Ученые - школьникам

Встреча с академиком Ю.Ц.Оганесяном

17 февраля группа учащихся 8-10-х классов школы №1159 г. Москвы посетила Музей истории науки и техники ОИЯИ, познакомилась с историей города и Института и встретилась в стенах музея с академиком Ю.Ц.Оганесяном.

Инициатором поездки в Дубну и встречи с выдающимся ученым стал молодой, увлеченный своей работой учитель химии этой школы Владимир Александрович Тарасов. Он написал Юрию Цолаковичу по электронной почте, получил согласие на встречу и привез учеников. Среди них - победители олимпиад различного уровня не только по химии, но и по физике, математике, информатике, русскому языку.

Беседа Ю.Ц.Оганесяна с ребятами прошла в виде интервью - на свои вопросы они получили исчерпывающие ответы ученого. В.А.Тарасов подготовил для нашего еженедельника "Дубна: наука, содружество, прогресс" текст этого интервью и выразил надежду, что встреча с известным ученым надолго запомнится его ученикам и повлияет на выбор химии как будущей профессии.

***

Что является основой для синтеза 120-го химического элемента на данный момент?

- Желание получать новые элементы возникло давно, почти 500 лет тому назад, у алхимиков. Они мечтали из свинца делать золото, обогатиться при этом. Поэтому свинец нагревали, расплавляли, подвергали большим давлениям, травили едкими химическими соединениями, травились сами. Ничего не получалось. Если когда-нибудь вам удастся побывать в Чехии, в Праге, то можете посетить место, где алхимики жили и проводили эти эксперименты. Они понимали, что самопроизвольно не получить из одного элемента другой, нужно вложить в этот процесс энергию. Они просто не знали масштаба этой энергии. Если бы они были в состоянии не просто греть или бить молотком по свинцу, а вложить энергию в миллионы раз больше этого, то, быть может, могло что-то получиться. Поэтому если вы будете делать эксперимент, то для того, чтобы из одного элемента получить другой, надо знать, как устроен химический элемент или атом.

А любой атом устроен таким образом: в середине сферическое ядро - малая в объеме, но очень плотная материя. Она на 15 порядков более плотная, чем вода. В ней находится почти вся масса атома и весь положительный заряд. А вокруг этого "шарика" на большом расстоянии от него двигаются по круговым орбитам электроны. Если заряд ядра +1 (и один отрицательно заряженный электрон на первой орбите) - это водород, если заряд ядра +2 - это гелий (оба электрона на первой орбите). Если заряд +3, это литий. Но третий электрон уже находится на второй орбите. И так далее. Такая ажурная конструкция. Если вы возьмете самый тяжелый элемент, который есть в Земле - уран, то у него атомный номер 92, то есть заряд ядра +92 и вокруг него крутятся по своим орбитам 92 отрицательно заряженных электрона. А теперь представим себе, что ядро имеет размер, скажем, теннисного мячика и поставим его в середину Красной площади в Москве. Тогда первые 2 электрона будут двигаться по Бульварному кольцу, следующей орбитой будет Садовое кольцо, далее - Мос­ковская кольцевая автомобильная дорога (МКАД), а последняя орбита будет проходить где-то около Стокгольма. Когда алхимики пытались воздействовать на атом, это было слабым воздействием на самые удаленные от ядра электроны (в нашем примере - двигающиеся около Стокгольма). Если бы они были в состоянии воздействовать на ядро, тогда, быть может, что-нибудь и получилось.

Способ получения нового элемента в лаборатории основан на взаимодействии двух ядер. Два атома надо направить друг на друга так, чтобы столкнулись их ядра. И столкнулись лоб в лоб, тогда они могут слиться друг с другом. Но так просто они сталкиваться и сливаться не будут, потому что оба заряжены положительно, наоборот, при подходе друг к другу они будут отталкиваться. Мы должны преодолеть это отталкивание, ускорить ядро-снаряд до энергии выше энергии отталкивания ядер снаряда и мишени. Для этого одно из ядер, назовем его ядром-снарядом, надо ускорить примерно до скорости, равной 1/10 скорости света. Это могут делать большие электрические машины, которые называются ускорителями заряженных частиц, где получают пучки ускоренных ядер-снарядов. Этот пучок направляется на мишень. Итак, ядра-мишени покоятся, а ядра-снаряды сталкиваются с ними, преодолев электрическое отталкивание. Реакция слияния ядер напоминает слияние двух капель воды. Большая капля поглощает маленькую. В результате образуется новое ядро суммарной массы и суммарного заряда. Вокруг ядра выстраиваются орбиты движения электронов, образуется новый, более тяжелый атом. Кратко, это и есть основа синтеза. Новые элементы являются продуктами ядерной реакции слияния двух ядер.

Если мы хотим получить, например, 112-й элемент, мы можем выбрать в качестве мишенных атомов самый тяжелый природный элемент - уран, его атомный номер 92. А в качестве снаряда, мы возьмем ядро с атомным номером 20 (это ядро атома кальция) и ускорим его примерно до 1/10 скорости света. Если два ядра с номерами 92 и 20 сольются, то получится элемент 112. Казалось бы, что подобным способом можно двигаться дальше, в синтезе 114 го элемента, взяв более тяжелую мишень из 94-го элемента - плутония. Но такого элемента нет на Земле, потому что наша планета очень старая. Земля, Марс, Венера являются планетами, которые вращаются вокруг Солнца. А вся Солнечная система возникла 4,5 млрд лет тому назад. Тогда плутония было немногим меньше урана, но время его жизни было значительно короче возраста Земли. А сохранились только те элементы, которые имели время жизни больше, чем возраст Земли, мы их называем стабильными элементами (от водорода до урана).

Сколько времени понадобится для синтеза одного химического элемента?

- Как я понимаю, вы хотите спросить, какова вероятность получения элемента, какой выход того, чем мы занимаемся. Предположим, что ядра слились и образовалось на какое-то мгновение ядро будущего, более тяжелого элемента. Это тяжелое ядро сильно нагрето. Оно сразу разделится на две части. Для того чтобы сохранить новое ядро, надо его охладить. Охлаждаться оно может только за счет испускания своих нейтральных частиц - нейтронов, которые способны унести всю губительную для нового ядра тепловую энергию. К сожалению, по отношению к делению, вылет нейтронов имеет очень малую вероятность. Выживает, в лучшем случае, только одна десятимиллионная часть. Чем более тяжелый элемент мы хотим синтезировать, тем меньше вероятность его выживания. Мы были счастливы, если могли получить один атом за одни сутки работы. Научились работать с одним атомом в неделю. Пять атомов 118-го элемента были получены за пять месяцев.

Тяжелый труд!

- Но в какой-то момент я подумал, что это не дело - работать со столь редкими атомами. Как двигаться дальше? Ведь крайне интересно определить химические свойства нового элемента! Но как это можно сделать на отдельных атомах? Помимо их малого количества, сверхтяжелые ядра и живут очень мало: секунду, десятую секунды, сотую секунды. Как изучишь химию элемента за сотую секунды? Не успеешь подумать, я уже не говорю размешать раствор в пробирке, как ядро атома распалось! В жидкой химии сложно. Можно перейти к химическим исследованиям в газовой фазе. Но определенно, количество атомов сверхтяжелых элементов надо существенно увеличить.

Я помню хорошо, что 10-12 лет тому назад, когда еще не все сверхтяжелые элементы были открыты и не все получили свои официальные названия, мои коллеги обратились ко мне с вопросом: а как дальше? Дальше я им говорю, не знаю, но надо ответить на один вопрос. Мы готовились к нашим опытам почти 10 лет и ведем уже 14-й год свою круглосуточную работу на пучке ионов кальция-48. Скажите, пожалуйста, если бы мы начали работу на пучке не с 1999 года, а, скажем, в 2014 году, сколько бы нам потребовалось времени? Первый ответ был: "Не знаем". Тогда говорю, если никто не знает, как ответить на этот вопрос, давайте попытаемся вместе найти ответ. Положим на ладонь левой руки всё, что мы узнали за прошедшие 14 лет: что ядра-снаряды можно ускорять, вероятность того, что их можно слить с ядрами мишени, узнали в каком количестве они выживают, как распадаются и пр. А на ладонь правой руки положим то, что не связано с элементами, а является за эти 15 лет следствием научно-технического прогресса. Как изменились наукоемкие технологии, которые мы используем, какие появились новые материалы, как шагнула вперед вычислительная техника, компьютеры и пр. Теперь соединим обе руки и определим, во сколько раз быстрее можно было бы сделать всю нашу работу? Оказалось (не поверите), в 100 раз. Это меня самого поразило! Ведь отсюда следует: всё то, что сегодня является исключительным, через 15 лет может стать банальным. Поэтому нет смысла держаться за существующую "ценность" двумя руками. Жизнь идет такими темпами, что всё быстро меняется, а мы иногда даже это не чувствуем.

Но если мы правильно оценили, то возникает другой вопрос: чем же мы сейчас занимаемся? Если наши исследования можно вести в 100 раз быстрее, зачем же мы выкладываемся на старой установке? Еще один элемент, а дальше? Ведь чтобы идти дальше, придется всё равно всё старое просто выбрасывать. Мне возражают "Как выбросить? Это же дало нам открытие пяти элементов таблицы Менделеева. Самых тяжелых, сверхтяжелых. Ведь наш ускоритель и аппаратура были лучшими в мире!" Конечно, всё было так на самом деле, но с этими "мировыми рекордами" дороги нет. Рекордов наших сильно не хватает на всё открывшееся поле исследований острова стабильности сверхтяжелых элементов. В таком же ключе я выступил с отчетом на Ученом совете ОИЯИ, есть открытие новых элементов, но пути дальше нет. Затем мы обратились с нашим предложением к дирекции Института создать новую лабораторию, которую с моей легкой руки назвали Фабрикой сверхтяжелых элементов. Это название должно было всё время напоминать нам, что следует изменить наше мышление и подход ко всей нашей работе таким образом, чтобы изучение свойств сверхтяжелых элементов не были бы каким-то исключительным занятием. Надо добиться того, чтобы это было в чем-то обычным, но качественным научным исследованием.

Здесь я не могу не отметить большую роль директоров ОИЯИ академиков В.Г.Кадышевского, А.Н.Сисакяна и В.А.Матвеева, а также членов Ученого совета - известных ученых из многих стран, которые сразу поняли суть проекта и единодушно поддержали его. В 2012 году вырубили лес, вырыли землю и за шесть лет построили новое здание, оснащенное новым ускорителем тяжелых ионов, три экспериментальных зала с новым оборудованием. Словом, построили новую современную лабораторию с перспективой вести теперь работу в 100 раз с большим количеством драгоценных сверхтяжелых атомов, чем ранее. Сейчас мы практически вышли на этот режим. Но нам всё равно этого мало. Такая жизнь! Когда вы закончите школу и институт, здесь, наверное, увеличат продуктивность фабрики еще в 10 раз.

Что является основой для того, чтобы сформировалась теория острова стабильности химических элементов в периодической системе?

- Это несколько другой вопрос. Здесь на первом плане находятся наши знания, которые накопились за все 114 лет со времени открытия Резерфордом атомного ядра, положившем начало новой науки - ядерной физике. Но их, знаний, по-прежнему недостаточно для понимания ядерных сил, так называемого сильного взаимодействия, необходимых для построения строгой теории, подобно теории электричества. А это крайне необходимо, чтобы понять, как устроен мир, где его пределы, сколько может быть элементов, где и как кончается таблица Менделеева. Мы должны познать и понять, что из себя представляет эта плотная ядерная материя в центре атома. Наш соотечественник выпускник Ленинградского университета Георгий Гамов, еще в 1928 году считал, что ядро похоже на каплю жидкости, имеет хорошо очерченную сферическую форму, несжимаемо и обладает огромной плотностью, на 15 порядков больше, чем у воды. Это была первая теория атомного ядра, которую так и назвали - капельная модель ядра. Мы, занимаясь тяжелыми ядрами, всегда ищем ответ на вопрос: сколь большой может быть ядерная капля? На самом деле, если нет никаких других сил, противодействующих хорошо известным силам поверхностного натяжения, сжимающих каплю в сферическую форму, то ничто не препятствует размеру капли, она может быть весьма большой. Мы видим, что на кончике пипетки капля увеличивается только до определенного размера, затем отрывается и падает вниз из-за земного притяжения. Нетрудно понять, что наибольший размер капли достигается в тот момент, когда сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю на конце пипетки, равна силе земного притяжения - веса капли. Я помню, что первые космонавты выливали из бутылочки воду и она повисала в условиях невесомости в виде большого шара воды. Космонавт разбивал ладонью этот шар на маленькие шарики и заталкивал их в рот. Пил таким образом воду! Сейчас, вероятно, пьют по-другому.

Возвращаясь к ядру атома, надо напомнить, что оно положительно заряжено. Электрические силы отталкивания пытаются растянуть сферическое ядро. Также легко понять, что пока поверхностное натяжение больше, чем электрическое расталкивание, ядро будет существовать.

По этой капельной модели Гамова предельным будет элемент с атомным номером 100. Когда я начал работать в группе Г.Н.Флёрова в Институте атомной энергии в Москве, мы нацелились на синтез 102-го элемента. До нас подобную попытку совершили шведские ученые, но их данные были опровергнуты американскими физиками из Беркли (США). Потом оказалось, что данные Беркли тоже нуждаются в ревизии. Окончательные результаты были получены в Дубне, спустя девять лет после начала работ в Стокгольме, когда в ОИЯИ был запущен самый большой в то время ускоритель тяжелых ионов У-300. В трудностях синтеза 102-го элемента казалось, что мы подошли действительно к краю пропасти, где ядра становятся совершенно нестабильными. А потом, на новых ускорителях в Дубне и в Беркли, были синтезированы 103-й, 104-й, 105-й, далее 106-й... И тогда возникла идея, что ядро - это не классическая жидкость, которая не имеет структуру, не аморфное тело. Наверно, есть внутренняя структура в ядерном веществе. Потом возникло впечатление, что все теоретики атомного ядра буквально накинулись на эту задачу, и нашли эту структуру, из-за которой могут существовать элементы с атомным номером более 100. Более того, далеко за ураном, в районе 114-го элемента и его соседей, предсказывалась целая область (остров) столь тяжелых и долгоживущих элементов. Возникновение подобных островов есть, по сути, проявление внутренней структуры ядерного вещества. Подобно тому, как в твердом теле, например углероде, может быть прессованный порошок (бесструктурный мягкий грифель карандаша) или твердый алмаз с явно выраженной структурой.

Но тот факт, что предсказанная теорией удивительная живучесть атомных ядер при продвижении в область всё более тяжелых элементов обусловлена структурными свойствами ядерного вещества, требовал экспериментального доказательства. И это доказательство явилось в виде результатов прямых экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов, замкнувших седьмой ряд таблицы Д.И.Менделеева.

Материал подготовила Надежда КАВАЛЕРОВА,
заместитель директора Музея ОИЯИ