Международный коллектив физиков-ядерщиков сообщил 1 об успешном синтезе ливермория, 116-го элемента периодической системы, осуществленного посредством обстрела плутониевой мишени разогнанными в ускорителе ионами самого тяжелого из стабильных изотопов титана с массовым числом 50. Хотя синтез этого элемента был выполнен еще в 2000 году в дубненском Объединенном институте ядерных исследований, эксперимент Жаклин Гейтс, сотрудницы отделения ядерной физики Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, и ее коллег из США, Великобритании и Швейцарии стал новым и всего лишь вторым по счету примером успешного использования для бомбардировки мишени ядер элемента тяжелее кальция-48 (первый такой эксперимент был осуществлен осенью 2023 году в Дубне, и о нем рассказано в конце статьи). Использование этого канала запуска ядерных реакций может открыть путь к синтезу новых сверхтяжелых элементов, следующих за полученным в 2002 году 118-м (оганесоном). Новый эксперимент пока что описан только в статье 2 “Towards the Discovery of New Elements: Production of Livermorium (Z = 116) with 50Ti”, выложенной 22 июля в Архиве электронных препринтов. Однако авторы обещают после полного прохождения рецензирования опубликовать свои результаты в одном из научных журналов.
Навстречу трансуранам
Рассказ о новом синтезе 116-го элемента потребует довольно подробного введения.
Принципиальная возможность создания искусственных элементов открылась в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя Энрико Ферми с сотрудниками уже попробовали получить так называемые трансураны — элементы с более высокими атомными номерами, нежели находящийся на 92-м месте уран. Этой цели Ферми решил добиться, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядра урановой мишени захватят один либо два нейтрона, после чего претерпят бета-распады, которые повлекут за собой рождение 93-го или 94-го элементов. Итальянские физики даже объявили об открытии неизвестных источников радиоактивности, которые сочли за нуклиды трансуранов. В 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал предполагаемые трансураны аусонием и гесперием. Однако немецкий химик Ида Ноддак весьма убедительно оспорила эту гипотезу, а вскоре берлинские радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер показали в эксперименте, что обнаруженные нуклиды являются изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на па́ры осколков приблизительно одинаковой массы. Именно так в декабре 1938 года было открыто деление урана, что сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы. Как ни парадоксально, ошибка итальянских физиков приблизила наступление ядерной эры.
В итоге первым синтезированным элементом стал технеций, 43-й насельник периодической системы, предсказанный еще Менделеевым под именем эка-марганца. К слову, это самый легкий элемент, не имеющий стабильных изотопов. Его искали в различных рудах, но безуспешно. В 1937 году эка-марганец был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Радиационной лаборатории физического факультета Калифорнийского университета в Беркли (сейчас это упомянутая во введении Национальная лаборатория имени Лоуренса). Так что первый искусственный элемент отнюдь не был трансураном.
Успехи легких облучателей
К настоящему времени известно 26 трансуранов. Элементы с номерами от 93 до 103 с точки зрения химии принадлежат ряду актинидов, а элементы с номерами от 104 до 118 — это трансактиниды, точнее трансактиноиды. Их также называют сверхтяжелыми, поскольку само их существование не укладывается в капельную модель ядра, развитую Нильсом Бором и Джоном Уилером во второй половине 1930-х годов и, конечно, с тех пор давно устаревшую. Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами или альфа-частицами.
Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Абельсон, которые весной 1940 года синтезировали нептуний-239. В их эксперименте он возникал в результате бета-распада урана-239, ядра которого рождались после захвата медленных нейтронов ураном-238. Изотопы нептуния с атомным весом 238 и выше претерпевают бета-распад, в ходе которого появляется 94-й элемент, плутоний. Исследователи под руководством 28-летнего радиохимика Гленна Сиборга впервые обнаружили этот элемент при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне в Беркли в начале 1941 года. Макмиллан к тому времени покинул этот университет, предпочтя ему Массачусетский технологический институт, где занялся радиолокаторами, однако перед отъездом оставил в наследство Сиборгу программу поиска новых трансуранов. Вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о его получении и свойствах были строго засекречены. Статья Макмиллана и Сиборга (которые за свои открытия разделили Нобелевскую премию 1951 года), а также их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.
Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из той же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри. Тем самым была заложена традиция наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.
Вошедший в историю ядерной физики и химии 60-дюймовый циклотрон в Беркли стал местом сотворения еще трех элементов: 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения — берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний — двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк» с оболочкой из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию новых элементов. 101-й элемент, менделевий (первый, названный в честь русского ученого), был получен в начале 1955 года, когда Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли бомбардировке альфа-частицами около миллиарда (больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 триллионов альфа-частиц в секунду!), было получено лишь 17 атомов менделевия — при этом удалось установить их радиационные и химические свойства. Этот эксперимент стал истинным триумфом Сиборга и его сотрудников.
Атаки тяжелых ионов
Получение менделевия оказалось последним синтезом трансуранов с помощью нейтронов либо частиц, содержащих пару нейтронов и один или два протона. Для того, чтобы и дальше идти этим путем, требовались мишени из фермия, которые было невозможно изготовить. Поэтому в качестве снарядов физики стали использовать ионизированные атомы, чьи ядра содержали более двух протонов (именно их и принято называть тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300, — в лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960 году. Через несколько лет в Дубне заработали более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один замечательный ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) в конце 1975 года был запущен в немецком Центре по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца (ныне это Институт тяжелых ионов), расположенном в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.
Новые элементы с самыми большими атомными номерами получают на ускорителях тяжелых ионов, обстреливая мишени из свинца, висмута, урана или более легких трансуранов. В ходе таких бомбардировок возникают сильно возбужденные ядра, которые либо разваливаются на осколки, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испарения нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают другие превращения, например альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики сотворили один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне), названного нихонием в честь Страны восходящего солнца. При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов — от трех до пяти. Таким путем в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, названный в честь Гленна Сиборга). В Дубне горячим синтезом получили шесть самых массивных сверхтяжеловесов — от уже упоминавшегося 113-го до 118-го (точности ради отмечу, что синтез с кальцием-48 также называют теплым, но это уже информация для специалистов). Их имена со временем утвердил Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC).
118-й элемент сперва именовался уноноктием (временное систематическое название на латыни, которые дается новосинтезированным или пока еще не синтезированным химическим элементам), но в 2016 году он был назван оганесоном в честь академика РАН Юрия Цолаковича Оганесяна. Дубненская команда под его руководством работала совместно с группой из Ливерморской национальной лаборатории, возглавляемой Кентоном Муди, учеником Сиборга. Об этом не грех вспомнить сейчас, когда американские власти полностью свернули научное сотрудничество с Россией по чисто политическим причинам.
Оганесон в таблице Менделеева расположен под радоном и потому может быть благородным газом. Однако дубненским физикам и их коллегам из США удалось достоверно идентифицировать лишь три атома 118-го, и его химические свойства еще не выяснены. В 2002 году был получен один атом его изотопа с массовым числом 294 (118 протонов и 176 нейтронов), в 2005-м — еще два. Жили они недолго, около миллисекунды. Их произвели на свет посредством бомбардировки мишени из калифорния-249 (98 протонов и 151 нейтрон) ионами чрезвычайно редкого и очень слабо радиоактивного тяжелого изотопа кальция с атомным весом 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1·1019, так что производительность дубненского «уноноктиевого генератора» была крайне мала. Тем не менее объявленные результаты считаются вполне надежными, вероятность ошибки не превышает тысячной доли процента. Еще один атом оганесона был получен в Дубне в 2012 году. Сейчас понятно, что оганесон закрывает седьмой период менделеевской таблицы, а следующие два элемента будут принадлежать восьмому периоду, который вообще пока еще не открыт в эксперименте.
Ядра оганесона-294 претерпевают серию альфа-распадов и последовательно превращаются в изотопы 116-го, 114-го и 112-го элементов. Последний, коперниций, делится на тяжелые осколки примерно одинаковой массы.
Эпопея 117-го
Элемент 117 в 2016 году был назван теннессином в честь американского штата Теннесси. В таблице Менделеева он стоит перед оганесоном, но был получен восемью годами позже. Первое сообщение о его синтезе было отправлено в Physical Review Letters 15 марта 2010 года и опубликовано 5 апреля. Он был рожден всё на той же замечательной машине У-400, где, как и раньше, разгоняли ионы кальция-48. Мишень была изготовлена из берклия-249, синтезированного в Ок-Риджской национальной лаборатории в США и доставленного в Дубну. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные нуклиды с атомным весом 297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, которые ожидала неодинаковая судьба. Пять из них испарили по четыре нейтрона и превратились в теннессин-293. Одно ядро пожертвовало тремя нейтронами и дало начало теннессину-294.
В сравнении с оганесоном теннессин оказался настоящим мафусаилом. Период полураспада его более легкого изотопа равен 22 миллисекундам, а более тяжелого — скорее всего свыше 50 мс (правда, пока он измерен с большим разбросом возможных значений (51+41–16 мс). Этот результат очень важен. Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально — это 2, 8, 20 и 28.
Современная теория ядра располагает многочисленными моделями ядерных оболочек, которые позволяют вычислить магические числа сверхтяжелых ядер — правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева — минуты, часы, а то и годы. Самые большие надежды возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром. Напомню, что продолжительность жизни теннессина со 177 нейтронами в два с лишним раза дольше, чем со 176. Это вполне соответствует ожиданиям теоретиков.
В 2012 году дубненские физики получили еще пять атомов теннессина-293, позже — несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомный вес 294.
В Дармштадте с 2017 года строится исследовательский комплекс FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), запуск которого намечен на 2025 год. Пока что этот проект осуществляется в соответствии с планами. В частности, 2 августа этого года в прорытом на 17-метровой глубине кольцевом туннеле длиной 1,1 км, предназначенном для главного ускорителя комплекса SIS100, начата установка трехтонных сверхпроводящих магнитов. Этот синхротрон новой конструкции будет разгонять протоны и ионы различных элементов — от самых легких до урана — вплоть до 99% скорости света (максимальная энергия протонов составит 29 ГэВ, ионов урана — 10 ГэВ). Часть релятивистских протонов будет использована для получения антипротонов, что отражено в названии комплекса. На SIS100 предполагается осуществить множество очень интересных экспериментов, однако они не включают рождение 119-го и 120-го элементов. Для этой цели там же сооружается сверхпроводящий линейный ускоритель, который запланирован к запуску в 2029 году. Нельзя не отметить, что сверхпроводящие диполи и квадруполи для SIS100 были заказаны в Дубне и уже изготовлены, но пока не поставлены из-за отказа немецкой стороны сотрудничать с российскими физиками. Предоставляю читателям решить, кто на этом больше теряет.
Аналогичные проекты реализуются и в Дубне, где с 2019 года действует новый циклотрон ДЦ-280, входящий в состав запущенной в том же году Фабрики сверхтяжелых элементов. Осенью 2023 года там был осуществлен синтез ливермория-288 в реакциях по столкновению ядер хрома-54 с ураном-238, который и стал первым примером успешного использования ионов элемента тяжелее кальция в процессе получения сверхтяжелых элементов «верхнего» уровня. Одной из целей Фабрики СТЭ заявлено получение высокоинтенсивных пучков ионов титана и хрома для применения в экспериментах по синтезу 119-го и 120-го элементов.
Элемент номер 119 вот уже несколько лет пытаются изготовить в Японии, бомбардируя мишени из кюрия ионами ванадия — правда, пока безрезультатно. Но всё же специалисты надеются, что даже сотворение 126-го элемента со 184 нейтронами станет реальностью в не слишком далеком будущем (тем более, что усилия в этом направлении предпринимаются и в Китае). Оправдаются ли эти прогнозы, покажет время.
Эксперимент в Беркли
Теперь наконец вернемся к только что обнародованным результатам физиков из команды Жаклин Гейтс. Как уже говорилось, они получили пару ядер ливермория, обстреливая мишень из плутония-244 ионами титана-50. Этот эксперимент был выполнен на 88-дюймовом циклотроне Лаборатории имени Лоуренса. Эта 300-тонная машина была запущена в декабре 1961 года и с тех пор не раз модернизировалась. Она разгоняет как протоны (до 60 МэВ), дейтроны (до 65 МэВ) и ионы гелия-3 и гелия-4, так и тяжелые ионы вплоть до урана.
Теперь еще немного истории. Сверхтяжелые элементы с номерами в диапазоне от 104 (резерфордий) до 113 (нихоний) были получены с помощью различных ядерных снарядов, включая титан-50, ванадий-51, хром-54 и цинк-70, которые бомбардировали мишени из актинидов, свинца и висмута. Как уже говорилось, следующие пять элементов от флеровия до оганесона были добавлены к периодической системе физиками из команды академика Оганесяна. Они работали с мишенями от урана до калифорния, которые обрабатывались пучками кальция-48. Однако этот замечательный метод дошел до границ своей применимости. Для синтеза 119-го и 120-го элементов посредством кальциевой бомбардировки нужны мишени из эйнштейния или фермия, которые пока что отсутствуют из-за невозможности синтезировать достаточные количества этих элементов. К счастью, вычисления сечений релевантных ядерных реакций на основе целого ряда теоретических моделей указывают на перспективность замены кальция-48 на титан-50. Именно это и сделали Жаклин Гейтс и ее коллеги. В их эксперименте, выполненном нынешней весной, мощность пучка ионов титана, разогнанных до энергии 283 МэВ, составила около шести триллионов частиц в секунду, а суммарное время бомбардировки мишеней из плутония-244 немного превысило 22 дня. Экспериментаторы наблюдали две цепочки распада ядер ливермория-290. В обоих случаях эти ядра испускали альфа-частицы и превращались в ядра флеровия-286, которые тоже теряли по одной альфа-частице и давали начало коперницию-282. Так что синтез ливермория из плутония с помощью титановых снарядов прошел удачно. Это дает надежду на получение таким способом заветных элементов с номерами 119 и 120.
Исторической точности ради отмечу, что ученые из Дармштадта предложили такой же эксперимент еще в 2017 году. Однако не получили на него разрешения — международный совет по оценке исследовательских проектов PAC (Program Advisory Committee) отклонил их заявку из-за недостатка пучкового времени. А вот в Беркли, как видим, оно нашлось.
Конечно, это только начало. В 2025 году физики из Лаборатории имени Лоуренса планируют провести бомбардировку пучками титановых ионов мишеней из калифорния. Напомню, что менее года назад в Дубне получили другой изотоп ливермория с атомным весом 288 с помощью пучка еще более массивных ионов хрома-54, направленных на мишени из урана. Есть сведения, что там же запланированы эксперименты с обстрелом ионами хрома мишеней из кюрия, что тоже может увеличить список сверхтяжелых элементов. О японских экспериментах с кюриевыми мишенями, бомбардируемыми ванадием, я уже упомянул.
В общем, процесс пошел, и его начало оказалось весьма интересным. А дальше, как говорится, будем посмотреть.
Алексей Левин
1 nature.com/articles/d41586-024-02416-3
2 arxiv.org/abs/2407.16079 (представлено в Physical Review Letters).
Загрузка...
Интересная заметка об эксперименте, чем-то напоминающем поиск бозона Хиггса в БАКе. Схожесть в уникальности почти всего — технических средств, программных продуктов, алгоритмов обработки результатов…
Пучком ионов титана с интенсивностью 6 трлн ионов в секунду почти месяц облучали мишень — микронную титановую фольгу с электроосажденным слоем плутония-244, — и из миллиардов частиц сложной смеси продуктов облучения за мишенью вылавливали несколько ядер ливермория.
Воспроизвести в точности такой эксперимент почти невозможно никакой другой лаборатории.
Хорошо было в эпоху Вильгельма Рентгена и Дж.Дж. Томсона, — их нобелевские эксперименты можно было повторить, проверить даже в школьных физлабораториях того времени.
Любопытно, — на групповой фотографии мужчина в очках и с бородой — ну прям вылитый академик Игорь Петрянов-Соколов.
Удивляет тату на руках руководителя и ближайшего её сотрудника — ведь вроде культурные люди.