Сокровищница XXI века: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Еще на заре ядерной физики, когда молодая наука о ядре делала свои первые робкие шаги, была замечена странная закономерность: радиоактивные ядра, в которых числа протонов или нейтронов равны 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, отличаются повышенной устойчивостью. В те времена физики не могли понять странной закономерности и в шутку назвали таинственные числа «магическими». Позднее и атомные ядра с магическими числами протонов и нейтронов стали называть магическими.

Только в 1948 году американский физик Мария Гепперт-Майер опубликовала статью, где излагалась теория, объяснявшая закономерности возникновения магических чисел. По этой теории нуклоны в ядрах образуют оболочки, так же как и атомные электроны. Природа строения нуклонных оболочек совсем иная, но, как и атомы с полностью застроенными электронными оболочками (это благородные газы: неон, гелий, аргон), ядра, у которых все вакантные места в нейтронных и протонных оболочках заняты, особенно прочно удерживают свои нуклоны. Магические ядра наиболее стабильны по отношению к радиоактивному распаду. Современные теории утверждают, что в процессе синтеза элементов Солнечной системы магических ядер должно образовываться больше, нежели близких к ним по массовому числу соседних ядер. И действительно, самое древнее «археологическое» свидетельство — распределение изотопов природных элементов подтверждает теоретические выводы: ядра, в которых содержится магическое число нейтронов или протонов, чаще встречаются в минералах, то есть обладают большей распространенностью.

Теоретические расчеты последних лет показали, что могут появиться новые магические числа, которые еще не найдены ни в природных, ни в синтетических ядрах. Наиболее надежно предсказаны протонное число 114 и нейтронное 184. Сверхтяжелые ядра с таким содержанием нейтронов и протонов могут оказаться гораздо стабильнее других изотопов далеких элементов. Не исключено, что время жизни некоторых сверхядер будет соизмеримо с возрастом Земли. Гипотетические изотопы с предсказанными магическими числами 114 и 184 получили название «сверхэлементов», а область значений атомных номеров и массовых чисел, соответствующую им, называют областью новой относительной стабильности.

Почему новой? Вероятно, потому, что торий и уран, окруженные нестабильными соседями, можно считать расположенными на островке «старой» области устойчивости атомных ядер. Слово «относительной» указывает на то, что сверхэлементы в общем-то тоже нестабильны.

Чтобы получить синтетические ядра сверхэлементов, необходимо сразу перешагнуть через несколько клеток таблицы Менделеева. Если, скажем, бомбардировать искусственный элемент № 94, плутоний, ядрами элемента № 20 — кальция, то в результате слияния этих ядер могут рождаться ядра элемента № 114 (94 + 20 = 114). И вот здесь возникают большие осложнения.

Дело в том, что ядра любого элемента особенно упрочняют свою структуру, когда в них содержатся магические числа протонов и нейтронов. Одно из самых прочных природных тяжелых ядер — свинец-208. Его физики называют «дважды магом». В нем представлены сразу два магических числа: протонное 82 и нейтронное 126. Если же свинец-208 поместить в интенсивный поток нейтронов, то из него будут образовываться ядра свинца-209, которые распадаются всего за 3,3 часа. А ведь ядра свинца-208 настолько стабильны, что еще никому не удавалось и вряд ли в обозримом будущем удастся наблюдать их распад. Но стоило отойти только на один шаг от магического числа 126, как прочнейшее ядро потеряло устойчивость.

Теоретики предсказывают, что такая же картина будет наблюдаться и в новой области относительной стабильности. По расчетам, за числом 126 следует нейтронное магическое число 184. И вот оказывается, если в атомном ядре элемента № 110 будет не 184, а 182 нейтрона, то время жизни уменьшится в 10 миллионов раз. Вывод ясен: создать атомы сверхэлементов, не распадающихся в течение длительного времени, а значит, и доступных для изучения, можно лишь с нейтронным магическим числом. А это очень трудно. Пока физики владеют методами, с помощью которых можно получить ядра элемента № 114 только с «недостатком» нейтронов. В лучшем случае, после слияния богатых нейтронами изотопов плутония и кальция (плутоний-244 + кальций-48) возникает ядерный слиток со 176 нейтронами. До магического числа 184 недостает целых шесть единиц.

В каких же процессах могут рождаться сверхэлементы, насыщенные нейтронами? Может быть, в мощных импульсных потоках нейтронов термоядерного взрыва, где впервые были найдены изотопы 99-го и 100-го элементов, позднее названные эйнштейнием и фермием?

Посмотрим, что происходит при термоядерном взрыве. Горячая кипящая масса центральной области взрыва, где помещен и уран, подвергается нейтронному обстрелу всего миллионную долю секунды. Но интенсивность обстрела так велика, что урановые ядра успевают захватить до 17 нейтронов. Даже в самом мощном ядерном реакторе на увеличение массового числа на 17 единиц потребовалось бы несколько лет! Получаются ядра урана с массовым числом 238 + 17 = 255. Они нестабильны к бета-распаду. Один за другим вылетают из них ядерные электроны, повышается их атомный номер, пока не рождаются устойчивые к бета-распаду ядра фермия, сотого элемента. Затем атомный номер начинает убывать; изотопы фермия радиоактивны, но испускают не отрицательные электроны, а положительные альфа-частицы, и атомный номер дочерних ядер — продуктов распада фермия — равен 98.

Как видим, таким способом достигнуть зоны сверхэлементов невозможно. Чтобы превратиться в 110-й элемент, ядро урана должно захватить не 17, а 50 нейтронов. Столько нейтронов могло бы прилипнуть к урановому ядру в потоке, который поддерживается длительное время и вместе с тем по интенсивности не уступает потоку термоядерной бомбы, когда каждый квадратный сантиметр пространства центральной зоны взрыва пронизывает грамм нейтронов. А если такой поток поддерживается целую секунду? Площадку в 1 см² пересекла бы тонна нейтронов! В земных установках такое недостигаемо. Кинетическая энергия тонны термоядерных нейтронов равна 120 миллиардам киловатт-часов, годовой энергетической выработке десятка Братских ГЭС. Подобные условия могут встретиться в космических объектах, в нейтронной атмосфере пульсаров, при взрыве сверхновых звезд. Там элементы «варятся» в раскаленной массе, похожей на центральную область только что взорвавшейся водородной бомбы, но еще более плотной и жаркой.

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.