Владимир Лешковцев - 50 лет советской физики
Но нельзя ли искусственно продлить периодическую систему, получить «заурановые» элементы? Оказывается, что это вполне возможно.
Первые трансурановые элементы — нептуний и плутоний — были получены американцами в 1940 г. при бомбардировке урана нейтронами и дейтонами. В дальнейшем основным средством создания трансурановых элементов стал специальный циклотрон, производящий мощные пучки α-частиц и более тяжелых ядер. Первыми построили такой циклотрон американцы. Им удалось продлить Периодическую систему до 101-го элемента, который они назвали менделевием в честь великого русского химика, творца Периодической системы.
Затем в эту работу включились шведы, построившие специальный циклотрон в Нобелевском институте в Стокгольме.
Вскоре за создание трансурановых элементов взялась группа советских физиков во главе с членом-корреспондентом АН СССР Георгием Николаевичем Флеровым. В 1961 г. они ввели в строй в Дубне наиболее совершенный циклотрон для ускорения атомных ядер легких элементов.
К этому времени сначала шведы, а за ними и американцы сообщили о получении первых изотопов 102-го элемента, который решено было назвать нобелием. Правда, вскоре американцы показали, что шведские опыты недостоверны. Но в справедливости американских данных по изотопу 102-го элемента с массой 254 никто не сомневался.
В 1963 г. группа Г. Н. Флерова получила изотоп 102-го элемента с массой 256 и убедилась, что его свойства, предсказанные на основе американских данных об изотопе этого же элемента с массой 254, не соответствуют действительности. Тогда наши ученые совместно с работающими в Дубне чешскими радиохимиками решили проверить все сначала. За три года упорных исследований ими были созданы пять изотопов 102-го элемента. При этом оказалось, что никаких изотопов со свойствами, якобы обнаруженными в работах шведов и американцев, у 102-го элемента нет. Таким образом, этот элемент является первым трансурановым элементом, созданным советскими физиками.
В 1966 г. группа Флерова сумела даже определить химические свойства 102-го элемента, что несомненно является одной из труднейших задач, так как здесь ученые имели дело всего с несколькими атомами, распадающимися в течение нескольких секунд, да к тому же находящимися среди множества атомов соседних элементов с весьма близкими химическими свойствами (они образуют ряд актинидов, стоящий в III группе Периодической системы). Эта задача была блестяще решена с помощью сверхчувствительного экспрессного метода газовой радиохимии, разработанного в Дубне. Советские физики предложили назвать 102-й элемент в честь Фредерика Жолио-Кюри.
Одновременно с этими работами группа Флерова провела блестящие исследования, завершившиеся созданием самого тяжелого из трансурановых элементов — 104-го. (Незадолго перед этим американцы получили 103-й элемент, который они назвали лауренсием в честь создателя циклотрона американского физика Лауренса). Чтобы хоть немного представить себе трудность создания 104-го элемента, достаточно сказать, что в среднем в экспериментах в течение часа возникает всего лишь один его атом, к тому же исчезающий через 0,3 секунды! Тем не менее удалось разными методами детально изучить физические и химические характеристики нового элемента и получить совершенно идентичные данные. По предложению Г. Н. Флерова этот элемент назван курчатовием в честь академика И. В. Курчатова.
За создание двух новых трансурановых элементов группе сотрудников Объединенного института ядерных исследований во главе с Г. Н. Флеровым присуждена Ленинская премия за 1966 г.
Работы по созданию новых элементов имеют большое научное значение. Дело в том, что физики знают сегодня о существовании примерно 1500 устойчивых и радиоактивных изотопов, изучение которых требует создания новых теоретических представлений о систематике изотопов, позволяющей надежно предсказывать их основные характеристики. А это, в свою очередь, углубляет наши знания о строении атомных ядер и природе ядерных сил. Синтез трансуранов является своеобразным «пробным камнем» для различных вариантов теории. Кроме того, некоторые из трансурановых элементов уже нашли полезное практическое применение.
