В погоне за призраками

Российские физики вместе с коллегами из США синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева. Такие заголовки появились в среду, 7 апреля, в самых различных изданиях, а сюжеты об этом событии прошли по основным телеканалам. Насколько важно получение новых элементов и есть ли в них какой-то практический смысл?

Все мы со школы помним таблицу Менделеева. В ней собраны элементы, из которых состоит окружающий нас мир. Учителя химии обычно заставляют запоминать, какие элементы представлены в самом начале таблицы, - редко они спрашивают, что находится дальше второй строки (напомним, ее завершает аргон - элемент с номером 18). Всего на сегодняшний день таблица Менделеева официально включает 112 элементов, и последний из них - коперниций.

У непосвященного человека возникает вопрос, откуда берутся новые элементы, которые ученые добавляют в таблицу, и сколько всего этих элементов. Для начала разберемся со вторым вопросом.

Почти не существуют

Правильного ответа на него никто не знает. Исследователи могут утверждать, что тот или иной элемент существует, только после того, как обнаружат его. Однако далеко не все элементы в принципе возможно обнаружить. Дело в том, что многие из них являются нестабильными - то есть спустя некоторое время после образования они распадаются на части. О скорости этого процесса судят по длительности периода полураспада - времени, за которое половина ядер того или иного элемента распадется на части. В очень грубом приближении период полураспада элемента приблизительно на 30 процентов короче его среднего времени жизни.

Живущие на Земле ученые могут найти только те элементы, время жизни которых больше возраста Земли (около 4,5 миллиарда лет). Все остальные элементы к моменту появления на планете исследователей уже распались на части - на изотопы более легких элементов. Некоторые из известных специалистам элементов с относительно небольшим периодом полураспада в наши дни "доживают" свой век - их еще можно обнаружить, но в очень небольшом количестве.

Ученые довольно быстро смогли заполнить первые несколько десятков ячеек таблицы Менделеева, но чем больше становился атомный номер (а значит, и вес) элемента, тем труднее было его обнаружить. Это наблюдение наводило на мысль о том, что чем тяжелее элемент, тем меньше у него период полураспада. По мере развития наук, названия которых начинаются со слов "ядерная" или "атомная", стало ясно, что это предположение правомерно. Нашлась и причина, по которой тяжелые элементы стремятся развалиться на части.

Ядра всех элементов, за исключением водорода, состоят из протонов и нейтронов. Массы этих элементарных частиц приблизительно равны, но протон обладает положительным зарядом, а нейтрон электрически нейтрален. По мере увеличения атомного номера элемента в его ядре растет число протонов и нейтронов, причем количество протонов возрастает только на одну единицу, а вот число нейтронов может изменяться. Физики (а исследование свойств ядра является их прерогативой) выяснили, что ядра могут расти только до определенных пределов - если поместить в них слишком много протонов и нейтронов, возникающие внутри ядер силы в буквальном смысле разрывают их изнутри.

Максимально возможное для одного ядра число нейтронов и протонов содержится в ядре урана (атомный номер 92) - хотя и этот элемент уже не очень устойчив. Все элементы, в ядрах которых протонов больше, чем в ядре урана, нестабильны. Такие элементы объединяют в общую группу трансурановых элементов, и ученые находят их не в природе, а в своих лабораториях. На этом месте мы подошли к ответу на второй вопрос, поставленный в начале статьи.

Как их получают

В середине XX века физики научились получать элементы, которые не встречаются в природе, искусственно. Основная идея всех подобных экспериментов проста: надо взять какой-нибудь из стабильных элементов и добавить в него лишних протонов и нейтронов. В итоге ядро элемента-мишени превратится в ядро более тяжелого элемента (точнее, в ядро одного из многочисленных изотопов этого более тяжелого элемента). Сложности начинаются на этапе экспериментального воплощения данной идеи.

Для того чтобы протоны и нейтроны проникли внутрь ядра элемента-мишени, необходимо втолкнуть их туда с огромной силой. Чтобы обеспечить достаточно мощный толчок, ученые сначала разгоняют частицы-снаряды до огромной скорости и затем "впечатывают" их в мишень. "Беговой дорожкой" для снарядов служат особые приборы - ускорители.

Многочисленные эксперименты показали, что даже в ускорителях новые элементы рождаются далеко не всегда - очень важно правильно подобрать мишень и снаряды. При "неправильных" комбинациях утяжеленное ядро элемента-мишени моментально распадается на уже известные физикам элементы, а появления нового элемента не происходит.

Создатели 117-го элемента, работающие в Лаборатории ядерных реакций имени Флерова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, занимаются подбором условий для синтеза новых элементов с 60-х годов прошлого века. В свое время в этой лаборатории были получены новые элементы с атомными номерами со 104 по 108. Кроме того, сотрудники ОИЯИ получили различные изотопы коперниция - 112-го элемента, впервые синтезированного в Институте тяжелых ионов в немецком городе Дармштадт.

Также ученые ОИЯИ опубликовали статьи, в которых декларировалось получение элементов с атомными номерами со 113 по 116, а также 118-го элемента. Для того чтобы эти результаты были приняты научной общественностью, их должны повторить в других лабораториях. Пока независимо был подтвержден лишь синтез 114-го элемента.

Получение 117-го элемента заняло у сотрудников Лаборатории ядерных реакций имени Флерова около года - эксперимент был начат 27 июля 2009 года. Физики обстреливали мишень из берклия-249 ионами кальция-48 на ускорителе У-400. В общей сложности было зафиксировано шесть событий рождения ядер 117-го элемента. Время его полураспада, как и положено трансурановому элементу, очень мало. Однако время полураспада некоторых продуктов разрушения 117-го элемента указывает, что более тяжелые элементы могут оказаться значительно более стабильными.

Существование где-то за 118-м элементом "островка стабильности" постулируется одной из гипотез, объясняющих фундаментальные принципы устройства атомных ядер. Физики собираются начать поиски этого островка уже в начале 2012 года. Два года потребуется ученым для модернизации ускорителя - без этого синтезировать 119-й и 120-й элементы не получится.

Остается только один вопрос: зачем физики получают все новые и новые трансурановые элементы? Практического применения для большинства сверхтяжелых элементов не существует - их синтез чрезвычайно затратен, а время полураспада в лучшем случае (как для 111, 113 и 115 элементов) измеряется секундами. Ответ донельзя прост: они необходимы ученым исключительно для того, чтобы лучше понять, как устроена природа. Что не так уж и мало.