История открытия нихония
Элементы тяжелее урана (атомный номер 92) не встречаются в природе, но их можно нарабатывать в ядерных реакторах. Однако для получения элементов тяжелее 100-го (фермий) реакторы уже не подходят, нужны ускорители, где сверхтяжелые ядра получаются в результате столкновений ядра-«снаряда» и ядра-«мишени». На первый взгляд, эта задача кажется элементарной: нужно взять два атома, у которых число протонов в сумме равно числу протонов в ядре нового элемента, столкнуть их с помощью ускорителя и получить атом желаемого элемента. Однако на практике все намного сложнее: на то, чтобы подобрать снаряд и мишень, способные слиться и породить ядро нового элемента, уходят годы (более подробно и популярно о причинах нестабильности атомов рассказывается здесь).
Над такими задачами сегодня работают несколько крупнейших и известных научных коллективов. Среди них — Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (Россия), Ливерморская национальная лаборатория им. Э. Лоуренса (Калифорния, США), Окриджская национальная лаборатория (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) и Институт физико-химических исследований (RIKEN).
Все они с начала 2000-х годов работали над получением 113-го элемента Периодической таблицы. В 2004 году были опубликованы результаты совместной работы Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне и Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса.
В сентябре 2004 года о синтезе изотопа 113-го элемента в количестве одного атома объявила группа из института RIKEN. Она использовали реакцию слияния ядер цинка и висмута. В итоге за несколько лет японским ученым удалось зарегистрировать три события рождения атомов нихония: 23 июля 2004-го, 2 апреля 2005-го и 12 августа 2012 годов.
30 декабря 2015 года IUPAC официально признал открытие 113-го элемента и приоритет в этом ученых из RIKEN. Таким образом, 113-й стал первым элементом, открытым в Японии и в азиатской стране, в целом. Спустя полгода организация рекомендовала дать элементу название «нихоний» (Nihonium, Nh) по одному из двух вариантов самоназвания Японии — Нихон, что переводится как «Страна восходящего солнца».
Чем интересен нихоний
Нихоний входит в группу бора, но ведет себя скорее как переходный металл. Согласно расчетам, температура плавления нихония 430оС, кипения — 1100оС, что делает его непохожим на «одногруппников», которые плавятся и кипят при существенно более низких температурах. Период полураспада наиболее стабильного изотопа нихония Nh-286 составляет 20 секунд, и среди других изотопов элемента он является настоящим долгожителем.
Специалисты объясняют такой большой период полураспада тем, что ядра с определенным количеством протонов и нейтронов более устойчивы, чем другие. Согласно теории оболочечного строения атомного ядра Марии Гёпперт-Майер и Ханса Йенсена, количество нуклонов (протонов и нейтронов) влияет на энергию связи внутри ядра. У элементов, ядра которых состоят из 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 нуклонов, заполнены все ядерные оболочки, поэтому они более стабильны. Последовательность 2, 8, 20 и т. д. называется магическими числами, что указывает на эмпирический характер теории. Она также предсказывает существование «острова стабильности» для трансурановых элементов. Для «жителей» этого острова характерен существенно больший период полураспада, чем у соседей по периодической таблице.
О работе над синтезом элементов и главных научных задачах мы поговорили с Хидето Эньо, директором RIKEN Nishina.
113-й элемент Периодической таблицы, получивший название нихоний, стал первым элементом, открытым в Японии и Азии. Как долго вы шли к этому открытию?
Эксперименты заняли девять лет. А до этого еще более пяти лет ушло на подготовку. В целом в этой работе было задействовано очень много человек, более 50 сотрудников.
Нихоний имеет очень интересные физические и химические свойства. Есть ли перспективы его практического применения?
Это чисто научная находка, и, думаю, мы не увидим возможной перспективы практического применения этого элемента в ближайшие лет сто. Сейчас мы просто знаем, что он существует и что есть еще более тяжелые элементы. Но его открытие очень важно с научной точки зрения. В частности, это говорит о том, что в Периодической таблице могут быть еще элементы, и они могут быть более стабильны. И наконец, во многом открытие нихония важно для Японии, так как у нас теперь есть элемент, о котором можно сказать: сделано в Японии.
Какие задачи в связи с этим вы ставите перед собой на дальнейшую перспективу?
Мы хотим открыть «островки стабильности», включающие элементы, которые, может быть, и тяжелы так же, как нихоний, но, тем не менее, стабильны. В будущем я хотел бы стать свидетелем открытия такого стабильного элемента, который, возможно, и не создан Вселенной, но создан нами. Именно в этом и заключается моя научная мечта.
Меняется ли процесс открытия новых элементов с годами? Какова разница между тем, как открывали новые элементы Периодической таблицы 50 лет назад, и сегодня? Какие преимущества получают ученые сейчас в связи с технологическим прогрессом?
В каком-то смысле да, меняется… Раньше мы, можно сказать, копали почву, для того, чтобы найти новый элемент или минерал, его содержащий. Так и начиналась в свое время Периодическая таблица химических элементов. Но этот период закончился, так как закончились элементы, существующие в природе. А потом у нас появилась атомная бомба или реактор, человечество научилось создавать множество новых элементов. Наконец, мы выяснили, как создавать новые элементы с помощью пучка ускоренных частиц. После открытия нихония сейчас мы совершенствуем свой ускоритель, в том числе для поиска других новых элементов. С его помощью мы сможем создавать новые типы радиоизотопов, которые в отличие от, например, нихония могут быть применены для лечения рака.
Ваша лаборатория проводит большой спектр как фундаментальных, так и прикладных исследований. На каких ключевых задачах вы концентрируетесь сейчас?
Сейчас мы стараемся получить новые изотопы с большим количеством протонов в ядрах, также мы хотим получить известные и существующие элементы, но с большим количеством нейтронов. Это настоящая алхимия, и, можно сказать, что мы создаем новый изотоп, сильно отличающийся от стабильной формы. На сегодняшний день мы являемся одними из крупнейших исследователей новых изотопов. Чтобы понять механизмы, которые синтезировали все элементы во Вселенной, нам нужно точно изучить, как эти нестабильные изотопы отличаются от других и как они взаимодействуют в таких событиях во Вселенной, как, например, взрыв сверхновой или слияние нейтронных звезд.
Сотрудничаете ли вы с зарубежными группами и, в частности, с российскими учеными? Видите ли вы перспективы такого сотрудничества?
Вы прекрасно знаете российского ученого Юрия Оганесяна. Косуке Морита (Kosuke Morita), открывший нихоний, давно работал с ним, с этими знаниями он вернулся в RIKEN и начал собственный эксперимент. Поэтому в каком-то смысле, Оганесян — это дедушка нихония. У нас хорошие отношения, хотя конкретно в этой работе мы все-таки выступали соперниками. Иногда мы соревнуемся, а иногда работаем вместе над одними проектами.
За последние годы было открыто довольно много элементов Периодической таблицы. Но что дальше? Одним из фундаментальных вопросов остается вопрос о конечности Периодической таблицы. На ваш взгляд, она конечна и скоро ли наступит ее конец?
Существуют разные теоретические пределы: 170, а кто-то скажет, что 140 или около того. Но другой, еще более интересный вопрос, — как далеко мы сможем продвинуться. Чтобы получить новые элементы, нам придется изобретать новую методологию. Возможно, в течение ближайших десяти лет мы увидим часть из этих новых элементов, но сколько – этого, конечно, никто предсказать не может. Но я считаю, что нам нужно создать новые технологии для получения намного более тяжелых элементов.
ООН объявила 2019 год годом Периодической таблицы химических элементов. В Санкт-Петербурге пройдет конференция Менделеев 150, где вы выступите одним из ключевых спикеров. Расскажите, пожалуйста, почему вы решили приехать в Петербург и принять участие в этой конференции?
Меня прежде всего заинтересовала тематика конференции и состав спикеров. Я бы хотел послушать своих коллег, других ученых, поговорить о возможных изменениях в самой таблице. Также мне интересно поговорить об устойчивом развитии, эта тема также заявлена на конференции. Я очень этим интересуюсь, и был бы рад принять участие в такой дискуссии.
До этого я уже бывал в Петербурге. Тогда мы ездили в Кижи. И чтобы туда добраться, нужно было ехать на поезде от Петербурга. В тот раз мое время было очень ограничено, поэтому я очень хочу увидеть город снова.
Одна из целей Года Периодической таблицы — это не только дать ученым общаться друг с другом, но и проводить различные образовательные мероприятия, популяризировать науку. Как вы думаете, должны ли ученые объяснить доступным языком суть своих открытий широкой публике?
Мы должны быть очень талантливы, чтобы суметь объяснить аудитории суть своего открытия. На мой взгляд, действительно важно встречаться с широкой аудиторией и говорить с людьми на понятном им языке, потому что это будущее. Даже если мы говорим со взрослой аудиторией, все равно надо понимать, что у этих людей есть дети. А это наша поддержка и опора. В будущем некоторые из них могут стать учеными. Поэтому мы всегда должны работать с разной аудиторией — молодыми, пожилыми людьми, детьми. Важно говорить с аудиторией, почему важна и интересна наука. И важно заинтересовать молодых тем, что мы делаем.
Научная коммуникация становится одной из важных тем сейчас в России. Вовлечены ли ученые в Японии в коммуникацию с обществом?
Мы многое для этого делаем. Недавно я смотрел видео с церемонии открытия Года Периодической Таблицы в Париже и увидел там много русских людей с детьми, молодыми коллегами, студентами. Мы очень стараемся, но пока у нас так здорово не выходит. Поэтому, я думаю, нам надо поучиться у вас.
Вы сказали, что любовь к науке нужно прививать с детства, а какая научная идея или открытие послужило для вас толчком к занятию наукой?
У меня была игрушка. Она ездила, светила, издавала различные звуки и так далее. Однажды я решил ее разобрать. Помимо проводов и шестеренок, там оказался большой маховик. Так я узнал о законе сохранения энергии, или, если быть точным, законе сохранения импульса. Я выяснил, что этот маховик заставлял двигаться мою машинку. Мне тогда было четыре или пять лет. Потом машинка, конечно, сломалась. Но можно сказать, что эта игрушка и стала моим первым учителем физики.
По-вашему, какой наиболее эффективный метод вовлечения людей в науку?
Вы когда-нибудь слышали о «научных мамочках» или «научных папочках»? Это когда мать или отец любят науку. Я думаю, что если родители вовлечены в науку, то и дети тоже заинтересуются этим. Вовлекает в науку не высшая школа, а жизнь, их научная жизнь. Я думаю, лучший способ создать ученого — начать с семьи.
Хидэто Эньо (Hideto Enyo) — доктор наук, директор RIKEN Nishina и руководитель Радиационной лаборатории RIKEN Nishina. Институт физико-химических исследований (RIKEN) — крупный научно-исследовательский в Японии. Он почти полностью финансируется правительством Японии и его годовой бюджет составляет около 88 млрд. иен (760 млн долл. США). RIKEN проводит исследования во многих областях науки: физика, химия, биология, медицина, технические и компьютерные науки.
