Академик Оганесян: «Не надо путать премию и работу»

Юрий Цолакович Оганесян — выдающийся советский и российский ученый, специалист в области экспериментальной ядерной физики, академик РАН, научный руководитель лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.

Кроме того, Оганесян — автор фундаментальных исследований механизмов взаимодействия сложных ядер. Им было обнаружено и исследовано влияние ядерной структуры на коллективное движение ядер в процессах слияния и деления, он является автором открытия нового класса ядерных реакций — холодного слияния массивных ядер (1974 год), широко используемых до последнего времени в различных лабораториях мира для синтеза новых элементов.

Оганесяну принадлежат основополагающие работы по синтезу новых элементов на пучках тяжелых ионов. В 1999-2010 годах группой ученых под его руководством были впервые синтезированы самые тяжелые элементы с атомными номерами 113 (2003 год), 114 (2000 год), 115 (2003 год), 116 (2000 год), 117 (2010 год) и 118 (2002 год). Свойства распада новых элементов, а именно — энергия распада и значительное увеличение их времени жизни (периода полураспада), доказывают существование так называемых островов стабильности в области сверхтяжелых элементов.

Помимо этого, Юрий Оганесян — соавтор открытия тяжелых элементов таблицы Д. И. Менделеева: 104-го элемента — резерфордия, 105-го элемента — дубния и 106-го элемента — сиборгия.

В 2016 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) внес в периодическую таблицу четыре новых элемента с атомными номерами 113, 115, 117 и 118, названных в честь Японии, американского штата, Московской области и академика Юрия Оганесяна. В связи с этим мы решили вспомнить интервью с выдающимся ученым, которое несколько лет назад вышло на страницах нашего журнала.          

— Юрий Цолакович, как же открываются новые сверхтяжелые элементы? 

— Здесь уместно было бы короткое введение. Лучше для начала попытаться ответить на вопрос: сколько может существовать элементов в принципе, где пределы таблицы Менделеева?
Вопрос этот относится к одной из фундаментальных проблем современной науки, а может быть, и не только современной. Ведь люди всегда интересовались вопросами мироздания и пытались понять, где границы материального мира.

Если отбросить очень древние и наивные представления о мире, который покоится на трех китах или трех слонах, то ответ искать нужно в структуре материи.

Нам известно, что атом состоит из ядра, вокруг которого на большом расстоянии вращаются электроны. Если это атом водорода, то он имеет заряд единицу (то есть протон) и один электрон. Если это уран — самый тяжелый элемент в земле, то у него 92 протона и, соответственно, 92 электрона.

Подобную композицию предложил и продемонстрировал экспериментально еще в 1911 году Резерфорд, а в 191-м великий Нильс Бор рассчитал атом водорода. С тех пор эту теорию называют планетарной моделью атома: ядро — это «Солнце», а электроны — «планеты» Солнечной системы.

Согласно планетарной модели, электроны вращаются от ядра на расстоянии, которое в 100 тысяч раз больше, чем размер ядра. Если ядро — это футбольный мяч, который мы держим в руках в Дубне, то орбиты электронов проходят где-то в Москве (расстояние по прямой между Москвой и Дубной составляет примерно 114 километров. — Прим. NS). Первый вопрос: насколько устойчива эта конструкция? До каких атомных номеров она работает? Оказалось, модель очень устойчива, она работает до атомного номера 174 или 176.

— А что произойдет, если наращивать заряд ядра? 

— С точки зрения квантовой электродинамики при очень большом заряде ядра произойдет коллапс: грубо говоря, электрон упадет на ядро. Если рассматривать этот процесс шире, то надо углубиться в эту науку и рассматривать структуру вакуума.

Согласно квантовой электродинамике, наш мир существует в некоем вакууме, нейтральном, но отнюдь не «пустом». Он заполнен электронами и антиэлектронами (позитронами). Лишь в определенном диапазоне энергий, равном двойной энергии покоя электрона, может существовать планетарная конструкция атома. Когда же мы подходим к критическому электрическому полю, возникающему от заряда в 174-176 единиц, происходит распад вакуума. Из нейтрального атома вылетает электрон, который садится на орбиту атома и тем самым понижает его заряд на единицу, в то время как вылетевший позитрон вновь приводит вакуум в нейтральное состояние. К сожалению, мы далеки от этого предела; существование атома прекращается значительно раньше из-за нестабильности самого ядра.

Поэтому вопрос о границах окружающего нас материального мира должен быть перенесен из атомной физики в ядерную.

— Тогда поставим вопрос по-другому: какие силы удерживают протоны и нейтроны в ядре и на какое количество протонов и нейтронов их хватит по мере роста массы и размера ядра? 

— К сожалению, по большому счету природа этих сил нам неизвестна. Чтобы как-то продвинуться дальше, надо хотя бы предположить, что представляет собой ядерная материя. И это предположение впервые сделал в 1928 году наш гениальный соотечественник, физик-теоретик Георгий Антонович Гамов. Тот факт, что ядра обладают громадной плотностью, несжимаемы, имеют хорошо выраженную, почти сферическую форму, натолкнули его на мысль о том, что ядро похоже на каплю заряженной жидкости. Он родоначальник так называемой капельной модели ядра. Капельная модель совершила прорыв в познании ядра и ядерных превращений. В том же 1928 году на основе этой модели Гамов создал теорию альфа-распада, обнаруженного впервые Беккерелем еще в 1896 году.

Когда в 1939-м Ганом и Штрассманом в Берлине было открыто деление урана под действием нейтрона, Нильс Бор и Джон А. Уиллер на основе модели жидкой капли описали этот сложный процесс разделения ядра на две части.

Согласно Бору и Уиллеру, отделения уран предохраняет потенциальный барьер высотой около шести мегаэлектронвольт (МэВ). Захват нейтрона повышает энергию ядра примерно на 6 МэВ, в результате чего деление урана становится энергетически возможным.

Но уран может поделиться самопроизвольно (спонтанно), «просачиваясь» через барьер деления. Этот чисто квантово-механический эффект подобен тому, как в теории Гамова альфа-частица (ядро гелия) «просачивается» через кулоновский барьер тяжелого ядра. По расчетам Бора и Уиллера, спонтанное деление урана — редкий процесс: он будет происходить один раз примерно за 1022 лет.

Впервые спонтанное деление урана было обнаружено в 1939 году молодыми физиками Константином Петржаком и Георгием Флёровым, работавшим в то время под руководством Игоря Курчатова в Ленинградском физико-техническом институте. Сначала эксперименты проводились в лаборатории, затем, для исключения фона космических лучей, на станции метро «Динамо» в Москве, в 1940 году. Эксперимент дал величину периода полураспада урана относительно спонтанного деления 1016 лет. Действительно редкий процесс, но примерно в миллион раз более вероятный, чем предсказывала теория. Теперь перейдем к ядрам тяжелее урана.

Если в ядро урана-238 добавить, скажем, два протона, то масса ядра изменится всего лишь на 0,8%, в то время как кулоновские силы, растягивающие ядро, возрастут более чем на 4%. Это увеличивает вероятность деления 94-го элемента — плутония-240 по отношению к урану-238 в 100 тысяч раз! Нетрудно видеть, что столь сильное падение стабильности ядра из-за понижения высоты его барьера деления быстро приведет к столь малому времени жизни, что понятие атома потеряет смысл: ядро распадется раньше, чем вокруг него возникнут электронные орбиты. Согласно теории, без барьера деления ядро поделится на два осколка за время около 10-19 секунд! По сути же, это и есть предел существования ядер, а значит, атомов и химических элементов. И этот предел наступает для элементов второй сотни.

Следует отметить, что после окончания Второй мировой войны, когда были построены ядерные реакторы, в которых нарабатывался плутоний, а также более тяжелые элементы, вплоть до 100-го — фермия-257, предсказания модели получили блестящее подтверждение. Дальнейшие работы по синтезу элементов с атомными номерами 101, 102, 103 и 104, полученные на ускорителях тяжелых ионов, еще раз подтвердили предсказания капельной теории. От урана (92-го элемента) до резерфордия (104-го элемента) период полураспада ядра относительно спонтанного деления уменьшился почти в 1026 раз.

