Сокровищница XXI века: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Будет ли новый подъем времени жизни атомных ядер — такой, как в области урана и тория, для элементов с большими атомными номерами?

Предсказание теоретиками магических чисел 114 и 184 внушает надежду на повышение устойчивости к радиоактивному распаду изотопов с магическим числом нейтронов 184 и атомными номерами 110–126.

Возникает и другой вопрос. Не окажется ли время жизни ядер далекого острова относительной стабильности настолько большим, что они сохранились в природе так же, как радиоактивные уран и торий, но в очень малых концентрациях?

Перед физиками-теоретиками встают очень большие трудности, когда требуется предсказать времена жизни атомных ядер. Задача сложна уже потому, что еще не удалось разгадать до конца природу сил, связывающих протоны и нейтроны в единую каплю ядерного вещества. Поэтому теоретик, рассчитывающий атомное ядро, находится в положении шахматиста, не знающего всех правил игры. А нужно сыграть гроссмейстерскую партию. Ведь расчет взаимодействия многих протонов и нейтронов, — а в ядрах, составляющих гипотетический остров стабильности, их около 300,— сложен сам по себе.

И все же положение не так безнадежно — помогает анализ уже сыгранных партий — анализ свойств изученных ядер. На основе экспериментальных данных, при разумных предположениях физики и оценивают возможное время жизни еще не изученных ядер.

По одной из таких оценок у самых устойчивых изотопов 108-го и 110-го элементов период полураспада может достигать 100 миллионов лет. Хотя эта величина примерно в 50 раз меньше времени, прошедшего с момента завершения творения вещества Солнечной системы, все же небольшая доля магических ядер с атомными номерами 108 и НО может сохраниться в горных породах, правда, в ничтожных концентрациях.

Сегодня ученые многих исследовательских лабораторий мира, физики и химики, стремятся отыскать сверхэлементы в окружающей нас природе. Что говорить, цель заманчивая. Открытие далеких трансурановых элементов, настолько стабильных, чтобы можно было собрать, скажем, миллиграмм сверхвещества, сыграло бы не меньшую роль в развитии современной науки, чем химическое выделение радия из урановых руд супругами Кюри.

Не удивительно, что используется любой шанс, все возможные пути поиска природных сверхядер. Один из них — изучение состава быстрых заряженных частиц, приходящих на Землю из космоса.

Не доносит ли до земных пределов поток космических частиц тяжелые ядра таинственного острова стабильности, возникшие в отдаленных галактиках?

Проверить это предположение решил английский ученый Питер Фаулер. Он предложил облучать космическими лучами фотопластинки, покрытые толстослойной эмульсией. В толстой эмульсии тяжелые ядра, летящие со субсветовой скоростью, оставляют следы, по характеру которых можно определять заряд, а следовательно, и атомный номер космического пришельца. Но при одном условии: энергия космической частицы должна оставаться «неприкосновенной». Иначе об изменении заряда не может быть и речи. Космические ядра теряют энергию в плотных слоях атмосферы. Приходится фотопластинки поднимать на большую высоту. Кроме того, было известно, что даже сравнительно легкие ядра железа — редкие космические гости, а уж рассчитывать на регистрацию ядер тяжелее железа можно лишь в случае применения фотопластинок, перехватывающих космические лучи на большой площади.

После длительной подготовки, в 1968 году, наполненный гелием стратостат поднял на высоту около 40 километров громадную сборку с фотопластинками общей площадью 10 квадратных метров. После обработки облученных в стратосфере пластинок сотрудники Фаулера наблюдали в эмульсии сравнительно тонкие треки — следы ядер железа. Гораздо реже попадались «жирные» треки ядер с атомными номерами 80–90. И совсем в редких случаях встречались очень широкие треки. Принадлежат ли эти треки сверхядрам?

В опытах Фаулера зарегистрировано всего три подозрительных трека — слишком мало, чтобы утверждать об открытии космических ядер-гигантов. Но все же это намек на существование стабильных сверхтяжелых атомов космического происхождения. Дело в том, что если бы они распадались с большой скоростью, то не долетели бы до Земли, а превратились бы по дороге в ядра-осколки с малыми атомными номерами. Пределов Солнечной системы могут достигнуть только ядра с периодом полураспада в несколько миллионов лет — так долог путь космических частиц из далеких галактик.

Если поверить, что Фаулером зарегистрировано три ядра новой области стабильности и что скорость их поступления на нашу планету неизменна, то на всю поверхность земного шара за сутки падает миллиграмм сверхвещества.

Физики задались фантастической задачей, решив разыскать космические ядра в земных породах. Оказалось, что для этого лучше всего спуститься на дно океана. Там, на больших глубинах, царит покой, слабы течения, нет солнечного света. Толщина отложений из верхних слоев океанской воды невелика. Попавшие из космоса на поверхность океана атомы металлов со временем оседают в тонком слое океанского дна. И сама природа может помочь в поисках. Ровное океанское дно усеяно круглыми, напоминающими выкопанный из влажной земли картофель образованиями. Это железно-марганцевые конкреции. Как они образуются, ученые еще не знают, но измерен возраст этих образований. Конкреции на дне океана лежат миллионы лет, и все эти тысячелетия впитывают в себя соединения металлов. Поэтому концентрации марганца, железа, свинца в них значительно выше, чем в остальном веществе океанского дна. Сверхэлементы — металлы, поэтому если их атомы существуют в морской воде, то они концентрируются в океанской «картошке». Можно добыть со дна океана несколько тонн конкреций, размолоть их шаровыми мельницами, растворить и выделить из получившегося раствора фракцию тяжелых элементов. Тогда концентрация сверхядер в извлеченной фракции может оказаться достаточной, чтобы чувствительнейшие счетчики радиоактивных излучений могли почувствовать распад космических ядер. Но может случиться и так, что концентрация все же будет настолько малой, что самая совершенная современная аппаратура не обнаружит распад сверхвещества.

Поиск приходится вести широко. Нельзя исключить, что и в некоторых земных минералах на миллиарды лет затаились сверхядра, родившиеся в эпоху синтеза элементов Вселенной.

Если верить теоретическим расчетам, то самые устойчивые ядра острова стабильности распадаются наполовину примерно за сто миллионов лет. Такие первозданные ядра могли бы сохраниться в веществе земной коры.

Оценим долю радиоактивного изотопа, оставшуюся в килограммовом слитке, возникшем пять миллиардов лет назад из атомов вещества с периодом полураспада 100 миллионов лет.

Древнее предание гласит: великий магараджа предложил изобретателю шахмат выбрать себе награду. Мудрец попросил зерна. Немного. Столько, сколько разместится на 64-й клетке шахматной доски, если на первую клетку положить два зерна, на вторую четыре, на третью восемь... в такой прогрессии до 64-й последней клетки доски. После подсчета оказалось, что на последнее поле придется отгрузить зерна больше, чем его произрастает на всех полях Индии.

Распад ядер подчиняется обратному закону. Природа поместила наш самородок на пятидесятую клетку доски и каждые сто миллионов лет перекладывала его на соседнюю с меньшим номером. Каждый раз число ядер убывало вдвое. Процесс длился пять миллиардов лет, и в самородке сохранилась только одна десятибиллионная доля первичного вещества. Можно ли обнаружить такие концентрации современными методами анализа?

Осколки, на которые распадаются сверхтяжелые ядра, разлетаются с очень большой скоростью. Их энергия в сотни миллионов раз больше энергии, приходящейся на один акт химического превращения. Поэтому современными методами надежно регистрируются единичные акты деления ядер. В останках нашего самородка в среднем за сто суток должно происходить четыре распада. Удастся ли эти редкие события отличить от самопроизвольного деления урана, рассеянного элемента, присутствующего всюду в небольших концентрациях, от деления ядер космическими лучами, да и просто от помех самой измерительной аппаратуры?

Практически установлено, что современные счетчики ядерных частиц обнаруживают новый спонтанно делящийся элемент, если в килограмме породы в среднем за каждые сутки распадается один его атом.

Период полураспада гипотетических сверхэлементов должен превосходить 110 миллионов лет, чтобы могли существовать минералы, в которых число распадов равно «критическому».

Теоретически, как мы знаем, время жизни самых стабильных ядер новой области исчисляется величиной, близкой к 100 миллионам лет. Если бы это предсказание было точным, то не стоило бы и пытаться искать сверхвещество. Но в сегодняшних расчетах, даже самых тщательных, велика неопределенность.

«Близкой к 100 миллионам» может означать и 40 и 200 миллионов лет. В первом случае в Земле вовсе не останется атомов сверхвещества, а во втором можно было бы обнаружить руды, в каждом килограмме которых происходит несколько миллионов распадов в сутки.

Только опыты ответят на вопрос — сохранились или нет земные сверхэлементы.

Поэтому ученые не ослабляют усилий в поисках далеких трансуранов в горных породах.

Где искать новые элементы, в каких рудах и минералах? Обратимся к периодическому закону Д. И. Менделеева. В шестом периоде между барием и гафнием в одной клетке разместилось сразу 15 химических элементов. Почему? Дело в том, что у всех элементов от лантана (№ 57) до лютеция (№ 71) сходные химические свойства, и эту группу называют лантаноидами, или редкоземельным рядом. Атомы «ряда» отличаются друг от друга лишь строением одной из внутренних электронных оболочек. Внешняя же электронная оболочка у всех лантаноидов одна и та же. Химическое поведение вещества определяется в основном внешними атомными электронами. Поэтому все лантаноиды химические близнецы.

Еще в 1920 году Н. Бор предсказал существование второй группы родственных элементов в области больших атомных номеров. Позднее усилиями ряда ученых было определено и место тяжелого редкоземельного ряда. Первым элементом нового ряда оказался актиний (№ 89). Кроме актиния, тория, протактиния и урана, в ряд актиноидов входят трансурановые элементы. Предсказывать химическое поведение сверхэлементов, а значит, и выбирать минералы и руды, в которых их следует искать, можно было после открытия 104-го элемента, когда определилась граница антиноидного ряда.

Изучение химических свойств курчатовия подтвердило предположение, что его химические свойства совпадают со свойствами гафния. Таким образом, курчатовий уже не принадлежит к актиноидам, и второй ряд химических близнецов заканчивается элементом № 103.

Теперь можно было надежно предсказывать химические свойства очень далеких элементов. Появились таблицы Менделеева, где размещены химические элементы вплоть до № 118, в журнальных статьях обсуждается химическое поведение атомов элемента № 164! Вряд ли такой элемент будет открыт в обозримом будущем, поэтому говорить о нем пока преждевременно. Зато с большой уверенностью можно утверждать, что химические свойства 108-го должны совпадать со свойствами осмия, элемент № 114 должен быть химическим аналогом свинца: экасвинцом назвал бы его Менделеев. Весьма вероятно, что в процессе формирования земной коры и после того, как она уже образовалась, атомы экасвинца в химических превращениях сопутствовали атомам свинца, а атомы экаплатины — элемента № 110 — атомам платины. Отсюда можно сделать вывод — искать новые элементы с большими атомными номерами нужно в рудах, содержащих осмий, платину, золото, свинец.