Российские физики готовятся нарушить фундаментальный закон природы

Циклотрон ДЦ-280, который называют фабрикой сверхтяжелых элементов, официально запущен на днях в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Ученые планируют синтезировать на нем 119-й и 120-й элементы периодической таблицы Менделеева, исследовать химические свойства ранее открытых — последних — элементов седьмой группы.

Фабрика новой химии

Ускоритель ДЦ-280 запустили в Дубне 25 марта в присутствии представителей 18 государств — участников ОИЯИ, а также министра науки и высшего образования Михаила Котюкова. Название составлено из первых букв слов "Дубна" и "циклотрон". Установка предназначена для открытия совершенно новых химических элементов, не существующих в природе.
"Это новый ускоритель, фабрика сверхтяжелых элементов. По параметрам, по интенсивности она превосходит все, что сегодня есть в мире в этой области. Это открывает новые возможности и в синтезе новых элементов, и в изучении их свойств", — рассказал журналистам Сергей Дмитриев, директор лаборатории ядерных реакций ОИЯИ.

В этой лаборатории, считающейся мировым лидером по синтезу новых химических элементов, открыты все сверхтяжелые ядра, начиная со 114-го. В честь города физиков назван 105-й элемент — дубний, в честь основателя лаборатории Георгия Флерова — 114-й элемент, флеровий. Следующий получил имя московий, а 118-й элемент, оганесон, увековечил выдающийся вклад в его открытие академика Юрия Оганесяна.

Научный руководитель лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Юрий Оганесян рассказывает о научных задачах ускорителя ДЦ-280 и судьбе таблицы Менделеева. Дубна, 25 марта 2019 года

Оганесон на сегодня — самый тяжелый из выявленных экспериментально химических элементов, но на нем периодическая таблица не заканчивается.

Ученые убеждены, что откроют еще два. Для этого и построили ускоритель, в котором будет рождаться на порядки больше сверхтяжелых элементов, чем на установке предыдущего поколения (У-400). Там атом 118-го элемента образуется в среднем раз в месяц. Это слишком мало, чтобы его изучить. На ДЦ-280 можно получить сотню. Образно говоря, от штучных экземпляров ученые переходят к фабричному производству.

Когда проект задумывался, физики изучили весь мировой опыт, в первую очередь линейные ускорители. Поняли, что можно сделать более компактную установку быстрее и дешевле. К работам приступили в 2011 году. Проект обошелся в шестьдесят миллионов долларов, что на порядок дешевле западных комплексов.

Ускоритель ДЦ-280 полностью спроектирован и рассчитан сотрудниками лаборатории ядерных реакций под руководством Георгия Гулбекьяна. Многие ключевые элементы изготовлены странами — участницами ОИЯИ: Болгарией, Украиной, Словакией, Чехией, Польшей, Румынией.

"Такие комплексы создаются минимум на двадцать лет. Это означает, что у наших молодых коллег по меньшей мере на двадцать лет вперед не только определена научная программа, но и создана экспериментальная база", — подчеркнул Дмитриев.

Какой атом синтезируют первым

"Частицы сначала нужно ионизовать. Это первая стадия. Затем их необходимо вывести из источника ионов по длинной магистрали в центр ускорителя и дальше до конечного радиуса — цикл завершен. Этот важный тест на правильность конструирования магнитного поля состоялся 26 декабря.

Следующий шаг — частицы удалось с радиуса отправить наружу и подать в канал, который ведет пучок к экспериментальным установкам", — объяснил журналистам Андрей Попеко, заместитель директора лаборатории ядерных реакций.

По словам ученых, установка полностью собрана — за исключением детекторов — и готова к работе. Отладка и проверка займут несколько месяцев.
Первые эксперименты на ДЦ-280 планируются на конец года: на циклотроне ядрами титана будут обстреливать ядра берклия. Обе частицы представляют собой ионы с положительным зарядом — их предварительно лишили электронов. Они стремятся оттолкнуться друг от друга, и сила отталкивания — кулоновский барьер довольно велик.

Чтобы его преодолеть, ядра титана разгоняют сильными магнитными полями до одной десятой скорости света — но не больше, иначе энергия частиц просто разрушит мишени, и слияния не произойдет.

От столкновения титана (в его ядре 22 протона) с берклием (97 протонов) должен родиться 119-й элемент. Если взять в качестве мишени более тяжелый элемент — калифорний с номером 98, следует ожидать синтеза 120-го элемента. Именно этот элемент рассчитывают открыть первым, поскольку изотоп калифорния-251 уже подготовлен американскими коллегами из Национальной лаборатории в Ок-Ридже.

Хотя на практике не все так просто, на поиск ядер и реакции, в которой образуется новый сверхтяжелый элемент, могут уйти годы.
Оба пока гипотетических элемента — 119-й и 120-й — проживут очень мало, поскольку находятся в стороне от "острова стабильности". Так называют группу сверхтяжелых элементов с необычно большим временем жизни.

Когда закончится таблица Менделеева

Академик Юрий Оганесян говорит, что сейчас ученых интересует не столько открытие новых сверхтяжелых элементов, сколько изучение свойств уже полученных, в частности 118-го.

Он замыкает 18-й ряд, заполненный благородными газами, и логично предположить у него такие же свойства, но есть указание на то, что, в отличие от соседей, оганесон будет все-таки как-то вступать в химические реакции.
Однако у 118-го элемента слишком малое время жизни. Чтобы его изучить, нужно придумать совершенно новую методику. На ДЦ-280 пока будут исследовать коперниций, флеровий, московий.

А что дальше? Сколько всего химических элементов? Начиная с какого атомного номера перестанет действовать периодический закон Менделеева? Учитывая, что 2019 год посвящен 150-летию открытия русского ученого, этими вопросами сейчас активно задаются многие.

Не исключено, что с увеличением атомного номера элемента граница между группами будет стираться и в конце концов исчезнет. Но это пока гипотеза, подтвердить или опровергнуть которую способен только эксперимент.

источник