Страница 13 из 77
Но тем не менее оболочечная модель позволила написать математические уравнения, неожиданно точно описывающие некоторые известные факты. Так, модель «предсказывала», что ядра, содержащие по 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82 и 126 нейтронов и по 2, 8, 20, 28, 50 и 82 протона, устойчивее, чем другие ядра. Однако модель не объясняла, почему именно эти числа соответствуют повышенной устойчивости ядер. Поэтому полученные числа получили наименование магических чисел, а соответствующие ядра называют магическими ядрами. Повышенная стабильность этих ядер была известна и ранее. Это был любопытный факт, нуждающийся в объяснении, но появление таких чисел из гипотезы, основанной на неясной аналогии, казалось почти чудом.
Еще более чудесными были свойства «дважды магических ядер», тех, в которых количество нейтронов и протонов одновременно характеризуется магическим числом таковы ядра гелия (два нейтрона и два протона), ядра кислорода (по 8 нейтронов и протонов), ядра кальция (по 20 нейтронов и протонов). Эти ядра действительно устойчивее всех остальных легких ядер.
Для атомов элементов, расположенных в периодической системе до кальция, совпадение расчетов, основанных на оболочечной модели, с экспериментом было потрясающе точным. После кальция оно быстро ухудшалось. Расхождение с опытом показывало, что оболочечная модель хорошо отображает реальность только для легких ядер. Но не учитывает тех процессов, роль которых возрастает по мере увеличения массы ядер, по мере увеличения количества содержащихся в них нуклонов.
Естественно, это повлекло за собой попытки усовершенствовать оболочечную модель. Пришлось уточнить закон изменения сил взаимодействия нуклонов на малых расстояниях, принять во внимание процессы, не учтенные в первоначальной модели, например увеличение роли электростатического отталкивания по мере увеличения числа протонов в ядре. Все это привело к усложнению модели и соответствующих уравнений, затруднило их решение. Но эта работа была выполнена.
Наградой физикам-теоретикам за титаническую работу было дальнейшее приближение получаемых результатов к опытным фактам и предсказание новых возможностей. Прежде всего они уточнили величины масс стабильных ядер. Оказалось, что стабильной является комбинация 30 нейтронов и 26 протонов, что соответствует ядру атома железа, порядковый номер которого 26, а масса 56. Это Действительно наиболее стабильное из всех известных ядер. Второй существенный результат — предсказание существования стабильного ядра элемента— 114 с числом нейтронов 184, а значит, с массой 298, существенно превышающей массы трансурановых элементов, синтезированных до сих пор.
Первый намек на то, что эксперимент подтверждает это предсказание, дали опубликованные Г. Н. Флеровым и П. Перелыгиным результаты изучения спонтанного деления свинца. Ожидалось, что период полураспада свинца близок к 1040 годам (огромное число, в котором после единицы стоит 40 нулей. Это миллиард, взятый четырежды по миллиарду раз и умноженный еще на 10000). Опыт привел к много меньшему числу — 3 1020 лет («Всего» миллиард миллиардов, умноженный на 300). В качестве возможного объяснения колоссального расхождения результатов опыта с прогнозом авторы выдвинули гипотезу о присутствии в природном свинце незначительной примеси экасвинца (элемента-114).
Невозможно пытаться синтезировать этот элемент при помощи существующих ускорителей — последовательное прибавление нейтронов или ускоренных ядер привело бы к уже известным или близким к ним ядрам, подверженным чрезвычайно быстрому делению.
Возрастание трудностей на этом пути иллюстрирует простое сопоставление сроков работы: на синтез тринадцати трансурановых элементов потребовалось тридцать лет. На синтез следующих шести (от элемента-102 до элемента-107) ушло еще двадцать лет, наполненных величайшими усилиями!
Позже других успех — но успех очень значительный — пришел к ученым города Дортмунда в ФРГ, где построен весьма совершенный линейный ускоритель тяжелых ионов. При длине 125 метров он разгоняет интенсивные пучки ионов до скорости 30 000 километров в секунду, что составляет десятую долю скорости света. Используя метод, предложенный в Дубне, они бомбардировали ионами железа ядра свинца. При этом было зафиксировано рождение ядер элемента-109, а затем и элемента-108.
Это выдающееся достижение приобретает особый интерес потому, что время жизни этих элементов оказалось намного большим, чем у предыдущих элементов. Современные теории не предсказывают такого эффекта. Теоретики еще не успели найти ему объяснение.
Острова устойчивости
Окрестность элемента-114, экасвинца ученые называют островом устойчивости. Проникнуть к нему через море неустойчивости, все более углубляющееся при переходе от урана-238 к первому трансурановому элементу нептунию и к последующим трансурановым элементам, можно, лишь разработав совершенно новые «средства передвижения», новые методы.
Не означает ли открытие дортмундских физиков, что самая глубокая область моря неустойчивости перейдена и физики ступили на прибрежный шельф острова устойчивости? Ответ на этот вопрос зависит от того, удастся ли подтвердить этот результат в других лабораториях.
Неожиданный путь «мореплавателям» указал Флеров. Он решил привлечь на помощь процесс деления ядер, процесс, являющийся основным препятствием на пути методов, применяемых ныне.
Флеров исходил из того, что при делении ядер изредка возникают осколки, масса которых значительно превосходит половину массы делящегося ядра. Это значит, что имеется реальная, хотя и малая, вероятность распада ядра на части, сильно различающиеся между собой по массе. Для того чтобы использовать эту возможность, следует научиться получать очень тяжелые ядра. Пусть они окажутся неустойчивыми и быстро распадаются путем деления или путем многократного альфа-распада. Пусть деление приводит большей частью к ядрам с зарядами, близкими к половине суммарного заряда ядра-мишени и ядра-снаряда. Нужно лишь научиться надежно фиксировать редкие случаи, при которых неустойчивое промежуточное ядро распадается на две части, сильно различающиеся по заряду. И искать при этом среди них ядра элемента-114, охлаждающиеся за счет испарения нейтронов. Можно надеяться и на появление осколков, сильно различающихся по массе, а затем увеличивающих свой положительный заряд путем серии бета-распадов или уменьшающих свой заряд за счет альфа-распадов. Необходимо быстро и точно идентифицировать новые трансурановые элементы.
Конечно, вероятность положительного результата окажется наибольшей при бомбардировке ядер урана ядрами урана (суммарный заряд ядра, получающегося при их слиянии, равен 184, а его масса равна 476) или ядрами ксенона (суммарный заряд— 146). Ксенон имеет меньший заряд, чем многие другие элементы, но он является единственным устойчивым тяжелым газом (самый тяжелый газ — радон — радиоактивен и распадается очень быстро). Именно поэтому, наряду с ураном, Флеров указал на ксенон. Он легче поддается ионизации, чем остальные тяжелые элементы, поэтому ионы ксенона удобнее ускорять до энергий, достаточных, чтобы его ядро слилось с ядром урана, несмотря на взаимное отталкивание их положительных зарядов. При бомбардировке урана ксеноном-132 можно вызвать деление ядер урана. Но не просто деление, а такое, при котором наиболее вероятная масса тяжелых осколков с зарядом 114 равна по оценкам 305, а для его «охлаждения» достаточно испарение от четырех до шести нейтронов.
Удастся ли синтез экасвинца, покажет будущее. Но окрестности экасвинца являются не единственным островом устойчивости. За ним, еще дальше от берега, где расположен устойчивый уран-238, оболочечная модель ядра позволяет надеяться на обнаружение второго острова устойчивости — вблизи элемента, ядра которого имеют заряд около 126.
Для их синтеза можно подобрать мишень и снаряд так, чтобы ядро, получающееся при бомбардировке, было возбуждено не сильно и могло охладиться путем испарения небольшого числа нейтронов. Например, бомбардируя ядра тория-232 ядрами криптона-84, можно получить ядро элемента-126, охлаждающееся испарением четырех нейтронов так, что масса ядра синтезируемого элемента оказывается равной 312.