Łowcy pierwiastków

W biurze laboratorium Jurija Oganessiana w Dubnej na północ od Moskwy 22 października ub. roku o godzinie 9.29 rozległ się dźwięk dzwonka. W ciasnym pomieszczeniu 12 fizyków siedziało przy biurkach, na których wśród stosów dokumentów poniewierały się przekąski. Po drugiej stronie korytarza cyklotron ciskał atomami wapnia z prędkością 108 mln km/h w kawałek folii. Dzwonek dał znać, że po jednym z takich zderzeń narodził się nowy atom. W tamtym momencie był to jedyny atom pierwiastka 117 na ziemi i 19., jaki kiedykolwiek powstał. Pozostałe też pojawiły się w tym laboratorium i szybko zniknęły. Po ułamku sekundy i ten przestał istnieć.

Położona nad Wołgą Dubna powstała jako nowe miasto nauki po II wojnie światowej. Gieorgij Florow, który pomógł zapoczątkować badania nad bronią jądrową w ZSRR, założył laboratorium, później przejęte przez Oganessiana. Na początku wojny Florow zauważył, że nagle przestały pojawiać się artykuły amerykańskich i niemieckich uczonych na temat pierwiastków radioaktywnych. Podejrzewał, że budują oni bomby atomowe. Napisał więc w kwietniu 1942 r. do przywódcy ZSRR Józefa Stalina. Stalin nakazał radzieckim uczonym, aby także zbudowali bombę. Za swój udział w projekcie Florow dostał samochód i daczę, a przede wszystkim laboratorium w Dubnej. Tam mógł się skupić na poszukiwaniu nowych pierwiastków.

Wszystko, co znamy i kochamy na Ziemi, jest zbudowane z pierwiastków – różnych rodzajów atomów. Mają miliardy lat i zostały rozrzucone we wszechświecie przez wielki wybuch lub wybuchające gwiazdy, a następnie wbudowane w nowo powstałą Ziemię. Później zaś były bez końca recyklingowane, przenosząc się ze skały do bakterii czy wiewiórki. Pod koniec XIX w. inny Rosjanin, Dmitrij Mendelejew, próbował znaleźć jakąś prawidłowość, grupując pierwiastki względem masy i innych właściwości w swoim układzie okresowym. Później naukowcy przypisali kolejność Mendelejewa do struktury atomów. Każdy pierwiastek otrzymał numer
– liczbę protonów w swoim jądrze atomowym.

Do 1940 r. naukowcy odkryli wszystko, co było trwałe i odwieczne na Ziemi, aż do uranu, pierwiastka 92. Zapełnili wszystkie luki, które pozostawił Mendelejew. Ale to nie był koniec. Za uranem rozpościera się świat możliwości – pierwiastków zbyt radioaktywnych i niestabilnych, aby przetrwać miliardy lat. Aby badać ten świat, trzeba go najpierw stworzyć.

Pierwsze kroki tworzenia zmieniły więcej niż tylko układ okresowy. W 1940 r., po tym jak Glenn Seaborg i jego współpracownicy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wyprodukowali pierwiastek 94, pluton, Seaborg został szybko wciągnięty do projektu Manhattan – Florow miał rację. Seaborg pomógł stworzyć bombę plutonową, która została zrzucona na Nagasaki w Japonii, i po wojnie wrócił do Berkeley. Nadal tworzył nowe pierwiastki, ale miały one mniej dramatyczne zastosowania – w wykrywaczach dymu na przykład – lub zupełnie nie miały zastosowań. Do 1955 r. jego zespół dotarł aż do pierwiastka 101. Nadano mu nazwę mendelew. Przez pewien czas wydawało się, że na tym zakończy się tablica Mendelejewa – na pierwiastku noszącym jego imię. Protony w jądrze atomowym zawsze starały się je rozerwać; ich dodatnie ładunki elektryczne odpychały się wzajemnie. Neutrony – cząsteczki obojętne elektrycznie, których liczba jest większa od liczby protonów – pomagają utrzymać jądro razem. Ale siła wiążąca działa tylko na niezwykle krótkich odległościach. Zanika, gdy rośnie rozmiar jądra. Dlatego musi istnieć ostateczne pole w układzie okresowym, maksymalna wielkość, powyżej której atom nie byłby stabilny nawet przez chwilę. Wydawało się, że odkrywając mendelew, którego okres połowicznego rozpadu wynosi 51,5 dnia, naukowcy zbliżają się do tej granicy.

Mimo wszystko zespół z Berkeley kontynuował wysiłki, a rywalizowało z nim Laboratorium Reakcji Jądrowych Florowa w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej. W latach 1965–1974 Berkeley ogłosiło stworzenie pierwiastków 102, 103, 104, 105 i 106 – tak samo jak Dubna. Te jętki zginęły w ciągu kilku godzin. W każdym razie dyskusja nad tym, kto uzyskał je pierwszy, była zaciekła, a zaostrzała ją także zimna wojna. Ostatecznie osiągnięto kompromis. Pierwiastek 105 otrzymał nazwę dubn, a 106 seaborg. Wojna jądrowa została zakończona.

