Два новых элемента периодической таблицы Менделеева с атомными числами 115 и 118 в ноябре этого года получат официальные названия «московий» и «оганессий» в честь Подмосковья и академика Юрия Цолаковича Оганесяна. Всего в периодическую таблицу внесут названия четырех новых химических элементов, синтезированных в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне.

Юрий Оганесян родился в 1933 году в Ростове на Дону. В 1956 году закончил Московский инженерно-физический институт. Свою научную деятельность Ю. Ц. Оганесян начал в Институте атомной энергии. Являясь ближайшим учеником академика Г. Н. Флёрова, внёс большой самостоятельный вклад в развитие этого направления как в реализацию оригинальных физических идей, так и в становление экспериментальной базы ускорителей.

С 1958 г. научная деятельность Ю. Ц. Оганесяна связана с Лабораторией ядерных реакций (ныне им. Г. Н. Флёрова) Объединённого института ядерных исследований в Дубне. Оганесяном проведены фундаментальные исследования механизма взаимодействия сложных ядер. Им было обнаружено и исследовано влияние ядерной структуры на коллективное движение ядер в процессах слияния и деления, он является автором открытия нового класса ядерных реакций - холодного слияния массивных ядер (1974 г.), широко используемых по настоящее время в различных лабораториях мира для синтеза новых элементов.

Ю. Ц. Оганесяну принадлежат основополагающие работы по синтезу новых элементов на пучках тяжёлых ионов. В 1960-70-х гг. им совместно с сотрудниками были впервые проведены эксперименты по синтезу элементов с Z = 104-108. Для исследований предельно тяжёлых ядер Ю. Ц. Оганесяном были выбраны реакции слияния нейтронно-обогащённых изотопов актинидов с ускоренными ионами кальция-48.

«Гениальный Менделеев, в общем-то, первый, пожалуй, кто понял некие законы природы, что элементов вроде много, хотя их тогда было не очень много, 63 всего. И, тем не менее, их как-то можно разделить на группы. И это разделение на группы является случайным. Он искал микромир. В его понимании микромир – это был эфир, и он занимался этим эфиром, что до эфира можно дойти тогда, когда откачаешь воздух, который тебе мешает, должен быть полный вакуум, и тогда я увижу основную структуру, которая ответственна за то, что эти элементы разделяются на группы. Таблица элементов, как мы называем – таблица Менделеева, она этим-то и прекрасна. Не то, что там просто написаны элементы. А то, что демонстрирует закон, что эти элементы разделяются на группы и ведут себя каждый в этой группе подобно своему "родственнику".

Поэтому, когда мы получили новые элементы, первое, что мы подумали: надо бы проверить. А вот эти новые искусственные элементы, которые мы получили – может быть, их нет в природе? Может, это руки человека создали этот элемент. Будут они подчиняться законам Менделеева? Подчиняются. Такой эксперимент был сделан недавно. И 112-й элемент, который был получен, который по предсказанию должен быть аналогом ртути. Ртуть – удивительный металл. Во-первых, она жидкая. А, во-вторых, она вступает в соединение с другим металлом, тоже благородным – золотом. Это амальгама ртути, которую мы еще знаем со Средних веков. 112-й элемент будет вступать в соединение с золотом, подобно ртути? Вступает. И это и есть фундаментальность. Что закон природы даже будет распространяться на то, что еще не было получено. Это полученное все равно будет подчиняться этому закону », - рассказывал в одном из интервью академик.

Оганесян является соавтором открытия тяжёлых элементов таблицы Д. И. Менделеева: 104-го элемента - резерфордий, 105-го элемента - дубний, 106-го элемента - сиборгий, 107-го элемента - борий, что было признано как научные открытия и занесено в Государственный реестр открытий СССР. Автор более 250 научных работ, 3 монографий и более 10 обзоров.

Юрий Цолакович - иностранный член Сербской Академии Наук и Искусств (1995), почетный доктор Университета им. Гете (Франкфурт на Майне, Германия, 2002), почетный доктор Университета Мессина (Италия, 2002), почетный доктор Ереванского государственного университета.

Удостоен множества премий и наград.

Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) утвердил названия четырёх новых элементов таблицы Менделеева: 113-го, 115-го, 117-го и 118-го. Последний назван в честь российского физика, академика Юрия Оганесяна. Учёные попадали «в клеточку» и раньше: Менделеев, Эйнштейн, Бор, Резерфорд, чета Кюри… Но лишь второй раз в истории это произошло при жизни учёного. Прецедент случился в 1997 году, когда такой чести удостоился Гленн Сиборг. Юрию Оганесяну давно прочат Нобелевскую премию. Но, согласитесь, получить собственную клеточку в таблице Менделеева куда круче.

Юрий Оганесян (р. 1933)

Выпускник МИФИ, специалист в области ядерной физики, академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Председатель научного совета РАН по прикладной ядерной физике. Имеет почётные звания в университетах и академиях Японии, Франции, Италии, Германии и ряда других стран. Лау­реат Государственной премии СССР, кавалер орденов Трудового Красного Знамени, Дружбы народов, «За заслуги перед Отечеством» и пр.

В нижних строках таблицы вы легко найдёте уран, его атомный номер 92. Все последующие элементы начиная с 93-го - это так называемые трансура­ны. Некоторые из них появились примерно 10 миллиардов лет назад в результате ядерных реакций внутри звёзд. Следы плутония и нептуния были обнаружены в земной коре. Но большинство трансурановых элементов давно распалось, и теперь можно лишь предсказывать, какими они были, чтобы потом пытаться воссоздать в лабораторных условиях.

Гленн Сиборг (1912–1999). Американский химик и физик-ядерщик. Работал в Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы. В 1951 году Сиборг и Макмиллан получили Нобелевскую премию «за открытия в области химии трансурановых элементов».

Первыми это сделали в 1940 году американские учёные Гленн Сиборг и Эдвин Макмиллан. Родился плутоний. Позднее группа Сиборга синтезировала америций, кюрий, берклий… К тому времени чуть ли не весь мир включился в гонку за сверхтяжёлыми ядрами.

В 1964 году новый химический элемент с атомным номером 104 впервые синтезировали в СССР, в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ), который находится в подмосковной Дубне. Позднее этот элемент получил имя «резерфордий». Руководил проектом один из основателей института Георгий Флёров. Его имя тоже вписано в таблицу: флеровий, 114. По следам тех событий классик советской журналистики Валерий Аграновский написал документальную повесть «Взятие сто четвёртого». Цитаты из неё мы приводим в тексте.

Юрий Оганесян был учеником Флёрова и одним из тех, кто синтезировал резерфордий, потом дубний и более тяжёлые элементы. Благодаря успехам советских учёных Россия вырвалась в лидеры трансурановой гонки и сохраняет этот статус до сих пор.

«Мне по наивности казалось, что каждый физик по секрету от своих коллег всё же мечтает забраться внутрь атома, чтобы собственными глазами увидеть протоны и нейтроны, собственными руками пощупать их и до конца разгадать тайну их взаимодействия и ещё выяснить, нет ли у альфа-частиц, как у ангелов, маленьких крыльев, когда они вылетают из атома».

Георгий Флёров (1913–1990). Советский физик-ядерщик, один из основателей Объединённого института ядерных исследований и лаборатории ядерных реакций в институте. Открыл спонтанное деление ядер урана, инициировал создание советской атомной бомбы. Один из пионеров ­поиска транс­ура­нов, участвовал в открытии 103-го, 104-го, 105-го и 106-го элементов.

Как дают названия новым элементам? Научные коллективы - авторы открытий направляют свои предложения в IUPAC. Комиссия рассматривает аргументы «за» и «против», исходя из следующих правил: «…вновь открытые элементы могут быть названы: (а) по имени мифологического персонажа или понятия (включая аст­рономический объект), (б) по названию минерала или аналогичного вещества, (в) по названию населённого пункта или географической области, (г) в соответствии со свойствами элемента или (д) по имени учёного».

На этот раз названия новым элементам присваивали долго, почти год. Дата объявления решения несколько раз ото­дви­га­лась. Напряжение нарастало. Наконец 28 ноября 2016 года, по истечении пятимесячного срока для приёма предложений и возражений общественности, комиссия не нашла причин отвергнуть нихоний, московий, теннессин и оганесон и утвердила их.

Кстати, суффикс «-он-» не очень типичен для химических элементов. Для оганесона он выбран потому, что по химическим свойствам новый элемент аналогичен инертным газам - это сходство подчёркивает созвучие с неоном, аргоном, криптоном, ксеноном.

Рождение нового элемента - ­событие исторического масштаба. На сегодняш­ний день синтезированы ­элементы седьмого периода до 118-го включительно, и это не предел. Впереди 119-й, 120-й, 121-й… Изотопы элементов с атом­ными номерами более 100 зачастую живут не более тысячной доли секунды. И кажется, чем тяжелее ядро, тем короче его жизнь. Это правило действует до 113-го элемента включительно. В 1960-х годах Георгий Флёров предположил, что оно не обязано неукоснительно соблюдаться по мере углубления в таблицу. Но как это доказать? Поиск так называемых островов стабильности более 40 лет был одной из важнейших задач физики. В 2006 году коллектив учёных под руководством Юрия Оганесяна подтвердил их существование. Научный мир вздохнул с облегчением: значит, смысл искать всё более тяжёлые ядра есть.

[Кот Шрёдингера] Юрий Цолакович, что же всё-таки представляют собой острова стабильности, о которых много говорят в последнее время?

[Юрий Оганесян] Вы знаете, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Но только строго определённое количество этих «кирпичиков» связаны друг с другом в единое тело, которое представляет ядро атома. Комбинаций, которые «не срабатывают», оказывается больше. Поэтому, в принципе, наш мир находится в море нестабильности. Да, есть ядра, которые остались со времён образования Солнечной системы, они стабильны. Водород, например. Участки с такими ядрами будем называть «континентом». Он постепенно уходит в море нестабильности по мере того, как мы продвигаемся к более тяжёлым элементам. Но, оказывается, если далеко уйти от суши, возникает остров стабильности, где рождаются ядра-долгожители. Остров стабильности - это открытие, которое уже сделано, признано, но точное время жизни долгожителей на этом острове пока не предсказывается достаточно хорошо.

«Итак, что значит искусственным путём получить новый элемент? Это значит изменить количество протонов в атомном ядре уже известного элемента так, чтобы ядро изменило свой порядковый номер. Если взять, например, ядро плутония (атомный вес - 94), влить в него ядро неона (атомный вес - 10), а потом заставить выпустить четыре нейтрона, то и получится 104-й элемент».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.

[КШ] Как были открыты острова стабильности?

[ЮО] Мы долго их искали. Когда ставится задача, важно, чтобы был однозначный ответ «да» или «нет». Причин нулевого результата на самом деле две: либо ты не дотянулся, либо того, что ищешь, вообще нет. У нас был «ноль» до 2000 года. Мы думали, что, может быть, теоретики и правы, когда рисуют свои красивые картины, но нам до них не дотянуться. В 90-е мы пришли к выводу, что стоит усложнить эксперимент. Это противоречило реалиям того времени: нужна была новая техника, а средств не хватало. Тем не менее к началу ХХI века мы были готовы опробовать новый подход - облучать плутоний кальцием‑48.

[КШ] Почему для вас так важен кальций-48, именно этот изотоп?

[ЮО] Он имеет восемь лишних нейтронов. А мы ­знали, что остров стабильности там, где избыток нейтронов. Поэтому тяжёлый изотоп плутония‑244 облучали кальцием‑48. В этой реакции синтезировали изотоп сверхтяжёлого элемента 114 - флеровия‑289, который ­живёт 2,7 секунды. В масштабах ядерных превращений это время считается достаточно длительным и служит доказательством того, что остров стабильности существует. Мы доплыли до него, и по мере продвижения вглубь стабильность только росла.

[КШ] Откуда бралась уверенность, что существуют острова стабильности?

[ЮО] Уверенность появилась, когда стало понятно, что ядро имеет структуру… Давно, ещё в 1928 году, наш великий соотечественник Георгий Гамов (советский и американский физик-теоретик. - «КШ») высказал предположение, что ядерное вещество похоже на каплю жидкости. Когда эту модель начали проверять, выяснилось, что она удивительно хорошо описывает глобальные свойства ядер. Но потом наша лаборатория получила результат, который коренным образом изменил эти представления. Мы выяснили, что в обычном состоянии ядро не ведёт себя подобно капле жидкости, не является аморфным телом, а имеет внутреннюю структуру. Без неё ядро существовало бы всего 10–19 секунд. Наличие же структурных свойств ядерной материи приводит к тому, что ядро живёт секунды, часы, и мы надеемся, что может жить сутки, а может быть, даже миллионы лет. Возможно, это слишком смелое предположение, но мы надеемся и ищем трансурановые элементы в природе.

[КШ] Один из самых волнующих вопросов: есть ли предел разнообразию химических элементов? Или их бесконечно много?

[ЮО] Капельная модель предсказывала, что их не более ста, - таков предел существования новых элементов. Сегодня их открыто 118. Сколько ещё может быть?.. Надо понять отличительные свойства «островных» ядер, чтобы делать прогноз для более тяжёлых. С точки зрения микроскопической теории, которая учитывает структуру ядра, мир наш не кончается за сотым элементом уходом в море нестабильности. Когда мы говорим о пределе существования атомных ядер, то должны обязательно это учитывать.

« Летом 1959 года по одной из шоссейных дорог двигалась в Москву странная процессия. Впереди на мотоциклах - два капитана милиции, а за ними тяжёлый трейлер, обычно перевозящий танки. На этот раз он тащил груз, укрытый брезентом и весящий не менее сорока тонн. В кабине машины сидел мрачный пятидесятилетний шофёр с неизменной трубкой во рту, которого грузчики называли Павликом. <…> А рядом с ним - молодой человек по имени Юрий Оганесян.

И вот однажды процессия остановилась перед мостом через речку. На знаках было написано, что сооружение выдерживает одиннадцать тонн. <…> Павлик мрачно посоветовал выйти всем из кабины, заклинить руль, включить скорость, и будь что будет. Оганесян даже не улыбнулся.

Он вёз в Дубну главную часть нового цикло­трона, и с его приездом должно было наступить то счастливое равновесие между мыслью учёных и техническими возможностями, которое предопределяет успех».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.

[КШ] Есть ли достижение, которое вы считаете главным в жизни?

[ЮО] Я занимаюсь тем, что мне на самом деле интересно. Иногда увлекаюсь очень сильно. Иногда получается что-то, и я радуюсь, что получилось. Это жизнь. Это не эпизод. Я не принадлежу к категории людей, которые мечтали быть научными работниками в детстве, в школе. Просто у меня хорошо получалось с математикой и физикой, поэтому я пошёл в тот вуз, где надо было сдавать эти экзамены. Ну, сдал. И вообще, я считаю, что в жизни мы все очень сильно подвержены случайностям. Правда ведь? Многие шаги мы делаем совершенно случайным образом. А потом, когда ты становишься взрослым, тебе задают вопрос: «Почему ты это сделал?» Ну, сделал и сделал. Это моё обычное занятие наукой.

Где нужны трансурановые элементы?

// Ядерное оружие, космос, медицина

Нептуний используется для получения плутония. Теоретически может служить топливом для ядерных реак­торов нового поколения, работающих на быстрых нейтронах.

Плутоний - в производстве ядерного оружия, ядерного топлива, атомной энергии, а также элементов питания в космических аппаратах. Именно плутониевая бомба была взорвана в 1945 году на полигоне Аламогордо в США во время первого в мире испытания ядерного оружия.

Америций - для синтеза других сверхтяжёлых элементов и создания контрольно-измерительных приборов (в частности, для детекторов дыма). Теоретически мог бы стать топливом для ядерных реакторов на межпланетных космических кораблях.

Кюрий - в некоторых областях ядерных технологий. Мог бы иметь и более широкое применение, но уж очень дорог.

Берклий - для получения одного из изотопов калифорния.

Калифорний - в лучевой терапии для лечения опухолей и получения новых элементов: для синтеза 118-го мишень из калифорния‑249 бомбардировали кальцием‑48.

Эйнштейний - для получения менделевия.

Фермий - для синтеза дальнейших элементов.

Остальные трансураны , начиная с менделевия, пока не нашли применения: жизнь их ядер слишком коротка.

« …Собираясь в Дубну, я понимал, что знаменитые сто пятьдесят ядер нового элемента, полученные группой Флёрова, не возвышаются горой в директорском кабинете наподобие ядрам французской мортиры в Историческом музее. В этом смысле многочисленным гостям Дубны не только нечего дарить, но даже и показывать».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.

«Мы можем за месяц получить один атом 118-го элемента»

Сейчас ОИЯИ строит первую в мире фабрику сверхтяжёлых элементов на базе ускорителя ­ионов DRIBs‑III (Dubna Radioactive Ion Beams), самого мощного в своей области энергий. Там будут ­синтезировать сверхтяжёлые элементы восьмого периода (119, 120, 121) и производить радиоактивные материалы для мишеней. Эксперименты начнутся в конце 2017 - начале 2018 года. Андрей Попеко из лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова ОИЯИ рассказал, зачем всё это нужно.

Андрей Попеко. ­Заместитель дирек­тора лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова Объединённого института ядерных исследований.

[Кот Шрёдингера] Андрей Георгиевич, как предсказывают свойства новых элементов?

[Андрей Попеко] Основное свойство, из которого следуют все остальные, - это масса ядра. Предсказать её очень сложно, но, исходя из массы, уже можно предположить, как ядро будет ­распадаться. Есть разные экспериментальные закономерности. Вы можете изучать ядро и, скажем, пытаться описать его свойства. Зная что-то о массе, можно говорить об энергии частиц, которые будет испускать ядро, делать предсказания о ­времени его жизни. Это довольно громоздко и не очень точно, но более-менее надёжно. А вот если ядро делится спонтанно, прогнозирование становится делом гораздо более сложным и менее точным.

[КШ] Что мы можем сказать о свойствах 118-го?

[АП] Он живёт 0,07 секунды и испускает альфа-частицы с энергией 11,7 МэВ. Это измерено. В дальнейшем можно сравнивать экспериментальные данные с теоретическими и поправлять модель.

[КШ] На одной из лекций вы говорили, что таблица, возможно, заканчивается на 174-м элементе. Почему?

[КШ] То есть?

[АП] Чем больше заряд ядра, тем сильнее оно притягивает электроны. Ядро - плюс, электроны - минус. В какой-то момент ядро притянет электроны настолько сильно, что они должны упасть на него. Наступит предел элементов.

« …Физики устроены так, что, когда у них нет эффекта, они не теряют надежд, а когда есть эффект, не теряют головы».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.

[КШ] Могут ли такие ядра существовать?

[АП] Полагая, что существует 174-й элемент, мы полагаем, что существует и его ядро. Но так ли это? Уран, 92-й элемент, живёт 4,5 млрд лет, а 118-й - меньше миллисекунды. Собственно, раньше считалось, что таблица заканчивается на элементе, время жизни которого пренебрежимо мало. Потом выяснилось, что не всё так однозначно, если двигаться по таблице. Сначала время жизни элемента падает, потом, у следующего, немножко увеличивается, потом опять падает.

[КШ] Когда увеличивается - это и есть остров стабильности?

[АП] Это указание на то, что он есть. На графиках это хорошо видно.

Что ещё внесли в таблицу Менделеева

// 113-й, нихоний

«Нихон» по-японски означает «Страна восходящего солнца». Своим решением IUPAC хотел поддержать Японию, которая недавно включилась в трансурановую гонку, присоединившись к России, США и Германии.

// 115-й, московий

Это не в честь Москвы, а в честь Московской области, в которой находятся город Дубна и собственно Объединённый институт ядерных исследований. Напомним, что 105-й элемент таблицы Менделеева называется дубний.

// 117-й, теннессин

На территории штата Теннесси расположены Окриджская национальная лаборатория, Университет ­Вандербильта и Университет Теннесси, сотрудники которых внесли большой вклад в исследования сверхтяжёлых элементов.

[КШ] Тогда что же такое сам остров стабильности?

[АП] Некоторая область, в которой находятся ядра изотопов, обладающие более долгим по сравнению с соседями временем жизни.

[КШ] Эту область ещё предстоит найти?

[АП] Пока только самый краешек зацепили.

[КШ] Что вы будете искать на фабрике сверхтяжёлых элементов?

[АП] Эксперименты по синтезу элементов занимают много времени. В среднем полгода непрерывной работы. Мы можем за месяц получить один атом 118-го элемента. Кроме того, мы работаем с высокорадиоактивными материалами, и наши помещения должны отвечать специальным требованиям. Но когда создавалась лаборатория, их ещё не было. Сейчас строится отдельное здание с соблюдением всех требований радиационной безопасности - только для этих экспериментов. Ускоритель сконструирован для синтеза именно транс­уранов. Мы будем, во‑первых, подробно изучать свойства 117-го и 118-го элементов. Во-вторых, искать новые изотопы. В-третьих, пробовать синтезировать ещё более тяжёлые элементы. Можно получить 119-й и 120-й.

[КШ] Планируются эксперименты с новыми материалами для мишеней?

[АП] Мы уже начали работать с титаном. На кальций потратили в общей сложности 20 лет - получили шесть новых элементов.

[КШ] К сожалению, научных областей, где Россия занимает ведущие позиции, не так много. Как нам удаётся побеждать в борьбе за трансураны?

[АП] Собственно, здесь лидерами всегда были Соединённые Штаты и Советский Союз. Дело в том, что основным материалом для создания атомного оружия был плутоний - его требовалось как-то получать. Потом задумались: а не использовать ли другие вещества? Из ядерной теории следует, что нужно брать элементы с чётным номером и нечётным атомным весом. Попробовали кюрий‑245 - не подошёл. Калифорний‑249 тоже. Стали изучать трансурановые элементы. Так получилось, что первыми этим вопросом занялись Советский Союз и Америка. Потом Германия - там в 60-е годы была дискуссия: стоит ли ввязываться в игру, если русские с американцами уже всё сделали? Теоретики убедили, что стоит. В итоге немцы получили шесть элементов: со 107-го по 112-й.

Кстати, метод, который они выбрали, разрабатывал в 70-е годы Юрий Оганесян. И он, будучи директором нашей лаборатории, отпустил ведущих физиков помогать немцам. Все удивлялись: «Как это?» Но наука есть наука, здесь не должно быть конкуренции. Если есть возможность получить новые знания, надо участвовать.

[КШ] В ОИЯИ выбрали другой метод?

[АП] Да. Оказалось, что тоже удачный. Несколько позже подобные эксперименты стали проводить японцы. И синтезировали 113-й. Мы получили его почти на год раньше как продукт распада 115-го, но не стали спорить. Бог с ними, не жалко. Эта группа японская стажировалась у нас - многих из них мы знаем лично, дружим. И это очень хорошо. В некотором смысле это наши ученики получили 113-й элемент. Они же, кстати, подтвердили наши результаты. Желающих подтверждать чужие результаты немного.

[КШ] Для этого нужна определённая честность.

[АП] Ну да. А как по-другому? В науке, наверное, вот так.

[КШ] Каково это - изучать явление, которое по-настоящему поймут от силы человек пятьсот во всём мире?

[АП] Мне нравится. Я всю жизнь этим занимаюсь, 48 лет.

«Ни сосед по квартире, ни попутчик в поезде, ни дипломат на банкете, ни даже собственная жена в собственном доме не умеют быть достойными собеседниками, когда речь заходит о квантах или о странных свойствах америция. Отсюда и ореол таинственности».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.

[КШ] Большинству из нас невероятно сложно ­понять, чем вы занимаетесь. Синтез трансурановых элементов - не та тема, которую обсуждают за ужином с семьёй.

[АП] Мы генерируем новые знания, и они не пропадут. Если мы можем изучать химию отдельных атомов, значит, обладаем аналитическими методами высочайшей чувствительности, которые заведомо пригодны для изучения веществ, загрязняющих окружающую среду. Для производства редчайших изотопов в радиомедицине. А кто поймёт физику элементарных частиц? Кто поймёт, что такое бозон Хиггса?

[КШ] Да. Похожая история.

[АП] Правда, людей, понимающих, что такое бозон Хиг­гса, всё же больше, чем разбирающихся в сверхтяжёлых элементах… Эксперименты на Большом адронном коллайдере дают исключительно важные практические результаты. Именно в Европейском центре ядерных исследований появился интернет.

[КШ] Интернет - любимый пример физиков.

[АП] А сверхпроводимость, электроника, детекторы, новые материалы, методы томографии? Всё это побочные эффекты физики высоких энергий. Новые знания никогда не пропадут.

Боги и герои

// В честь кого называли химические элементы

Элемент: Ванадий

Когда открыт: 1801

В честь кого назван. Ванадис - скандинавская богиня любви, красоты, плодородия и войны (как у неё всё это получается?). Повелительница валькирий. Она же Фрейя, Гефна, Хёрн, Мардёлл, Сюр, Вальфрейя. Это имя дано элементу потому, что он образует разноцветные и очень красивые со­еди­нения, а богиня вроде тоже очень красивая.

Элемент: Ниобий

Когда открыт: 1801

В честь кого назван. Сначала ему дали имя «колумбий» в честь страны, откуда привезли первый образец минерала, содержащего этот элемент. Но потом был открыт тантал, который практически по всем химическим свойствам совпадал с колумбием. В итоге решено было назвать элемент именем Ниобы, дочери греческого царя Тантала.

Элемент: Палладий

Когда открыт: 1802

В честь чего назван. В честь открытого в том же году астероида Паллада, название которого тоже восходит к мифам Древней Греции.

Элемент: Кадмий

Когда открыт: 1817

В честь кого назван. Изначально этот элемент добывали из цинковой руды, греческое название которой напрямую связано с героем Кадмом. Сей персонаж прожил яркую жизнь: победил дракона, женился на Гармонии, основал Фивы.

Элемент: Прометий

Когда открыт: 1945

В честь кого назван. Да, это тот самый Прометей, который отдал огонь людям, после чего имел серьёзные проблемы с божественными властями. И с печенью.

Элемент: Самарий

Когда открыт: 1878

В честь кого назван. Нет, это не совсем в честь горо­да Самары. Элемент был выделен из минерала самарскита, который предоставил европейским учёным горный инженер из России Василий Самарский-Быховец (1803–1870). Можно считать это одним из первых попаданий нашей страны в таблицу Менделеева (если не брать в расчёт её название, конечно).

Элемент: Гадолиний

Когда открыт: 1880

В честь кого назван. В честь Юхана Гадолина (1760–1852), финского химика и физика, открывшего элемент иттрий.

Элемент: Тантал

Когда открыт: 1802

В честь кого назван. Греческий царь Тантал обидел богов (есть разные версии, чем именно), за что в подземном царстве его всячески мучили. Примерно так же страдали учёные, стремясь получить чистый тантал. На это ушло больше ста лет.

Элемент: Торий

Когда открыт: 1828

В честь кого назван. Первооткрывателем ­этого элемента был шведский ­химик Йёнс Берцелиус, который и дал элементу имя в честь сурового скандинавского бога Тора.

Элемент: Кюрий

Когда открыт: 1944

В честь кого назван. Единственный элемент, названный в честь двух человек - нобелевских лауреа­тов супругов Пьера и Марии Кюри.

Элемент: Эйнштейний

Когда открыт: 1952

В честь кого назван. Тут всё понятно: Эйнштейн (1879–1955), великий учёный.

Элемент: Фермий

Когда открыт: 1952

В честь кого назван. Назван в честь Энрико Ферми (1901–1954), итало-американского учёного, внёсшего большой вклад в развитие физики элементарных частиц, создателя первого ядерного реактора.

Элемент: Менделевий

Когда открыт: 1955

В честь кого назван. Это в честь нашего Дмитрия Ивановича Менделеева (1834–1907). Странно только, что автор периодического закона попал в таблицу не сразу, а лишь спустя почти сто лет после своего открытия. Но всё равно приятно.

Элемент: Нобелий

Когда открыт: 1957

В честь кого назван. Вокруг названия этого элемента долго шли споры. Приоритет в его ­открытии принадлежит учёным из Дубны, которые назвали его жолиотием в честь ещё одного представителя семейства Кюри - зятя Пьера и Марии Фредерика Жолио-­Кюри (тоже ­нобелевского лауреата). Одновременно с этим группа физиков, работавших в Швеции, предложила увековечить память Альфреда Нобеля (1833–1896). Довольно долго в советской версии таблицы Менделеева 102-й значился как жолиотий, а в американской и европейской - как нобелий. Но в итоге IUPAC, признавая советский прио­ритет, оставил западную версию.

Элемент: Лоуренсий

Когда открыт: 1961

В честь кого назван. Примерно та же история, что и с нобелием. Учёные из ОИЯИ предложили назвать элемент резерфордием в честь «отца ядерной физики» Эрнеста Резерфорда (1871–1937), американцы - лоуренсием в честь изобретателя циклотрона физика Эрнеста Лоуренса (1901–1958). Победила американская заявка, а резерфордием стал 104-й элемент.

Элемент: Резерфордий

Когда открыт: 1964

В честь кого назван. В СССР он назывался курчатовием в честь советского физика Игоря ­Курчатова. Окончательное название было утверждено IUPAC только в 1997 году.

Элемент: Сиборгий

Когда открыт: 1974

В честь кого назван. Единственный до 2016 года случай, когда элементу присвоили имя здравствующего учёного. Это было исключение из правила, но уж больно велик вклад Гленна Сиборга в синтез новых химических элементов.

Элемент: Борий

Когда открыт: 1976

В честь кого назван. Тут тоже была дискуссия о названии и приоритете ­открытия. В 1992 году советские и немецкие учёные договори­лись назвать элемент нильс­борием в честь датского физика ­Нильса Бора (1885–1962). IUPAC ­утвердил короткое название - борий.

Элемент: Мейтнерий

Когда открыт: 1982

В честь кого назван. Назван в честь Лизы Мейтнер (1878–1968), физика и радиохимика, работавшей в Австрии, Швеции и США. Кстати, Мейтнер была одним из немногих крупных учёных, отказавшихся участвовать в Манхэттенском проекте. Будучи убеждённой пацифисткой, она заявила: «Я не стану делать бомбу!»

Элемент: Рентгений

Когда открыт: 1994

В честь кого назван. В этой клеточке ­увековечен открыватель знаменитых лучей Вильгельм Рёнтген (1845–1923). Элемент синтезировали немцы, но в исследовательскую группу входили и представители Дубны, в том числе Андрей Попеко, интервью с которым опубликовано в этом номере.

Элемент: Коперниций

Когда открыт: 1996

В честь кого назван. В честь великого астронома Николая Коперника (1473–1543). Как он оказался в одном ряду с физиками XIX–XX века, не совсем понятно. И уж совсем непонятно, как называть элемент по-русски: коперниций или коперникий? Допустимыми считаются оба варианта.

Элемент: Флеровий

Когда открыт: 1998

В честь кого назван. Утвердив это название, международное сообщество химиков продемонстрировало, что ценит вклад российских физиков в синтез новых элементов. Георгий Флёров (1913–1990) руководил лабораторией ядерных реакций в ОИЯИ, где были синтезированы многие трансурановые элементы (в частности, от 102-го до 110-го). Достижения ОИЯИ увековечены также в названиях 105-го элемента (дубний), 115-го (московий - в Московской области расположена Дубна) и 118-го (оганесон).

Элемент: Оганесон

Когда открыт: 2002

В честь кого назван. Перво­начально о синтезе 118-го элемента заявили американцы в 1999 году. И предложили назвать его гиорсий в честь физика Альберта Гиорсо. Но их эксперимент оказался ошибочным. Приоритет открытия признали за учёными из Дубны. Летом 2016 года IUPAC рекомендовал дать элементу название оганесон в честь Юрия Оганесяна.

«А пока что каждое утро, просыпаясь, я хочу сохранить в памяти сон, виденный ночью, потому что я часто вижу город физиков, и людей в синих халатах, и цикло­трон, и раскрашенные под солнечный спектр станки для велосипедов, стоящие прямо на улицах, и только 104-й ни разу ко мне не явился. Я с нетерпением жду его, и мне по­чему-то кажется, что он придёт».

Из повести Валерия Аграновского «Взятие сто четвёртого», 1966 г.

на «Кота Шрёдингера»

— Борис Николаевич, как присваивают названия новым элементам? Почему в новостях по нескольку раз появляются сообщения о том, что элементы названы, а потом все меняется или откладывается?

— На самом деле, это издержки работы СМИ. Процесс всегда одинаковый: сначала названия обсуждаются в институтах-открывателях, потом авторы совместно заявляют о предложенных вариантах. В данном случае это произошло в декабре прошлого года. Потом наименования рассматривает ИЮПАК (Международный союз чистой и прикладной химии, IUPAC — прим. «Чердака» ), и сейчас они как раз от своего имени их опубликовали, представили на суд общественности. Сейчас будет некий период ожидания, когда все могут высказать свои соображения или возражения: возможно, название неблагозвучно на каком-то из языков либо в науке уже присутствует аналогичный термин. Если таких возражений не поступает в течение полугода, ИЮПАК утверждает название. Мы ожидаем утверждения осенью, тогда и у нас в Дубне, и в Калифорнии, и в Японии будет большой праздник.

— Как появились названия «московий» и «оганесон»?

— С московием главная мысль была о том, чтобы увековечить в таблице Менделеева землю московскую. Это не значит Москву или Московскую область, это как бы Московия в старинном понимании этого слова. А насчет названия «оганесон» у нас в лаборатории было не то чтобы напряженное, но эмоциональное обсуждение. Мы все очень уважаем нашего научного руководителя Юрия Цолаковича Оганесяна, его вклад в синтез сверхтяжелых элементов признан во всем мире. А он, как скромный человек, сказал, что не то чтобы не поддерживает такое наименование, но не хочет участвовать в обсуждении. Поэтому во время этого совещания из зала вышел. Остальные авторы единодушно решили назвать элемент в честь Оганесяна. Этот элемент должен обязательно был оканчиваться на «‑он», потому что по правилам названия он попадает в такой период, где должно быть такое окончание. Так и получился «оганесон». Мы думали, что будут сложности с американскими коллегами, которые могли предложить и свое название, но они сразу поддержали эту инициативу. Более того, они сказали, что если бы мы не предложили это название, они сами бы это сделали.

Электронные конфигурации 118-го элемента, унуноктия и 113-го элемента, унунтрия. ИЮПАК предложил их назвать оганесоном и нихонием. Изображение: Pumbaa / Wikipedia

— А как все-таки быть со 113-м элементом?

— Это давние споры. Наши коллеги открыли 113-й элемент в прямой реакции, а мы его открывали как продукт распада 115-го элемента. Международная комиссия решила отдать первенство им.

— Как «встречают» новые название элементов?

— У нас в Москве проходит инаугурация. Как в прошлый раз, когда в 2012-м были названы официально 114-й элемент — флеровий, 116-й элемент — ливерморий. Это та же коллаборация делала, те же физики. Было большое собрание в Доме ученых, в Академии наук, в Москве. Приезжали со всего мира ведущие ученые, по этому поводу были выпущены памятные медали.

— Как происходит синтез сверхтяжелых элементов?

— Для того чтобы получить сверхтяжелые ядра, мы облучаем мишень из специально подобранного тяжелого элемента ионами кальция-48. Это очень редкий изотоп, его в природном кальции всего две десятых процента, но он стабильный, и в нем очень много «избыточных» нейтронов. Для сравнения: масса «обычного» изотопа кальция — 40. Зачем это нужно? Стабильность — понятно, сильно сложнее контролировать реакцию с радиоактивным изотопом, который распадается, дает другие элементы. Мы разгоняем кальций-48 в ускорителе и направляем на мишень, где протекает ядерная реакция. Изначально образуются «горячие» ядра, которым нужно испустить «лишние» нейтроны, для того чтобы стабилизироваться. Вот для этого нужен «избыточный» изотоп.

Цепочка синтеза выглядит следующим образом: ускоритель с кальцием-48, облучение мишени, затем сепаратор — что-то вроде сита, которое отделяет интересные нам объекты от потока частиц, образующегося при бомбардировке мишени: синтез сверхтяжелых элементов — редкое явление, в основном там протекают другие, фоновые процессы. И наконец, — детектор, который регистрирует образовавшиеся сверхтяжелые ядра.

— Как в Дубне начались эти работы?

— Инициатива исходила от первого заведующего нашей лабораторией Георгия Николаевича Флерова. В 1961 году построили и запустили первый в мире специализированный ускоритель для тяжелых ионов У-300. На нем пытались синтезировать новые элементы, и очень успешно: один из элементов был назван именем Дубны — «дубний». Он был добыт на У-300.

Циклотрон У-300 в Объединенном институте ядерных исследований, 1976 г. Фото: Юрий Туманов / ИТАР-ТАСС

— Вы как раз заведуете этим ускорительным комплексом?

— Сейчас — да. А в тот момент главным инженером лаборатории был Юрий Цолакович Оганесян. Именно он руководил строительством циклотрона У-300. Разработан ускоритель был в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова в Ленинграде (НИИ электрофизической аппаратуры). На тот момент это был единственный специализированный институт, который мог выпускать ускорители. Сам ускоритель весит 2000 тонн, привезти его из Ленинграда в Дубну была отдельная инженерная задача.

— А как появился У-400?

— Он заработал в 1978 году. Но этому предшествовала довольно длинная история. Работа У-300 признали успешной, но интенсивность, которую он давал, была по нынешним меркам совсем маленькая. Более тяжелые элементы на нем получать было нельзя. Когда это поняли, поставили задачу сделать новые, специализированные ускорители для ускорения кальция-48. Когда мы начали эти опыты, весь кальций, который был в Советском Союзе, передали к нам в лабораторию для проведения этого эксперимента. И сейчас мы используем изотоп отечественного производства. Правда, на тот момент мы использовали его без всякого обогащения. Сейчас мы используем кальций с 60% обогащения — наши ускорители сегодня позволяют получать хорошую интенсивность пучка и с таким обогащением.

Юрий Оганесян (слева), Георгий Флеров (справа) и Роберт Уилсон осматривают ускоритель У-400. Фото: Юрий Туманов / Архив ТАСС

Когда построили У-400, в нем ускорили кальций-48 и сделали первые опыты, стало ясно, что так нам новый элемент не синтезировать. Потому что интенсивность была все еще маленькая, а расход кальция-48 очень большой. То есть если бы мы даже израсходовали весь запас, то не факт, что мы получили хотя бы одно ядро сверхтяжелого элемента. Была поставлена очень радикальная задача, на тот момент непонятная. Нужно было поднять интенсивность более чем в 10 раз. И работающий ускоритель остановили и разобрали. В тот момент он был лучший в мире для этих целей. Был предложен другой подход, с дополнительным внешним источником, новой системой инжекции. И это позволило сразу, при первом же запуске, поднять интенсивность в 20 раз. Стало ясно, что эксперимент можно сделать. Потом интенсивность была повышена еще в два раза. Это произошло в 1995 году. В такой конфигурации мы работаем, получается, уже 20 лет, по 5-6 тысяч часов в год на эти частицы. Много элементов уже синтезировано, на нем как раз был открыт «остров стабильности» с центром — 114-й элемент. Вот такая история.

Роберт Уилсон и Юрий Оганесян (справа) на ускорителе У-400. Фото: Юрий Туманов / Архив ТАСС

— Сейчас мы его тоже хотим реконструировать. Чтобы начать эту работу, мы затеяли другой проект: строим совсем иной ускоритель, по новой схеме, он называется ДС-280. На нем мы хотим поднять интенсивность пучка еще в 10 раз. Потому что задача, которая стояла перед этим, — синтезировать новые элементы. А сейчас мы хотим широко изучать их свойства, в том числе и химические. А для этого одного события (рождения ядра сверхтяжелого элемента — прим. «Чердака» ) в неделю или в месяц маловато. Чтобы химию изучать, нужно, чтобы их было много. На новом ускорителе строятся установки, которые могут синтезировать и использовать пучок кальция-48. Проект называют «фабрика сверхтяжелых элементов». Этой осенью мы начинаем сборку новой машины. Уже есть план-график, утвержденный нашей дирекцией. Здание для фабрики практически достроено.

Если все пойдет благополучно, через год мы надеемся полностью собрать и запустить все системы, включая инженерные, которые обеспечивают охлаждение, вентиляцию, электричество, управление. Мы начнем запуск этой машины уже через два года. Небыстро, но все-таки работы много!

Первые 117 элементов таблицы Менделеева были нормальными. И вот появился 118-й.

Нихоний (Nh), московий (Mc), теннессин (Ts) и оганесон (Og) появились в таблице Менделеева в 2016 году. Фото: Antoine2K.

Оганесон (Og), в девичестве унуноктий, в 2016 году получил имя в честь Юрия Оганесяна , научного руководителя Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Это второй элемент, нареченный именем еще здравствующего человека, после сиборгия (Sg), названного в 1997 году в честь живого Гленна Сиборга (1912–1999).

Окончание -он свидетельствует о принадлежности оганесона к благородным газам – группе элементов, в которую также входят гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn). Да, гелий без надлежащего окончания – может, потому что, когда набираешь полные легкие гелия, голос начинает звучать не слишком благородно.

Оганесон – самый тяжелый на сегодняшний день элемент периодической таблицы, его атомная масса – больше 294 атомных единиц массы , что почти в 25 раз тяжелее типичного изотопа углерода из вашего бренного тела. В отличие от углерода искать оганесон у себя под мышкой или в жировых складочках не стоит – в природе он вообще не встречается, и за все время было искусственно синтезировано всего несколько атомов этого радиоактивного элемента, каждый из которых просуществовал меньше миллисекунды.

В связи с этим, говоря о свойствах оганесона, ученые полагаются исключительно на теоретические предсказания. И многие из этих предсказанных свойств довольно странны.

Распределение плотности электронов в трех благородных элементах без учета релятивистских эффектов (вверху) и с учетом оных (внизу). Согласно расчетам, в оганесоне электроны не ограничивают себя орбиталями, а формируют равномерное облако Ферми-газа.

Если руководствоваться вычислениями, основанными на классической физике, то электроны оганесона должны располагаться в окружающих атомное ядро оболочках, как у почти всех нормальных элементов. Однако оганесон – элемент сверхтяжелый, а значит, из-за большого заряда ядра его электроны разгоняются до таких значительных скоростей, что возникает необходимость учитывать теорию относительности Эйнштейна, и если включить ее в расчеты, то получается странная штука: вместо дискретных электронных оболочек электроны витают в более-менее равномерно размытом облаке электронного газа !

Благородные газы еще называют инертными, потому что они химически неактивны и участвуют в реакциях лишь в экстремальных условиях, как при апокалипсисе. Оганесон – исключение. Из-за необычного распределения электронов он легко отдает и принимает электроны, а значит, может быть химически реактивным. Получается, что оганесон – парадоксально неинертный благородный газ.

К тому же он вовсе и не газ в привычном понимании этого слова. В «размазанном» состоянии облака электроны оганесона легко поляризуются, а значит, атомы элемента будут связываться друг с другом прочными вандерваальсовыми взаимодействиями. Вместо того чтобы отскакивать друг от друга, словно футбольные мячики, как в типичных газах, атомы оганесона при комнатной температуре, вероятно, будут стремиться слипнуться в твердое вещество ! Это уже не благородный газ, а благородная твердь какая-то.

Протоны ядра оганесона тоже могут вести себя нестандартно. Обычно протоны отталкиваются друг от друга в силу положительного заряда, но не разлетаются благодаря так называемым ядерным силам, в основе которых лежит сильное взаимодействие – намного более сильное, чем кулоновские взаимодействия между зарядами. Однако у оганесона протонов аж 118 штук, поэтому их объединенные кулоновские усилия могут частично преодолеть ядерную силушку, в результате чего в ядре сформируется пузырь ! В центре ядра протонов окажется меньше, чем на периферии.

А вот нейтроны ядра, как и электроны вокруг ядра, смешаются в Ферми-газ , предсказывают ученые.

Юрий Оганесян – второй человек после Гленна Сиборга, именем которого еще при его жизни назвали химический элемент. Фото: ОИЯИ.

Сам Юрий Цолакович Оганесян подобные прогнозы относительно его тезки-элемента находит удивительными. Для их проверки необходимы эксперименты, говорит он, с предвкушением потирая руки.

Но куда более удивительными могут оказаться следующие, пока что неоткрытые химические элементы. Согласно недавно предложенной модели , ядра с массой выше 300 могут представлять собой совершенно иную, непривычную нам форму материи, которая будет состоять не из протонов и нейтронов, а из верхних и нижних кварков, собирающихся в какие-нибудь иные конфигурации. Подобная материя может стабильно существовать в недрах нейтронных звезд и потенциально могла бы стать намного более удобным источником энергии, чем ядерный или термоядерный синтез. Так что с нетерпением ждем, когда наши ученые в Дубне синтезируют невероятный и чудной 119-й элемент – ковылиний.

Текст: Виктор Ковылин. По материалам: Science News , Химия и жизнь
Научная статья: Physical Review Letters (Jerabek et al., 2018)

Юрий Цолакович Оганесян – выдающийся советский и российский ученый, специалист в области экспериментальной ядерной физики, академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.

Юрий Оганесян – автор фундаментальных исследований механизмов взаимодействия сложных ядер. Им было обнаружено и исследовано влияние ядерной структуры на коллективное движение ядер в процессах слияния и деления, он является автором открытия нового класса ядерных реакций – холодного слияния массивных ядер (1974 год), широко используемых до последнего времени в различных лабораториях мира для синтеза новых элементов.

Юрию Оганесяну принадлежат основополагающие работы по синтезу новых элементов на пучках тяжелых ионов. В 1999-2010 годах группой ученых под его руководством были впервые синтезированы самые тяжелые элементы с атомными номерами 113 (2003 год), 114 (2000 год), 115 (2003 год), 116 (2000 год), 117 (2010 год), 118 (2002 год). Свойства распада новых элементов, а именно энергия распада и значительное увеличение их времени жизни (периода полураспада), доказывают существование так называемых «островов стабильности» в области сверхтяжелых элементов.

Сегодня стало известно, что Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) внесет в периодическую таблицу четыре новых элемента с атомными номерами 113, 115, 117 и 118, названных в честь Японии, американского штата, Московской области и академика Юрия Оганесяна. В связи с этим мы решили вспомнить интервью с выдающимся ученым, которое в прошлом году вышло на страницах нашего журнала.

Юрий Цолакович, как же открываются новые сверхтяжелые элементы?

Здесь уместным было бы короткое введение. Лучше для начала попытаться ответить на вопрос: сколько может существовать элементов в принципе, где пределы таблицы Менделеева?
Вопрос этот относится к одной из фундаментальных проблем современной науки, а может быть и не только современной. Ведь люди всегда интересовались вопросами мироздания и пытались понять, где границы материального мира.

Если отбросить очень древние и наивные представления о мире, который покоится на трех китах или трех слонах, то ответ искать нужно в структуре материи.

Нам известно, что атом состоит из ядра, вокруг которого на большом расстоянии вращаются электроны. Если это атом водорода – то он имеет заряд единицу (то есть протон) и один электрон. Если это уран – самый тяжелый элемент в земле, то у него 92 протона и, соответственно, 92 электрона.

Подобную композицию предложил и продемонстрировал экспериментально еще в 1911 году Резерфорд, а в 1913 году великий Нильс Бор рассчитал атом водорода. С тех пор эту теорию называют планетарной моделью атома: ядро – это «Солнце», а электроны – «планеты» Солнечной системы.

Согласно планетарной модели, электроны вращаются от ядра на расстоянии в 100 тысяч раз большем, чем размер ядра. Если ядро – это футбольный мяч, который мы держим в руках в Дубне, то орбиты электронов проходят где-то в Москве (расстояние по прямой между Москвой и Дубной составляет примерно 114 км – NS). Первый вопрос – насколько устойчива эта конструкция? До каких атомных номеров она работает? Оказалось, что модель очень устойчива, она работает до атомного номера 174 или 176.

А что произойдет, если наращивать заряд ядра?

С точки зрения квантовой электродинамики, при очень большом заряде ядра произойдет коллапс – грубо говоря, электрон упадет на ядро. Если рассматривать этот процесс шире, то надо углубиться в эту науку и рассматривать структуру вакуума.

Согласно квантовой электродинамике, наш мир существует в некоем вакууме, нейтральном, но отнюдь не «пустом». Он заполнен электронами и антиэлектронами (позитронами). Лишь в определенном диапазоне энергий, равном двойной энергии покоя электрона, может существовать планетарная конструкция атома. Когда же мы подходим к критическому электрическому полю, возникающему от заряда в 174-176 единиц, происходит распад вакуума. Из нейтрального атома вылетает электрон, который садится на орбиту атома и тем самым понижает его заряд на единицу, в то время как вылетевший позитрон вновь приводит вакуум в нейтральное состояние. К сожалению, мы далеки от этого предела; существование атома прекращается значительно раньше из-за нестабильности самого ядра.

Поэтому вопрос о границах окружающего нас материального мира должен быть перенесен из атомной физики в ядерную.

Тогда вопрос ставится по-другому: какие силы удерживают протоны и нейтроны в ядре и на какое количество протонов и нейтронов их хватит по мере роста массы и размера ядра?

К сожалению, по большому счету природа этих сил нам неизвестна. Чтобы как-то продвинуться дальше, нам надо хотя бы предположить, что представляет собой ядерная материя. И это предположение впервые сделал в 1928 году наш гениальный соотечественник, физик-теоретик Георгий Антонович Гамов. Тот факт, что ядра обладают громадной плотностью, несжимаемы, имеют хорошо выраженную, почти сферическую форму, натолкнули его на мысль о том, что ядро похоже на каплю заряженной жидкости. Он родоначальник так называемой капельной модели ядра. Капельная модель совершила прорыв в познании ядра и ядерных превращений. В том же 1928 году на основе этой модели Гамов создал теорию альфа-распада, обнаруженного впервые Беккерелем еще в 1896 году.

Когда в 1939 году Ганом и Штрассманом в Берлине было открыто деление урана под действием нейтрона, Нильс Бор и Джон А. Уиллер, на основе модели жидкой капли, описали этот сложный процесс разделения ядра на две части.

Согласно Бору и Уиллеру, от деления уран предохраняет потенциальный барьер высотой около 6 мегаэлектронвольт (МэВ). Захват нейтрона повышает энергию ядра примерно на 6 МэВ, в результате чего деление урана становится энергетически возможным.

Впервые спонтанное деление урана было обнаружено в 1939 году молодыми физиками Константином Петржаком и Георгием Флёровым, работавшим в то время под руководством Игоря Курчатова в Ленинградском физико-техническом институте. Сначала эксперименты проводились в лаборатории, затем, для исключения фона космических лучей, на станции метро «Динамо» в Москве, в 1940 году. Эксперимент дал величину периода полураспада урана относительно спонтанного деления 1016 лет! Действительно редкий процесс, но примерно в миллион раз более вероятный, чем предсказывала теория. Теперь перейдем к ядрам тяжелее урана.

Если в ядро урана-238 добавить, скажем, два протона, то масса ядра изменится всего лишь на 0,8%, в то время как кулоновские силы, растягивающие ядро, возрастут более чем на 4%. Это увеличивает вероятность деления 94-го элемента – плутония-240 по отношению к урану-238 в 100 тысяч раз! Нетрудно видеть, что столь сильное падение стабильности ядра из-за понижения высоты его барьера деления очень быстро приведет к столь малому времени жизни, что понятие атома потеряет смысл: ядро распадется раньше, чем вокруг него возникнут электронные орбиты. По теории, без барьера деления ядро поделится на два осколка за время около 10-19 секунды! По сути же, это и есть предел существования ядер, а значит, атомов и химических элементов. И этот предел наступает для элементов второй сотни.

Следует отметить, что после окончания Второй мировой войны, когда были построены ядерные реакторы, в которых нарабатывался плутоний, а также более тяжелые элементы, вплоть до 100-го – фермия-257, предсказания модели получили блестящее подтверждение. Дальнейшие работы по синтезу элементов с атомными номерами 101, 102, 103 и 104, полученные на ускорителях тяжелых ионов, еще раз подтвердили предсказания капельной теории. От урана (92-го элемента) до резерфордия (104-го элемента) период полураспада ядра относительно спонтанного деления уменьшился почти в 1026 раз!

Такая ситуация продолжалась до 1962 года. Именно тогда мы – в том числе и ваш покорный слуга – пытались продвинуться дальше, до 104-го элемента. Понимая при этом, что шансов его получить нет практически никаких – из-за его исключительно короткого времени жизни. По крайней мере, так казалось тогда.

Проведя эксперимент, мы обнаружили нечто очень похожее на то, что искали, – ядра, которые распадались за миллисекунду, тысячную долю секунды. Этот вызвало определенную радость, но затем мы сами поняли, что никакого отношения к 104-му элементу все это не имеет.

А к чему же тогда?

Оказалось, что мы имели дело с 95-м элементом, который был так же хорошо известен, как и период полураспада его спонтанного деления – 10^14 лет. Как может быть, что у одного и того же ядра деление может иметь два столь различных периода полураспада: 10^14 лет и 14 миллисекунд? Оказалось, что это не случайность. В распаде других ядер наблюдалась подобная картина. Остановились на уране, у которого, кроме измеренного ранее периода полураспада 10^16 лет, был обнаружен и короткий период спонтанного деления – 0,3 микросекунды.

Здесь стоит оговориться: если система испытывает один и тот же тип распада с разной вероятностью, то это означает, что у этой системы сам распад происходит из двух разных состояний. У урана, например, из одного – с периодом полураспада 10^16 лет, из другого – 0,3 микросекунды.
В классической капельной модели такого не может быть. Капля не может иметь два состояния по определению. Она имеет либо сферическую форму, либо в результате растяжения (деформации) делится на два осколка – тоже сферических. Не может кап­ля растянуться, потом подождать немного и продолжать растягиваться дальше.

Тогда надо думать, что ядро – это не капля или не совсем капля. Но это обстоятельство многое меняет. Считалось, что если барьер исчезнет, то ядро разделится на две части за исключительно короткое время (10 -19 секунд). А обнаружилось, что барьер двугорбый – и тогда надо рассматривать два предела, для первого и второго барьера. Оказывается, при переходе от урана к трансурановым элементам с ростом атомного номера сильно уменьшается второй горб (второй барьер), в то время как высота первого горба (или первого барьера) практически не меняется. И если мы пойдем еще дальше, то при определенном количестве протонов и нейтронов в очень тяжелом (сверхтяжелом) ядре барьер может быть даже большим, чем у урана.

И период полураспада может быть не тысячные доли секунды, а часы, дни, годы и даже миллионы лет.

Это «озарение» в теории атомных ядер пришло в конце 1960-х. Появилась микроскопическая теория, которая учитывала внутреннюю структуру ядра.
Выяснилось, что при определенном числе протонов и нейтронов в ядре появляются дополнительные силы, повышающие энергию связи всех частиц в ядре. Это так называемые магические числа. Для протонов 2 – это гелий, 8 – кислород, 20 – кальций, 28 – никель, 50 – олово и 82 – свинец. Для нейтронов те же числа и еще 126.

Поэтому если протонов 82 (свинец), а нейтронов 126, то это дважды магическое ядро. По предсказаниям новой теории, следующее магическое число – 114 протонов и 184 нейтрона. И такое ядро может обладать огромной стабильностью.

В отличие от капельной (классической) теории, исключающей возможность существования ядер с атомными номерами более 100, здесь, наоборот, у элемента 114 и его соседей ожидается громадная стабильность по отношению к более легким элементам.

Но это предсказание требовало экспериментальной проверки. Неудивительно, что многие группы исследователей из передовых ядерных центров мира в течение последующих пятнадцати лет потратили большие усилия на синтез сверхтяжелых элементов.

В условиях лаборатории синтез сверхтяжелых элементов оказался весьма сложным делом. Все попытки получить сверхтяжелые ядра в ядерных реакциях разного типа не привели к результату.

Нужно было найти новый подход к решению проблемы и значительно поднять чувствительность эксперимента. Потратив более пяти лет на подготовку, мы только к 2000 году смогли поставить новые эксперименты с чувствительностью в 500 раз большей, чем все предыдущие попытки синтеза сверхтяжелых элементов.

Как вам удалось изыскать финансирование в такие тяжелые для нашей страны времена? Получить у правительства деньги на ускоритель, открытие сверхтяжелых элементов – все это нужно было как-то обосновать.

Время было и вправду не лучшее для науки. Задерживали зарплату, ввели жесткие лимиты на электроэнергию и пр. Мы решили существенно сократить фронт исследований, выбрать одну достойную задачу и все ресурсы направить на ее решение.
В первых экспериментах, начатых в 1999 году, мы почувствовали, что находимся на новом уровне возможностей. А в 2000 году впервые наблюдали распад 116-го и 114-го элементов – три раза с совершенно одинаковыми параметрами. Со стороны это казалось невероятным, и нам тогда мало кто поверил. Да и потом долго не верили, пока в 2007 году не повторили наши эксперименты и увидели, что все получается. На самом деле мы очень сильно усложнили эксперимент. В погоне за избытком нейтронов в сталкивающихся ядрах мы должны были взять не естественные элементы, а искусственные, которые нарабатываются в ядерных реакторах методом захвата нейтронов (поэтому в них максимальный избыток нейтронов). Это изотопы плутония (94 элемент), америция (95-ый), кюрия (96-ой), берклия (97-ой), калифорния (98-ой). Из них изготавливается мишень.

А в качестве снаряда мы выбрали кальций-48. Основной изотоп кальция имеет массу 40. Он состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. Но естественный кальций содержит в количестве 0,19% изотоп кальций-48 (20 протонов и 28 нейтронов). Выделить его из естественной смеси изотопов кальция чрезвычайно сложно. Один грамм кальция-48 стоит 250 тысяч долларов!

Но в реакции слияния нейтронно-избыточного ядра плутония с массой 244 (мишень) и ядра-снаряда кальция-48 получается новое ядро суммарной массы 292, которое содержит 114 протонов и 178 нейтронов. Это ядро попадает в акваторию, где, по предсказаниям, находится остров стабильности, и в его дальнейшей судьбе это обстоятельство будет играть большую роль. После его охлаждения, посредством испускания нескольких нейтронов, ядро 114-го элемента начнет испытывать радиоактивный распад. Если справедливы теоретические предсказания о большой стабильности сверхтяжелых ядер к спонтанному делению, то ядро 114-го элемента не поделится, а испустит альфа-частицу (ядро гелия) и перейдет в ядро 112-го элемента. История теперь повторится с дочерним ядром. После альфа-распада оно перейдет в ядро 110-го элемента и т. д. До тех пор, пока мы не выйдем за пределы острова стабильности. Ибо за его пределами нас ожидает спонтанное деление. Поэтому вся эволюция представляет собой радиоактивное семейство в виде цепочки альфа-распадов, которая берет начало у сверхтяжелого ядра и кончается спонтанным делением. В эксперименте в распаде некоторых ядер можно увидеть пять, шесть и даже семь поколений этого семейства. Таким образом, мы синтезировали шесть самых тяжелых элементов таблицы Менделеева с атомными номерами от 113-го до 118-го включительно.

Изначально, как мы помним, существовала лишь капельная модель, никаких островов не было. Потом выяснили, что в ядре есть структура, которая остается при его деформации. И могут существовать так называемые двугорбые барьеры. Так появилась теория об островах стабильности.
Не исключено, что обнаруженным островом в начале второй сотни дело и ограничится, и больше островов просто нет. Но не исключено также, что изменения свойств ядерной материи при больших массах и зарядах, нам пока не известных, могут привести к явлениям, подобным ядерным оболочкам, о которых мы ведем речь.

Ценность ваших экспериментов – поиска сверхтяжелых элементов, островов стабильности – для фундаментальной науки неоспорима. Однако можно ли сейчас что-нибудь сказать о практическом применении результатов этих исследований?

Это интересный вопрос, но тут следует кое-что прояснить. Мне кажется, что в настоящее время появление этого вопроса говорит о неправильном понимании ситуации. Мы живем в тот век, когда научно-технический прогресс очень многое определяет – нашу жизнь, приоритеты и вообще вектор развития общества. Наука должна познать природу, чтобы получить верное представление о ней и узнать, как можно использовать ее ресурсы.
Однако движение к научной цели – это не столбовая дорога. Скорее наоборот – бесконечное попадание в тупики. Это объяснимо. Вы имеете дело с неизвестным, хотите мысленно себе это представить, строите разные модели, гипотезы. На пути к этому приходится решать много практических задач, и это – самое ценное. Очень часто именно таким образом и открывается неожиданная практическая польза, о которой вы говорите.

По какому принципу называются новые химические элементы?

Я могу рассказать, как принято – другой порядок меня бы самого не устроил. Называют либо в честь планет – уран, нептуний. Либо в честь ученых, чтобы увековечить память о великих людях – кюрий, фермий, менделевий. Наш 114 элемент назван флеровием. А еще называют в честь мест, где проходила научная работа. В открытии элементов ведь задействовано огромное число людей, и не только ученых. К примеру, 105 элемент – дубний был назван в честь Дубны.

Как вы можете оценить состояние современной российской науки – сильно ли она сдала после распада СССР? Есть ли огни надежды, улучшается или ухудшается ситуация? Как вы относитесь к реформе РАН?

Наука как таковая – российская или нероссийская – была, есть и будет всегда. В ее основании лежит одна из ключевых черт человеческой натуры – любознательность, которая издавна заставляла людей разбираться, как устроен окружающий нас мир.
Поэтому наука имеет живое начало. Вспомним средние века: эпидемии, войны, инквизиция, различные катаклизмы. Но здесь же вспомним и университеты, которые донесли до нас основы знаний. Люди способны и будут заниматься наукой, несмотря ни на какие жизненные трудности.

В разные эпохи, впрочем, это происходило по-разному. Например, чем объяснить, что расцвет науки пришелся на время инквизиции, когда люди шли на костер ради своих научных идей?..

Да и в нашей стране научными исследованиями занимались даже в тюрьмах – сходите в Петропавловскую крепость, зайдите в камеры. Арестанту давали книги и пищу – и этого было достаточно, чтобы заниматься наукой. Конец Гражданской войны, вездесущий голод, холод. Но именно в это время появились блестящие научные школы – в Ленинграде, в Москве. Такой же расцвет произошел в искусстве и литературе. Даже теперь сложно представить, что тогда в России мог быть такой всплеск науки, искусства, кинематографа, но ведь это было!

Что касается современной российской науки, то она далеко не в лучшей форме. Реформа РАН оказалась неудачной. Может, она и была нужна, но не такая реформа, какую получили. Однако делать из этого трагедию тоже не стоит. В науку надо погружаться целиком, и заниматься ею надо с полной отдачей своих сил и способностей. Печально, что правительство не может осознать, что вложения в науку так же важны, как и вложения в защиту Родины, в экономику.

Каково ваше отношение к Нобелевской премии, ведь именно вас чаще всего называют наиболее вероятным кандидатом на ее получение от нашей страны в ближайшие годы?

Представьте себе: некто работает, проводит эксперименты, пишет научные работы, иногда удачные, иногда не очень. А тут вам звонят и говорят, что вам присудили премию. Приятно, конечно. Но, согласитесь, это уже постфактум. Самое главное в любой работе – результат, то, что вы ее сделали.
Поэтому никогда не стоит путать премию и работу. Истинный результат, если угодно – достижение, и как оно оценивается. Вы не найдете никогда полного соответствия между этими двумя понятиями, и было бы, вероятно, скучно, если бы оно было.

А у нас очень часто ставят оба эти понятия – достижения и премию – на один уровень. Говорят: вот вы это сделали, а где ваша премия? А может быть, что-то не так?

Я не сомневаюсь, что люди, которые получают Нобелевскую премию, действительно ее достойны. Они работали, получили замечательные результаты – каждый в своей области. Но это не значит, что каждого, кому ее не присудили, нужно спрашивать: «А почему вас забыли?» Просто к этому стоит относиться спокойно.

Эта премия постепенно стала ориентиром в мире научных достижений. Это, быть может, и неплохо, но не надо искать здесь каких-то невидимых факторов. Просто одни люди оценивают работу других людей. В этом контексте интересно вспомнить о том, как долго не давали премию Эйнштейну. В конце концов, ему дали ее за открытие фотоэффекта – явления, которое не связано с его великой теорией относительности. Из наших соотечественников мы можем вспомнить Дмитрия Ивановича Менделеева, Георгия Антоновича Гамова и многих других. Да мало ли талантливых людей на свете!