В Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) и Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) исследуют зарядовый состав космических лучей, а именно - его малоизученной части в области тяжелых и сверхтяжелых ядер. С этой целью группа ученых под руководством доктора физ.-мат.наук Натальи Полухиной исследует метеоритные обломки, содержащие кристаллы оливинов. За миллионы лет полета метеорита в космосе эти естественные "детекторы" накапливают огромный объем информации, получить которую другим способом - довольно затруднительно.
Проведенное сотрудниками ФИАН и ГЕОХИ исследование позволило в несколько раз увеличить накопленный в мировой практике объем данных о сверхтяжелых ядрах в космосе. А нужны эти данные вот для чего:
В 1869 г. Д.И. Менделеев сформировал Периодическую систему элементов, внеся в нее 63 известных к тому времени элементов. Создание таблицы позволило предсказать и открыть галлий (1875), скандий (1879), германий (1886). Однако до сих пор нет ясности - сколько элементов содержится всего в таблице? Где ее граница? Чем больше заряд ядра, т.е. чем больше порядковый номер элемента, тем сильнее притягиваются к ядру внутренние электроны. В конечном итоге должен наступить момент, когда они начнут захватываться ядром. Первые расчеты показывали, что при порядковом номере элемента больше чем 170-180 элементы существовать не могут - поглощение отрицательно заряженного электрона уменьшает заряд ядра. Однако последующее развитие физики показало, что границу таблицы определяет не нестабильность электронной оболочки атома, а нестабильность ядра - источника электрического поля, в котором формируются электронные оболочки. Наиболее стабильны ядра, содержащие так называемое магическое число нейтронов или протонов (2, 8, 20, 50, 82, 126). Как и атомные электроны, нуклоны в ядрах образуют оболочки. По мере увеличения частиц в ядре происходит последовательное заполнение оболочек. Подобно тому, как в периодической системе наиболее стабильны инертные газы, наиболее стабильны те ядра, у которых полностью застроены нейтронные и протонные оболочки. Таким замкнутым оболочкам как раз и соответствуют магические числа (кальций, олово, свинец). Однако в трансурановых ядрах даже ядерные силы притяжения с трудом сдерживают огромные электростатические силы отталкивания между протонами. Поэтому чем больше порядковый номер ядра, тем меньше его время жизни. Плутоний-244 живет 100 млн лет, калифорний-250 около 10 лет, фермий-252 живет 20 часов. Виноват альфа-распад и спонтанное деление. Однако, теория предсказывает, что элемент Z=110 А=294 должен жить сто миллионов (а, может, и миллиард) лет. Но если изменить число нейтронов или протонов на 2-3 единицы, т.е. всего на 1%, то время жизни должно уменьшится в 10 млн раз. Этот эффект наблюдается у дважды магического ядра свинца - 82 протона и 126 нейтрона, свинец-208 настолько стабилен, что никто еще не наблюдал его распад. Но если взять свинец со 127 нейтронами, его время жизни - 3.3 часа.
Зачем нужны сверхтяжелые элементы кроме удовлетворения академического интереса?
Самым "работящим" из всех искусственно синтезированных оказался плутоний-239. В ядерных реакторах сжигают уран-235, которого содержится всего 0.7% в природном уране, а основную массу составляет уран-238, который не является ядерным горючим. Реакторы на быстрых нейтронах после сгорания 1 кг урана-238 позволяют получить 1.6 кг плутония-239, который является ядерным горючим лучшего качества, чем уран-235. Применение синтетических элементов огромно - это и космос, и медицина, и др. Их производство выросло с миллиардных долей грамма до многих килограммов и даже тонн.
Сверхтяжелые искусственные элементы синтезируются разными способами, например, путем нейтронного синтеза (прибавили один нейтрон, ядро перенасыщено нейтронами, произошел бета-распад, образовался протон и заряд повысился на единицу). Возможности нейтронного метода в земных условиях были исчерпаны еще на фермии. Однако трансфермиевые элементы, как показывают теоретические расчеты, могут таким способом рождаться при взрывах сверхновых звезд или в недрах пульсаров (в результате облучения ядер потоками нейтронов в нейтронной среде огромной плотности, порядка 1020-1030 нейтронов на см3). Поэтому в земных условиях сверхтяжёлые ядра вплоть до 117 и 118 номеров таблицы Менделеева получают теперь в результате столкновения более лёгких ядер, в частности, в подмосковном ОИЯИ. Для успеха продолжающихся земных попыток синтеза все более тяжелых ядер обязательно нужно подтвердить возможность их существования в природе.
Вопрос о том, каков заряд наиболее тяжёлого ядра, образуемого в природе, тесно связан с гипотезой о существовании "острова стабильности", а также с астрофизическими моделями, описывающими экстремальные условия, возникающие во Вселенной.
