Оганесян, оганесон и другие

Как в Дубне синтезируют сверхтяжелые элементы

Академик Юрий Оганесян — научный руководитель Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова. Фото: Юрий Машков / ИТАР-ТАСС

Недавно ИЮПАК официально признал открытие четырех новых элементов таблицы Менделеева с атомными номерами 113, 115, 117 и 118. Три из них синтезировали в Дубне в ОИЯИ. Об истории синтеза сверхтяжелых элементов, его технологии и ноу-хау «Чердак» поговорил с начальником отдела ускорителей Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Борисом Гикалом.

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


— А что же дальше?

— 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!
Теги:

Читать еще на Чердаке: