Будни физиков-ядерщиков: как и зачем они создают новые изотопы
Молекулы веществ состоят из атомов. Атомы отличаются друг от друга зарядом ядра, который равен количеству протонов — положительно заряженных частиц в ядре. «Жилплощадь» с протонами делят нейтроны — частицы, почти идентичные по массе протонам, но лишенные электрического заряда. От числа нейтронов в ядре не зависит суммарный заряд атома, а значит, и количество электронов, равное числу протонов. Количество электронов и их конфигурация на оболочках атома определяют химические свойства вещества.
Изотопы — это атомы одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в ядре. Простейший элемент в природе — водород — имеет три изотопа: протий, дейтерий и тритий. В первом нейтронов нет, во втором и третьем содержатся один и два нейтрона, соответственно. Если атомы водорода в воде заменить атомами дейтерия или трития, химические свойства полученной жидкости не изменятся. Вода будет реагировать с щелочами, кислотами и отдельными элементами также, как прежде. Отличие будет лишь в массе.
Ученые постоянно ищут в природе и создают новые изотопы. Трудность в том, что большинство изотопов нестабильны и распадаются за короткое время, называемое периодом полураспада — это время, за которое половина вещества, испуская определенные частицы, превратится в другое вещество с другим зарядом ядра. Исследования короткоживущих экзотических изотопов имеют решающее значение для понимания всей ядерной материи.
Национальная лаборатория Лоуренса Беркли является признанным лидером по открытию новых изотопов. За годы существования ученые из этой лаборатории обнаружили и создали 640 изотопов — около 20% всех известных изотопов в мире. Последние 10 лет команда молчала, но недавно в лаборатории Беркли удалось вновь создать изотоп. Об открытии ученые сообщили в журнал Physical Review Letters.
Новым изотопом стал менделевий-244, который является семнадцатым и самым легким изотопом менделевия — 101-го элемента в периодической таблице. Менделевий — искусственно созданный элемент, его впервые получили в лаборатории Беркли в 1955 году.
Чтобы создавать изотопы тяжелее урана — самого тяжелого элемента, встречающегося в естественных условиях, высокоэнергетичный пучок из более легких ядер направляют на мишень из более тяжелых. Ядерные реакции не всегда заканчиваются слиянием двух ядер в одно. Чаще всего налетающие частицы рассеиваются ядрами мишени: отклоняются от первоначального направления, теряя часть энергии на взаимодействие. Но в некоторых случаях ядро из пучка непосредственно сталкивается с ядром мишени и сливается с ним, образуя новый изотоп. Для создания менделевия-244 исследователи сформировали пучок ионов аргона-40 и, ускорив их на 2-метровом циклотроне, направили на мишень из тонкой фольги из висмута-209.
Задача физиков — успеть зафиксировать процесс формирования экзотического изотопа. Период полураспада у таких атомов обычно короткий. Менделевий-244 имеет две отдельные цепочки распада, каждая со своим периодом: 0,4 секунды и 6 секунд.
Целая секунда и ее десятая доля — достаточно «длинные» времена для науки, которая умеет регистрировать процессы, длящиеся триллионные доли секунды, и все же менделевий-244 не удалось бы обнаружить, если бы не прибор под названием FIONA (For the Identification Of Nuclide A — для обнаружения нуклида с массовым числом А). «А» — это общее число протонов и нейтронов в ядре, для нового изотопа А = 244.
От инструментальных возможностей, в основном, и зависят открытия новых изотопов элементов. Поэтому подобные открытия цикличны: то создают целый массив новых изотопов, то ничего интересного в течение десятилетий. Ученые из лаборатории Беркли надеются, что FIONA поможет им поймать волну открытий. Сейчас исследователи готовятся к новым экспериментам с другими химическими элементами.