Сиборгий - фотографии (перейти)>>>
      

В 1974 г. число химических элементов, известных человечеству, увеличилось еще на единицу. Их стало 106.

Между открытиями 104-го и 105-го элементов прошло шесть лет, между 105-м и 106-м – четыре года, и были основания считать, что скоро появится очередной новый элемент. Причины этих оптимистических надежд будут объяснены чуть позже. Здесь же укажем лишь на одну из них, самую главную: появился новый подход к проблемам ядерного синтеза, новый метод – тот самый, с помощью которого открыт элемент №106.

106-й – не итог, 106-й – следствие. Поэтому воздержимся от восторженных криков типа «найден еще один элементарный кирпичик мироздания», и «ура первооткрывателям». Попробуем разобраться, почему так трудно дается каждый очередной шаг в далекую трансурановую область и каковы истоки нынешнего сдержанного оптимизма физиков.

Summary

Почти каждая научная статья, написанная на английском языке, начинается с этого слова. Иногда оно не пишется – подразумевается, тогда на помощь приходят типографские шрифты. Иным шрифтом, не тем, которым печатается статья в целом, выделяют это самое summary – резюме, итог, краткую сводку наиглавнейшего.

Для элемента №106 summary, вероятно, должно бы выглядеть так:

«В 1974 г. появились сообщения о синтезе изотопов 106-го элемента с массовыми числами 259 и 263. Первый из них получен в ядерной реакции нового типа при слиянии ядер свинца и хрома с последующим испусканием всего двух или трех нейтронов. Этот изотоп наряду с альфа-распадом испытывает спонтанное деление с периодом полураспада около 7 миллисекунд.

Второй изотоп получен в классической реакции на тяжелой мишени (калифорний), бомбардировавшейся ионами кислорода-18. Период полураспада этого изотопа 0,9±0,2 секунды, энергия альфа-излучения 9,06±0,04 МэВ».

По приведенным характеристикам нетрудно догадаться, где какой изотоп получен. Регистрация новых ядер по спонтанному делению – метод и прерогатива Лаборатории ядерных реакций в Дубне; регистрация по альфа-излучению и дочерним продуктам – метод и критерий открытия для Лоуренсовской лаборатории в Беркли. (Впрочем, к работе по синтезу элемента №106 в США были привлечены специалисты еще одной лаборатории, тоже носящей имя изобретателя циклотрона Э. Лоуренса и тоже расположенной в штате Калифорния, но в другом городе – Ливерморе.) Первое сообщение об американской работе датировано сентябрем 1974 г.

Здесь позволим себе небольшое авторское отступление, но перед этим – еще одно замечание, важное для summary; химические свойства 106-го элемента пока не исследованы ни в СССР, ни в Америке. Поэтому о химии этого элемента говорить рано. По местоположению в таблице Менделеева 106-й элемент – экавольфрам. Значит, в чем-то он будет подобен вольфраму.

Авторское отступление

В мае 1974 г. корреспондент журнала «Химия и жизнь» в очередной раз приехал в Дубну. Приехал за статьей об антитритоне – самой тяжелой античастице, полученной физиками Дубны и Серпухова. Следовательно, путь мой лежал в ЛЯП, а не в ЛЯР. (ЛЯП – Лаборатория ядерных проблем, ЛЯР – Лаборатория ядерных реакций, где и занимаются синтезом новых элементов). Но в ЛЯР, конечно, я тоже зашел.

В лаборатории царило нервное возбуждение.

Долгий опыт общения с этой «фирмой» подсказывал: что-то случилось. И точно – один из старых знакомых шепнул, что, кажется, 106-й получился, но ни о каких подробностях он не может рассказывать.

– А кто может?

– Только Г.Н.

И я отправился к Георгию Николаевичу Флерову – академику, лауреату и проч. и проч., директору лаборатории. Логично было предположить, что общее нервное возбуждение, царившее в лаборатории, распространялось и на его кабинет. А может именно оттуда исходило. Поэтому меня не удивило, что на этот раз Г.Н. встретил не слишком приветливо.

– Здравствуйте, не совсем вы вовремя, у меня всего несколько минут.

– Георгий Николаевич, агентура донесла, что у вас 106-й элемент открыли. Это правда?

– Правда, но пока это не для печати, нужно кое-что проверить, кое в чем утвердиться. Вернемся к этому разговору через месяц.

– Но скажите хоть в какой реакции.

– Ничего не скажу, рано, – чуть помолчал и добавил, подтрунивая: – В реакции, придуманной в группе Оганесяна.

– Все ясно, – ответил я, – спасибо за исчерпывающую информацию.

Действительно этой фразой Г.Н. сказал многое.

По прошлым посещениям лаборатории я знал (в том числе и от самого Флерова), что синтезом 106-го элемента в лаборатории занимаются две группы. Группа Виктора Друина пытается получить его в классической ядерной реакции, бомбардируя кюриевую мишень ионами неона (атомный номер кюрия 96, неона – 10; 96 + 10 = 106). Группа Юрия Оганесяна шла другим путем, запретным с точки зрения большинства теоретиков. Оганесян, Демин и их товарищи хотели получать новые элементы из стабильного свинца, используя очень тяжелые ионы-снаряды, в данном случае – хром.

Флеров, кажется, и сам не очень верил в эту затею, но часы работы на циклотроне отпускал достаточно щедро. И главное, на всех семинарах и обсуждениях он брал на себя роль критика-скептика, «адвоката дьявола», помогая тем самым своим ученикам нащупать верный путь. Когда-то И.В. Курчатов этим же методом направленных придирок помог своим ученикам К.А. Петржаку и Г.Н. Флерову открыть спонтанное деление [1].

И вот 106-й, кажется, состоялся. И – в «реакции группы Оганесяна». Значит, вопреки прогнозам теоретиков. Значит, есть некий конфликт, столкновение идей и про 106-й можно будет написать интересно.

Располагая такой изначальной информацией, заманчиво было выяснить и все остальное... Выяснить и – отложить блокнот с интереснейшими записями в дальний ящик стола, ибо существует профессиональная журналистская этика, и популярные статьи не должны появляться раньше научных.

Диалог у школьной доски

Если театр начинается с вешалки, то ЛЯР, безусловно, с коридора. В лаборатории есть и конференц-зал, и рабочие комнаты, и большой тронный (циклотронный) зал, и зал малого циклотрона, и залы поменьше – для пультов управления, и кабинеты... И все же главный дискуссионный клуб ЛЯРа – его коридоры.

В коридоре второго этажа, посредине, висит на стене школьная доска. Предназначена она в основном для оперативного оповещения о существенных событиях в жизни ЛЯРа. И она же – своего рода фехтовальная дорожка на случай, если у коллег во время коридорных дискуссий возникает необходимость скрестить шпаги математических выкладок.

Сколько шальных и блестящих идей родилось и умерло в этих коридорах! Скольким «невеждам» растолковывали здесь азы и тонкости ядерного синтеза и сам Георгий Николаевич, и многие его сотрудники...

В тот майский день, когда Г.Н., сам того не желая, одной фразой сказал многое, основные (для меня) события развернулись опять-таки в коридоре. Выйдя от академика, я, конечно, решил отправиться к главным виновникам событий – тем, кто «поймал» новый элемент. Но, прежде чем идти к ним, нужно было подумать, повспоминать, и я пошел по коридору.

Навстречу шел Оганесян. Мы почти одновременно сказали: «Привет», и тут же он осведомился: «Тебя пригласил Флеров?!»

– Нет, просто так – был рядом.

– Ну и как?

– Наверное, неплохо. Так, значит, на свинце получилось?

Это было скорее утверждение, чем вопрос. Оганесян кивнул, считая, что раз уж главное мне известно, то можно заинтересованному собеседнику рассказать и некоторые частности. Правда, и он оговорил, что все рассказываемое пока не для публикации.

Тогда я и узнал, что уже «наловили» несколько десятков новых ядер, живущих лишь миллисекунды и делящихся спонтанно (хотя альфа-распад они тоже испытывают). Что ради этого пришлось делать новую экспериментальную установку с быстро вращающейся свинцовой мишенью, окруженной почти замкнутым кольцом слюдяных детекторов. Самым неожиданным (для меня, но не для Оганесяна) оказалось то, что ядерные слитки на основе свинца, остывая, выбрасывают меньше нейтронов, чем продукты обычных ядерных реакций. Новый излучатель образовывался так: ²⁰⁷₈₂Pb + 54₂₄Cr → ²⁵⁹106 + 2¹₀n. Реакция показалась мне странной, и я пустился в дискуссию:

– Как же так? Обычно испускается 4...5 нейтронов, иначе не снимешь энергию возбуждения. Сами мне втолковывали когда-то, что нейтрон уносит в среднем 10 МэВ. Так что же, здесь она в два-три раза меньше, чем обычно? И это при стрельбе более тяжелыми ионами?! Выходит, что энергия возбуждения ядерного сплава свинца и хрома составляет всего 20 МэВ. Неправдоподобно мало!

Рис. 14. Схема экспериментальной установки, на которой открыт 106-й элемент. Быстро вращающаяся с постоянной скоростью цилиндрическая камера, наружная поверхность которой покрыта тонким слоем моноизотопного свинца. На эту свинцовую мишень под определенным углом направляли пучок ускоренных в циклотроне ионов хрома, За то время, какое «живет» ядро 106-го элемента, участок мишени успевает выйти из-под ионного пучка, и осколки деления летят на слюдяные детекторы, которыми окружена мишень. Потом следы деления дополнительно протравливают и по числу треков на разных детекторах вычисляют период полураспада

– А оболочечные эффекты? – спокойно отпарировал Оганесян. – Ядра свинца – магические ядра. В них целиком заполнены протонные оболочки, оттого эти ядра представляют собой как бы упроченную конструкцию. Ядру-снаряду приходится затратить слишком много энергии на вторжение в магическое ядро. Потому энергия возбуждения «ядерного сплава» свинца с чем-либо меньше, чем обычно.

– Но если оболочечные эффекты и правда так сильны, то тогда свинцовые мишени – это, можно сказать, физический Клондайк? Обстреляв свинец марганцем, получаем 107-й элемент, железом – 108-й, кобальтом – 109-й и так далее. Ну, а если 32-м элементом – германием, то вот вам, пожалуйста, и «долгожитель с острова стабильности» – элемент №114?

– Насчет Клондайка, это слишком. Мы пока не знаем, где предел возможностей этих реакций. Барьер может быть слишком велик – кулоновский барьер отталкивания одноименно заряженных ядер. Но получать 107...108-й элементы в подобных реакциях скоро будем пытаться...

Первое сообщение об открытии 106-го элемента было сделано Г.Н. Флеровым на сессии Ученого совета Объединенного института ядерных исследований 27 мая 1974 г. Первая статья о синтезе в Дубне изотопа ²⁵⁹106 датирована 11 июля того же года. К тому времени было зарегистрировано более 60 спонтанно делящихся ядер с периодом полураспада около 0,007 секунды.

Аргументы физиков

Почему были уверены, что эти ядра – новые? Во-первых, потому, что ни одно из известных прежде спонтанно делящихся ядер не имело подобных характеристик. Во-вторых, потому, что изменение условий реакции – замена изотопа свинца в качестве мишени или изотопа хрома (бомбардирующего снаряда) – исключало наблюдавшийся эффект. Никто, конечно, не считал напрямую – это невозможно, – сколько протонов содержится в новых ядрах. В экспериментах регистрировали лишь осколки спонтанно делившихся ядер. Однако оснований полагать, что эти осколки чуть раньше составляли ядра 106-го элемента, было более чем достаточно.

Для синтеза и «ловли» осколков сконструировали специальную установку. Она достаточно проста: вращающийся с постоянной скоростью полый цилиндр, покрытый снаружи тонким слоем моноизотопного свинца. На эту мишень и направляют под определенным углом пучок ускоренных в циклотроне ионов хрома. За то время, какое «живет» ядро 106-го элемента, участок мишени успевает выйти из-под ионного пучка, и осколки летят на слюдяные детекторы спонтанного деления, которыми окружена мишень. Потом следы осколков дополнительно протравливают и по числу треков на разных детекторах определяют период полураспада...

Мысль о том, что оболочечные эффекты, действующие в «магических» и «околомагических» ядрах, могут помочь нуклеосинтезу, разумеется, требовала и теоретического обоснования, и экспериментальной проверки. Поэтому один из теоретиков – А.С. Илышов заранее скрупулезно высчитывал вероятности образования новых ядер и величины барьеров, стоящих на пути синтеза.

Расчеты говорили, что стоит пробовать. Первой такой пробой, моделью будущих синтезов, должно было стать получение новым методом какого-либо известного изотопа. Но какого?

Во-первых, это должен быть хорошо изученный и спонтанно делящийся изотоп. Спонтанное деление – любимый конек, регистрация его осколков для дубненских специалистов – задача привычная и приятная. Во-вторых, должна быть принципиальная возможность получить этот изотоп в ядерной реакции между свинцом и ионом, значительно более тяжелым, чем использовавшиеся прежде, например с аргоном.

Была избрана реакция ²⁰⁸₈₂Pb + ⁴⁰₁₈Ar → ²⁴⁴₁₀₀Fm + 4¹₀n.

Свойства фермия-244, впервые полученного в США в 1967 г., хорошо известны. Ядра этого изотопа с вероятностью, близкой к 100%, испытывают спонтанное деление. Период полураспада – 3,3 миллисекунды.

Расчеты показали, что вероятность ядерной реакции Pb + Ar → Fm всего в 10 раз меньше, чем классической ядерной реакции с участием урана и кислорода. А раз так, то, располагая чувствительной аппаратурой, можно было приступать к эксперименту. Попробовали – получили спонтанно делящийся излучатель с периодом полураспада 4±0,5 миллисекунды. То, что надо! Модель работала, оболочечные эффекты ядер свинца помогли получить известный излучатель. За ним – еще несколько, тоже известных.

Вторым этапом работы стал синтез новым методом новых изотопов «старых» элементов. Здесь самыми интересными оказались опыты по синтезу нейтронодефицитных изотопов резерфордия – ²⁵⁴Rf, ²⁵⁵Rf и ²⁵⁶Rf. В качестве снарядов использовали ионы титана, мишени опять были свинцовыми. Главным результатом этого этапа оказался даже не сам факт получения трех новых ядерных разновидностей. Нанесенные на график величины периодов полураспада этих ядер по спонтанному делению коренным образом меняли представления о систематике времени жизни изотопов элемента №104. Объяснимы стали некоторые факты из прошлого.

Здесь нам, пожалуй, не обойтись без помощи графики. На рисунке внизу показана систематика периодов спонтанного деления для изотопов нескольких самых тяжелых элементов с четными номерами. По горизонтальной оси отложено число нейтронов в ядре, по вертикальной – периоды полураспада по спонтанному делению. Экспериментальные кривые – времена жизни изотопов элементов №98, 100 и 102 – образовывали подобие елки без ствола. Ствол, впрочем, можно провести, соединив высшие точки трех кривых. Что тогда мы увидим? «Ветвь» 102-го элемента расположена ниже «ветви» 100-го, а та, в свою очередь, ниже «ветви» элемента №98. Чем больше атомный номер элемента, тем меньше «живут» его изотопы – логично.

Рис. 15. Систематика периодов полураспада по спонтанному делению в логарифмической шкале – так расшифровывается обозначение у вертикальной оси lgT_1/2(sf) – для изотопов 98, 100, 102 и 104-го элементов. Сплошными линиями соединены экспериментальные точки. Пунктирная линия внизу – теоретические предсказания американского физика А. Гиорсо для изотопов 104-го элемента. Черные квадраты – экспериментальные данные для четно-четных изотопов резерфордия, светлые – для его нечетных изотопов. Как видим, эксперимент в очередной раз вступил в противоречие с теорией и опроверг основанные на ней прогнозы.

И автор этой систематики А. Гиорсо провел пунктиром еще одну «ветвь» – для элемента №104.

Когда в Дубне получили первые сведения о периодах полураспада изотопов 104-го элемента, их значения легли в стороне от логичной, но сугубо теоретической ветви. Тем не менее именно эта елочка стала для американских физиков главным основанием для того, чтобы считать период полураспада изотопа ²⁶⁰Rf, установленный в Дубне, завышенным и подвергать сомнению исследование в целом.

Но вот на ту же диаграмму легли новые экспериментальные точки, их соединили и увидели, что елки-то нет. У 104-го элемента с увеличением числа нейтронов в ядре растет стабильность, и если есть где-то максимум, за которым последует спад, то этот максимум, видимо, еще не достигнут, он где-то справа. А если так, то ствол аккуратной прежде елочки будет изогнут, как ножка боровика, выросшего под корнями дерева...

Эксперимент опроверг теоретическую систематику Гиорсо. В извечном противоборстве теоретиков и экспериментаторов последние, найдя новые факты, одержали еще одну победу.

