Физики открывают "охоту" за 120-м элементом таблицы Менделеева

23 апреля 2011 года

Физики из немецкого Центра исследования тяжелых ионов (GSI) в Дармштадте (Гессен) при участии российских коллег в субботу начинают эксперимент по синтезу нового химического элемента с атомным номером 120, который в случае успеха станет самым тяжелым известным элементом и откроет новый, восьмой период таблицы Менделеева.

"Первая часть эксперимента начнется 23 апреля и закончится 31 мая. Всего в этом году мы намерены посвятить в общей сложности 120 дней нашему эксперименту по синтезу 120-го элемента", - сообщил руководитель эксперимента профессор Зигурд Хофманн (Sigurd Hofmann).

В природе не существует элементов с атомными номерами (числом протонов в ядре атома) больше 92, то есть тяжелее урана. Более тяжелые элементы, например плутоний, могут нарабатываться в атомных реакторах, а элементы тяжелее 100-го (фермия) можно получать только на ускорителях, путем бомбардировки мишени тяжелыми ионами. При слиянии ядер мишени и "снаряда" и возникают ядра нового элемента.

Самый тяжелый элемент на настоящее время - 118-й - был получен в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне. В GSI в 1996 году был получен 112-й элемент, который в июле 2010 года был официально назван коперникием.

Нынешний эксперимент будет проходить на линейном ускорителе тяжелых ионов UNILAC, который был запущен в GSI в 1970-е годы и с тех пор неоднократно модернизировался.

По словам Хофманна, в качестве "снарядов" будут использоваться ядра хрома-54, а в роли мишени - кюрий-248.

"Теория предсказывает, что период полураспада нового элемента будет составлять от 10 до 30 микросекунд", - сказал собеседник агентства.

ПРЕЖНИЕ ПОПЫТКИ

Ученый рассказал, что предыдущая попытка синтеза 120-го элемента была предпринята в Дармштадте в 2007-2008 годах.

"В тот раз мы использовали реакцию между никелем-64 и ураном-238. Мы выбрали эту реакцию, потому что с урановой мишенью было легко обращаться и на ускорителе UNILAC можно было получить пучок ионов никеля высокой интенсивности", - сказал Хофманн.

Однако тогдашний эксперимент, продолжавшийся 116 дней, не дал результатов. В новом эксперименте, по словам собеседника агентства, вероятность рождения нового элемента выше.

Хофманн отметил, что наряду с немецкими учеными в число участников будущего эксперимента по синтезу 120-го элемента входят их российские коллеги из Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) имени Флерова ОИЯИ.

Один из них, заместитель директора ЛЯР Андрей Попеко, рассказал , что кюрий для эксперимента был получен из Окриджской национальной лаборатории (США) и прежде использовался в экспериментах по синтезу 116-го элемента, который подтвердил результаты, ранее полученные в ОИЯИ.

МЫ ПОЙДЕМ ДРУГИМ ПУТЕМ

Попеко сообщил, что российские ученые тоже планируют эксперименты по синтезу 120-го элемента. В Дубне в 2007 году была предпринята попытка получить этот элемент путем обстрела мишени из плутония-244 ионами железа-58, однако ни одного случая рождения нового ядра не было зафиксировано. Теперь физики хотят попробовать новый метод.

"Мы будем пробовать реакцию между титаном-50 и калифорнием-249. По расчетам, там вероятность образования ядер 120-го элемента несколько выше... Но проблема в том, что пока никто в мире не может получить на ускорителе хороший пучок ядер титана", - сказал Попеко.

Ученый пояснил, что титановый "пар" при температуре 2,5 тысячи градусов, необходимый для получения потока ионов титана, неожиданно оказался очень химически агрессивным и активно соединялся с другими веществами. Пока не удается получить устойчивый поток ионов титана-50.

"Это техническая проблема, она решается. Возможно, через год нам удастся получить такой источник", - сказал ученый.

ЕЩЕ ОДНИ КОНКУРЕНТЫ

Директор GSI Хорст Штёкер (Horst Stoecker), в свою очередь, сообщил , что реакции титана и берклия, а также титана и калифорния (для получения 120-го и 119-го элемента) планирует использовать другая группа, работающая на том же ускорителе UNILAC с детектором TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus).

Руководитель группы Кристоф Дюльманн (Christoph Duellmann), профессор Института ядерной химии университета Майнца, пояснил , что этот детектор был установлен несколько лет назад и на нем удалось исследовать цепочку распада 114-го элемента.

"Наши текущие планы включают попытку синтеза 120-го элемента в реакции титана-50 и калифорния-249 позже в этом году. Реакция титана-50 и берклия-249 для получения 119-го элемента также входит в наши планы, но уже на 2012 год", - сказал Дюльманн.

С российским участием в GSI сейчас также осуществляется масштабный проект нового ускорителя тяжелых ионов и антипротонов FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), который создается на базе UNILAC и синхротрона SIS. В проекте участвуют 15 стран, среди которых Франция, Великобритания и Россия. Ожидается, что первые эксперименты здесь пройдут в 2013 году, а полномасштабная работа начнется в 2016 году. Доля России в проекте составляет 17,45%.

ГОНКА ПО ТАБЛИЦЕ И ТРАНСФЕРМИЕВАЯ ВОЙНА

В 1950-е годы между СССР и Западом помимо космической гонки началась гонка за новыми сверхтяжелыми элементами, которые уже нельзя было получать в реакторах. Лидерами в ней были три научных организации - Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory), Лаборатория ядерных реакций имени Флерова в ОИЯИ и Центр исследования тяжелых ионов в Дармштадте (GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung).

Все элементы тяжелее 100-го были получены учеными из этих трех центров.

Первый из них 101-й, названный в честь создателя периодической системы химических элементов менделевием, был получен в 1955 году на циклотроне в Беркли путем бомбардировки мишени из эйнштейния ядрами гелия. Полученные ядра нового элемента - менделевия - существовали чуть менее двух часов, а полученные впоследствии другие, более стабильные изотопы - до 28 дней. Позже в этой же лаборатории были получены 102-й и 103-й элемент, названные нобелием и лоуренсием - время жизни их самых устойчивых изотопов не превышало часа.

В 1966 году настал час советских физиков из Дубны - в реакции с плутониевой мишенью и "снарядом" из неона они получили 104-й элемент с временем жизни не более 15 минут.

Вокруг названия этого элемента возникли противоречия - советские физики предложили название "курчатовий", в то время как американские коллеги, получившие этот элемент в 1969 году в реакции калифорния и углерода - "резерфордий". Все это вылилось в конечном итоге в многолетний конфликт, получивший название "трансфермиевой войны", в результате которой элементы со 104-го до 109-го до 1997 года не имели официально признанных названий.

В результате впервые появились национальные варианты таблицы Менделева - в странах советского блока в клетке 104-го элемента стояло обозначение Ku. Американские ученые заявляли, что Игорь Курчатов участвовал в военной ядерной программе и поэтому в его честь не следует называть элемент, что однако им не помешало впоследствии предложить для 106-го элемента имя в честь физика Гленна Сиборга (Glenn Seaborg), участвовавшего в Манхэттенском проекте.

Следующий элемент, 105-й, также был впервые получен в Дубне - в реакции америция и неона в 1968 году, а затем в Беркли - в реакции калифорния и азота в 1970 году. Время жизни самого устойчивого изотопа этого элемента составило лишь 23 часа. Этот элемента тоже оказалось захвачен "трансфермиевой войной" - советские физики предложили назвать его в честь Нильса Бора - "нильсборием" (и в советских учебниках в этой клетке появился символ Ns), а их американские коллеги - в честь германского химика Отто Гана.

В 1974 году американские ученые в Беркли получили 106-й элемент, для которого предложили название сиборгий, что стало первым случаем, когда для химического элемента было предложено имя живущего человека.

Элементы со 107-го по 109-й стали первыми сверхтяжелыми элементами, полученными в немецком центре GSI. Открытия были сделаны с 1981 по 1984 год и были признаны всеми, однако и эти элементы пострадали от "трансфермиевой войны". Комиссия Союза чистой и прикладной химии (IUPAC, ИЮПАК) в 1994 году предложила "сдвинуть" имена, назвав в честь Бора 107-й элемент, а в честь Гана - 108-й, разрешив таким образом коллизию вокруг 105-го элемента, который было предложено назвать в честь Фредерика Жолио-Кюри. Комиссия также предложила для 104-го элемента название дубний (в честь Дубны). Немцы, в свою очередь, предлагали для 108-го элемента название "хассий" в честь земли Гессен (по-латыни Hassie).

Наконец, в 1997 году "трансфермиевая война" была закончена - на генассамблее ИЮПАК стороны пришли к компромиссу - за 104-м элементом было закреплено название резерфордий, 105-й был назван дубнием, 106-й - сиборгием (хотя Сиборг на тот момент был жив), 107-й - борием, 108-й - хассием, а 109-й - мейтнерием в честь австрийского физика Лизы Мейтнер (Lise Meitner).

К ОСТРОВУ СТАБИЛЬНОСТИ

Получать новые сверхтяжелые элементы становилось все сложнее и сложнее - если 101-й элемент менделевий существовал почти месяц, то 109-й мейтнерий - всего лишь 7,6 секунды. Казалось, что скоро время жизни новых более тяжелых элементов сведется к нулю и открывать будет нечего. Однако у ученых была надежда: "остров стабильности", гипотетическая область масс, где сверхтяжелые элементы могли существовать достаточно долго.

Еще в 1930-е годы профессор МГУ Дмитрий Иваненко разработал оболочечную модель строения атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома состоит из "слоев" из нейтронов и протонов. Если оболочки заполнены, то ядро более устойчиво. Таким образом изотопы с ядрами, содержащими определенное количество нейтронов и протонов - "магические числа" - могли существовать достаточно долго.

В конце XX века "выстрелили" немецкие физики из GSI, которые с 1981 по 1996 год получили элементы со 107-го по 112-й. Однако позже первенство у них перехватили российские ученые.

ПРЕДЫДУЩИЙ РЕКОРД

Дальше всех в путешествии по таблице Менделеева продвинулись российские ученые из Дубны, где с 1999 по 2010 год были получены все элементы со 114-го по 118-й.

Здесь в 2006 году было официально объявлено об успехе начатого в 2002 году синтеза самого тяжелого на сегодня 118-го элемента. Для этого ученые, которыми руководил академик Юрий Оганесян, обстреливали на циклотроне У-400 мишень из калифорния (предоставленного для эксперимента физиками из американской лаборатории в Ливерморе) ионами кальция-48.

Время жизни этого элемента составляло около 0,9 миллисекунды.

За семь лет до этого вокруг 118-го разыгрался крупнейший в истории научный скандал. Еще в 1999 году ученые из Беркли объявили о получении этого элемента в реакции ядер криптона и свинца. Соответствующая статья была опубликована в престижном научном журнале Physical Review Letters. Однако физикам из Германии и Японии не удалось воспроизвести эти результаты.

Появившиеся подозрения в некорректности данных расследовала специальная комиссия, которая обнаружила, что данные об эксперименте переводил из "сырой" компьютерной формы в доступную человеку руководитель группы Виктор Нинов, выходец из Болгарии, работавший до этого в GSI в эксперименте по синтезу 110-го, 111-го и 112-го элементов.

Были обнаружены замены и перестановки в некоторых строках лог-файлов, сделанные кем-то, кто вошел в систему с аккаунта Нинова. В конце концов, в 2002 году директор лаборатории Беркли официально объявил, что результаты были сфальсифицированы Ниновым. Опубликованные статьи были отозваны из журналов, все результаты, в получении которых Нинов участвовал, были подвернуты пересмотру, а сам он был уволен. Ветераны лаборатории выражали тогда радость, что прежний ее руководитель Сиборг уже скончался и не стал соавтором скандальной статьи.

ЗАПОЛНЕНИЕ ПРОБЕЛА

Последний успешный эксперимент по синтезу сверхтяжелого элемента был также проведен в Дубне, той же группой Оганесяна.

Эксперимент был начат в июле 2009 года. Для синтеза 117-го элемента мишень из 97-го элемента, берклия-249, полученного в Окриджской национальной лаборатории (США), обстреливали ионами кальция-48 на ускорителе У-400. Проблема заключалась в том, что период полураспада берклия составляет 320 дней и нужно было успеть получить результат менее, чем за год, поскольку половина мишени за это время распадется.

Первые ядра 117-го элемента были получены еще в 2009 году, однако ученые долгое время проверяли и анализировали полученные данные. Всего было получено шесть цепочек последовательного распада ядер 117-го элемента, причем удалось получить три разных изотопа нового элемента, а также новые изотопы элементов 115, 113, 111, 109, 107, 105.

Полученные в результате реакции изотопы 117-го элемента с 297 нейтронами в ядре сначала испускали нейтроны, образуя два изотопа - с 294 и с 293 нейтронами в ядре. С них начинались две цепочки распада: "короткая", которую удалось зафиксировать пять раз, и "длинная", замеченная лишь единожды.

В первом случае 293-й изотоп нового элемента, просуществовав семь миллисекунд, испускал альфа-частицу и превращался в ядро 115-го элемента, затем, снова путем альфа-распада, в ядро 113-го элемента, а затем в ядро рентгения, 111-го элемента. Во втором случае ядро 117-го элемента существовало значительно дольше: 31 миллисекунду. Причем, на рентгении цепочка распада не заканчивалась, породив затем ядра мейтнерия, бория и дубния.

ГДЕ КОНЕЦ ТАБЛИЦЫ?

Академик Оганесян в статье, опубликованной в журнале Pure and Applied Chemistry, пишет, что теория квантовой электродинамики и теория атома, созданная Резерфордом, допускает существования атомов с числом протонов в ядре, равном 170 и даже больше. То есть, теоретически, таблица Менделеева может продолжаться до 170-й клетки.

Теория "острова стабильности" указывает на возможность существования сверхтяжелых ядер с числом протонов 120 или 122, которые за счет эффекта замкнутых оболочек могут существовать десятки и сотни лет.

"Я думаю, что периодическая таблица (элементов) закончится между 120-м и 126-м элементом. За пределами этой области исчезают эффекты оболочек, и атомные ядра не могут больше существовать", - сказал ранее в интервью Хофман.

Академик Борис Мясоедов, глава секции химии Отделения химии и наук о материалах РАН, в феврале 2009 года заявлял, что ученые обсуждают теоретическую возможность расширения таблицы Менделеева до 150 элементов.