Техника. Вести с переднего края

В. Паули пошёл по другому пути. Он предположил, что энергию уносит некая частица, не имеющая ни массы, ни заряда и ни с чем не взаимодействующая. Пойти на это предположение Паули было нелегко: физика имеет дело с реальными, наблю­даемыми объектами, а он ввёл понятие о частице, которую нельзя было увидеть в принципе. Тем не менее гипотеза обрела жизнь, и в 1934 году, через два года после открытия нейтрона, Энрико Ферми назвал эту таинственную частицу «нейтрино» (в переводе с итальянского — «нейтрончик») и построил теории бета-распада нейтрона (бета-лучами раньше называли излучение, оказавшееся потоком электро­нов) на протон, электрон и антинейтрино: n  p + е^- + v_e и обратного бета-распада: р + v_e  n + е^-, где v_e — электронное антинейтрино (сегодня известно три вида нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино, причём каждое появляется в ходе строго определённой реакции, и у всех имеется своя античастица).

В этом же году, используя теорию Ферми, X. Бете и Р. Пайерлс рассчита­ли вероятность второго процесса (так называемое сечение реакции), которая оказалась исключительно малой. Ней­трино должно пройти слой вещества с плотностью воды толщиной порядка 100 световых лет, прежде чем произойдёт его взаимодействие с протоном. Это делало сомнительной саму возможность экспе­риментально нейтрино обнаружить. Не­которую надежду давало то, что, напри­мер, электронные нейтрино образуются в ходе термоядерной реакции на Солнце (поэтому их называют также солнечными), то есть их количество сравнимо с ко­личеством фотонов, излучаемых нашим светилом и другими звёздами.

Однако точность физических экспери­ментов постепенно возрастала, и в 1942 году были получены косвенные, но вполне убедительные доказательства реального существования нейтрино. Но напрямую регистрировать их стало возможно толь­ко после создания атомных реакторов, мощных источников антинейтрино. В 1953—1954 годах была впервые надёжно зарегистрирована реакция антинейтрино с протоном в ёмкости с водным раство­ром CdCl₂ (нейтрино реагирует с ядрами хлора). Сечение реакции хорошо соответ­ствовало теории.

опустили в озеро на большую глубину; толща воды поглощала все ча­стицы, кроме нейтрино, которые надёжно регистрировались. Позднее заработали регистрирующий комплекс «Антарес» в Средиземном море на глубине 2,5 км, «Аманда» в толще антарктического льда, американская, японская и отечественная установки с большими объёмами различ­ных реагентов.

Нейтринные эксперименты позволили подтвердить справедливость Стандартной солнечной модели, что, в свою очередь, дало возможность прогнозировать пове­дение Солнца. Нейтрино играли важную роль на ранних стадиях образования Все­ленной, принимая участие в создании ядер элементов (нуклеосинтезе).

Измерение потока реликтовых нейтрино даёт важные сведения о ранней Вселенной. При коллап­се звёзд -превращении в чёрную дыру или нейтронную звезду - поток нейтрино высоких энергий приносит информацию о процессах внутри коллапсирующей звезды. И насущность этих исследований подтверждают Нобелевские премии учё­ным, работающим в области нейтринной астрофизики (см. «Наука и жизнь» №№ 3, 12, 2002 г.).

Один из способов регистрации нейтри­но основан на реакции этой частицы с галлием. Он реализован в Баксанской ней­тринной обсерватории Института ядерных исследований РАН (см. «Наука и жизнь» №11, 2000 г. и №8, 2010 г.).



Вгаллий-германиевом нейтринном телескопе в качестве мишени ис­пользуется около 50 т металлического галлия, в котором при реакции его вза­имодействия с электронными нейтрино Солнца образуется около 30 атомов германия: Ga⁷¹ + v_e  Ge⁷¹ + е^-. С хи­мической точки зрения успех нейтрин­ного эксперимента связан с разработкой технологии извлечения трёх десятков атомов Ge⁷¹ из десятков тонн металли­ческого Ga за короткое время (период полураспада Ge⁷¹ 11,4 суток). Максималь­ная степень извлечения единичных ра­диоактивных атомов германия не менее 90% (их потери снижают эффективную массу мишени) и с минимальными по­терями вещества мишени не более 0,1% массы для многократного проведения процесса.

Следует отметить, что ранее не при­ходилось сталкиваться с подобного рода задачами. На сегодняшний день рекордно малое содержание примесей в материале после его очистки составляет 10^-10 - 10^-12 и 10^-6 ат.% (так обозначают концентрацию атомов вещества) соответственно для от­дельных примесей и их суммы. В нейтрин­ном эксперименте концентрация примеси должна быть примерно на 17 порядков ниже: до 10^-27. Образно представить мас­штаб решаемой задачи можно, сравнив поиск и выделение из всего земного шара одной песчинки.

Рассмотрим Ga - Ge нейтринный экс­перимент как «обращённую» задачу сверхглубокой очистки вещества. Для его проведения требуется решить несколько задач:

1. Накопить 50 т галлия. Он относится к редким и рассеянным элементам, и накопление необходимого количества галлия для нейтринного эксперимента заняло более десяти лет. Общее мировое потребление галлия в настоящее время составляет 150 т.

2. 
   Разработать химическую технологии выделения нескольких десятков атомов из десятков тонн металла.
   
3. 
   И, наконец, главная задача — привести надёжное доказательство количественного извлечения атомов Ge⁷¹.
   

Физико-математическая модель по­ведения единичных атомов в процессе показывает, что атомы хаотично движутся и, попадая в окисную плёнку галлия, в объём не возвращаются (это дока­зано экспериментально). Результаты моделирования и опыты с радиоактивным изотопом Ge⁶⁹ совпадают с экспериментальными данными про­цесса.

Последующие стадии радиохимическо­го цикла нейтринного телескопа достаточ­но просты: концентрирование германия в водном растворе упариванием, экстрак­цией примерно в 5000 раз и перевод в 100 мл Н₂0, синтез моногермана (гидрида германия GeH₄), который закачивают в пропорцио-нальный счётчик объёмом 1 см³. В счётчике ре­гист­ри­руются еди­ничные распады радиоактивных атомов германия. Его объём определяет массу но­сителя — стабильного изотопа германия — 1 мг, который вводят в систему — 50 т галлия — для определения эффективности всего цикла. А для достоверности получае­мого результата измерили естественный фон германия и установили, что возмож­ные примеси германия из стенок аппара­туры и реактивов не влияют на точность получаемого результата. Эксперименты со смесью стабильных изотопов герма­ния показали одинаковое соотношение изотопов во вносимом и извлекаемом германии.

В полномасштабном эксперименте 50 т галлия распределены между восемью фторопластовыми реакторами объёмом по 2 м³. Из каждого реактора последовательно извлекают растворы, их объединяют, и процесс повторяют.

Решение задачи детектирования сол­нечных нейтрино выступает как критерий чистоты металлического галлия на уровне единичных атомов Ge⁷¹. Никаким спосо­бом, кроме эксперимента по детектиро­ванию солнечных нейтрино, невозможно проконтролировать и достоверно доказать удаление примеси. Естественно, что вне исследований фундаментальных свойств нейтрино постановка такого рода задачи - фактически получения «абсолютно чистого вещества» по одной примеси - нереальна.

Эта задача по своей логике и результатам имеет отношение к одному из концептуаль­ных понятий химии высокочистых веществ - абсолютно чистому веществу. Абсолютно чистые вещества определяются как индиви­дуальные вещества, в которых равно нулю содержание суммы примесей и постоянны все примесно-чувствительные свойства. Первый определи-тельный признак абсо­лютно чистого вещества (АЧВ) связан с определением чистоты вещества через его состав, второй - через зависимость свойств вещества от содержания примесей.

Ситуация с достижением состоя­ния АЧВ в определённой степени схожа с достижением абсолютного нуля темпе­ратуры, если АЧВ определять через содер­жание примеси. Степень приближения к нулевому значению содержания примеси будет возрастать по мере увеличения массы образца, в котором присутству­ют атомы примеси. В полученной нами массе галлия содержание извлекаемой примеси составляет 10^-27 - 10^-23 ат.%, что весьма близко к представлению об уровне чистоты АЧВ по отдельной при­меси. Экспериментально было установ­лено, что одновременно с германием удаляются ещё порядка двадцати эле­ментов. Германий ничем не отличается от других микропримесей. Исходя из физико-математической модели поведе­ния атомов примеси, можно утверждать, что в неравновесном состоянии в период времени около 300 с, когда существует дисперсная фаза, вещество находится в абсолютно чистом состоянии. Атомы при­месей выходят из объёма капель галлия и концентрируются его оксидной плёнкой. После расслаивания дисперсии часть примесей, в том числе и часть германия, возвращается в галлий.

На сегодняшний день благодаря ней­тринному эксперименту можем досто­верно говорить только о выделении при­меси Ge⁷¹ на уровне 10^-27 ат.%. По резуль­татам опытов с радиоактивным изотопом мышьяка можем констатировать удаление его микропримеси на уровне 10^-17ат.%. Скорость образования изотопов германия в галлиевой мишени объёмом 10 м³ под действием нейтринного излучения состав­ляет примерно 1 атом/сут, а космического - 60 атомов/ч. По этой причине содержа­ние примеси германия в галлии никогда не опустится ниже 10^-29 - 10^-24 ат.%.

В качестве иллюстрации возможности образования в природе АЧВ можно приве­сти конкретный пример. Жидкий гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние при 2,17 К, теряя вязкость. Менее известно другое его свойство: в сверхтекучем со­стоянии он «не терпит» никаких приме­сей — все растворённые в нём вещества при переходе в сверхтекучее состояние сразу высаживаются на стенки сосуда или в плёнку на поверхности. Исключение изотоп гелий-3: он в небольших количе­ствах может содержаться в сверхтекучем гелии. Таким образом, сверхтекучий гелий - одно из самых чистых веществ на свете. Жидкий гелий не «загрязняется» даже электронами.