Элементы жизни

Наталия Теряева

Никто из нас не пытается разглядеть в себе элементарные частицы, из которых состоим мы все и всё, что окружает нас. Да это и невозможно. Но совершенно определенно, эти элементарные частицы управляют нами и всем, что нас окружает. Почему и как они это делают, рассказывает эта книга.

Глава 4. Химические супертяжеловесы

Как и зачем создают элементы времен сотворения мира

На самом деле в Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли — то есть больше 4,5 миллиардов лет. Остальные химические элементы распались, не дожив до наших дней. Уран, у которого период полураспада около 4,5 миллиарда лет, всё ещё распадается, и поэтому мы находим его в земной коре.

Но некоторые из распавшихся элементов, которых уже нет на Земле, в середине ХХ века ученые научились получать сначала в лаборатории, а потом и в промышленных масштабах. Всем известный пример — плутоний. Его нарабатывают в ядерных реакторах. В ядре плутония 94 протона — ядро тяжелое. Изотоп плутония массой 239 (²³⁹Pu) содержит в ядре 94 протона и 45 нейтронов. Он распадается наполовину всего за 20 тысяч лет — в 22 500 раз быстрее урана. Плутоний производится сотнями тонн и является одним из самых мощных источников энергии.

Но есть искусственные элементы и потяжелее плутония. Их уже целых двадцать четыре — почти пятая часть таблицы. Может ли химических элементов быть еще больше и есть ли предел у таблицы Менделеева, вопрос остается открытым. Разгадку этой тайны ищут в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне под научным руководством академика Юрия Оганесяна. Да-да, того самого академика Оганесяна, в честь которого назван 118-й элемент Таблицы Менделеева.

Вот какой разговор о пределах количества элементов во Вселенной состоялся у автора этой книги с Юрием Цолаковичем Оганесяном в 2006 году по просьбе редакции газеты «Московские новости».

Наталия Теряева: Юрий Цолакович, когда-то Георгию Николаевичу Флерову один журналист задал вопрос: почему атом он рисует в виде кружочка, а не, скажем, крестика или ромбика. На что Георгий Николаевич якобы ответил, что он не знает, но, наверное, потому, что так удобнее. А вообще-то атом должен иметь скорее форму эллипсоида. Известно ли сегодня, какой формы атом

Юрий Оганесян: Ну, вообще-то говоря, круглой или шаровой формы. Это самая оптимальная, самая совершенная форма. Потому и капля жидкости имеет форму шарика — она имеет наименьшую потенциальную энергию. И все всегда считали с момента зарождения ядерной физики, что форма атома должна быть сферической и ввели такие понятия для ядра, как поверхность капли, радиус ядра, что уже подразумевает форму шара. Поэтому модель атома предполагает, (в настоящее время даже изображают ее на картинах) что в центре сферы находится ядро, а вокруг движутся электроны. Ядро содержит в себе фактически всю массу атома. Его масса существенно больше массы электронов — как минимум, в 2000 раз. И весь положительный заряд тоже в ядре, а электроны имеют отрицательный заряд. Это так называемая планетарная модель атома, которая была предложена Резерфордом в 1932 году. И все, что было сделано потом, подтверждает эту модель. Очень интересно отметить, что такая структура может быть и у сверхтяжелых элементов. Не только у 118-го, но и у 170-х и 180-х. То есть она устойчива к увеличению размера атома. А вот нестабильность или ограничение количества элементов наступают из-за нестабильности самого ядра. Поэтому вопрос о том, сколько может быть элементов, где кончается материальный мир, должен быть перемещен из области атомной физики, у которой уже нет вопросов, в область ядерной физики.

Н.Т.: То есть предположения о существовании элементов с номером 500 вполне основательны?

Ю.О.: Это предположение базируется уже на других обстоятельствах, которые возникли в связи с изучением структуры самого ядра. Если мы зададимся вопросом, сколько вообще существует разнообразных ядер, а значит и элементов, то вопрос этот оказывается очень сложным. Все это из-за того, что об атоме мы знаем много, а о ядре — мало. Об атоме мы знаем много потому, что движение электронов вокруг ядра определяется электромагнитными силами. А электродинамика — хорошо изученная наука. Есть строгая теория, мы знаем, как взаимодействует движущийся электрон с ядерным центром. Эти силы известны очень хорошо. Вы можете строить гигантские электростанции или микрочипы в компьютере, но законы электродинамики выполняются одинаково великолепно там и тут. Когда же мы говорим о ядерной физике, мы не знаем сил. Ядро состоит из протонов и нейтронов, они в ядре связаны вместе. Значит, есть силы, которые их должны удерживать вместе. Причем они удерживают вместе вполне определенное количество протонов и нейтронов. Поменяйте значительно число протонов и число нейтронов — все рассыплется. Ядра нет. Природа этих сил теоретически неизвестна. И поэтому вместо теории есть модели. И каждая модель пытается представить эту многотельную систему знакомым нам образом. Одна — капельная модель ядра модель говорит: они — протоны и нейтроны — взаимодействуют так же, как молекулы в капле. Другая модель говорит: нет, они, как газ, как рой пчел. Они удерживаются далеко друг от друга. Это модель Ферми-газа. Третья модель говорит: у них жесткая структура внутри ядра, и ведут себя протоны и нейтроны внутри ядра, как твердое тело, как кристаллы. И каждый раз, пытаясь объяснить те явления, которые мы наблюдаем в ядерной физике, привлекаются модели с тем представлением о ядерных силах, которое почерпнуто из макромира, чтобы опираться на известные нам понятия. Так получается, что ядро — какой-то многоликий Янус: то он как жидкость, то он как газ, то он, как твердое тело. А кто он на самом деле — пока неизвестно. Тем не менее, ядерная физика — это большая наука, она широко эксплуатируется для познания окружающего нас мира, познания астрофизических явлений, процессов образования и распада элементов. Мы используем ее для построения реакторов. Вытаскиваем из ядра энергию, хотя и не знаем сил. Поэтому процесс познания продолжается до того, пока мы не узнаем, что такое так называемые сильные взаимодействия — взаимодействия протонов, нуклонов и нейтронов в ядре.

Ну а если представлять ядро как каплю жидкости, то поскольку весь положительный заряд в ядре, то протоны отталкиваются друг от друга. А удерживает их поверхностное натяжение капли. Под поверхностным натяжением мы подразумеваем ядерные силы. Пока поверхностное натяжение больше, чем отталкивание, до тех пор существует ядро. Вокруг него строятся электроны, из атомов молекулы и т. д. Теперь представьте, что они — электромагнитные силы отталкивания и поверхностное натяжение — сравнялись. Тогда чуть тронь — все рассыплется. Ну а если мы придем к ситуации, когда силы отталкивания больше — никогда не склеите эту систему. Поэтому когда мы подходим к пределу, то это очень напоминает чаши весов. На обоих плечах два гиганта-тяжеловеса. На одной стороне силы сцепления — в энергетической шкале это примерно 2000 МэВ, на другой — силы отталкивания, тоже примерно 2000 МэВ. Весы уравновешены. Стоит маленькую гирьку к любой стороне добавить — ядро либо будет существовать, либо не будет. И тут начинается вся эта музыка относительно того, что на самом деле ядерные весы — это не капля. Поэтому любой отход от капли в ту или другую сторону ваши весы выведет из равновесия и соответственно отодвинет тот предел материального мира, о котором мы говорили.

Конец ознакомительного фрагмента.