Сокровищница XXI века - Владислав Иванович Кузнецов

В ядерном реакторе природный уран, а он на 99,27 % состоит из изотопа уран-238, захватывает нейтроны. Обогатившись добавочным нейтроном, уран-238 становится изотопом уран-239. Новое ядро испускает бета-частицу— ядерный электрон, и ядро урана становится изотопом искусственного элемента № 93 — нептуния. Происходит микрочудо — рождение нового элемента.

В нейтронных потоках реактора получают все трансураны вплоть до сотого — фермия. Предел ставит тяжелый фермий-258. Лишь после обстрела нейтронами этого изотопа мог бы образоваться элемент № 101 — менделеевий, но скорость распада тяжелого фермия слишком велика.

Представьте себе стрелка, который должен попасть в мишень, неожиданно появляющуюся каждую минуту, но всего на тысячную долю секунды. Есть ли шанс поразить мишень? Конечно. Нужно достаточно долго и непрерывно стрелять в место возможного появления мишени— какая-то пуля и поразит ее. Но если у стрелка мало времени, то вероятность попадания в мишень практически равна нулю.

Атомы фермия, так же как и наша гипотетическая мишень, появляются в зоне нейтронного обстрела на очень короткое время по сравнению со временем, необходимым для прилипания к ним нейтрона. Как правило, они разваливаются на ядра-осколки и только в исключительно редких случаях захватывают нейтроны, по и эти редкие случаи — лишь теоретическая возможность. На деле ни один химик, вооруженный самой современной аппаратурой, не обнаружит менделеевий в веществе, облученном в ядерном реакторе.

Есть другой способ синтеза атомных ядер. Новый ядерный слиток возникает при объединении двух стабильных ядер. В 1937 году итальянский физик Эмилио Сегре открыл первый искусственный элемент технеций. Сегре бомбардировал молибден ускоренными ядрами тяжелого водорода дейтерия. Число протонов в ядре молибдена увеличивалось на единицу, и рождались ядра 43-го элемента, атомы которого в свое время химики тщетно пытались выделить из минералов. Далекие трансураны: нобелий (№ 102), лоуренсий (№ 103), курчатовий (№ 104), а тем более элементы с высшими атомными номерами приходится получать, сливая воедино два сложных атомных ядра. Это не простая задача. Ядра всех элементов заряжены положительным электричеством, и при сближении между ними начинают действовать мощные силы отталкивания. Если бы две булавочные головки можно было зарядить электричеством с такой же плотностью заряда, какая существует в атомном ядре, то па расстоянии 100 километров головки отталкивались бы друг от друга с силою, равной весу Земли! Чтобы преодолеть эти силы, ядра должны сближаться с громадной скоростью, достигающей десятой доли скорости света. Разогнать сложный атом до такой скорости можно только на специальных гигантских циклотронах или мощных линейных ускорителях.

Быстрые ядра-снаряды падают на неподвижные ядра-мишени и в некоторых случаях образуют одно целое с ними. Из возникшего ядерного слитка и рождается ядро нового атома. Посмотрим на примере, как это происходит.

Обстреляем уран-238 ядрами неона. После слияния снаряда и мишени в новой ядерной капле число протонов равно сумме атомных номеров неона и урана: 10 + 92 = 102. Нагретая внесенной неоном энергией, тяжелая капля «кипит», деформируется, испытывает колебания и, как правило, делится на два сравнительно легких ядра-осколка. Нового элемента не получается. Лишь в одном из ста миллионов случаев из правила бывает исключение: горячая нуклонная капля испускает последовательно несколько нейтронов, нейтронный «ветер» уносит избыточную энергию, охлаждает ядерное вещество, и нуклонный слиток превращается в атомное ядро элемента № 102.

Выходит, что исследователь должен разыскивать среди сотен миллионов радиоактивных ядер-осколков считанные атомы далекого трансурана. А времени ему отпущено мало — проходят считанные минуты, и ядра 102-го распадаются. Поиски еще осложнены и тем, что параллельно основной ядерной реакции протекают побочные — иногда ядро неона передает только часть своих нуклонов ядру урана. В различных реакциях передачи образуются изотопы 101-го и 100-го элемента. Их ядерные излучения нелегко отличить от частиц, испускаемых атомами 102-го элемента.

Не удивительно, что на опознание сто второго ученые Советского Союза, США, Швеции, Англии затратили почти десять лет. Наконец в 1965 году в Дубне, под Москвой, в Объединенном институте ядерных исследований впервые были надежно изучены свойства нескольких изотопов неуловимого элемента.

Еще большие преграды на пути познания свойств элементов с высшими атомными номерами. Вероятность рождения курчатовия, как говорят физики, «при прочих равных условиях», в сотню раз меньше, чем элемента 102. Когда плутониевую мишень бомбардируют ускоренным неоном, на десять миллиардов слившихся ядер появляется лишь одно элемента 104.

Трудности постепенно преодолеваются, экспериментальная техника идет вперед — невозможное сегодня завтра становится простым и доступным. Уже в 1967 году ученые Дубны начали изучать распад атомов 105-го элемента. Сейчас на мощном дубненском циклотроне с трехметровыми полюсными наконечниками ускоренные пучки неона легко преодолевают электрическое отталкивание ядер самых тяжелых элементов — кюрия, берклия, калифорния. В принципе при бомбардировке таких тяжелых мишеней можно изучать ядра 106-го, 107-го и даже 108-го элементов, клетки которых в таблице Менделеева пока остаются пустыми.

Однако сегодня жерла ядерных машин взяли более дальний прицел. Ученые стремятся проникнуть в еще не изведанную область сверхэлементов.

Что же такое сверхэлемент? Чтобы объяснить это новое слово, придется начать издалека.

Еще на заре ядерной физики, когда молодая наука о ядре делала свои первые робкие шаги, была замечена странная закономерность: радиоактивные ядра, в которых числа протонов или нейтронов равны 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, отличаются повышенной устойчивостью. В те времена физики не могли понять странной закономерности и в шутку назвали таинственные числа «магическими». Позднее и атомные ядра с магическими числами протонов и нейтронов стали называть магическими.

Только в 1948 году американский физик Мария Гепперт-Майер опубликовала статью, где излагалась теория, объяснявшая закономерности возникновения магических чисел. По этой теории нуклоны в ядрах образуют оболочки, так же как и атомные электроны. Природа строения нуклонных оболочек совсем иная, но, как и атомы с полностью застроенными электронными оболочками (это благородные газы: неон, гелий, аргон), ядра, у которых все вакантные места в нейтронных и протонных оболочках заняты, особенно прочно удерживают свои нуклоны. Магические ядра наиболее стабильны по отношению к радиоактивному распаду. Современные теории утверждают, что в процессе синтеза элементов Солнечной системы магических ядер должно образовываться больше, нежели близких к ним по массовому числу соседних ядер. И действительно, самое древнее «археологическое» свидетельство — распределение изотопов природных элементов подтверждает теоретические выводы: ядра, в которых содержится магическое число нейтронов или протонов, чаще встречаются в минералах, то есть обладают большей распространенностью.

Теоретические расчеты последних лет показали, что могут появиться новые магические числа, которые еще не найдены ни в природных, ни в синтетических ядрах. Наиболее надежно предсказаны протонное число 114 и