Поиск в космических лучах тяжелых и сверхтяжелых ядер - непростая задача, слишком мала их интенсивность в общем потоке - всего несколько частиц на квадратный метр в год. Путей решения этой проблемы два: первый - ждать многие годы, пока эти несколько частиц пролетят (однако сделать масштабную зарисовку состава по единичному случаю невозможно, нужна статистика, и, значит, годы растянутся на миллионы лет); второй - проводить регистрацию с помощью детекторов очень больших площадей - в сотни квадратных метров. Использование метеоритов делает эту задачу более реальной - они миллионы лет блуждают в космосе и на протяжении всей своей "жизни" подвергаются облучению космическими лучами. Очень подходят для этой цели так называемые палласиты - железно-никелевые метеориты, в которых имеются вкрапления полупрозрачных кристаллов оливина (в частности, в своей работе ФИАН-ГЕОХИ изучают осколки метеоритов Марьялахти и Игл Стейшен). Именно полупрозрачность оливина позволяет проводить его исследование на оптическом микроскопе и извлекать информацию о ядрах, прошедших через кристалл.
Обломок палласита
"Заметить следы частиц тяжелых ядер в кристаллах оливина, - рассказывает один из исследователей, ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Николай Старков, - а уж тем более изучить, трудно даже в микроскоп. Эти следы в виде дефектов материала метеорита, возникающих вдоль треков частиц, проявляются только после его травления - процесса, аналогичного проявке фотоматериалов. Этим занимаются наши коллеги - группа кандидата физ.-мат. наук Л.Л. Кашкарова из ГЕОХИ. Они же измеряют скорость травления, один из параметров, используемых для определения заряда ядра. Для измерения характеристик протравленного канала используется фиановская установка ПАВИКОМ - "Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс". Высокоточный комплекс позволяет в автоматическом режиме решать проблемы распознавания треков частиц, сшивки слоев протравленного оливина и др. По результатам измерений мы вместе с коллегами из ГЕОХИ определяем длину треков, их форму, поперечные размеры и т.д.".
Все эти параметры зависят от заряда частицы, след от которой изучается. Например, чем выше у частицы был заряд, тем длиннее будет ее трек до точки остановки при той же энергии. Однако, как правило, метеоритные кристаллы оливина небольшие, от нескольких миллиметров до пары сантиметров, а длина трека тяжелого ядра чаще всего гораздо больше размеров кристаллика. В этом случае сделать оценку заряда ядра позволяет дополнительная к длине трека информация - о скорости травления. А вот с определением энергии частицы до ее входа в метеорит несколько сложнее.
"Для того чтобы при травлении возник канал, энергия движущейся в метеорите частицы должна находиться в определённом интервале. Этот с одной стороны недостаток позволяет с определённой точностью оценить энергию конкретной частицы до её входа в метеорит. Для этого по плотности треков железа сначала определяется глубина залегания данного оливина в метеорите до его входа в атмосферу Земли, после чего эти треки распределяются по направлениям. Максимум этого распределения указывает на направление к ближайшей точке поверхности метеорита. Тогда, измерив угол наклона трека изучаемой нами частицы к этому направлению, можно оценить расстояние, которое она прошла в железо-никелевой части метеорита, а по степени замедления в нем и её энергию до входа в метеорит. Обрабатывая таким образом частицы, пришедшие с разных направлений, можно оценить их энергетическое распределение, которое для тяжёлых частиц практически неизвестно", - объясняет Н. Старков.
"В нашей группе, - дополняет Наталья Полухина, - сейчас имеются результаты измерений зарядов более 2700 ядер галактических космических лучей с зарядом больше 60. Это существенный вклад в мировую статистику. Для более точного определения заряда частиц нужно проводить калибровочные измерения. То есть облучать кристаллы оливина частицами с известными зарядами и известной энергией и смотреть, как происходит потом процесс травления, - какую длину травления дает конкретный заряд при конкретной энергии, какова скорость травления и т.п. У нас уже есть результаты калибровки на ядрах золота, получены кривые зависимости длины трека травления и скорости травления от величины заряда, но золото - слишком "легкое" для нас ядро, оно дает довольно короткие треки в оливине. Поэтому крайне необходимо выполнить калибровку более тяжелыми ядрами, например, урана, сейчас мы как раз готовим такой калибровочный эксперимент".
Где граница Периодической системы? Реально ли существует ядерный "остров стабильности"? Действительно ли верны предсказания теории о реализации в природе условий синтеза сверхтяжелых элементов? И если да, то как много объектов, в которых эти условия реализуются? Результаты исследований потоков ядер галактических космических лучей, естественными детекторами которых являются метеоритные кристаллы оливина, могут ответить на все эти вопросы.
АНИ «ФИАН-информ»
