Все элементы тяжелее железа образуются в сверхновых. Сверхновая - это гигантский звездный взрыв, высвобождающий огромное количество энергии. Для сравнения, энергия солнца настолько мала, что оно может образовывать только легкие элементы.
Этой осенью две международные группы ученых соревнуются, кто сможет создать в лаборатории самый тяжелый элемент во Вселенной.
Сверхтяжелые элементы - это элементы с атомным номером выше 104. Это число указывает количество протонов в атомном ядре. Несколько лет назад ученым удалось создать элемент 118. Теперь пришло время попробовать элементы 119 и 120.
Джон Петтер Омтведт, профессор ядерной химии Университета Осло, Норвегия, является членом одной из команд. Он занимается изучением сверхтяжелых элементов уже двадцать лет. Работая вместе с учеными из ряда стран Западной Европы, Японии и США, он надеется победить в престижном конкурсе. Эксперимент проводится в немецком GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, который почти такой же большой, как исследовательский центр CERN Big Bang, где проводятся исследования в области ядерной физики..
Конкуренты, группа российских и американских ученых, работающих в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, Россия, так же стремятся победить в конкурсе. Пока неясно, какая команда выйдет победителем.
Конкуренция остра, как бритва. Сверхтяжелые элементы очень нестабильны, и их очень трудно создать. Это похоже на поиск чего-то неизвестного в открытом космосе. Мы работаем на переднем крае того, что экспериментально возможно. Чтобы изучать самые тяжелые элементы, мы должны максимально использовать современные технологии и даже немного дальше», - объясняет Омтведт.
Хотя достаточно создать один-единственный атом нового элемента, этого недостаточно, чтобы считаться научным доказательством.
«Никто не получит никакого признания, пока другая лаборатория не сможет воссоздать эксперимент. В худшем случае может пройти несколько десятилетий, прежде чем эксперимент будет подтвержден», - сказал Омтведт исследовательскому журналу Apollon в университете. Осло.
Один атом в месяц
Ученые уже заняты созданием первого атома 120-го элемента. Время производства сверхтяжелых элементов тем больше, чем они тяжелее. Когда ученые открыли элемент 106, им удалось создать один атом в час. Период полураспада, то есть приблизительное время жизни атома, составлял двадцать секунд. Это означает, что половина вещества распалась на другие, более легкие элементы за 20 секунд.
В поисках элемента 118 им удавалось создавать по одному атому в месяц. В этом случае период полураспада сократился до 1,8 миллисекунды.
Существует вполне определенная возможность того, что создать еще более тяжелые атомы будет еще сложнее. Более того, мы должны ожидать сверхкоротких периодов полураспада.
Гонка по созданию 119-го элемента началась две недели назад, когда ядерно-физический комплекс Национальной лаборатории Ок-Ридж в США произвел 20 мг чрезвычайно радиоактивного вещества берклия. Берклий, который должен быть создан искусственно в очень специальных ядерных реакторах, тяжелее урана, и его чрезвычайно трудно производить в чистом виде.
Каждая из команд ученых получила по 10 мг. Чтобы создать элемент 119, они будут бомбардировать металлическую пластину, пронизанную атомами берклия, лучом атомов титана. Берклиум нужно использовать быстро, прежде чем он исчезнет. Берклий является скоропортящимся веществом. Период полураспада составляет 320 дней; т. е. половина берклиума распадется на какое-то другое вещество через 320 дней.
Слияние бильярдных шаров
Цель состоит в том, чтобы побудить атом титана слиться с атомом берклия.
Titanium имеет атомный номер 22. Berkelium имеет атомный номер 97. Вместе эти два атома имеют в общей сложности 119 протонов; то есть именно то число, которое нужно для создания атома элемента 119.
Создать интенсивные лучи титана чрезвычайно сложно. Для этого у нас есть секреты, которыми мы не поделимся с другими. Мы будем бомбардировать пластину лучом из пяти триллионов атомов титана в секунду. Это будет это как бомбардировать тарелку бильярдными шарами, но вероятность прямого попадания крайне мала.
Когда атомы сталкиваются друг с другом в редких случаях, они обычно просто разбиваются или частично разрушаются при столкновении.
"Однако реже, чем раз в месяц, мы будем получать полный атом. Вероятность этого ниже, чем шанс выиграть джек-пот в лото. Проблема в том, что вам придется обнаружить этот один атом на металлической пластине, где каждую секунду происходит более 100 000 лишних событий."
Обнаружено, когда атом исчезает
Единственный способ сделать это - измерить радиоактивное излучение в момент распада атома.
"Это означает, что мы не можем обнаружить атом с помощью измерений, пока он не исчезнет. Не раньше!"
Самый верный способ обнаружить атом - изучить всех его «дочерей», когда он распадается.
Такая цепочка делений может состоять из пяти-восьми шагов. Ученые могут быть уверены, что открыли новый элемент, только когда цепь реакций протекает определенным образом.
Обнаружить атомы с таким коротким периодом полураспада непросто. Нынешним детекторам требуется определенное время, чтобы «переварить» каждое событие. Это означает, что они не готовы немедленно обнаружить следующее событие.
Поэтому команда ученых разработала еще более быстрые детекторы. «Они способны измерять сверхкороткие периоды полураспада».
Огромная масса
Ученые также хотят знать, из чего состоит элемент и почему некоторые элементы нестабильны.
Сверхтяжелые элементы очень велики и могут легко распадаться.
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Чем больше становится атомное ядро, тем труднее силам между протонами и нейтронами удерживать ядро вместе.
"Недостаточно, чтобы нейтроны и протоны находились в одном и том же месте одновременно. Они должны быть связаны друг с другом хотя бы на несколько долей микросекунды, чтобы их можно было охарактеризовать как атомное ядро. Один из самых больших и волнующих вопросов - выяснить, насколько тяжелый элемент мы можем создать. ", - говорит Джон Петтер Омтведт.