Безрадиационные переходы в мезоатомах
Электромагнитные свойства мюона (заряд, магнитный момент и т.д.) полностью совпадают с электромагнитными свойствами обычного электрона. Однако, несмотря на такую тождественность, масса мюона в 200 раз больше массы электрона. Поэтому во всех электромагнитных процессах мюон ведет себя как «тяжелый» электрон.
Раньше было известно, что MIOOHI*, захваченные электрическим полем ядра, при переходе на более низкий энергетический уровень излучают кванты энергии, так называемые мезорентгеновские лучи, аналогичные рентгеновским лучам, испускаемым при переходе электрона на низкий уровень в обычных атомах, но гораздо более энергичные. Академик Б.М.Понтекорво, доктор физико-математических наук Д.Ф.Зарецкий, кандидаты физико-математических наук М.Я.Балац и Л.Г.Ландсберг, кандидат технических наук П.И.Лебедев и научные сотрудники Л.Н.Кондратьев и Ю.В.Обухов теоретически и экспериментально доказали, что переход мюона в тяжелых мю-мезоатомах (урана, плутония и т.д.) может происходить без излучений квантов. Они установили, что в этих мю-мезоатомах энергия перехода может полностью передаваться ядру.
Значение открытия состоит прежде всего в обнаружении нового электромагнитного процесса в мезоатомах, в возможности изучения поведения возбужденных ядер и осуществления ядерных реакций нового типа. Механизм ядерных реакций этого типа подробно обсуждался на IV Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра, проходившей в 1971 г. в Дубне. Сейчас советские ученые работают над вопросом практического приложения открытия к области ядерной технологии.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 100 с приоритетом от 17 июня 1959 г. Формула открытия гласит:
«Установлено неизвестное ранее свойство мезоатомов передавать без излучения всю энергию перехода мезона ядру, когда она близка к разности энергий ядерных уровней».
Явление двойной перезарядки пи-мезонов
Доктор физико-математических наук В.М.Сидоров и кандидаты физико-математических наук С.А.Бунятов, Ю.А.Батусов и В.А.Ярба, проводя многочисленные эксперименты на синхроциклотроне в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, открыли неизвестное ранее превращение положительного пи-мезона в отрицательный. Реакция может идти и в обратную сторону — от отрицательного пи-мезона к положительному.
Открытие явления двойной перезарядки пи-мезона имеет важное теоретическое значение. Если выстрелить частицей в ядро вещества, два протона могут превратиться в нейтроны. Этот вывод был подтвержден в экспериментах при бомбардировке пи-мезонами мишеней, содержащих бериллий, углерод, серебро, алюминий, свинец.
В последнее время среди физиков усилился интерес к вопросу возможности существования многонейтронных систем и даже «нейтронных капель». Речь идет о вероятном существовании нейтронного вещества во Вселенной, о предполагаемых далеких нейтронных звездах. Открытие двойной перезарядки пи-мезонов советскими учеными и исследования ученых других стран, возможно, найдут ключ к решению этой интересной научной проблемы в лабораторных условиях. Используя метод управляемого изменения заряда ядра, можно попытаться получить так называемое нейтральное вещество и изучить его свойства, создать изотопы с большим избытком нейтронов или протонов.
Открытие явления двойной перезарядки пи-мезонов регистрировано под № 77 с приоритетом от ноября 1963 г. в следующей формулировке:
«Экспериментально установлено ранее неизвестное явление двойной перезарядки пи-мезонов, выражающееся в том, что при взаимодействии с атомным ядром положительный пи-мезон превращается в отрицательный или отрицательный пи-мезон превращается в положительный без образования дополнительных пи-мезонов».
Сейчас в Дубне ведутся дальнейшие исследования двойной перезарядки пи-мезонов. Вместе с советскими физиками в этих экспериментах участвуют физики Болгарии, Монголии и Румынии. В соглашении, заключенном между Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне и Французским центром ядерной физики в Страсбурге, также предусмотрены совместные исследования этой проблемы. К реакциям двойной перезарядки проявили большой интерес физики США, Японии, Италии и других стран.
Явление резонансного поглощения отрицательных мюонов атомными ядрами
Доктор физико-математических наук, профессор В.В.Балашов и кандидат физико-математических наук Н.М.Кабачник (Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ), доктор физико-математических наук В.Б.Беляев, кандидаты физико-математических наук И.Войтковска (ПНР), В.С.Евсеев, Т.Козловски (ПНР), Р.А.Эрамжян и научный сотрудник В.С.Роганов (Объединенный институт ядерных исследований) открыли явление резонансного поглощения отрицательных мюонов атомными ядрами.
Долгое время считалось, что поглощение мю-минус-мезона ядром осуществляется благодаря его взаимодействию с одним из протонов ядра, а все остальные нуклоны ядра — протоны и нейтроны — выступают лишь в качестве внешней среды, в которой происходит элементарный акт превращения пары протон — мюон в пару нейтрон — нейтрино. В 1963 г. группа теоретиков Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ и лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований, руководимая профессором МГУ В.В.Балашовым, выдвинула принципиально иную модель этого процесса, в основу которой была положена идея о том, что поглощение ядром имеет многочастичный коллективный характер. Разработана математическая теория явления и указаны направления его экспериментального изучения.
Согласно предложенной теории в процессе поглощения мюона ядро переходит в высоковозбужденное (резонансное) состояние, которому отвечает специфическое упорядоченное движение ядерного вещества. При распаде таких состояний из ядер вылетают нейтроны, часто сопровождаемые заряженными частицами. Таким образом, спектр нейтронов при захвате ядром мю-минус-мезонов должен состоять из отдельных линий, соответствующих переходам из резонансных состояний в конечное состояние ядра, образующегося после испускания нейтрона. Линейчатый «характер энергетического спектра нейтронов был предсказанием, которое позволило осуществить непосредственную экспериментальную проверку модели.
Эксперименты были выполнены интернациональной группой физиков под руководством В.С.Евсеева. Была разработана уникальная установка, сердцем которой стал специально сконструированный прецизионный спектрометр нейтронов. Установка позволила в условиях стабильности работы — ее элементов провести длительные измерения на пучках синхроциклотрона . Линейчатая структура нейтронных спектров была обнаружена в 1968-1969 гг. при исследовании поглощения отрицательных мюонов в легких и средних по массе атомных ядрах (серы, кальция и кислорода). Достоверность открытия была подтверждена результатами работ американских и западноевропейских физиков.
Открытие явления резонансного поглощения отрицательных мюонов атомными ядрами оказало важное воздействие на развитие новой области исследований — ме-зонной ядерной физики. Оно способствовало разработке принципиально новых экспериментальных методов и подходов, которые широко внедряются в практику научных исследований в этой области. Теория коллективного возбуждения ядер в процессе поглощения мюонов послужила основой современной теории широкого класса мезоядерных процессов. Возбуждение в ядрах специфических коллективных движений под действием элементарных частиц оказалось универсальным свойством ядерного вещества.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под №173 в следующей формулировке:
«Установлено неизвестное ранее явление резонансного поглощения отрицательных, мюонов атомными ядрами, заключающееся в том, что при поглощении отрицательных мюонов происходит коллективное возбуждение атомных ядер».
Приоритет открытия установлен по двум датам: 22 октября 1963г. (теоретическое обоснование), 8 октября 1968г. (экспериментальное подтверждение).
Явление захвата отрицательно заряженных пионов ядрами химически связанного водорода
Сотрудники Объединенного института ядерных исследований член-корреспондент АН СССР Ю.Д.Прокошкин, доктора физико-математических наук С.С.Герштейн и Л.И.Пономарев и кандидаты физико-математических наук А.Ф.Дунайцев, В.И.Петрухин, В.И.Рыкалин открыли неизвестное ранее явление захвата отрицательно заряженных пионов ядрами химически связанного водорода, при котором на стадии, предшествующей ядерному захвату, происходит образование возбужденных мезомолекулярных комплексов с размерами порядка атомных.
В чем суть открытия и необычность явления, составляющего его основу? На этот вопрос отвечает Л.И.Пономарев:
«Известно, что отрицательно заряженные пи-мезоны, останавливаясь в веществе, очень активно взаимодействуют с ядрами его атомов. Если в состав вещества входят» атомы водорода, то происходит весьма характерная реакция, которую легко выделить среди прочих. Однако, как нами было установлено, интенсивность этой реакции в десятки и сотни раз уменьшается, если атом водорода входит в химическое соединение с атомами других элементов, образуя, например, воду или полиэтилен.
Экспериментально было доказано, что вероятность реакции перезарядки пи-мезонов на протонах резко зависит от типа химической связи атомов водорода в исследуемом веществе. Так, реакция перезарядки в гидразине в 30 раз менее интенсивна по сравнению с той же реакцией в эквивалентной механической смеси водорода и азота. Зависимость ядерного захвата от химической связи оказалась совершенно неожиданной.
Необычно то, что химические силы между атомами, так резко меняющие реакцию, в миллион раз слабее ядерных и по существовавшей теории не должны сдерживать их. Но представим себе широкую дорогу и поток машин. Если встретился узкий участок, то именно он определит скорость транспорта. Торможение ядерной реакции и можно сравнить с ролью узкого места на дороге».
Акт захвата отрицательного пиона ядром водорода регистрируется по характерной для пи-мезонов реакции перезарядки на протонах. Было установлено, что в водородсодержащих веществах вероятность захвата пионов ядрами водорода по сравнению с чистым водородом характеризуется как третья степень заряда ядра атома, соединенного с водородом. Обнаруженный эффект не зависит от плотности и агрегатного состояния вещества, а также от примесей тяжелых элементов.
При торможении и остановке отрицательно заряженные пионы водорода захватываются на высоковозбужденные мезомолекулярные уровни, которым отвечают мезонные орбиты, лежащие в области валентных электронов (т.е. орбиты, принадлежащие всей молекуле в целом, а не изолированным атомам). Размеры таких больших мезомолекул в сотни раз превышают размеры мезоатомов в основном состоянии, и только незначительная часть мезонов, захваченных на возбужденные мезомолекулярные уровни, образует при дальнейших переходах мезоатомы водорода и вступает в реакцию перезарядки.
На основе модели больших мезомолекул авторами открытия были предсказаны и экспериментально подтверждены особенности захвата пионов протонами в разных классах химических соединений — водородсодержащих веществах, смесях веществ, ионных соединениях, кислотах и т.д.
Обнаруженное явление подтверждено в СССР и за рубежом.
Открытие дает новый метод исследований электронной структуры молекул, строения соединений, содержащих водород, скоростей химических реакций. Как уже отмечалось, оно положило начало новому научному направлению- мезонной химии.
Использование открытого явления становится особенно перспективным в связи с созданием ускорителей с большими токами. На работах авторов открытия основываются обширные программы мезохимических исследований.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 164 с приоритетом от 4 апреля 1962 г. в следующей формулировке:
«Установлено неизвестное ранее явление захвата отрицательно заряженных пи-мезонов ядрами химически связанного водорода с предварительным образованием возбужденных мезомолекулярных комплексов, определяющих интенсивность ядерного захвата мезонов».
Явление существования мюония в конденсированных средах
Кандидат физико-математических наук М.Я.Балац, Л.И.Бабаев, Г.Г.Мясищева, Ю.В.Обухов, доктор химических наук В.Г.Фирсов (Институт теоретической и экспериментальной физики) и В.С.Роганов (Объединенный институт ядерных исследований) открыли неизвестное ранее явление существования водородоподобного атома мюония в конденсированных химических средах.
Эксперименты были начаты на пучках положительных мю-мезонов синхроциклотрона лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований. Было установлено, что положительно заряженный мю-мезон после торможения и остановки может оторвать электрон у одного из атомов вещества и образовать не существующий в земных условиях новый атом мюоний — легкий радиоактивный изотоп водорода. Он состоит не из электрона и протона, а из электрона и положительного мю-мезона. Таким образом, ядром нового, искусственного атома является в 9 раз более легкая, чем протон, нестабильная частица — положительный мю-мезон.
Многие зарубежные исследователи пытались обнаружить атом мюония в конденсированных средах, однако их попытка не увенчалась успехом. Советским ученым удалось решить эту проблему.
«Атомарный мюоний, — рассказывает В.С.Роганов, — обнаружен нами по ларморовой прецессии (вращению) спинов его триплетного состояния в поперечном магнитном поле в кристаллическом кварце, а также во льду, монокристаллах германия и углекислоте.
Атом мюония легко вступает в химические взаимодействия. Поэтому для обнаружения мюония было необходимо сформулировать ряд требований к свойствам исследуемого материала. К ним относятся условия весьма медленного протекания химических реакций мюония с образованием молекулярных продуктов, незначительное влияние кристаллической решетки, а также других причин, приводящих к образованию достаточно глубоких электронных ловушек, отсутствие химически активных и парамагнитных примесей. Существенна также скорость конверсионного обмена со средой электронов с противоположным направлением спина, влияющая на продолжительность существования поляризованного атома мюония. Раньше эти факторы не учитывались, что приводило к безуспешным поискам ларморовой прецессии мюония в конденсированных средах.
Обнаружение нового явления имеет важное научное и практическое значение. Оно открывает широкие перспективы использования мюония как аналога атомарного водорода в исследованиях в области физики твердого тела и полупроводников, химической кинетики, квантовой химии и атомной физики. Открытие особенно важно для создания новых методик проведения экспериментов по физике твердого тела и определения абсолютной скорости различных химических реакций.
Картина химических взаимодействий мюония послужила основой для разработки метода определения констант скорости его химических реакций с веществом с образованием молекулярных и радикальных продуктов. С помощью мюониевого метода исследуются также энергии активации реакций с участием отличающихся помассе водородоподобных атомов, магнитные взаимодействия мю-мезона, ядер и неспаренных электронов в молекулах, делокализация электронной плотности, роль водородных связей при фазовом переходе. Особо следует подчеркнуть возможность сопоставления аналогичных процессов с участием мюония и атомарного водорода».
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 161 с приоритетом от 3 ноября 1965 г. Формула открытия такова:
«Экспериментально установлено неизвестное ранее явление существования атомарного мюония, впервые наблюдавшегося в конденсированных химически инертных средах по ларморовой прецессии системы спинов его триплетного состояния в поперечном магнитном поле».
Явление двухчастотной прецессии спина положительного мю-мезона в атоме мюония в магнитном поле
Член-корреспондент АН СССР И.И.Гуревич, доктора физико-математических наук И.Г.Ивантер и Б.А.Никольский, кандидаты физико-математических наук В.И.Селиванов, В.П.Смилга, И.В.Яковлева, кандидаты технических наук Е.А.Мелешко, Л.А.Макарьина, Б.В.Соколов, В.Д.Шестаков (Институт атомной энергии имени И.В.Курчатова) и В.С.Роганов (Объединенный институт ядерных исследований) открыли неизвестное ранее явление двухчастотной прецессии спина мю-мезона в атоме мюония.
Факт существования атома мюония в химических инертных веществах дал возможность изучать его поведение в конденсированных средах и исследовать его свойства.
Авторы теоретически предсказали, а затем обнаружили в экспериментах на пучках мезонов синхроциклотрона, что спин мю-мезона в атоме мюония прецессирует в слабом магнитном поле с двумя близкими частотами, из-за чего возникает характерная картина биений. Причиной их является то, что основное состояние атома мюония в магнитном поле расщеплено на четыре подуровня, т.е. атом находится в нескольких стационарных состояниях, между которыми осуществляются переходы разной частоты.
Такие переходы были экспериментально установлены в 1969 г. Двухчастотная прецессия мю-мезона в атоме мюония наблюдалась в кварце, германии и во льду. С помощью метода двухчастотной прецессии были с высокой точностью измерены частоты сверхтонкого расщепления. В кварце и во льду они оказались совпадающими с их значениями для мюония в вакууме. Для германия эти значения существенно меньше. Все это помогло определить размеры атома мюония в среде.
Открытие позволило определить отличие структуры атома мюония, внедренного в конценсированную среду, от структуры атома мюония в вакууме. Оно дает возможность изучить свойства атома мюония, изучать его размеры в среде, получать информацию о процессах, которые характеризуются волновой функцией электронов в месте расположения мю-мезона, т.е. практически на протоне. Исследования выявляют механизмы взаимодействий водородоподобных примесных атомов с кристаллической решеткой в различных соединениях.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 162 с приоритетом от 1 мая 1969 г. в следующей формулировке:
«Установлено неизвестное ранее явление двухчастотной прецессии спина положительного мю-мезона в атоме мюония, обусловленное контактным взаимодействием магнитных моментов положительного мю-мезона и электрона мюония в слабом поперечном магнитном поле».
Явление удержания медленных нейтронов
Академик Я. Б.Зельдович (Институт прикладной математики АН СССР), член-корреспондент АН СССР Ф.Л.Шапиро и кандидаты физико-математических наук А.В.Стрелков, В.И.Лущиков и Ю.Н.Покотиловский (лаборатория нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований) открыли неизвестное ранее явление удержания медленных нейтронов внутри объемов, стенки которых обеспечивают полное внутреннее отражение нейтронов.
Подавляющее большинство экспериментов проводится с частицами, разогнанными до околосветовых скоростей и оставляющими след. Но нейтрон нейтрален, и его нельзя ускорить, как, скажем, протон или Другую заряженную частицу. Благодаря своей нейтральности нейтроны беспрепятственно проникают в защищенные электрическим барьером атомные ядра. Оказавшись там, они вызывают цревращения, которые очень много говорят о свойствах микромира.
В последнее время физиков все больше интересуют свойства самих нейтронов. Нейтрон можно рассматривать как протон, т. е. положительно заряженную частицу, закутанную в отрицательно заряженную мезонную «шубу», — такая конструкция нейтральна. Не исключено, что нейтрон имеет и более сложное строение.
«Традиционным мощным источником нейтрона, — рассказывает академик Я.Б.Зельдович, — являются ядерные реакторы, в которых нейтроны образуются прицепной реакции деления урана-235 или плутония. Но нейтроны нестабильны: за тысячу секунд половина их распадается. Экспериментальное исследование нейтронов затруднительно еще и потому, что они, как правило, не задерживаются в том объеме, в котором расположена аппаратура, — ведь для них любое вещество практически прозрачно.
Как показали теоретические исследования, так называемые ультрахолодные, или, иначе говоря, особо медленные (скорость которых меньше нескольких метров в секунду), нейтроны можно поймать. Для этого они должны обладать неожиданным свойством — полностью отражаться от таких материалов, как стекло, медь, графит. Если их загнать в закрытый сосуд из таких материалов, они останутся там, пока не распадутся.
Трудность состояла в том, чтобы поймать медленные нейтроны. Как и быстрые, они рождаются в атомном реакторе, но в очень малых количествах. На квадрилион быстрых нейтронов рождается один особо медленный. Как же отсортировать их и загнать в сосуд? Для этого воспользовались их свойством течь по кривым трубкам. Быстрые нейтроны пронизывают материал стенок на первом же повороте и летят по прямой, медленные отражаются от стенок и поворачивают в нужном направлении. Именно так и был организован эксперимент, проведенный в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Впервые в мире удалось наполнить ультрахолодными нейтронами из атомного реактора медные, графитовые и стеклянные сосуды».
Вот что рассказывает другой соавтор открытий — А.В.Стрелков:
«Сосуд с нейтронами — уникальнейший прибор. Его чувствительность — невиданная до сего времени. Он позволяет зафиксировать изменение энергии нейтрона всего в 10-20 электрон-вольт! Это в миллиарды раз меньше, чем позволяли самые современные тонкие методы.
Если раньше, в начале экспериментов, за 200 с мы могли отловить лишь один нейтрон, то сегодня всего за секунду мы имеем их до 10 тыс. Особые детекторы, созданные в лаборатории, помогают эффективно регистрировать такие нейтроны. Но самое главное в другом — нейтроны в наших сосудах живут до 500 с. Можете представить себе, что такое 500 с для физика! Это такое богатство, о котором прежде лишь мечтали. Время жизни отловленных нейтронов мы намерены в ближайшем будущем продлить. А это значит, что теперь можно детально рассмотреть нейтроны и выяснить все, что интересует ученых, в частности действительно ли нейтрон нейтрален.
С одной стороны, мало вероятно, чтобы нейтрон имел не равный нулю полный заряд. Но все же важно проверить точными опытами и это предположение. С другой стороны, не подлежит сомнению, что внутри нейтрона есть положительный заряд, расположенный ближе к центру, и отрицательный — на периферии. Нейтрон вращается, при этом возникает магнитное поле, как от проводника с током. Поэтому физики говорят, что нейтрон имеет магнитный момент. Но есть ли у нейтронов электрический дипольный момент? Другими словами, симметрично ли расположены заряды вдоль оси вращения? На этот вопрос можно будет получить ответ с помощью ультрахолодных нейтронов в ловушке. Если вдруг окажется, что у нейтронов есть электрический дипольный момент, то это поломает наши представления о природе вещей вообще, заставит рассматривать Вселенную с несколько иной точки зрения. Скажем, симметрична она во времени или нет?
Открытие подтверждает правильность современных представлений о взаимодействии тяжелых элементарных частиц с веществом при длинах волн, значительно превышающих межатомные расстояния. Низкая энергия и длительное время хранения ультрахолодных нейтронов делают их чрезвычайно чувствительным инструментом для изучения разного рода слабых взаимодействий.
Использование ультрахолодных нейтронов позволит значительно увеличить точность экспериментов, имеющих фундаментальное значение для физики, таких, как определение времени жизни свободного нейтрона до бета-распада, поиск возможного электрического заряда у нейтрона или электрического дипольного момента. Появляется возможность исследовать поведение элементарных частиц с нулевой массой покоя в предельном случае почти нулевой энергии и свойства идеального «газа» элементарных частиц.
Практическое значение открытия состоит в том, что осваивается новый диапазон нейтронного излучения с длиной волны 10-4-10-5 см. В этом диапазоне может быть изучена структура полимерных материалов, крупных белковых молекул, магнитная структура ферромагнитных материалов и сверхпроводников второго рода. Изучение этих материалов с помощью ультрахолодных нейтронов имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами.
Благодаря особым волновым свойствам ультрахолодные нейтроны можно использовать для измерения точности обработки поверхности до уровня 10-6 см. Создание нейтронного микроскопа позволит в отличие от электронного «просвечивать» неизмеримо более толстые образцы.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 171 и сформулировано так:
«Теоретически предсказано и экспериментально установлено неизвестное ранее явление удержания медленных нейтронов внутри объемов, стенки которых обеспечивают полное внутреннее отражение нейтронов».
Приоритет открытия установлен по двум датам: 3 апреля 1959 г. (теоретическое обоснование), 29 октября 1968 г. (экспериментальное доказательство).
Ядерные свойства света (распад фи-ноль-мезона на электрон-позитронную пару)
Советские ученые из Объединенного института ядерных исследований доктора физико-математических наук М.Н.Хачатурян, А.М.Балдин и И.В.Чувило, кандидат технических наук А.Т.Матюшин, кандидаты физико-математических наук М.А.Азимов, В.С.Пантуев и М.С.Хвастунов, сотрудники института Р.Г.Астватацуров, Л.И.Журавлева, В.И.Иванов и В.Т.Матюшин и чехословацкий ученый кандидат физико-математических наук Я.Гладки совместно с сотрудниками Физического института АН СССР имени П.Н.Лебедева кандидатами физико-математических наук А.С.Белоусовым и Л.Н.Штарковым впервые в мире экспериментально установили распад фи-ноль-мезона на электрон-позитронную пару, подтвердив предсказанное теоретиками взаимное превращение друг в друга ядерных частиц и фотонов.
Сравнительно недавно физики сочли бы бессмысленным такое утверждение. Примерно 10-12 лет назад возникла теория, пользуясь которой можно объяснить тайны тех глубинных областей строения материи, к которым испытанные методы квантовой электродинамики Максвелла — Дирака неприменимы. Предполагалось, что новые частицы, названные векторными мезонами, должны играть в сильных ядерных взаимодействиях столь же существенную роль, что и фотоны в электромагнитных взаимодействиях. Наиболее удивительным в этой теории, как мы уже говорили, было утверждение о взаимном превращении друг в друга фотонов и векторных мезонов. Однако смелые предположения, основанные на математических расчетах, требовали экспериментального подтверждения. Крупнейшие лаборатории мира на протяжении ряда лет пытались обнаружить такого рода превращение.
Открытие взаимодействия электромагнитных и ядерных сил стало возможным благодаря изобретенному М.Н.Хачатуряном и его товарищами уникальному устройству для регистрации фотонов и электронов высокой энергии. Создав необычайно чувствительную электронную аппаратуру, составной частью которой были гамма-спектрометры, основанные на действии эффекта Черепкова — Вавилова, ученые экспериментально доказали, что фи-мезоны превращаются в фотоны, а последние образуют пару из электрона и позитрона. Более того, удалось оценить количественные параметры этих превращений, при которых масштабы времени определяются долями секунды в 10-23.
Была измерена масса частиц, живущих в сотни тысяч раз меньше, чем одна миллиардная часть от одной миллиардной доли секунды. Известные классические методы исследования оказались здесь непригодны. Сложнейшая задача была решена путем прямого определения массы частицы по продуктам ее распада. Экспериментально доказав взаимное превращение друг в друга ядерных частиц и фотонов, можно было установить ядерные свойства фотонов, т.е. ядерные свойства света.
Величина вероятности перехода «фотон — векторный мезон» определяет точную границу применимости существующей теории квантовой электродинамики, описывающей процессы излучения, которые лежат в основе всей атомно-молекулярной физики. Учитывая измеренные в процессе эксперимента вероятности существования фотонов в виде векторных мезонов, теоретики рассчитали поправки к основным свойствам прежде всего атома водорода.
Обнаруженные ядерные свойства фотонов вызвали к жизни новое научное направление — теорию распространения фотонов в ядерном веществе. Многочисленные экспериментальные исследования процессов образования и распада векторных мезонов, проведенные в крупнейших лабораториях мира, показали, что при высоких энергиях взаимодействие фотонов с ядерными частицами полностью аналогично взаимодействию ядерных частиц между собой. Значит, открытый переход «фотон — векторный мезон» лежит в основе взаимодействия электромагнитного поля с ядерными частицами.
Ученые считают, что проявление электромагнитного и ядерного взаимодействий, узловым пунктом которого является переход «фотон — векторный мезон», скорее всего проявление единого фундаментального взаимодействия, теорию которого еще предстоит построить.
Открытие советских физиков получило широкое признание. Экспериментальное подтверждение его было осуществлено на встречных электрон-позитронных пучках в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР, а также в лаборатории линейного ускорителя электронов исследовательского центра в Орсэ (Франция).
Оно важно не только для уяснения законов ядерной физики, но и для диалектического понимания процессов, происходящих в глубинах материи, так как подтверждает диалектико-материалистическое положение о всеобщей связи и взаимообусловленности явлений природы.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 94 с приоритетом от февраля 1967 г. Формула открытия следующая:
«Экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление распада фи-ноль-мезона на электрон-позитронную пару, указывающее на существование прямых переходов между фи-ноль-мезоном и гамма-квантом».
Явление образования и распада сверхтяжелого гелия — гелия-8
Кандидаты физико-математических наук Ю.А.Батусов, С.А.Бунятов, В.М.Сидоров (лаборатория ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований), член-корреспондент АН СССР В.И.Гольданскин (Институт химической физики АН СССР), академик Я.Б.Зельдович (Институт прикладной математики АН СССР), кандидаты физико-математических наук О.В.Ложкин и А.А.Римский-Корсаков (Радиевый институт имени В.Г.Хлопина) и кандидат физико-математических наук В.А.Ярба (Институт физики высоких энергий) открыли явление образования и распада сверхтяжелого гелия — гелия-8.
Установлено, что наибольшей устойчивостью обладают ядра, содержащие равное число протонов и нейтронов. Среди легких элементов это относится, в частности, к самому распространенному из изотопов гелия — гелию-4, состоящему из двух протонов и нейтронов, а также к кислороду О16, состоящему из возьми протонов и восьми нейтронов, и др.
В 1959-1960 гг. Я.Б.Зельдович и В.И.Гольданский теоретически предсказали существование сверхтяжелого гелия с атомным весом 8, с ядром, в состав которого входят два протона и шесть нейтронов. Такое ядро должно было быть «рекордным» среди всех ядер периодической системы Д.И.Менделеева — в нем каждый протон должен удерживать по три нейтрона.
Экспериментальное доказательство существования такого ядра стало важной проблемой для многих научных центров. В 1961 г. в Радиевом институте имени В.Г.Хлопина (Ленинград) О.В.Ложкин и А.А.Римский-Корсаков наблюдали в ядерной эмульсии, облученной протонами, два необычных следа ядерных частиц. Следы имели Т-образную форму и были подобны тем, какие оставляют в фотоэмульсии ядра лития-8, однако с заметно меньшей плотностью проявленных зерен.
В течение 1961-1965 гг. сообщения об успешном получении гелия-8 оказывались либо недостаточно надежными, либо просто ошибочными. Необходимы были прямые поиски гелия-8 с помощью трековых детекторов.
В октябре 1965 г. Ю.А.Батусов, С.А.Бунятов, В.М.Сидоров и В.А.Ярба в лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований зарегистрировали случай образования гелия-8 при захвате пи-мезона углеродом. В ядерной фотоэмульсии были зафиксированы следы гелия-8 и всех заряженных частиц от его распада, а также следы частиц, возникающих при образовании ядра.
Энергия, вносимая мезоном в ядро при захвате, была точно известна. Это масса покоя пи-мезона. Поэтому оказалось возможным провести кинематический анализ наблюдаемой реакции — проверкой энергоимпульсного баланса идентифицировать гелий-8 в самом акте образования и измерить его массу. Благодаря наблюдению в одном эксперименте одновременно акта рождения и акта распада впервые удалось доказать факт существования нуклоностабильного ядра гелия-8, состоящего из двух протонов и шести нейтронов. В дальнейших исследованиях в Дубне зарегистрированы и другие случаи образования гелия-8 в ядерных реакциях.
Обнаружение бета-радиоактивного ядра гелия-8 имеет большое значение прежде всего для определения границы устойчивости нейтроноизбыточных атомных ядер и исследований свойств ядер на границе устойчивости. В природе существует закономерность, согласно которой в стабильных легких ядрах число нейтронов примерно равно числу протонов. Отклонение от этой закономерности приводит к нестабильности атомных ядер. В ядре гелия-8 отношение нейтронов к протонам равно 3. В связи с этим возникает вопрос, не могут ли существовать другие ядра с таким же отношением или ядра, в которых вообще нет протонов, — так называемые нейтронные ядра.
На основе существования нуклоностабильного гелия-8 в астрофизике выдвинуты гипотезы об источниках солнечной энергии и о природе солнечных антинейтрино. По современным представлениям, в звездах и на Солнце происходит непрерывное превращение водорода в связанные нейтроны. В среде может существовать большое количество гелия-8. В результате бета-распада гелий-8 превращается в две альфа-частицы, при этом выделяется энергия, во много раз большая, чем при бета-распаде нейтрона. Поэтому гелий-8 может играть большую роль во всякого рода взрывных астрофизических явлениях. Значительная часть энергии распада гелия-8 уносится в виде энергии антинейтрино.
В настоящее время некоторые методы расчетов энергии связи нуклонов в легких ядрах предсказывают возможность существования еще более перегруженных нейтронами изотопов гелия, в частности гелия-10 и гелия-22. С точки зрения оболочной модели ядра такие ядра не могут быть устойчивыми. Эта модель предполагает, что для нейтронов выгодно состояние, когда они связаны попарно.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 119 в такой формулировке:
«Установлено ранее неизвестное явление образования и бета-распада нуклоностабильного ядра с наибольшим известным отношением числа нейтронов к числу протонов N/Z=3 на примере сверхтяжелого гелия — Не8».
Приоритет открытия установлен по двум датам: 22 октября 1959 г. (теоретическое обоснование существования гелия-8), 30 октября 1965 г. (экспериментальное доказательство существования нуклоностабильного ядра гелия-8).
Закон сохранения векторного тока в слабых взаимодействиях элементарных частиц
Коллектив ученых Института физики высоких энергий, в который вошли член-корреспондент АН СССР Ю.Д.Прокошкин, доктор физико-математических наук С.С.Герштейн, кандидаты физико-математических наук А.Ф.Дунайцев и В.И.Рыкалин, совместно с академиком Я.Б.Зельдовичем (Институт прикладной математики АН СССР) и кандидатом физико-математических наук В.И.Петрухиным (Объединенный институт ядерных исследований) установили одну из важнейших закономерностей универсального слабого взаимодействия частиц. Наряду с гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействием его можно считать проявлением фундаментальных сил природы.
Существование специального слабого взаимодействия обнаружил в 1934 г. Э.Ферми, изучая бета-распад атомных ядер. Однако только теперь удалось открыть и теоретически обосновать закон универсального слабого взаимодействия — сохранения векторного тока — и экспериментально установить существование нового, ранее неизвестного явления бета-распада положительного пи-мезона, величина вероятности которого подтвердила закон сохранения векторного тока.
Открытие закона сохранения векторного тока эквивалентно установлению особого типа фундаментального заряда слабого взаимодействия, аналогичного электрическому заряду в электромагнитных силах.
Открытие советских ученых внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 135 с приоритетом от 8 июня 1955 г. (теоретическое обоснование) и от 12 апреля 1962 г. (экспериментальное подтверждение). Формула открытия такова:
«Установлен неизвестный ранее закон сохранения слабого векторного тока элементарных частиц — адронов, подтвержденный экспериментально обнаружением и измерением вероятности бета-распада положительно заряженного пи-мезона».
Автофазировка в циклических резонансных ускорителях
Резко повысить энергию и количество ускоренных частиц позволила работа советского ученого, академика В.И.Векслера (Объединенный институт ядерных исследований в Дубне). Он открыл неизвестную ранее закономерность движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях с постоянными или медленно меняющимися параметрами, состоящую в автоматическом установлении синхронизма между частотой обращения частиц и частотой колебания ускоряющего электрического поля. Открытие В. И. Векслера дало возможность проектировать и сооружать микротроны, синхротроны, фазотроны и все крупнейшие ускорители заряженных частиц. Благодаря этому открытию были созданы синхрофазотрон Объединенного института ядерных энергий в Дубне на 10 млрд. эВ, ускорители в Церне (Швейцария) на 28 млрд., в Брукхейвене (США) на 33 млрд. и в Серпухове (СССР) на 70 млрд. эВ.
В настоящее время с помощью ускорителей может осуществляться планомерный синтез материалов или модификация их свойств. «С их участием, — рассказывает член-корреспондент АН СССР В.И.Гольданский, — успешно решается, например, одна из важнейших проблем современной химии — установление механизма первичных сверхбыстрых химических процессов. Такие исследования имеют большое значение для создания эффективной защиты от химического и биологического действия излучения, разработки научных путей радиационно-химического синтеза материалов».
Не менее важные исследования проводятся на синхротронах. Вращаясь в магнитном поле этих ускорителей, электроны непрерывно теряют энергию на излучение, которое называют синхротронным. Длина его волны составляет от миллионной до стомиллионной доли сантиметра, энергия квантов — от 10 до 1000 эВ. Таким образом, заполняется наименее изученный диапазон спектра электромагнитных волн. Энергия такого рода излучения может быть эффективно использована в биологии, астрофизике, физике твердого тела и в других науках.
Открытие В.И.Векслера внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 10 с приоритетом от 8 июня 1944 г. Формула открытия такова:
«Установлена ранее неизвестная закономерность движения заряженных частиц в совокупности магнитного и быстропеременного электрического поля с постоянными или медленно меняющимися параметрами, состоящая в автоматическом возникновении и поддержании синхронизма между частотой обращения частиц и частотой колебаний ускоряющего электрического поля».
Антисигма-минус-гиперон
Коллектив научных работников Объединенного института ядерных исследований в Дубне, в который вошли советские ученые академик В.И.Векслер, доктора физико-математических наук А.А.Кузнецов и М.И.Соловьев, кандидаты физико-математических наук Н.М.Вирьясов и Е.Н.Кладницкая и сотрудник института А.В.Никитин, совместно с учеными ряда социалистических стран открыли неизвестное ранее явление образования и распада элементарной частицы антисигма-минус-гиперон.
Это явление было впервые обнаружено при исследовании взаимодействий отрицательных пи-мезонов с атомами вещества. Пучок пи-мезонов получался в результате соударения ускоренных на синхрофазотроне до энергии 10 млрд. эВ протонов с ядрами мишени из бериллия, после чего он направлялся в пузырьковую камеру. Было проанализировано 40 тыс. полученных стереофотографий.
Открытая частица относится к гиперонам — частицам более тяжелым, чем протоны и нейтроны. До описываемого открытия физикам были известны частицы, называемые сигма-гиперонами, существующие как положительно и отрицательно (сигма-минус-гипероны) заряженными, так и в нейтральном состоянии.
Из теории было ясно, что и для сигма-минус-гиперона должна найтись античастица. Однако до марта 1960 г. существование такой частицы экспериментально не было доказано.
Открытие ученых Дубны зарегистрировано под № 59 с приоритетом от 24 марта 1960 г. в такой формулировке:
«Экспериментально обнаружено ранее неизвестное явление образования и распада заряженной частицы антисигма-минус-гиперон с массой, в 2340 раз большей, чем масса электрона, положительным зарядом, временем жизни, равным десятимиллиардной доле секунды, и распадающейся на положительный пи-мезон и антинейтрон».
Спонтанное деление ядер урана
В 1940 г. в лаборатории И.В.Курчатова молодыми физиками К.А.Петржаком и Г.Н.Флеровым был открыт новый, очень своеобразный вид радиоактивного распада атомных ядер — спонтанное деление. При всех прочих превращениях атомное ядро испускает частицы, которые существенно меньше его по массе и размерам. При спонтанном делении ядро атома делится, грубо говоря, на две равные части. Эта особенность спонтанного деления позволяет получить совершенно новую и очень ценную информацию об атомном ядре.
В течение трех десятилетий спонтанное деление широко изучалось крупнейшими физиками мира. Большой вклад в исследование этого явления внесли советские физики, в особенности авторы открытия. К настоящему времени изучены многие детали, экспериментально установлены и теоретически обоснованы важные закономерности спонтанного деления.
Было доказано, что атомное ядро делится спонтанно потому, что, начиная с некоторой массы, электрические силы расталкивания протонов превосходят специфические ядерные силы, обеспечивающие ту связь, которая заставляет свободные нуклоны сливаться и образовывать атомное ядро. Нестабильность относительно деления возникает с ростом массы не вдруг, а постепенно. В очень слабой степени она проявляется на опыте только для самого тяжелого природного элемента — урана.
За время существования Земли (около 5 млрд. лет) спонтанное деление испытала только одф двухмиллионная часть ядер урана. По мере продвижения в область искусственных трансурановых элементов спонтанное деление играет все более существенную роль. Самые тяжелые из известных элементов — курчатовий-104 и нильс-борий-105, о которых еще будет рассказано, были открыты в Объединенном институте ядерных исследований путем регистрации их спонтанного деления. Изотопы этих элементов живут всего несколько секунд или долей секунды. Более тяжелые элементы из-за спонтанного деления будут распадаться еще быстрее.
Благодаря разработке совершенных методов регистрации спонтанного деления (в частности, с помощью твердотельных трековых детекторов) оно находит широкое практическое применение — в геологии, геофизике, геохимии, сельском хозяйстве, археологии и т.д. В данном случае важнейшее значение имеет возможность определения возраста различных объектов по накопленному эффекту спонтанного деления. Этот эффект обычно проявляется в виде следов осколков деления, которые могут сохраняться во многих объектах исследования сотни миллионов лет. По эффекту спонтанного деления определяется возраст лунных образцов, метеоритов, костей ископаемых животных, древней керамики и т.д.
Открытие спонтанного деления ядер урана и трансурановых элементов позволило определить количество и изотопный состав некоторых других элементов. Изучая таким путем, например, благородные газы, можно понять многое в истории образования Солнечной системы, в происхождении земной атмосферы, подземных газовых источников и т.д. Значительную роль в общем нейтронном фоне Земли играют нейтроны, испускаемые при спонтанном делении урана. Изучая плотность этого нейтронного потока, ученые делают выводы о распределении урана в земной коре.
Открытие Г.Н.Флерова и К.А.Петржака внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 33 с приоритетом от 14 июня 1940 г. в следующей формулировке:
«Экспериментально обнаружено спонтанное — без возбуждения какими-либо частицами — деление ядра естественного урана на две части. Это новый вид радиоактивности, при котором первоначальное ядро превращается в два ядра, разлетающиеся с кинетической энергией около 160 МэВ».
Спонтанное деление атомных ядер из возбужденного состояния (спонтанно делящиеся изомеры)
Важной вехой, позволившей существенно углубить понимание процессов спонтанного деления, явилось открытие физиками Объединенного института ядерных исследований академиком Г.Н.Флеровым, кандидатом физико-математических наук С.П.Поликановым и научными сотрудниками В.Л.Михеевым, В.П.Перелыгиным, А.А.Плеве и В.А.Фомичевым спонтанного деления изомеров.
В 1961 г. авторы открытия пытались синтезировать сто четвертый элемент таблицы Д.И.Менделеева, облучая изотоп плутония, имеющего массу в 242 атомные единицы, пучком ионов неона. Они хотели зарегистрировать спонтанное деление нового элемента. Ожидалось, что период его полураспада составит около 0,01 с. Такой спонтанно делящийся излучитель был обнаружен. Однако скоро выяснилось, что это не изотоп нового элемента, а изомер известного элемента америция, вероятность спонтанного деления которого примерно в 1023 раз больше, чем вероятность спонтанного деления изотопа в основном состоянии.
Спонтанно делящиеся изомеры исследуются во многих лабораториях мира. Они дают ученым богатую пищу для теоретических обобщений. В настоящее время известно около 40 таких изомеров с периодами полураспада от нескольких миллиардных долей секунды (наносекунд) до миллисекунд. Особенность состояний этих изомеров, привлекшая к ним пристальное внимание ученых, заключается в том, что они оказались неожиданно стабильными относительно всех других видов распада.
Обычное изомерное состояние ядер сильно отличается от основного по квантовомеханнческому признаку — угловому моменту, но близко ему по энергии. Со спонтанно делящимися изомерами дело обстоит сложнее. У некоторых ядер в этом состоянии энергия значительно больше, чем в основном, а угловой момент близок к угловому моменту в основном состоянии.
Рассматривая проблему в общем, физики приходят к заключению, что, находясь в изомерном состоянии, ядро имеет необычно большую деформацию, которая существенно облегчает его деление. Многообещающей с точки зрения интерпретации спонтанно делящихся изомеров является модель «двугорбого барьера» деления, предложенная в 1967 г. В.М.Струтинским. Теоретические построения, лежащие в основе этой модели, приводят, в частности, к предсказанию относительной стабильности элементов с порядковыми номерами 110-126.
Описанное открытие зарегистрировано под № 52 с приоритетом от 24 января 1962 г. в такой формулировке:
«Экспериментально обнаружено явление спонтанного деления атомных ядер, находящихся в нестабильном состоянии, характеризующееся уменьшением периода спонтанного деления на много порядков по сравнению с периодом полураспада для основного состояния этих ядер».
Явление запаздывающего деления атомных ядер
Академик Г.Н.Флеров, кандидат технических наук В.И.Кузнецов и кандидат физико-математических наук Н.К.Скобелев (Объединенный институт ядерных исследований) открыли неизвестное ранее явление запаздывающего деления атомных ядер — четвертый тип деления. Во время экспериментов в 1966-1971 гг. в лаборатории ядерных реакций впервые такое деление наблюдалось при облучении мишени из тория-230 (порядковый номер 90) ионами бора-10 (порядковый номер 5). Были получены легкие изотопы америция (порядковый номер 95) — америций-232 и америций-234. Радиоактивный распад сопровождался делением ядер с периодом полураспада, составлявшим минуты.
В отличие от вынужденного деления, основанного на захвате ядром нейтрона, запаздывающее деление основано на захвате электрона из собственного атома. Анализ экспериментов показал, что запаздывающее деление должно наблюдаться в широкой области тяжелых атомных ядер. Это позволяет надеяться, что открытие поможет в работе по получению новых изотопов тяжелых элементов.
Следует отметить, что сотрудниками лаборатории ядерных реакций при проведении экспериментов по синтезу сто шестого элемента был получен новый излучатель осколков запаздывающего деления. В настоящее время известны уже семь изотопов, являющихся предшественниками запаздывающего деления. Открытое явление дополняет известные ранее процессы, связанные с бета-распадом: испускание запаздывающих альфа-частиц, нейтронов и протонов.
Изучение запаздывающего деления обещает дать важную информацию о величине потенциальных барьеров деления ядер, а также о характеристиках возбужденных состояний ядра при энергиях возбуждения, близких к барьеру деления. Запаздывающее деление дает возможность объяснить малую распространенность в Солнечной системе тяжелых ядер, обогащенных или обедненных нейтронами.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 160 с приоритетом от 12 июля 1971 г. Оно сформулировано так:
«Установлено неизвестное ранее явление запаздывающего деления атомных ядер, заключающееся в том, что деление атомных ядер, образующихся после бета-распада, происходит при энергиях возбуждения, превышающих потенциальный барьер деления».
Протонный распад радиоактивных ядер
Предположение о возможности эмиссии (излучения) протона в радиоактивном распаде возникло еще в 1915 г. в лаборатории Э.Резерфорда. Однако ни в то время, ни значительно позже, когда в арсенале физиков появились ускорители заряженных частиц, протонный распад никем не наблюдался. Это объясняется трудностью получения ядер, испытывающих этот вид радиоактивного распада.
В 1962 г. группа физиков, в которую вошли кандидаты физико-математических наук В.А.Карнаухов и Г.М.Тер-Акопьян, кандидат технических наук В.Г.Субботин и научный сотрудник Л.А.Петров, работая на ускорителе тяжелых ионов Объединенного института ядерных исследований, открыла ранее неизвестное явление — протонный распад — эмиссию запаздывающих протонов. Новая разновидность искусственной радиоактивности была обнаружена путем тонкого анализа свойств радиоактивных продуктов, получающихся при облучении никеля пучком ядер неона.
Испускание запаздывающих протонов — двухступенчатый процесс. На первом этапе этого процесса протонно-избыточное ядро испытывает бета-плюс — распад. Образовавшееся дочернее ядро оказывается возбужденным и распадается, испуская протон. Сейчас открыто более 20 излучателей запаздывающих протонов, в результате чего стало ясно, что протонный распад — весьма распространенное свойство ядер, близких к границе существования.
Советские исследователи предложили оригинальные пути интерпретации результатов собственных опытов. Они получили ценные сведения о массах новых атомных ядер, следовательно, и о положении границы их существования, сведения о структуре их возбужденных состояний, создали условия для более углубленного изучения бета-распада.
Помимо эмиссии запаздывающих протонов существуют еще две разновидности протонного распада: распад из основного состояния и протонный распад изомеров. В 1970 г. в Беркли (США) И. Черны и другие ученые обнаружили первый протонно-активный изомер изотопа кобальта с массой в 53 атомные единицы. Изучение таких изомеров, очевидно, даст ценную спектроскопическую информацию об атомных ядрах.
Весьма важной является задача получения ядер, испытывающих протонный распад из основного состояния. Они интересны уже тем, что расположены еще ближе к границе существования, чем излучатели запаздывающих протонов. Однако это обстоятельство значительно затрудняет их синтез. В 1971 г. группа физиков Дубны закончила большой цикл исследований, в результате которых были получены обнадеживающие данные, свидетельствующие о возможном наблюдении протонного распада из основного состояния одного из изотопов празио-дима или латана.
Открытие явления протонного распада радиоактивных ядер зарегистрировано под № 35 с приоритетом от 12 июля 1962 г.
Образование изотопа сто второго элемента периодической системы Менделеева
В 1963 г. физики Е.Д.Донец, В.А.Щеголев и В.А.Ермаков из Объединенного института ядерных исследований открыли ранее неизвестное явление образования изотопа сто второго элемента с массовым числом 256. Измерен период полураспада изотопа, который, по уточненным в 1966 г. данным, равен 3,7±0,5 с.
Экспериментальные исследования, посвященные синтезу и изучению сто второго элемента, были проведены в лабораториях Института атомной энергии имени И.В.Курчатова в Москве и Института физики в Стокгольме и в Радиационной лаборатории имени Э.Лоуренса в Беркли (США). Однако в ходе этих исследований не была произведена однозначная идентификация изотопов сто второго элемента, и экспериментальные данные, полученные в разных лабораториях, не согласовывались между собой.
Авторам открытия удалось впервые синтезировать изотоп сто второго элемента и провести надежную идентификацию его с массовым числом 256. Явление образования изотопа сто второго элемента подтвердилось работами советских и иностранных ученых. На основании открытия были пересмотрены некоторые теоретические представления о стабильности элементов с атомным номером 102 и выше.
Названное открытие зарегистрировано под № 34 с приоритетом от 9 июля 1963г.
Следует заметить, что но данному открытию возник международный спор о приоритете. Сведения об открытии элемента 102 в Швеции, а затем в США, вошедшие в научную литературу и в учебники, оказались ошибочными. В связи с этим Г.Н.Флеров на Международной конференции по физике тяжелых ионов, проходившей в Дубне в октябре 1966 г., сделал следующее заявление: «Тщательные многократные эксперименты, ныне завершенные, доказали, что в действительности авторами открытия элемента 102 являются советские ученые, опубликовавшие свои работы в 1963 г.».
Г.Н.Флеров напомнил, что в 1956-1958 гг. работы по синтезу сто второго элемента проводились в Швеции, СССР и США. В каждой из этих стран был получен какой-то изотоп и даны сведения о его свойствах. Объединенная шведско-англо-американская группа, работавшая в Стокгольме, в Нобелевском институте, первой опубликовала сведения об открытии нового химического элемента и назвала его нобелием. Стокгольмское «открытие», сказал ученый, с самого начала вызвало удивление своей недоказанностью. Достаточно сказать, что не было определено массовое число нового элемента. Ученые Радиационной лаборатории имени Э.Лоуренса в Беркли (США), попытавшиеся повторить стокгольмские опыты в 1958 г., убедительно доказали их ошибочность. В то же время американские данные об открытии сто второго элемента не выдержали проверки.
Второй этап работ по установлению условий существования элемента 102 начался после соответствующей подготовки в 1961 г. в Дубне, располагающей самым мощным циклическим ускорителем тяжелых ионов с диаметром полюсов магнита 310 см. В 1963 г. здесь был получен тяжелый изотоп элемента 102 с массовым числом 256.
Наступление на сто вторую клетку таблицы Менделеева продолжалось широким фронтом. Опыты вели три группы ученых Объединенного института ядерных исследований, создавших каждая свою методику. Коллективность работы, возможность взаимной проверки, хорошие параметры ускорителя и исключительная точность аппаратуры — все это привело к успеху. В Дубне были открыты изотопы элемента 102 с массовыми числами от 251 до 256, с периодами полураспадоЪ от 0,8 с до 3 мин.
Г.Н.Флеров заявил, что ученые Дубны намерены воспользоваться своим правом присвоить элементу 102 новое название, поскольку прежнее основано на опытах, недостоверность которых доказана. Авторы открытия предложили назвать элемент 102 жолиотием (символ Л) в честь огромных заслуг перед человечеством выдающегося французского ученого-физика Фредерика Жолио-Кюри.
Сто третий элемент
В 1965 г. коллектив ученых Объединенного института ядерных исследований, куда вошли академик Г.Н.Флеров, доктор физико-математических наук С. М. Поликанов, кандидаты физико-математических наук Е.Д.Донец, В.А.Друин, Ю.В.Лобанов, В.Л.Михеев и В.А.Щеголев и сотрудники института А.Г.Демин и Ю.С.Короткий, открыл явление образования химического элемента с атомным номером 103.
Элемент 103 был идентифицирован по альфа-распаду его изотопа с массовым числом 256, синтез элемента был осуществлен при бомбардировке мишени из америция ионами кислорода. В первых опытах по обнаружению сто третьего элемента, проведенных в 1965 г., его идентификация была проведена по продукту его распада — фермию. В этих опытах был измерен период полураспада наблюдавшегося изотопа 103256, равный 35 с. В последующих опытах, проведенных в 1967 г., изучалось непосредственно альфа-излучение этого изотопа. Было обнаружено, что оно имеет сложный спектр в диапазоне 8,35=8,6 МэВ с основной альфа-линией 8,42 МэВ. Эти исследования однозначно доказали явление синтеза нового элемента с атомным номером 103.
Попытка синтеза элемента 103 проводилась и в США в Беркли в 1959-1961 гг. В 1961 г. американские ученые опубликовали работу, в которой сообщались результаты облучения калифорния ионами бора. Исследователи наблюдали альфа-активность с Е=8,6 МэВ и Т=8 с, приписанную ими изотопу 103257. Однако однозначных доказательств факта синтеза нового элемента не приводилось. Последующие работы советских авторов убедительно показали, что американские исследователи не могли претендовать на приоритет открытия элемента 103 и данное ему ими название лоуренсий недействительно. Работы по изотопу 103256, выполненные в Дубне, полностью подтвердились более поздними работами, выполненными в США в 1971 г., т.е. через шесть лет после установленного, приоритета советских физиков.
Химические исследования, проводимые с изотопом 103256, показали, что элемент 103 является замыкающим в актинидной группе периодической системы элементов. Это исключительно важный вывод, свидетельствующий о правильности понимания структуры периодической системы.
Открытие советских ученых зарегистрировано под № 132 с приоритетом от 20 апреля 1965 г. и 10 августа 1967 г. Формула открытия следующая:
«Экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление образования элемента с атомным номером 103, впервые полученный изотоп которого синтезирован при облучении америция-243 (Am243) ионами кислорода-18 (О18). Имеет массовое число 256, период полураспада 35 с и сложный спектр энергий альфа-частиц в интервале 8,3-8,6 мегаэлектрон-вольт».
Сто четвертый элемент
Коллектив ученых Объединенного института ядерных исследований в Дубне, в который вошли академик Г.Н.Флеров, кандидаты физико-математических наук В.А.Друин, Ю.В.Лобанов и Ю.Ц.Оганесян, кандидат технических наук В.И.Кузнецов и научные сотрудники В.П.Перелыгин, К.А.Гаврилов, С.П.Третьякова и В.М.Плотко, открыл ранее неизвестное явление образования сто четвертого элемента периодической системы с массовым числом 260. Новый элемент назван курчатовием (символ Кu) в честь выдающегося советского ученого-физика И.В.Курчатова.
В статье «Синтез и поиск трансурановых элементов», опубликованной в журнале «Природа» №9 за 1972 г., академик Г.Н.Флеров рассказывает: «Исследования по синтезу элемента 104 в США были начаты лишь спустя четыре года после получения первых дубненских результатов... Новые эксперименты, проведенные в Дубне в 1969 г., позволили выяснить ряд дополнительных свойств сто четвертого элемента, выделить в наблюдаемом, спонтанном делении два периода полураспада — 0,1 и 3,5 с и даже оценить количественно химические свойства курчатовия, а именно температуру кипения КuСl4, которая равна 450±50°. Таким образом, в Дубне изучаются детально свойства сто четвертого элемента, в то время как в США еще не пройдена начальная фаза по изучению спонтанного деления. Поэтому нам представляется излишней полемика вокруг элемента 104. В связи с этим мы обратились к американским коллегам с предложением приехать в Дубну и на всех возможных комбинациях мишеней и частиц вместе с нами получать все изотопы сто четвертого элемента, детектируя их спонтанное деление и альфа-распад. Мы видим в этом одну из возможностей быстрейшего окончания дискуссии».
В последние годы в лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований проведены дополнительные контрольные эксперименты по синтезу изотопа 104260 с применением новых детекторов, практически не содержащих примесей делящихся веществ. Эксперименты подтвердили основные данные, характеризующие явление образования сто четвертого элемента.
В настоящее время в институте завершены эксперименты по химической идентификации сто четвертого элемента, которые однозначно подтвердили явление образования этого элемента физическими методами.
Открытие зарегистрировано под № 37 с приоритетом от 9 июля 1964 г. Формула открытия такова:
«Экспериментально обнаружено явление образования элемента с атомным номером 104 при облучении мишени плутония (242Рu) ускоренными ионами неона (22Ne).
Сто пятый элемент
Явление образования сто пятого элемента периодической системы Менделеева открыто физиками Дубны академиком Г.Н.Флеровым, доктором физико-математических наук Ю.Ц.Оганесяном, кандидатами физико-математических наук Ю.В.Лобановым и В.А.Друиным, доктором химических наук Иво Звара (ЧССР) и сотрудниками Объединенного института ядерных исследований В.3.Беловым, А.Г.Деминым, Ю.А.Лазаревым и Ю.П.Харитоновым.
Сто пятый элемент был получен искусственным путем в результате ядерных превращений. Синтез нового элемента осуществлен в ядерной реакции при облучении мишени из америция (атомный номер 95) ионами неона (атомный номер 10), ускоренными на мощном циклотроне тяжелых ионов. Образование нового элемента — чрезвычайно редкий процесс. Для его обнаружения была создана высокочувствительная аппаратура, позволяющая вести эксперименты непрерывно в течение многих недель.
В ноябре 1969 г. ученым удалось получить первые атомы элемента 105, а к апрелю 1970 г. были изучены его химические и радиоактивные свойства. Было установлено, что сто пятый элемент распадается с периодом полураспада около 2 с двояким способом — либо делится на два осколка, либо испускает альфа-частицу (ядро гелия) и переходит в элемент 103. Химические свойства сто пятого элемента, как и предсказано периодическим законом Менделеева, подобны свойствам тантала (атомный номер 73).
Несколько позже сто пятый элемент был синтезирован в Радиационной лаборатории имени Э. Лоуренса в США в ядерной реакции при облучении мишеней из калифорния (атомный номер 98) ионами азота (атомный номер 7). Результаты американских ученых полностью подтвердили данные, полученные в Дубне.
Авторы открытия предложили назвать новый элемент нильсборием в честь выдающегося физика Нильса Бора, ученого, неизменно стремившегося поставить науку на службу миру и прогрессу.
Глубокие исследования, связанные с открытием явления образования сто пятого элемента, — результат плодотворной работы интернационального коллектива ученых стран социалистического содружества.
Открытие сто пятого элемента зарегистрировано под № 114 с приоритетом от 18 февраля 1970 г. Формула открытия такова:
«Экспериментально установлено ранее неизвестное явление образования химического элемента с порядковым номером 105. Изотоп этого элемента с периодом полураспада около 2 с получен при облучении америция ядрами неона».
Образование радиоактивного изотопа элемента с атомным номером 106
Академик Г.Н.Флеров, доктор физико-математических наук Ю.Ц.Оганесян, старший инженер Ю.П.Третьяков, научный сотрудник А.Г.Демин, кандидаты физико-математических наук А.С.Ильинов, А.А.Плеве, С.П.Третьякова, Ю.Э.Пенионжкевич, инженеры В.М.Плотко, М.П.Иванов, Н.А.Данилов и Ю.С.Короткин (Объединенный институт ядерных исследований) открыли новое явление образования радиоактивного изотопа элемента с атомным номером 106.
«В 1973 г., — рассказывает Ю.Ц.Оганесян, — мы обратили внимание на новую возможность получения в ядерной реакции слабо возбужденных — почти «холодных» — ядер, которые с большой вероятностью переходят в основное состояние.
В отличие от традиционного метода синтеза трансурановых элементов, когда в качестве мишени предпочтительно использовать наиболее тяжелые ядра — изотопы плутония, кюрия, калифорния (они сами являются искусственными элементами) и наиболее легкие «снаряды» — ионы углерода, азота, — кислорода, в нашем случае мишенью был выбран свинец, который бомбардировался ионами тяжелее аргона. При бомбардировке изотопов свинца ионами хрома-54 и марганца-55 были синтезированы сто шестой и сто седьмой элементы таблицы Менделеева».
Открытие зарегистрировано под № 194 с приоритетом от 11 июля 1974 г. в следующей формулировке:
«Установлено неизвестное ранее явление образования радиоактивного изотопа элемента с атомным номером 106, заключающееся в том, что при облучении изотопов свинца ускоренными ионами хрома происходит слияние ядер свинца и ядер хрома с образованием изотопа элемента с атомным номером 106 и периодом полураспада около 0,01 с».