Jurij Oganessian - to jego imię nosi najcięższy pierwiastek. "On wcale nie jest "mój"

Oganesson to nie "mój" pierwiastek, jego odkrycie było owocem międzynarodowej współpracy, ja jestem tylko szefem jednego z ośrodków, które się tym zajmowały - mówi RMF FM prof. Jurij Oganessian. Już we wtorek Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej ma oficjalnie ogłosić, że najcięższy znany obecnie pierwiastek o liczbie atomowej Z=118 będzie nosił jego imię. W ekskluzywnej rozmowie z Grzegorzem Jasińskim szef Laboratorium Reakcji Jądrowych w Dubnej mówi o tym, na czym polegają badania superciężkich pierwiastków, jakie są ich obecne ograniczenia i w jaki sposób naukowcy zamierzają je pokonać.

Skromność profesora jest godna szacunku, ale jego zasługi dla badań i syntezy ciężkich pierwiastków są niekwestionowane. Przyczynił się do rozwoju tych badań nie tylko jako fizyk, ale też organizator współpracy między licznymi, międzynarodowymi ośrodkami naukowymi. Dowodzi tego także fakt, że zaledwie po raz drugi w historii pierwiastek ma być nazwany imieniem osoby żyjącej. Poprzednio tak było w przypadku pierwiastka 106, który nazwę seaborgium otrzymał w 1997 roku na dwa lata przed śmiercią pioniera badań pierwiastków transuranowych, Glenna T. Seaborga.

To właśnie Seaborg pierwszy sformułował hipotezę o istnieniu "wyspy stabilności" grupy izotopów superciężkich pierwiastków, które przy odpowiedniej liczbie protonów i neutronów wykazują znacznie większą trwałość. Prace Oganessiana i innych w dużym stopniu tę hipotezę potwierdziły.

Na początku czerwca Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej ogłosiła oficjalnie, że warunki dotyczące potwierdzenia odkrycia kolejnych czterech pierwiastków (o liczbie atomowej 113, 115, 117 i 118) zostały spełnione i zamierza nadać im oficjalne nazwy. Pierwiastek 113 ma nosić nazwę nihonium (Nh), 115 - moscowium (Mc), 117 - tennessine (Tn), wreszcie najcięższy, 118 - oganesson (Og). W najbliższy wtorek upływa pięciomiesięczny okres, kiedy można zgłaszać do tych propozycji zastrzeżenia. Jeśli głosów sprzeciwu nie będzie, 8 listopada na łamach czasopisma "Pure and Applied Chemistry" Unia oficjalnie ogłosi swoją decyzję...

Grzegorz Jasiński, RMF FM: Jakie to uczucie, mieć pierwiastek nazwany od swojego nazwiska i to jeszcze pierwiastek, który jest... gazem szlachetnym?

Jurij Oganessian: Nie mam jakichś specjalnych, związanych z tym uczuć. Doprowadziła do tego długa droga, prace trwały od początku nowego wieku, blisko 15 lat. Było w to zaangażowanych wielu ludzi, wiele laboratoriów. To była bardzo duża współpraca. Cały pomysł polegał na próbie odpowiedzi na pytanie, czy rzeczywiście istnieje przewidziana teoretycznie jeszcze pod koniec lat 60. minionego wieku "wyspa stabilności". Istnieje czy nie? Wszystkie wcześniejsze próby, podejmowane w wielu laboratoriach na całym świecie przyniosły wyniki negatywne. Doświadczenie człowieka uczy, że jeśli nie ma spodziewanego efektu, można to tłumaczyć na dwa sposoby. Albo nie osiągnęliśmy jeszcze poziomu, który pozwoliłby nam go zobaczyć, to wciąż jest za trudne, albo po prostu ten efekt nie istnieje. Jeśli wiele laboratoriów na całym świecie ma wciąż negatywne wyniki, zaczynasz myśleć, że to drugie wyjaśnienie może być prawdziwe...

Czy panu towarzyszyło właśnie takie wrażenie?

Nie. Zaraz po tym, jak taka hipoteza została pod koniec lat 60. sformułowana, przy istotnym udziale polskich teoretyków, zaczęły się próby odkrycia tych materiałów. Szukano ich w naturze, badano promieniowanie kosmiczne, w USA analizowano skutki podziemnych wybuchów jądrowych. Przeprowadzono szereg eksperymentów...

I nic?

Istniały pewne teorie, ale niemożliwe do doświadczalnego potwierdzenia. Wraz z kolegami doszedłem wtedy do wniosku, że warto jeszcze raz spróbować, całkowicie zmieniając podejście do problemu. Wykorzystać inne reakcje i spróbować ponownie.

I to był przełom?

Nie byliśmy pewni, że nam się uda. Uznaliśmy, że jeśli nie, to problem pozostanie do rozwiązania dla pokoleń naszych dzieci, czy wnuków. Ale musieliśmy spróbować. Pięć lat zajęły nam przygotowania, mniej więcej od roku 1995 do 2000. W 2000 roku wykonaliśmy pierwszy eksperyment. I wtedy zobaczyliśmy tylko dwa atomy i to w miejscu, gdzie - zgodnie z dawną teorią - atomy miały nie istnieć. Według nowej teorii to jednak miała być już ta "wyspa stabilności". Zaskoczyło nas to, że rozpady tych atomów przebiegały bardzo wolno, wiele rzędów wielkości wolniej, niż się spodziewano. Wyglądało na to, że te dwa atomy mogą być nawet stabilne. Oczywiście potem trzeba było te metody rozwijać, przez cały czas, aż do tej pory. I dalej to kontynuujemy. W sumie otrzymaliśmy sześć nowych pierwiastków. Każdy z nich ma wiele izotopów. To daje liczbę 52 nowych jąder. W rzeczywistości więc hipoteza istnienia wyspy stabilności została potwierdzona w 52 punktach.

To nie jest zły wynik...

Spróbuję to wyjaśnić w jeszcze inny sposób. Świat materialny jest jak "kontynent" na "oceanie". "Ocean" to obszar niestabilności. To co jest stabilne rozciąga się od wodoru, najlżejszego pierwiastka i kończy na bizmucie. Za bizmutem nie ma już stabilnych pierwiastków. W naturze możemy oczywiście jeszcze znaleźć promieniotwórcze uran i tor. Od tego "kontynentu" odchodzi jeszcze taki "półwysep". Nowa teoria przewiduje, że trzeba odejść daleko od tego znanego rejonu i tam znajdziemy "wyspę" zawierającą wiele pierwiastków, stabilnych, a nawet superstabilnych, ciężkich i superciężkich. W drodze kolejnych eksperymentów udało nam się tam, to znaczy do tej "wyspy stabilności" dotrzeć, zajęło nam to "tylko" 15 lat...

By potwierdzić ich istnienie i je nazwać...

Teraz już ludzie uwierzyli w ich istnienie. I to była zapewne realizacja podstawowego celu badań w tej dziedzinie. Powiedziałbym tak, udało nam się przesunąć granicę istnienia świata materialnego. To oznacza, że układ okresowy może zawierać jeszcze wiele pierwiastków...

Porozmawiajmy o odkryciu "pańskiego" pierwiastka, oganessonu (Og), o liczbie atomowej Z=118. Doszło do tego około 10 lat temu...

Po pierwsze, on wcale nie jest "mój" (śmiech). Jego odkrycie było owocem międzynarodowej współpracy i ja jestem oczywiście szefem jednego z ośrodków, które się tym zajmowały. To oczywiście pierwiastek z tej "wyspy" stabilności. Po drodze udało nam się odkryć inne, od Z=113, przez 114, 115 i tak dalej. Niestety Z=118 to dla nas w tej chwili granica nie do przekroczenia. Musielibyśmy mieć tarczę z cięższego materiału, niż californium, pierwiastek o liczbie atomowej 98. Ale taka tarcza to obecny limit w technologii reaktorowej. Naświetlamy go jonami wapnia, liczba atomowa 20. 98 plus 20 to daje nam maksimum 118. Ograniczeniem jest właśnie californium. Teoretycznie moglibyśmy "ostrzeliwać" tarczę jonami cięższymi, niż wapń. To jednak nie działa...