Третьим этапом работы с «магическими» мишенями стал синтез нового изотопа нового элемента – 106-го. Когда и как его получили впервые, мы уже знаем, но был и второй эксперимент. Место действия – США, штат Калифорния.

Второй изотоп

В сентябре 1974 г. было опубликовано сообщение об открытии 106-го элемента в Соединенных Штатах Америки. Синтезировали изотоп ²⁶³106 при бомбардировке калифорниевой мишени на новом ускорителе «Суперхайлак». Характеристики этого изотопа приведены в начале статьи.

Не исключено, что для будущих исследований элемента №106 этот изотоп окажется более важным, чем ²⁵⁹106, потому что он живет значительно дольше. Но эта работа методологически традиционна. Хорошо, конечно, что удалось сделать мишень из калифорния; хорошо, что начал выдавать научную продукцию ускоритель «Суперхайлак», но синтез с использованием все более тяжелых мишеней – это в общем-то путь «вверх по лестнице, ведущей вниз». Метод, если и не исчерпал еще себя полностью, то близок к тому. Нужны были новые идеи, новые методы. И тот факт, что местом рождения (или месторождением?) этих методов и идей стала Дубна, знаменателен.

Несколько слов о реакции американских ученых на открытие 106-го элемента в Дубне.

Как и после открытия 104-го 105-го элементов, оппоненты из Беркли выразили сомнение в том, что новый элемент действительно открыт. Вновь, в который раз, был повторен старый и шаткий аргумент, что «по спонтанному делению ничего определить нельзя». Однако те же строгие и не вполне объективные критики отмечали, что новая работа Дубны очень интересна, что дубненская группа – «пионеры в использовании таких тяжелых ионов, которых еще никто никогда не ускорял и не использовал в ядерных реакциях». Более того, американские физики в своих публикациях указывали, что намереваются воспользоваться новым методом в своих будущих работах.

В первом сообщении о получении изотопа ²⁶³106 группа Гиорсо указывает, что она «решила пока воздержаться от предложений, как назвать 106-й элемент, до выяснения ситуации». Совсем новые мотивы в давнем трансураново-приоритетном споре...

Остается добавить немногое. К концу 1974 г. в Дубне наблюдали уже больше 120 ядер нового элемента. Установили, что в среднем два ядра из трех делятся спонтанно, а третье, испустив альфа-частицу, превращается в ядро резерфордия-255 с периодом полураспада около 4 секунд. Любопытно, что «дочернее» ядро тоже открыто в реакции «магического нуклеосинтеза».

Полагают, что во всей полноте возможности новой разновидности метода тяжелых ионов раскроются после пуска нового ускорителя тяжелых ионов – дубненского циклотрона У-400.

Сиборгий

(Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2002.)

Сиборгий (лат. Siborgium), Sg, читается «сиборгий», радиоактивный искусственно полученный химический элемент с атомным номером 106. Название дано в честь видного американского радиохимика, создателя актиноидной (актинидной) теории, первооткрывателя некоторых сверхтяжелых трансурановых химических элементов Глена Т. Сиборга.

Известны радионуклиды сиборгия с массовыми числами 259...261, 263, 265 и 266. Наибольший период полураспада имеет ²⁶⁵Sg (21 с, радиоактивен). Сиборгий принадлежит к числу трансактиноидных элементов, предположительно расположен в группе VIB, 7 периоде периодической системы.

Предполагаемая конфигурация трех внешних электронных слоев атома сиборгия:

5s² p⁶ d¹⁰ f¹⁴ 6s² p⁶ d⁴ 7s²

Возможные степени окисления +4 и +6 (валентности соответственно IV и VI). Предполагаемый радиус иона Sg⁴⁺ 0,086 нм. По оценке, стандартный электродный потенциал пары Sg⁰/Sg⁴⁺ 0,6 В. Предполагают, что сиборгий должен быть аналогом вольфрама и молибдена, и его высший фторид SgF₆ будет летуч.

История открытия

Первое сообщение о получении элемента №106 было сделано в 1974 в СССР группой Г.Н. Флерова в Дубне. Практически одновременно в США под руководством Г. Сиборга были выполнены работы по синтезу нуклида ²⁶³106. Название «сиборгий» утверждено для этого элемента в 1997 ИЮПАК.

¹ Подробнее об этом рассказано К.А. Петржаком в статье «Уран».