Venemaa tuumafüüsikud venitavad Mendelejevi tabelit „stabiilsuse saareni”
20 aasta eest keskkooli lõpetades teadsin ma tänu oma keemiaõpetajatele Tiiu Voodlale ja Oliver Masingule peast suuremat osa Mendelejevi tabeli elemente. Mäletan, et keemiaklassis rippunud suures Mendelejevi tabelis oli keemilisi elemente ligi 110. Mulle jäi toona mulje, et see tabel on lõplik, uusi elemente ei saa enam juurde tulla. Seetõttu olin üllatunud, kui kuulsin uudist, et üks Venemaa teadusinstituut on viimastel aastatel lisanud sinna uusi keemilisi elemente nagu konveieril.
Vene teadlased on jõudnud juba 118. elemendini ja arvavad, et lõpp on veel kaugel. Sisuliselt nihutavad nad meie kõigi materiaalse maailma piiri, kui sünteesivad uusi keemilisi elemente.
Piirinihutajad töötavad Moskvast kolmetunnise rongisõidu kaugusel Dubna teaduslinnas sealse tuumauuringute instituudi tuumareaktsioonide laboratooriumis. Akadeemik Juri Oganesjani juhtimisel on seal viimase kümne aasta jooksul sünteesitud kõigepealt 114. element, siis 116., edasi pealtnäha sama kaootiliselt 113., 115. ja 118. ning eelmisel aastal 117. element. Ametlikke nimetusi nendel radioaktiivsetel elementidel polegi. Suures teaduses võtab fikseerimine veidi aega, targad ju ei torma.
Meid ümbritsev maailm koosneb 92 keemilisest elemendist. Kõik Mendelejevi tabeli elemendid pärast 92. järjekorranumbrit kandvat uraani on sisuliselt inimkäte looming, looduses leidub neid ülivähe.
„Kui Maa moodustus umbes 4,5 miljardit aastat tagasi, siis oli tegelikult elemente rohkem,” räägib akadeemik Oganesjan. „Need 92 on need, mis on alles jäänud. Ülejäänud elemendid lagunesid ega elanud meie ajani nagu dinosaurusedki, aga vahe on selles, et neid kunagi eksisteerinud elemente on tänapäeval võimalik luua tehislikult.”
Kuidas siis tekivad uued keemilised elemendid? 1950-ndatel sünteesiti uusi elemente maa-aluste tuumaplahvatuste abil, hiljem mindi üle tsiviliseeritumale meetodile – kiirendite kasutamisele.
117. elemendi avastamine nägi Oganesjani sõnul välja selline: selleks kasutati sealsamas Dubnas ehitatud kiirendit, kus 97. elemendi ehk berkeeliumi isotoopi „pommitati” 20. elemendi ehk kaltsiumi haruldase isotoobiga. Tohutul kiirusel – mis omadussõna üldse kasutada kiiruse kohta, mis võrdub ühe kümnendikuga valguse kiirusest? – toimunud pideva ja pikaajalise „pommitamise” tagajärjel tekkis tuumareaktsioon, kus berkeeliumi ja kaltsiumi aatomid ühinesid millisekundites mõõdetavaks ajaks raskemaks tuumaks ning maailma tekkiski korraks 117. element. Eksperiment kestis seitse kuud, mille jooksul tekkis uus element kuuel korral.
Kõik uued elemendid on sündinud samamoodi. Näiteks 114. elemendi saamiseks tekitati tuumareaktsioon, kus kaltsium ühines 94. elemendi ehk plutooniumiga.
Mida selleks vaja läks?
Kõigepealt ainulaadset raskete ioonide kiirendit, mille ehitasid – ilmselt paljude Venemaa skeptikute üllatuseks – Dubna tuumalabori enda spetsialistid. Kiirendi hinda ei oska Oganesjan öelda, sest kuidas sa määrad ainulaadse masina hinna? Ainuüksi kiirendi „jõuallikas” oli maksnud miljoneid dollareid.
