Академик Оганесян: «Не надо путать премию и работу»

Сколько неоткрытых элементов в таблице Менделеева? Какие новые элементы уже открыты и чем они особенны? Что такое «острова стабильности»? Почему российская наука плохо финансируется, но талантливые ученые еще остаются? Об этом нам рассказал известнейший ученый, академик, первооткрыватель новых...

4 мар 2015 Олег Овечкин Комментариев: 0
21.4K
Выбор редакции

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. 

Юрий 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. 

Юрию 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), 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 является соавтором открытия тяжелых элементов таблицы Д. И. Менделеева: 104-го элемента – резерфордия, 105-го элемента – дубния и 106-го элемента – сиборгия. 
 
Сегодня стало известно, что Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) внесет 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 в прошлом году вышло на страницах нашего журнала.
 
Юрий Цолакович, как же открываются новые сверхтяжелые элементы? 

Здесь уместным 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 1913 году 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 в 100 тысяч раз большем, 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 км – NS). Первый вопрос – насколько устойчива эта конструкция? До каких атомных номеров она работает? Оказалось, что 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 вопрос ставится 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, нам 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 году 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. 

Академик Оганесян: «Не надо путать премию и работу»

Согласно Бору и Уиллеру, от деления уран предохраняет потенциальный барьер высотой около 6 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 – очень 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 очень быстро приведет к столь малому времени жизни, что понятие атома потеряет смысл: ядро распадется раньше, чем вокруг него возникнут электронные орбиты. По теории, без барьера деления ядро поделится на два осколка за время около 10-19 секунды! 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! 

Деление атомных ядер на основе капельной модели ядра. Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (а) с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики. При захвате нейтрона устойчивость такой заряженной капли нарушается, ядро приходит в колебания – попеременно то вытягивается, то сжимается. Вероятность деления ядер определяется энергией активации – минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра. При энергиях возбуждения меньших, чем энергия активации деления, деформация ядра-капли не доходит до критической (б), ядро не делится и возвращается в основное энергетическое состояние, испустив ?-квант. При энергиях возбуждения больше энергии активации деления деформация капли достигает критического значения (в), образуется и удлиняется «перетяжка» в капле (г), после чего наступает деление (д).
Деление атомных ядер на основе капельной модели ядра. Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (а) с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики. При захвате нейтрона устойчивость такой заряженной капли нарушается, ядро приходит в колебания – попеременно то вытягивается, то сжимается. Вероятность деления ядер определяется энергией активации – минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра. При энергиях возбуждения меньших, чем энергия активации деления, деформация ядра-капли не доходит до критической (б), ядро не делится и возвращается в основное энергетическое состояние, испустив ?-квант. При энергиях возбуждения больше энергии активации деления деформация капли достигает критического значения (в), образуется и удлиняется «перетяжка» в капле (г), после чего наступает деление (д).

Такая ситуация продолжалась до 1962 года. Именно тогда мы – в том числе и 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, что мы имели дело с 95-м элементом, который был так же хорошо известен, как и 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, что 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, что 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 пятнадцати 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 вправду не лучшее для науки. Задерживали зарплату, ввели жесткие лимиты на электроэнергию и пр. 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 году 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 очень 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-ый), кюрия (96-ой), берклия (97-ой), калифорния (98-ой). 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 стоит 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 т. д. 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, и 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 сейчас что-нибудь сказать о практическом применении результатов этих исследований? 

Это интересный вопрос, но тут следует кое-что прояснить. Мне кажется, что в настоящее время 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 – это 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. Очень часто именно таким образом и открывается неожиданная практическая польза, о которой вы говорите. 

Изменение полной энергии ядра в зависимости от деформации в модели жидкой капли (штриховая кривая) и с учетом оболочечных эффектов (сплошная кривая): 1 - быстрое деление; 2 - запаздывающее деление; 3 - деление из изомерного состояния; 4 - спонтанное деление.
Изменение полной энергии ядра в зависимости от деформации в модели жидкой капли (штриховая кривая) и с учетом оболочечных эффектов (сплошная кривая): 1 - быстрое деление; 2 - запаздывающее деление; 3 - деление из изомерного состояния; 4 - спонтанное деление.
 

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? Как вы относитесь к реформе РАН? 

Наука как таковая – российская или нероссийская – 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, чем 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 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, и заниматься ею надо с полной отдачей своих сил и способностей. Печально, что правительство не может осознать, что вложения в науку так же важны, как и вложения в защиту Родины, в экономику. 

 
Каково ваше отношение к Нобелевской премии, ведь именно вас чаще всего называют наиболее вероятным кандидатом на ее получение от нашей страны в ближайшие годы? 

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 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! 

Интервью

Naked Science Facebook VK Twitter
21.4K
Cсылки по теме
Комментарии

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку