Объединенный институт ядерных исследований стал одним из победителей конкурса Минобрнауки России на крупные научные проекты по приоритетным направлениям научно-технологического развития. Ученые ОИЯИ собираются синтезировать и исследовать новые элементы Периодической таблицы Менделеева для того, чтобы приблизиться к границам существования материального мира.
Фото: Светлана Привалова, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Светлана Привалова, Коммерсантъ / купить фото
Объединенный институт ядерных исследований стал одним из победителей конкурса Минобрнауки России на предоставление грантов в форме субсидий в проведении крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития. Проект «Сверхтяжелые ядра и атомы: пределы масс ядер и границы Периодической таблицы Менделеева» затрагивает один из фундаментальных вопросов естествознания, связанный с границами существования материального мира — мира ядер и атомов.
История науки тесно связана с познанием окружающего мира: устройства, законов движения и границ существования. Сегодня известно, что элементов намного больше, чем предполагалось еще 50 лет назад, а значит, и границы материального мира значительно дальше.
В Периодической таблице химических элементов, когда ее составил Дмитрий Менделеев в 1869 году, было всего 63 элемента. Сегодня их 118. И это, судя по последним результатам, еще не предел.
В проекте «Сверхтяжелые ядра и атомы: пределы масс ядер и границы Периодической таблицы Менделеева» ученые ОИЯИ собираются решить две задачи:
— определить существование предельно тяжелых атомных ядер (в исследованиях свойств ядерной материи);
— найти электронную структуру тяжелейших атомов в сверхсильных электрических полях (в исследованиях свойств атомной материи).
Первая часть проекта нацелена на глубокое понимание свойств ядерного вещества в условиях огромных кулоновских полей, а также неизвестных ядерных сил, способных удерживать до 300 нуклонов от развала на два фрагмента. Это позволит проследить эволюцию свойств ядер при приближении к границам стабильности и определить границы масс ядер. Последнее связано с природой ядерных сил, ответственных за связь протонов и нейтронов в тяжелейших ядрах. В астрофизических процессах природного синтеза они, как известно, определяют образование элементов во Вселенной.
В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ были впервые синтезированы самые тяжелые элементы с атомными номерами от 113 до 118, замыкающие седьмой период Периодической таблицы Менделеева. В этих исследованиях впервые подтвердились предсказания современной теории ядра о существовании «острова стабильности» в области ранее неизвестных, самых тяжелых (сверхтяжелых) элементов. Они могут открыть новую, неизвестную и яркую область химии. Синтез первых элементов начала 8-го периода с атомными номерами 119 и 120 может быть осуществлен по аналогии с тем, как при открытии известных тяжелейших элементов, что является задачей недалекого будущего.
Экспериментальные исследования тяжелейших ядер и атомов пройдут на фабрике сверхтяжелых элементов в Дубне. Фабрика базируется на новом ускорителе — циклотроне ДЦ-280 с интенсивностью пучков ионов, превосходящем все существующие в мире подобные ускорители. На установке каждую секунду происходят десятки триллионов ядерных реакций. В рамках проекта ученые ОИЯИ впервые реализуют преимущества нового комплекса в экспериментальных исследованиях сразу двух сверхтяжелых элементов: 114-го (флеровия) и 115-го (московия). В химических свойствах флеровия, в частности в его соединении с атомами золота при различных температурах, ожидается выраженный релятивистский эффект. А механизм образования изотопов московия и свойства их радиоактивного распада являются прямой проверкой микроскопической теории ядра.
Вторая часть проекта относится к границам применимости Периодического закона Менделеева. «Проблема касается электронной структуры тяжелого атома, когда в игру вступают “релятивистские эффекты”, связанные с возрастанием массы электронов на внутренних орбитах по мере приближения их скорости к скорости света. Возникающее при этом “релятивистское сжатие” внутренних орбит меняет квантовые характеристики внешних электронов, ответственных за химические свойства элемента. Из-за быстрого роста релятивистского эффекта с увеличением атомного номера в химическом поведении сверхтяжелых элементов будет нарушено групповое подобие и “размыта” периодичность их свойств»,— объяснил академик РАН, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Юрий Оганесян. (В честь него назван один из самых тяжелых химических элементов)
Неопределенности в предсказаниях базовых свойств элементов, согласно расчетам, возникают начиная с атомных номеров 122. Решить проблему могли бы квантовые компьютеры. Поэтому ученые института займутся разработкой алгоритмов (включая квантовые) для расчета структуры сверхтяжелых атомов и их реализацией с использованием суперкомпьютера «Говорун» ОИЯИ.
Над задачами будут работать научные сотрудники трех лабораторий: Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Московская область), Санкт-Петербургского государственного университета, Института аналитического приборостроения РАН (г. Санкт-Петербург), а также ученые ведущих ядерно-физических центров GSI (Германия), PSI (Швейцария) и Университета Тель-Авива (Израиль).
Проект возглавил академик Юрий Оганесян. Административным руководителем стал ученый секретарь ЛЯР ОИЯИ Александр Карпов. Более половины участников — молодые ученые, аспиранты и студенты. По результатам, полученным в ходе выполнения проекта, планируются защиты четырех диссертаций на соискание ученой степени кандидата (доктора) наук в 2022 году и трех — до конца 2024 года.