Väga kallid on ka eksperimendiks kasutatud ained. „Märklauana” kasutatud berkeelium-249 gramm maksab kümneid miljoneid dollareid, katseteks läks seda vaja 22,2 milligrammi. „Laskemoona” ehk kaltsium-48 gramm maksab berkeeliumiga võrreldes „kõigest” veerand miljonit dollarit. Vajalik kogus berkeelium-249 toodeti Dubna teadlaste jaoks muide USA-s.
Ja muidugi läks vaja suurel hulgal teadlasi. „Vahetult tegeles selle eksperimendiga 15 inimest, aga kui arvestada, et selle jaoks oli vaja ehitada kiirendi, siis võib öelda, et pool meie laborist oli sellega seotud,” räägib Oganesjan katsete töömahukusest. Tema juhitavas laboratooriumis töötab aga ligi 300 inimest.
No ja lõpuks tuli teadusavastuse kohta ilmutada artikkel USA-s ilmuvas ajakirjas Physical Review Letters.
Tänavu möödub sada aastat sellest, kui tuumafüüsika isaks peetav Ernest Rutherford kirjeldas esimest korda aatomit – et see koosneb tuumast ja selle ümber tiirlevatest elektronidest. Aatomi tuum koosneb omakorda neutronitest ja prootonitest. „Tekib küsimus: kui palju neid aatomi tuuma telliskive, neutroneid ja prootoneid võib olla, et tuuma konstruktsioon eksisteeriks või vähemalt ei variseks kokku? See on fundamentaalne küsimus, sest annab vastuse, kus on (elementide olemasolu – J. P.) piir,” jätkab Oganesjan.
„Ja see piir on juba absoluutne selles mõttes, et vahet ei ole, on ta Maa peal või kuskil mujal Galaktikas, sest see on mateeria füüsikalise ülesehituse alus,” lisab ta pärast ligi kümnesekundilist pausi. „Seda on pidevalt küsitud, kus on materiaalse maailma piir. Seda on justkui leitud, aga alati on see piir sõltunud sellest, kui palju teati maailmast sel hetkel. Meie üritame ka leida sellele küsimusele vastust selle põhjal, mida me teame 21. sajandi alguseks.”
Oganesjan toob näiteks, et 1930. aastate lõpus tehti arvutusi ja jõuti järeldusele, et ei saa olla 100. elemendist raskemaid elemente. Tollal oli teada 93 keemilist elementi. 101. element ehk mendeleevium sünteesiti juba 1955. aastal.
Edasi viis teadlasi eksiarvamusele see, et transuraanide (radioaktiivsed elemendid uraanist ülespoole) tuumade stabiilsus vähenes elemendi numbri suurenedes. Kui 92. elemendi ehk uraani poolestusaeg (sisuliselt on see radioaktiivse elemendi keskmine eluiga) on 4,5 miljardit aastat, siis juba 102. elemendi ehk nobeeliumi mõne isotoobi poolestusaeg oli vaid mõnikümmend sekundit.
„Seetõttu arvati, et kui liikuda edasi veel raskemate tuumadega elementide poole, siis jõuame peagi nende eluea eksisteerimise piirini, mis sisuliselt tähendaks materiaalse maailma piiri,” lausub Oganesjan.
Peagi aga selgus, et edasi millegipärast nii kiiret elementide eluaja vähenemist ei toimu. Suurema aatomnumbriga elemendid kui 104 elasid küll ainult ülilühikese hetke, aga eluea suurusjärgud jäid enam-vähem samaks.
Kui tuumateadlased said lõpuks aru, et raskemate elementide aatomite tuuma konstruktsioon on mõnevõrra teistsugune kui kergemate oma, jõuti arvutustega peagi üllatuslikule tulemusele. „Uraan elab 4,5 miljardit aastat, siis edasi elavad peagi elemendid paar sekundit ja veel edasi muudkui vähem ja vähem, aga siis hakkab nende eluiga taas kasvama üllatavalt suurte väärtusteni ning seejärel jälle kahanema ja siis jälle kasvama jne,” räägib Oganesjan.
Kogenud jutustajana kasutab akadeemik edasi kujundlikke võrdlusi: „Tekkis hüpotees, et kui me läheme mööda olemasolevaid teadmisi edasi, siis kuskil peab olema „saar”, kus on palju elemente, mis elavad suhteliselt kaua. Kuid see „saar” peab asuma väga kaugel meile teada olevatest aladest. Selleks et jõuda selle „saareni”, peame ületama „ebastabiilsuse mere”.” Ebastabiilsuse mere all peab ta silmas elemente, mis elavad väga lühikest aega. Selline hüpotees esitati 1969. aastal.
Esimesed eksperimendid „stabiilsuse saare” leidmiseks tehti Prantsusmaal, siis USA-s, Saksamaal ja Nõukogude Liidus Dubnas. Aga tuumateadlased-maadeavastajad ei leidnud midagi... Viimane ebaõnnestunud katse toimus 1985. aastal.
„Kui sa midagi otsid, aga ei leia, siis on alati kaks vastust, miks sa ei leidnud: kas otsisid halvasti või seda pole,” nendib Oganesjan. „Kui aga seda otsib mitu meeskonda ega leia, siis ilmselt on loogiline tulla järeldusele, et seda pole.”
Praegu 77-aastasele, aga endiselt igapidi heas vormis Oganesjanile ei andnud aga hüpotees, mille sõnastamises ta ise noore teadlasena osales, kuidagi rahu ja 1995. aastal alustas ta Dubnas uuesti katseid, et leida teed uute elementideni ja „stabiilsuse saareni”. „Valisime teise meetodi,” ütleb Oganesjan ja joonistab mulle kümme minutit oma kabineti suurele kriiditahvlile numbreid, valemeid, joonekesi ja pildikesi. Lühike kokkuvõte tema jutust: see „teine meetod” töötas.
„Kokku oleme saanud (uute elementide) 48 tuuma, mille omadusi oleme võrrelnud enda hüpoteesiga, ning kõik need võrdlused näitavad, et „stabiilsuse saar” on olemas,” ütleb ta varjamatu uhkusega. „Jah, me ei suuda sellele saarele jõuda, aga me oleme sellele lähenenud.”
„Meie katsete tulemusi on kinnitanud USA ja Saksamaa laborid viimase kolme aasta jooksul viie eksperimendiga, mis andsid samasugused tulemused,” lisab Oganesjan. Kahjuks ei saa tänapäeva tehniliste tingimustega veel „saarele” jõuda, sest nii võimsaid tuumareaktsioone pole lihtsalt võimalik teha.
Nobeli preemia kandidaat
Uute elementide sünteesimise ja „stabiilsuse saare” otsimisega paralleelselt tehakse Juri Oganesjani laboratooriumis unikaalset eksperimenti nende üliraskete ainete loodusest leidmiseks.
„Pole välistatud, et neid tehisaineid, mis elavad kaua, on kuskil maakoores, aga me lihtsalt pole kunagi neid otsinud nii väikestes kogustes,” räägib Oganesjan. „Me ei tea ka nende keemilisi omadusi, mistõttu on neid samuti raske otsida.”
Ta toob näiteks, et ega kulda ka niisama maa seest ei leia. Kulda leitakse tänu sellele, et teatakse tema keemilisi omadusi. „Rikastatakse ja nii leitakse, sest kulda iseenesest on maapinnas ühe tonni kohta vaid üks gramm. Aga kuidas leida, kui seda ainet on maapinnas veelgi miljard korda vähem?” arutleb Oganesjan.
