Мисливці за елементами - журнал National Geographic Румунія
Всі хімічні елементи в природі - різні типи атомів - давно відкриті. У наш час, щоб пройти нову в катастрофі і накласти межі матерії, спочатку її потрібно створити.
Текст: Роб Данн
Фото: Макс Агілера-Хелвег
Торік, 22 жовтня, о 9:29 у лабораторії Юрія Оганесяна у Дубні на північ від Москви пролунав дзвоник. У тісному лабіринті, розділеному поличками для книг і дошками для написання, 12 фізиків-ядерників сиділи за своїми столами, повними стосів паперу або харчової упаковки. В іншому кінці кімнати відбудований, але шанований циклотрон кидав атоми кальцію в шматок фольги зі швидкістю 108 мільйонів кілометрів на годину. Дзвоник оголосив, що одне зіткнення вдалося: народився новий атом. На той час це був єдиний атом на Землі елемента 117 - і лише 19-й, який коли-небудь існував. Інші також були створені в цій лабораторії, але всі вони швидко зникли. Через частку секунди він зник.
Дубна, місто на Волзі, було засноване в лісі як нове місто вчених після Другої світової війни. Георгі Флеров, який сприяв запуску радянської програми ядерної зброї, створив лабораторію, яка згодом була передана Оганесяну. На початку війни Флеров помітив, що потік статей про радіоактивні елементи, написаних американськими та німецькими дослідниками, різко припинився. Він підозрював, що вони працюють над атомною бомбою, і написав радянському лідеру Йосипу Сталіну в квітні 1942 р. Сталін також доручив російським фізикам зробити атомну бомбу. За свою роль Флеров був нагороджений машиною, будинком для відпочинку (дацеєю) і, що найголовніше, Дубенською лабораторією. Там він зосередився на полюванні на нові хімікати.
Все, що ви знаєте і любите на Землі, а також усе, чого не знаєте, складається з хімічних елементів - різних типів атомів. Їм більшість мільярдів років, вони були розкидані в космосі Великим вибухом або вибухаючими зірками, а потім включені в новонароджену Землю і необмежено перероблялися від гірських порід до бактерій, до президента чи білка. Наприкінці XIX століття інший росіянин, Дмитро Менделєєв, спробував розібрати їх усі, згрупувавши за таблицею та іншими ознаками у своїй таблиці Менделєєва. Пізніше вчені пов'язали порядок, встановлений Менделєєвим, зі структурою атомів. Кожен елемент отримав число: кількість протонів в ядрі.
До 1940 року дослідники виявили все довговічне і давнє на Землі, аж до урану, елемента 92. Вони заповнили всі прогалини, залишені Менделєєвим у своїй таблиці. Але вони не виконали свою місію. Крім урану, відкривається цілий світ можливостей - елементів, які є занадто радіоактивними та нестійкими, щоб пережити мільярди років. Для того, щоб дослідити цей світ, спочатку його потрібно створити.
Перші кроки цього творчого процесу змінилися більше, ніж періодична система. У 1941 році, після того, як Гленн Сіборг та його колеги з Каліфорнійського університету в Берклі виробили елемент 94, плутоній, Сіборг був негайно завербований для проекту в Манхеттені. Флеров мав рацію. Після допомоги у побудові плутонієвої бомби, яку було скинуто на Нагасакі, Японія, щоб закінчити війну, Сіборг повернувся до Берклі. Він продовжував створювати нові елементи з менш драматичними додатками - наприклад, для детекторів диму - або навіть без них. До 1955 року його команда вже досягла пункту 101. Сіборг назвав його Менделєєвим.
Деякий час здавалося, що стіл Менделєєва на цьому може закінчитися елементом, що носив його ім'я. Протони в атомному ядрі завжди намагаються його розщепити; їх позитивні електричні заряди відштовхують один одного. Нейтрони - електрично нейтральні частинки, що перевищують кількість протонів - допомагають підтримувати згуртованість ядра. Але ця сила зв’язування діє лише на надзвичайно коротких відстанях і швидко слабшає із збільшенням розміру ядра. Отже, у періодичній системі має бути заключний ящик, максимальний розмір, за яким атом більше не був би стабільним навіть протягом крихітного періоду, як своєрідні ефемериди хімії. З менделєєвим, період напіввиведення якого становить 51,5 доби, дослідники, здавалося, дійшли до кінця.
Однак команда Берклі продовжувала свої зусилля, а також суперництво з Лабораторією ядерних реакцій Флерова в рамках Спільного інституту ядерних досліджень в Дубні. Між 1965 і 1974 рр. Берклі стверджує, що виробляв товари 102, 103, 104, 105 і 106 - як команда "Дубна". Усі ці ефемериди померли всього за кілька годин. Суперечка про те, хто першим створив їх, склалася погано, ймовірно, загострилася холодною війною. Врешті-решт був досягнутий компроміс: елемент 105 назвали дубнієм, а елемент 106 - морським боргієм. Таким чином вдалося уникнути ядерної війни.
Тим часом теоретики знайшли нову мету цих зусиль. Дуже велике ядро може бути напрочуд стабільним - вони вирішили - якби воно мало "магічні числа" протонів і нейтронів - якраз настільки, щоб заповнити дискретні шари, які ці частинки займають. Якщо ця ідея виявиться правильною, це все змінить. Це означало, що, можливо, просто, можливо, за горизонтом існував «острів стабільності», де жахливі важкі елементи зі 114, 120 або 126 протонами встигали тривати хвилини, тижні чи навіть тисячі років. Ця туманна мрія про можливий новий світ раптово зробила весь пошук набагато привабливішим. Саме тоді Оганесян приєднався до лабораторної команди Флерова.
Одного вечора минулої осені в Дубні ми з перекладачем постукали у двері скромного будинку Оганесяна на вулиці Флерова. Важкі хмари снігу нависали над нашими головами. Ворони стрибали навколо ліхтарів. Оганесян дав нам капці, а потім повів до своєї вітальні, де налив чаю. Після чаю я пив каву, потім домашнє вино з Вірменії. Ми поговорили про американську народну музику, наших дітей та місця, котрі ми кожен подорожували. Через деякий час я повернувся до зусиль Оганесяна знайти той острів стабільності.
У молодості, коли цей острів вперше підкорив його уяву, це здавалося нездійсненною мрією. Лабораторії в Берклі та Дубні досягли елемента 106, спроектувавши легкі ядра на важкі ядра з такими високими силами, що вони злилися в єдине надважке ядро. Але після 106 зіткнення продукували стільки енергії, що вони зруйнували ядро, перш ніж воно могло сформуватися. У 1974 році Оганесян придумав, що трохи важчі снаряди і трохи легші цілі можуть призвести до більш м'якого і, отже, більш ефективного зіткнення. Лабораторія в Дармштадті, Німеччина, перейняла цю ідею і створила елементи з 107 по 112. Ще велика чверть століття пройде до великого дня Оганесяна.
Лабораторія в Дубні переживала важкі часи. Флеров помер у 1990 році. Радянський Союз розпався в 1991 році. Лабораторія працювала місяцями, не маючи можливості платити дослідникам, які жили, збираючи гриби з лісу та ловлячи рибу у Волзі. На той час Оганесян став керівником операції. Він міг вирішити, що лабораторія буде займатися більш практичними питаннями. Але він вирішив, що вся його команда повинна зосередитись на отриманні елемента 114 - найближчого до його острова стабільності берега.
Щоб створити елемент 114, Оганесян проектує атоми кальцію (з 20 протонами) на атоми плутонію (з 94). Його циклотрон міг впоратися з цим процесом. Але йому потрібні були рідкісні ізотопи кальцію та плутонію, які мали достатньо додаткових нейтронів, щоб утворити зв’язки зі 114 протонами. Оганесян переконав американських фізиків з Національної лабораторії Лоуренса Лівермора в Каліфорнії - які були його конкурентами лише кілька років тому - дати йому 20 міліграмів плутонію. Його план полягав у спромігуванні променя атомів кальцію на десяту частину швидкості світла на циклотрон на фольгу, покриту дорогоцінним плутонієм. Серед мільярдів атомів, розпорошених на інший бік фольги - тонший за волосся - Оганесян очікував отримати щонайбільше один атом із 114. Разом його команда та Лівермор винайшли новий детектор для знайти.
Вони ввели циклотрон в експлуатацію в листопаді 1998 року. Літак повинен був контролюватися день і ніч. "Якби він був людиною, цей циклотрон був би дуже старим", - сказав мені лаборант. В кінці листопада циклотрон продукував один атом елемента 114. Він тривав лише кілька секунд - але він все ще був у тисячі разів довший, ніж очікувалося, якщо б не було острова стабільності, плюс це довело, що спрацював кальцієвий метод. З тих пір Дубна та інші лабораторії отримали елементи 115, 116, 117 та 118, а також ізотопи з різною кількістю нейтронів. Вони ще не наблизились до піку острова, де стихія могла витримати роки. Але вони вийшли на берег, коли Оганесян вперше отримав елемент 114, про який він мріяв десятки років.
Минулої весни його офіційно прийняли до періодичної системи як флеровіу (пункт 116 називався печінковим). Кілька місяців потому, на вулиці Флерова, я нахилився над столом і задав собі питання: у віці 80 років Оганесян не хотів виходити на пенсію і насолоджуватися тихим і корисним життям.?
"Я відкрив острів", - відповів він. Настав час дослідити його, прогулятися по його західному березі ". Потрібно розуміти, як поводяться нові елементи - незалежно та у відповідь на інших. Потрібно знайти спосіб прокачати магічну кількість нейтронів, тобто 184, щоб досягти вершини острова. Потрібно з’ясувати, чи існують інші піки для елементів 120 або 126. На даний момент всі ці цілі здаються майже неможливими. Але Оганесян поки не планує виходити на пенсію.
Ця стаття з’явилася у номері журналу National Geographic Румунія за травень 2013 року.