Skip to Content

АКАДЕМИК Ю.Ц. ОГАНЕСЯН: «МЫ СДАЛИ ЭКЗАМЕН НА «ОСТРОВ СТАБИЛЬНОСТИ»

Демидовский лауреат Юрий Оганесян, специалист в области экспериментальной ядерной физики, в частности синтеза и исследования свойств новых элементов Периодической таблицы Менделеева, широко известен не только в России, но и во всем мире. В 1989–1997 годах он был директором Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований РАН в Дубне, сейчас — научный руководитель этой лаборатории. Открытие в ОИЯИ целого семейства сверхтяжелых элементов с атомными номерами 114, 115, 116, 117 и 118 стало первым и прямым экспериментальным доказательством существования на карте ядер «Острова стабильности», предсказанного теорией около 50 лет тому назад. В честь Юрия Цолаковича самому тяжелому элементу с атомным номером 118 присвоено название «Оганесон». Мы встретились и поговорили с лауреатом в дни ноябрьского Общего собрания РАН.
— Уважаемый Юрий Цолакович, когда определилось ваше призвание?
— В юности заниматься физикой я не собирался. Я хотел стать художником, а потом архитектором, ходил в художественную школу при Дворце пионеров в Ереване. Там нашу семью застала война — незадолго до ее начала моего отца, инженера-теплотехника, командировали из Ростова-на-Дону, где я родился, в столицу Армении строить каучуковый завод. Тогда в городе было много эвакуированных, и нашими соседями оказались, как потом выяснилось, известный ленинградский художник-иллюстратор Леонид Генч с женой. Ему показали мои рисунки, и он решил со мной позаниматься. На одном из уроков он попросил свою жену почитать вслух «Ревизора», а мне предложил изобразить, не без его помощи, сначала городничего, а на следующих занятиях и других персонажей. «Вот кончится война, опять начнут издавать книги, и выйдет «Ревизор» с иллюстрациями мальчика Юры Оганесяна», — говорил мой великий учитель. Окончив 4 класса, я собрался поступать в художественное училище-десятилетку, но отец, выпускник Новочеркасского политехнического института, мне запретил: «Вот получишь, как все, общее среднее образование, а потом выбирай, что хочешь». Помню, это было для меня настоящей трагедией.
Дома у нас собирались интересные люди, среди них был молодой архитектор Юрий Яралов, в будущем народный архитектор СССР, директор Московского центрального научно-исследовательского института теории и истории архитектуры. Он вызвался со мной заниматься, и это были мои первые робкие шаги в архитектуре. Тем временем в школе у меня неплохо шли физика и математика, и, окончив 10 классов с серебряной медалью, я отправился в Москву и за компанию со своими товарищами подал документы в МИФИ (тогда Московский механический институт). В то далекое время в этом институте медалистам до начала вступительных экзаменов в вузы нужно было пройти так называемое «собеседование». По сути, это были два экзамена — физика и математика, я их сдал успешно, и... пошел в архитектурный. Там нужно было экзаменоваться по живописи и рисунку, причем можно было это сделать, не оставляя документов. Сдал эти экзамены я на «отлично», у меня была хорошая подготовка. Но документы из МИФИ мне не вернули: сказали, что они находятся на проверке для получения допуска. Так я стал физиком.
На втором курсе МИФИ у меня была еще одна попытка изменить судьбу. Я принял участие в конкурсе проектов на сооружение Триумфальной арки в честь воссоединения Украины с Россией. Но к концу конкурса, после смерти Сталина, от этой идеи отказались. Однако мои художественные устремления получили «генетическое» продолжение: моя младшая дочь — архитектор, а один из внуков — художник. А моя жена-музыкант говорила: «Ты иногда называешь свои эксперименты красивыми, видимо, все еще мыслишь художественными категориями».
Последующая моя биография предельно проста. После окончания МИФИ я проработал год в Институте атомной энергии, в группе будущего академика Георгия Николаевича Флерова, а потом вместе с группой переехал в Дубну, в только что созданный Объединенный институт ядерных исследований. Там было организовано новое научное подразделение — Лаборатория ядерных реакций, где я до сих пор работаю. Тогда, в 1957 году, в возрасте 24 лет, я был самым молодым сотрудником группы.
— Вы занялись физикой тяжелых ионов, созданием мощных ускорителей, изучением редких процессов ядерных превращений — совершенно новым на тот момент научным направлением. Расскажите, пожалуйста, как это происходило.
— Поначалу было совсем не очевидно, что тяжелые ионы и эксперименты с ними могут стать новым направлением. Вместо простых частиц — протона и нейтрона — мы выбрали «снаряды» в 20–40 раз тяжелее и начали исследовать ядерные реакции под действием этих «гигантов». Академик Лев Андреевич Арцимович, который был для меня огромным авторитетом, скептически относился к этим экспериментам.Он спросил однажды: «Вы устраиваете крушение поездов и рассчитываете получить что-то новое?» Я смешался, не знал, что ответить, но подумал тогда: «Зачем же крушение, когда можно устроить просто мягкое сцепление вагонов». Сначала ядро-снаряд движется быстро, но потом тормозится в электрическом поле ядра-мишени. В момент касания, когда снаряд потеряет практически всю свою скорость, вступят в действие ядерные силы притяжения, и ядра сольются. Грубо говоря, одно ядро поглотит другое, и получится новое тяжелое ядро суммарной массы. Вот это, пожалуй, и есть новое. Не так, как в ядерном реакторе, где ядро-мишень последовательно захватывает нейтроны, — здесь сразу в одном столкновении вносится 20–30 протонов и нейтронов. Правда, это ядро будет сильно нагретым и возникнут вопросы, как такой тяжеловес будет охлаждаться и не разделится ли он на два осколка, прежде чем перейдет в свое основное состояние. И только после этого мы сможем наблюдать его самопроизвольный, спонтанный распад и судить о его стабильности. Получение новых химических элементов — только последняя часть этих сложных ядерных превращений.
— То есть синтез новых элементов не был вашей главной целью?
— В Америке меня, наверное, назвали бы ядерным химиком (кстати, один из основателей ядерной физики Эрнест Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии). Но меня и моих коллег прежде всего интересовало, как взаимодействуют ядра, особенно один из типов этого взаимодействия, связанный с использованием максимально тяжелых снарядов. Мы исходили из того, что слияние ядер химических элементов чем-то похоже на процесс, обратный делению. При разделении урана на два осколка высвобождается огромная энергия, которую мы используем в атомных электростанциях. Казалось бы, если слить ядра-осколки, приложив энергию, то получим уран. На практике создать уран из его осколков невозможно. Осколки нагреты и нестабильны. Но это не отвергает идею слияния массивных ядер, имеющих определенную внутреннюю структуру.
Так, например, если стабильный элемент свинец с атомным весом 82 облучать ускоренными ионами кальция с атомным весом 20, то в случае полного слияния их ядер образуется новое ядро суммарной массы с атомным номером 102. И это ядро, полученное в такой реакции, будет слабо нагретым. Это существенно повышает выживаемость нового ядра в процессе его охлаждения посредством вылета нейтронов и гамма-лучей. Мы синтезировали 102-й элемент нобелий дважды. Сначала в середине1960-х годов в реакции слияния 94-го элемента плутония с кислородом (горячее слияние), что дало нам приоритет в открытии этого элемента, и во второй раз в реакции холодного слияния свинец+кальций, о которой говорилось выше. Эта реакция была примерно в 100 раз эффективнее первой. По существу, это было открытием нового класса реакций, получивших на Западе название холодного слияния массивных ядер. С тех пор в течение последующих 38 лет реакции холодного слияния стали использоваться в лабораториях США, Германии, Японии, Франции для синтеза более тяжелых элементов с атомными номерами от 107 до 113.
Как ни странно, после того, как в нашей лаборатории были продемонстрированы преимущества реакций холодного слияния, дальнейшие эксперименты по синтезу новых элементов проводились в основном в Германии (Центр исследования тяжелых ионов), затем в Японии (Институт физико-химических исследований).
