“Остров относительной стабильности”

Известно, что ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. С 1940-х годов известно также, что сущность ядерных сил заключается в том, что протоны и нейтроны обмениваются пи-мезонами. Но как протоны и нейтроны расположены в ядре? Перемешаны ли они в беспорядке, или же у них существует четкая структура? Понятно, что внутри ядра действуют законы квантовой физики, и чтобы можно было их наглядно представить, физики создают различные модели ядра – аналогии между процессами в атомном ядре и процессами, привычными нам. Самой первой моделью, которая описывала атомное ядро, была так называемая капельная модель, в которой ядро рассматривалось как подобие капли жидкости, а ядерные силы, сжимающие ядро – как аналог сил поверхностного натяжения, удерживающих каплю.

Такая модель очень удовлетворительно описывала многие явления ядерной физики. Во-первых, исходя их нее, была выведена формула Вайцзекера, которая с очень высокой точностью давала значение энергии связи атомного ядра. Более того, была введена величина, связанная со скоростью движения нуклонов в ядре - аналог «температуры» жидкой капли. Легкие, стабильные ядра, по этой модели, напоминают твердые шарики, более тяжелые, радиоактивные ядра – напоминают капли жидкости – чем тяжелее, тем неустойчивее. Во время ядерных реакций энергия бомбардирующей частицы как бы переходит в «температуру» ядра – и ядро может «закипеть» и из него будут испаряться нейтроны (именно поэтому вылетают нейтроны, например, при реакциях синтеза сверхтяжелых элементов), а при избытке энергии ядро может превратиться в «газообразное состояние» - распасться на отдельные нуклоны. То есть во время ядерных реакций атомное ядро может пребывать в одном из трех «агрегатных состояний», аналогичных твердому телу, жидкости или газу. А аналогом четвертого агрегатного состояния – плазмы – в данном случае будет кварк-глюонная плазма – экзотическое состояние материи, которое, по прогнозам, должно будет получиться, если столкнуть лоб-в-лоб два атомных ядра на скоростях, почти равных скорости света.

Итак, «капельная модель» очень хорошо описывала многие явления в ядерной физике. Но начиная с некоторых пор она стала натыкаться на трудности.

Во-первых, согласно ядерной модели, устойчивость ядра должна непрерывно уменьшаться в зависимости от роста атомной массы и заряда ядра. Однако эта зависимость не является непрерывной.

Возьмите все стабильные изотопы – от водорода до свинца – и подсчитайте, сколько из них составляют четно-четные изотопы (то есть изотопы, у которых четное число нейтронов и четное число протонов), сколько составляют четно-нечетные изотопы (то есть изотопы, у которых четное число протонов и нечетное число нейтронов или наоборот), и, наконец, сколько среди них составляют нечетно-нечетные изотопы (то есть те, у которых нечетное число протонов и нечетное число нейтронов). И вы увидите, что большинство стабильных изотопов – четно-четные, значительно меньше – четно-нечетных, а вот нечетно-нечетных изотопа существует только 4 самых легких: дейтерий (²H), ⁶Li, ¹⁰B и ¹⁴ N. И всё. Известный пример: природный хлор имеет нецелую атомную массу 35,5, потому что состоит из двух стабильных изотопов с массами 35 и 37 в соотношении 3:1. А почему не может существовать стабильный изотоп хлора с атомной массой 36? А потому, что это был бы нечетно-нечетный изотоп (17 протонов и 19 нейтронов), который существовать не может. И среди радиоактивных изотопов четно-четные изотопы всегда устойчивее, чем нечетно-нечетные. Этого капельная модель объяснить не может.

Далее, оказалось, что точное значение энергии связи атомных ядер ненамного отличается от формулы Вайцзекера. Для ядер с числом протонов или нейтронов, равным 2 (гелий), 8 (кислород), 20 (кальций), 28 (никель), 50 (олово), 82 (свинец), 126 (число нейтронов в свинце и висмуте) энергия связи больше, чем предсказывает теория – то есть эти ядра более устойчивы. Если исходить из формулы Вайцзекера, то свинец и висмут не должны иметь стабильных изотопов, однако у них есть стабильные изотопы. И, напротив, в промежутках между этими вершинами находятся ядра с меньшей энергией связи, то есть менее устойчивые – таковы, например, технеций и прометий, не имеющие стабильных изотопов (а лантаноиды, находящиеся в таблице Менделеева рядом с прометием и платиновые металлы, находящиеся радом с технецием, так редки в природе - потому что их ядра также находятся в минимуме устойчивости). Если построить график зависимости таких отклонений от атомного номера элемента, то он будет похож на график зависимости потенциала ионизации атома от его номера в таблице Менделеева. «Странности» в поведении атомных ядер, которые невозможно объяснить с помощью капельной модели, оказываются легко объяснимы, если предположить, что свойства атомных ядер определяются… периодическим законом, аналогичным периодическому закону Д.И.Менделеева. И это легко объяснить: ведь и электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, и нуклоны, из которых состоит атомное ядро, относятся к одному и тому же классу частиц – фермионам, то есть подчиняются статистике Ферми-Дирака и принципу запрета Паули.

