Страница 11 из 77
Причиной, ограничившей возможности дальнейшего продвижения методом термоядерных взрывов, является малое время жизни тяжелых изотопов в области урана — фермия. Эти изотопы разрушаются вследствие спонтанного деления, прежде чем успевают подвергнуться бета-распаду. Возможности этого метода ограничиваются и другой причиной. Вероятность поглощения ядром урана одновременно многих нейтронов резко уменьшается и становится ничтожной для числа, превышающего 19.
Путь вверх — от 100-го элемента к 101-му — потребовал усовершенствования метода облучения тяжелых ядер ускоренными заряженными частицами. Оказалась необходимой и разработка более совершенных методов опознания — идентификации новых элементов.
И все-таки в 1955 году был получен 101-й элемент. Его назвали менделевием. Многозначительная деталь: он был получен в США, но назван в честь русского химика Менделеева.
О том, сколь быстро возрастают трудности получения и опознания элементов за порогом 100-го элемента, можно судить по следующим примерам. При синтезе калифорния в 1950 году в распоряжении исследователей было 0,5 миллиардной части от миллиардной доли грамма эйнштейния-253. Столь маленькое количество ядер-мишеней привело к тому, что при облучении альфа-частицами в течение часа образовывался лишь один атом менделевия-256! Сначала получались возбужденные ядра менделевия-257, потом они «остывали», выделялся нейтрон, что приводило к менделевию-256.
Таким путем — в течение длительного облучения — было синтезировано всего 17 атомов нового элемента. Но Ученые все же смогли надежно определить, что они действительно принадлежали 101-му элементу.
Существенным достижением, полученным путем бомбардировки мишени ускоренными альфа-частицами, стал синтез наиболее долгоживущего, тяжелого изотопа менделевий-258. Время его жизни, определяемое временем, в течение которого распадается половина из наличных Томов, равняется двум месяцам. В этих опытах мишенью были ядра эйнштейния-255. После поглощения альфа-альфа-частицывозникало ядро менделевия-259, которое, остывая, выделяло один нейтрон и превращалось в ядро менделевия-258.
Начиная со 102-го элемента трудности накопления и тем более идентификации усугубились малым временем жизни новых атомов. Обычные химические методы опознания оказались при этом непригодными. Они занимали слишком много времени.
Адам, Ева и Царь-пушка
Наступил 1956 год. Ученые Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубне, входившие в группу физиков из ряда социалистических стран, руководимую академиком Флеровым, проанализировали ситуацию и нашли новый путь синтеза трансурановых элементов.
Теперь, когда этот путь неоднократно пройден и доказал свою эффективность, идея, положенная в его основу, кажется простой и очевидной. Вот ход мыслей исследователей: прежний путь — бомбардировка мишеней нейтронами, ускоренными дейтонами и альфа-частицами — зашел в тупик, он пройден до конца. Так уже невозможно создать более тяжелые долгоживущие мишени. Не следует ли использовать доступные мишени и применить для бомбардировки мишени ядра более тяжелые, чем альфа-частицы?
Конечно, ускорение тяжелых ядер связано с большими трудностями. Для этого необходимо прежде всего создать источники ионов соответствующих элементов, устройства их ввода в ускоритель и средства управления процессом ускорения.
Первые опыты предусматривали бомбардировку мишеней, содержащих изотопы плутония и кюрия. Снарядами служили ускоренные ионы кислорода и углерода. Метод оказался весьма эффективным. Он был воспринят и в других институтах.
Основные работы по синтезу трансурановых элементов при помощи бомбардировки мишеней тяжелыми ионами проводились в лаборатории ядерных реакций в Дубне и в Радиационной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США). В Дубне для этого применяют большой циклотрон, Царь-пушку. В Беркли для экспериментов служат два линейных ускорителя ионов. Физики назвали их Адам и Ева.
В качестве снарядов обычно применяют ионы бора, углерода, азота, кислорода, фтора, неона, серы, аргона и кальция. Полезным результатом попадания ускоренного ядра в ядро мишени является их слияние. Наряду с этим происходят и другие ядерные реакции, приводящие к синтезу новых ядер, но они труднее поддаются анализу, что осложняет получение уверенных результатов этих реакций.
При проведении бомбардировки тяжелыми ионами необходимо придать им значительную энергию. Она должна быть достаточна для преодоления электростатического барьера, препятствующего проникновению положительно заряженного ядра-снаряда в положительно заряженное ядро-мишень. Высота этого барьера увеличивается вместе с увеличением зарядов ядер-мишеней и ядер-снарядов. Для того чтобы вероятность слияния этих ядер воедино была достаточно велика, необходимо, чтобы энергия ядра-снаряда значительно превосходила электрический барьер. Но при этом ядро-снаряд, проникнув в ядро-мишень, вносит с собой большую избыточную энергию. Поэтому слившееся ядро оказывается сильно возбужденным.
Основным процессом «охлаждения» — снятия возбуждения составного ядра — является процесс деления. Доля составных ядер, остывающих путем испарения нейтронов, оказывается очень малой. Для изотопов 102-го элемента эта доля составляет от миллионной до стомиллионной от общего количества ядер мишени, слившихся с ускоренными ядрами. Остальные испытывают процесс деления, не приводящий к образованию трансурановых элементов, ибо осколки имеют массы, средние между массой ядра-мишени и массой поглощенного ядра-снаряда. Для изотопов 103-го элемента доля ядер, не успевших претерпеть деление, в десять раз меньше, а для изотопов 104-го элемента она близка к десятимиллиардной доле по отношению к процессам, происходящим при образовании 101-го элемента. На лучших из существующих ускорителей рождается за час лишь несколько десятков атомов 102-го элемента и только один атом 103-го элемента за несколько часов.
Первое сообщение о синтезе элемента-102 было сделано в 1957 году международной группой американских, английских и шведских ученых, работавших совместно в Нобелевском институте в Стокгольме. Вторая работа была проведена в 1958 году в Радиационной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. Результаты этой работы подтвердили, что 102-й действительно синтезирован.
Однако, когда в Беркли в том же 1958 году был пущен новый линейный ускоритель тяжелых ионов, позволивший получить значительно больше материала для идентификации вновь рожденных элементов, оказалось, что предыдущие результаты ошибочны!
В среде ученых возникла дискуссия, многие ее участники произвели переоценку результатов и пришли к заключению, что элемент-102 в этих экспериментах не был синтезирован.
Однако попытки синтеза элемента-102 в Беркли продолжались с применением других методов идентификации. В это время в исследования включился Институт атомной энергии в Москве. И та и другая группа время от времени сообщали о синтезе и идентификации различных изотопов элемента-102, однако количество синтезированных атомов составляло лишь несколько десятков, а методы опознания не обладали достаточной точностью.
Окончательное решение проблемы элемента-102 было дано в 1964 году в Дубне. При этом применялось несколько взаимно контролировавшихся методов и различные варианты аппаратуры.
В результате были надежно зафиксированы и изучены изотопы элемента-102 с различными массовыми числами от 252 до 256 и показано, что в ранних работах допущены существенные ошибки. После этого в Беркли были синтезированы изотопы элемента-102 с массовыми числами 251 и 257 и подтверждены дубненские данные об остальных изотопах.
Так, в 1966 году была завершена десятилетняя работа, позволившая ученым получить и надежно изучить свойства элемента-102.
Еще большие трудности возникли на пути к элементу-103. В Беркли эти работы велись с 1958 года по 1961 год, причем сообщалось о синтезе изотопов с массовыми числами 257, 259 и 260. Но эти эксперименты не удалось повторить. В позднейших публикациях авторы сообщали о пересмотре толкований ранних экспериментов, однако попытки воспроизвести их в 1965 году в Дубне не дали положительного результата.