Дубний (нильсборий, ганий)

Элемент с атомным номером 105. К его открытию параллельно шли два больших научных коллектива: Лаборатория ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне и Радиационная лаборатория имени Эрнста Лоуренса в Беркли, США. В Дубне элемент сумели получить раньше и назвали нильсборием в честь Нильса Бора. Американские физики, получившие элемент №105 двумя месяцами позже, предложили для него свое название – ганий, в честь Отто Гана. Под этим названием он и фигурирует в американской литературе.

Первая попытка

Как и все другие элементы тяжелее фермия, элемент №105 получен в ядерных реакциях с участием ускоренных тяжелых ионов. Первые опыты по синтезу 105-го элемента начались в Дубне в 1967 г. под руководством академика Г.Н. Флерова. Была выбрана реакция полного слияния ионов неона-22 (ускоренных на циклотроне до энергии около 120 МэВ) с америцием-243:

24395Am + 2210Ne → (265105)* → 260, 261105 + 4 – 510n.

По теоретическим оценкам известных американских ученых Гленна Сиборга и Виктора Вайолы, изотопы 260105 и 261105 должны быть альфа-излучателями. За очень короткое время (от 0,01 до 0,1 секунды) они должны были, испустив по альфа-частице (с энергией 9,4 .9,7 МэВ), превратиться в ядра 103-го элемента.

Этот элемент достаточно изучен: его изотопы с массой 255 и 256 «живут» 20 .30 секунд и тоже испускают альфа-частицы, превращаясь в ядра элемента №101 – менделевия. Вполне закономерно, что первые попытки идентифицировать элемент №105 сводились к установлению генетической связи альфа-частиц с новыми, не наблюдавшимися прежде характеристиками, с альфа-частицами, порожденными уже известным 103-м элементом.

К началу 1968 г. в результате длительных опытов удалось зарегистрировать около десяти случаев таких генетически связанных альфа-распадов. Новый короткоживущий излучатель давал альфа-частицы с энергией около 9,4 МэВ, что соответствовало предсказаниям теоретиков. С большой вероятностью это излучение можно было приписать элементу №105, однако наблюдавшийся эффект был очень мал и неустойчив, а теория не слишком надежна.

Для ядер с нечетным числом нуклонов ее прогнозы о времени жизни и энергии альфа-частиц всегда очень неопределенны. Если в ряду «четных» ядер (число протонов и число нейтронов – четные) эти свойства изменяются закономерно, то у «нечетных» картина совсем иная: исключений из правила почти столько же, сколько «правильных» ядер. Естественно, что неопределенность теоретических оценок затрудняет поиски «нечетных» элементов и изотопов.

Правда, кое в чем теория помогла. Она допускала, что превращение ядра элемента №105 в 103-й может идти несколько необычным путем. Испустив альфа-частицу, ядро со 105 протонами не сразу превращается в ядро 103-го элемента в основном его состоянии; может существовать некое промежуточное, возбужденное состояние образующихся дочерних ядер. Поэтому энергия испускаемых новыми ядрами альфа-частиц может оказаться меньше предсказанной теоретиками величины 9,4 .9,7 МэВ и составить всего 8,9 .9,2 МэВ. В силу этого обстоятельства время жизни ядер 105-го может оказаться в десятки раз больше, чем ожидалось . Из всего этого следовало, что так же внимательно, как область 9,4 .9,7 МэВ, нужно исследовать и другую, более низкую по энергиям часть спектра.

Здесь, видимо, надо объяснить, что это за спектры. Как и при многих других исследованиях, в ядерной химии получают не отдельные сведения, а спектры – полную картину разброса частиц по энергии. «Снимали» такие спектры и в дубненских экспериментах по синтезу элемента №105. Однако в опытах 1968 г. анализ части спектра ниже 9,4 МэВ был сильно затруднен из-за фона излучения, подобного искомому, но возникающего от побочных ядерных реакций. Альфа-излучатели образовывались на микропримесях свинца в материале мишени. Эти фоновые реакции более вероятны, чем главная, а ядерные свойства продуктов этих реакций весьма близки к ожидаемым для 105-го элемента. Опасны даже ничтожные примеси свинца. И урана тоже.

Гарантии, что этой микропримеси в мишенях нет, но было. Таким образом, хотя полученные в опытах 1968 г. результаты были близки к предсказанным, они, по мнению Г.Н. Флерова и большинства его сотрудников, не могли служить достаточным основанием для того, чтобы утверждать: элемент №105 уже открыт.

Видимо, нужно было идти другим путем. Но каким?

Следы на никелевой ленте

Анализ свойств элементов №102, 103 и 104 позволял предполагать, что наряду с альфа-распадом элемент №105 должен испытывать и спонтанное деление.

Идентификация элемента по спонтанному делению имеет бесспорные достоинства. Во-первых, факт распада тяжелого ядра на два осколка обнаруживается значительно проще и надежнее, чем случаи альфа-распада. Аппаратура, регистрирующая спонтанное деление, намного чувствительнее. А во-вторых, при правильной постановке опыта фон практически исключен.

Принимая во внимание эти обстоятельства, в ноябре 1969 г. в Лаборатории ядерных реакций были начаты поиски элемента №105 по спонтанному делению. Реакция синтеза оставалась той же: америций-243 + неон-22. Ядра мишени, получив больший импульс от налетающих ионов, выбивались из нее и попадали на сборник – бесконечную никелевую ленту-конвейер длиной 8 м и шириной 2,5 см. Лента двигалась с постоянной скоростью. Сборник перемещал приобретенные ядра от мишени к детекторам, регистрирующим осколки спонтанного деления. Чтобы исключить фон, и сборник и детекторы делали из сверхчистых материалов с рекордно низким содержанием урана – менее одной стомиллиардной грамма урана на грамм материала.

Более ста детекторов, приготовленных из фосфатного стекла (в виде пластинок размером 60x35 мм), располагались вдоль ленты. После специальной химической обработки на таких стеклах можно отчетливо видеть следы (треки), оставленные осколками деления. По распределению треков на детекторах (при известной скорости движения ленты-сборника) можно судить о времени жизни спонтанно делящегося изотопа, а по числу следов – о вероятности его образования .

Схема экспериментальной установки для регистрации короткоживущих спонтанно делящихся ядер. С помощью такой установки со многими детекторами, расположенными вдоль движущейся бесконечной ленты их никеля, было впервые обнаружено спонтанное деление ядер элемента №105.

В первом же опыте 1969 г., продолжавшемся около 70 часов, было зарегистрировано 58 следов от осколков спонтанного деления изотопа с периодом полураспада около двух секунд. Раньше изотоп с такими свойствами не был известен. Естественно было предположить, что спонтанное деление с таким периодом полураспада испытывает изотоп 105-го элемента. Но чтобы доказать это, необходимо было уточнить механизм образования нового излучателя.