Такая ситуация продолжалась до 1962 года. Именно тогда мы — в том числе ваш покорный слуга — пытались продвинуться дальше, до 104-го элемента. Понимая при этом, что шансов его получить нет практически никаких — из-за его исключительно короткого времени жизни. По крайней мере, так казалось тогда.

Проведя эксперимент, мы обнаружили нечто очень похожее на то, что искали: ядра, которые распадались за миллисекунду, тысячную долю секунды. Этот вызвало определенную радость, но затем мы сами поняли, что никакого отношения к 104-му элементу все это не имеет.

— А к чему же тогда?

— Оказалось, мы имели дело с 95-м элементом, который был так же хорошо известен, как период полураспада его спонтанного деления – 10^14 лет. Как может быть, что у одного и того же ядра деление может иметь два столь различных периода полураспада: 10^14 лет и 14 миллисекунд? Оказалось, это не случайность. В распаде других ядер наблюдалась подобная картина. Остановились на уране, у которого, кроме измеренного ранее периода полураспада 10^16 лет, был обнаружен и короткий период спонтанного деления — 0,3 микросекунды.

Здесь стоит оговориться: если система испытывает один и тот же тип распада с разной вероятностью, то это означает, что у этой системы сам распад происходит из двух разных состояний. У урана, например, из одного — с периодом полураспада 10^16 лет, из другого — 0,3 микросекунды. В классической капельной модели такого не может быть. Капля не может иметь два состояния по определению. Она имеет либо сферическую форму, либо в результате растяжения (деформации) делится на два осколка — тоже сферических. Не может кап­ля растянуться, потом подождать немного и продолжать растягиваться дальше.

Тогда надо думать, что ядро — это не капля или не совсем капля. Но это обстоятельство многое меняет. Считалось, если барьер исчезнет, то ядро разделится на две части за исключительно короткое время (10^-19 секунд). А обнаружилось, что барьер двугорбый — и тогда надо рассматривать два предела: для первого и второго барьера.

Оказывается, при переходе от урана к трансурановым элементам с ростом атомного номера сильно уменьшается второй горб (второй барьер), в то время как высота первого горба (или первого барьера) практически не меняется. И если мы пойдем еще дальше, то при определенном количестве протонов и нейтронов в очень тяжелом (сверхтяжелом) ядре барьер может быть даже большим, чем у урана.  И период полураспада может быть не тысячные доли секунды, а часы, дни, годы и даже миллионы лет.

Это «озарение» в теории атомных ядер пришло в конце 1960-х. Появилась микроскопическая теория, которая учитывала внутреннюю структуру ядра. Выяснилось, что при определенном числе протонов и нейтронов в ядре появляются дополнительные силы, повышающие энергию связи всех частиц в ядре. Это так называемые магические числа. Для протонов 2 — это гелий, 8 — кислород, 20 — кальций, 28 — никель, 50 — олово и 82 — свинец. Для нейтронов те же числа и еще 126.

Поэтому если протонов — 82 (свинец), а нейтронов — 126, то это дважды магическое ядро. По предсказаниям новой теории, следующее магическое число — 114 протонов и 184 нейтрона. И такое ядро может обладать огромной стабильностью.

В отличие от капельной (классической) теории, исключающей возможность существования ядер с атомными номерами более 100, здесь, наоборот, у элемента 114 и его соседей ожидается громадная стабильность по отношению к более легким элементам.

Но это предсказание требовало экспериментальной проверки. Неудивительно, что многие группы исследователей из передовых ядерных центров мира в течение последующих 15 лет потратили большие усилия на синтез сверхтяжелых элементов.

В условиях лаборатории синтез сверхтяжелых элементов оказался весьма сложным делом. Все попытки получить сверхтяжелые ядра в ядерных реакциях разного типа не привели к результату. Нужно было найти новый подход к решению проблемы и значительно поднять чувствительность эксперимента. Потратив более пяти лет на подготовку, мы только к 2000 году смогли поставить новые эксперименты с чувствительностью в 500 раз большей, чем все предыдущие попытки синтеза сверхтяжелых элементов.

— Как вам удалось изыскать финансирование в такие тяжелые для нашей страны времена? Получить у правительства деньги на ускоритель, открытие сверхтяжелых элементов — все это нужно было как-то обосновать. 

