Человек и элемент
«Нобелевский лауреатов значительно больше, чем людей, чьими именами названы элементы в таблице Менделеева», отметил Эдуард Боос, директор НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ, перед лекцией в День науки знаменитого российского физика Юрия Оганесяна. Именно в его честь назван последний из открытых на сегодня химический элемент — оганесон.
Для российской науки 8 февраля — это дважды историческая дата. В 1724 году в этот день (28 января по старому стилю) Петр I подписал указ о развитии науки в российском государстве, в соответствии с которым в Санкт-Петербурге появилась Академия наук и художеств. Это было первое в стране научное учреждение подобного уровня.
И в этот же день отмечают день рождения великого российского ученого Дмитрия Менделеева, создавшего периодическую систему химических элементов.
Символично, что в этом году одну из традиционных открытых лекций в МГУ ко Дню науки прочитал Юрий Оганесян, чьим именем назван последний из открытых элементов таблицы Менделеева — благородный газ оганесон под номером 118.
При жизни такой чести были удостоены всего два человека, помимо Юрия это был американский физик Гленн Сиборг, давший свое имя элементу под номером 106 в 1997 году.
Юрий Оганесян принимал участие в работах по синтезу 104, 105 и 106 элементов таблицы Менделеева и руководил открытием химических элементов от 113 до 118 включительно. Он основал новое научное направление — физику тяжелых ионов совместно с академиком Георгием Флеровым.
Оганесян открыл новый класс ядерных реакций — холодное слияние массивных ядер, которое применяют для синтеза новых элементов ученые всего мира.
Академик РАН, доктор физико-математических наук, Юрий Оганесян руководит всемирно известной Лабораторией ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Также он уже двадцать лет, с момента основания, заведует кафедрой ядерной физики Государственного университета «Дубна».
Экскурс от легенды
Юрий Оганесян подготовил для своих слушателей экскурс в историю ядерной физики, который озаглавил «Границы масс атомных ядер. Периодическая таблица Менделеева спустя 154 года с момента ее создания». Он напомнил, что наука об атоме зародилась в античную эпоху. За 400 лет до нашей эры греческий философ Демокрит предположил, что все в окружающем мире состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, которые взаимодействуют между собой. И более двух тысяч лет этот взгляд на устройство окружающего мира оставался неизменным.
В начале XIХ века Джон Дальтон выдвинул теорию, что атомы служат строительными кирпичами для молекул, из которых и состоит все в мире. Он ввел понятие «атомный вес», создал для него метод расчета и составил первую в мире таблицу соотношений атомных масс для 36 известных на ту пору химических элементов.
В 1869 году Дмитрий Менделеев составил периодическую таблицу из 63 известных в его время химических элементов. Он обнаружил, что их свойства зависят от их атомного веса и последовательно меняются через каждые восемь номеров. По словам Оганесяна, если рассматривать химические элементы как кирпичики мироздания, своего рода буквы алфавита, то такого не может быть, потому что буквы не должны быть похожи друг на друга. А если они похожи, то получается, что атомы — это не буквы, а слова, а кирпичики надо искать на более глубоком уровне.
«Так открылись врата в микромир — мир элементарных частиц, в котором все пока было неясным», — отметил Оганесян.
И только 42 года спустя Эрнест Резерфорд опытным путем доказал, что атом состоит из положительно заряженного сверхплотного ядра, вокруг которого вращаются электроны. Позднее стало ясно, что в микромире не действуют законы классической механики, у него свои законы, которые стали называть квантовой механикой. В теории Георгия Гамова ядро отождествлялось c каплей заряженной жидкости огромной плотности, несущей практически всю массу атома и весь его положительный заряд.
Затем, на основе капельной модели Нильсом Бором и Джоном Уилером была создана теория ядерного деления, наблюдаемого в экспериментах Отто Гана и Фрица Штрассмана. Стало ясным, что если в ядро урана внести энергию более 6 мегаэлектронвольт, то в результате деления урана на 2 части будет выделено 200 мегаэлектрон вольт.
Ядерное деление стало важнейшим открытием для человечества, которое шагнуло в атомный век.
В то же время в экспериментах Георгия Флерова и Константина Петржака было обнаружено, что ядро урана может делиться самопроизвольно (спонтанно).
Дальнейшие исследования показали, что чем тяжелее элемент, тем легче делится его ядро, тем короче время его жизни. Таким образом получалось, что с ростом массы и заряда атомного ядра мы подходим к пределу, когда ядро становится совершенно нестабильным к спонтанному делению. Это и есть предел массы ядер, по сути, предел существования материального мира. Было рассчитано, что ядро сотого элемента таблицы Менделеева должно делиться с ошеломляющей скоростью 10 в минус девятнадцатой степени секунды.
Но на нашей планете существующие элементы заканчиваются на уране с порядковым номером 92. Однако раньше, 4.5 миллиарда лет тому назад, на заре Солнечной системы, были и более тяжелые элементы, просто они давным-давно распались. Однако ХХ век стал знаменательным тем, что люди научились синтезировать уже несуществующие элементы. Сначала бомбардируя одни тяжелые элементы нейтронами, а затем тяжелыми частицами (тяжелыми ионами) других элементов.
В 1940 году американские ученые смогли синтезировать первые трансурановые элементы, нептуний и плутоний, с порядковым номером 93 и 94. А в 1952 году в результате атомного взрыва был создан знаковый элемент под номером 100, получивший название фермий.
Казалось бы, предел возможного достигнут, но ученые решили выяснять: может быть, все-таки существуют элементы более тяжелые, чем фермий? И в 1955 году американским ученым удалось получить 101-ый элемент периодической системы, получивший название менделевий.
Устраняя пробелы в таблице
В начале шестидесятых годов прошлого века в лаборатории, где работал молодой ученый Юрий Оганесян, получили совершенно неожиданные результаты. Обнаружилось, что при спонтанном делении ядер атомов урана и трансурановых (следующих в таблице после урана) элементов периоды полураспада могут радикально различаться. Например, для атома урана-238 эта разница составила 10 в тридцатой степени раз!
Объяснить это можно было только тем, что внутреннее строение ядра таково, что его распад (в нашем случае – спонтанное деление) происходит из двух состояний – основного и изомерного. Отсюда следовало, что ядерное вещество имеет структуру, что отличает его от бесструктурной (аморфной) жидкости. Выяснилось также, что определенное «магическое» число протонов и нейтронов в атомном ядре усиливает их связь и может увеличивать периоды полураспада на много порядков. Благодаря этому возникают долгоживущие сверхтяжелые элементы там, где по предсказаниям капельной модели ядра существовать не могут.
Как известно, самый тяжелый стабильный элемент в природе — это свинец. Его стабильные изотопы не распадаются именно благодаря структуре своего ядра. Например, у свинца-208 в ядре 82 протона, которые составляют «магическое» число, и 126 нейтронов — это тоже «магическое число», таким образом свинец дважды «магический». Если бы эти числа не были «магическими», то свинец на Земле давно бы распался, подчеркнул Оганесян.
Так появилось объяснение, почему возможно существование элементов за пределами сотого номера таблицы Менделеева.
Начались поиски методов синтеза «тяжеловесов». Их создают в реакциях слияния ядер двух разных элементов. В каждом из них природой уже заложено строго определенное количество протонов и нейтронов. Где же взять лишние нейтроны для создания сверхтяжелых «магических» ядер? Единственно возможный вариант — это использовать атомы, ядра которых уже содержат излишек нейтронов.
Поскольку в природе таких атомов нет, приходится их создавать искусственно, облучая тяжелые элементы нейтронами в ядерных реакторах, объяснил Оганесян. В итоге появляются не стабильные, а радиоактивные элементы, которые используются в качестве мишени, такие как плутоний, америций и др. А в качестве снаряда мы выбрали уникальный, редкий и очень дорогой изотоп — кальций-48, который содержит восемь лишних нейтронов.
В России основным центром работы по созданию сверхтяжелых элементов стал Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ). Его ускоритель бомбардировал мишени пучками кальция-48 на протяжении ста тысяч часов, рассказал Оганесян. С 1999 года сотрудниками института были синтезированы шесть новых, долгоживущих сверхтяжелых элементов с порядковыми номерами со 113 по 118.
Еще одним вызовом для исследователей стало изучение релятивистских эффектов в электронной структуре тяжелейших атомов. В них скорость электрона приближается к скорости света, по теории относительности возникает эффект, как бы роста массы ближайших к ядру электронов. Их орбита сжимается (релятивистское сжатие) и «затеняет» действие положительного заряда ядра на электроны последней орбиты, ответственные за химические свойства элемента. Это может изменит химические и физические свойства элемента, пояснил Оганесян.
Например, по расчетам ряда ученых, под воздействием релятивисткого эффекта благородный газ оганесон может быть вовсе не газом. Его точка плавления поднимается до около 40 градусов и кипения до 180 градусов по Цельсию, а при комнатной температуре он будет твердым телом. С другой стороны, наши теоретики из Санкт-Петербургского университета в этих заключениях сомневаются и считают, что 118 элемент при комнатной температуре будет благородным газом, сказал Оганесян. Кто прав, должны показать результаты экспериментов.
В 2017 году в Дубне была создана новая лаборатория ОИЯИ, получившая название Фабрики сверхтяжелых элементов.
Она должна увеличить результативность экспериментов в сто раз по сравнению с тем, что считалось пределом возможностей во всем мире. Сейчас новый ее ускоритель уже превосходит по наработке сверхтяжелых элементов на пучке ионов кальция-48 любой ускоритель в мире в 15 раз, сообщил Оганесян.
Удостоенный престижных наград
В 2018 году Юрий Оганесян получил Большую золотую медаль имени Ломоносова — высшую награду Российской академии наук (РАН) — за фундаментальные исследования в области взаимодействия сложных ядер и экспериментальное подтверждение гипотезы существования «островов стабильности» сверхтяжелых элементов. А в 2021 году ему вручили Международную премию ЮНЕСКО – России имени Менделеева «в знак признания прорывных открытий, расширивших границы периодической таблицы, а также значительного вклада в содействие развитию фундаментальных наук в глобальном масштабе».
В прошлом году Юрий Оганесян стал одним из трех первых лауреатов Научной премии, учрежденной Сбером. Ежегодно будут вручать три премии по 20 млн рублей для ученых, ведущих активную научную деятельность в России, исследования которых вносят решающий вклад в научно-технический прогресс и открывают новые перспективы.
«Когда мы задумали учредить Научную премию, мы хотели положить начало серьезной многолетней традиции, — поделился вице-президент, директор Управления исследований и инноваций Сбербанка Альберт Ефимов, приветствуя слушателей лекции Юрия Оганесяна. — У меня есть мечта, что в какой-то момент наши лауреаты получат Нобелевскую премию. Мы действительно можем поддержать величайших ученых, которые могут совершить прорыв, открыть что-то важное, поэтому решили, что должны поддерживать фундаментальную науку. Я точно знаю, что здесь, в зале, сидят люди, которые получат Научную премию Сбера через 10, 15, 20, 30 лет».