Potrzebna jest tarcza cięższa, niż californium. Czy można to zmienić w waszym laboratorium?

To ograniczenie ma u nas charakter technologiczny. Związane jest z ograniczoną czułością eksperymentu. Dziś, uderzając w tarczę jonami wapnia jesteśmy w stanie wytworzyć jeden ciężki atom dziennie. To i tak znacznie lepiej niż kiedyś, gdy byliśmy szczęśliwi, jeśli udało nam się "wyprodukować" jeden atom na tydzień. A czasem zdarzało się, że jeden taki atom pojawiał się raz w miesiącu. To bardzo czuła aparatura, która przeszukuje niewiarygodnie dużą liczbę niepożądanych produktów reakcji jądrowych, z jej pomocą bylibyśmy w stanie wykryć atom nawet, jeśli pojawiałby się raz w roku, ale doszliśmy do granic jej możliwości. Oczywiście może mnie pan zapytać, czemu tego nie poprawimy. I mogę odpowiedzieć, że teraz, po 15 latach będziemy w stanie to zrobić Rozumiemy już, jak posługiwać się tą metodą, znamy potrzebną technologię, metody przyspieszania jonów, metody detekcji. Teraz moglibyśmy otrzymywać nawet setki takich atomów dziennie. Właśnie dlatego zaproponowaliśmy, że w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej, że zbudujemy coś na kształt fabryki superciężkich pierwiastków. Będzie tam między innymi nowy akcelerator, zbudowany we współpracy z Oak Ridge Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Będziemy też kontynuować współpracę z polskimi naukowcami. Dzięki temu będziemy w stanie wykorzystać cięższą tarczę i potężniejszą wiązkę bombardujących jonów. Nowa instalacja powinna zacząć pracę pod koniec przyszłego roku. tak, że życie idzie naprzód, jesteśmy dopiero na początku badań...

Jakich wyników się pan spodziewa?

W pierwszej kolejności spodziewamy się, że będziemy mieli szansę lepiej zrozumieć dziwne zachowanie tych pierwiastków, fakt, że "kontynent" w pewnym momencie się kończy, a potem mamy "wyspę". Czy te nowe pierwiastki maja właściwości podobne do tych, które od dawna znamy? Czy może spełniają warunki jakiejś nowej okresowości, w jakimś nowym układzie pierwiastków. Są też inne pytania. To dla nas w pewnym sensie badania na zupełnie nieznanym lądzie...

Gdyby pan miał okazję rozmowy z Mendelejewem i on zapytał, co się stało z jego układem okresowym, co by pan powiedział?

Dobre pytanie. Gdy myślimy o tablicy Mendelejewa musimy zadać sobie pytanie, dla ilu pierwiastków obowiązuje? Czy ciężkie i superciężkie pierwiastki wciąż się w niej mieszczą, spełniają przewidywania? Być może Mendelejew musiałby się pogodzić z zaskakującą sytuacją, że jego tablica ma ograniczenia. Być może gdy ładunek rośnie, elektrony poruszają się szybciej i szybciej i energia elektronów gwałtownie rośnie. A prędkość zbliża się do prędkości światła. Do głosu dochodzi teoria względności Einsteina i elektrony stają się ciężkie. Być może trzeba to wziąć pod uwagę. Jeśli te relatywistyczne efekty uwzględnimy, pierwiastki zaczynają być coraz mniej skłonne do reakcji, są gazami szlachetnymi. Może tak właśnie będzie, widzieliśmy to już w eksperymencie. Istniejące do tej pory superciężkie pierwiastki przeważnie wciąż jednak wypełniają warunki Mendelejewa. To wciąż prawo fundamentalne.

Udało się dowieść istnienia zaledwie kilku atomów oganessonu, nie ma sposobu, by ten pierwiastek praktycznie wykorzystać...

Nie, nie, na razie nie...

Czy spodziewa się pan, że wejście w obszar tej "wyspy stabilności" pozwoli stworzyć pierwiastki, które się ludzkości do czegoś przydadzą?

Na razie jeszcze tego szczytu góry na "wyspie" nie osiągnęliśmy, na razie powiedziałbym... wyszliśmy z wody, z tego oceanu niestabilności. Widzimy ląd, mamy stromo pod górę. W praktyce, gdy dodamy do ciężkiego jądra wiele neutronów, każdy z neutronów wydłuża średni czas życia 10 razy. 10 neutronów oznacza więc 10 rzędów wielkości. Niestety nasze możliwości są ograniczone. Robimy, co możemy, bierzemy najcięższą tarczę, uderzamy w nią najcięższymi "pociskami" i łącząc je tworzymy superciężkie pierwiastki. Musimy się zastanowić, co robić dalej. Jeśli kiedyś wejdziemy na szczyt tej góry, być może okaże się, że czas życia znajdujących się tam pierwiastków osiągnie tysiąc lat. Inne prognozy mówią, że może 10 tysięcy lat, może milion. Jeśli jednak mógłby to być czas miliarda lat, jak w przypadku stabilnych pierwiastków obecnych w naturze, to byłoby coś naprawdę znaczącego. W takim przypadku, jeśliby te pierwiastki istniały w naturze, miałyby praktyczne znaczenie. Na razie spośród stworzonych przez nas pierwiastków najdłuższą średnią długość życia ma pierwiastek 115, obecnie jego połowiczny czas rozpadu sięga 30 godzin. Można próbować przeprowadzić reakcje chemiczne. Każdego dnia możemy go produkować i badać. Jeśli uruchomimy już naszą fabrykę ciężkich pierwiastków, będziemy w stanie systematycznie takie badania prowadzić. To jeden z głównych argumentów za rozszerzaniem badań w tej dziedzinie...

Czy wyobraża pan sobie, że ludzie mogliby być zdolni do wytwarzania pierwiastków, których natura nie byłą zdolna stworzyć, lub nie "zdecydowała" się tworzyć?

No, to jest bardzo dobre pytanie... W naturze wytwarzanie pierwiastków przebiega całkowicie odmiennie od tej sztucznej syntezy, którą my się zajmujemy. Natura wykorzystuje bardzo wysoką temperaturę. Nawet Słońce wytwarza tylko hel. Do takiej produkcji pierwiastków potrzeba temperatury rzędu miliardów stopni i neutronów. W przypadku stosowanych przez nas metod syntezy mamy pierwiastki, których atomy chcemy połączyć. Ta synteza, w związku z dodatnim ładunkiem jąder wymaga dużej energii. trzeba je bardzo przyspieszyć, by mogły się przy zderzeniu zetknąć. Musimy nadać "pociskom", którymi uderzamy w tarczę prędkość rzędu 1/10 prędkości światła. Dopiero, gdy się zetkną, może nastąpić reakcja jądrowa. Oczywiście nie każde zetknięcie jąder doprowadzi do ich syntezy, to może się wydarzyć czasem raz na miliard przypadków. Dlatego nasze metody syntezy są tak mało wydajne. Jeśli już jednak mamy taki gorący materiał, on emituje promieniowanie gamma, schładza się, osiąga stan podstawowy i możemy zacząć obserwować jego proces rozpadu. To najbardziej interesujące pytanie, jak długo to potrwa. Jeśli to pierwiastek z "wyspy stabilności", zabiera to dużo czasu, jeśli spoza tej "wyspy", następuje momentalnie, w ciągu 10 do -19 sekundy. Pierwiastek 114 ma czas połowicznego rozpadu 2,5 sekundy, 115 - jak już mówiliśmy rzędu dni. Do dziś stworzyliśmy takich stabilniejszych pierwiastków sześć, ale sądzę, że może być ich więcej i cięższych. jest hipoteza, że wyspa stabilności rozciąga się do liczby atomowej 126, my mamy na razie 118. To co najważniejsze, to mieć w obrębie jądra jak najwięcej neutronów, bo one zwiększają jego stabilność. Dla mnie wszystkie te pierwiastki są sobie równe, trochę tak jak własne dzieci, nie można powiedzieć o jednym, że się go woli od innych. Co do 118 - jego nazwę zaproponowali koledzy...

Wciąż ucieka pan od rozmowy właśnie o tym, skromnie mówi pan o współpracy, o innych pierwiastkach, ale przecież nadanie imienia pierwiastkowi stawia pana obok takich nazwisk, jak Einstein, Maria Skłodowska-Curie. To duża rzecz...

Pierwiastek 105 nosi nazwę dubnium, od siedziby naszego Instytutu, Dubnej. Pierwiastek 114 to florowium od nazwiska Gieorgija Florowa, założyciela laboratorium w Dubnej. On był moim patronem i poprzednikiem na stanowisku dyrektora Laboratorium Reakcji Jądrowych. Dla pierwiastka 115 zaproponowano nazwę moskowium, ale nie pochodzi ona od samej Moskwy, tylko od nazwy obwodu wokół stolicy Rosji, gdzie leży Dubna. Moskwa to stolica nie potrzebuje dodatkowych zaszczytów. Pierwiastek 116 od 2012 roku nosi już nazwę liwermorium, od siedziby współpracującego z nami amerykańskiego Lawrence Livermore National Laboratory. Dla pierwiastka 117 zaproponowano kolejną nazwę geograficzną od stanu w którym mieści się również współpracujące z nami laboratorium Oak Ridge...

Stan Tennessee...

Tak i padła propozycja tennessine. Byłem niedawno w Stanach Zjednoczonych i widziałem tam samochód z numerami rejestracyjnymi Tn 117 (śmiech)... I to właśnie od naukowców z USA przyszła propozycja, by pierwiastek 118 otrzymał moje imię...

Teraz dla nas najważniejszy jest właśnie najcięższy pierwiastek 118, a pan profesor mówi, że jego wyobraźnia sięga numeru 126...

Co do ważności to oczywiście wszystkie są równie ważne. Dawna teoria zresztą głosiła, że żaden z nich, ani 113, ani 114, ani kolejne do 118 nie miały prawa istnieć. My pokazaliśmy, że wszystkie istnieją, a ich izotopy mają dość długi czas życia. Jak wcześniej wspomniałem doszliśmy do granicy naszych technicznych możliwości, ale prace będą kontynuowane. Chcemy dowieść, że istnieją 119 i 120, potrzebujemy wiązki cięższych jonów. To nasz w tej chwili najważniejszy cel.

Oganesson to gaz szlachetny, zarejestrowano istnienie zaledwie kilku jego atomów, czy możemy sobie wyobrazić, jakby wyglądał jako stabilny gaz, jakie miałby właściwości, kolor, zapach? Czy możemy wskazać jakieś własności zrozumiałe dla zwykłych ludzi?

Mendelejew stworzył swój układ okresowy empirycznie, na podstawie doświadczeń. Nie wierzył w istnienie atomów. W jego czasach znano tylko 63 pierwiastki, przyglądał się ich własnościom chemicznym i podzielił je na osiem grup, różniących się właśnie właściwościami. W początkach XX wieku pojawiła się mechanika kwantowa i z jej pomocą można było przewidywać strukturę atomów pierwiastków, w tym zachowanie elektronów, włącznie z tymi, które są odpowiedzialne za własności chemiczne. Dziś już wszystko można policzyć, nie musimy prowadzić doświadczeń chemicznych, możemy przewidzieć kolor, temperaturę wrzenia z pomocą mechaniki kwantowej. Pozostaje problem tych efektów relatywistycznych, o których mówiłem. To będzie teraz badane. Co do doświadczalnie badanych właściwości chemicznych, uważa się, że przebadano tak pierwiastek 112. Jest metalem podobnym do rtęci. Co do 118 to powinien mieć własności charakterystyczne dla gazu szlachetnego. Pytanie, co będzie dalej?

I co będzie?

Jeśli efekty relatywistyczne będą się nasilać, okresowość zostanie złamana...

Będziemy musieli przygotować nową tablicę?

To w tej chwili jeszcze trudno przewidzieć. Dla pierwiastka 126 przewiduje się istotną zmianę własności chemicznych, ale musielibyśmy ją doświadczalnie zobaczyć. To już pewnie zadanie nie dla mnie, ale dla kolejnych pokoleń badaczy...