Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Мы должны остановиться, для того чтобы ответить на вопрос внимательного читателя: каким образом ядро, состоящее из протонов и нейтронов, может испустить электрон?
Это законный вопрос. Он не может остаться без ответа. Действительно, мы уже знаем, что внутри атомных ядер не существует свободных электронов.
Ответ таков: нейтрон не является стабильной частицей. В свободном состоянии он, под влиянием внутренних процессов, распадается, порождая протон, электрон и антинейтрино. Слово «порождает» имеет здесь точный смысл. Нейтрон не содержит в себе этих трех частиц. Они возникают при его распаде примерно через 15 минут после того, как нейтрон становится свободным от внешних воздействий.
Внутри
Возвратимся теперь к ядру америция-243.
Рассматриваемый нами процесс не заканчивается на образовании америция-243. Поглотив один нейтрон, америций-243 превращается в кюрий-244, изотоп ранее синтезированного кюрия-242. Для кюрия-244 главным способом распада оказывается деление. 8,5 % от первоначальных ядер испытывают деление, а 1,5 % успевают поглотить два нейтрона, превращаясь в изотоп кюрий-246. И снова две возможности: 0,8 % от первоначальных ядер, ставшие изотопом кюрий-246, испытывают деление, а 0,7 % из них поглощают по два нейтрона, превращаясь в кюрий-248. Теперь ядро кюрия-248 поглощает лишь один нейтрон, образуется кюрий-249. Но прежде чем оно успевает поглотить второй нейтрон, происходит бета-распад — испускание электрона. Тем самым ядро приобретает добавочный положительный заряд и превращается в ядро следующего, пятого трансуранового элемента, названного берклием. Так рождается изотоп берклий-249.
Увлекательная «игра» в сотворение новых, невиданных элементов привлекла многих физиков. Но для того чтобы продвинуться таким путем дальше, потребовалось увеличить плотность потока нейтронов, воздействующего на образец, еще в десять миллионов раз! Мера, необходимая потому, что ядра тяжелых трансурановых элементов, следующих за берклием, при меньших плотностях потоков нейтронов разрушаются раньше, чем успевают поглотить еще один нейтрон.
При увеличении плотности потока нейтронов ядра берклия-249 успевают поглотить по одному нейтрону и, «перепев» бета-распадом, потеряв электрон, превращаются в ядра нового трансуранового элемента, получившего наименование «калифорний». При этом получается калифорний-250. Его ядра испытывают процесс спонтанного деления. Те ядра калифорния-250, которые, не успев претерпеть деление, поглощают два нейтрона, превращаются в изотоп калифорний-252. Их оказывается всего 0,3 % от исходного количества плутония-239, если он облучался потоком нейтронов плотностью в 10 нейтронов через квадратный сантиметр в секунду.
Этим методом удалось получить 99-й трансурановый элемент эйнштейний и 100-й трансурановый элемент фермий-258. Дальше продвинуться не удалось — изотоп фермия делился спонтанно чрезвычайно быстро.
Еще большие плотности потоков нейтронов возникают при термоядерных взрывах. В 1953 году в США при термоядерном взрыве был пройден своеобразный рубеж — создан элемент фермий, который образовался из ядер урана-238. Некоторые из таких ядер поглотили одновременно по 17 нейтронов! При этом образовались неустойчивые ядра урана-255, которые испытали цепочку из последовательных семнадцати бета-распадов, что и привело к образованию изотопа фермий-255.
Ученые продолжили исследования с применением термоядерных взрывов. Они смогли увеличить плотность потока нейтронов еще
Причиной, ограничившей возможности дальнейшего продвижения методом термоядерных взрывов, является малое время жизни тяжелых изотопов в области урана — фермия. Эти изотопы разрушаются вследствие спонтанного деления, прежде чем успевают подвергнуться бета-распаду. Возможности этого метода ограничиваются и другой причиной. Вероятность поглощения ядром урана одновременно многих нейтронов резко уменьшается и становится ничтожной для числа, превышающего 19.
Путь вверх — от 100-го элемента к 101-му — потребовал усовершенствования метода облучения тяжелых ядер ускоренными заряженными частицами. Оказалась необходимой и разработка более совершенных методов опознания — идентификации новых элементов.
И все-таки в 1955 году был получен 101-й элемент. Его назвали менделевием. Многозначительная деталь: он был получен в США, но назван в честь русского химика Менделеева.
О том, сколь быстро возрастают трудности получения и опознания элементов за порогом 100-го элемента, можно судить по следующим примерам. При синтезе калифорния в 1950 году в распоряжении исследователей было 0,5 миллиардной части от миллиардной доли грамма эйнштейния-253. Столь маленькое количество ядер-мишеней привело к тому, что при облучении альфа-частицами в течение часа образовывался лишь один атом менделевия-256! Сначала получались возбужденные ядра менделевия-257, потом они «остывали», выделялся нейтрон, что приводило к менделевию-256.
Таким путем — в течение длительного облучения — было синтезировано всего 17 атомов нового элемента. Но Ученые все же смогли надежно определить, что они действительно принадлежали 101-му элементу.
Существенным достижением, полученным путем бомбардировки мишени ускоренными альфа-частицами, стал синтез наиболее долгоживущего, тяжелого изотопа менделевий-258. Время его жизни, определяемое временем, в течение которого распадается половина из наличных Томов, равняется двум месяцам. В этих опытах мишенью были ядра эйнштейния-255. После поглощения альфа-альфа-частицывозникало ядро менделевия-259, которое, остывая, выделяло один нейтрон и превращалось в ядро менделевия-258.
Начиная со 102-го элемента трудности накопления и тем более идентификации усугубились малым временем жизни новых атомов. Обычные химические методы опознания оказались при этом непригодными. Они занимали слишком много времени.
Адам, Ева и Царь-пушка
Наступил 1956 год. Ученые Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубне, входившие в группу физиков из ряда социалистических стран, руководимую академиком Флеровым, проанализировали ситуацию и нашли новый путь синтеза трансурановых элементов.
Теперь, когда этот путь неоднократно пройден и доказал свою эффективность, идея, положенная в его основу, кажется простой и очевидной. Вот ход мыслей исследователей: прежний путь — бомбардировка мишеней нейтронами, ускоренными дейтонами и альфа-частицами — зашел в тупик, он пройден до конца. Так уже невозможно создать более тяжелые долгоживущие мишени. Не следует ли использовать доступные мишени и применить для бомбардировки мишени ядра более тяжелые, чем альфа-частицы?
Конечно, ускорение тяжелых ядер связано с большими трудностями. Для этого необходимо прежде всего создать источники ионов соответствующих элементов, устройства их ввода в ускоритель и средства управления процессом ускорения.