19 января 2016

Андрей Попеко, заместитель директора ЛЯР ОИЯИ: "Мы подходим к границам материи"

Открытие века: таблица Менделеева пополнилась сразу несколькими элементами. Ученые осторожно дают понять, что периодический закон, заложенный в ней, придется "подправить". "Огонек" поговорил с теми, кто держит руку на пульсе атомного ядра.

Сенсация грянула ровно под Новый год: в 11 вечера 30 декабря на сайте Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) был опубликован пресс-релиз о пополнении таблицы Менделеева сразу четырьмя новыми химическими элементами — 113-м, 115-м, 117-м и 118-м. Напомним вкратце: когда Дмитрий Иванович предложил свою знаменитую классификацию химических элементов, там было много свободных мест, постепенно они заполнялись, и вот на наших глазах "закрылся" седьмой ряд таблицы. Фактически это означает, что в своем классическом виде таблица Менделеева завершена и начинает новую жизнь.

На повестке дня, впрочем, не только вопросы мироустройства, но и вещи более приземленные — к примеру, как будут называться новые элементы? Сейчас у них лишь рабочие названия — Uut (унунтрий), Uup (унунпентий), Uus (унунсептий) и Uuo (унуноктий), но предложений по названиям много. Например, 117-й элемент просят назвать Oc (октарином) — одноименное волшебное вещество фигурирует во вселенной, придуманной популярным фантастом Терри Пратчеттом. В интернете развернулось масштабное голосование: за октарин уже 45 тысяч человек. 113-й элемент предложено назвать япониумом. Еще один из элементов вполне может стать московием... Главная же интрига в том, что хотя сам выбор ограничен (элементы "положено" называть в честь мифологического понятия, минерала, некоего конкретного места, страны или, допустим, ученого), последнее слово все же принадлежит первооткрывателям, а таковых в этом году несколько.

Хорошая новость для российской науки в том, что приоритет в синтезе 115-го, 117-го и 118-го элементов отдан ученым из Объединенного института ядерных исследований в Дубне (Россия), а также Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии (США) и Окриджской национальной лаборатории в Теннесси (США). 113-й обязан появлением специалистам из Института естественных наук RIKEN (Япония) — для японцев это, кстати, большая научная премьера. Правда, без споров не обошлось: в Дубне дали понять, что удивлены решением по 113-му элементу — у наших заслуг в его изучении не меньше. Цена вопроса велика, ведь для ученых, по словам нобелевского лауреата Редзи Ноери, подобное открытие значит больше, чем для спортсменов — олимпийское золото!

Чтобы выяснить, как шли изыскания, "Огонек" связался с замдиректора лаборатории ядерных реакций им. Флерова ОИЯИ в Дубне физиком-ядерщиком Андреем Попеко.

— Андрей Георгиевич, все перечисленные новые элементы в вашей лаборатории синтезировали несколько лет назад. Почему же официальное признание от IUPAC пришло только сейчас?

— Таковы международные правила. Всего за последнее время нам удалось открыть шесть элементов. Два из них, 114-й и 116-й, включены в таблицу Менделеева еще в 2012 году. 114-й был назван флеровием в честь нашей лаборатории и ее основателя, академика Флерова, 116-й — ливерморием, в честь города Ливермора (Ливерморская национальная лаборатория в США — наш давний партнер по исследованиям). И вот под конец прошлого года стало известно о признании еще четырех элементов.

Задержка объяснима строгими правилами IUPAC: недостаточно получить новый элемент — нужно, чтобы этот результат повторили независимые лаборатории, а все данные проверила специальная комиссия. Вот и получается, что между публикацией первой работы и признанием ее результатов проходит лет десять.

Основные вопросы с нашей стороны — к открытию 113-го элемента, первенство в котором отдано японцам. Им действительно многое удалось: "легкий" изотоп 113-го элемента они синтезировали в результате прямой реакции, бомбардируя мишень на ускорителе (ядра атомов, которыми бомбардируют мишень, сливаются с ядрами тех, что находятся в мишени, и образуют новые элементы.— "О"). Японцы получили три атома за 10 лет — это рекорд. Однако мы синтезировали более тяжелый изотоп 113-го элемента, причем годом раньше. Правда, у нас он получился как дочерний продукт распада 115-го элемента, возможно, это сыграло свою роль при определении приоритета в открытии. Что ж, дождемся официального заключения.

— Зато вас уже сейчас можно поздравить с пальмой первенства в открытии остальных элементов. Как назовете? Московием?

— Да, такое название давно предлагается. Но поймите, наш институт — международная организация, мы сотрудничаем с коллегами из-за рубежа, так что это как с именем для ребенка — нужно, чтобы оба супруга были единодушны, хорошо бы также выяснить мнение дедушек и бабушек. Различные формальности продлятся еще примерно год, время есть.

