Чавдар Стоянов за магическите числа на елементите и сътрудничеството с Дубна

Вероника Шербанова Последна промяна на 02 декември 2016 в 10:00 8928 0

Кредит БАН

В самия край на миналата година към периодичната таблица на Менделеев бяха добавени четири нови елемента, синтезирани в Обединения институт за ядрени изследвания в Дубна. 

България е една от страните съоснователки на института, а тази година бяха отбелязани 60 години сътрудничество между ОИЯИ и Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика към БАН. Български учени са участвали и при синтезирането на четирите нови свръхтежки елемента. 

За сътрудничеството на България с института в Дубна и за новите свръхтежки елементи поговорихме с чл. кор. Чавдар Стоянов - председател на научния съвет на Научния съвет на ИЯИЯЕ към БАН и член на Научния съвет на ОИЯИ в Дубна.

Тази година се отбелязват 60 години сътрудничество на ИЯИЯЕ с Обединения институт за ядрени изследвания в Дубна. Разкажете малко повече за това сътрудничеството.

Когато е създаден ИЯИЯЕ, той е бил сред научните организации, поддържащи сътрудничеството на България с Обединения институт за ядрени изследвания в Дубна.

Сега много български институти сътрудничат активно с Дубна. Независимо че ИЯИЯЕ участва в много международни проекти, Дубна си остава един от основните наши партньори. Ядрената физика е много скъпа наука и това е довело до образуването на такива големи структури, каквито са ЦЕРН и Дубна. Ако сравняваме Дубна с ЦЕРН – ЦЕРН е нещо като магистрала – върви напред като увеличава енергията на ускоряваните частици, докато Дубна е по-поливалентна организация и там се извършват изследвания в по-широка област. В института в Дубна има седем лаборатории, около 4000 души персонал, от които около 1500 са учени.

В България е имало винаги интерес към ядрените изследвания, откакто са се появили преди повече от 100 години. Има една ярка фигура – проф. Елисавета Карамихайлова, която е завършила във Виена, работила е в радиевия институт там, след това е отишла в Англия, в лабораторията на Ръдърфорд. Връща се в България и работи тук и създава групи, но не е имало такава широка колегия, която да започне по-масови и целенасочени изследвания. Точно Дубна дава тази възможност. Когато се открива Дубна, много хора отиват там да работят, връщат се в България и създават научни групи, на базата на които се е образувал Институтът за ядрени изследвания и ядрена енергетика.

Има няколко имена, които могат да се споменат, когато се коментира работата на наши учени в Дубна – чл. кор. Пламен Марков, който заедно с група от Дубна откриват едно нарастване на сечението на взаимодействие на адрони с увеличаване на тяхната енергия – това е било напълно неочаквано и е записано като откритие от българския стандарт, акад. Иван Тодоров е направил създал школа по теоретична физика. Друго известно име е проф. Желев. Той е бил в Дубна доста време. Там е открил фина структура при алфа-разпада на ядра.

Това са върхови постижения, но след 70-те години се засилва много интересът към сътрудничеството с Дубна. От 70-те до 90-те години е най-плодотворният период за българската физика във връзка с това сътрудничество. По това време и аз съм бил там. Работеха по около 100 души за по няколко години, в резултат на което се формира група, която съществено повдигна квалификацията на изследванията у нас. Повиши се и образователното ниво, защото тези хора бяха много добре квалифицирани, познаваха много добре структурата и преподаваха – така се получава знание от първа ръка, вместо да се преразказва прочетеното в някакви книги или стари истории.

Институтът в Дубна е голям, има голям бюджет и си сътрудничи с почти всички центрове в света. Участва в много световни изследователски структури, интегриран е в международното изследователско пространство. Ние имаме връзки и с други центрове – европейски и световни, но чрез Дубна допълнително може това да бъде засилено.

В кои проекти на ОИЯИ участват български учени?

В ОИЯИ се работи по три големи проекта. Български учени участват в два от тях. Това са проект свързан с откриване на свръхтежки елементи и проект за строителство на ускорителя NICA.

Разкажете повече за синтезирането на свръхтежките елементи.

След като е открито ядрото, започват да се изследват всички съществуващи елементи и те много естествено се подреждат в таблицата на Менделеев. Това, което го има в природата – това са стабилните елементи, но те имат и изотопи. Стабилните ядра съдържат определен брой неутрони. Ако добавяме към ядрото нови неутрони, то може да стане радиоактивно, т.е. нестабилно. Ядрата с различен брой неутрони са изотопи на определен елемент.

При откриването на ядрото много малко се е знаело за това, но по изкуствен начин са получени много изотопи. Има около 250 стабилни ядра, открити са оттогава около 2500 изотопи, счита се напълно теоретично, че броят им е общо около 7000. Много активно се изучават свойствата на тези изотопи, защото те могат да са полезни – Флуор 18 се използва за диагностика при ПЕТ скенерите, т.е. те имат и практично приложение. Други изотопи, дори по-краткоживущи, се предполага, че ще могат да се използват за медицински цели.

Говорим за остров на стабилност и полуостров на стабилност. Откритите свръхтежки елементи трябва да се намират в този остров на стабилност, така се предполага. Не всички ядра са еднакво стабилни и се въвеждат магически числа, т.е ядра с определен брой неутрони и протони. Тези ядра са много стабилни. Теоретично е предсказано, че в този остров на стабилност фактически има магически числа и се предполага, че тези ядра могат да бъдат получени. И това е станало.

В Дубна бяха синтезирани свръхтежки елементи с номера 113, 115, 117 и 118.

Тези свръхтежки елементи живеят много кратко – секунди и подсекунди, минути много рядко. Има два метода за получаването им – горещ и студен синтез – слага се една мишена, достатъчно тежка, да речем плутоний, и в ускорител се ускоряват други тежки ядра, които обикновено трябва да са двойномагични. Те се блъскат в тази мишена и се сливат с нея и се получава свръхтежко ядро. Но след това се разбрало, че този метод има ограничения и не може да се използва за получаване на ядра от Острова на стабилност. Разработен е нов метод – студен синтез.

При студения синтез се ускоряват значително по-тежки двойномагични ядра. През последните години с този метод са получени 113-и, 114-и, 115-и, 116-и, 117-и и 118-и елементи. Те запълват седмия ред от Периодичната таблица на Менделеев.

Вземат се мишени от плутоний от лабораторията в Ливърмор, САЩ, обработват се допълнително в един друг руски институт, ускорява се Калций 48, който е двойномагическо ядро, и така са получени тези елементи с номера 114 и 116. Тяхното съществуване вече е абсолютно доказано и са им дадени имена – 114 е Фльоровий, а 116 е Ливерморий. 

Имената на елементите се дават от Международния съюз за чиста и приложна химия. Обикновено имената са свързани с лабораториите в които са получени новите елементи. Предстои да бъде дадено име на новооткритите елементи. За 118 елемент е предложено да носи името на Оганесян, тъй като той е измислил схемата за студен синтез. 113-и е получен в сътрудничество с Япония и може би ще има някакво японско име.

(Бел. ред. На 30 ноември 2016 Международният съюз за теоретична и приложна химия (IUPAC) официално утвърди имената на 4-те нови химични елементи под номера 113, 115, 117 и 118, и те са:

  • Nihonium (нихоний) и символ Nh, за елемента с номер 113,
  • Moscovium (московий) и символ Mc, за елемента с номер 115,
  • Tennessine (тенесин) и символ Ts, за елемент с номер 117,
  • Oganesson (оганесий) и символ Og, за елемента с номер 118.

Елементът с атомен номер 113 получи името "нихоний" (Nh) - в чест на Япония, чиито ядрени физици първи получиха този елемент. Нихон е един от двата начина, по който японците наричат своята страна и буквално означава "Страната на изгряващото слънце".)

При синтезирането на четирите елемента в Дубна са участвали и българи - Инж. Стойчо Илиев и Румяна Калпакчиева. Разкажете повече за тяхното участие.

Калпакчиева работеше много активно в тази лаборатория, където са получени новите елементи – Лаборатория за ядрени реакции (ЛЯР). Тя беше и зам.-директор на лабораторията. Тя не е участвала в експериментите, но е участвала в административната поддръжка и обсъждането на резултатите.

Инж. Стойчо Илиев от ИЯИЯЕ също е работил в ЛЯР, работил е дълго по създаване на апаратурата, с помощта на която са синтезирани елементите.

Освен физика, там трябва да има и радиохимия – за обработване на мишените и обработване на резултатите. Тази радиохимия е много добре развита в ЛЯР. 4-5 българи са работили в радиохимичните лаборатории – сега са пенсионери вече.

Може ли да се говори и за практично приложение на някои от тези елементи?

В Дубна се планира строеж на фабрика за производството на тези свръхтежки елементи с цел да им се проучат по-подробно свойствата и евентуално да се използват в практиката, но тези процеси продължават много дълго. Често се задава въпросът защо трябва да се занимаваме с фундаментална наука? Защо трябва да знаем тези неща? По този повод има много хубав пример – през 1922 г. Пол Дирак се опитва да подреди теоретично нещата и въвежда положително заредена частица, която е като електрона. Това е предизвикало лек шок и недоверие, дори сред специалистите. След време тази частица е кръстена позитрон. Тогава не се предполага, че тя ще има някакво приложение, но сега ПЕТ скенерите точно с тази частица работят.

Т.е. стотина години трябва да минат, за да се разбере как такива действително фундаментални открития, които ни казват как е устроена природата, могат да се използват за различни цели. Така че не може да се говори за непосредствено приложение, но примерът с Пол Дирак е много характерен, защото се вижда, че нещо, което е смятано за невъзможно, в момента има едно изключително важно приложение в медицината.

Има ли предел Менделеевата таблица, може ли да се попълни с още елементи?

Има теоретични предсказания. Предполага се, че до 174 елемент тя може да се попълни. Разбира се, това са теоретични предсказания и може да не се стигне дотам, но се работи в това отношение. 

Сега се правят опити да се получи 120-и елемент. Това е свързано и с технологии – експериментите със свръхтежки елементи са стимул за разработване на технологии, които след това могат да се използват и за друго. Технологията не е фундаментална наука, но тя носи пари. 

Например, благодарение на тези разработки се произвеждат филтри, които могат да се използват дори за вина. Виното, ако допълнително не се обработи, ще се вкисне, затова се пастьоризира – слагат се химически вещества, за да го стабилизират, но ако се пусне през този филтър, то няма да има нужда от пастьоризиране или друга химия, защото дрождите, които водят до разваляне на виното, ще могат да се отделят. 

Друго е т.нар. трансмутация. Когато реакторите работят, се получава отработено ядрено гориво, което е силно радиоактивно. Краткоживущите свръхтежки елементи, които са силно радиоактивни, се държат в басейни с вода и те бързо се разпадат. Но има и такива, които не се разпадат толкова лесно – например Технеций 99. Той живее 10 на 5-а степен години. Но ако той залови неутрон, става Технеций 100, който се разпада за 15 секунди и се получава Рутений, който е стабилен. Той се оказва, че е ценен за електронната промишленост и в земни условия е в много малко количество – 8 тона в цялата Земя. В Дубна, на базата на известните фундаментални резултати се работи по проблемите за изгаряне (трансмутация) на радиоактивните изотопи.

Като говорим за развитие на технологиите – по-лесно или по-трудно ще става синтезирането на нови елементи.

Едва ли ще става по-лесно, защото сме стигнали вече до границата на стабилността. Трябва да се променят методите с цел това да стане по-лесно. Ще е много хубаво, ако се измисли начин това да става автоматично, но засега това не е възможно. Принципът е този – има мишена, която се облъчва с ядра. Въпросът е, че тези ядра, които се ускоряват, нито е евтино получаването им, нито могат да бъдат лесно ускорени. Калций 48, който е двойномагично ядро, струва много скъпо. Той трябва да се отдели, да се изчисти. С други думи, не са нужни само технологии, а са нужни и средства. Затова нещата не се получават толкова бързо.

Какво предстои оттук нататък, как ще продължи сътрудничеството ни с Дубна?

И сега има български учени в Дубна. Около 30 български учени има в момента в Дубна. Има млади хора, които се квалифицират на място. Наш колега от института - Динко Динев, беше част от екипа, който се занимаваше с проектирането на новия колайдер NICA. 

България плаща сериозен членски внос – той е малък на фона на цялостното финансиране на Дубна, но за нас е сериозен. Част от членския внос се връща при нас чрез поръчки и внедряване. Освен това правим ред мероприятия, които се финансират от Дубна, където отново част от вноската се връща. 

Сътрудничим си и по линия на изгаряне на радиоактивни отпадъци. Наши студенти ходят там и се квалифицират, има голям учебен център в Дубна – където правят изследвания, има технологически лаборатории, които са наблизо, провеждат се обучения. Има добър обмен на кадри, там се обучават наши студенти, а в България идват лектори от Дубна.

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !