Владислав Кузнецов – Сокровищница XXI века (страница 2)

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 нейтронное 184. Сверхтяжелые ядра с таким содержанием нейтронов и протонов могут оказаться гораздо стабильнее других изотопов далеких элементов. Не исключено, что время жизни некоторых сверхядер будет соизмеримо с возрастом Земли. Гипотетические изотопы с предсказанными магическими числами 114 и 184 получили название «сверхэлементов», а область значений атомных номеров и массовых чисел, соответствующую им, называют областью новой относительной стабильности.

Почему новой? Вероятно, потому, что торий и уран, окруженные нестабильными соседями, можно считать расположенными на островке «старой» области устойчивости атомных ядер. Слово «относительной» указывает на то, что сверхэлементы в общем-то тоже нестабильны.

Чтобы получить синтетические ядра сверхэлементов, необходимо сразу перешагнуть через несколько клеток таблицы Менделеева. Если, скажем, бомбардировать искусственный элемент № 94, плутоний, ядрами элемента № 20 — кальция, то в результате слияния этих ядер могут рождаться ядра элемента № 114 (94 + 20 = 114). И вот здесь возникают большие осложнения.

Дело в том, что ядра любого элемента особенно упрочняют свою структуру, когда в них содержатся магические числа протонов и нейтронов. Одно из самых прочных природных тяжелых ядер — свинец-208. Его физики называют «дважды магом». В нем представлены сразу два магических числа: протонное 82 и нейтронное 126. Если же свинец-208 поместить в интенсивный поток нейтронов, то из него будут образовываться ядра свинца-209, которые распадаются всего за 3,3 часа. А ведь ядра свинца-208 настолько стабильны, что еще никому не удавалось и вряд ли в обозримом будущем удастся наблюдать их распад. Но стоило отойти только на один шаг от магического числа 126, как прочнейшее ядро потеряло устойчивость.

Теоретики предсказывают, что такая же картина будет наблюдаться и в новой области относительной стабильности. По расчетам, за числом 126 следует нейтронное магическое число 184. И вот оказывается, если в атомном ядре элемента № 110 будет не 184, а 182 нейтрона, то время жизни уменьшится в 10 миллионов раз. Вывод ясен: создать атомы сверхэлементов, не распадающихся в течение длительного времени, а значит, и доступных для изучения, можно лишь с нейтронным магическим числом. А это очень трудно. Пока физики владеют методами, с помощью которых можно получить ядра элемента № 114 только с «недостатком» нейтронов. В лучшем случае, после слияния богатых нейтронами изотопов плутония и кальция (плутоний-244 + кальций-48) возникает ядерный слиток со 176 нейтронами. До магического числа 184 недостает целых шесть единиц.

В каких же процессах могут рождаться сверхэлементы, насыщенные нейтронами? Может быть, в мощных импульсных потоках нейтронов термоядерного взрыва, где впервые были найдены изотопы 99-го и 100-го элементов, позднее названные эйнштейнием и фермием?

Посмотрим, что происходит при термоядерном взрыве. Горячая кипящая масса центральной области взрыва, где помещен и уран, подвергается нейтронному обстрелу всего миллионную долю секунды. Но интенсивность обстрела так велика, что урановые ядра успевают захватить до 17 нейтронов. Даже в самом мощном ядерном реакторе на увеличение массового числа на 17 единиц потребовалось бы несколько лет! Получаются ядра урана с массовым числом 238 + 17 = 255. Они нестабильны к бета-распаду. Один за другим вылетают из них ядерные электроны, повышается их атомный номер, пока не рождаются устойчивые к бета-распаду ядра фермия, сотого элемента. Затем атомный номер начинает убывать; изотопы фермия радиоактивны, но испускают не отрицательные электроны, а положительные альфа-частицы, и атомный номер дочерних ядер — продуктов распада фермия — равен 98.

Как видим, таким способом достигнуть зоны сверхэлементов невозможно. Чтобы превратиться в 110-й элемент, ядро урана должно захватить не 17, а 50 нейтронов. Столько нейтронов могло бы прилипнуть к урановому ядру в потоке, который поддерживается длительное время и вместе с тем по интенсивности не уступает потоку термоядерной бомбы, когда каждый квадратный сантиметр пространства центральной зоны взрыва пронизывает грамм нейтронов. А если такой поток поддерживается целую секунду? Площадку в 1 см² пересекла бы тонна нейтронов! В земных установках такое недостигаемо. Кинетическая энергия тонны термоядерных нейтронов равна 120 миллиардам киловатт-часов, годовой энергетической выработке десятка Братских ГЭС. Подобные условия могут встретиться в космических объектах, в нейтронной атмосфере пульсаров, при взрыве сверхновых звезд. Там элементы «варятся» в раскаленной массе, похожей на центральную область только что взорвавшейся водородной бомбы, но еще более плотной и жаркой.