Александър Карпов, научен секретар на Лаборатория за ядрени реакции “Н. Г. Фльоров” в гр. Дубна (Русия), споделя пред сп. Българска Наука детайли за дейностите и постиженията на учените от лабораторията.
Автор: Радослав Тодоров (Българска Наука)
Добре дошли в Наукоград Дубна
На 125 километра северно от Москва, сред обширни лесове и до брега на река Волга, лежи едно забележително градче, на име Дубна. То е известно най-вече с това, че там се намира основаният през 1956 г. Обединен институт за ядрени изследвания (ОИЯИ), наричан понякога и “руския ЦЕРН”, заради неговите мащаби и фундаменталното му значение за световната наука. Лабораториите и експерименталните установки на института се помещават в огромен комплекс от сгради, обхващащ площ колкото цял град, или както тук го наричат – Наукоград.
Една от тези лаборатории представлява особен интерес, поради невероятните експерименти и открития, които се извършват в нея.
Това е Лабораторията за ядрени реакции “Фльоров”, чиято основна дейност е синтезирането и изучаването на изключително тежки елементи, каквито иначе не можем да намерим тук на Земята. Тези елементи се наричат свръхтежки елементи и много от тях всъщност са открити именно в тази лаборатория.
През 65-годишната история на ОИЯИ учените са открили тук цели 10 от всички 118 елементи, които до момента са известни на науката. Това прави близо 10% от цялата периодичната система (или Менделеевата таблица) и всички те са открити в тази лаборатория.
Освен със свръхтежки елементи там се занимават също така и с изучаване на много леките елементи и по-точно – с някои доста странни техни изотопи. За целта те използват много солидни научни техники и научно оборудване – най-вече ускорители, всички от които са били проектирани, конструирани, оторизирани и експлоатирани от инженерите в Дубна.
Крайната цел на всичко това е един ден то да се превърне в приложна наука и новите открития и технологии в някакъв момент да бъдат инвестирани в ежедневния живот на хората.
В зората на Слънчевата система
И така основната насока на разработките в тази лаборатория са свръхтежките елементи и в частност – най-тежкият елемент, който се среща в природата – това е уран, с атомен номер 92. Като под “в природата” тук се има предвид тази, която непосредствено ни заобикаля тук на Земята и в нашата Слънчева система.
Някога в природата са съществували елементи, по-тежки от урана, но това е било преди милиони и милиарди години, когато нашата планета, Слънцето и другите планети още са се формирали. Животът на тези елементи обаче е бил краткотраен и те отдавна са се разпаднали. Всички елементи, по-тежки от урана, както и самият той, са радиоактивни, но той все още съществува, тъй като неговият живот е дълготраен – той може да съществува няколко милиарда години до неговото разпадане. Периодът на полуразпад при него е около 4.5 милиарда години, което е приблизително колкото възрастта на Слънчевата система. Тоест за това време половината от урана вече се е разпаднала, но все още имаме тук и сега другата половина от него.
Характерно за всички свръхтежки елементи е, че живеят много по-кратко от останалите. Някои от тях могат да живеят милиони години, някои – хиляди години, други – само няколко секунди или дори за части от секундата. Но всички те вече са се разпаднали и не могат да бъдат намерени в природата.
Затова изследователите от Лабораторията за ядрени реакции “Фльоров” се опитват да реконструират тези елементи, които са съществували в дълбоката древност, но са се разпаднали непосредствено след раждането на Слънчевата система, пресъздавайки в лабораторна среда екстремни условия, близки до тогавашните.
На лов за свръхтежки елементи
Всичките елементи, по-тежки от номер 100, започвайки от Менделевий (номер 102) и стигайки до най-тежкия известен досега – Оганесон (елемент 118), са получени чрез така наречените реакции на синтез.
И така, какво точно представлява това? За целта трябва да вземем две ядра от два съществуващи леки елемента, след което да ги приведем в контакт, така че те да се слеят като две капки течност и да образуват едно ядро, което след това ще бъде заобиколено от електрони и по този начин ще получим атом от нов елемент. Но вероятността такова нещо да се получи успешно далеч не е голяма.
Допреди петдесетина години предвижданията на учените са гласяли, че евентуалните елементи, по-тежки от номер 100, би трябвало да са с прекалено кратък живот за да се образува атом и поради тази причина това ще бъде краят на периодичната таблица.
Тогава обаче учените от ОИЯИ излизат с нова теория, според която ако вземем предвид, че ядрото е квантова система, така вече има възможност дори елементи, много по-тежки от естествения уран, да бъдат доста стабилни. По-специално, елементите около него в таблицата на изотопите, с брой протони около 114 и брой неутрони 184. В близост до тези две, така наречени магически числа, ще имаме регион, в който изотопите отново стават по-стабилни и с по-дълъг живот, този регион е наречен Остров на стабилност от свръхтежки елементи.
След появата на тази теория, в продължение на последния около половин век, всички ядрени лаборатории в света се впускат в опити да произведат тези свръхтежки елементи, в лабораторни условия. Първата, която успява е именно Лабораторията за ядрени реакции “Фльоров” в ОИЯИ, Дубна. Тя извършва първия успешен експеримент за синтез на свръхтежък елемент около този остров и той се случва през 1999 г., в последната година на изпълнения с технологични открития предходен век.
Оттогава в лабораторията са открити още 5 нови елемента от този остров. Това са елементите с номера 114, 115, 116, 117 и 118. Те са свръхтежки елементи и реално това са най-тежките елементи, които познаваме днес. Всички те са синтезирани в Дубна през периода от 1999 г. до 2016 г.
Как протичат експериментите
Всички тези елементи предизвикват инфузионни реакции, което означава, че имаме една частица и я привеждаме в контакт с друга. Едните наричаме лъчеви частици, тъй като те се ускоряват с ускорител и в случаите с най-тежките елементи използваме елемент номер 20, калций, като лъч. Много екзотичен изотоп на този елемент е калций 48, който е доста рядък и поради това експериментите с него са много скъпи. Други елементи, които може да се използват в реакцията като мишена са по-тежките от урана елементи.
По-специално за елемент номер 114 например учените от лабораторията използват калций и плутоний. Тъй като тези два елемента са изкуствени, те също трябва да се получат в лабораторни условия и могат да се произвеждат в много малки количества.
Така че всички части на експеримента са много специални, изисквайки работа с много редки материали, които да бъдат използвани много внимателно. От друга страна това изисква изграждането на изключително мощно оборудване и то не само за синтезирането на тези елементи.
За да продължат с откриването на нови елементи, учените трябва да изградят нови инструменти за целта. Понастоящем в института се разработва ново оборудване, нов ускорител, нови сепаратори, в някои случаи и дори нова експериментална методика, за да се стигне по-далеч с този нов ускорителен комплекс (т. нар. NICA – Nuclotron-based Ion Collider fAcility). Той представлява една своеобразна фабрика за свръхтежки елементи и е десетки пъти по-мощен от всичко, което е съществувало в света досега. В тази област на физиката това е съоръжение номер едно на планетата, тъй като е изключително специализирано само за изследване на свръхтежки елементи.
Кръщението на новите елементи
През 2016 г. тези елементи получиха и своите официални и международно признати имена. Някои от тях са свързани с тази лаборатория, като например Флеровий (flerovium), който е кръстен на Георгий Фльоров – велик учен, първи организатор и първи директор на лабораторията. Той е един от двамата изследователи, които са открили спонтанното делене като вид радиоактивност и затова сега лабораторията е кръстена на негово име, така че името на този елемент е в чест едновременно на самия него и на лабораторията, където този елемент е открит.
Друг елемент е кръстен Московий (Moscovium), както се подразбира – по името на мястото където се намира институтът, а именно в Московска област.
Тъй като ОИЯИ е международна и междуправителствена организация, която работи в колаборация, включително и с американски учени и лаборатории, то и САЩ са получили честта някои от тези елементи да носят имена, свързани с тях.
Така елементът Ливерморий (Livermorium) е кръстен на град Ливърмор в щата Калифорния и на Американската национална лаборатория, намираща се в този град, тъй като учени от там са участвали в експериментите, но пък самите експерименти отново са били правени в лабораторията “Фльоров”.
Подобно на това още един от тези елементи – Тенесин (Tennessine) е кръстен на щата Тенеси в САЩ, понеже там се намира Национална лаборатория Oak Ridge. А тази лаборатория дава много важен принос, предоставяйки целеви материал, използван за експериментите в Дубна.
И накрая идва ред на най-тежкия от всички елементи, който се явява последният елемент в седмия период на периодичната система и последният открит до момента от науката. Неговото име е Оганесон (Oganesson) с атомен номер 118 и е кръстен на руско-арменския учен Юрий Оганесян, лидер на експериментите, чрез които елементът е открит.
Това е вторият път в цялата история, когато химичен елемент е кръстен на все още жив човек. Първият е елемент 106 (Seaborgium), кръстен на изследователя Глен Сийборг (1912-1999) от лабораторията в Бъркли (САЩ). Това сега е вторият такъв случай, но в момента Оганесян е единственият жив човек в света, чието име носи химичен елемент от периодичната таблица. И макар и вече на 88-годишна възраст той продължава все така енергично да работи в ОИЯИ в търсене на нови свръхтежки елементи.
