Нобелий точно взвесился

Загадки строения материи, попытки проникнуть в тайны атома, синтезировать новые элементы и разобраться в закономерностях природы вплоть до уровня элементарных частиц всегда будут привлекать внимание и ученых, и обывателей. Несмотря на большие успехи, достигнутые физикой за XX век, как в теории, так и в практической части науки о сверхтяжелых элементах остается немало белых пятен. Одно из них смог ликвидировать международных коллектив авторов, которому удалось с высокой точностью определить массу элемента номер 102 ― нобелия. Их исследование публикует Nature.

О проведенной работе корреспонденту «Газеты.Ru» рассказал один из ее авторов, кандидат физико-математических наук, заместитель директора Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне Андрей Попеко.

Измерение массы ядер и атомов ― это очень трудная во всех отношениях задача ― и технически, и научно, и методически. Дело в том, что масса атома не равна сумме масс строительных блоков, из которых он состоит, ― протонов, нейтронов и электронов. Эта разница ― энергия связывания ― является проявлением знаменитой формулы Эйнштейна E = mc². Энергия связывания определяет энергию, которая может высвободиться в результате химической или ядерной реакции либо радиоактивного распада. Она определяет все свойства атомов и ядер и может дать ответ на вопрос, насколько тяжелыми элементы вообще могут быть.

Однако определить эту энергию, то есть соответствующую ей массу связанных частиц, очень сложно даже для ядер, которые живут относительно долго ― минуты, часы, и, более того, это непросто даже для стабильных ядер.

Продвинуться в область определения массы ядер, которые живут секунды или доли секунды (к таким элементам как раз относится нобелий ― предпоследний элемент второго ряда f-элементов ― актинидов), до этого эксперимента не удавалось. Правильнее сказать, эти массы не удавалось измерить с необходимой точностью.

Почему необходимо знать массы ядер с очень высокой точностью? На современном этапе точных теорий строения ядра просто не существует. Есть только модели, описывающие эксперименты с той или иной степенью точности. Следовательно, массы ядер также не удается рассчитать с удовлетворительной точностью.

Данные о массе частниц необходимы, чтобы проверить пригодность той или модели, оценить достоверность теории или предсказать возможность синтеза новых ядер.

Опубликованное сегодня в Nature исследование проводилось в Германии, оно выполнялось в течение долгого времени очень большим международным коллективом авторов. С российской стороны представлен Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) и Петербургский институт ядерной физики (ПИЯФ, Гатчина). Основная часть коллектива ― это немцы, и немецкая же сторона понесла основную часть материальных затрат.

Почему были выбраны именно два изотопа нобелия? Знать массу изотопов нобелия ― элемента номер 102 ― важно, чтобы точно определить массу более тяжелых ядер. Напрямую оценить их, как уже говорилось, очень и очень сложно. Однако, например, 112-й элемент при радиоактивном распаде испускает альфа-частицы (ядра атома гелия, элемента с порядковым номером 2), то есть образуется элемент с порядковым номером на два меньше ― последовательно 110, 108, 106, 104 и, наконец, 102. Масса альфа-частицы известна с высокой точностью, энергию альфа-распада тоже можно хорошо измерить. Поэтому, определив точно массу 102-го элемента, мы можем сделать значительно более точные заключения о массе 112-го элемента. Другие способы дают только очень грубые оценки.

Мы шли к этой работе очень долго. Сам по себе эксперимент не очень длителен, но подготовка к нему заняла несколько лет. Это процессы настройки сложной аппаратуры, выбор оптимального режима ее работы.

Аппаратура для эксперимента фактически представляет собой несколько отдельных сегментов. Во-первых, изотопы получают в ядерных реакциях на ускорителях, наша система работает на линейном ускорителе UNILAC в Дармштадте. Необходимые для эксперимента ядра нобелия получаются при облучении мишени из свинца-208 ионами кальция-48. При этом образуется примерно 1000 атомов нобелия в час.

После этого смесь продуктов реакции проходит через уникальный сепаратор SHIP, на котором в свое время были открыты элементы 107―112.

Нужные изотопы необходимо очистить от мешающих дальнейшему эксперименту побочных продуктов как можно лучше. Затем очищенные от примесей атомы нобелия попадают в устройство-приемник ― тоже уникальный прибор. Из него частицы переходят в специальную ловушку частиц. В этой ловушке создаются электрические и магнитные поля особой конфигурации. Основное поле создается сверхпроводящим магнитом. По частоте вращения частиц можно определить их массу. На словах это выглядит просто, на самом деле это дорогая и сложная прецизионная аппаратура, отладка которой представляет собой отдельную технологическую задачу.

Примененный метод определения массы на сегодняшний день является самым чувствительным и точным для короткоживущих ядер. Другие методы проигрывают ему в тысячи раз и по чувствительности, и по точности.

Собственно работа не заканчивается публикацией этой статьи. Сейчас ясно, как работает аппаратура, что можно улучшить, чтобы определить массы других элементов. Планируется измерить как можно больше масс ― все что возможно. Это будут 103-й (лоуренсий), 104-й (резерфордий), 105-й (дубний) и, может быть, 106-й (сиборгий). Выше подняться вряд ли удастся из-за того, что вероятность образования более тяжелых ядер в реакциях очень мала ― несколько событий в сутки, в неделю. Пока не хватает чувствительности.