Российские ученые из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне совместно с американскими коллегами впервые в истории успешно синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева, сообщил в среду РИА Новости руководитель эксперимента академик Юрий Оганесян.
Эксперимент был начат в июле 2009 года. Для синтеза 117-го элемента мишень из 97-го элемента, берклия-249, полученного в Окриджской национальной лаборатории (США), обстреливали ионами кальция-48 на ускорителе У-400 Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ.
Мы достоверно зафиксировали шесть событий рождения ядер 117-го элемента и заполнили таким образом пустовавшее до сих пор место в таблице Менделеева между 116-м и 118-м элементами", - сказал Оганесян.
Сотрудники Лаборатории ядерных реакций имени Флерова с 1960-х годов успешно синтезируют новые элементы. Во времена СССР здесь были получены 104, 105, 106, 107, 108 элементы. Здесь же были синтезированы впервые сверхтяжелые элементы с атомными номерами со 112 по 116 и самый тяжелый на сегодня 118-й элемент. Теперь ученым удалось заполнить "пропуск" и синтезировать 117-й элемент.
Мишень и снаряды
В природе не существует элементов с атомными номерами (числом протонов в ядре атома) больше 92, то есть, тяжелее урана. Более тяжелые элементы, например, плутоний, могут нарабатываться в атомных реакторах, а элементы тяжелее 100-го (фермия) можно получать только на ускорителях, путем бомбардировки мишени тяжелыми ионами. При слиянии ядер мишени и "снаряда" и возникают ядра нового элемента.
Для получения 117-го элемента на циклотроне У-400 ионами кальция-48 бомбардировали мишень из берклия-249. Около 22 миллиграммов берклия специально для российских физиков синтезировали их коллеги из Окриджской национальной лаборатории (Oakridge National Laboratory) в США.
Для получения этого чрезвычайно дорогого вещества, они в течение 250 дней бомбардировали мишень из кюрия и америция потоком нейтронов в реакторе HFIR (High Flux Isotope Reactor). В результате, в декабре 2008 года было получено 22,2 миллиграмма берклия-249.
В российском НИИ атомных реакторов (Димитровград) берклий был нанесен на титановую фольгу толщиной 1,5 микрона. Сектора из этой фольги были вставлены в мишень - колесо диаметром около 20 сантиметров, которое затем была установлено на циклотроне.
"Снаряды" для обстрела мишени "выпускали" непосредственно в ОИЯИ. Ранее в институте научились ускорять кальций-48, очень редкий стабильный изотоп, стоимость которого составляет около 200 тысяч долларов за грамм.
Успеть за 320 дней
Эксперимент по синтезу 117-го элемента начался 27 июля 2009 года. Ученым важно было успеть получить результат менее, чем за год, поскольку период полураспада берклия 320 дней, а это значит, что половина мишени за это время распадется.
Синтез осуществлен на экспериментальной установке, ускорителе заряженных частиц циклотроне У-400. Он, как и другие ускорители, разгоняет заряженные частицы с помощью магнитного поля.
Этот тип ускорителя устроен так, что частица, которая находится между полюсами электромагнита, разгоняется, двигаясь по спирали, а затем вылетает в специальный канал, где ставятся мишени и другие исследовательские установки.
Циклотрон У-400 начали строить в 1974 году, а первый пучок ионов на нем был получен 16 октября 1978 года. С тех пор этот прибор неоднократно модернизировался, в частности, была установлена система внешней инжекции ионов, интенсивность пучка была увеличена в 20-30 раз - до 10 триллионов частиц в секунду, а энергия частиц была доведена до 25 мегаэлектронвольт.
Вылетев из циклотрона по специальному каналу, пучок ионов кальция "врезается" в мишень - колесо, в секторах которого закреплена фольга с тонким слоем берклия. Колесо очень быстро вращается, иначе пучок ионов прожжет в нем дыру. Встречаясь с мишенью, пучок выбивает атомы, элементарные частицы, осколки ядер, и среди этого "мусора" могут быть и ядра нового элемента. Чтобы отделить их, за мишенью стоит газонаполненный сепаратор.
Уже за ним помещены специализированные детекторы, которые и должны были обнаружить рождение 117-го элемента.
Полученные цепочки
Первые ядра 117-го элемента были получены еще в 2009 году, однако ученые долгое время проверяли и анализировали полученные данные, сказал директор Лаборатории ядерных реакций имени Флерова профессор Сергей Дмитриев.
В свою очередь, академик Оганесян рассказал РИА Новости, какие именно результаты были получены. "Всего было получено шесть цепочек последовательного распада ядер 117-го элемента, причем нам удалось получить три разных изотопа нового элемента, а также новые изотопы элементов 115, 113, 111, 109, 107, 105", - сказал Оганесян.
Участники эксперимента по синтезу 117-го элемента – Владимир Утенков и Юрий Оганесян
© ОИЯИ
Участники эксперимента по синтезу 117-го элемента – Владимир Утенков и Юрий Оганесян
Полученные в результате реакции изотопы 117-го элемента с 297-ю нейтронами в ядре сначала испускали нейтроны, образуя два изотопа - с 294 и с 293 нейтронами в ядре. С них начинались две цепочки распада: "короткая", которую удалось зафиксировать пять раз, и "длинная", замеченная лишь единожды.
В первом случае 293-й изотоп нового элемента, просуществовав 7 миллисекунд, испускал альфа-частицу и превращался в ядро 115-го элемента, затем, снова путем альфа-распада, в ядро 113-го элемента, а затем в ядро рентгения, 111-го элемента.
Во втором случае ядро 117-го элемента существовало значительно дольше: 31 миллисекунду. Причем, на рентгении цепочка распада не заканчивалась, породив затем ядра мейтнерия, бория и дубния, сказал академик.
Признание и имя
Однако успех эксперимента еще не означает окончательного признания достижения. Для международного признания результата нужно, чтобы ту же реакцию повторила другая лаборатория.
При этом, физики других стран далеко не всегда экспериментально готовы подтвердить их открытия. Так, 114-й элемент был впервые синтезирован в Дубне еще в декабре 1998 года, однако независимое подтверждение было получено только в сентябре 2009 года.
После получения подтверждения, заявка поступает в Международный союз чистой и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC, русский вариант - ИЮПАК), который подтверждает открытие, после чего ученые имеют право предложить название для него.
Затем ИЮПАК консультируется с химиками по всему миру, чтобы название нового элемента хорошо звучало на всех языках. Таким образом, ИЮПАК только в феврале этого года официально присвоил имя "коперникий" 112-му элементу, полученному немецкими учеными еще в 1996 году.
Химия 113-го
С успехом синтеза 117-го элемента эксперимент не заканчивается. Ученые намерены изучить химические свойства 113-го элемента, который в эксперименте со 117-м просуществовал целые 5,5 секунды - значительно дольше, чем в каких-либо других экспериментах.
Для исследования свойств 113-го создана новая экспериментальная установка, позволяющая транспортировать летучие продукты реакций (а именно такие свойства ожидаются для 113-го элемента) в детектирующий модуль, позволяющий регистрировать единичные атомы.
"Первые предварительные эксперименты пройдут в апреле-мае. Но на полноценный эксперимент нам уже не хватит берклия - из полученных из Окриджа 22 миллиграммов после физического эксперимента у нас осталось всего около 3,5 миллиграмма. Но наше сотрудничество с американскими коллегами будет продолжено, в том числе и по программе берклия-249", - сказал Дмитриев.
По его словам, изучение химических свойств новых сверхтяжелых элементов является одной из наиболее актуальных задач современной ядерной химии.
Так, уже первые эксперименты по химии 112-го и 114-го элементов, проведенные в Лаборатории ядерных реакций имени Флерова совместно с коллегами из Института Пауля Шерера (Швейцария), дали блестящие результаты и стали основой широкой программы исследований, которая будет реализована в ближайшие годы.
Ученые из ОИЯИ не намерены останавливаться и уже сейчас планируют следующий скачок: синтез элементов с атомными номерами больше 118 (119-го и 120-го) элемента таблицы Менделеева.
Для этого потребуется очередная модернизация ускорителя в целях получения интенсивных пучков ионов, создание нового сепаратора повышенной эффективности. Эти работы начнутся уже в этом году, а первые эксперименты запланированы на начало 2012 года.