За столетие понимание модели атома и его ядра изменилось от кекса с
электронами до нейтрон-протонной картины и уточнения не только
формы, но и структуры атома, происходящих внутри процессов. О том,
как изучали ядро атома и что там еще можно исследовать, чем эти
научные открытия ценны для астрофизики и могут ли они быть полезны
в быту, ПостНауке рассказал физик Леонид Григоренко.Это материал из
гида Атомы науки, приуроченного к 75-летию атомной промышленности.
Партнер гида Росатом.Новое понимание атома и ядраСо времен
Аристотеля до конца XIX века в науке главенствовала концепция
причинности: у каждого события обязательно есть причина в
предшествующих событиях, и связь их описывается научными законами.
В 18951896 году французский физик Антуан Анри Беккерель, работая с
солями урана, открыл явление спонтанной радиоактивности.1Ключевым
здесь является слово спонтанной, которое идет вразрез с концепцией
классической причинности. Крайне трудно было представить себе
каждый атом в виде микроскопического часового механизма, миллиарды
лет (а именно4,5 миллиарда лет время полураспада природного
урана)отсчитывающеговремя, чтобы в правильныймомент запустить
процесс распада. Открытие спонтанной радиоактивности стало одной из
важнейших вех, приведших к формированию квантовой механики,
вероятностной в самой своей природе, и к совершенно другой
парадигме естествознания. Причинность осталась основой физики, но
для микромирауже не в классическом, а в квантовом виде.В 1899 году
британец Эрнест Резерфорд1 показал, что радиоактивность солей урана
имеет три разновидности, которые он, недолго думая, назвал по
первым буквам греческого алфавита: альфа-, бета- и гамма-излучение.
Альфа-частицы положительно заряжены (это ядра гелия), бета-частицы
отрицательно (это электроны), а гамма-лучи электронейтральны (это
гамма-кванты или высокоэнергетические фотоны). По иронии
судьбыпроисхождение этих трех типов радиоактивности связано, как мы
теперь понимаем, с тремя крупнейшими доменами физического
естествознания: альфа-распад происходит за счет сильного
взаимодействия, бета-распад за счет слабого, а гамма-распад
электромагнитного. Четвертый глобальный домен гравитация
оказывается важен для микромира только в самые первые моменты
существования Вселенной.Сильная радиоактивность альфа-распад дала в
руки исследователей инструмент, которым материю можно исследовать
на субатомном уровне. Альфа-частицы естественного происхождения
были достаточно тяжелыми и энергичными снарядами, чтобы проникать
глубоко внутрь атома. Благодаря этому в 1911 году произошло
рождение ядерной физики. До этого момента представления о структуре
атома были самые смутные. Например, в модели атома, предложенной
английским физиком Джозефом Томсоном в 1904 году, атом выглядит как
кексс изюмом, где изюм это электроны, а сам кекс распределенный
вокруг них объем положительного заряда. Резерфорд придумал, как
можно уточнить структуру атома, базовая идея его опыта остается
стандартной для большинства ускорительных экспериментов по сей
день.4Он взял радиоактивный источник альфа-частиц и создал узкий
поток частиц с помощью коллиматоров свинцовых пластин с прорезями,
отсекающих лишние частицы. Ожидалось, что альфа-частицы будут
незначительно отклоняться, проходя через мишень,золотую пластинку,
ипо картине этого отклонения можно будет установить распределение
заряда в атоме. Вразрез с ожиданиями некоторые альфа-частицы очень
сильно отклонились от изначальной траектории, а некоторые даже
полетели назад. По словам самого Резерфорда, эффект был такой, как
если бы вы выстрелили из револьвера в подушку, но вместо дырки в
ней и перьев во все стороныполучили бы пулю, отразившуюся назад.
Стало очевидно, что атом не рыхлыйи кроме легких электронов в нем
был очень тяжелый и очень компактный, положительно заряженный
объект ядро. Когда альфа-частицы врезались прямо в него, то сильно
меняли направление полета.Так появилась планетарная модель атома
Резерфорда: по аналогии с Солнечной системой в ней вокруг тяжелого
ядра обращались легкие электроны. Атом оказался очень пустынным
местом: если представить протон ядро легчайшего атома водорода
спичечной головкой, стоящей в середине футбольного поля, электрон
будет летать где-то возле трибун; если протон будет Солнцем, то
орбита электрона будет за афелием Плутона. Планетарная модель атома
на долгие годы стала камнем преткновения в физике. Классическая
электродинамика утверждала, что отрицательно заряженный электрон,
двигаясь по орбите, а значит, с ускорением, должен излучать
электромагнитные волны терять энергию. Орбита будет постепенно
уменьшать радиус, пока электрон не упадет на ядро. При этом размер
атома должен был бы уменьшиться в 100 000 раз. Эта загадка привела
физиков к квантованию Бора, а затем и к уравнению Шрёдингера, то
есть кустановлению квантовой картины микромира.В 1931 году
англичанин Джеймс Чедвик открыл нейтрон, что окончательно
установило нейтрон-протонную картину ядра. А в 1936 году Юджин
Вигнер выдвинул концепцию спин-изоспиновой (изотопической)
симметрии, в которой нейтрон и протон являются различными
квантовыми состояниями одной частицы нуклона. Сильное
взаимодействие (иногда как синоним используют ядерное
взаимодействие), связывающее нуклоны в ядра, их не различает. А вот
электромагнитное различает: протон положительно заряженная частица,
нейтрон нейтральная. Кардинальное отличие сильного взаимодействия
от электромагнитного заключается в том, чтопервое гораздо сильнее,
но только на очень малых расстояниях. Нуклоны перестают
взаимодействовать сильно на расстоянии в единицы (и лишь в особых
случаях в десятки) Ферми.3От таблицы Менделеева к карте
нуклидовОсновным документом химической науки является таблица
Менделеева. Она визуализирует периодический закон Менделеева:
химические свойства элементов зависят только от заряда ядра атома и
периодически меняются с ростом заряда. В квантово-механической
картине мира периодический закон отражает две вещи:принцип Паули (в
одном квантово-механическом состоянии только один электрон) и
систематику квантовых орбиталей кулоновского потенциала.В небесной
механике планеты в гравитационном потенциале центрального светила
движутся по всевозможным эллиптическим орбитам. Притяжение
электрона к ядру описывается по форме точно таким же кулоновским
потенциалом.3Однако в микромире на смену различным эллиптическим
орбитам приходят квантово-механические орбитали, то есть трехмерные
стоячие волны электронов в кулоновском потенциале. Принцип Паули
говорит нам, что на каждой орбитали может находиться по два
электрона один со спином вверх, а другой со спином вниз,так что в
каждой квантовой ячейкебудет только одна частица. Периодическое
возвращение химических свойств к инертности для 2, 10, 18, 36, 56 и
так далее протонов в ядре определяется заполнением под
завязкунаборов орбиталей числом электронов, равным неким
комбинациямиз квантово-механических магическихчисел 2, 6, 10, 14 и
так далее.Ядерная физика вносит маленькую поправку к периодическому
закону. У каждого элемента в таблице Менделеева есть изотопы ядра,
имеющие тот же заряд (то же число протонов в ядре), но разную массу
(разное число нейтронов). И химические свойства изотопов чуть-чуть,
но различаются. То есть школьная формулировка периодического закона
чуть-чуть, но неточная. Фредерик Содди, открывший изотопы в 1912
году, сделал это химическими средствами.В ядерной физике основной
документ и аналог таблицы Менделеева карта нуклидов. Она
располагается на плоскости, где по двум осям отсчитывается
количество нейтронов N и количество протонов Z. Нуклиды это
попросту ядра разных изотопов, определяемые числом протонов Z и
числом нейтронов N, полным числом нуклонов A=Z+N. Физиков-ядерщиков
чаще всего не интересуют электроны оболочки атома:они слишком
легкие и в большинстве ситуаций незначительные, поэтому было
введено отдельное название для ядер изотопов.Если в таблице
Менделеева систематика определяется заполнением квантовых оболочек
электронами, то в мире ядер два типа частиц нейтроны и
протоны,каждый из которых может заполнять свой отдельный набор
ядерных орбиталей. То есть ядерный аналог таблицы Менделеева имеет
удвоенноечисло измерений. Периодическое изменение свойств нуклидов
наблюдается по обеим осям N и Z. Магические числа здесь тоже совсем
другие, чем в атомной физике (N или Z = 2, 8, 20, 28, 50...), и
неспроста: нуклонные орбитали строятся в совсем других потенциалах,
чем атомные. Эти потенциалы совсем непохожи на атомные кулоновские
потенциалы и напоминают осцилляторные.
Что можно найти на карте нуклидов? По диагонали черным цветом
проходит зона стабильных ядер, или долина стабильности. Это один из
важнейших элементов ядерного ландшафта. Там находятся изотопы,
которые живут вечно или очень долго. Абсолютно стабильных изотопов,
живущих вечно, всего 256, и почти наверняка больше уже не станет
(однако оговорка: ученые все-таки ищут метастабильные сверхтяжелые
элементы в природе а вдруг?). В природе встречаются 339 изотопов.
Часть из них живет достаточно долго, чтобы прийти из протогазового
облака туманности, где из газа и пыли рождались планеты Солнечной
системы. Часть природных нестабильных изотопов появилась уже
позже:они либо явились продуктами радиоактивного распада того, что
есть на Земле, либо рождаются высоко в атмосфере под воздействием
высокоэнергетических космических лучей.Ядерное взаимодействие
любит, чтобы нейтронов было ровно столько, сколько протонов. Это
явление получило выражение в концепции симметрии ядерной материи.
Простейшее ее проявление дейтрон (ядро изотопа водорода-2),
состоящий из одного нейтрона и одного протона. Для легких ядер эта
симметрия выполняется очень хорошо, то есть долина стабильности
проходит строго по линии N=Z (количество нейтронов равно числу
протонов). Для тяжелых ядер кулоновское взаимодействие нарушает эту
симметрию, и становится энергетически выгодно иметь в ядре больше
нейтронов, чем протонов. Долина стабильности здесь наклоняется
вправо, и последним абсолютно стабильным изотопом оказывается
свинец-208 с N=126 и Z=82.Долгоживущие нуклиды долины стабильности
это лишь незначительная часть известных сегодня нуклидов. Ядерная
физика уже имеет в активе примерно 3300 открытых изотопов, и каждый
год открываются десятки новых. Это изотопы радиоактивные, но
ядерно-стабильные. Они нестабильны относительно слабого
взаимодействия, то есть испытывают бета-распад и живут обычно от
10100 мс до 110 с, постепенно cкатываяськ середине долины
стабильности, к элементам на черной линии.
Откуда взялось название долина стабильности? Если построить график
полной энергии этих ядер, то для фиксированного числа нуклонов A =
N+Z у него будет параболический вид, напоминающий ущелье, куда со
склонов параболы нестабильные относительно слабого взаимодействия
элементы, распадаясь, скатываются в долину стабильности. А что
произойдет,если мы будем увеличивать только число нейтронов или
только число протонов? Асимметричность нашего ядра будет
возрастать, сильное взаимодействие ослабевать, и в какой-то момент
оно не сможет удержать очередной нуклон мы достигнем границы
стабильности. Нуклиды станут ядерно нестабильны. Это очень важный
перелом: ядерно нестабильные системы живут обычно ядерные времена,
а это примерно 10-21 секунды. С точки зрения ядерной физики нуклид,
испытывающий бета-распад за 1 миллисекунду, живет вечность: его
время жизни в сравнении с типичным ядерным временем гораздо дольше,
чем время жизни Вселенной в сравнении с 1 секундой.Справа на карте
нуклидов урановый остров, отделенный от основного массива ядер
проливом из короткоживущих нуклидов. Еще дальше находится остров
стабильности сверхтяжелых элементов. Здесь проходит фронт борьбы за
расширение таблицы Менделеева: тяжелейший элемент сегодня оганесон
с Z=118. Теоретики ожидают, что вплоть до Z=120 будут существовать
достаточно долгоживущие нуклиды.
Теория сильного взаимодействия и после 80 лет интенсивных
исследований остается недостаточно точной. Но по разным
теоретическим оценкам еще предстоит открыть 20003000 ядерно
стабильных нуклидов. То есть сегодня карта нуклидов исследована
чуть более чем наполовину. Российские ученые не последние игроки на
этом поле: на трехиз пятипоследних открытых элементах стоит
отечественное клеймо флеровии (Z=114), московии (Z=115) и оганесоне
(Z=118); из пятидесятиоткрытых в 2018 году изотопов триимеют первую
русскую фамилию на публикации Олег Тарасов и Иван Муха; из
шестиоткрытых в 2019 году один(Дарья Костылева).Ядра: обычныеи
экзотическиеС самых первых экспериментов по ядерной физике еще во
времена Резерфорда стоял вопрос о том, что же такое атомное
ядро:газ, жидкость или твердое тело? Когда ученым удалось измерить
его радиус, оказалось, что он меняется по отношению к массе ядра по
закону ~A1/3, то есть как у шара с фиксированной плотностью.
Ядерное вещество оказалось ужасно мало сжимаемым, а значит, выбор
пал на жидкость или твердое тело. В 1936 году датский физик Нильс
Бор предложил капельную модель ядра, где ядро представлено как
капля несжимаемой заряженной жидкости. Капельная модель, несмотря
на свою простоту, мгновенно дала качественное понимание важнейших
явлений систематики масс ядер (формула Бете Вайцзеккера, 1935 год)
и способноститяжелых ядер кделению (Ган и Штрассман, 1938 год).
Второе особенно просто для понимания: если мы будем заряжать
капельку воды, то она сначала деформируется, а помере роста заряда
просто разорвется на две части электростатическим отталкиванием.
В целом представление о ядре как о капле ядерного вещества неплохо
работало в долине стабильности и неподалеку. Естественно,
теоретические модели ядерной структуры получили значительное
развитие и внесли в это видение поправки, связанные, скажем, с
ядерными квантово-механическими оболочками или нуклон-нуклонными
корреляциями сверхпроводящего типа. Однако по мере развития
эксперимента оказалось, что еще есть над чем работать и что далеко
не все проблемы разрешены. К началу 1990-х годов получила развитие
технология пучков радиоактивных изотопов, позволившая более
детально исследовать все большее количество нуклидов, лежащих все
дальше от долины стабильности. И здесь начала накапливаться
информация о ядрах с экзотическими свойствами.
Начала активно проявляться кластеризация существование ядерных
состояний, представляющих собой не каплю, а как бы молекулуиз
нескольких ядер. Были экспериментально открыты ядра с нуклонным
гало планетарныеядерные системы, где вокруг плотного корана большом
расстоянии летают один или несколько валентныхнуклонов-планет. На
границе стабильности возникает невозможное в классической физике
борромиевскоесвойство гало ядер:если мы оторвем от системы один
нуклон, то обязательно отвалятся еще один или несколько. Появились
ядра с сильной и даже гипердеформацией, приобретающиеразличные
несферические формы. Начали ломаться систематики ядерных
оболочек:исчезать уже известные оболочки и появляться новые.
БылаоткрытапредсказаннаяЗельдовичем и Гольданским в 1960 году
протонная, а позже и двухпротонная радиоактивность. Стало ясно, что
могут быть и еще более экзотические формы радиоактивных распадов,
такие как двухнейтронная и четырехнейтронная радиоактивность.В
19601970-х годах временами казалось, что ядерная физика это
достаточно унылая наука, где все более-менее понятно. С развитием
экспериментальных возможностей изучать большие массивы
радиоактивных ядер и с пониманием существования их порой
экзотических свойств стало ясно, что работы впереди еще непочатый
край.Нуклеосинтез: от первых элементов до взрыва сверхновыхОткуда
взялись все элементы на Земле и в Солнечной системе? Это вопрос,
возможно, не самый животрепещущий в повседневной жизни, но имеющий
огромное фундаментальное значение. Ответ на него сразу же будет
означать, что мы хорошо понимаем все те процессы, которые привели
нас туда, где мы находимся,то есть хорошо понимаем глобальную
эволюцию Вселенной, звезд и галактик. Во Вселенной масса
увлекательных мест, куда очень трудно дотянуться наблюдательной
астрономии. О многих вещах мы можем судить только по продуктам
взрывных процессови лишь используя know-how ядерной
астрофизики.Итак, нуклеосинтез, то есть формирование тяжелых ядер
из нуклонов и более легких ядер.На фоне остывания Вселенной после
Большого взрыва сначала образовались нейтроны и протоны из
кварк-глюонной плазмы. Дальше пошел первичный(дозвездный)
нуклеосинтез. Первичный нуклеосинтез, прямо скажем, не задался: в
приличных количествах образовались изотопы водорода и гелия, а вот
более тяжелых элементов,даже лития и бериллия, в совсем ничтожных.
Основные причины в том, что во Вселенной к этому моменту было
слишком пусто, а остывала она слишком быстро. Ядерные
реакции,1ведущие к созданию более тяжелых ядер, протекают слишком
медленно. Ядерная физика устроила на пути синтеза ядер ряд ловушек:
чередование в реакциях синтеза сильных, слабых и электромагнитных
процессов (слабые протекают очень медленно), массовые зазоры А=5 и
А=8, точки ожидания быстрых процессов.
Пример базовой ядерной реакции, идущей в звездах, протон-протонный
цикл, в котором водород перегораетв гелий. На первом шаге протоны,
обладающие термической скоростью (скажем, в центре Солнца примерно
20 миллионов градусов), при столкновении должны слиться в ядро
дейтерия. Но ядро дейтерия это нейтрон и протон, поэтому во время
слияния один из протонов должен превратиться в нейтрон. Этот
процесс идет за счет слабого взаимодействияи только когда протоны
максимально сблизятся. Поэтому крайне редко столкновение ядер
приводит к успешному синтезу. Избыток энергии при слабом процессе
уносится лептонной парой позитроном и электронным нейтрино.
Нейтрино наверняка покинет Солнце, а вот позитрон аннигилирует с
ближайшим электроном с превращением в гамма-кванты. Дейтерий легко
и быстро захватит еще один протон, образуя гелий-3. Это гораздо
более быстрый процесс, так как он электромагнитный (избыточная
энергия уносится гамма-квантом). Далее два гелия-3 сливаются в один
гелий-4, а энергию уносят два протона. Этот процессочень быстрый,
потому как полностью обеспечивается сильным взаимодействием:в нем
не участвуют ни лептоны, ни фотоны, только сильно взаимодействующие
частицы. Таким образом скорость протон-протонного цикла
определяется самым медленным первым шагом, имы можем только
радоваться этому: звезды горят миллиарды лет именно благодаря этому
бутылочному горлышку нуклеосинтеза.Когда вещество Вселенной начало
собираться в звезды и галактики, возникают предпосылки для
вторичного нуклеосинтеза. Слишком легкие звезды сжигают водород и
превращаются в остывающие белые карлики. Продукты нуклеосинтеза
(химические элементы) при этом остаются внутри звезд. На звездах
потяжелее начнется процесс горения гелия. Они превратятся сначала в
красные гиганты, оставят после себя туманность, насыщенную легкими
продуктами нуклеосинтеза, и опять же белый карлик.Процессы, которые
при этом протекают, носят общее название гидростатического
горения:горение идет медленно, вплоть до миллиардов лет,под
действием больших температур и гравитационного давления глубоко в
недрах звезды. С точки зрения ядерной физики совокупность ядерных
реакций, участвующих в гидростатическом горении, называется
s-процессом (от слова slow). На карте нуклидов s-процесс идет по
хорошо изученным ядрам вблизи долины стабильности. Здесь еще есть
над чем работать ученым-ядерщикам, но по-настоящему серьезных
загадок тут не осталось. S-процесс дает свет и тепло звезд во
Вселенной (вырабатываются углерод, магний, кремний и другие
элементы в разных слояхзвезды, вплоть до железа, которое образуется
в центре), но не может наполнить Вселенную тяжелыми элементами,
которые мы наблюдаем на Земле и планетах в заметных количествах.
Для разрешения загадки наличия тяжелых элементов во Вселенной
требуется рассмотрение процессов взрывного нуклеосинтеза. Они
протекают очень быстро: все занимает от 1 до 10 минут. В ядерной
среде, насыщенной нейтронами, это r-процесс (от слова rapid);
насыщенной протонами rp-процесс (то есть быстрый протонный).
Условия протекания этих процессов воистину чудовищные: температуры
могут достигать десятых долей и даже единиц гигакельвинов, то есть
миллиардов Кельвинов, а нужные плотности от 103 до 1010 г/см3 (у
воды это 1 г/см3, у урана 19 г/см3, а у ядерного вещества 1014
г/см3). Как мы видим, свойства среды, где идет взрывной
нуклеосинтез, могут приближаться к свойствам ядерной материи.
Траектории быстрых процессов нуклеосинтеза на карте нуклидов резко
отличаются от траектории медленных процессов: они проходят вдалеке
от долины стабильности, почти вдоль границ нейтронной и протонной
стабильности.Основные места протекания взрывного нуклеосинтеза
связаны с массивными объектами во Вселенной. Тяжелые звезды более
812 солнечных масс не заканчивают мирно свою жизнь белым карликом:
они проходят через стадии красного сверхгиганта и голубого
сверхгиганта. Ядерное топливо в центре звезды очень быстро выгорает
не за миллиарды, а всего за миллионы и десятки миллионов лет.
Гидростатическое горение останавливается в основном на железе и
никеле.По мере остывания ядра такой звезды давление растет, и
отталкивание между атомами перестает справляться с давлением.
Внешние электронные оболочки атомов сминаются электроны переходят в
состояние электронного газа. Электронный газ гораздо дольше может
противодействовать росту давления. Это происходит за счет принципа
Паули:в одной квантово-механической ячейке пространства (на самом
деле фазового пространства) может находиться только один электрон.
На последнем этапе сжатия образуется вырожденный электронный газ
все квантовые ячейки заняты. Дальнейшее сжатие возможно, только
если исчезнут сами электроны. Если гравитация пересиливает давление
вырожденного электронного газа, то электроны вминаются в протоны
ядер, и вместо ядер образуется нейтронное вещество, объем
которогодолжен занимать вырожденный нейтронный газ,примерно в 107
раз меньше, чем для электронного. Происходит гравитационный
коллапс:центральная часть звезды падает на центр с образованием
нейтронной звезды, а расходящаяся ударная волна срывает внешние
оболочки звезды и на очень короткое время создает условия для
взрывного нуклеосинтеза (rp-процесс). Мы видим этот процесс как
взрыв сверхновой с образованием газовой туманности, насыщенной
продуктами нуклеосинтеза.Если нейтронная звезда получит возможность
аккрецировать (собирать) вещество извне (обычно рассматривается
ситуация аккреции в двойной системе нейтронная звезда красный
гигант), то через некоторое время гравитация сможет продавить и
давление вырожденного нейтронного газа. Последует гравитационный
коллапс с образованием черной дыры, а расходящаяся ударная волна
вынесет в космос продукты нуклеосинтеза (r-процесс), протекающего в
нейтронном веществе внешних оболочек нейтронной звезды. По
сегодняшним представлениям основная часть элементов тяжелее
железа,таких как стронций, золото, уран,была рассеяна по Вселенной
именно в результате протекания r-процесса в таких и аналогичных
условиях.В ядерной астрофизике есть и менее катастрофические
сценарии для взрывного нуклеосинтеза. Например, детонация
аккреционного водорода на поверхности белых карликов и нейтронных
звезд. Предполагается, что этим объясняются гамма-всплески. Если
взрыв сверхновой это эпическое событие, усиливающее светимость всей
галактики, то гамма-всплески это космическая рутина.
Гамма-телескопы регистрируют их поблизостиот Земли по несколько
штук в день.Есть, однако, и более катастрофический сценарий для
взрывного нуклеосинтеза это столкновение и слияние нейтронных
звезд. Пока они сближаются по спирали, градиенты гравитационного
поля рвут их на части, разбрасывая некоторое количество нейтронного
вещества во все стороны со скоростями, достаточными для того, чтобы
преодолеть силу гравитации. Условия при этом обеспечивают
эффективное протекание r-процесса.Предполагается, что Солнечная
система продукт уже не вторичного, а третичногонуклеосинтеза, то
есть газопылевая туманность, из которой образовались Земля и
планеты, перед этим насыщалась продуктами взрывного нуклеосинтеза
не один раз.Насколько хорошо мы понимаем физику быстрых процессов
нуклеосинтеза? В целом да, в деталях нет. Большинство ядер на пути
rp-процесса слабо изучены, а на пути r-процесса даже не открыты.
Наши представления о взрывном нуклеосинтезе базируются в
значительной части на чисто теоретических оценках. При всем
уважении и любви к теории, опыт подсказывает, что эксперимент очень
часто приводил к фундаментальной корректировке, казалось бы, самых
устойчивых теоретических представлений. Ядерная астрофизика дает
один из ингредиентов нуклеосинтеза процессы горения, но другой
ингредиент сценарии, то есть где и при каких условиях протекало
горение, является тем самым интересным, что мы хотели бы узнать о
Вселенной. Таким образом, одной из важных фундаментальных задач
современной ядерной физики является создание надежной базы для
описания по наблюдаемым в космосе изотопным концентрациям тех
взрывных процессов, которые к ним привели. Если говорить о
перспективах эксперимента в этой области, то даже в новейших
центрах фабриках радиоактивных изотопах, которые еще только
строятся и заработают в этом десятилетии, не будут исследованы все
нуклиды, нужные для полноценного понимания r-процесса. Из
принципиально ожидаемых по теоретическим оценкам 20003000
ядерно-стабильных нуклидов мы получим доступ, может быть, к 1000.
Пионерских задач в этой области хватит на десятилетия.Современная
ядерная физика алхимия XXI векаСинтезировать новые экзотические
ядра очень сложно. Казалось бы,столкни два ядра они слипнутся, и
получится третье, большое. Однакотут нам мешают законы сохранения
энергии и импульса. Если просто столкнуть два ядра, то, вероятнее
всего, они упруго рассеются, то есть поведут себя как два
бильярдных шара:если толкнуть один на другой, они ударятся и
откатятся в стороны. Или рассеются неупруго возбудятся или даже
развалятся: столкнем шары посильнее, и они разобьются.Для реакций
синтеза нужно подобрать условия, когда ядра поведут себя как
пластилин. Тут нужна особая аккуратность. На больших расстояниях
ядра кулоновски отталкиваются, как любые два положительных заряда,
на малых расстояниях ядерно притягиваются. А вот если тщательно
выбрать энергию, чтобы привести их в промежуточную точку с нулевой
скоростью, то они почти замрут на какое-то время. В этой ситуации
резко растет вероятность нескольким нуклонам перейти на другое ядро
(реакции многонуклонной передачи)или высветить избыток энергии
гамма-квантами и нейтронамии слиться (реакции синтеза). Все это
трудно, медленно, но для ряда задач,скажем для синтеза тяжелых и
сверхтяжелых изотопов, другого пути нет и сегодня.Однако к концу
1980-х ядерные физики отработали гораздо более грубые, но
универсальные (то есть пригодные в значительной части
неисследованной карты нуклидов) и производительные методы синтеза
экзотических ядер. Это практически индустриальные методы,поэтому
такие установки получили неофициальное, но популярное название
фабрики радиоактивных изотопов. С тех пор счет новооткрытых
изотопов пошел на десятки в год. Основных способов тут два.Первый
называется ISOL (Isotope Separation On-Line, разделениеизотопов с
постоянным подключением). Для этого берут пористый карбид урана
(тугоплавкий керамический материал, используется в качестве топлива
для ядерных реакторов) и пропускают через него протонный пучок с
энергией примерно в гигаэлектронвольт. Протоны, ударяясь оядра
урана, индуцируют их деление. Результат этого процесса
многочисленныеосколки, среди которых случайно попадается и
некоторое количество очень экзотических ядер. Пучок протонов очень
интенсивный, так что керамическая мишень раскаляется почти до 2000
C. Наработанные экзотические ядра при таких температурах эффективно
испаряются и затем откачиваются в вакуум. Затем, чтобы выделить
интересующий нуклид из массива крайне радиоактивной грязи,
используется селективная лазерная ионизация. Все вместе занимает от
10 до 100 миллисекунд,и для ядерной физики это очень долго. Масса
короткоживущих нуклидов за это время просто распадается и
становится недоступна для изучения.Поэтому очень популярен второй,
быстрый метод получения экзотических ядер In-Flight (разделение в
полете). Берем очень интенсивный релятивистский пучок (частицы в
нем разогнаны до скоростей, сравнимых со скоростью света)
первичныхядер и направляем на фрагментационнуюмишень. Если ядро
пучка задевается за ядро мишени, то оно разбивается вдребезги, а
осколки (фрагменты)продолжают лететь вперед в узком конусе, как
шрапнель. Ионно-оптический прибор, который приготовит нам вторичный
пучок избранных экзотических нуклидов, называется
фрагмент-сепаратор. Это смесь спектрометра и телескопа. Спектрометр
нам нужен для того, чтобы избавиться от первичного пучка и
радиоактивной грязи, а телескоп чтобы сфокусировать разлетающиеся
во все стороны полезные экзотические ядра в одну точку, где с ними
уже можно производить различные измерения (не забываем, что
интересующих нас нуклидов производится очень мало и мы не можем их
терять). Фрагмент-сепаратор приготовит пучок выбранных экзотических
ядер всего за 100200 наносекунд, что позволяет эффективно
исследовать даже очень короткоживущие нуклиды.Современные методы
выделения экзотических радиоактивных ядер исключительно селективны.
Если мы возьмем рекордный эксперимент, ставящий целью синтез нового
очень редкого изотопа, то за 510 дней работы ускорителя на
фрагментационную мишень упадет примерно 10171018 частиц первичного
пучка. Если вспомним число Авогадро (6*1023 моль-1), то это десятки
и даже сотни микрограмм, то есть макроскопическое количество
вещества. А при этом может быть зарегистрировано всего 510 событий
(следов существования) нового нуклида, причем с надежностью,
близкой к абсолютной.Фабрики радиоактивных изотопов в России и
миреИндустриальныеметоды фабрик радиоактивных изотопов требуют
высокоэнергетических и высокоточных (не от слова точность, а от
слова ток) ионных ускорителей. Поэтому ядерно-физические установки
становятся все крупнее, дороже и приближаются по масштабам к
установкам физики высоких энергий. Примерно в конце 1990-х начале
2000-х годов мировые лидеры начали переход к монстроидальным
фабрикам радиоактивных изотопов второго поколения. Первыми
справились японцы: многоступенчатый комплекс ускорителей частицRIBF
(RIKEN RI Beam Factory) работает и постоянно совершенствуется с
2007 года. В GSI (Центр по изучению тяжелых ионов, Германия)
строится FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research)
исследовательский центр ионов и антипротонов. Во Франции на
многоцелевом ускорительном комплексе GANIL строят SPIRAL-2 новый
ускоритель тяжелых ионов. В MSU (УниверситетМичигана) готовится
FRIB (Facility for Rare Isotope Beams) установка для получения
пучков радиоактивных изотопов с замахом на мировое лидерство. Кроме
перечисленных исторически основных игроковКитай и Республика Корея
рвутся присоединиться к мировым лидерам. Они строят крупнейшие
фабрики радиоактивных изотопов: HIAF (High Intensity heavy ion
Accelerator Facility) и RAON (Rare isotope Accelerator complex for
ON-line experiment). Они очень большие: в поперечную длину около
800 метров размер, который сопоставим со стадионом Лужники.А что у
нас? А у нас есть поводы и для печали, и для гордости. Конец 1980-х
начало 1990-х, когда во всем мире отрабатывались технологии фабрик
радиоактивных изотопов, для России были очень непростыми. У нас
этот переход не состоялся, и научная инфраструктура ядерной физики
низких энергий застряла в прошлом. Ситуация выправляется, но
гораздо медленнее, чем хотелось бы.Российская Федерация серьезно
вложилась в немецкий проект FAIR. Однако и сам проект задержался, и
политическая турбулентность последних лет не способствует расцвету
международного сотрудничества. Перспективы эффективного участия
российских ученых в FAIR подвешены уже несколько лет.Не очень
быстро и не очень легко, но начали развиваться домашние проекты.
Запущена в 2019 году фабрика сверхтяжелых элементовв Дубне, в
Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ пусть название лаборатория не
вводит в заблуждение:четыреосновных лаборатории ОИЯИ размером с
большой институт. В области синтеза сверхтяжелых элементов Дубна
признанный мировой лидер. Последние достижения в этой области
элементы со 114-го по 118-й были синтезированы именно здесь и уже в
постсоветское время. Достижение это вполне нобелевского класса, и
лидерство в этой области есть шансы сохранить, развивая этот новый
специализированный комплекс.В 2018 году в Дубне же заработал вполне
современный фрагмент-сепаратор ACCULINNA-2. У него ограниченная
область применения только легчайшие ядра, но в этой области
установка может работать на мировом уровне. Первым делом на ней
взялись за задачу, которую экспериментаторы пытались решить почти
40 лет. В 20182019 годах на ACCULINNA-2 впервые были получены
достоверные результаты по тяжелейшему изотопу водорода водороду-7.
Для этого нуклида соотношение N/Z=6 абсолютный рекорд, и вряд ли
существует в природе более нейтронно-избыточная система.Установка
ИРИНА по производству радиоактивных изотопов ISOL-типа создается на
реакторе ПИК в Гатчине (теперь это подразделение Курчатовского
института). Не только реактор ПИК после выхода на проектные
параметры станет самым мощнымисследовательским реактором в мире, но
и источник радиоактивных изотопов должен стать рекордным в своем
классе. К сожалению, ограничения на научную программу здесь будет
налагать ограниченность места вблизи реакторного зала.
DERICA и перспективы ядерной физики низких энергий в
РоссииПеречисленные выше проекты, развернутые у нас в стране, по
масштабам вложений недотягивают до проектов-лидеров RIBF, FAIR,
SPIRAL-2, FRIB, HIAF, RAON в 10100 раз. К сожалению, в таких
условиях трудно рассчитывать на то, что фундаментальная ядерная
физика низких энергий будет развиваться на передовом мировом
уровне. Вконце концов это не может не сказаться на связанных
прикладных областях:реакторной физике, радиационной и ядерной
медицине, оружейной науке и так далее. Для тогочтобы исправить
положение, нужно развитие проектов по-настоящему мирового
класса.Таким возможным проектом является ускорительно-накопительный
комплекс по исследованиям на пучках радиоактивных изотопов DERICA,
идеи которого прорабатываются сейчас. Схема комплекса достаточно
замысловата и включает три линейных ускорителя и три накопительных
кольца. Такие сложности нужны для того, чтобы иметь достаточно
гибкости и одновременночтобы сделать возможной изюминкойпроекта
изучение столкновения экзотических радиоактивных ионов с
электронами в коллайдере. Идея такого комплекса одна из немногих
незатоптанныхидей в современном ядерном эксперименте. Ее пытались
реализовать трижды в разных проектах, но безуспешно. Оценочная
стоимость проекта относительно невелика в несколько раз ниже
стоимости крупных проектов за рубежом, а возможность иметь
уникальную научную программу в современном мире бесценна.