С открытиями новых элементов вообще история непростая: можно вспомнить про 102-й элемент — нобелий. Его сначала открыли шведы, потом американцы доказали, что они ошиблись, а потом мы уже доказали, что ошиблись американцы, однако название, данное шведами, осталось — к нему как-то привыкли. А вот для некоторых элементов приоритет открытия был разделен между лабораториями в Дубне и Беркли (США), в Дубне и Дармштадте (ФРГ). Приятно, что тот же 105-й элемент назван дубнием...

— Можете объяснить, за счет чего мы вырвались вперед?

— Это еще с советских времен: после того как вопросы с ядерным оружием были решены, ученые переключились на научные аспекты изучения тяжелых ядер. И, конечно, правильная стратегия была выбрана в 1990-е: в нашем институте решили сосредоточиться именно на этих исследованиях. У нас же, в Дубне, были предложены и методы синтеза тяжелых и сверхтяжелых элементов путем холодного (используются мишени из свинца и висмута) и горячего слияния (используются мишени из трансурановых элементов, а в качестве бомбардирующей частицы — ядра кальция-48). С их помощью получены 12 наиболее тяжелых новых элементов от 107-го до 118-го.

Да, сегодня японцы, китайцы, корейцы заявляют о себе в науке все громче — идет настоящая восточная волна. Но тем важнее удержать планку.

— Простите, а насколько вообще это сложно: "родить" новый химический элемент?

— Судите сами: вероятность слияния двух ядер, на чем и построен процесс получения новых элементов, очень мала. К тому же супертяжелые элементы, которые мы изучаем, нестабильны: получаемые атомы живут доли секунды. За эти мгновения их нужно "поймать" и изучить, проследить за процессом распада. А ведь количество вещества измеряется единичными атомами!

Для самого процесса синтеза требуется наработка материала для мишеней (например, элементов вроде кюрия, берклия, калифорния) — здесь требуются реакторы, где производят изотопы, технологии очистки и разделения изотопов, технологии изготовления мишеней из высокорадиоактивных материалов. В мире таких уникальных ядерных реакторов всего два — один в Окридже в США, другой в нашем Димитровграде.

Нужны и ускорители, производящие мощные потоки тяжелых частиц. Но не надо думать, что если построить такой ускоритель, как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, то можно решить все проблемы: для синтеза новых элементов требуются пучки частиц, ускоренных "только" до 10 процентов скорости света, а это совсем другая, хоть и не менее сложная технология.

Как найти и выделить из "каши", образовавшейся в результате ядерной реакции, интересующий элемент? Для этого также требуются специальные сепараторы и детекторы. Ну и, конечно, без специалистов самой высшей квалификации все это работать не будет — эксперименты по синтезу идут круглосуточно и длятся годами!

— И каково научное значение ваших исследований? Есть представление, что вы именно ищете?

— А вы что-то слышали про остров стабильности? Так называют сверхтяжелые элементы, расположенные в таблице Менделеева гораздо дальше урана, чьи ядра не распадаются столь быстро, как считалось ранее. Долгое время — с 1960-х — существование такого "острова" было чистой теорией, и вот сегодня мы можем, наконец, констатировать: "остров" существует, пусть мы и зацепили пока лишь его край.

Так вот интересно, а есть ли предел? Насколько можно увеличивать массу ядра и в какой момент оно начнет мгновенно разваливаться? И не приобретет ли какие-то новые формы? В этих вопросах мы фактически подходим к границам существования привычной нам материи... Не случайно Виталий Гинзбург в своей нобелевской речи назвал синтез сверхтяжелых элементов одним из ключевых направлений научного поиска в XXI веке.

Эти новые элементы вообще очень интересны: предполагается, к примеру, что они могли образовываться при взрывах сверхновых в космосе, а значит, влиять на эволюцию планет.

— А простые смертные когда-либо смогут оценить такие теоретические изыскания?

— Прикладное значение, разумеется, тоже есть. Например, изучая химию одиночных атомов, вы учитесь создавать редкие изотопы, незаменимые в ядерной медицине (применении радионуклидных препаратов для лечения и диагностики.— "О"). А в экологии такие изотопы могут пригодиться как своего рода "метки" (например, при изучении микроорганизмов и среды их обитания.— "О"). Перспективное направление — поиск и создание новых материалов, которые будут обладать невиданными свойствами. Или давайте вспомним об актуальной проблеме — космическое излучение часто выводит из строя электронику на спутниках. С помощью той же технологии, благодаря которой мы получаем пучки ускоренных частиц, можно тестировать электронные компоненты техники на устойчивость к такому излучению, одним словом, перспектив множество.

— В каком направлении будете искать дальше? Станете изучать тот самый "остров стабильности"?

— Скорее всего. Наибольший интерес в ядерной физике сейчас к необычным ядрам: например, предсказано, что должен быть гелий-10, но его никак не могут найти. Мы двигаемся к более тяжелым элементам — это сфера неизвестного, тем она и интересна...