Санкт-Петербургский университетНаука
Вселенная внутри ядра
Через месяц после окончания Второй мировой войны в ЛГУ создается новая кафедра — атомного ядра. Основывает ее легендарная личность, профессор Борис Сергеевич Джелепов. Коллектив кафедры внесет значительный вклад в атомный проект и окажет влияние на отечественную и мировую науку. Сегодня новыми ядерно-физическими результатами, полученными в том числе в Университете, пользуются не только сами физики, но и химики, биологи, инженеры, медики.
Это направление — физика атомного ядра и элементарных частиц — по-прежнему актуально, в нем почти все интересно. Например, ученые изучают ядерные реакции в области сравнительно малых энергий взаимодействующих частиц и ядер легкой и средней группы масс, вовлеченных в эти реакции. Здесь внимание всего прогрессивного человечества приковано к исследованиям механизмов этих реакций, приводящих к образованию и распаду ядерных систем. Последнее имеет колоссальное значение для фундаментальной и прикладной физики, поскольку такие реакции играют ключевую роль в изучении свойств ядерной материи, в ядерной астрофизике и промышленных технологиях производства радионуклидов. Атомные ядра похожи на людей (люди ведь из них состоят!). Это такие же сложные и загадочные объекты и для восприятия, и для понимания. Ядра обладают многообразием характеристик, свойств, форм и состояний. Для их изучения физика накопила большой арсенал теоретических и экспериментальных средств, разработала различные методы анализа и приближенные подходы. В данном отношении можно сказать, что ядерная физика — это лаборатория, в которой изучаются симметрии сложных ядерных систем и фундаментальные законы мироздания. Где можно использовать полученные знания, кроме ядерной физики? Практически во всех естественных науках: от астрофизики до физики конденсированных состояний, радиационной экологии, биологии, медицины.
К звездам…
Приведу простой пример. Одна из ярких проблем современной космофизики состоит в количественном воссоздании механизмов формирования химических элементов во Вселенной. Если мы решаем такую задачу, то понимаем, какие процессы и ядерные реакции кипят в звездах. Дальше мы начинаем размышлять на тему разных сценариев эволюции звезд с учетом особенностей первичного синтеза ядер.
Понимание особенностей протекания ядерных реакций в звездах позволит далее изучать подобные процессы в масштабах всей Вселенной. Однако мы живем на этой планете, и существуют сложности в экспериментах, проводимых в лабораториях на Земле. Одно из главных препятствий — низкие энергии взаимодействия ядер. В основном это энергии от единиц кэВ до нескольких сотен кэВ, что типично для ядерных процессов в далеких звездных мирах. Таких энергий недостаточно, чтобы ядра могли сливаться воедино и образовывать новые ядра. В звездах такие процессы могут иметь место лишь потому, что там много-много вещества, а в земных условиях ученые ищут новые (и в основном косвенные) методы, которые позволяют выявлять особенности взаимодействия ядер при упомянутых низких энергиях. Вот более конкретный и наукообразный пример. Берем и анализируем энергию взаимодействия (между ядрами) — потенциалы взаимодействия для ядерных реакций — и применяем их для описания процессов слияния легких ядер с энергиями вблизи кулоновского барьера. Мы помним со школы, что одноименно заряженные ядра, приближаясь друг к другу, отталкиваются (это и есть кулоновский барьер). А нам нужно, чтобы они сблизились и слились в едином порыве! Ведь именно эти процессы играют ключевую роль в эволюции звезд и определяют сценарии образования сверхновых. Что может дать нам разработка потенциалов такого типа? Появляется возможность объяснить и предсказать вероятность именно процессов слияния ядер при довольно низких астрофизических энергиях.
К метеоритам...
Вот еще интересная космическая задачка. Современные исследования, связанные с изучением вещества внеземного происхождения, говорят, что в некоторых метеоритах, которые прошили простор Вселенной и упали к нам, наблюдается повышенное содержание изотопов неона: 21Ne и 22Ne. Тогда как у нас на Земле (да и во Вселенной) преобладает изотоп неона с массой 20. Физики СПбГУ подробно изучили ядерную реакцию с образованием изотопа 22Ne. Они взяли очень редкую радиоактивную мишень углерода-14, которая обладает избытком нейтронов, и бомбардировали ее другим, обычным углеродом — 12С. В ходе слияния этих ядер физики получили возбужденное ядро 22Ne. Но прежде чем изучать такое ядро всесторонне, они на ранних стадиях этой реакции (см. рисунок) смогли так сильно закрутить образующуюся ядерную систему, что система на мгновение стала похожа на ядерную молекулу. Еще при анализе этой реакции (см. рисунок) им удалось идентифицировать распад такой ядерной системы в экзотический канал, в котором образуется довольно редкое нейтронно-избыточное ядро 6Не. Обычный гелий, которого почти 99,999998 % в природе, — это 4Не, а 6Не в природе просто нет, поскольку он живет всего 0,8 секунды.
…И обратно к людям
А что полезного для народного хозяйства могут принести такого рода исследования? Отличнейший вопрос! Тут мы переходим к изучению ядерных реакций с участием изотопов средней группы масс и решаем задачи, связанные с производством радиофармпрепаратов (лекарственных средств, в состав которых входят радиоактивные изотопы — радионуклиды) для ядерной медицины. В медицине эти радионуклиды используют, чтобы как можно раньше диагностировать, а затем и лечить различные онкологические заболевания с применением новейших ядерно-физических технологий. Прежде всего это диагностика в лице радионуклидной визуализации, когда клиническую информацию получают путем наблюдения за распределением радиоактивного вещества в организме больного. К ней относятся методы однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) и методы позитронноэмиссионной томографии (ПЭТ). Только представьте: сегодня не только в космосе, но и на нашей планете работает на благо человечества антивещество, ведь позитроны (которые используются в методах ПЭТ) — это античастицы электронов, и данный метод является сейчас наиболее прецизионным. Он с успехом вошел в медицинскую практику в онкологии, неврологии, кардиологии. Дальше можно говорить уже о лечении с адресной доставкой радиофармпрепаратов к раковым клеткам для последующего безоперационного устранения опухолей. Все это составляет основу радионуклидной направленной терапии. Ну а если мы соединим радионуклидную визуализацию с радионуклидной терапией в тераностику (терапия плюс диагностика), то сможем на ранних стадиях обнаружить и сразу лечить различные злокачественные опухоли и онкологические заболевания. Так что дело теперь за большим, поскольку, чтобы получать такие радионуклиды в нужных количествах, возбуждают уже не только ядра, но целую функцию! Функция возбуждения ядерной реакции представляет собой зависимость вероятности протекания этой реакции от энергии бомбардирующих ядро мишени частиц. Простыми словами: вы ускоряете на циклотроне протоны и подбираете их энергию таким образом, чтобы реакция с ядрами мишени шла с очень и очень высокой вероятностью. Это и есть максимум функции возбуждения. Вот на эту вершину сегодня и совершают восхождение ядерщики, которые связали свою научную жизнь с ядерными реакциями! А когда вы покорите эту вершину, то сможете оценить количество требуемого (или, как еще говорят, целевого) радионуклида, который может образоваться за один час работы ускорителя. Это уже другая функция — функция выхода радионуклида из мишени. Такую работу как раз и провели физики-ядерщики СПбГУ, определив выходы целевого радионуклида из толстой мишени в реакциях на протонах с образованием широко используемого в современных методах ОФЭКТ радионуклида 99mTc, а также его генераторной формы 99Mo/99mTc и перспективных для методов тераностики радионуклидов 117Sb, 119Sb. Ученые оценили наработанную активность упомянутых радионуклидов и выяснили, что лучше всего производить 99mTc на ускорителях протонов в диапазоне энергий 40–80 МэВ, а такой ускоритель-циклотрон есть только в единственном месте нашей страны — в НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ. Однако изотопы сурьмы можно производить и на многих малогабаритных циклотронах с энергиями до 15 МэВ. Есть и экономические плюсы этих оценок. Расчеты показали, что в обоих случаях можно покрыть имеющиеся потребности медицинских учреждений в соответствующих радиофармпрепаратах на основе этих радионуклидов.
Это лишь немногие примеры возможностей ядерной физики. Физики-ядерщики действительно меняют мир — как мир науки, так и окружающий. В Университете это прекрасно понимали еще 80 лет назад, когда 2 октября 1945 года открыли кафедру атомного ядра. Сегодня она имеет другое название — кафедра ядерно-физических методов исследования. Однако как бы ни менялось название, неизменными остаются приверженность науке и желание изучить и изменить эту Вселенную к лучшему.
Что почитать
Больше об исследованиях физиков-ядерщиков можно прочитать в статьях:
«Радиоэкология в большом городе», № 6 за 2021 год
«Радионуклид или скальпель?», № 6 за 2020 год
«Доплыть до острова стабильности», № 3 за 2019 год
«Детекторы прошлого, настоящего и будущего», № 2 за 2018 год
«Очарование и красота кваркового мира», № 2 за 2018 год
«„Увидеть“ и „поймать“ элементарную частицу», № 9 за 2015 год
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl