Человечество уже давно поставило радиацию себе на службу: она
используется на электростанциях, помогает в диагностике и лечении
заболеваний и позволяет нам делать открытия в астрофизике. Трудно
поверить, что перед современной ядерной физикой еще стоят какие-то
теоретические задачи, однако это так. Физик Михаил Григорьевич
Иткис рассказывает вместе с ПостНаукой о загадочном острове
стабильности, магических числах атомных ядер, сверхтяжелых
элементах и о том, как они синтезируются.Это материал из гида Атомы
науки, приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер
гида Росатом.Что такое радиоактивность и откуда она
берется?Радиоактивность это самопроизвольный распад атомных ядер,
сопровождающийся испусканием элементарных частиц или более легких
ядер. Распад носит вероятностный характер: невозможно точно
сказать, в какой именно момент распадется тот или иной атом
вещества. Однако каждый химический элемент обладает свойственным
ему периодом полураспада временем, за которое распадается примерно
половина от первоначального числа радиоактивных ядер вещества.
Используя период полураспада, можно рассчитать время, которое
проживет любой радиоактивный элемент.В ходе радиоактивного распада
ядра делятся. Ядро атома состоит из плотно упакованных протонов и
нейтронов, удерживаемых вместе мощными ядерными силами взаимного
притяжения сильным взаимодействием. В современной физике протон и
нейтрон рассматриваются как два разных состояния одной частицы,
называемой нуклоном. Вокруг ядра находится электронная оболочка, а
число электронов в ней обычно соответствует числу протонов.В ядре
одного химического элемента постоянное число протонов, а вот число
нейтронов может меняться. Сумма протонов и нейтронов определяет
массу ядра атома. Ядра атомов одного и того же элемента могут иметь
разное массовое число, то есть содержать одинаковое число протонов,
но разное число нейтронов. Такие ядра будут называться изотопами.
Каждый отдельный изотоп это самостоятельный элемент, то есть
нуклид.Большинство наблюдаемых нами объектов состоит из атомов со
стабильными ядрами. Это означает, что сил сильного взаимодействия
внутри этих ядер достаточно, чтобы удерживать их вместе на
протяжении любого времени. Ядра стабильны, поскольку им присуще
правильное соотношение протонов и нейтронов: ядра с небольшим
массовым числом чаще всего стабильны при равном соотношении
протонов и нейтронов, а тяжелыеядра когда в них значительно больше
нейтронов. Если же соотношение нуклонов в ядре недостаточно
сбалансированно, то ядро неизбежно ждет распад.
На этом рисунке изображена карта всех открытых на данный момент
нуклидов. По оси абсцисс отложено количество протонов ядра, по оси
ординат нейтронов. Черными точками обозначены все открытые на
данный момент стабильные изотопы (всего их на данный момент 283).
Последним стабильным элементом считается свинец-208, который живет
бесконечно долго по отношению к времени жизни Земли (а это без
малого 4,5 миллиарда лет). Остальные отмеченные на карте нуклиды
нестабильны и испытывают радиоактивный распад. Самый тяжелый
радиоактивный элемент, встречающийся в природе на Земле, это
уран-238, живущий 4,4 миллиарда лет.Сверхтяжелые ядра и их
свойстваСверхтяжелыми ядрами считаются трансфермиевые ядра, то есть
ядра с зарядовым числом больше или равным 100. Их стабильность
резко падает в сравнении с предыдущими элементами Периодической
таблицы. Подавляющее большинство сверхтяжелых элементов живет
крайне непродолжительное время, исчисляемое минутами, секундамиили
даже милли- и микросекундами. Самый тяжелый из ныне обнаруженных
элементов это оганесон-294, названный в честь Юрия Цолаковича
Оганесяна. Теоретическая физика описывают ядра, содержащие вплоть
до 157 протонов. Однако на деле мы не можем их детектировать. В
теориитакая система должна быть устойчива. Но могут ли существовать
такие ядра на самом деле это вопрос.Согласно законам классической
электродинамики, уже 176 протонов развалят атом мгновенно, за 10-22
секунды. Сейчас же возникают альтернативные модели, иначе
интерпретирующие природу ядра. Согласно модели, которую предложил
Нильс Бор (1936), форма ядра напоминает сферическую каплю
несжимаемой заряженной жидкости, вокруг которой летают электроны.
Однако на границе долины стабильности ядра могут сильно
деформироваться. Можно предположить, что тяжелые ядра будут в
чем-то похожи на бублик: по краям будут иметь очень высокую
плотность, а внутри маленькую. Такая система теоретически может
жить долго. Но насколько это близко к реальности, сказать
невозможно.Об обнаружении нового элемента можно говорить тогда,
когда новообразованное ядро просуществует не меньше нескольких
миллисекунд, в крайнем случае микросекунд, чтобы его наличие можно
было зафиксировать. Однако такое время жизни может оказаться для
атома элемента далеко не предельным. Впервые синтезированный атом
дубния, 105-го элемента, смог просуществовать всего лишь несколько
микросекунд, но затем был обнаружен его изотоп дубний-268,
способный прожить 28 часов. Это возможно благодаря оболочечному
эффекту, основанному на взаимодействиях внутри ядра. Его свойства
зависят от того, как заполнены его ядерные оболочки, то есть
сколько на них находится протонов и нейтронов. Одно из этих свойств
стабильность: ядра более устойчивы, когда их оболочки замкнуты. На
данный момент его сложно объяснить для всех ядер: теория хорошо
описывает системы из небольшого числа нуклонов, но вот 250 это уже
теоретическая проблема.Следует помнить, что изучение сверхтяжелых
ядер и сверхтяжелых атомов это не одно и то же. Когда ядра
обрастают электронной цепочкой,они оказываются объектом изучения
уже не физики, а химии. Отсюда возникает задача определения
химических свойств элемента: его агрегатного состоянияпри разных
условиях, его температуры кипения и плавления, твердости. Иногда
это можно сделать. Допустим, коперниций, 112-й элемент, гомолог1
ртути. Ртуть же обладает свойством улавливать благородные металлы,
на чем основана процедура амальгамации, когда с помощью ртути
золото и серебро извлекают из руд. Это свойство удалось установить
опытным путем и у коперниция: его атомы оседают на золотых
поверхностях.Определить химические свойства возможно только для
элементов, способных прожить больше нескольких секунд. По всем
законам химии 118-й элемент должен оказаться благородным газомпо
аналогии со своими гомологами: гелием-4, неоном, аргоном,
криптоном, ксеноном и радоном. На практике же это может оказаться
не так: у очень тяжелых атомов электронная оболочка может
уплотняться, вследствие чего их свойства могут измениться
неожиданным образом. Однако на данном этапе это практически
нереально проверить из-за недостаточного времени жизни элемента и
его малых синтезируемых количеств. Для сравнения: в ходе всех
экспериментов по созданию сверхтяжелых элементов были синтезированы
сотни тысяч атомов. Однако в одном грамме вещества в них было бы
1023 атомов.Радиус ядер тяжелых элементов также до сих пор не
измерен. Однако известно, что все сверхтяжелые ядра являются
альфа-активными и испускают частицы с очень большой энергией. И
хотя мы многого о них не знаем, это открывает возможности их
использования в медицинских целях.Магические числа и остров
стабильностиСогласно капельной моделиу каждого элемента есть барьер
спонтанного распада, то есть уровень энергии, при которой ядро
распадется спонтанным делением. Для урана-238 барьер составляет 6
мегаэлектронвольт, для калифорния-256 4. Но тогда сверхтяжелые
атомы должны были бы сразу распадаться, ведь их барьер спонтанного
распада равнялся нулю. Однако в 1962 году в экспериментах в Дубне
был зафиксирован странный факт: ядра хорошо изученного
америция-242, делящегося спонтанно с периодом полураспада 1014 лет,
распадались с двумя принципиально разными периодами: один уже
известный (1014 лет), а другой 0,014 секунды.Позже подобного рода
двойные сроки распада были обнаружены у 31нуклида с номерами от 92
до 97. Ученые пришли к выводу, что эти сроки соответствуют двум
принципиально разным состояниям ядер основному и изомерному.
Оказалось, что структура ядер одного и того же элемента может быть
разнойи одни его изотопы способны существовать значительно дольше
других.Это открытие отлично сочеталось с теорией магических чисел.
Впервые о ней заговорил в 1930-е годы советский физик Дмитрий
Иваненко, а окончательно она была сформулирована Марией
Гёпперт-Майер и Йоханнесом Йенсеном в 1949 году. Ядра, имеющие
полностью заполненные электронные оболочки, связаны более сильно по
сравнению со своими соседями. Числа нейтронов или протонов,
соответствующие заполненным оболочкам, были названы магическими
числами:2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 и другие. Этим числам
соответствуют гелий-4, кислород-8, кальций-40 исвинец-208,
содержащий 82 протона и 126 нейтронов. Повышенная стабильность
наблюдается у ядер с N=14, 40, 64 и у ряда других, из-за чего эти
числа иногда называют полумагическими.Оболочечная теория строения
ядра помогла сотрудникам Объединенного института ядерных
исследований в Дубне сформулировать гипотезу о существовании
острова стабильности. Если суметь синтезировать ядра с наиболее
гармоничным числом протонов и нейтронов,это сможет значительным
образом продлить жизнь изотопов. Одним из первых предсказанных
идеальных сочетаний для сверхтяжелых элементов стал набор из 114
протонов и 184 нейтронов. Со временем эта гипотеза подтвердилась:
114 протонам соответствует элемент флеровий, и его изотоп
флеровий-289 смог прожить целых 1,9 секунды это больше посравнениюс
изотопами, у которых было меньшее количество нейтронов: они жилине
дольше 0,6 секунды.
Это внушает теоретикам надежду: нейтронная оболочка в ядре всегда
более сильная, чем протонная, и она определяет многие свойства
ядра. Из-за этого есть основания полагать, что, благодаря
увеличению числа нейтронов, 114-й, 115-й, 116-ймогут жить до двух
лет. Однако пока нет возможности проверить это экспериментально.
Кроме того, есть основания полагать, что 126-й элементокажется
дважды магическим, поскольку как его число протонов (126), так и
возможное число нейтронов (184) будут соответствовать критерию
заполнения электронных оболочек.Откуда берутся радиоактивные
изотопыМногие радиоактивные изотопы образуются естественным путем в
процессе нуклеосинтеза в звездах, взрывов сверхновых и столкновения
нейтронных звезд. Часть из них можно обнаружить и на Земле: они
оседали на планетепосле выброса в космос звездного вещества. Обычно
эти первичные радиоизотопы имеют настолько длительный период
полураспада, что они стабильны для всех практических целей, и при
распаде они образуют так называемые вторичные радионуклиды.
Например, первичные изотопы тория-232, урана-238 и урана-235 могут
распадаться с образованием вторичных радионуклидов радия, полония и
некоторых других. На Земле существуют также легкие радиоизотопы.
Скажем, углерод-14 является примером космогенного изотопа. Этот
радиоактивный элемент постоянно образуется в атмосфере из-за
космического излучения.Поиски сверхтяжелых элементов в природе пока
не увенчались успехом. Предположение советского ученого Виктора
Викторовича Чердынцева о наличии 108-го элемента, хассия, на
полуострове Челекен в Туркменистане так и не было подтверждено. В
2008 году было объявлено об обнаружении элемента экатория-унбибия
(122) в образцах природного тория, однако это заявление в настоящее
время оспаривается на основании последних попыток воспроизведения
данных с использованием более точных методов. В 2011 году
российские ученые сообщили об открытии в метеоритном веществе
следов столкновений с частицами с атомными числами от 105 до 130,
что может являться косвенным доказательством существования
стабильных сверхтяжелых ядер.Большинство же радиоактивных изотопов
на Земле приходится синтезировать искусственным путем. Для их
создания применяются разные стратегии. Иногда с этой целью
используются ядерные реакторы. Ядерное топливо по мере
использования проходит через минус-бета-распад, и в реакторе
появляется значительное количество свободных нейтронов, которые
могут слиться с еще не распавшимися ядрами топлива и образовать
более тяжелый нуклид. Этот процесс называется нейтронным захватом.
Иридий-192 пример радиоизотопа, который изготавливается таким
образом. Синтез элементов тяжелее плутония происходит на особых
исследовательских реакторах, таких как высокопоточный
исследовательский реактор СМ-3. Однако этот способ оказался
достаточно ограниченным: ядра тяжелее эйнштейния и фермия не
образовывались в атомных реакторах из-за того, что сверхтяжелые
ядра перестают испытывать минус-бета-распад, а количество протонов
в них начинает падать за счет спонтанного деления или
альфа-распада. Поэтому в итоге получаются менее тяжелые
изотопы.Чтобы получать сверхтяжелые ядра, необходимо использовать
ускорители частиц, способные спровоцировать синтез (слияние) двух
атомных ядер разных элементов. В ускорителях заряженные частицы с
помощью магнитных полей разгоняют до высоких энергий и направляют
на мишень, состоящую из вещества с тяжелыми ядрами. При
использовании такого метода перед исследователями встает сложная
задача. С одной стороны, в ходе слияния частиц должен быть
преодолен кулоновский барьер сила взаимного отталкивания двух
положительно заряженных ядер. С другой образовавшееся ядро не
должно иметь слишком большую энергию, чтобы оно сразу же не
разрушилось под ее воздействием.На ранних этапах в роли ускоряемых
частиц выступали ядра легких элементов (альфа-частицы, углерод,
азот и другие), а мишень изготавливалась из какого-то изначально
тяжелого элемента, к примеруиз калифорния или берклия. Затем был
предложен метод холодного синтеза, то есть использования таких
реакций, при которых в качестве мишени использовался свинец-208 или
висмут-209, и с ними сталкивали уже более тяжелые ядра: титан-50,
ванадий-51, железо-58, никель-62, никель-64, цинк-70 и селен-82.
При этом и мишень, и разгоняемое ядро должны иметь магическое
количество нуклонов. Этот метод был впервые предложенЮрием
Цолаковичем Оганесяном в 1974 году, но был реализован сначала в
Германии, Дармштадте. Образующееся в реакции холодного синтеза ядро
нагрето слабо и охлаждается в результате испускания одного или пары
нейтронов и нескольких гамма-квантов. Если мишень поразить большей
энергией, то она сразу развалится. Если же подобрать оптимальный
объем энергии для слияния двух очень стабильных ядер, то можно
преодолеть кулоновский барьер, и при этом в новообразованном ядре
не будет слишком много энергии, и оно не распадется.Однако с
помощью холодного слияния не удалось продвинуться дальше 112-го
элемента, поскольку данный метод имел серьезное ограничение:
образующиеся ядра практически всегда получались с недостатком
нейтронов, в то время как для замыкания оболочки требовалось целых
184. Это не позволяло эффективно продвигаться к предполагаемому
острову стабильности.Затем наступил период горячего слияния тяжелых
элементов. К нему пытались прибегать еще в 1960-е годы в СССР и в
1970-е годы в западных странах, однако тогда ученым не хватало
мощности и точности оборудования. Долгое время считалось, что этот
метод обречен на провал, но в России первые смогли доказать
обратное. Эксперименты по использованию горячего слияния начались в
1999 году. В качестве мишени было решено использовать крайне
тяжелые радиоактивные элементы: уран, нептуний, плутоний, америций
и кюрий. В роли врезающейся частицы решили выбрать изотоп
кальций-48. Он очень редкий, и это значительно усложняет реализацию
горячего синтеза. Однако как элемент он незаменим: у него оказалось
оптимальное соотношение протонов и нейтронов (он дважды магический:
20 протонов и 28 нейтронов), он достаточно мало весит, чтобы
преодолеть кулоновский барьер, и имеет самое большое соотношение
нейтронов к массовому числу среди всех существующих стабильных
изотопов.За десятьлет со 112-го элемента синтезировали
шестьэлементов до 118-го, и на данный момент исследования
приостановились. Тем не менееуже разрабатывается подход, который
может помочь продвинуться дальше. С одной стороны, ученым
понадобится самый тяжелый элемент, который при этомдоступен в
сравнительно больших количествах, наиболее подходящим кандидатом на
эту роль является калифорний. С другой нужно найти подходящий
элемент, которым можно было бы бомбардировать мишень из калифорния.
Однако из-за возрастания кулоновского отталкивания этот синтез на
текущих инструментах в любом случае будет малоэффективен.
Вероятность того, что ядра сольются, крайне мала. Даже на синтез
двух-трехатомов оганесона-294 уходит в среднем 5 месяцев. Отсюда
возникает потребность в новой технике: интенсивность пучков должна
возрасти в 1015 раз, чувствительность детектора необходимо
увеличить с 30до 80%. И даже в таком случае, скорее всего,
экспериментально получится синтезировать не больше двух элементов:
119-й и 120-й.Применение сверхтяжелых элементовУран был известен
еще в конце XVIII века, однако его истинный потенциал для нужд
человечества раскрылся только во второй половине XX века. Это
случилось благодаря возможности экспериментировать с большими
объемами вещества.Изучение сверхтяжелых атомов и ядер сопряжено с
двумя проблемами. Пока не будет изобретен способ получать эти
вещества в больших количествах, не будет возможности
экспериментировать с ними. Даже добравшись до элементов острова
стабильности, при малом количестве получаемого вещества это будет
бессмысленно.Основная область применения, в которой очевидно
пришлись бы к месту сверхтяжелые элементы, это миниатюрные
источники питания, созданные на их основе. Более тяжелым ядрам
свойственен альфа-распад, в ходе которого генерируется больше
энергии, поэтому такие вещества отлично подошли бы для питания
РИТЭГов1 и ядерных батареек. К примеру, возможность запускать в
космос аппараты без необходимости снабжать их большим полноценным
реактором была бы очень кстати.Перспективным может также оказаться
медицинское применение сверхтяжелых элементов. Они могут
использоваться в лучевой терапии3: у альфа-частицы очень короткий
пробег в живых тканях, из-за чего они будут сильно воздействовать
на опухоль, не задевая при этом здоровые ткани. Если в будущем
удастся синтезировать большое количество вещества из сверхтяжелых
атомов, то можно будет упаковывать его в нанокапсулы и доставлять
непосредственно к очагу поражения, борясь с ним точечно.
