Нобелий точно взвесился

Физикам-ядерщикам удалось определить точную массу 102-го элемента ― нобелия

Физикам-ядерщикам удалось определить точную массу 102-го элемента ― нобелия. Это открытие, возможно, позволит уточнить достоверность теории строения атомных ядер. Кроме того, проведенный эксперимент позволяет с высокой точностью оценить массы более тяжелых неустойчивых элементов ― вплоть до элемента номер 112.

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.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2804790",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_3322643_i_1"
}

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.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "883353",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_3322643_i_2"
}

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.

В ОИЯИ (Дубна) были открыты восемь химических элементов

В 1964 году в Объединенном институте ядерных исследований был открыт элемент номер 104 (резерфордий), в 1967 году - дубний (номер 105), в 1976 году - году - борий (номер 107). В 1999 году в Дубне было зарегистрировано открытие унунквадия (номер 114), в 2000 - унунгексий (номер 116), в 2002 году - унуноктий (номер 118), в 2003 году - унунтрий и унунпентий (номера 113 и 115).

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.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3271766",
    "incutNum": 3,
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3322643_i_3"
}

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.