сиборгий

Сиборгий

Сиборгий — назван так по имени учёного Гленна Сиборга. Что примечательно, Сиборг стал первым учёным, при жизни которого элемент был назван его именем.

У физиков, занимающихся ядерной физикой, есть своя «обетованная земля» — цель их надежд и поисков. Манящий берег, к которому они стремятся долгие годы, по их предположениям, расположен примерно в сто четырнадцатой клетке таблицы элементов Менделеева.

Туманные перспективы поиска новых элементов

Все заурановые искусственно синтезированные элементы радиоактивны и очень быстро распадаются. Поэтому они и не встречаются в природе. И чем дальше в глубь таблицы элементов Менделеева продвигались современные «алхимики», тем все более короткоживущими становились созданные ими атомы.

Судите сами: период полураспада 98-го элемента составляет сто лет, 99-го — сотни дней, у 102-го он исчисляется минутами, а у 104-го уже десятыми долями секунды. Прямое продолжение этой закономерности в область более далеких элементов приводило в безысходный тупик. Получалось, что период полураспада 114-го элемента должен был измеряться ничтожнейшей долей секунды, которая записывается как единица, деленная на единицу с пятнадцатью нулями.

Поистине эти атомы рисовались какими-то эфемерными. Однако некоторые теоретики выступили с другим мнением, их расчеты сулили не только радужную, но просто захватывающую перспективу. Скептики, правда, говорили, что от этих расчетов сильно попахивает магией. Дело в том, что в ядерной физике есть числа, которые вполне официально именуются магическими, — это 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Если число нейтронов или протонов в ядре магическое, то ядро оказывается более стабильным и устойчивым, чем соседние. Особой стабильностью отличается свинец, у которого и число нейтронов и число протонов магическое. Так вот, следующим «дважды магическим» должно быть ядро 114-го элемента. Он и окружающие его элементы должны были образовать своеобразный остров стабильности трансуранов.

Более того, как показывали оценки теоретиков, не исключено, что период полураспада этих элементов может составлять миллиарды лет.

И следовательно, их еще можно обнаружить в естественном виде в природе! Для физиков это значило примерно то же самое, что для зоологов возможность обнаружить живых бронтозавров!

По всей планете началась настоящая «облава» на элементы гипотетического острова стабильности. Их искали в космических лучах, льдах Антарктиды, старинных свинцовых плитах и стеклах, в метеоритах и марганцевых конкрециях, извлеченных с океанского дна, в кусках свежей лавы, излившейся из глубин земли, и даже в образцах лунных пород. Увы, эти поиски не принесли желанного успеха.

Поэтому первоначальный энтузиазм поугас, и физики вновь стали концентрировать усилия на традиционном направлении искусственного синтеза новых элементов. Первые трансурановые элементы получали в военные и послевоенные годы сравнительно простым методом — облучением урана потоком нейтронов в атомных реакторах. Добавляя постепенно «по кирпичику» — нейтрону, утяжеляли ядра и получали новые элементы. Таким методом было впервые получено восемь трансурановых элементов. Но дальше наметился тупик — ядра стали распадаться за доли секунды.

Одно время очень перспективными для получения новых изотопов американским исследователям казались новые подземные взрывы, во время которых возникают потоки нейтронов громадной интенсивности, и, естественно, велика вероятность захвата их сразу в большом, количестве и образования тяжелых ядер. Но здесь также время жизни этих ядер оказалось непреодолимым барьером. Тяжелые элементы, видимо, образовались, но быстро извлечь их из полости ядерного взрыва, где только что бушевало «атомное пламя», не представлялось возможным, и поэтому они распадались прежде, чем исследователи получали возможность взять образцы для анализа.

Выходом из тупика оказалось «крупноблочное строительство» ядер новых элементов с помощью бомбардировки мишеней из тяжелых элементов типа урана ядрами таких элементов как литий, бор, углерод, кислород, разогнанными до больших скоростей на ядерно-физических установках. В этом случае добавлялся целый «блок» из протонов и нейтронов и образовывались ядра новых элементов. Таким способом советские и американские исследователи в 1962—1970 годах открыли и изучили элементы от 102-го до 105-го. А затем вновь встал на пути барьер. Казалось очевидным, что чем тяжелее ядра мишени, тем легче добавить к ним новый блок, чтобы продвинуться дальше в страну трансуранов. Но, увы, каждая более тяжелая мишень все труднее достается и более радиоактивна.

Казалось бы, есть и другой путь: бомбардировать несколько более легкие мишени более массивными «снарядами», чтобы в итоге получить тот же новый элемент. Но законы ядерной физики — не арифметика: здесь от перемены слагаемых зависит очень многое. Если массы ядер мишени и снаряда становятся сравнимы, то слиться в новое ядро они не могут. Образно говоря, «ядерный коктейль» не сбивается, а сразу расслаивается на составные части.

Исследования российских и американских ученых

Американские исследователи из лаборатории имени Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли, известной своими исследованиями трансуранов, проверили эти предсказания экспериментально и пришли к выводу, что теоретики правы — путь легких мишеней бесперспективен. Поэтому для синтеза 106-го элемента они выбрали в качестве мишени 98-й элемент — калифорний, а снарядами стали ионы кислорода. Мишень из калифорния чрезвычайно радиоактивна, поэтому исследователям пришлось преодолевать колоссальные трудности, чтобы избавиться от помех, и работа затянулась.

В лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне усомнились в выводах американцев. Было показано, что возможны такие комбинации легких мишеней и тяжелых снарядов, когда слияние ядер будет происходить. Этот вывод был экспериментально проверен — сначала были получены таким методом ядра 100-го элемента, а потом несколько новых изотопов 104-го, и ученые приступили к поискам 106-го.

Чувствуя, что они напали на богатую жилу, дубненцы работали в чрезвычайно высоком темпе, к тому же их подстегивал азарт соревнования с американскими коллегами. В чрезвычайно короткие сроки был создан уникальный источник ионов твердых веществ, а не газообразных, которые до сих пор использовались в мировой практике, так как по условиям эксперимента дубненцам надо было разгонять в ускорителе ионы титана, хрома — веществ чрезвычайно тугоплавких, которые никак не хотели переходить в газообразное состояние.

Методика регистрации

Не менее трудной была задача регистрации новорожденных атомов. Механик В. Плотко создал своеобразный фотоаппарат, чтобы запечатлеть 106-й элемент — сиборгий.

Представьте себе два цилиндра, один из которых находится внутри другого. Мишень из ядер свинца нанесена на поверхность внутреннего цилиндра. Во внешнем цилиндре вырезан сегмент — это своего рода «объектив» — сюда по касательной устремляется пучок ионов из ускорителя. На внутреннюю поверхность этого цилиндра помещается полоска слюды, как бы играющая роль фотопленки.

Внутренний цилиндр в этом аппарате вращается с громадной скоростью, до шести тысяч оборотов в минуту. Когда снаряды бомбардируют мишень, рождаются атомы сиборгия. Часть их самопроизвольно, или, как говорят физики, спонтанно, делится на два осколка.

Поскольку этот процесс идет с некоторым опозданием после бомбардировки, а мишень вращается, то осколки попадают на слюдяную пленку на каком-то расстоянии от «объекта», где пленка сильно засвечивается снарядами, поскольку они по массе сравнимы с осколками. Поэтому появляется возможность обнаружить чистые следы спонтанного деления. Для этого пленку «проявляют» — опускают в раствор плавиковой кислоты, которая как бы разрыхляет следы осколков, и они становятся видимыми в микроскоп.

Эта методика регистрации оказалась очень эффективной. Если утром сдавали пленку на обработку, к обеду уже был известен результат бомбардировки. Благодаря этому за год был пройден путь от рождения идеи до рождения нового элемента. И самое существенное: путь оказался выходом из тупика — можно продвигаться дальше в глубь таблицы Менделеева.

Новые изотопы 104-го элемента — курчатовия, синтезированные во время подготовки к синтезу сиборгия, оказались более стабильными, чем следовало из широко известных теоретических предпосылок. Оказалось, что разработанный метод регистрации новых элементов имеет громадное практическое значение.

Тяжелые ионы, разогнанные в ускорителе, могут пробивать насквозь тонкие пленки. Если эти пленки химически потом обработать, то получатся сквозные отверстия субмикронного размера. Эти пленки могут служить фильтрами, жизненно необходимыми многим отраслям науки и техники, народного хозяйства. Для электронной промышленности, например, ядерные фильтры оказались действительно необходимы как воздух, потому что только благодаря им можно было очистить воздух от пыли, микробов. Заинтересованы в них были и бактериологи, которые следят за чистотой воды.