Пять миллиардов лет назад завершился великий синтез элементов Солнечной системы.

Вряд ли можно поверить, что когда-либо в лаборатории биолога удастся возродить мамонта или бронтозавра. Возрождение же плутония, «вымершего» за несколько миллиардов лет до появления первого живого организма на Земле, применение изотопов этого искусственного элемента для нужд человека осуществляется ныне в промышленных масштабах. Из 1500 атомных ядер, свойства которых известны физикам, около 1200 получено в лабораториях. По оценкам теоретиков, еще несколько тысяч нуклонных слитков можно считать атомными ядрами. Такие ядра, по-видимому, также возникали во время синтеза элементов Вселенной, но распались за время, отделяющее нашу эпоху от момента образования Земли.

Прежде чем говорить о способах возрождения атомных ядер, напомним, что атомное ядро состоит из ядерных частиц — нуклонов. Нуклонов всего два вида — нейтрон и протон. Эти частицы — основные кирпичи материи. Из них построены ядра всех химических элементов. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Нейтрон потому и нейтрон, что он нейтрален. Заряд протона положителен, и его абсолютная величина такая же, как и у отрицательного электрона. В целом атом нейтрален — отрицательный заряд электронной оболочки полностью скомпенсирован положительным зарядом ядра: в атоме ядерных протонов столько же, сколько и электронов. Таким образом, протонное число, как и число электронов в атомной оболочке, однозначно определяет химические свойства элемента и его атомный номер в таблице Менделеева. Атомное ядро характеризуется еще массовым числом — суммой протонов и нейтронов ядра. Так, если в атомных ядрах 92 протона, а число нейтронов принимает разные значения, скажем 140, 142, 143, 146, 148, то все атомы в любых химических процедурах будут вести себя одинаково, несмотря на то что их массовые числа лежат в интервале от 232 (92 + 140) до 240 (92+148). Атомные ядра одного и того же элемента, но с разными массовыми числами, или, что то же самое, с разным числом нейтронов в ядре, называют изотопами. Уран, в ядрах которого по 140 нейтронов, называется изотоп уран-232, а если нейтронов 146, то говорят об изотопе уран-238.

Нейтронная составляющая ядер на химические превращения почти не влияет. Зато велико значение нейтронных чисел для устойчивости самих атомных ядер. Все изотопы урана радиоактивны. Уран-238, в атомах которого по 146 нейтронов, распадается с малой скоростью — требуется 4,5 миллиарда лет, чтобы количество урана-238 уменьшилось в два раза. Если же в урановых ядрах 147 нейтронов, то скорость распада увеличится в 100 триллионов раз. Невелика устойчивость и других атомных ядер с нейтронным числом, отличным от 146.

В ядерном реакторе природный уран, а он на 99,27 % состоит из изотопа уран-238, захватывает нейтроны. Обогатившись добавочным нейтроном, уран-238 становится изотопом уран-239. Новое ядро испускает бета-частицу— ядерный электрон, и ядро урана становится изотопом искусственного элемента № 93 — нептуния. Происходит микрочудо — рождение нового элемента.

В нейтронных потоках реактора получают все трансураны вплоть до сотого — фермия. Предел ставит тяжелый фермий-258. Лишь после обстрела нейтронами этого изотопа мог бы образоваться элемент № 101 — менделеевий, но скорость распада тяжелого фермия слишком велика.

Представьте себе стрелка, который должен попасть в мишень, неожиданно появляющуюся каждую минуту, но всего на тысячную долю секунды. Есть ли шанс поразить мишень? Конечно. Нужно достаточно долго и непрерывно стрелять в место возможного появления мишени— какая-то пуля и поразит ее. Но если у стрелка мало времени, то вероятность попадания в мишень практически равна нулю.

Атомы фермия, так же как и наша гипотетическая мишень, появляются в зоне нейтронного обстрела на очень короткое время по сравнению со временем, необходимым для прилипания к ним нейтрона. Как правило, они разваливаются на ядра-осколки и только в исключительно редких случаях захватывают нейтроны, по и эти редкие случаи — лишь теоретическая возможность. На деле ни один химик, вооруженный самой современной аппаратурой, не обнаружит менделеевий в веществе, облученном в ядерном реакторе.

Есть другой способ синтеза атомных ядер. Новый ядерный слиток возникает при объединении двух стабильных ядер. В 1937 году итальянский физик Эмилио Сегре открыл первый искусственный элемент технеций. Сегре бомбардировал молибден ускоренными ядрами тяжелого водорода дейтерия. Число протонов в ядре молибдена увеличивалось на единицу, и рождались ядра 43-го элемента, атомы которого в свое время химики тщетно пытались выделить из минералов. Далекие трансураны: нобелий (№ 102), лоуренсий (№ 103), курчатовий (№ 104), а тем более элементы с высшими атомными номерами приходится получать, сливая воедино два сложных атомных ядра. Это не простая задача. Ядра всех элементов заряжены положительным электричеством, и при сближении между ними начинают действовать мощные силы отталкивания. Если бы две булавочные головки можно было зарядить электричеством с такой же плотностью заряда, какая существует в атомном ядре, то па расстоянии 100 километров головки отталкивались бы друг от друга с силою, равной весу Земли! Чтобы преодолеть эти силы, ядра должны сближаться с громадной скоростью, достигающей десятой доли скорости света. Разогнать сложный атом до такой скорости можно только на специальных гигантских циклотронах или мощных линейных ускорителях.

Быстрые ядра-снаряды падают на неподвижные ядра-мишени и в некоторых случаях образуют одно целое с ними. Из возникшего ядерного слитка и рождается ядро нового атома. Посмотрим на примере, как это происходит.

Обстреляем уран-238 ядрами неона. После слияния снаряда и мишени в новой ядерной капле число протонов равно сумме атомных номеров неона и урана: 10 + 92 = 102. Нагретая внесенной неоном энергией, тяжелая капля «кипит», деформируется, испытывает колебания и, как правило, делится на два сравнительно легких ядра-осколка. Нового элемента не получается. Лишь в одном из ста миллионов случаев из правила бывает исключение: горячая нуклонная капля испускает последовательно несколько нейтронов, нейтронный «ветер» уносит избыточную энергию, охлаждает ядерное вещество, и нуклонный слиток превращается в атомное ядро элемента № 102.

Выходит, что исследователь должен разыскивать среди сотен миллионов радиоактивных ядер-осколков считанные атомы далекого трансурана. А времени ему отпущено мало — проходят считанные минуты, и ядра 102-го распадаются. Поиски еще осложнены и тем, что параллельно основной ядерной реакции протекают побочные — иногда ядро неона передает только часть своих нуклонов ядру урана. В различных реакциях передачи образуются изотопы 101-го и 100-го элемента. Их ядерные излучения нелегко отличить от частиц, испускаемых атомами 102-го элемента.

Не удивительно, что на опознание сто второго ученые Советского Союза, США, Швеции, Англии затратили почти десять лет. Наконец в 1965 году в Дубне, под Москвой, в Объединенном институте ядерных исследований впервые были надежно изучены свойства нескольких изотопов неуловимого элемента.

Еще большие преграды на пути познания свойств элементов с высшими атомными номерами. Вероятность рождения курчатовия, как говорят физики, «при прочих равных условиях», в сотню раз меньше, чем элемента 102. Когда плутониевую мишень бомбардируют ускоренным неоном, на десять миллиардов слившихся ядер появляется лишь одно элемента 104.

Трудности постепенно преодолеваются, экспериментальная техника идет вперед — невозможное сегодня завтра становится простым и доступным. Уже в 1967 году ученые Дубны начали изучать распад атомов 105-го элемента. Сейчас на мощном дубненском циклотроне с трехметровыми полюсными наконечниками ускоренные пучки неона легко преодолевают электрическое отталкивание ядер самых тяжелых элементов — кюрия, берклия, калифорния. В принципе при бомбардировке таких тяжелых мишеней можно изучать ядра 106-го, 107-го и даже 108-го элементов, клетки которых в таблице Менделеева пока остаются пустыми.

Однако сегодня жерла ядерных машин взяли более дальний прицел. Ученые стремятся проникнуть в еще не изведанную область сверхэлементов.

Что же такое сверхэлемент? Чтобы объяснить это новое слово, придется начать издалека.

Еще на заре ядерной физики, когда молодая наука о ядре делала свои первые робкие шаги, была замечена странная закономерность: радиоактивные ядра, в которых числа протонов или нейтронов равны 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, отличаются повышенной устойчивостью. В те времена физики не могли понять странной закономерности и в шутку назвали таинственные числа «магическими». Позднее и атомные ядра с магическими числами протонов и нейтронов стали называть магическими.

Только в 1948 году американский физик Мария Гепперт-Майер опубликовала статью, где излагалась теория, объяснявшая закономерности возникновения магических чисел. По этой теории нуклоны в ядрах образуют оболочки, так же как и атомные электроны. Природа строения нуклонных оболочек совсем иная, но, как и атомы с полностью застроенными электронными оболочками (это благородные газы: неон, гелий, аргон), ядра, у которых все вакантные места в нейтронных и протонных оболочках заняты, особенно прочно удерживают свои нуклоны. Магические ядра наиболее стабильны по отношению к радиоактивному распаду. Современные теории утверждают, что в процессе синтеза элементов Солнечной системы магических ядер должно образовываться больше, нежели близких к ним по массовому числу соседних ядер. И действительно, самое древнее «археологическое» свидетельство — распределение изотопов природных элементов подтверждает теоретические выводы: ядра, в которых содержится магическое число нейтронов или протонов, чаще встречаются в минералах, то есть обладают большей распространенностью.

Теоретические расчеты последних лет показали, что могут появиться новые магические числа, которые еще не найдены ни в природных, ни в синтетических ядрах. Наиболее надежно предсказаны протонное число 114 и нейтронное 184. Сверхтяжелые ядра с таким содержанием нейтронов и протонов могут оказаться гораздо стабильнее других изотопов далеких элементов. Не исключено, что время жизни некоторых сверхядер будет соизмеримо с возрастом Земли. Гипотетические изотопы с предсказанными магическими числами 114 и 184 получили название «сверхэлементов», а область значений атомных номеров и массовых чисел, соответствующую им, называют областью новой относительной стабильности.

Почему новой? Вероятно, потому, что торий и уран, окруженные нестабильными соседями, можно считать расположенными на островке «старой» области устойчивости атомных ядер. Слово «относительной» указывает на то, что сверхэлементы в общем-то тоже нестабильны.

Чтобы получить синтетические ядра сверхэлементов, необходимо сразу перешагнуть через несколько клеток таблицы Менделеева. Если, скажем, бомбардировать искусственный элемент № 94, плутоний, ядрами элемента № 20 — кальция, то в результате слияния этих ядер могут рождаться ядра элемента № 114 (94 + 20 = 114). И вот здесь возникают большие осложнения.

Дело в том, что ядра любого элемента особенно упрочняют свою структуру, когда в них содержатся магические числа протонов и нейтронов. Одно из самых прочных природных тяжелых ядер — свинец-208. Его физики называют «дважды магом». В нем представлены сразу два магических числа: протонное 82 и нейтронное 126. Если же свинец-208 поместить в интенсивный поток нейтронов, то из него будут образовываться ядра свинца-209, которые распадаются всего за 3,3 часа. А ведь ядра свинца-208 настолько стабильны, что еще никому не удавалось и вряд ли в обозримом будущем удастся наблюдать их распад. Но стоило отойти только на один шаг от магического числа 126, как прочнейшее ядро потеряло устойчивость.

Теоретики предсказывают, что такая же картина будет наблюдаться и в новой области относительной стабильности. По расчетам, за числом 126 следует нейтронное магическое число 184. И вот оказывается, если в атомном ядре элемента № 110 будет не 184, а 182 нейтрона, то время жизни уменьшится в 10 миллионов раз. Вывод ясен: создать атомы сверхэлементов, не распадающихся в течение длительного времени, а значит, и доступных для изучения, можно лишь с нейтронным магическим числом. А это очень трудно. Пока физики владеют методами, с помощью которых можно получить ядра элемента № 114 только с «недостатком» нейтронов. В лучшем случае, после слияния богатых нейтронами изотопов плутония и кальция (плутоний-244 + кальций-48) возникает ядерный слиток со 176 нейтронами. До магического числа 184 недостает целых шесть единиц.

В каких же процессах могут рождаться сверхэлементы, насыщенные нейтронами? Может быть, в мощных импульсных потоках нейтронов термоядерного взрыва, где впервые были найдены изотопы 99-го и 100-го элементов, позднее названные эйнштейнием и фермием?

Посмотрим, что происходит при термоядерном взрыве. Горячая кипящая масса центральной области взрыва, где помещен и уран, подвергается нейтронному обстрелу всего миллионную долю секунды. Но интенсивность обстрела так велика, что урановые ядра успевают захватить до 17 нейтронов. Даже в самом мощном ядерном реакторе на увеличение массового числа на 17 единиц потребовалось бы несколько лет! Получаются ядра урана с массовым числом 238 + 17 = 255. Они нестабильны к бета-распаду. Один за другим вылетают из них ядерные электроны, повышается их атомный номер, пока не рождаются устойчивые к бета-распаду ядра фермия, сотого элемента. Затем атомный номер начинает убывать; изотопы фермия радиоактивны, но испускают не отрицательные электроны, а положительные альфа-частицы, и атомный номер дочерних ядер — продуктов распада фермия — равен 98.

Как видим, таким способом достигнуть зоны сверхэлементов невозможно. Чтобы превратиться в 110-й элемент, ядро урана должно захватить не 17, а 50 нейтронов. Столько нейтронов могло бы прилипнуть к урановому ядру в потоке, который поддерживается длительное время и вместе с тем по интенсивности не уступает потоку термоядерной бомбы, когда каждый квадратный сантиметр пространства центральной зоны взрыва пронизывает грамм нейтронов. А если такой поток поддерживается целую секунду? Площадку в 1 см² пересекла бы тонна нейтронов! В земных установках такое недостигаемо. Кинетическая энергия тонны термоядерных нейтронов равна 120 миллиардам киловатт-часов, годовой энергетической выработке десятка Братских ГЭС. Подобные условия могут встретиться в космических объектах, в нейтронной атмосфере пульсаров, при взрыве сверхновых звезд. Там элементы «варятся» в раскаленной массе, похожей на центральную область только что взорвавшейся водородной бомбы, но еще более плотной и жаркой.

В лабораториях ученые получают искусственные элементы еще одним необычным методом, который, по всей вероятности, в недалеком будущем окажется плодотворным и для создания сверхядер.

Обычно разрушение не приводит к созиданию. Правда, бывают исключения. Одно из них — микровзрыв, деление атомного ядра. Так, при расщеплении урана нейтронами среди ядер-осколков содержатся и несуществующие в природе технеций и прометий. Замечательные открытия сделаны за последние годы. Калифорний-252, изотоп элемента № 98, делится самопроизвольно с большой скоростью и дает мощный поток ядер-осколков. И вот среди осколков калифорния физики нашли странные атомы. Их ядерный заряд равнялся двум, и, очевидно, это были атомы гелия, символ которого стоит во второй клетке таблицы Менделеева. Но если размещать элементы не по ядерному заряду, а по атомным весам, подобно тому, как поступал сам Д. И. Менделеев, то новые атомы оказались бы на месте лития, следующего за гелием элемента № 3. Атомный вес странного вещества был почти таким же, как у лития. Ученые быстро разгадали загадку: при «взрыве» калифорниевого ядра рождались насыщенные нейтронами ядра — гелий-6 и гелий-8.

Нельзя ли получить в процессе деления и богатые нейтронами сверхядра? Ныне теоретики отвечают на этот вопрос утвердительно. Нужно только создать достаточно массивную нуклонную каплю, например слить два тяжелых ядра: ксенон с ураном, уран с плутонием...

Продукт слияния двух тяжелых ядер — нагретое до высокой температуры нуклонное образование— мгновенно делится, и среди осколков могут встретиться ядра сверхэлементов с магическим числом нейтронов.

Пока опыты по слиянию тяжелых атомных ядер еще в зачаточном состоянии. Но многое уже сделано. Так, в Лаборатории ядерных реакций, в Дубне, на циклотронном тандеме уже получен поток ядер ксенона, способных слиться с ядрами тяжелых элементов.

Что же означают слова — циклотронный тандем? Тандем образуют два включенных последовательно циклотрона. Вначале положительные многозарядные ионы ксенона Хе⁺⁸ (положительным ионом называют атом, потерявший один из своих электронов; если же у атома не хватает нескольких электронов, его называют многозарядным. Зарядность иона обозначают цифрой слева вверху у символа элемента; например, Хе⁺¹⁰ — десятизарядный положительный ион ксенона) ускоряются на циклотроне с трехметровыми магнитными полюсами до сравнительно скромных энергий, а затем, дополнительно, в машине меньших размеров. По ряду причин на второй ступени ускорения, в малом циклотроне, неизбежны большие потери стартовавших частиц. Поэтому по интенсивности тандем проигрывает циклотрону. Зато достигается выигрыш в «калибре» ускоряемых ядер-снарядов. На одиночном циклотроне с трехметровыми полюсами можно получить сравнительно интенсивные пучки ядер, если их атомный номер не более 20. А ведь ксенон занимает 54-ю клетку таблицы Менделеева.

Стоит упомянуть, что циклотронный тандем в Дубне применен впервые. До этого ни в одной из лабораторий мира ничего подобного не делали.

Получить интенсивные пучки ксенона с нужными энергиями можно было бы на гигантском циклотроне, во много раз превосходящем по своим габаритам современные ускорители сложных ядер.

Тогда в руках у физиков оказался бы действенный механизм творения сотен, а быть может, и тысяч новых искусственных атомных ядер. Их изучение обогатило бы ядерную физику важнейшими опытными данными.

Инженеры и ученые не видят принципиальных трудностей, которые могли бы встретиться при создании такой в общем-то очень сложной машины. Однако на разработку проектов, постройку гигантской фабрики быстрых атомных ядер необходимо затратить немало сил, средств и времени. Рост массы ядер-снарядов — это увеличение размеров циклотрона, предельные напряженности магнитных и электрических полей, высокий вакуум, мощная система охлаждения и многое другое, что требует немалых затрат. Ученым приходится искать новые пути.

На сегодня самым перспективным считается путь, предложенный академиком В. И. Векслером, — «коллективный метод» ускорения.

Известно, что разогнать до высоких скоростей электроны гораздо проще, чем любое атомное ядро. В электрическом поле сила, действующая на «коллектив», то есть на электронное облако такой же массы, как, например, масса атома ксенона, почти в 5000 раз больше силы, с которой поле может воздействовать на ксеноновый атом в самом благоприятном случае, когда он полностью лишен своих электронов. Иначе говоря, атомное ядро по сравнению с электронным облаком весьма медленно разгоняется электрическим полем.

А нельзя ли связать атомное ядро с электронным сгустком так, чтобы сгусток потянул за собой ядро и передал ему свою высокую скорость? Тогда тяжелые ядра будут ускорены до необходимых энергий в относительно слабых электрических полях.

Создать достаточно прочные связи нелегко. Попробуйте привязать телегу к пушечному ядру, которым заряжено орудие. После выстрела лопнет любой трос, а телега останется, конечно, на месте.

И все же был найден способ спайки электронов и ядер в один «коллектив». Тяжелые атомы вводились в сформированное в магнитном поле электронное кольцо высокой плотности. В кольце атомы теряли часть своих электронов и становились положительными ионами и уже не могли покинуть отрицательно заряженное кольцо. Затем электронное кольцо вместе с ядрами ускоряли внешним электрическим полем до больших скоростей. Тогда такую же скорость набирали и ядра, заключенные в кольце.

В 1971 году советский физик В. П. Саранцев доложил на VII Международной конференции по ускорителям о получении быстрых ионов азота с помощью электронного тороидального кольца. «Коллективный метод» с одинаковым успехом можно приложить и к ускорению азота и к ускорению урана.

Но вот физики овладели ускоренными пучками самых тяжелых атомных ядер. Что же дальше?

Как правило, с увеличением атомного номера элемента устойчивость его изотопов к различным видам радиоактивного распада снижается: мощные электростатические силы, стремящиеся разрушить ядро, пропорциональны квадрату атомного номера и растут с увеличением протонного числа быстрее, чем силы, объединяющие нуклоны в ядре. И это подтверждает опыт: ядра с высокими атомными номерами самые неустойчивые — за короткое время они распадаются.

Однако если внимательно взглянуть на таблицу Менделеева, то нетрудно обнаружить интересную особенность.

У элемента № 81 — таллия, следующих за ним свинца и висмута есть такие изотопы, что их распад невозможно обнаружить никакими приборами, так медленно он протекает. Но вот за висмутом идут: полоний, астат, радон, франций... Ядра всех изотопов этих элементов распадаются за очень короткое время. А вот ядра тория и урана, хотя их атомные номера больше, значительно стабильнее. Периоды полураспада наиболее долгоживущих изотопов тория и урана соответственно 14 и 4,5 миллиарда лет — величина одного порядка с возрастом нашей планеты. Точно так же изотопы нептуния, плутония, америция, кюрия значительно стабильнее, чем изотопы элементов с меньшими атомными номерами — радия и полония. Таким образом, время жизни уменьшается с ростом атомного номера нерегулярно: спад после висмута, подъем в области торий — уран и новый медленный спад за ураном. У самого устойчивого изотопа плутония период полураспада 70 миллионов лет, у кюрия 15 миллионов лет. Изотопы нобелия — элемента 102 — в лучшем случае распадаются за часы, а атомы курчатовия живут всего лишь минуты.

Будет ли новый подъем времени жизни атомных ядер — такой, как в области урана и тория, для элементов с большими атомными номерами?

Предсказание теоретиками магических чисел 114 и 184 внушает надежду на повышение устойчивости к радиоактивному распаду изотопов с магическим числом нейтронов 184 и атомными номерами 110–126.

Возникает и другой вопрос. Не окажется ли время жизни ядер далекого острова относительной стабильности настолько большим, что они сохранились в природе так же, как радиоактивные уран и торий, но в очень малых концентрациях?

Перед физиками-теоретиками встают очень большие трудности, когда требуется предсказать времена жизни атомных ядер. Задача сложна уже потому, что еще не удалось разгадать до конца природу сил, связывающих протоны и нейтроны в единую каплю ядерного вещества. Поэтому теоретик, рассчитывающий атомное ядро, находится в положении шахматиста, не знающего всех правил игры. А нужно сыграть гроссмейстерскую партию. Ведь расчет взаимодействия многих протонов и нейтронов, — а в ядрах, составляющих гипотетический остров стабильности, их около 300,— сложен сам по себе.

И все же положение не так безнадежно — помогает анализ уже сыгранных партий — анализ свойств изученных ядер. На основе экспериментальных данных, при разумных предположениях физики и оценивают возможное время жизни еще не изученных ядер.

По одной из таких оценок у самых устойчивых изотопов 108-го и 110-го элементов период полураспада может достигать 100 миллионов лет. Хотя эта величина примерно в 50 раз меньше времени, прошедшего с момента завершения творения вещества Солнечной системы, все же небольшая доля магических ядер с атомными номерами 108 и НО может сохраниться в горных породах, правда, в ничтожных концентрациях.

Сегодня ученые многих исследовательских лабораторий мира, физики и химики, стремятся отыскать сверхэлементы в окружающей нас природе. Что говорить, цель заманчивая. Открытие далеких трансурановых элементов, настолько стабильных, чтобы можно было собрать, скажем, миллиграмм сверхвещества, сыграло бы не меньшую роль в развитии современной науки, чем химическое выделение радия из урановых руд супругами Кюри.

Не удивительно, что используется любой шанс, все возможные пути поиска природных сверхядер. Один из них — изучение состава быстрых заряженных частиц, приходящих на Землю из космоса.

Не доносит ли до земных пределов поток космических частиц тяжелые ядра таинственного острова стабильности, возникшие в отдаленных галактиках?

Проверить это предположение решил английский ученый Питер Фаулер. Он предложил облучать космическими лучами фотопластинки, покрытые толстослойной эмульсией. В толстой эмульсии тяжелые ядра, летящие со субсветовой скоростью, оставляют следы, по характеру которых можно определять заряд, а следовательно, и атомный номер космического пришельца. Но при одном условии: энергия космической частицы должна оставаться «неприкосновенной». Иначе об изменении заряда не может быть и речи. Космические ядра теряют энергию в плотных слоях атмосферы. Приходится фотопластинки поднимать на большую высоту. Кроме того, было известно, что даже сравнительно легкие ядра железа — редкие космические гости, а уж рассчитывать на регистрацию ядер тяжелее железа можно лишь в случае применения фотопластинок, перехватывающих космические лучи на большой площади.

После длительной подготовки, в 1968 году, наполненный гелием стратостат поднял на высоту около 40 километров громадную сборку с фотопластинками общей площадью 10 квадратных метров. После обработки облученных в стратосфере пластинок сотрудники Фаулера наблюдали в эмульсии сравнительно тонкие треки — следы ядер железа. Гораздо реже попадались «жирные» треки ядер с атомными номерами 80–90. И совсем в редких случаях встречались очень широкие треки. Принадлежат ли эти треки сверхядрам?

В опытах Фаулера зарегистрировано всего три подозрительных трека — слишком мало, чтобы утверждать об открытии космических ядер-гигантов. Но все же это намек на существование стабильных сверхтяжелых атомов космического происхождения. Дело в том, что если бы они распадались с большой скоростью, то не долетели бы до Земли, а превратились бы по дороге в ядра-осколки с малыми атомными номерами. Пределов Солнечной системы могут достигнуть только ядра с периодом полураспада в несколько миллионов лет — так долог путь космических частиц из далеких галактик.

Если поверить, что Фаулером зарегистрировано три ядра новой области стабильности и что скорость их поступления на нашу планету неизменна, то на всю поверхность земного шара за сутки падает миллиграмм сверхвещества.

Физики задались фантастической задачей, решив разыскать космические ядра в земных породах. Оказалось, что для этого лучше всего спуститься на дно океана. Там, на больших глубинах, царит покой, слабы течения, нет солнечного света. Толщина отложений из верхних слоев океанской воды невелика. Попавшие из космоса на поверхность океана атомы металлов со временем оседают в тонком слое океанского дна. И сама природа может помочь в поисках. Ровное океанское дно усеяно круглыми, напоминающими выкопанный из влажной земли картофель образованиями. Это железно-марганцевые конкреции. Как они образуются, ученые еще не знают, но измерен возраст этих образований. Конкреции на дне океана лежат миллионы лет, и все эти тысячелетия впитывают в себя соединения металлов. Поэтому концентрации марганца, железа, свинца в них значительно выше, чем в остальном веществе океанского дна. Сверхэлементы — металлы, поэтому если их атомы существуют в морской воде, то они концентрируются в океанской «картошке». Можно добыть со дна океана несколько тонн конкреций, размолоть их шаровыми мельницами, растворить и выделить из получившегося раствора фракцию тяжелых элементов. Тогда концентрация сверхядер в извлеченной фракции может оказаться достаточной, чтобы чувствительнейшие счетчики радиоактивных излучений могли почувствовать распад космических ядер. Но может случиться и так, что концентрация все же будет настолько малой, что самая совершенная современная аппаратура не обнаружит распад сверхвещества.

Поиск приходится вести широко. Нельзя исключить, что и в некоторых земных минералах на миллиарды лет затаились сверхядра, родившиеся в эпоху синтеза элементов Вселенной.

Если верить теоретическим расчетам, то самые устойчивые ядра острова стабильности распадаются наполовину примерно за сто миллионов лет. Такие первозданные ядра могли бы сохраниться в веществе земной коры.

Оценим долю радиоактивного изотопа, оставшуюся в килограммовом слитке, возникшем пять миллиардов лет назад из атомов вещества с периодом полураспада 100 миллионов лет.

Древнее предание гласит: великий магараджа предложил изобретателю шахмат выбрать себе награду. Мудрец попросил зерна. Немного. Столько, сколько разместится на 64-й клетке шахматной доски, если на первую клетку положить два зерна, на вторую четыре, на третью восемь... в такой прогрессии до 64-й последней клетки доски. После подсчета оказалось, что на последнее поле придется отгрузить зерна больше, чем его произрастает на всех полях Индии.

Распад ядер подчиняется обратному закону. Природа поместила наш самородок на пятидесятую клетку доски и каждые сто миллионов лет перекладывала его на соседнюю с меньшим номером. Каждый раз число ядер убывало вдвое. Процесс длился пять миллиардов лет, и в самородке сохранилась только одна десятибиллионная доля первичного вещества. Можно ли обнаружить такие концентрации современными методами анализа?

Осколки, на которые распадаются сверхтяжелые ядра, разлетаются с очень большой скоростью. Их энергия в сотни миллионов раз больше энергии, приходящейся на один акт химического превращения. Поэтому современными методами надежно регистрируются единичные акты деления ядер. В останках нашего самородка в среднем за сто суток должно происходить четыре распада. Удастся ли эти редкие события отличить от самопроизвольного деления урана, рассеянного элемента, присутствующего всюду в небольших концентрациях, от деления ядер космическими лучами, да и просто от помех самой измерительной аппаратуры?

Практически установлено, что современные счетчики ядерных частиц обнаруживают новый спонтанно делящийся элемент, если в килограмме породы в среднем за каждые сутки распадается один его атом.

Период полураспада гипотетических сверхэлементов должен превосходить 110 миллионов лет, чтобы могли существовать минералы, в которых число распадов равно «критическому».

Теоретически, как мы знаем, время жизни самых стабильных ядер новой области исчисляется величиной, близкой к 100 миллионам лет. Если бы это предсказание было точным, то не стоило бы и пытаться искать сверхвещество. Но в сегодняшних расчетах, даже самых тщательных, велика неопределенность.

«Близкой к 100 миллионам» может означать и 40 и 200 миллионов лет. В первом случае в Земле вовсе не останется атомов сверхвещества, а во втором можно было бы обнаружить руды, в каждом килограмме которых происходит несколько миллионов распадов в сутки.

Только опыты ответят на вопрос — сохранились или нет земные сверхэлементы.

Поэтому ученые не ослабляют усилий в поисках далеких трансуранов в горных породах.

Где искать новые элементы, в каких рудах и минералах? Обратимся к периодическому закону Д. И. Менделеева. В шестом периоде между барием и гафнием в одной клетке разместилось сразу 15 химических элементов. Почему? Дело в том, что у всех элементов от лантана (№ 57) до лютеция (№ 71) сходные химические свойства, и эту группу называют лантаноидами, или редкоземельным рядом. Атомы «ряда» отличаются друг от друга лишь строением одной из внутренних электронных оболочек. Внешняя же электронная оболочка у всех лантаноидов одна и та же. Химическое поведение вещества определяется в основном внешними атомными электронами. Поэтому все лантаноиды химические близнецы.

Еще в 1920 году Н. Бор предсказал существование второй группы родственных элементов в области больших атомных номеров. Позднее усилиями ряда ученых было определено и место тяжелого редкоземельного ряда. Первым элементом нового ряда оказался актиний (№ 89). Кроме актиния, тория, протактиния и урана, в ряд актиноидов входят трансурановые элементы. Предсказывать химическое поведение сверхэлементов, а значит, и выбирать минералы и руды, в которых их следует искать, можно было после открытия 104-го элемента, когда определилась граница антиноидного ряда.

Изучение химических свойств курчатовия подтвердило предположение, что его химические свойства совпадают со свойствами гафния. Таким образом, курчатовий уже не принадлежит к актиноидам, и второй ряд химических близнецов заканчивается элементом № 103.

Теперь можно было надежно предсказывать химические свойства очень далеких элементов. Появились таблицы Менделеева, где размещены химические элементы вплоть до № 118, в журнальных статьях обсуждается химическое поведение атомов элемента № 164! Вряд ли такой элемент будет открыт в обозримом будущем, поэтому говорить о нем пока преждевременно. Зато с большой уверенностью можно утверждать, что химические свойства 108-го должны совпадать со свойствами осмия, элемент № 114 должен быть химическим аналогом свинца: экасвинцом назвал бы его Менделеев. Весьма вероятно, что в процессе формирования земной коры и после того, как она уже образовалась, атомы экасвинца в химических превращениях сопутствовали атомам свинца, а атомы экаплатины — элемента № 110 — атомам платины. Отсюда можно сделать вывод — искать новые элементы с большими атомными номерами нужно в рудах, содержащих осмий, платину, золото, свинец.

Если существуют изотопы элемента № 114 повышенной стабильности, то, по всей вероятности, распад его ядер будет зарегистрирован в породах, содержащих свинец, или даже просто в самом свинце.

Любопытна попытка обнаружения распада сверх-ядер в свинцовых стеклах. Осколки любых ядер, делящихся самопроизвольно, скажем, изотопов урана, кюрия, калифорния, оставляют следы-треки во многих материалах. Треки очень малы — всего несколько десятков атомных диаметров тянется осколочный след. Их нельзя обнаружить оптическим микроскопом. Длина световой волны в сотню раз превосходит протяженность осколочного следа, и пытаться различить его, рассматривая в сильный оптический микроскоп, все равно, что пробовать измерять грубой линейкой отверстие размером в десяток микрон.

Следы ядер-осколков удалось наблюдать в поле зрения электронного микроскопа. Слюдяная пластинка помещалась над слоем делящихся ядер урана, а затем на предметный столик электронного микроскопа. На его экране и появлялись треки. Но так можно поступать, когда изучаются обычные ядра трансуранов. В этом случае несложно приготовить слюдяную или стеклянную пластинку с большим числом треков, так что обязательно какой-то из них попадет в поле зрения электронного микроскопа. Дело обстоит совсем по-другому, когда идет поиск редких событий, например треков сверхядер. Ожидаемая плотность следов сверхядер очень мала. Попытка найти редкие треки может быть успешной только после просмотра большой площади. Малое поле зрения электронного микроскопа привело бы к тому, что на просмотр нужных площадей потребовались бы годы.

Пришлось разработать специальную методику обнаружения следов-треков. Помогла химическая обработка. Слюду или стекло погружали в ванну со специальным раствором. В местах, где внедрялись осколки, вещество растворялось быстрее, чем в остальной части материала, и образовывались достаточно большие — размером в несколько микрон — лунки, похожие на лунные кратеры. «Кратеры» легко просматривались обычным оптическим микроскопом со скромным увеличением, а значит, и с большим полем зрения. Ведь чем увеличение меньше, тем больше поле зрения прибора.

Чтобы найти следы элемента № 114, плавиковой кислотой обрабатывались свинцовые стекла. Стекла древние, пролежавшие в музеях более сотни лет. Все это время гипотетические ядра могли распадаться и оставлять свои меты. За сто лет даже при ничтожных концентрациях спонтанно делящихся атомов накопилось бы достаточно большое число их треков. Но и здесь физиков ждала неудача. Даже в самых старых свинцовых стеклах — технология их варки была разработана в Англии всего 200 лет назад — осколочных треков сверхядер не нашлось.

Поиск нового острова стабильных элементов продолжается. Успех будет означать новый шаг в изучении атомного ядра. Полнее предстанет перед нами еще далеко не завершенная картина строения атомного ядра— для ее дополнения особенно важно синтезировать предельные ядра с максимальным числом протонов и нейтронов. Именно такие ядра, распадаясь, в своей лебединой песне могут полнее рассказать о секретах строения ядерного вещества.

Как изучение вещества в условиях предельных температур и давлений дало многое физике, так и ядра с предельными числами нейтронов и протонов помогут понять природу сил, «склеивающих» в нуклонную каплю протоны и нейтроны элементов Вселенной.

Фундаментальные исследования шире откроют путь практическим применениям ядерной физики. Пока основой ядерной энергетики служит второй трансуран — синтетический плутоний. Применяются в промышленности, медицине, приборостроении искусственные атомы кюрия, америция, калифорния. Но главное, что дадут нам атомные ядра, сделанные руками человека, — энергия.