Jaanus Piirsalu blogi: Vene teaduslinnas Dubnas avardatakse Mendelejevi tabelit

Laupäevases Päewalehes ilmus mu lugu Dubna teaduslinnas töötavast akadeemik Juri Oganesjanist, kes juhib uute keemiliste elementide sünteesimist – kuus viimaste elementi Mendelejevi tabelis on kõik tema tehtud. Panen siia täispika versiooni loost + loo lõppu lisan fotosid Dubna kuulsast instituudist ja linnast. Väike nö ekskursioon Venemaa ühte kuulsamasse spetsiaalselt teaduse tarbeks üle 50 aastat tagasi rajatud linna.

Vene tuumafüüsikud venitavad Mendelejevi tabelit „stabiilsuse saareni“
Kui ma 20 aastat tagasi keskkooli lõpetasin, teadsin ma tänu keemiaõpetajatele Tiiu Voodlale ja Oliver Masingule peast suuremat osa Mendelejevi tabeli elemente. Kuidagi iseenesest jäid need elemendid koos lühenditega aastate jooksul pähe. Mäletan, et klassis rippunud suurel Mendelejevi tabelil oli keemilisi elemente siis ligi 110. Mulle jäi koolis selline mulje, et see tabel on lõplik, et uusi elemente ei saa enam juurde tulla.
Kuna ma ristsõnu ei lahenda, siis pärast keskkooli lõppu ma enam kordagi Mendelejevi tabeliga kokku ei puutunud. Kus seda ikka tavaelus vaja läheb. Seetõttu olin üllatunud, kui lugesin eelmisel aastal uudist, et üks Venemaa teadusinstituut on viimastel aastatel loonud uusi keemilisi elemente nagu konveieril ning laiendanud oluliselt Medelejevi tabelit.
Vene teadlased on jõudnud juba 118. elemendini ning nad arvavad, et piir on veel kaugel. Sisuliselt nihutavad nad meie jaoks materiaalse maailma piiri, kui sünteesivad uusi keemlisi elemente.

Piirinihutajad töötavad Moskvast kolmetunnise rongisõidu kaugusel Dubna teaduslinnas sealse tuumauuringute instituudi tuumareaktsioonide laboratooriumis. Akadeemik Juri Oganesjan (fotol) juhtimisel on seal viimase kümne aasta jooksul sünteesitud kõigepealt 114. element, siis 116., edasi pealtnäha sama kaootiliselt - 113., 115., 118. ning eelmisel aastal 117. element. Ametlikke nimetusi nendel radioaktiivsetel elementidel veel polegi. Suures teaduses võtab fikseerimine veidi aega, targad ju ei torma.
Kõik Mendelejevi tabeli elemendid peale 92. järjekorranumbrit kandvat uraani on sisuliselt inimkäte looming. Need elemendid on sünteesitud laborites, looduses leidub neid ülivähe.
Meid ümbritsev maailm koosneb niisiis 92 elemendist. „Kui Maa moodustus umbes 4,5 miljardit aastat tagasi, siis tegelikult oli elemente rohkem,“ räägib akadeemik Oganesjan. „Need 92 on need, mis on alles jäänud. Ülejäänud elemendid lagunesid ning ei elanud meie ajani. Nagu dinosaurused ei elanud meie ajani, aga vahe on selles, et neid kunagi eksisteerinud elemente on tänapäeval võimalik luua tehislikult.“
1950-ndatel sünteesiti uusi elemente maa-aluste tuumaplahvatuste abil, hiljem mindi üle tsiviliseeritumale meetodile – kiirenditele.
117. elemendi avastamine nägi akadeemik Oganesjani sõnul välja selline: selleks kasutati samas Dubnas ehitatud kiirendit, kus 97. elemendi ehk berkeeliumi isotoopi „pommitati“ 20. elemendi ehk kaltsiumi haruldase isotoobiga. Tohutul kiirusel – kuidas üldse öelda kiiruse kohta, mis võrdub ühe kümnendikuga valguskiirusest? - toimunud pideva ja pikaajalise „pommitamise“ tagajärjel tekkis tuumareaktsioon, kus berkeeliumi ja kaltsiumi aatomid ühinesid millisekundites mõõdetavaks ajaks (üks millisekund on üks tuhandik sekundist-J.P.) raskemaks tuumaks ning maailma tekkiski korraks 117. element.
Kõik need uued elemendid on „sündinud“ samamoodi. Näiteks 114. elemendi saamiseks tekitati tuumareaktsioon, kus kaltsium ühines 94. elemendi ehk plutooniumiga.
117. elemendi sünteesimise eksperiment kestis seitse kuud, mille jooksul tekkis uus element kuuel korral.
Mida selleks vaja läks?
Kõigepealt ainulaadset raskete ioonide kiirendit, mille ehitasid – paljude Venemaa skeptikute jaoks ilmselt üllatuseks – Dubna tuumalabori enda spetsid. Kiirendi hinda ei oska akadeemik Oganesjan öelda, sest kuidas sa määrad ainulaadse masina hinna? Ainuüksi kiirendi „jõuallikas“ 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 akadeemik Oganesjan katsete töömahukusest. Tema juhitavas laboratooriumis töötab aga ligi 300 inimest.
No ja lõpuks tuli teadusavastusest ilmutada artikkel USAs ilmuvas ajakirjas Physical Review Letters.
Tänavu möödub sada aastat sellest kui tuumafüüsika isaks peetav Ernst Ruhterford kirjeldas esimest korda aatomit - et see koosneb tuumast ja selle ümber tiirlevatest elektronidest. Aatom on teatavasti väikseim osake, mis säilitab talle vastava keemilise elemendi keemilised omadused.
Ruhterfordi kirjeldatud aatomi struktuur on väga sarnane Päikesesüsteemile, mille tõttu hakatigi seda kutsuma aatomi planetaarseks mudeliks. Piltlikult öeldes oli tema arvates aatomi struktuur Päikesesüsteemi tohutult väiksem koopia.
„Aga on välja tulnud, et elementide olemasolule pole piiriks see konstruktsioon – tuum ja selle ümber elektronid, vaid piiri määrab aatomi tuuma ebastabiilsus,“ räägib akadeemik Oganesjan.
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 piir,“ jätkab Oganesjan.
„Ja see piir on juba absoluutne selles mõttes, et vahet ei ole kas Maa peal või kuskil mujal Galaktikas, sest see on mateeria füüsikalise ülesehitus alus,“ lisab ta peale ligi kümnesekundlist 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 vastust sellele küsimusele selle põhjal, mida me teame 21. sajandi alguseks.“
Oganesjan toob näiteks, et 1930-ndate aastate lõpuks 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 mõnede isotoopide poolestusaeg oli vaid mõnikümmend sekundit. Ülikiire stabiilsuse vähenemine.
„Seetõttu arvati, et kui liikuda edasi veel raskemate tuumadega elementide suunas, siis jõuame peagi nende eluea eksisteerimise piirini, mis sisuliselt tähendaks materiaalse maailma piiri,“ lausub akadeemik Oganesjan.
Peagi aga selgus, et edasi millegipärast nii kiiret elementide eluaja kahanemist ei toimunud. 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 kergematel, jõuti arvutustega peagi üllatusliku tulemuseni. „Uraan elab 4,5 miljardit aastat, siis edasi elavad peagi elemendid paar sekundit ja veel edasi muudkui vähem ning vähem, aga siis hakkab nende eluiga taas kasvama üllatavalt suurte väärtusteni ning siis hakkab jälle kahanema ning siis jälle kasvama jne,“ räägib akadeemik Oganesjan.
Kogenud jutustajana kasutab akadeemik edasi kujundlikke võrdlusi: „Tekkis hüpotees, et kui me lähme 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 me ületama „ebastabiilsuse mere“.“ Ebastabiilsuse mere all peab ta silmas elemente, mis elavad väga lühikest aega. Selline hüpotees esitati 1969. aastal.

(SELETUSEKS JOONISTUSELE - Dubna instituudi tuumareakstsioonide labori teadlased joonistasid kaardi, et veidigi piltlikult ära seletada, mida nad otsivad ja kuhu liiguvad. „Manner“ kujutab kaardil enimtuntud elemente, millel on stabiilne aatoimi 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 üliraskete stabiilse aatomi tuumaga uute elementideni. Seda „stabiilsuse saart“ otsitaksegi.)

Esimesed eksperimendid selle „stabiilsuse saare“ leidmiseks tehti Prantsusmaal, siis USA-s, Saksamaal ning Nõukogude Liidus Dubnas. Aga tuumateadlased-maadeavastajad ei leinud midagi... Viimane ebaõnnestunud katse tehti 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 otsitakse mitmes erineva meeskonna poolt ja ei leita, siis ilmselt on loogiline tulla järeldusele, et seda pole.“
Tänaseks 77-aastasele, aga endiselt igat pidi heas vormis Oganesjanile ei andnud aga hüpotees, mille sõnastamises ta ise noore teadlasena osales, kuidagi rahu ning 1995. aastal alustas ta uuesti Dubnas katsetega leida teed uute elementideni ja „stabiilsuse saareni“. Rahaliselt oli see Venemaal väga nukker aeg, aga Oganesjan ei jätnud jonni.
„Valisime teise meetodi,“ ütleb Oganesjan ja joonistab mulle kümme minutit oma kabineti suurele kriiditahvlile („nagu üle 20 aasta tagasi koolis keemiatunnis,“ vilksab peast läbi) numbreid, valemeid, joonekesi ja pildikesi. Lühike kokkuvõte tema jutust on see, et see „teine meetod“ töötas.
„Kokku oleme saanud (uute elementide) 48 tuuma, mille omadusi me oleme võrreldnud meie 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.
Küsin hiljem akadeemikult, miks ta kasutab oma töö kirjeldamiseks georgraafiast pärit väljendeid - kas ta peab tuumafüüsikat kuidagi sarnaseks maadeavastamisele. „Ilmselt mõnes mõttes küll...“ venitab Oganesjan ja jätkab kiiremalt. „Nad ka uskusid, et kuskil on maa, mida nad otsisid. Tihti nad ei leidnud seda, tulid tagasi, läksid uuele ekspeditsioonile. See kõik on ju nii inimlik, et sa tahad kontrollida mingit hüpoteesi.“
Uute elementide sünteesimise ja „stabiilsuse saare“ otsimise kõrvalt teeb Juri Oganesjani laboratoorium paralleelselt unikaalset eksperimenti nende üliraskete ainete leidmiseks looduses.
„Pole välistatud, et neid tehisaineid, mis elavad kaua, on kuskil maakoores, aga me lihtsalt pole kunagi neid otsinud nii väikestes kogustes,“ räägib akadeemik Oganesjan. „Me ei tea ka nende keemilisi omadusi, mistõttu on 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 maapninnas veelgi miljard korda vähem?“ lausub Oganesjan.
Dubna teadlaste seade asub prantslaste laboratooriumis Euroopa Liidu kõrgeima mäetipu Mont Blanci (4810 meetrit) all Prantsusmaad ja Itaaliat ühendavas tunnelis. Seadme sellise asukoha põhjus on, et seda tuleb kaitsma kosmilise kiirguse eest.
Looduses ülirasket ainet on otsitud kolm aastat. „Oleme lähedal, aga seadme tundlikust tuleb veelgi suurendada,“ ütleb Oganesjan tulemuste kohta. „Veel on variant, et hakata otsima neid üliraskeid elemente kosmilisest kiirgusest.“
„Kas teoreetiliselt on üldse Mendelejevi tabelil piire?“ uurin Venemaa ühelt tuntumalt kaasaja akadeemikult. „Kas elemente võib luua veel juurde kes teab kui palju?“
„Nu 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 tinale, kas viimane loodud element, 117. on sarnane ioodile?
„Selgus, et on sarnased, aga mitte täielikult, sest ülirasketel elementidel on aatomi struktuur mõnevõrra teistsugune,“ ütleb Oganesjan. „Nii et selles mõttes on Mendelejevi tabeli seaduspärasustel piir ees, sest mida kõrgema aatomnumbriga, seda enam hakkavad elemendid erinema.“
„Igatahes!“ Ei saa ju mitte nõustuda mehega, keda mõned Vene ajakirjad on nimetanud Venemaa elavatest teadlastest nr 1 kandidaadiks Nobeli preemiale.

LISALUGU I - Venemaa meelitab välisteadlasi megagrantidega
Akadeemik Juri Oganesjan on Venemaa tänastes 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 lagunemise alates ühed esimesed, kes hakkasid jalgadega hääletama. Välismaale lahkumise tendents hoogustus veelgi Venemaa jaoks rasketele 1990-ndatel aastatel. Tollal lahkus terve põlvkond noori teadlasi välismaale, tuhanded Vene teadlased töötavad tänaseni üle maailma. Väga hea näide on 2010. aasta Nobeli füüsikapreemia võitnud endised venemaalased Andrei Geim ja Konstantin Novosjolov, kes töötavad Inglismaal Manchesteri ülikoolis.
Justkui vastuseks tänasele Hollandi kodanikule Andrei Geimi sõnadele, et ta küll ei kujuta ette, et peaks töötama Venemaal, kuulutas Vene haridusminister Fursenko välja Venemaal enneolematute teadusgrantide konkursi tulemused.
Ühe grandi väärtus oli 150 miljonit rubla ehk ligi neli miljonit eurot. See on kolm korda suurem Nobeli preemiast ja veelgi rohkem ületab see tavalist teadusgranti Lääneriikides. Eesmärk oli meelitada Venemaale tööle välismaa teadustippe või siis koju tagasi tuntud Vene teadlasi. Kokku läks jagamisele 40 granti ehk 150 miljonit eurot.
Kohe läksid lahti jutud, et tegemist on võimu järjekordse rahajagamisega „omadele“ nagu Venemaal tihti kombeks. Tulemused ületasid aga ootusi.
Esiteks sellega, et ka muidu väga kriitilised Vene teadlased tunnistasid, et grantide jagamise protseduur vastas peaaegu täielikult rahvusvahelise teadusavalikkuse nõuetele. „Peaaegu“ tähendab Venemaa oludes juba väga palju! Kõik taotlused teadusuuringutest grantide saamiseks vaatasid läbi neli eksperti – kaks Venemaalt ja kaks välismaalt.
Teiseks sellega, et 40 megagrandi saaja seas oli tõepoolest oma ala maailma tippe, kes peavad nüüd paariks aastaks tulema tööle Venemaale. Näiteks hakkab Moskva riikliku meditsiooniülikooliga koostööd tegema 1998. aastal Nobeli meditsiipreemia saanud biomeedik Ferid Murad, Peterburi riiklikus ülikoolis hakkab oma projekti vedama maailma üks juhtivamaid matemaatikuid, eelmisel aastal Fieldsi preemia (Nobeli preemia analoog matemaatikutele) saanud venelane, Genfi ülikoolis töötav Stanislav Smirnov jne. Kokku olid pooled grantide saajatest välismaalased ning ka enamus Vene kodanikest teadlased ei elanud alaliselt kodumaal.
Formaalselt ei nõua Venemaa välismaalt meelitatud teadustippudelt eriti palju: nad peavad mõne Venemaa ülikooli juures tegema nö oma teadusgrupi ning kirjutama kahe aastaga kaks teadusartiklit.
Kas see tähendab, et kuulsad Venemaa teadlased hakkavad oma kodumaale tagasi pöörduma ning Vene ülikoolide teadustegevus tuleb tagasi maailmakaardile? Kindlasti mitte, sest nagu tabavalt kirjutas ajakiri „Russkii Reporter“: „Võitjate triumfi hakkavad peagi tumestama Vene elu ja teaduse reaalsus.“
„Dünaamika on positiivne, aga ma väga kahtlen, et keegi megagranti võitnud teadlastest suudab luua Vene kõrgkoolide baasil rahvusvahelise tasemege uurimislabori,“ ütles kuulsa Landau-nimelise teoreetilise füüsika instituudi direktori asetäitja Mihhail Feigelman. Mis oli samuti üks konkursi eesmärk.
Tänavu jagab Venemaa välja järgmised 40 megagranti teaduse tegemiseks.

LISALUGU II - Dubna – spetsiaalselt ehitatud teaduslinn
Moskvast 125 kilomeetrit põhjapoole asuv Dubna on Venemaa üks tuntumaid teaduslinnu, mis asutati 55 aastat tagasi tuumafüüsika keskusena.
Volga jõe ilusale kaldale tühjale kohale rajatud linna teaduspotentsiaal on peale Nõukogude Liidu lagunemist loomulikult langenud, aga teadustegevus on siiski endisel selle 60 000 elanikuga linna peamine „majandusharu“.
Dubna peamine teaduskeskus on tuumauuringute ühendatud instituut, mille 1956. aastal asutasid Nõukogude Liit ja talle sõbralikud riigid. Instituuti peavad tänaseni üleval 18 riiki, millest enamuse moodustavad endised liiduvabariigid. Instituudi 83 miljoni dollarisest aastaeelarvest tuleb 60 protsenti siiski Venemaalt.
Selle maailmale aastakümnete jooksul terve nimekirja uusi keemilisi elemente loonud – Mendelejevi tabeli 105. element kannab linna auks dubniumi nime - instituudi väline ilme on puhas ja hoitud, aga jäänud ajas mitukümmend aastat tagasi. Enamus teadlasi on üle 50-aastased, noori on väga raske instituuti tööle meelitada, sest keskmine palk on 15 000 rubla (375 eurot) kandis, ütleb instituudi pressiesindaja Boriss Startšenko.
Venemaa mõistes on see keskmisest isegi veidi parem teadlase palk. Venemaa Teaduste Akadeemia ametiühingu andmetel jääb enamuse teadlaste ametlik palk 10-17 000 rubla (250-425 eurot) vahele.
Nõukogude Liidu ajal oli Dubna loomulikult suletud linn välismaalastele, aga täna saab linna vabalt. Dubna uhkeim vaatamisväärsus on väidetavalt suuruselt teine Lenini kuju maailmas. Kuju kaalub koos postamendiga 540 tonni ning on 37 meetrit kõrge.

KÕIGEPEALT MÕNED FOTOD SELLEST DUBNA INSITUUDIST

Sissepääs insituuti, mida valvavad sõjaväelased.

Kuna insituudi territoorium männimetsas on suur, siis liiguvad paljud ratastega.

Tüüpiline teadushoone.

Siin sünnivadki uued keemilised elemendid - Dubna tuumauuringute instituudi Flerovi-nimelise tuumareaktsioonide laboratoorium

VEIDI FOTOSID LINNAST ENDAST KA