Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Остров Стабильности за пределами таблицы Менделеева

Сергей Транковский.

На исходе второго тысячелетия академик Виталий Лазаревич Гинзбург составил список из тридцати проблем физики и астрофизики, которые он считал наиболее важными и интересными (см. «Наука и жизнь» № 11, 1999 г.). В этом списке под № 13 указана задача отыскания сверхтяжёлых элементов. Тогда, 12 лет назад, академик с огорчением отметил, что «существование в космических лучах долгоживущих (речь идёт о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждено не было». Сегодня следы таких ядер обнаружены. Это даёт надежду открыть наконец остров Стабильности сверхтяжёлых ядер, существование которого предсказал когда-то физик-ядерщик Георгий Николаевич Флёров.

Вопрос, существуют ли элементы тяжелее урана-92 (238U — его стабильный изотоп), долгое время оставался открытым, так как в природе они не наблюдались. Считалось, что стабильных элементов с атомным номером больше 180 нет: мощный положительный заряд ядра разрушит внутренние уровни электронов тяжёлого атома. Однако довольно скоро выяснилось, что стабильность элемента определяется устойчивостью его ядра, а не оболочки. Стабильны ядра с чётным числом протонов Z и нейтронов N, среди которых особенно выделяются ядра с так называемым магическим числом протонов или нейтронов — 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 — это, например, олово, свинец. И наиболее стабильны «дважды магические ядра», у которых число и нейтронов, и протонов — магическое, скажем, гелий и кальций. Таков изотоп свинца 208Pl: у него Z = 82, N = 126. Устойчивость элемента чрезвычайно сильно зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в его ядре. Например, свинец со 126-ю нейтронами стабилен, а другой его изотоп, в ядре которого на один нейтрон больше, распадается за три с лишним часа. Но, отмечал В. Л. Гинзбург, теория предсказывает, что некий элемент Х с числом протонов Z = 114 и нейтронов N = 184, то есть с массовым атомным числом А = Z + N = 298, должен жить примерно 100 миллионов лет.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

Сегодня искусственно получено множество элементов вплоть до 118-го включительно — 254Uuo. Это самый тяжёлый неметалл, предположительно — инертный газ; его условные названия унуноктий (оно образовано из корней латинских числительных — 1, 1, 8), эка-радон и московий Mw. Все искусственные элементы когда-то существовали на Земле, но с течением времени распались. Например, плутоний-94 имеет 16 изотопов, и только у 244Pu период полураспада Т½ = 7,6•107 лет; у нептуния-93 12 изотопов и у 237Np Т½ = 2,14•106 лет. Эти самые длительные периоды полураспада среди всех изотопов данных элементов гораздо меньше возраста Земли — (4,5—5,5)•109. Ничтожные следы нептуния, которые находят в урановых рудах, — продукты ядерных реакций под действием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана, а плутония — следствие бета-распада нептуния-239.

Элементы, пропавшие за время существования Земли, получают двумя способами. Во-первых, в ядро тяжёлого элемента можно вогнать лишний нейтрон. Там он претерпевает бета-распад, образуя протон, электрон и электронное антинейтрино: n0 → p+ e– + νe. Заряд ядра увеличится на единицу — возникнет новый элемент. Так получали искусственные элементы вплоть до фермия-100 (его изотоп 257Fm имеет период полураспада 100 лет).

Ещё более тяжёлые элементы создают в ускорителях, которые разгоняют и сталкивают ядра, например золота (см. «Наука и жизнь» № 6, 1997 г.). Именно так в лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и получили 117-й и 118-й элементы. Причём теория предсказывает, что далеко за пределами известных ныне тяжёлых радиоактивных элементов должны существовать стабильные сверхтяжёлые ядра. Российский физик Г. Н. Флёров изобразил систему элементов в виде символического архипелага, где стабильные элементы окружены морем короткоживущих изотопов, которые, возможно, так никогда и не будут обнаружены. На главном острове архипелага высятся пики наиболее стабильных элементов — Кальция, Олова и Свинца, за проливом Радиоактивности лежит остров Тяжёлых ядер с пиками Урана, Нептуния и Плутония. А ещё дальше должен располагаться таинственный остров Стабильности сверхтяжёлых элементов, подобных уже упомянутому — Х-298.

Несмотря на все успехи экспериментальной и теоретической физики, остаётся открытым вопрос: существуют ли в природе сверхтяжёлые элементы, или же они — чисто искусственные, рукотворные вещества, подобные синтетическим материалам — капрону, нейлону, лавсану, — природой никогда не создававшимся?

Условия для образования таких элементов в природе есть. Они создаются в недрах пульсаров и при взрывах сверхновых звёзд. Потоки нейтронов в них достигают огромной плотности — 1038 n02 и способны порождать сверхтяжёлые ядра. Они разлетаются в космосе в потоке межгалактических космических лучей, но их доля чрезвычайно мала — всего несколько частиц на квадратный метр в год. Поэтому возникла мысль использовать природный детектор—накопитель космического излучения, в котором сверхтяжёлые ядра должны оставить специфический, легко узнаваемый след. Такими детекторами с успехом послужили метеориты.

Метеорит — кусок породы, вырванный какой-то космической катастрофой из материнской планеты, — путешествует в космосе сотни миллионов лет. Его непрерывно «обстреливают» космические лучи, которые на 90% состоят из ядер водорода (протонов), на 7% — из ядер гелия (двух протонов) и на 1% — из электронов. На оставшиеся 2% приходятся другие частицы, среди которых могут быть и сверхтяжёлые ядра.

Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) изучают два палласита — железоникелиевые метеориты с вкраплениями оливина (группа полупрозрачных минералов, в которых к двуокиси кремния SiO4 присоединены в разных пропорциях Mg2, (Mg, Fe)2 и (Mn, Fe)2; прозрачный оливин называется хризолитом). Возраст этих метеоритов — 185 и 300 миллионов лет.

Тяжёлые ядра, пролетая сквозь кристалл оливина, повреждают его решётку, оставляя в ней свои следы — треки. Они становятся видны после химической обработки кристалла — травления. А поскольку оливин полупрозрачен, треки эти можно наблюдать и изучать в микроскоп. По толщине трека, его длине и форме можно судить о заряде и атомной массе ядра. Исследования сильно осложняет то, что кристаллы оливина имеют размеры порядка нескольких миллиметров, а трек тяжёлой частицы гораздо длиннее. Поэтому о величине её заряда приходится судить по косвенным данным — скорости травления, уменьшению толщины трека и пр.

Работы по отысканию следов сверхтяжёлых частиц с острова стабильности назвали «Проект Олимпия». В рамках этого проекта получены сведения примерно о шести тысячах ядер с зарядом более 55 и трёх ультратяжёлых ядрах, заряды которых лежат в интервале от 105 до 130. Все характеристики треков этих ядер измерены комплексом высокоточной аппаратуры, созданным в ФИАНе. Комплекс в автоматическом режиме распознаёт треки, определяет их геометрические параметры и, экстраполируя данные измерений, находит предположительную длину трека до его остановки в массиве оливина (напомним, что реальный размер его кристалла — несколько миллиметров).

Полученные экспериментальные результаты подтверждают реальность существования в природе стабильных сверхтяжёлых элементов.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Наука. Дальний поиск»

Детальное описание иллюстрации

Архипелаг химических элементов, который «открыл» Георгий Николаевич Флёров. На его карте по горизонтали отложено число нейтронов в ядре, а по вертикали — число протонов. Стабильные изотопы образуют горную цепь, на которой выделяются пики Кальция, Олова и Свинца. За проливом Радиоактивности лежит остров Тяжёлых ядер с пиками Урана, Нептуния и Плутония. Архипелаг омывает море Нестабильности — множество изотопов, которые распадаются за короткое и очень короткое время. А за островом Тяжёлых ядер лежит, отделённый широким проливом, таинственный остров Стабильности, который много лет был плодом гипотез и теорий, и только теперь, похоже, исследователи получили первые образцы веществ с его горных склонов.