Отсюда была выведена оболочечная модель атомного ядра – что ядро, как и атом в целом, имеет оболочечное строение. Особой устойчивостью отличаются атомные ядра, содержащие 2-8-20- 28-50-82-114-126-164 протонов (то есть ядра атомов с таким порядковым номером) и 2-8-20-28-50-82-126-184-196-228-272-318 нейтронов, вследствие законченного строения их оболочек. Они являются как бы аналогами инертных газов – то есть обладают законченными оболочками. Изотопы, обладающие этими ядерными числами, называют магическими. Изотоп висмута ²⁰⁹Bi, имеющий 126 нейтронов, представляет такой магический нуклид. Сюда относятся также изотопы кислорода, кальция, олова. Изотопы обладающие как протонной, так и нейтронной магическими оболочками одновременно, называют дважды магическими. Таковыми являются: для гелия - изотоп ⁴Не (2 протона, 2 нейтрона), для кальция - ⁴⁸Са (20 протонов, 28 нейтронов), для свинца - ²⁰⁸Pb (82 протона, 126 нейтронов). Они отличаются совершенно особой прочностью ядра. Среди дважды магических можно выделить также радиоактивные изотопы ⁷⁸Ni и ¹³²Sn, которые играют большую роль в синтезе сверхтяжелых элементов.

Самый долгоживущий изотоп первого трансурана, элемента 93 - нептуний-237,- обладает периодом полураспада 2 100 000 лет; самый устойчивый изотоп 100-го элемента - фермий-257- только 97 дней. Начиная с 104-го элемента периоды полураспада составляют лишь доли секунды. Согласно капельной модели, для следующих элементов периоды полураспада должны сократиться до тысячных долей секунды, поэтому обнаружить их будет невозможно. Однако при синтезе оказалось, что эти изотопы намного устойчивее, чем ожидалось – могут жить целые секунды, а некоторые (например, ²⁶⁷Ns и ²⁶⁸Ns)  - и несколько часов. Капельная теория ядра при таких фактах приходит в полнейший тупик. А вот оболочечная модель ядра объясняет: дело в том, что ядро, в котором должно быть 126 протонов, будет намного более устойчивым, чем ему положено быть по капельной теории – его протоны и нейтроны способны собраться в устойчивую структуру. Более точные расчеты на ЭВМ показали, что для протонов «магическое число» будет равно не 126, а 114. Дважды магическое ядро, содержащее 114 протонов и ближайшее магическое число нейтронов – 184 – то есть ядро с зарядом ядра 114 и атомной массой 298 – сможет иметь время жизни до 100 миллионов лет. И приближающиеся к нему ядра будут иметь большую устойчивость. Поэтому элемент номер 114 был назван «островом относительной стабильности». С тех пор, как теория предсказала его существование, лаборатории всего мира стали охотиться за тем, чтобы достичь этого «острова» первыми.

Современная экспериментальная техника пока еще не дает возможности получить ядро ²⁹⁸114, но советским физикам удалось первыми «высадиться» на отмели этого «острова стабильности» и доказать, что он существует. В 1998 году был получен элемент 114 – с количеством нейтронов несколько меньшим, чем нужно -  но и такой изотоп оказался более устойчив, чем его соседи – он жил целых 30 секунд. В последующие годы были получены элементы с номерами 116 и 118 – они оказались менее устойчивыми, чем 114-й – значит, именно 114-й и является центром острова стабильности. В 2003-204 годах десант на «остров относительной стабильности» был выброшен с третьей стороны – в Дубне получены сверхтяжелые изотопы нильсбория, живущие несколько часов. Стало ясно, что «остров стабильности» существует, поэтому есть смысл тратить силы на его поиски.

Однако проблема в том, что нынешняя техника, рассчитанная на получение сверхтяжелых элементов в количестве единичных атомов, уже не справится с задачей их получения. Сегодня полученные сверхтяжелые элементы обнаруживают по их распаду. Это нетрудно, когда время жизни составляет секунду плюс-минус два порядка. Если же эти атомы будут иметь время жизни много лет, то для того, чтобы их обнаружить, надо их получать в весовых количествах – то есть в таких количествах, которые измеряются уже не атомами, а единицами массы. Для этого, конечно, нужна и другая техника и другие затраты. Причем затраты сравнительно небольшие – значительно больше, чем то, что тратится на поиски сверхтяжелых элементов сегодня, но значительно меньше, чем тратится, например, на термоядерные исследования и на космические программы. То есть в принципе это по силам любому развитому государству.

Где могут быть использованы «сверхтяжелые элементы»? Их критическая масса – то есть масса делящегося материала, достаточная для начала цепной реакции – должна быть около миллиграмма, что соответствует силе взрыва порядка 1 килограмма в тротиловом эквиваленте. В разумно организованном обществе это может дать потрясающие возможности – мощные компактные источники энергии для транспорта, решение проблемы запасания электоэнергии, широкие возможности для строительных взрывов. В классовом же обществе эти чудесные свойства сверхэлементов могут быть применены для создания тактического ядерного оружия: одна пуля силой с мощную бомбу, одна автоматная очередь, уничтожающая целую армию. Страшно представить, что будет, если такое оружие окажется, например, в руках американских агрессоров! Пока человечество спасается благодаря тому, что буржуазные правительства не спешат финансировать исследования сверхтяжелых элементов, смотря на них как на безобидные игрушки. Кроме того, несомненное первенство на пути к сверхтяжелым элементам держит все-таки наша Дубна. После будущей революции в России советское государство приложит необходимые усилия, чтобы довести поиски острова стабильности до победного конца, что ускорит создание материально-технической базы коммунизма и создаст ей надежный ядерный щит.