УПРАВЛЯЕМЫЕ ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Неуправляемые термоядерные реакции происходят при взрывах водородных бомб. Они приводят к высвобождению громадного количества ядерной энергии, сопровождающемуся крайне разрушительным взрывом. Теперь задача ученых — найти пути осуществления контролируемой термоядерной реакции. По-видимому, это одна из величайших научных проблем, поставленных человечеством. Ее решение открывает необозримые энергетические возможности, превращая воду всех морей и океанов в отличное ядерное топливо. Если управляемый термоядерный синтез будет технически реализован в больших масштабах, будущие поколения смогут черпать из океана энергию, запасов которой хватит на громадный срок. Даже самые мрачные из современных мальтузианцев, предсказывающих все более печальное будущее бурно возрастающему населению Земли, вынуждены признать, что существует луч надежды, ведь энергетика — это основа материального благосостояния, а ресурсы ее, с учетом термоядерного топлива, чрезвычайно велики. Но эта энергия может быть получена лишь после того, как мы научимся нагревать до огромных температур довольно большие количества легких ядер и удерживать их в таком необычном состоянии на протяжении заметных интервалов времени.
Энергия, освобождаемая в ходе термоядерной реакции, возникает в результате работы ядерных сил, а они, как мы знаем, чрезвычайно короткодействующие. Для осуществления какого-либо термоядерного синтеза, например реакции
1H2+1H2→1H3+p+4,0 Мэв,надо подвести заряженные ядра вплотную друг к другу. Но этому препятствуют силы электростатического отталкивания, на преодоление которых необходимо затратить некоторую энергию (энергию активации). Эта энергия может быть заимствована только у теплового движения ядер.
Даже первые признаки ядерных взаимодействий в нагретом веществе можно надеяться наблюдать лишь при температуре около миллиона градусов. В этих условиях атомы любого вещества распадаются, образуя своеобразный газ из положительно и отрицательно заряженных частиц. Если при этом концентрация частиц достаточно велика, чтобы автоматически (за счет сильных электрических полей) выравнивать всякие зарядовые неоднородности и обеспечивать квазинейтральность всей массы частиц, мы имеем не просто ионизованный газ, а плазму.
Основная и наиболее трудная задача, стоящая на пути к осуществлению интенсивных управляемых термоядерных реакций, заключается даже не в том, чтобы нагреть плазму до гигантских температур, а в том, чтобы изолировать такую плазму от стенок сосуда, в котором она заключена. Эта задача, сама по себе необычайно трудная, облегчается тем, что практически все частицы горячей плазмы электрически заряжены и могут удерживаться специально подобранными комбинациями магнитных сил. Впервые идею о магнитной изоляции горячей плазмы выдвинули академики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм.
Исследования по управляемым термоядерным реакциям находятся еще в стадии разведки различных путей подхода к проблеме. Наиболее детально исследованы разряды в прямых трубах из диэлектриков, тороидальные установки различных конфигураций и магнитные ловушки. Ни один из этих путей не разведан так далеко, чтобы обеспечить решение проблемы.
Плазма оказалась удивительно капризным объектом: она с поразительной легкостью сбрасывает с себя энергию, которую мы с таким трудом сообщаем ей на короткие мгновения. Наличие множества неустойчивостей разных типов приводит к тому, что каждый шаг на пути к заветной цели дается с большим трудом. И все же за сравнительно небольшой срок исследований пройден важный этап. Физики научились успешно ликвидировать наиболее опасные, так называемые гидродинамические неустойчивости, почти мгновенно разрушающие плазму. Теперь предстоит преодолеть новый барьер — научиться подавлять другой тип плазменных неустойчивостей, называемых кинетическими. Эти неустойчивости развиваются значительно медленнее. Как сказал недавно один из руководителей этих исследований в Советском Союзе академик Лев Андреевич Арцимович: «Грубо говоря, мы научились предохранять плазму от инфаркта, но все еще не умеем защищать ее от раковых опухолей».
Исследования управляемых термоядерных реакций почти одновременно были начаты в СССР и США в начале 50-х годов. Первоначально они велись в условиях сугубой секретности. Советский Союз первым в 1956 г. проявил инициативу по ликвидации секретности в этой важной области физики. С тех пор наши исследования в этой области неизменно занимают ведущее место в мире. С первых же шагов и до наших дней их возглавляют академики Л. А. Арцимович и М. А. Леонтович, воспитавшие много талантливой молодежи.