W międzyczasie teoretycy wytyczyli nowy cel poszukiwań. Uznali, że bardzo duże jądro mogłoby być zaskakująco stabilne, jeśli miałoby „magiczną liczbę” protonów i neutronów – dość, by tylko wypełnić powłoki, jakie zajmują cząstki. To spostrzeżenie, gdyby okazało się prawdziwe, zmieniłoby wszystko. Oznaczałoby, że być może, tylko może, za linią horyzontu istnieje „wyspa stabilności”, gdzie monstrualnie ogromne pierwiastki ze 114, 120 lub 126 protonami mogłyby swobodnie istnieć przez minuty, a nawet przez tysiące lat. Ta nierealna, choć obiecująca teoria sprawiła, że poszukiwania nagle stały się bardziej atrakcyjne. Mniej więcej w tym czasie do laboratorium Florowa dołączył Oganessian.

Pewnego wieczoru minionej jesieni w Dubnej w towarzystwie tłumaczki zapukałem do drzwi skromnego żółtego domu Oganessiana przy ul. Florowa. Śniegowe chmury wisiały nisko nad naszymi głowami, gawrony podskakiwały wokół latarni. Oganessian podsunął nam kapcie i poczęstował nas herbatą. Po herbacie wypiliśmy kawę, a potem wino armeńskie domowej roboty. Rozmawialiśmy o amerykańskiej muzyce folk, o naszych dzieciach i podróżach, aż przeszliśmy do wyprawy Oganessiana na wyspę stabilności.

Gdy był młody i po raz pierwszy usłyszał o wyspie, która go zafascynowała, wydawało się, że nie można jej osiągnąć. Laboratoria w Berkeley i Dubnej dotarły do pierwiastka 106, strzelając lekkimi jądrami w ciężkie jądra w taki sposób, że łączyły się w pojedyncze, superciężkie jądro. Ale powyżej 106 protonów zderzenia miały tak wielką energię, że rozrywały nowe jądro, zanim się utworzyło. W 1974 r. Oganessian wysunął hipotezę, że zastosowanie nieco cięższych pocisków i lżejszych celów mogłoby wywołać delikatniejsze, bardziej owocne zderzenia. Laboratorium w Darmstadt w Niemczech podchwyciło ten pomysł i stworzyło pierwiastki od 107 do 112. Dzień Oganessiana miał nadejść za kolejne ćwierć wieku.

Nadeszły trudne czasy dla laboratorium w Dubnej. W 1990 r. zmarł Florow; w 1991 rozpadł się ZSRR. Przez wiele miesięcy laboratorium nie było w stanie płacić badaczom. Zbierali grzyby w lasach, łowili ryby w Wołdze. Oganessian był już wtedy kierownikiem laboratorium. Mógł wyznaczyć kurs na bardziej praktyczne cele. Postanowił jednak pełną parą ruszyć w kierunku pierwiastka 114 – bliskiego brzegu wyspy stabilności.

Aby stworzyć pierwiastek 114, Oganessian chciał strzelać wapniem (z 20 protonami) w pluton (z 94 protonami). Ale potrzebne były rzadkie izotopy wapnia i plutonu, wypełnione dodatkowymi neutronami, aby związać 114 protonów. Oganessian przekonał amerykańskich fizyków z Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii, którzy kilka lat wcześniej byli jego rywalami, by dali mu 20 mg plutonu. Plan był następujący: cyklotron będzie strzelał wiązką wapnia z prędkością równą jednej dziesiątej prędkości światła w folię pokrytą plutonem. Wśród bilionów atomów wylatujących z drugiej strony (folia była cieńsza niż włos) Oganessian spodziewał się co najwyżej jednego atomu pierwiastka 114. Jego ludzie we współpracy z zespołem z Livermore stworzyli nowy detektor, aby go wykryć.

Cyklotron, który włączyli w listopadzie 1998 r., wymagał ciągłego nadzoru, w dzień i w nocy. – Gdyby był osobą, byłby bardzo starym człowiekiem – powiedział mi jeden z techników. Pod koniec miesiąca cyklotron wyprodukował jeden atom pierwiastka 114. Istniał tylko kilka sekund – ale to było tysiące razy dłużej, niż należałoby oczekiwać, gdyby wyspa stabilności nie istniała. Od tamtej pory Dubna i inne laboratoria wyprodukowały pierwiastki 115, 116, 117 i 118 oraz izotopy o różnej liczbie neutronów. Nadal jednak nie zbliżyły się nawet do szczytu wyspy, gdzie pierwiastek mógłby istnieć nawet przez lata. Ale tworząc pierwiastek 114, Oganessian na niej wylądował.

Wiosną ubiegłego roku oficjalnie został on dołączony do układu okresowego i otrzymał nazwę flerovium. (Pierwiastek 116 nazwano livermorium.) Kilka miesięcy później na ulicy Florowa pochyliłem się nad tablicą Mendelejewa i zadałem oczywiste pytanie: Czy Oganessian, mając 80 lat, nie chce przejść na emeryturę, aby prowadzić spokojne życie?

– Odkryliśmy wyspę – odrzekł. – Teraz nadszedł czas, aby ją zbadać, przejść się wzdłuż jej zachodniej plaży. Ktoś musi zrozumieć, jak te nowe pierwiastki się zachowują, same i w reakcjach z innymi. Ktoś musi znaleźć sposób, aby wpompować do flerovium magiczną liczbę neutronów, 184, aby osiągnąć szczyt wyspy. Ktoś musi sprawdzić, czy są inne szczyty dla pierwiastków 120 lub 126. Obecnie te cele wydają się praktycznie niemożliwe do osiągnięcia. Oganessian na razie z pracy rezygnować nie zamierza.