Новости

«Мы приблизились к границам применимости периодического закона»

6 июня 2019

Накануне торжественного открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов академик Юрий Цолакович Оганесян рассказал редактору журнала «Природы» о выводах, сделанных учеными при исследовании свойств сверхтяжелых элементов, и о своем видении перспектив работы Фабрики сверхтяжелых элементов. С благодарностью делимся этим интервью.

— Юрий Цолакович, почему юбилей открытия периодического закона так важен для всего мира? И что он означает для Вас, для Ваших коллег: это — праздник, подтверждение высокой роли естественно-научного сообщества? Мемориальный год (как его часто называют в печати) поможет решить перспективные научные задачи?

— Мы говорим о событии действительно важном и экстраординарном. Открытие 150-летней давности актуально и сегодня, что случается нечасто. Периодическая таблица химических элементов, которую называют «иконой химиков», в XXI в. ставит задачи на переднем крае науки. Крупнейшие ядерные центры России, США, Германии, Японии, Франции, Китая включают в свои основные программы синтез и исследование новых химических элементов, обсуждают границы Периодической таблицы и пределы применимости периодического закона. На разработку таких тем тратятся значительные средства, создаются новые лаборатории, строятся новые установки, ускорительные комплексы. С этим связаны большие планы разных научных групп, работающих многие годы в тесном международном сотрудничестве. Во всем мире проводятся симпозиумы, конференции, посвященные Периодической системе элементов, которая и спустя полтора века продолжает волновать исследователей всего мира.

Все это свидетельство того, что темой Международного года стало явление неординарное. Мы и сегодня ищем ответы на вопросы, которые перед нами ставит Периодическая таблица химических элементов.

— В таком случае «мемориальный» — неподходящее слово. Расскажите, пожалуйста, подробнее об актуальных вопросах, связанных с Периодической таблицей. Речь идет о свойствах новых химических элементов?

— Прежде чем дальше вести нашу беседу, позвольте мне ознакомить читателей журнала с общим положением дел в области, которую мы будем обсуждать.

Из планетарной модели атома Э. Резерфорда (1911) мы знаем, что атом состоит из плотного ядра (в котором сосредоточена практически вся его масса и весь его положительный заряд) и электронов, двигающихся вокруг ядра на большом расстоянии. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов, близко расположенных друг к другу. Их связь возникает под действием короткодействующих ядерных сил, нам пока неизвестных. Строгой теории сильных взаимодействий нет. Поэтому описание ядерной материи базируется на различных теоретических моделях. Их области применения ограниченны, и предсказания могут сильно отличаться друг от друга.

Наоборот, электромагнитные силы, хотя и в сотни раз слабее ядерных, дальнодействующие, нам хорошо известны. Поэтому описание движения электронов вокруг зарядового центра (ядра атома) базируется на строгой теории — квантовой электродинамике. Свое начало эта наука берет еще от модели атома Н. Бора (1913), уравнения движения электрона в электрическом поле П. Дирака (1925), последующих работ Д. Хартри, В. А. Фока и др. В рамках квантовой электродинамики таблицу Менделеева можно рассчитать в детальных подробностях, что делалось неоднократно в так называемом нерелятивистском приближении, вплоть до элемента с атомным номером 172.

Поэтому ответ на вопросы, сколько может быть элементов в Периодической таблице и как определяются ее границы, мы должны дать с двух позиций — ядерной физики и атомной физики. Попытаемся это сделать.

В первом случае мы скажем: атом (элемент) есть, пока существует ядро с периодом полураспада не менее 10−14 с (время, необходимое для того, чтобы вокруг ядра образовалась соответствующая электронная структура атома). Во втором формулируем так: атом (элемент) существует до тех пор, пока никакие дополнительные (ранее неучтенные) эффекты не изменят предсказаний квантовой электродинамики.

За всю почти 80-летнюю историю искусственного синтеза трансурановых элементов ответ на первый вопрос приходил тогда, когда открывали очередной способ синтеза все более тяжелых ядер. Сначала это были пучки легких частиц — протонов и дейтронов, потом мощные потоки нейтронов (реакторы и даже ядерные взрывы), затем пучки тяжелых ионов с массой до 20 атомных масс, реакции под действием массивных ионов (холодное слияние), наконец, пучки нейтронно-избыточных ионов кальция-48 (48Са). Отметим, что за это время экспериментальные результаты радикально повлияли на теорию. На смену классической модели ядерной заряженной жидкой капли, с пределом существования элементов до Z = 100, пришла микроскопическая модель ядра, предсказывающая существование острова стабильности сверхтяжелых элементов в области Z = 114–120 и N = 184. Элементы, расположенные на этом острове, были недавно синтезированы. Сегодня они замыкают седьмой ряд Периодической таблицы. Исходя из свойств их распада, особенно самых тяжелых — 117-го и 118-го, элементы с атомными номерами 119 и 120 тоже должны существовать. (Далее мы поговорим об этом более подробно.) Данные элементы открывают восьмой период таблицы. Ожидаемые периоды их полураспада будут составлять десятые и сотые доли миллисекунд (громадное время в масштабах микромира, но исключительно малое для работы с ними). Скорее всего, рано или поздно эти элементы будут синтезированы в мировых лабораториях: в Дубне, Токио, в Кане (Франция), Дармштадте (Германия)… По сравнению с 118-м элементом их выход уменьшится, мы меняем пучок ионов кальция-48 (48Са) на пучок ионов титана-50 (50Ti). Словом, работа с ними займет много времени.

Карта изотопов с островом стабильности в правом верхнем углу. Credit: ОИЯИ


В атомных (химических) свойствах сверхтяжелых элементов тоже сюрпризы.

С увеличением атомного номера элемента растет электрическое поле ядра, в котором двигаются электроны. По мере приближения их скорости к скорости света, согласно теории относительности, растет релятивистская масса электрона. Это в первую очередь относится к электронам на внутренних орбитах, ближайших к ядру, двигающихся с максимальной скоростью. Релятивистский эффект приводит к сжатию внутренних орбит (релятивистское сжатие). Эффект должен быть учтен в расчете структуры сверхтяжелого атома, что не было сделано в упомянутых выше нерелятивистских расчетах.

Не менее важны и последствия сжатия внутренних орбит, такие как экранирование поля ядра, электронные корреляции на внешних орбитах, а также другие поправки более высокого порядка. Благо есть строгая теория, которая позволяет повысить точность расчетов на известных атомах и по этому рецепту вести расчеты сверхтяжелых. Сейчас физики-теоретики выработали так называемый «золотой стандарт». Они могут рассчитать энергию связи последнего электрона в атоме золота (потенциал ионизации) с беспрецедентной точностью: 0,003 электронвольт, или 0,03%!

Первые наблюдения релятивистского эффекта в 12-й группе таблицы Менделеева были проведены в Дубне в 2007 г. с 3,6-секундным изотопом 112-го элемента коперниция (Cn) и его легким гомологом — ртутью (Hg). Последующие измерения для элементов 14-й группы флеровия (Fl) и свинца (Pb) показали сильный рост этого эффекта. Сейчас остается под вопросом, является ли 118-й элемент благородным газом? Думаю, что он еще продемонстрирует принадлежность к 18-й группе, хотя, возможно, и не будет газом при комнатной температуре. Вероятно также, что у 119-го элемента мы обнаружим скачок химических свойств — от характерных для 18-й группы Периодической таблицы до известных у элементов первой группы. Но определенно релятивистский эффект заметно ослабит эти изменения.

Есть основания полагать, что при дальнейшем увеличении атомного номера уже для элементов 121–123 групповые отличия почти исчезнут. По сути, исчезнет периодичность в изменении химических свойств элементов. На смену старой Периодической таблице придет новая, сильно измененная в начале восьмого периода. Выступая на торжественном открытии Международного года Периодической таблицы химических элементов 29 января 2019 г. в штаб-квартире ЮНЕСКО, я говорил о том, что, по-видимому, мы в своих исследованиях уже сегодня близко подошли к границе, за которой исчезают групповые различия химических элементов.

Как увидеть это в эксперименте, когда атомы живут всего доли миллисекунд? Как получить эти атомы в минимально необходимом количестве? Наконец, можно ли отойти назад и в исследованиях химических свойств уже синтезированных сверхтяжелых элементов увидеть границы применимости периодического закона?

Вы видите, что после открытия сверхтяжелых элементов в нашу действительность, как из ящика Пандоры, выплеснулось много проблем. Некоторые из них пока просто не имеют решения.

— Что это означает и к чему следует готовиться специалистам?

— Для того чтобы продолжить наши рассуждения о Таблице, надо было бы сначала удостовериться, что атомы с такими большими атомными номерами вообще существуют. И конечно, убедиться в том, что столь тяжелые ядра можно синтезировать в тех или иных ядерных реакциях. Я упомянул, что в последние годы были синтезированы тяжелые элементы конца седьмого ряда таблицы Менделеева. Самое тяжелое ядро с массой 294 было получено дважды: как четно-четный изотоп 118-го элемента (содержит 118 протонов и 186 нейтронов) с периодом полураспада около 0,5 мс и нечетно-нечетный изотоп 117-го элемента (117 протонов и 187 нейтронов) с периодом полураспада в 100 раз большим. Это огромные времена в ядерных масштабах (хотя работать с ними очень трудно) — свидетельство того, что и более тяжелые ядра с массой 300 и выше также могут существовать.

— Кажется, что дело сделано…

— Нет, показана лишь выполнимость необходимого первого условия. Теперь надо эти ядра получить в эксперименте. И тут мы быстро пришли к заключению, что наши средства, которые сыграли решающую роль в синтезе сверхтяжелых элементов (многие из них были лучшими в мировой практике) совершенно непригодны, чтобы двигаться вперед. На новом этапе исследований необходимо существенно поднять чувствительность эксперимента, улучшить аппаратуру, иметь значительно более мощные ускорители, более совершенные методики, освоить новые технологии. Нужно как бы уйти из прошлого и перейти в здание будущего. И совершить переход по возможности быстро. Мы пошли этим путем.

С 2012 г. Объединенный институт ядерных исследований в Дубне начал строить новый ускорительный комплекс, по существу новую лабораторию — Фабрику сверхтяжелых элементов. Мы поставили задачу увеличить чувствительность опытов в десятки, а со временем, быть может, в 100 раз. Принять такое решение было нелегко, слишком много нового нужно было делать одновременно, но другого выхода не было.

Прошло семь лет, и 26 декабря 2018 г. в 10 утра новый ускоритель (циклотрон ДЦ-280) в соответствии с графиком сооружения этой установки дал первый пучок ускоренных тяжелых ионов. Для наших конструкторов, инженеров и техников это большой этап проделанной работы, свидетельствующий о том, что все узлы нового изделия работают, как задумано. У руководства института тоже есть чувство завершенности: все вложенные средства правильно и быстро реализованы.

Ускоритель ДЦ-280 — базовая установка Фабрики сверхтяжелых элементов


Для научных же работников это «первый звонок», надо форсировать подготовку к демонстрационным экспериментам. Мы должны почувствовать, что идеи, лежащие в основе созданного нами научно-экспериментального комплекса, состоятельны, что параметры установок соответствуют нашим ожиданиям. Эти эксперименты для нас будут экзаменом. Я бы не стал серьезно обсуждать и тем более расписывать наше будущее, пока мы не сдадим экзамен.

— Можно задать Вам наивный вопрос: зачем нужно дальше заполнять Периодическую таблицу Менделеева? Какое значение для науки имеет эта работа?

— В конечном счете мы проверяем и тем самым изучаем закон природы, открытый Д. И. Менделеевым 150 лет назад. Заполнять Периодическую таблицу очень важно, потому что мы уже чувствуем, что подошли близко к моменту, когда этот закон начинает меняться, причем меняться быстро. И, несмотря на то что продвижение к все более тяжелым элементам требует огромных усилий, познание любых изменений законов природы — например, периодичности свойств химических элементов — носит фундаментальный характер. Как уже говорилось, с ростом атомного номера элемента релятивистский эффект быстро растет. Еще быстрее меняется электронная структура сверхтяжелого атома и энергия связи его последнего электрона, ответственного за химические свойства элемента. Мы же должны исследовать этот эффект экспериментально. А для того чтобы добраться до этих атомов, надо, как говорится, еще пуд соли съесть. Надо получать в десятки и сотни раз больше атомов, чем мы имели в последние годы. Время существования тяжеловесов в лучшем случае — доли секунды. Как определить химические свойства этих атомов за доли секунды? Да, химические реакции идут значительно быстрее, но нужно придумать, как управляться в эти мгновения. Пока не знаем, но будем, определенно, этим заниматься.

— Ученые, работающие в вашем исследовательском коллективе — выпускники российских вузов?

— Конечно, большинство наших сотрудников пришли в институт после окончания вузов Москвы, Санкт-Петербурга, Воронежа, Саратова, Твери, Томска, Дальнего Востока. Но мы, Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ), — международный научный центр 18 стран-участниц. Среди них многие бывшие республики Советского Союза, страны Восточной Европы, Азии (Монголия, Вьетнам), Куба. У института широкое научное сотрудничество и с исследователями Швейцарии, Германии, Италии, Франции, Израиля, США и др. С американскими учеными мы взаимодействуем наиболее плотно уже более 25 лет. Они готовят для наших совместных экспериментов мишенный материал на ядерном реакторе в Национальной лаборатории Ок-Риджа.

— Почему так трудно произвести элементы, живущие от микросекунды до нескольких секунд, и идентифицировать их химические свойства? Были ли на протяжении Вашей работы кризисные моменты, когда казалось, что исследования зашли в тупик?

— Потому что образование сверхтяжелого элемента — процесс исключительно редкий, и мы работаем на грани возможностей. Мне кажется, что так было всегда. Все переживания и трудности в ходе работы были связаны часто с тем, что не хватало терпения. Представьте: на протяжении 12 лет практически непрерывно идет эксперимент. Люди трудятся круглосуточно — посменно, без праздников, суббот и воскресений. Меняется их образ жизни. И в этом режиме, когда, казалось бы, мы должны уже зарегистрировать столь долгожданное событие, его все нет, и непонятна причина. Естественно, закрадываются сомнения: может быть, где-то ошиблись, что-то не доглядели, заранее не проверили. А потом вдруг за неделю сразу два события… В нашей работе это называют статистикой, которую Георгий Николаевич Флёров справедливо называл «садистикой».

Г. Н. Флёров и Ю. Ц. Оганесян. Конец 1980-х годов


В связи с этими эмоциями я вспомнил, что в 2017 г. был приглашен в Копенгаген на VIII Международную конференцию по ускорителям, ее организаторы решили включить в программу три научных доклада, не связанных непосредственно с тематикой конференции. Меня просили рассказать об открытии сверхтяжелых элементов. А профессор Иоахим Мних, директор по исследованиям Научно-исследовательского центра Deutsches Elektronen-Synchrotron — DESY (Гамбург, Германия) докладывал о будущем проекте Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария). Мне было интересно слушать доклад об открытом в 2012 г. бозоне Хиггса, о котором, как говорил докладчик, мало что известно до сих пор. Из доклада следовало: чтобы исследовать этот знаменитый бозон, надо строить специальный ускорительный комплекс — Хиггс-фабрику (и здесь — фабрика!), так как на Большом адронном коллайдере они рождаются весьма редко. На 10 млрд столкновений — только один бозон Хиггса. «Мне бы такое счастье», — подумал я: у нас ведь в лучшем случае получается один атом сверхтяжелого элемента на триллион столкновений — в 100 раз реже, чем бозон Хиггса! Да еще у этого нуклида надо определить 5–7 поколений его радиоактивного семейства, измерить характеристики распада ядер (энергию и периоды полураспада) в каждом поколении… Когда я сказал об этом Мниху, тот ответил, что знал о наших экспериментах, но не предполагал, что рождение элемента столь редкое явление.

— Как Вам удалось найти оригинальный метод синтеза сверхтяжелых элементов, позволивший обогнать лаборатории ядерных исследований Японии, США?

— Мы действительно использовали новый подход и не делали из этого секрета. Однако и прежний метод синтеза, так называемое холодное слияние ядер, тоже родился в стенах нашей лаборатории в 1974 г. Спустя несколько лет после первых экспериментов нам стало понятно, что к получению долгоживущих сверхтяжелых элементов реакция холодного слияния не приведет, потому что во взаимодействующих ядрах не хватает нейтронов. А для того чтобы получить даже весьма скромный избыток нейтронов, нужно существенно усложнить эксперимент: использовать в качестве мишенного материала не свинец или висмут, как ранее, а нейтронно-избыточные изотопы искусственных элементов, такие как: плутоний-244 (244Pu) или кюрий-248 (248Cm). А в качестве бомбардирующего снаряда надо выбрать уникальное вещество — очень редкий и дорогой кальций-48 (48Ca)** (содержит 20 протонов и 28 нейтронов): в естественной смеси изотопов кальция его в 500 раз меньше основного изотопа — кальция-40 (40Ca). Затем необходимо ускорить ионы 48Ca до скорости, равной примерно 0,1 скорости света, в расчете на редкий процесс слияния ядер — 244Pu + 48Ca, — ведущего к образованию 114-го элемента.

На Фабрике сверхтяжелых элементов мы не планируем проводить много экспериментов; их будет несколько в год, но более длительных и емких, чем прежние. Наверное, через 15–20 лет наши нововведения вновь устареют, но при трех-четырех экспериментах в год можно будет накопить данные, которые позволят понять структуру и свойства тяжелейших элементов и, конечно, существенно расширят наши знания о границах Таблицы элементов.

Ю. Ц. Оганесян на пресс-конференции, посвященной присвоению названий новым элементам Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, в лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова. 12 декабря 2016 г.


— Таким образом, Вы отводите 20 лет для того, чтобы разобраться с вопросами, которые сегодня поставила Периодическая таблица?

— Не могу точно предсказать, но 15–20 лет не столь большой срок. Время летит быстро. Учтем также, что по ходу дела будут возникать вопросы, требующие ответов.

— Можно ли предположить, что где-то в природе (может быть, в космосе) реализуются естественные условия синтеза сверхтяжелых элементов?

— Серьезная проблема, и астрофизики занимаются этим делом основательно. Могут ли сверхтяжелые элементы образоваться в природном синтезе (нуклеосинтезе) подобно всем тяжелым элементам, вплоть до урана? Тот факт, что в космических лучах не обнаружены ядра тяжелее урана, теоретически объясним более коротким временем их жизни по сравнению со временем пролета от источника к детектору. С другой стороны, всегда остается вопрос: способен ли нуклеосинтез во вспышке сверхновой дотянуться до столь тяжелых ядер? А если да, то смогут ли эти элементы выжить в процессе последовательных бета-распадов и лечь на линию бета-стабильности? Я не хочу вводить читателя в частные проблемы, достаточно почувствовать, что процесс определяется многими условиями. Хотел бы только обратить внимание на то, что искусственный синтез элементов далек от того, как он происходит в природе. Мы в лаборатории не в состоянии создать условия вспышки сверхновой, с большими плотностями потока нейтронов, сверхвысокими температурами, с вовлечением огромного количества вещества. Поэтому сталкиваем уже приготовленные природой или наработанные в ядерном реакторе долгоживущие нуклиды, преследуя цель уловить редкий процесс слияния ядер с образованием составного ядра суммарной массы, его быстрое охлаждение не без потерь (выживание) и затем наблюдать его самопроизвольный распад.

Результаты, более-менее близкие к природному синтезу, реализуются в малом объеме подземного ядерного взрыва, когда исходным веществом для последующего синтеза более тяжелых элементов служит уран или плутоний. За очень короткий промежуток времени, менее 1 мкс, в цепной реакции возникает поток нейтронов высокой плотности, в котором исходные ядра могут захватить до 20 нейтронов. В последующих после взрыва бета-распадах образуются трансурановые элементы вплоть до 100-го элемента — фермия. Так были впервые синтезированы элементы с Z = 99 и Z = 100. Но для синтеза более тяжелых элементов этих условий явно недостаточно. Напомним, что при вспышке сверхновой синтез длится секунды и в процесс вовлечены массы вещества, превышающие массу Солнца.

— Некоторые ученые допускают, что при столкновении черных дыр могут извергаться короткоживущие ядра, которые при распаде образовали бы ядра тяжелее железа. Согласны ли Вы с этим предположением?

— Когда астрофизики говорят о взаимодействии черных дыр или нейтронных звезд, они рассматривают также взрывные процессы нуклеосинтеза, как при вспышке сверхновой. В момент соприкосновения двух нейтронных звезд эти гигантские объекты теряют устойчивость, в результате чего в космическое пространство выплескивается огромное количество вещества, исчисляемое в тысячах сверхновых! Теперь даже принято исчислять подобные катаклизмы в «килоновых». Естественно, при увеличении мощности взрыва на три порядка нуклеосинтез может пройти дальше, к более тяжелым ядрам. Но какие-то иные пути нуклеосинтеза, присущие столкновению нейтронных звезд и отличные от взрыва сверхновых, пока серьезно не рассматриваются. Хотя, конечно, нельзя исключить, что подобные особенности могут стать видны при более глубоком рассмотрении этих сложных процессов.

— Как бы Вы ответили: какую роль Периодическая таблица играет в Вашей научной работе?

— Я пришел к этой задаче из своих занятий ядерной физикой. Теперь столкнулся с проблемой электронной структуры тяжелейших атомов. Красивая наука — атомная физика, демонстрирующая удивительную гармонию. Она очень притягательна и интересна. Жалею, что не занялся этой наукой немного раньше.

Интервью Евгении Сидоровой с Юрием Оганесяном опубликовано в журнале «Природа» №2, 2019