— Время было и правда не лучшее для науки. Задерживали зарплату, ввели жесткие лимиты на электроэнергию и так далее. Мы решили существенно сократить фронт исследований, выбрать одну достойную задачу и все ресурсы направить на ее решение.
В первых экспериментах, начатых в 1999 году, мы почувствовали, что находимся на новом уровне возможностей. А в 2000-м впервые наблюдали распад 116-го и 114-го элементов — три раза с совершенно одинаковыми параметрами. Со стороны это казалось невероятным, и нам тогда мало кто поверил. Да и потом долго не верили, пока в 2007 году не повторили наши эксперименты и увидели, что все получается. На самом деле, мы сильно усложнили эксперимент. В погоне за избытком нейтронов в сталкивающихся ядрах мы должны были взять не естественные элементы, а искусственные, которые нарабатываются в ядерных реакторах методом захвата нейтронов (поэтому в них максимальный избыток нейтронов). Это изотопы плутония (94 элемент), америция (95-й), кюрия (96-й), берклия (97-й), калифорния (98-й). Из них изготавливается мишень.

А в качестве снаряда мы выбрали кальций-48. Основной изотоп кальция имеет массу 40. Он состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. Но естественный кальций содержит в количестве 0,19% изотоп кальций-48 (20 протонов и 28 нейтронов). Выделить его из естественной смеси изотопов кальция чрезвычайно сложно. Один грамм кальция-48 стоил 250 тысяч долларов!

Но в реакции слияния нейтронно-избыточного ядра плутония с массой 244 (мишень) и ядра-снаряда кальция-48 получается новое ядро суммарной массы 292, которое содержит 114 протонов и 178 нейтронов. Это ядро попадает в акваторию, где, по предсказаниям, находится остров стабильности, и в его дальнейшей судьбе это обстоятельство будет играть большую роль. После его охлаждения, посредством испускания нескольких нейтронов, ядро 114-го элемента начнет испытывать радиоактивный распад. Если справедливы теоретические предсказания о большой стабильности сверхтяжелых ядер к спонтанному делению, то ядро 114-го элемента не поделится, а испустит альфа-частицу (ядро гелия) и перейдет в ядро 112-го элемента.

История теперь повторится с дочерним ядром. После альфа-распада оно перейдет в ядро 110-го элемента и так далее. До тех пор, пока мы не выйдем за пределы острова стабильности. Ибо за его пределами нас ожидает спонтанное деление. Поэтому вся эволюция представляет собой радиоактивное семейство в виде цепочки альфа-распадов, которая берет начало у сверхтяжелого ядра и кончается спонтанным делением. В эксперименте в распаде некоторых ядер можно увидеть пять, шесть и даже семь поколений этого семейства. Таким образом, мы синтезировали шесть самых тяжелых элементов таблицы Менделеева с атомными номерами от 113-го до 118-го включительно.

— Можно ли рассчитать вероятное количество островов стабильности или можно только нащупать их в результате экспериментов? 

— Изначально, как мы помним, существовала лишь капельная модель, никаких островов не было. Потом выяснили, что в ядре есть структура, которая остается при его деформации. И могут существовать так называемые двугорбые барьеры. Так появилась теория об островах стабильности.

Не исключено, что обнаруженным островом в начале второй сотни дело и ограничится, а больше островов просто нет. Но не исключено также, что изменения свойств ядерной материи при больших массах и зарядах, нам пока не известных, могут привести к явлениям, подобным ядерным оболочкам, о которых мы ведем речь.

— Ценность ваших экспериментов — поиска сверхтяжелых элементов, островов стабильности — для фундаментальной науки неоспорима. Однако можно ли что-нибудь сказать о практическом применении результатов этих исследований? 

— Это интересный вопрос, но тут следует кое-что прояснить. Мне кажется, что я появление этого вопроса говорит о неправильном понимании ситуации. Мы живем в тот век, когда научно-технический прогресс очень многое определяет: нашу жизнь, приоритеты и вообще вектор развития общества. Наука должна познать природу, чтобы получить верное представление о ней и узнать, как можно использовать ее ресурсы. Однако движение к научной цели — не столбовая дорога. Скорее наоборот: бесконечное попадание в тупики. Это объяснимо. Вы имеете дело с неизвестным, хотите мысленно себе это представить, строите разные модели, гипотезы. На пути к этому приходится решать много практических задач, и это — самое ценное. Зачастую именно таким образом открывается неожиданная практическая польза, о которой вы говорите.

— По какому принципу называются новые химические элементы?

— Я могу рассказать, как принято, — другой порядок меня бы самого не устроил. Называют либо в честь планет — уран, нептуний. Либо в честь ученых, чтобы увековечить память о великих людях — кюрий, фермий, менделевий. Наш 114 элемент назван флеровием. А еще называют в честь мест, где проходила научная работа. В открытии элементов ведь задействовано огромное число людей — и не только ученых. К примеру, 105 элемент — дубний был назван в честь Дубны.

— Как вы можете оценить состояние современной российской науки: сильно ли она сдала после распада СССР? Есть ли огни надежды, улучшается или ухудшается ситуация? 

— Наука как таковая — российская или нет — была, есть и будет всегда. В ее основании лежит одна из ключевых черт человеческой натуры — любознательность, которая издавна заставляла людей разбираться, как устроен окружающий нас мир. Поэтому наука имеет живое начало. Вспомним Средние века: эпидемии, войны, инквизиция, различные катаклизмы. Но здесь же вспомним и университеты, которые донесли до нас основы знаний. Люди способны и будут заниматься наукой, несмотря ни на какие жизненные трудности.

В разные эпохи, впрочем, это происходило по-разному. Например, как объяснить, что расцвет науки пришелся на время инквизиции, когда люди шли на костер ради своих научных идей?..

Да и в нашей стране научными исследованиями занимались даже в тюрьмах — сходите в Петропавловскую крепость, зайдите в камеры. Арестанту давали книги и пищу— и этого было достаточно, чтобы заниматься наукой. Конец Гражданской войны, вездесущий голод, холод. Но именно в это время появились блестящие научные школы — в Ленинграде, в Москве. Такой же расцвет произошел в искусстве и литературе. Даже теперь сложно представить, что тогда в России мог быть такой всплеск науки, искусства, кинематографа, но ведь это было!

Что касается современной российской науки, то она далеко не в лучшей форме. Реформа РАН (в 2013 году. — Прим. ред.) оказалась неудачной. Может, она и была нужна, но не такая реформа, какую получили. Однако делать из этого трагедию тоже не стоит. В науку надо погружаться целиком, заниматься ею надо с полной отдачей своих сил и способностей. Печально, что правительство не может осознать, что вложения в науку так же важны, как вложения в защиту родины, в экономику.

— Каково ваше отношение к Нобелевской премии? 

— Представьте себе: некто работает, проводит эксперименты, пишет научные работы, иногда — удачные, иногда — не очень. А тут вам звонят и говорят, что вам присудили премию. Приятно, конечно. Но, согласитесь, это уже постфактум. Самое главное в любой работе — результат, то, что вы ее сделали. Поэтому никогда не стоит путать премию и работу. Истинный результат, если угодно, — достижение и то, как оно оценивается. Вы не найдете никогда полного соответствия между этими двумя понятиями, и было бы, вероятно, скучно, если бы оно было.

А у нас очень часто ставят оба эти понятия — достижения и премию — на один уровень. Говорят: вот вы это сделали, а где ваша премия? А может быть, что-то не так?

Я не сомневаюсь, что люди, которые получают Нобелевскую премию, действительно ее достойны. Они работали, получили замечательные результаты — каждый в своей области. Но это не значит, что каждого, кому ее не присудили, нужно спрашивать: «А почему вас забыли?» Просто к этому стоит относиться спокойно.

Эта премия постепенно стала ориентиром в мире научных достижений. Это, быть может, и неплохо, но не надо искать здесь каких-то невидимых факторов. Просто одни люди оценивают работу других людей. В этом контексте интересно вспомнить о том, как долго не давали премию Эйнштейну. В конце концов, ему дали ее за открытие фотоэффекта — явления, которое не связано с его великой Теорией относительности. Из наших соотечественников мы можем вспомнить Дмитрия Ивановича Менделеева, Георгия Антоновича Гамова и многих других. Да мало ли талантливых людей на свете!