К сожалению, реакции холодного слияния не могут быть использованы для синтеза гипотетических сверхтяжелых элементов, расположенных на «Острове стабильности». Остров находится в области ядер, сильно обогащенных нейтронами. Реакции холодного слияния до них просто не дотягиваются. Теперь ясно, что этим обстоятельством объясняются все неудачные попытки синтеза сверхтяжелых элементов, предпринятые в прошлом веке различными лабораториями мира.
— Имеется ли практический смысл в получении новых химических элементов?
— По-видимому, надо пояснить, что уран с атомным весом 92 — последний и самый тяжелый элемент, сохранившийся в Земле с момента ее образования (4,5 миллиарда лет тому назад). Элементы тяжелее урана с меньшим периодом полураспада до нас не дожили. Поэтому их нет в природе. Они получены в лабораториях искусственным путем. Реакции их синтеза сильно отличаются от ядерных процессов, протекавших при образовании Солнечной системы. Поэтому пока они имеют чисто научное значение, а практическое может появиться только в том случае, если удастся получать их тоннами или хотя бы килограммами. Вот плутоний, 94-й элемент, получают тоннами, есть плутониевое производство. А 95-й элемент, америций, можно синтезировать лишь в очень малых количествах. Элемент 118 уже получают только в виде отдельных атомов.
— И еще вопрос, который вам не раз задавали: где конец, сколько еще элементов может быть открыто?
— На этот вопрос пока нет ответа. Я бы даже сказал, что поиск такого ответа — одна из самых актуальных научных проблем, стоящих перед нами сегодня.
Мне кажется, что предел существования элементов будет определяться пределом существования ядер. Здесь у нас пока нет теории, способной описывать ядерные силы, которые связывают, как мы знаем сегодня, почти 300 протонов и нейтронов. В отсутствие строгой теории мы пользуемся различными теоретическими моделями. Области их описания ограничены, еще более неопределенными являются прогнозы. Поэтому эксперимент, подтверждающий (или опровергающий) нетривиальное предсказание о существовании некоего «Острова стабильности», продлевающего карту ядер до больших масс и Периодическую таблицу до конца 8-го периода, был жесткой проверкой наших знаний о свойствах ядерной материи. В каком-то смысле мы сдали экзамен на «Остров стабильности».
Модели же предсказывают существование ядер с атомным номером более 120. В некоторых случаях рассматривается существование второго «острова» в области атомных номеров около 146. Более смелые предположения допускают для еще более тяжелых ядер экзотические конфигурации в виде пузырей, тора и пр. Насколько справедливы эти прогнозы? Только эксперимент может дать ответ на этот вопрос.
В электронной структуре сверхтяжелых атомов тоже ожидаются изменения. По мере роста положительного заряда ядра атома растет энергия электронов. При приближении скорости близко расположенных от ядра электронов к скорости света, согласно теории относительности, будет «возрастать» их масса. Это относится прежде всего к электронам, близко расположенным к ядру, скорость которых максимальна. И это обстоятельство должно быть учтено в расчетах всей электронной структуры атома, включая внешний электрон, ответственный за химические свойства элемента. Здесь, к счастью, мы имеем строгую теорию — квантовую электродинамику, которая позволяет проводить сложные расчеты движения электронов в релятивистском приближении. С ростом атомного номера химическое поведение сверхтяжелых элементов может отличаться от своих легких гомологов. Сейчас наблюдается большой всплеск статей по этой проблеме.
Возможно, этот эффект имеется у всех уже синтезированных нами сверхтяжелых элементов. В частности, самый тяжелый элемент 118, согласно расчетам, будет проявлять свойства семейства благородных газов, хотя и не будет газом, а твердым телом при комнатной температуре. Однако для элементов тяжелее 121-го ожидаются различные сценарии продолжения Периодической таблицы.

 

Год: 
2020
Месяц: 
февраль
Номер выпуска: 
3
Абсолютный номер: 
1207
Изменено 04.02.2020 - 15:43


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47