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...

4 мар 2015 Олег Овечкин Комментариев: 0
22K
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
22K
Комментарии

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку