Дубна и Беркли сразились за новый химический элемент

Существует много способов войти в Историю, но, несомненно, один из самых почетных и "долгоиграющих" — это когда твое имя увековечено в таблице Менделеева. Писатель Владимир Губарев, ведущий в Pravda. Ru рубрику "Чаепития в Академии", побеседовал с директором Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова профессором, доктором наук Сергеем Николаевичем Дмитриевым о том, как был получен 118-й элемент, названный в честь академика Юрия Цолаковича Оганесяна.

118-й — новая звезда на небосклоне физики

В Лаборатории имени академика Г. Н. Флёрова, когда речь идет о трансурановых элементах, любят приводить такое сравнение: плывет по безбрежному океану корабль, ведомый физиками Дубны, и находит неведомые острова. Капитан первым сходит на берег, осматривается вокруг и, когда понимает, что остров неизвестный, объявляет о новом открытии и дарит ему название. Так поступали великие мореплаватели прошлого. Так появились на планете острова Кука, проливы Лаперуза и Беринга, даже целые континенты — Северная и Южная Америка.

Открытие новых элементов напоминает эпоху Великих географических открытий. Вот почему образ "корабля физиков" близок и понятен.

В Дубне было открыто несколько новых элементов. Сначала на капитанском корабле стоял Георгий Николаевич Флеров — основатель и директор Лаборатории ядерных реакций Объединенного Института ядерных исследований. Потом его сменил верный ученик и последователь Юрий Цолакович Оганесян — нынешний научный руководитель лаборатории. Именно этим двум ученым наша страна обязана тем, что мы не уступаем первенство в этой области современной физики.

Впрочем, современная наука делается большими коллективами специалистов. В этом я в очередной раз убедился, вновь побывав в Объединенном Институте ядерных исследований, где и состоялась наша беседа с директором Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова профессором, доктором наук Сергеем Николаевичем Дмитриевым.

Разговор был у нас откровенный, открытый, потому что знакомы мы давно, пожалуй, еще с тех давших времен, когда под руководством академика Г. Н. Флёрова молодой ученый Сергей Дмитриев искал на Байкале те самые тяжелые элементы, которые нынче получают в лаборатории искусственно. В частности, во многом из-за того, что в природе найти их так и не удалось.

Сергей прошел путь от аспиранта лаборатории до директора, а потому все тайны, радости и беды, и, конечно же, достижения коллектива для него не только близки и понятны, но и бесконечно переживаемы.

"На пороге таинственных миров"

— Сергей Николаевич, благодаря 118-му элементу вы вновь прославились. Признайтесь, ваша инициатива назвать его в честь Оганесяна?

— Нет, это было общее решение. Право предлагать название принадлежит только авторам — таковы правила IUPAC и IUPAP. "Авторы" — это достаточно большой авторский коллектив, который включает и наших коллег из Ливермора (я имею в виду конкретно по 118-му элементу). Это было общее мнение. Когда мы обсуждали эту идею, мягко попросили Юрия Цолаковича покинуть зал. Мы это делали в режиме телеконференции. Можете себе представить, насколько это все сложно организовать из-за разницы во времени: у них это 5 утра, а у нас поздний вечер. Но это было активное и единодушное обсуждение — назвать новый элемент в честь академика Оганесяна.

Я хотел бы напомнить, что в 2012 году 114-й элемент получил название "флеровий". Конечно, это было очень большое событие для Флёровской лаборатории — увековечить имя нашего основателя, нашего учителя. Это касается и Юрия Цолаковича. Я всегда говорю студентам: "Кого вы помните из Нобелевских лауреатов?" Возникает такая тишина. Ну, двух-трех последних еще помнят, а дальше — пауза. Но те имена, которые внесены в периодическую таблицу, знают все.

— Вы же дали имена уже многим элементам. Тот же "дубний" — ваш элемент?

— Нет, не совсем так.

— А как?

— Дело в том, что с момента открытия "нобелия" — это 102-й элемент, — а также 103-го, 104-го и 105-го до присвоения им названия прошло больше 10-15 лет. Возникали очень большие разногласия, кто же все-таки первым открыл эти элементы. Работала большая комиссия, совместная IUPAC и IUPAP, так называемая "комиссия Вилкинсона". Они объехали все лаборатории, познакомились со всеми работами. И наконец было принято считать так, что 102-й элемент полностью открыт нами, а 104-й и 105-й открыты одновременно в Дубне и в Беркли. Но имена тогда не давались — я об этом конкретном случай говорю — авторами. Поэтому они были предложены комиссией и утверждены IUPAC. "Дубний" — в честь признания заслуг ученых нашей лаборатории, нашего института, "резерфордиум" — в честь Резерфорда. И чуть позже был назван 106-й элемент — "сиборгиум".

— В честь Нобелевского лауреата Глена Сиборга?

— Да, в честь Сиборга, в то время еще живого ученого. В принципе, это было против правил. Называли обычно в честь уже ушедших. Теперь еще одно исключение. Последний из известных на сегодня элементов периодической таблицы — 118-й — назван в честь Оганесяна. И вот можно уже говорить о символизме.

— Что вы имеете в виду?

— Мы назвали 115-й элемент "московием", а 114-й элемент — "флеровием". Почему? Потому что 114-й является вершиной "острова стабильности": 114 протонов, 184 нейтрона. И Георгий Николаевич посвятил долгие годы работам по поиску сверхтяжелых элементов в природе. Он мечтал об этом. И мы все участвовали в этих исследованиях…

Теперь о символике. "Московий" распадается до 105-го элемента, то есть до "дубния". А 118-й "оганесон" распадается до "флеровия"… А что же произошло между этими двумя открытиями? Это период от 1990 по 2016 годы. Были "лихие 90-е" — не самые лучшие для нашей науки. В чем заслуга Оганесяна? Не только в том, что он научный лидер большой колаборации, но и в его возвращении к реакциям горячего слияния (или, как мы это называем, теплого слияния) с кальцием-48.

Весь научный мир шел по пути холодного синтеза, предложенному нашей лабораторией. В те годы лидировали наши коллеги из Дармштадта, которые синтезировали 110-й, 111-й, 112-й в реакциях холодного синтеза. И "RIKEN" начал синтез 113-го элемента опять-таки в холодном синтезе. Вернуться же к теплому синтезу, предложить реакции с кальцием-48 — это был, я бы сказал, очень нетривиальный шаг, который требовал научного мужества. Это не просто попробовать и провести эксперимент, а полная модернизация нашего ускорительного комплекса, новый ECR-источник. Мы отходили от свинца, висмута в холодном слиянии и возвращались к актинидным высокоактивным мишеням. Это новая культура в радиохимии, в изготовлении мишени, в работе. То есть надо было перенастроить весь коллектив, перевести на другие рельсы. И назад уже дороги не было.

— В этом был элемент везения или предвидение?

— Если вы хорошо все предвидите, то это и научная интуиция, и научное знание. Как говорил Георгий Николаевич, есть смелость от знаний, есть смелость от незнания. Здесь все вместе, поскольку это была совершенно неизведанная область.

Ведь когда были опубликованы первые результаты с кальцием-48 по синтезу 114-го элемента, то один достаточно известный ученый писал в журнале, что этого быть не может, что это ошибка…

Такое в нашей науке уже случалось. Я вспоминаю статью, которую написала очень известный радиохимик Дарлин Хофман, соратница и ученица Глена Сиборга. Она утром проснулась, ей позвонили, что синтезировали 118-й. Она сразу поехала в лабораторию и лично убедилась, что он синтезирован. Праздник! В Беркли первыми открыли сверхтяжелый элемент, а результаты Дубны по синтезу 114-го (они уже были опубликованы) надо еще уточнять. Но через полгода оказалось, что научные результаты подтасованы. Сотрудник, который это сделал, был уволен из Беркли. Коллеги отозвали все свои статьи. Но я вам должен сказать, что резонанс остался очень неприятный для всего научного сообщества. И это была одна из причин того, почему комиссия IUPAC так серьезно подходила к нашим результатам, проверяя, перепроверяя их. А в итоге: из последних шести элементов приоритет в пяти случаях отдан нам.

— 118-й "живет" ничтожные доли секунды. Как можно изучать то, что существует мгновение?

— Были созданы специальные методики, подходы. Но на сегодняшний день мы можем сказать, что предел не достигнут. Быстродействия наших методик для регистрации составляет 1 микросекунду, для изучения химических свойств на уровне 1 секунды. Вот это быстродействие в основном связано не с химией — химия происходит мгновенно, а связано чисто методически: поскольку новые атомы образуются в мишенном материале, вы должны его доставить, мягко говоря, в зону химической реакции. И вот этот "транспорт", как мы называем, и занимает секунду. Но сейчас мы думаем о создании специальных газовых кетчеров — это, по сути дела, поглотители, куда вы "вбиваете" все ядра, и они там останавливаются. В кетчере этот процесс занимает 30 миллисекунд.

— Как вы ощущаете столь ничтожное время? Секунда, другая еще осязаемы…

— Где-то в районе 100 миллисекунд время еще можно представить… Но оставим химию — здесь еще многое предстоит сделать. Хочу отметить, что сегодня с точки зрения физики мы можем утверждать, что определенный этап завершен: синтезированы все элементы периодической таблицы, весь седьмой период завершен. Конечно, дальше мы пойдем на синтез 119-го элемента, и для этого создается первая в мире фабрика сверхтяжелых элементов. Но это уже новый этап исследований.

— Мне казалось, что фабрика будет производить те элементы, которые вы уже получили?

— И это тоже. Задач у фабрики много. Но главное в том, что фабрика по меньшей мере в 20-30 раз повысит эффективность нашей работы. За счет того, что создан новый ускоритель (сейчас идет его монтаж), который с интенсивностью тяжелых ионов в 10 раз (а, может быть, и в 20 раз!) выше, чем мы имеем сегодня. Это новый сепаратор с эффективностью в два раза больше, чем мы имеем сегодня на нашем газонаполненном сепараторе, который использовали при синтезе всех новых элементов. Что нам это дает? "Калифорний" — это последний радиоактивный элемент, который можно получить в более-менее значимых количествах. Значимых, потому что нам нужно для мишени по меньшей мере 10 миллиграммов.

Уже следующие элементы, ни "фермий", ни "эйнштейний" в таких количествах нарабатывать никто в мире не может. Это только микрограммовые, нанограммовые количества. Их не хватит ни для одного опыта. Поэтому мы должны утяжелить наш, как мы называем, прожектайл, то есть ускоряемый ион. После кальция — это титан. У него не 20, а 22 протона, и такое же количество нейтронов. У него нет избытка нейтронов, как в случае с кальцием. Мы ожидаем, что вероятность образования нового ядра, уменьшится, по меньшей мере, на порядок. У 118-го элемента мы получали на нынешнем ускорителе одно ядро в месяц. И если мы будем продолжать работать на нашей технике, то будет всего одно событие в год…

— Долго ждать…

— Да, для эксперимента это как-то не очень хорошо, тем более, что вы не уверены до конца, можете ли вы его получить новое ядро в течение года. И вообще полной уверенности нет, поскольку есть еще запрет по временам жизни. У всех сегодняшних сепараторов быстродействие — 1 микросекунда. Если 119-й живет меньше, то мы его просто не зафиксируем. А вот с новым ускорителем, который будет давать интенсивность на порядок выше, мы возвращаемся к условиям синтеза 118-го, но с титаном, синтеза 119-го в реакции с "берклием" и 120-го в реакции с "калифорнием".

— А зачем все это нужно?

— Вы представляете, что такое — синтезировать новый 119-й или 120-й элемент?!

— Не очень.

— В природе вообще-то все гармонично. И сегодня она есть, так как завершен седьмой период. Но если вы откроете хотя бы один элемент восьмого периода, то ваша научная интуиция должна вам подсказать, что так не бывает, чтобы период не был завершен. То есть надо идти дальше.

— Еще на 25 лет работы?

— Да. Это означает, что выстроилась новая электронная оболочка. И если она существует, то нет препятствий для ее заполнения… Так что одно назначение фабрики — идти дальше по лестнице элементов. Второе назначение: детально изучить то, что мы уже открыли. И здесь, прежде всего, конечно, химия. Если мы будем получать событий в десятки раз больше, чем сегодня, то открывается колоссальный путь. Сегодня один химический эксперимент занимает два месяца, это очень долго.

Такие эксперименты надо проводить за 1-2 недели. Тогда вы можете существенно расширить спектр этих экспериментов и исследовать многие свойства. Для чего важна химия? Мы говорим о влиянии релятивистских эффектов. Что такое влияние релятивистских эффектов? У вас увеличивается заряд ядра. Электрон, чтобы удержаться на своей орбите, должен вращаться со все большей и большей скоростью. Эти скорости приближаются к скоростям света. Это уже релятивистика. Увеличивается масса электрона, внешние оболочки сжимаются, и как следствие, становятся более стабильными.

— Это уже совсем другая физика начинается.

— Именно так. Это очень интересная область, которая требует детального изучения.

— Однажды Юрий Цолакович упомянул, что нельзя сосредотачиваться только на одном направлении, хотя и достигнут успех. Однако ваша лаборатория — это ведь комплекс разнообразных исследований. Чем еще кроме получения новых элементов вы можете гордиться?

— Лаборатория — это как большой академический институт. 450 сотрудников. Бюджет немножко выше, чем у академического института. И, конечно, мы развиваем не только одно направление. К примеру, область тяжелых ядер. Как они образовались? Как вообще образовались тяжелые элементы? До железа все всё объясняют, а вот как образовались они вокруг урана, остается загадкой. Не хватает наших знаний в области тяжелых элементов, а они очень важны для астрофизики. Надо же в конце концов разобраться, как произошла Вселенная?! Мы изучаем спектроскопию трансактинидов. Это совместная работа с нашими коллегами из Страсбурга. Есть большая область исследований, связанных с атомной энергетикой, созданы и отдельные новые установки — это область легких экзотических ядер. Мы с вами хорошо знаем просто водород, есть еще дейтерий, есть тритий. Мы же изучаем водород-6 и водород-7…

— Есть и такие изотопы?!

— В природе их нет, но их синтезируют. А это та самая нейтронная избыточная материя, когда на 6 нейтронов 1 протон. Это же нейтронная звезда! Как вы понимаете, речь идет о совсем другой области исследований. Можно подумать, что мы следуем поговорке, что нельзя класть все яйца в одну корзину. Однако это неправильно: просто ядерная физика это достаточно богатая для исследований область, так же, как и химия, и радиохимия.

— И малоизученная?

— Конечно. Мы же единственный центр в России, который обладает таким парком ускорительной техники тяжелых ионов. У нас широкий диапазон и фундаментальных и прикладных исследований. Конечно, ожидать, что "оганесон", которого мы получаем одно ядро в месяц, найдет свое применение в электронике, не следует. Но мы должны понимать, что такие задачи аккумулируют, концентрируют вокруг себя очень мощные и талантливые коллективы, которые создают массу практических приложений. В частности, у нас есть малый ускоритель, так называемый ИЦ-100, который мы используем для производства трековых мембран для медицины, для очистки питьевой воды, для сенсоров, и так далее. Раз мы производим сверхэлементы, то вы должны понимать, что мы можем синтезировать любой изотоп.

— Тому есть примеры?

— Конечно. В свое время мы провели очень большую работу с нашими коллегами из Великобритании и впервые синтезировали сверхчистый плутоний-237. Для чего? Плутоний-236 и плутоний-238 — страшно опасные для человека радионуклиды. А 237-й является электронным захватчиком с мягким излучением, живет 45,6 дня. И он в миллион раз безопаснее, чем два его соседа. Но примеси соседних изотопов, которые всегда есть в реакторе, полностью все его свойства перечеркивают. Так вот, мы впервые в мире синтезировали изотоп очень высокой чистоты. И он использовался для инъекции здоровым людям для того, чтобы изучать метаболизм плутония в организме человека. После Чернобыля, после Фукусимы это вопрос достаточно актуальный. И наши исследования полностью показали, что существующая модель метаболизма не совсем корректна. Считалось, что основная масса плутония концентрируется в костях, около 80 процентов. Из костей, к сожалению, ничем его не выведешь. Но наши исследования показали, что 60 процентов плутония концентрируется в печени, откуда его можно вычистить.

— В Дубне работали многие великие ученые. Их влияние вы чувствуете сегодня?

— Конечно, оно чувствуется. И не только, как принято говорить, здесь особая атмосфера. Я проработал с Георгием Николаевичем Флёровым 10 лет. Я пришел младшим научным сотрудником, прошел в лаборатории все ступени. Конечно, его влияние колоссально. Мне повезло, что мы вместе работали по поиску сверхтяжелых элементов, по прикладным исследованиям. И молодой ученый, воспитываясь в такой среде, невольно подхватывает и несет в будущее атмосферу научной школы, которая здесь возникла. Кстати, официальная инаугурация новых элементов пройдет в Центральном доме ученых в день рождения Георгия Николаевича Флерова 2 марта. Это и дань памяти, и уважение к прошлому.

— Все правильно. Вы знаете, чем меня радует Дубна и Объединенный институт? Когда к вам приезжаешь, не чувствуешь тех страстей, которые бушуют вокруг науки в Москве. Здесь идет нормальная работа, нормальные взаимоотношения, как будто вы живете на том самом "острове стабильности", который сами и открыли…

— В этом плане, конечно, нам повезло. Мы не так далеко от Москвы и сравнительно близко к Шереметьево, где мы иногда бываем чаще, чем в Москве, но при этом мы как бы на внешней стороне. Нет оттока кадров, это все-таки далековато. Представьте себе, чтобы в тяжелые 1990-е годы наш институт был расположен не в Дубне, а в столице. Мы бы растеряли очень много. Ведь это не только научный потенциал, это же и инженерные кадры. Если ученый пишет статьи, участвует в конференциях, у него есть моральное удовлетворение, то это не совсем проявляется во вспомогательном персонале, которому должны быть обеспечены какие-то успехи и все-таки какой-то уровень жизни.

Дубна в этом плане, это такой уголок стабильности. Когда нам было трудно, мы помогали сотрудникам именно за счет того, что имели внебюджетное дополнительное финансирование за счет прикладных исследований. Мы помогали молодым, давали им безвозвратные ссуды на строительство жилья. Если я пришел в институт в 1980 году, а получил однокомнатную квартиру спустя 12 лет, и 12 лет я прожил в общежитии, но тогда была хотя бы уверенность в том, что ты ее получишь. Сегодня, как вы понимаете, на молодом человеке семья, дети, и на него ложится задача обеспечить свою семью. И здесь мы, конечно, помогаем молодым. Если мы не будем делать это, то лишимся своего будущего. А кто же хочет этого?!