Когда-то уран (92) казался непреодолимым потолком, позже плутоний и америций встряхнули химию, а сегодня учёные пытаются получиться элемент 119, первый представитель гипотетического восьмого периода.
До этого мы с вами обсуждали, что ожидаемая граница таблицы Менделеева должна оказаться где-то на уровне 126 элемента или унбигексия, а самый тяжелый известный сегодня и полученный экспериментально элемент - это 118 оганессон.
Но как вообще "создают элемент", которого не существует в природе? В рамках настоящей охоты за атомами рождаются международные союзы, строятся гигантские ускорители и работают ловушки, способные удержать атомы, которые живут меньше миллисекунды. Давайте пройдём весь этот путь вместе с учёными.
Шаг 1. Нужно предсказать атом, который никто ещё не видел
Прежде чем кто-то нажмёт кнопку запуска ускорителя, за дело берутся теоретики. Их задача спрогнозировать какие ядра можно столкнуть, чтобы получить новый элемент и сможет ли элемент вообще существовать хоть долю секунды.
Получение элемента - это не большой "рандом", как часто думают мои ученики, а именно что полноценное исследование. Математические расчёт строятся на базе множества факторов, определяющих возможность существования такой конфигурации. От попытки уравновесить сильное и электростатическое взаимодействия до восприимчивости к внешним факторам (благоприятным и не очень). Опять же, на этом этапе распространенное заблуждение - страх перед невероятными математическими действиями. На самом деле расчёты не такие уж и сложные.
Если уж мы взялись за 119 элемент, что абсолютно логично после найденного 118, давайте посмотрим что происходит там.
Вероятным кандидатом для рождения элемента 119 сегодня считают ядро берклия-249 (Z=97), в которое можно вбить более лёгкие ядра, например, кальция-50. Это как собрать замок из песчинок, кидая в него камушки, только нужный камень должен попасть в нужную точку, да ещё и не разрушить конструкцию.
После встречи обозначенных элементов есть все основания полагать, что образуется устойчивое (хотя бы на доли секунды) равновесие и появится ядро атома, соответствующее по количество протонов и нейтронов элементу 119.
Шаг 2. Испытание ускорителем
После получения расчётов наступает очередь экспериментаторов. В огромном ускорительном комплексе тяжёлые ионы разгоняются до чудовищных скоростей. Луч кальция направляют на тончайшую мишень из берклия.
Условие успеха почти абсурдно: нужно, чтобы одно единственное ядро попало в другое, преодолело их электрическое отталкивание и слилось в новый атом.
Главная проблема тут не просто удачно заставить встретиться два элемента. а ещё и просто попасть в нужную точку или хотя бы зону. Луч из кальция - это не что-то типа потока воды из шлангов. Это сложнейшая и плохо управляемая группа частиц, которую и посчитать-то точно будет сложно. Тут уже работают все эти квантовые сюрпризы, а потому и механика неприменима.
Вероятность успеха мизерная, и учёные месяцами стреляют лучами по мишени, ожидая что а вдруг? По сути сложнее попасть, чем проверить.
Шаг 3. Рождение и немедленное исчезновение
Если чудо происходит, то два ядра объединяются. Но сверхтяжёлые элементы нестабильны. Они могут распасться через миллионную долю секунды, не оставляя почти никакого следа. Чтобы поймать такой новый атом, нужны специальные ловушки - системы магнитных полей и датчиков, которые регистрируют сигнал его распада.
По сути, учёные никогда не видят сам элемент такого типа. Они видят цепочку α-распадов: ядро теряет альфа-частицы (ядра гелия), и каждый шаг этой цепи - подпись, подтверждающая рождение нового атома.
Все эти распады детально описаны и потому если будут зарегистрированы их следы, то опыт можно считать успешным. Но весь алгоритм поиска чертовски дорогостоящий и сложный.
Конечно же, вы тут спросите - а для чего нам атом, который живёт доли секунды? Всё просто и я про это уже рассказывал в статьях по теме. По сути мы не получим атом, который сможем использовать в привычном нам понимании. Н омы получим подтверждение правильности работы логики устройства атомов и подтверждение всей стандартной модели. В расчётах участвуют представления о сильном взаимодействии или о кулоновских силах. О вероятности нахождения частицы в нужной точке и знания о неопределенности. Всё это получится ещё раз проверить, если эксперимент в итоге будет успешным.
Кроме того, сам атом может иметь свойства. которые мы не ожидали увидеть и это будет чрезвычайно ценное открытие. Возможно, там будут материалы с невиданными свойствами - необычные катализаторы, сверхплотные вещества, новые источники энергии.
Шаг 4. Ловля призраков
Впрочем, новизну элемента нельзя объявить, только увидев один распад. Нужно множество подтверждений, последовательность характерных энергий частиц, таблица совпадений, повторяемость в других лабораториях.
Международные проверки - обязательный этап. Элемент может быть открыт в России, но его должны подтвердить в Германии, США или Японии. В противном случае даже успешный эксперимент спишется на промах. Воспроизводимость - одно из главных условий любого успешного эксперимента и это, в общем-то, вполне справедливо.
Шаг 5. Международная конкуренция
Сейчас за создание элемента 119 борются самые крупные институты ядерных исследований. Примечательно, что каждая лаборатория использует собственные технологии от сверхчистых мишеней редких изотопов до наиболее стабильных ловушек распадов.
Подобно автоспорту, где важна каждая деталь двигателя, здесь скорость установки, чувствительность датчиков и чистота материалов определяют победу. По сути это напоминает Формулу 1, да и воспринимается в лаборатории точно также. У каждой команды своя стратегия и тактика. Каждая команда использует определенные технические приёмы и наработанные технологии.
Победит тот, кто первый сможет найти этот элемент. Другое дело, что выше мы отметили о необходимости дождаться воспроизводимости. Но всё равно открытие будет относиться к тому, кто первый его нащупает.
По сути финальный шаг поиска элемента - это повторное успешное воспроизведение.
Впрочем, стоит сказать пару слов и о самом процессе.
Лаборатория, где рождаются атомы, которых не видел мир
Лаборатории, которые работают над такими вопросами сами по себе не имеют ничего общего с теми, что вы видел ив школе или даже университете. Больше всего это похоже на мир Half-life, где доктор Фримен едет куда-то на тележке добрые 10 минут в начале игры. Ох и бесило же это когда-то. Особенно на слабых компьютерах, где каждое действие предполагало подгрузку значок лямбды на экране.
В реальной лаборатории стены покрыты толстым слоем защиты от излучения. Это могут быть самые разные материалы, а часто всё это ещё и под Землю закапывают. Есть модификации, где сама лаборатория прячется под слоем воды (например, детектор нейтрино спрятан не только под Землей в самой большой горе Японии, а ещё и находится внутри аквариума, что позволяет изолировать лишнее и лучше фиксировать вспышки от искомого).
В центре зала лаборатории находится труба ускорителя. За стеклом - комнатa операторов, как в центре космической миссии. В мониторы вглядываются учёные, выискивая вспышки распадов, длительностью меньше мига. Впрочем, сегодня можно особенно не вглядываться, поскольку оборудование сделает эту работу за нас. Но на заре физики всё это проводилось в ручном режиме.
Если открытие элемента 119 всё же произойдёт, оно будет не просто новым номером в таблице. Это будет доказательство того, что человечество может создавать материю, которой не было во Вселенной до этого и что все наши теории всё-таки работают.
В этом материале мы с вами разобрали лишь общую схему того, что происходит внутри лаборатории и составили общее впечатление о процессе. На самом деле всё намного сложнее, но мы с вами ставили перед собой цель повысить общий уровень технической грамотности и хоть примерно знать логику такого поиска. Потому если вам нужно вникать глубже, то просто имейте в виду, что только об этом можно написать книгу страниц этак на 800 :)...
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями