но, как получить заготовку, из которой в результате распада получилось бы желанное сверхтяжелое ядро? Опять-таки путем слияния достаточно тяжелых, существующих в природе ядер.
Идея опыта требует ускорения очень тяжелых ионов. Мишень, очевидно, следует изготовить из самого тяжелого природного элемента - урана. Выбор снарядов потребовал дополнительного изучения. В результате широкого круга экспериментов по исследованию тяжелых ядер, поставленных в Дубне, было показано, что самым легким снарядом может послужить ядро ксенона. На ускорительном комплексе был создан интенсивный пучок ионов ксенона. Его интенсивность в настоящее время составляет 3.1010 частиц в секунду, а энергия ядер - примерно 850 миллионов электрон-вольт.
Зачем ядрам нужна такая энергия? Как известно, ядра заряжены положительно, а потому отталкиваются. Это отталкивание тем сильнее, чем больше заряды сталкивающихся ядер. Так вот, энергия в 850 миллионов электрон-вольт позволяет ядру ксенона преодолеть отталкивание ядра урана (а, следовательно, и любого другого известного ядра), и слиться с ним.
В течение последнего года было проведено несколько сеансов облучения урановой мишени пучком ионов ксенона и был обнаружен очень слабый, но любопытный эффект. Состоит он в том, что на миллиард актов взаимодействия ядер ксенона и урана в одном из них наблюдается образование ядра, спонтанно делящегося с большим периодом полураспада. Пока наблюдалось всего 30 таких событий, которые позволяют лишь ориентировочно указать, что период полураспада вновь образовавшегося ядра превышает 120 дней. Этот эффект представляет значительный интерес, потому, что не может быть объяснен распадом никакого из известных ядер.
Итак, в реакциях с тяжелыми ионами наблюдается образование неизвестного ядра, период полураспада которого превышает 120 дней.
Что это? Вся дальнейшая работа экспериментаторов строится таким образом, чтобы получить ответ на этот вопрос.
