Владислав Кузнецов – Сокровищница XXI века (страница 3)

В лабораториях ученые получают искусственные элементы еще одним необычным методом, который, по всей вероятности, в недалеком будущем окажется плодотворным и для создания сверхядер.

Обычно разрушение не приводит к созиданию. Правда, бывают исключения. Одно из них — микровзрыв, деление атомного ядра. Так, при расщеплении урана нейтронами среди ядер-осколков содержатся и несуществующие в природе технеций и прометий. Замечательные открытия сделаны за последние годы. Калифорний-252, изотоп элемента № 98, делится самопроизвольно с большой скоростью и дает мощный поток ядер-осколков. И вот среди осколков калифорния физики нашли странные атомы. Их ядерный заряд равнялся двум, и, очевидно, это были атомы гелия, символ которого стоит во второй клетке таблицы Менделеева. Но если размещать элементы не по ядерному заряду, а по атомным весам, подобно тому, как поступал сам Д. И. Менделеев, то новые атомы оказались бы на месте лития, следующего за гелием элемента № 3. Атомный вес странного вещества был почти таким же, как у лития. Ученые быстро разгадали загадку: при «взрыве» калифорниевого ядра рождались насыщенные нейтронами ядра — гелий-6 и гелий-8.

Нельзя ли получить в процессе деления и богатые нейтронами сверхядра? Ныне теоретики отвечают на этот вопрос утвердительно. Нужно только создать достаточно массивную нуклонную каплю, например слить два тяжелых ядра: ксенон с ураном, уран с плутонием...

Продукт слияния двух тяжелых ядер — нагретое до высокой температуры нуклонное образование— мгновенно делится, и среди осколков могут встретиться ядра сверхэлементов с магическим числом нейтронов.

Пока опыты по слиянию тяжелых атомных ядер еще в зачаточном состоянии. Но многое уже сделано. Так, в Лаборатории ядерных реакций, в Дубне, на циклотронном тандеме уже получен поток ядер ксенона, способных слиться с ядрами тяжелых элементов.

Что же означают слова — циклотронный тандем? Тандем образуют два включенных последовательно циклотрона. Вначале положительные многозарядные ионы ксенона Хе⁺⁸ (положительным ионом называют атом, потерявший один из своих электронов; если же у атома не хватает нескольких электронов, его называют многозарядным. Зарядность иона обозначают цифрой слева вверху у символа элемента; например, Хе⁺¹⁰ — десятизарядный положительный ион ксенона) ускоряются на циклотроне с трехметровыми магнитными полюсами до сравнительно скромных энергий, а затем, дополнительно, в машине меньших размеров. По ряду причин на второй ступени ускорения, в малом циклотроне, неизбежны большие потери стартовавших частиц. Поэтому по интенсивности тандем проигрывает циклотрону. Зато достигается выигрыш в «калибре» ускоряемых ядер-снарядов. На одиночном циклотроне с трехметровыми полюсами можно получить сравнительно интенсивные пучки ядер, если их атомный номер не более 20. А ведь ксенон занимает 54-ю клетку таблицы Менделеева.

Стоит упомянуть, что циклотронный тандем в Дубне применен впервые. До этого ни в одной из лабораторий мира ничего подобного не делали.

Получить интенсивные пучки ксенона с нужными энергиями можно было бы на гигантском циклотроне, во много раз превосходящем по своим габаритам современные ускорители сложных ядер.

Тогда в руках у физиков оказался бы действенный механизм творения сотен, а быть может, и тысяч новых искусственных атомных ядер. Их изучение обогатило бы ядерную физику важнейшими опытными данными.

Инженеры и ученые не видят принципиальных трудностей, которые могли бы встретиться при создании такой в общем-то очень сложной машины. Однако на разработку проектов, постройку гигантской фабрики быстрых атомных ядер необходимо затратить немало сил, средств и времени. Рост массы ядер-снарядов — это увеличение размеров циклотрона, предельные напряженности магнитных и электрических полей, высокий вакуум, мощная система охлаждения и многое другое, что требует немалых затрат. Ученым приходится искать новые пути.

На сегодня самым перспективным считается путь, предложенный академиком В. И. Векслером, — «коллективный метод» ускорения.

Известно, что разогнать до высоких скоростей электроны гораздо проще, чем любое атомное ядро. В электрическом поле сила, действующая на «коллектив», то есть на электронное облако такой же массы, как, например, масса атома ксенона, почти в 5000 раз больше силы, с которой поле может воздействовать на ксеноновый атом в самом благоприятном случае, когда он полностью лишен своих электронов. Иначе говоря, атомное ядро по сравнению с электронным облаком весьма медленно разгоняется электрическим полем.

А нельзя ли связать атомное ядро с электронным сгустком так, чтобы сгусток потянул за собой ядро и передал ему свою высокую скорость? Тогда тяжелые ядра будут ускорены до необходимых энергий в относительно слабых электрических полях.

Создать достаточно прочные связи нелегко. Попробуйте привязать телегу к пушечному ядру, которым заряжено орудие. После выстрела лопнет любой трос, а телега останется, конечно, на месте.

И все же был найден способ спайки электронов и ядер в один «коллектив». Тяжелые атомы вводились в сформированное в магнитном поле электронное кольцо высокой плотности. В кольце атомы теряли часть своих электронов и становились положительными ионами и уже не могли покинуть отрицательно заряженное кольцо. Затем электронное кольцо вместе с ядрами ускоряли внешним электрическим полем до больших скоростей. Тогда такую же скорость набирали и ядра, заключенные в кольце.

В 1971 году советский физик В. П. Саранцев доложил на VII Международной конференции по ускорителям о получении быстрых ионов азота с помощью электронного тороидального кольца. «Коллективный метод» с одинаковым успехом можно приложить и к ускорению азота и к ускорению урана.

Но вот физики овладели ускоренными пучками самых тяжелых атомных ядер. Что же дальше?

Как правило, с увеличением атомного номера элемента устойчивость его изотопов к различным видам радиоактивного распада снижается: мощные электростатические силы, стремящиеся разрушить ядро, пропорциональны квадрату атомного номера и растут с увеличением протонного числа быстрее, чем силы, объединяющие нуклоны в ядре. И это подтверждает опыт: ядра с высокими атомными номерами самые неустойчивые — за короткое время они распадаются.

Однако если внимательно взглянуть на таблицу Менделеева, то нетрудно обнаружить интересную особенность.

У элемента № 81 — таллия, следующих за ним свинца и висмута есть такие изотопы, что их распад невозможно обнаружить никакими приборами, так медленно он протекает. Но вот за висмутом идут: полоний, астат, радон, франций... Ядра всех изотопов этих элементов распадаются за очень короткое время. А вот ядра тория и урана, хотя их атомные номера больше, значительно стабильнее. Периоды полураспада наиболее долгоживущих изотопов тория и урана соответственно 14 и 4,5 миллиарда лет — величина одного порядка с возрастом нашей планеты. Точно так же изотопы нептуния, плутония, америция, кюрия значительно стабильнее, чем изотопы элементов с меньшими атомными номерами — радия и полония. Таким образом, время жизни уменьшается с ростом атомного номера нерегулярно: спад после висмута, подъем в области торий — уран и новый медленный спад за ураном. У самого устойчивого изотопа плутония период полураспада 70 миллионов лет, у кюрия 15 миллионов лет. Изотопы нобелия — элемента 102 — в лучшем случае распадаются за часы, а атомы курчатовия живут всего лишь минуты.

Будет ли новый подъем времени жизни атомных ядер — такой, как в области урана и тория, для элементов с большими атомными номерами?

Предсказание теоретиками магических чисел 114 и 184 внушает надежду на повышение устойчивости к радиоактивному распаду изотопов с магическим числом нейтронов 184 и атомными номерами 110–126.

Возникает и другой вопрос. Не окажется ли время жизни ядер далекого острова относительной стабильности настолько большим, что они сохранились в природе так же, как радиоактивные уран и торий, но в очень малых концентрациях?

Перед физиками-теоретиками встают очень большие трудности, когда требуется предсказать времена жизни атомных ядер. Задача сложна уже потому, что еще не удалось разгадать до конца природу сил, связывающих протоны и нейтроны в единую каплю ядерного вещества. Поэтому теоретик, рассчитывающий атомное ядро, находится в положении шахматиста, не знающего всех правил игры. А нужно сыграть гроссмейстерскую партию. Ведь расчет взаимодействия многих протонов и нейтронов, — а в ядрах, составляющих гипотетический остров стабильности, их около 300,— сложен сам по себе.

И все же положение не так безнадежно — помогает анализ уже сыгранных партий — анализ свойств изученных ядер. На основе экспериментальных данных, при разумных предположениях физики и оценивают возможное время жизни еще не изученных ядер.

По одной из таких оценок у самых устойчивых изотопов 108-го и 110-го элементов период полураспада может достигать 100 миллионов лет. Хотя эта величина примерно в 50 раз меньше времени, прошедшего с момента завершения творения вещества Солнечной системы, все же небольшая доля магических ядер с атомными номерами 108 и НО может сохраниться в горных породах, правда, в ничтожных концентрациях.