Превращение элементов

Триумф советских физиков

Под руководством Г.Н.Флерова в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне за получение элемента № 104 взялась группа энергичных, настойчивых, инициативных и молодых учёных, среди которых были и физики, и механики, и представители других профессий. Путь их был неимоверно тяжёл, можно сказать, что это была добровольная каторга. Работы проводились на большом циклотроне, который за свои внушительные размеры был прозван одним из гостей «циклотропом».

Руководящих исходных данных для поисков почти не было. Существовала лишь одна гипотеза шведского учёного Юханнесена о том, что время жизни элемента № 104 должно составлять всего лишь 0,014 секунды.

Неуловимый миг, который, казалось, зафиксировать просто невозможно. Сама гипотеза не располагала к тому, чтобы полностью на неё положиться, но другой не было, и Флеров решил ею руководствоваться.

Легче всего получить новый элемент традиционным путём обстрела самого близкого по периодической системе соседа с несколько меньшим зарядом. Однако соседи в данном случае и сами появлялись на свет на такое короткое время и в таком малом количестве, что о традиционном методе и думать было нечего. Снова обратились к не раз уже выручавшему плутонию, решив воздействовать на него ионами неона. Расчёты показывали, что после слияния ядер этих элементов образуется ядро элемента 104, которое, конечно, самопроизвольно распадётся так быстро, что о его кратковременном существовании можно будет судить только по осколкам. Для регистрации осколков против мишени была расположена движущаяся лента — сборник. Скорость движения ленты выбрали с таким расчётом, чтобы за время предполагаемого распада только что родившееся ядро успело подойти к фиксирующим его деление стеклянным детекторам и своими осколками «процарапать» стекло, т. е., как говорят физики, оставить следы, треки, а потом эти следы надо найти, рассмотреть и изучить. Пойди, однако, найди их, если они короче длины световой волны! В электронный микроскоп такой след можно увидеть, но чтобы найти его, потребуются годы — ведь поле зрения у электронного микроскопа очень и очень мало. Совсем не радужная картина. И тогда вспомнили о химической обработке стекла. После лёгкого травления стекла в плавиковой кислоте следы от осколков выявлялись в виде лунок, в тысячу раз больших, чем их первоначальная величина, — искать их уже легче. Но почему выбрали для этой цели стекло, неужели нет ничего получше? Достоинство стеклянных детекторов в том, что они фиксировали лишь крупные осколки, никакие другие частицы — протоны, нейтроны, альфа-частицы — следов не оставляли. Стекло для детекторов требовалось особо чистое. Малейшая примесь урана могла сразу испортить результаты эксперимента. Наиболее подходящим было признано фосфатное стекло, полированное до умопомрачительной чистоты.

После решения этой проблемы много хлопот доставила конструкция ленты-сборника. Собственно говоря, не столь конструкция, сколь её материал. Традиционное в таких случаях золото никак для такой цели не подходило — слишком мала была его прочность. Рассчитанная скорость движения ленты достигала 110 километров в час, и этого не выдерживала даже нержавеющая сталь. После долгих и мучительных поисков подобрали, наконец, сплав на никелевой основе. Эксперимент был начат, но его результаты сразу повергли исследователей в отчаяние. Стеклянные детекторы регистрировали осколки ядер 102-го, 100-го, 95-го и других элементов, только никак не 104-го. Невообразимый фон, хор, из которого выделить нужный голос просто невозможно. Строго говоря, появлению такого фона надо было бы тоже порадоваться — ведь это то самое открытие, которого обычно не ждут. Оно говорило о том, что реакция идёт не так просто, как предполагалось, она, как говорится, не однозначна, могут наряду с ней существовать и многочисленные побочные. Это явление требовало — пожалуй, ещё и сейчас требует — весьма детального изучения, между тем основная цель поиска — 104-й элемент. Есть от чего опустить руки, но этого не произошло. Пришлось мастерить масс-спектрограф, который по размерам занял одну четверть циклотрона. Трудность была преодолена с большой затратой умственной и физической энергии исследователей. Казалось бы, теперь дело пойдёт, но физиков подстерегали новые неожиданности. Соблазнительно сосредоточить на них внимание, но, к сожалению, такой возможности у нас нет, к тому же они уже описаны другими авторами.

Откуда же всё-таки появился такой невообразимый фон? Ведь расчёты показывали, что при слиянии ядер плутония и неона образуется ядро 104-го элемента с выбросом нескольких нейтронов. Всё дело в том, что расчёты исходили из одного характера реакции, реальная же реакция пошла по иному пути. В одном случае при таком слиянии образовывался 102-й элемент, альфа-частица и нейтрон, в другом — 103-й (лоуренсий), протоны и нейтроны. Были и другие варианты, совсем уж, казалось бы, невозможные — на стекле обнаруживали следы более лёгких элементов. Последнее обстоятельство сыграло с исследователями шутку, которая чуть не привела их к ложным результатам.

Когда после долгих бессонных ночей молодые физики отрегулировали установку и запустили её, то вся лаборатория смогла предаться ликованию: на стеклянных детекторах начали появляться следы от осколков новообразованного элемента. Их было немного, но они были! И всё соответствовало тому периоду распада, что был предсказан Юханнесеном, т. е. 0,014 секунды. Но радость оказалась слишком преждевременной. Контрольные опыты не подтвердили, что физики имели дело с 104-м элементом. Странности начались, когда вместо плутония взяли уран, заведомо зная, что ничего получиться не должно, а результат был тот же — следы на стекле, свидетельствующие о периоде распада в 0,014 секунды. Заменили теперь уран бором, и тот же эффект. Казалось, что природа просто издевается над расчётами физиков. От таких «успехов» можно было полностью растеряться, и сказать, что уныние не заглядывало в лабораторию, было бы преувеличением. В конце концов рядом тонко поставленных опытов удалось выяснить, что виновником неожиданного эффекта является изотоп америция с массовым числом 242.

Откуда он взялся? Впрочем, это не сложный вопрос. На него ответ нашли быстро.

Уже говорилось о многообразии ядерных реакций, которые имели место при обстреле плутония ионами неона. При этом выбрасывались нейтроны, которые в свою очередь могли проникать в другие ядра плутония, и происходило образование америция.

Обескураживало физиков не появление этого элемента, а столь неправдоподобно быстрый, не укладывающийся в рамки всех предшествующих расчётов его распад.

Оказывается, здесь пришлось столкнуться с явлением, которое было открыто Флеровым и Петржаком много лет назад, когда они — помните? — работали в служебном помещении станции метро «Динамо», т. е. с самопроизвольным делением ядер тяжёлых элементов. Тогда это был уран, теперь же — америций. Физики знали, что акт такого деления чрезвычайно редок. Для америция-242 это деление ранее не наблюдалось, и по сложным расчетам выходило, что оно может происходить один раз в 10¹⁴ лет. Невообразимая редкость и многократное повторение одного и того же периода жизни — 0,014 секунды.

Есть от чего сойти с ума! Дело дошло до того, что один из исследователей, представляясь, назвал себя вместо Анатолия Америцием. Член-корреспондент АН СССР Д.И.Блохинцев, ознакомившись с результатами работ, проведённых молодыми физиками, и с их «америциевым тупиком», был восхищён открытием нового явления, но сказал, что они «нашли негра с белой кожей».

Работа продолжалась — упорная, тяжёлая, изнурительная. Гипотеза Юханнесена оказалась ошибочной, а период деления америция-242 совершенно случайно совпал с тем, какой предсказал ученый для 104-го элемента. Это и было причиной ошибочных результатов. От гипотезы Юханнесена пришлось отказаться, а повторяющиеся 0,014 секунды твёрдо закрепить за одним из изотопов америция. Условия опыта были таковы, что у этого изотопа, при других условиях распадавшегося за несравнимо более длинный срок, образовывалось изомерное, возбуждённое ядро. Он просто не мог из-за этого жить дольше.

Нечто подобное открыл И.В.Курчатов без малого за 30 лет до эксперимента в Дубне. Мы говорим «нечто» потому, что в Дубне разница между метастабильным и возбуждённым состояниями ядра оказалась неправдоподобно большой, у Курчатова она была куда меньше.

Один из английских физиков охарактеризовал это открытие примерно следующим образом: по сравнению с аномалией америция, перспективы исследования которой даже трудно представить, новый 104-й элемент не что иное, как трофей, повешенный на стену. Но этот трофей по-прежнему не давался в руки.

Только в 1964 г. после долгих трудов, преждевременной радости и горьких разочарований, неоднократных остановок и отступлений рождение 104-го элемента было безоговорочно, вне всяких сомнений зарегистрировано. Его получили не 17, как предыдущего 103-го, а целых 150 атомов. Целое состояние! Весь мир узнал об этом с большим удовлетворением, и в адрес Флерова посыпались восхищённые письма с предложениями имён для новорождённого.

Но почти два года он оставался без имени; более того, в соответствующую клетку менделеевской таблицы его заносить не торопились. Флеров воздерживался от этого, ожидая, что скажут химики. Ведь 104-й, как предполагалось, должен сильно отличаться от других заурановых элементов; очевидно, он — экагафний, но это надо было доказать.

За изучение химических свойств 104-го взялся чехословацкий учёный Иво Звара, окончивший Московский государственный университет. Можно представить себе, к решению какой задачи он приступил. За пять часов работы ускорителя в лучшем случае удавалось наблюдать образование лишь одного атома 104-го элемента. И жизни ему было отпущено совсем ничтожный срок. Правда, не 0,014 секунды, но и не намного больше — 0,3 секунды. То, что Иво Звара справился с почти неразрешимой задачей, заставляет восхищаться мужеством, самоотверженностью, беспредельной преданностью учёных науке и уровнем технического обеспечения современного научного эксперимента.

Иво Звара создал своеобразную методику «мгновенной химии», которую отрабатывал в течение четырёх лет. Если 104-й — не актиноид и принадлежит к соседней группе, то у него должны быть существенные отличия в соединении с хлором. Хлориды всех актиноидов нелетучи, и их легко отделить на фильтре от хлоридов IV группы, которые летучи. В приборе Иво Звары атомы 104-го выбивались из мишени и попадали в трубки, по которым шёл газовый поток, где он и тормозился. Газ прежде всего был чистым азотом, но в него добавлялись летучие хлориды элементов аналогов — старый принцип, разработанный ещё Жолио-Кюри, но не в жидкой фазе, а в газовой. Редкие атомы 104-го, попадая в поток, немедленно образовывали хлорид и в виде такого соединения устремлялись к счётчику самопроизвольного деления ядер. Чтобы повысить летучесть хлоридов 104-го, которая всё же ниже, чем у его аналогов, опыты велись при температурах порядка 300-350°, что требовало большой надёжности и коррозионной стойкости аппаратуры. Побочно образовавшиеся хлориды актиноидов легко задерживались специальными фильтрами, а 104-й достигал «места своего назначения» за время менее 0,1 секунды и сигнализировал там о своём присутствии, не допуская сомнений в том, что он не что иное, как экагафний, со всеми химическими свойствами, присущими IV группе.

Эпопея 104-го элемента была завершена, и Г.Н.Флеров мог без всяких колебаний дать ему название. Он написал: курчатовий.