„Kas teoreetiliselt on üldse Mendelejevi tabelil piire?” uurin Venemaa ühelt tänapäeva tuntumalt akadeemikult. „Kas elemente võib luua veel juurde kes teab kui palju?”
„No jaa,” ütleb Oganesjan mõtliku häälega. „Aga vaadake, see sõltub jällegi sellest, kas on olemas ja leitakse järgmine „stabiilsuse saar”.” Jälle see saare jutt! Koolis on Mendelejevi tabelist meeles, et elementide omadused korduvad perioodiliselt, üle kaheksa elemendi. Kas see tähendab, et ka Dubnas loodud 114. element on sarnane tinaga ja viimane loodud element, 117. on sarnane joodiga?
„Selgus, et on sarnased, aga mitte täielikult, sest ülirasketel elementidel on aatomi struktuur mõnevõrra teistsugune. Nii et selles mõttes on Mendelejevi tabeli seaduspärasustel piir ees, sest mida suurema aatomnumbriga, seda enam hakkavad elemendid erinema, ütleb Oganesjan, keda mõned Vene ajakirjad on nimetanud Venemaal elavatest teadlastest esimeseks Nobeli preemia kandidaadiks.
Dubna – spetsiaalselt ehitatud teaduslinn
•• Moskvast 125 kilomeetrit põhja pool asuv Dubna on Venemaa üks tuntumaid teaduslinnu, mis asutati 55 aastat tagasi tuumafüüsika keskusena.
•• Volga jõe ilusale kaldale tühjale kohale rajatud linna teaduspotentsiaal on pärast Nõukogude Liidu lagunemist loomulikult langenud, aga teadustegevus on siiski endiselt selle 60 000 elanikuga linna peamine „majandusharu”.
•• Dubna tähtsaim teaduskeskus on tuumauuringute ühendatud instituut, mille 1956. aastal asutasid Nõukogude Liit ja talle sõbralikud riigid. Instituuti peavad tänini üleval 18 riiki, põhiliselt endised liiduvabariigid. Instituudi 83 miljoni dollari suurusest aastaeelarvest tuleb 60 protsenti siiski Venemaalt.
•• Maailmale aastakümnete jooksul terve nimekirja uusi keemilisi elemente loonud instituudi (Mendelejevi tabeli 105. element kannab koguni linna auks nime dubnium) väline ilme on puhas ja hoitud, aga see on jäänud ajast mitukümmend aastat maha. Suurem osa teadlasi on üle 50-aastased ja noori on väga raske instituuti tööle meelitada, sest keskmine palk on 15 000 rubla (375 euro) kandis, ütleb instituudi pressiesindaja Boriss Startšenko.
•• Venemaa mõistes on see keskmisest isegi veidi parem teadlase palk. Venemaa teaduste akadeemia ametiühingu andmetel jääb enamiku teadlaste ametlik palk 10 000–17 000 rubla (250–425 euro) vahele.
•• Nõukogude Liidu ajal oli Dubna loomulikult välismaalastele suletud linn, aga tänapäeval pääseb sinna vabalt. Dubna uhkeim vaatamisväärsus on väidetavalt suuruselt teine Lenini kuju maailmas – see on 37 meetrit kõrge ja kaalub koos postamendiga 540 tonni.
Materiaalse maailma piiride otsingul
Dubna instituudi tuumareaktsioonide labori teadlased joonistasid kaardi, et veidigi piltlikult seletada, mida nad otsivad ja kuhu liiguvad. „Manner“ kujutab kaardil enim tuntud elemente, millel on stabiilne aatomi tuum, siis tuleb „saare moodi poolsaar“ radioaktiivsete elementidega (89–103) nagu uraan ja plutoonium. Edasi tuleb „ulgumeri” eriti ebastabiilsete tuumadega elementidest, mis peab välja viima „stabiilsuse saarele” ehk siis uute üliraskete stabiilse aatomi tuumaga elementideni. Seda „stabiilsuse saart” otsitaksegi.
Venemaa meelitab välisteadlasi meeletute toetussummadega
Akadeemik Juri Oganesjan on Venemaa oludes suhteliselt erandlikult edukas teadlane, kellel on oma suurepärane laboratoorium ja meeskond. Väga paljud Venemaa andekad teadlased on riigist minema sõitnud, kuid Vene valitsus on otsustanud asuda vasturünnakule.
Teadlased olid Nõukogude Liidu lagunemisel ühed esimesed, kes hakkasid jalgadega hääletama. Välismaale lahkumise tendents hoogustus veelgi Venemaa jaoks rasketel 1990. aastatel. Tollal läks terve põlvkond noori teadlasi välismaale ja tuhanded Vene teadlased töötavad üle maailma tänini. Väga head näited on 2010. aasta Nobeli füüsikapreemia võitnud endised venemaalased Andrei Geim ja Konstantin Novosjolov, kes töötavad Inglismaal Manc-hesteri ülikoolis.
Justkui vastuseks praeguse Hollandi kodaniku Andrei Geimi sõnadele, et ta küll ei kujuta ette, et peaks töötama Venemaal, kuulutas Vene haridusminister Andrei Fursenko välja Venemaal enneolematute teadusgrantide konkursi tulemused.
Ühe grandi väärtus oli 150 miljonit rubla ehk ligi neli miljonit eurot. See on kolm korda suurem kui Nobeli preemia ja veelgi rohkem ületab see tavalist uurimistoetust lääneriikides. Eesmärk oli meelitada välismaa teadustippe Venemaale tööle ja tuntud Vene teadlasi tagasi koju. Kokku läks jagamisele 40 ülisuurt granti ehk 150 miljonit eurot.
Kohe läksid lahti jutud, et tegemist on võimu järjekordse rahajagamisega „omadele” nagu Venemaal tihti kombeks. Tulemused ületasid aga ootusi.
Vastu nõuab vähe
Esiteks sellega, et ka muidu väga kriitilised Vene teadlased tunnistasid, et uurimisraha jagamise protseduur vastas peaaegu täielikult rahvusvahelise teadusavalikkuse nõuetele. „Peaaegu” tähendab Venemaa oludes juba väga palju! Kõik teadusuuringutele toetuse saamise taotlused vaatasid läbi neli eksperti – kaks Venemaalt ja kaks välismaalt.
Teiseks sellega, et 40 grandi saaja seas oli tõepoolest oma ala maailma tippe, kes peavad nüüd paariks aastaks tulema tööle Venemaale. Näiteks asub Moskva riikliku meditsiiniülikooliga koostööd tegema 1998. aastal Nobeli meditsiinipreemia saanud biomeedik Ferid Murad, Peterburi riiklikus ülikoolis hakkab oma projekti vedama maailma üks juhtivaid matemaatikuid, eelmisel aastal Fieldsi preemia (Nobeli preemia analoog matemaatikutele) saanud venelane, Genfi ülikoolis töötav Stanislav Smirnov jne. Kokku olid pooled toetuse saajad välismaalased ja ka enamik Vene kodanikest teadlasi ei elanud alaliselt kodumaal.
Formaalselt ei nõua Venemaa välismaalt tagasi meelitatud teadustippudelt eriti palju: nad peavad mõne Venemaa ülikooli juures tegema n-ö oma teadusrühma ja kirjutama kahe aastaga kaks teadusartiklit.
Kas see tähendab, et kuulsad Venemaa teadlased hakkavad oma kodumaale tagasi pöörduma ja Vene ülikoolide teadustegevus naaseb maailmakaardile? Kindlasti mitte, sest nagu ajakiri Russki Reporter tabavalt kirjutas: „Võitjate triumfi hakkavad peagi tumestama Vene elu ja teaduse reaalsus.”
Tänavu jagab Venemaa teaduse tegemiseks välja järgmised 40 ülisuurt uurimistoetust.
