Другие распались и не дожили до наших дней. Уран еще распадается - это радиоактивный элемент.
Все элементы после урана – тяжелее его. Они образовались когда-то в процессе нуклеосинтеза (процесс, в котором ядра сложных, тяжелых химических элементов, образуются из более простых и легких атомных ядер), но не дожили до наших дней. Сегодня их можно получить только искусственным способом.
Открытие в 1940-1941 годах первых искусственных элементов, нептуния и плутония, стало началом нового направления ядерной физики и химии по исследованию свойств трансурановых элементов и их применению во многих областях науки и техники. В результате многолетней и интенсивной работы физиками-ядерщиками были синтезированы несколько новых элементов.
Существуют три признанных во всем мире исследовательских центра по синтезу тяжелых элементов: в Дубне (Россия), в Беркли (США) и в Дармштадте (Германия). Все новые элементы, начиная с 93-го (нептуний) были получены именно в этих лабораториях. Новый элемент не считается открытым до тех пор, пока одна группа исследователей не получит надежных результатов по исследованию его атомов и пока другая (независимая) группа ученых не подтвердит эти результаты. Поэтому дальние клеточки Периодической таблицы заполняются очень медленно.
В 1940 – 1953 годах профессором Гленом Сиборгом и его коллегами в Радиационной национальной лаборатории (Беркли, США) были синтезированы искусственные элементы с Z = 93 – 100. Они были получены в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами изотопа урана – 235U в длительных облучениях на мощных ядерных реакторах. Все более тяжелые ядра были получены на ускорителях заряженных частиц, в которых сталкиваются разогнанные до высоких скоростей ядра и частицы. В результате столкновений образуются ядра сверхтяжелых элементов, которые существуют очень короткое время, а затем вновь распадаются. Благодаря следам этого распада и определяют, что синтез тяжелого ядра удался.
Элементы тяжелее Z=100 были синтезированы в реакциях с ускоренными тяжелыми ионами, когда в ядро-мишень вносится комплекс протонов и нейтронов. С 1960-х годов началась эпоха ускорителей элементарных частиц – циклотронов, эпоха ускорения тяжелых ионов, когда синтез новых элементов стали производить только при взаимодействии двух тяжелых ядер. Однако в середине 1970-х было практически невозможно исследовать химические свойства 104, 105,106 и 107 элементов, так как время их жизни – доли микросекунды – не позволяли проводить полноценные химические исследования. Все они были синтезированы в реакциях холодного синтеза (холодное слияние массивных ядер открыто в 1974 году; при нем выделяется один или два нейтрона с относительно небольшими энергиями.)
104 элемент был впервые синтезирован в Дубне в 1964 году. Его получила группа ученых Лаборатории ядерных реакций во главе с Георгием Флеровым. В 1969 году элемент был получен группой ученых в университете Беркли, Калифорния. В 1997 году элемент получил название резерфордий, символ Rf.
105 элемент был синтезирован в 1970 году двумя независимыми группами исследователей в Дубне (СССР) и Беркли (США). Получил название дубний в честь города Дубна, где располагается Объединенный институт ядерных исследований, в котором синтезированы несколько химических элементов, символ Db.
Впервые 106 элемент был получен в СССР Георгием Флеровым с сотрудниками в 1974 году, практически одновременно был синтезирован в США Гленом Сиборгом с сотрудниками. В 1997 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) утвердил для 106 элемента название сиборгий (в честь Сиборга), символ Sg.
Реакции холодного слияния массивных ядер были успешно использованы для синтеза шести новых элементов, от 107 до 112, в Национальном ядерно-физическом центре GSI в Дармштадте (Германия). Первые опыты по получению 107 элемента были выполнены в СССР Юрием Оганесяном с сотрудниками в 1976 году. Первые надежные сведения о ядерных свойствах 107 элемента были получены в ФРГ в 1981 и 1989 годах. В 1997 году ИЮПАК утвердил для 107 элемента название борий (в честь Нильса Бора), символ Bh.
Первые опыты по получению 108 элемента были выполнены в СССР в 1983 1984 годах. Надежные данные о ядерных свойствах 108 элемента были получены в ФРГ в 1984 и 1987 годах. В 1997 году ИЮПАК утвердил для 108 элемента название хассий (по земле Гессен, Германия), символ Hs.
Впервые 109 элемент был получен в ФРГ в 1982 году и подтвержден в 1984 году. В 1994 году ИЮПАК утвердил для 109 элемента название мейтнерий (в честь Лизы Мейтнер), символ Mt.
110 элемент открыт в 1994 году в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштатде (ФРГ) в ходе эксперимента по напылению на пластины специального сплава, содержащего свинец, и его бомбардировки изотопами никеля. Назван дармштадтий в честь города Дармштадт (Германия), где был обнаружен. Символ Ds.
111 элемент тоже был открыт в Германии, получил название рентгений (химический символ Rg) в честь германского ученого Вильгельма-Конрада Рентгена.
112 элемент носит рабочее название "унунбий" (Uub), образованное от от латинских цифр "один-один-два". Представляет собой трансурановый элемент, полученный при бомбардировке свинцовой мишени ядрами цинка. Период его полураспада составляет около 34 секунд.
Унунбий был впервые получен в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Дармштадте. Для получения атомов нового элемента команда ученых использовала ионы цинка с атомным номером 30, которые разгонялись до очень больших энергий в 120-метровом ускорителе, после чего ударялись о мишень из свинца, атомный номер которого равен 82. При слиянии ядер цинка и свинца и происходило формирование ядер нового элемента, порядковый номер которого равен сумме атомных номеров исходных компонентов. В июне 2009 года ИЮПАК официально признала его существование.
Более тяжелые элементы – с атомными номерами 112-116 и самый тяжелый на данный момент 118-й элемент – были получены российскими учеными из Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 2000-2008 годах, но пока еще ждут официального признания со стороны ИЮПАК.
В настоящее время российские физики из Лаборатории имени Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне проводят эксперимент по синтезу 117-го элемента, место которого в таблице Менделеева между ранее полученными 116-м и 118-м элементами пока пустует.
Полтора века назад, когда Дмитрий Иванович Менделеев открыл Периодический закон, было известно только 63 элемента. Упорядоченные в таблицу, они легко раскладывались по периодам, каждый из которых открывается активными щелочными металлами и заканчивается (как выяснилось позже) инертными благородными газами. С тех пор таблица Менделеева увеличилась почти вдвое, и с каждым расширением Периодический закон подтверждался снова и снова. Рубидий так же напоминает калий и натрий, как ксенон — криптон и аргон, ниже углерода располагается во многом похожий на него кремний… Сегодня известно, что эти свойства определяются числом электронов, вращающихся вокруг атомного ядра.
Они заполняют «энергетические оболочки» атома одну за другой, как зрители, по порядку занимающие сиденья на своих рядах в театре: тот, кто оказался последним, определит химические свойства всего элемента. Атом с полностью заполненной последней оболочкой (как гелий с его двумя электронами) будет инертным; элемент с одним «лишним» электроном на ней (как натрий) станет активно образовывать химические связи. Число отрицательно заряженных электронов на орбитах связано с количеством положительных протонов в ядре атома, и именно числом протонов отличаются разные элементы.
Зато нейтронов в ядре одного и того же элемента может быть разное количество, заряда у них нет, и на химические свойства они не влияют. Но в зависимости от числа нейтронов водород может оказаться тяжелее гелия, а масса лития — достигать семи вместо «классических» шести атомных единиц. И если список известных элементов сегодня приближается к отметке в 120, то число ядер (нуклидов) перевалило за 3000. Большинство из них нестабильны и спустя некоторое время распадаются, выбрасывая «лишние» частицы в ходе радиоактивного распада. Еще больше нуклидов неспособны существовать в принципе, моментально разваливаясь на куски. Так материк стабильных ядер окружает целое море неустойчивых сочетаний нейтронов и протонов.
Море Неустойчивости
Судьба ядра зависит от числа нейтронов и протонов в нем. Согласно оболочечной теории строения ядра, выдвинутой еще в 1950-х, частицы в нем распределяются по своим энергетическим уровням так же, как электроны, которые вращаются вокруг ядра. Некоторые количества протонов и нейтронов дают особо устойчивые конфигурации с полностью заполненными протонными или нейтронными оболочками — по 2, 8, 20, 28, 50, 82, а для нейтронов еще и 126 частиц. Эти числа называются «магическими», а самые стабильные ядра содержат «дважды магические» количества частиц — например, 82 протона и 126 нейтронов у свинца или по два — в обычном атоме гелия, второго по распространенности элемента во Вселенной.
Последовательный «Химический материк» элементов, которые можно найти на Земле, заканчивается свинцом. За ним следует череда ядер, которые существуют намного меньше возраста нашей планеты. В ее недрах они могут сохраниться разве что в малых количествах, как уран и торий, или вовсе — в следовых, как плутоний. Из породы извлечь его невозможно, и плутоний нарабатывают искусственно, в реакторах, бомбардируя нейтронами урановую мишень. Вообще современные физики обращаются с ядрами атомов, как с деталями конструктора, заставляя их присоединять отдельные нейтроны, протоны или целые ядра. Это и позволяет получать все более и более тяжелые нуклиды, пересекая пролив «моря Неустойчивости».
Цель путешествия подсказана той же оболочечной теорией строения ядра. Это — область сверхтяжелых элементов с подходящим (и очень большим) числом нейтронов и протонов, легендарный «остров Стабильности». Расчеты говорят, что некоторые из местных «жителей» могут существовать уже не доли микросекунд, а на много порядков дольше. «В определенном приближении их можно рассматривать как капельки воды, — объяснил нам академик РАН Юрий Оганесян. — Вплоть до свинца следуют ядра сферические и устойчивые. За ними следует полуостров умеренно стабильных ядер — таких как торий или уран, — который вытягивается отмелью сильно деформированных ядер и обрывается в нестабильное море… Но еще дальше, за проливом, может находиться новая область сферических ядер, сверхтяжелых и устойчивых элементов с номерами 114, 116 и далее». Время жизни некоторых элементов на «острове Стабильности» может длиться уже годы, и то и миллионы лет.
Остров Стабильности
Трансурановые элементы с их деформированными ядрами удается создать, бомбардируя нейтронами мишени из урана, тория или плутония. Обстреливая их разогнанными в ускорителе легкими ионами, можно последовательно получить ряд элементов еще тяжелее — но в какой-то момент наступит предел. «Если рассматривать разные реакции — присоединение нейтронов, присоединение ионов — как разные «корабли», то все они не помогут нам доплыть до «острова Стабильности», — продолжает Юрий Оганесян. — Для этого потребуется «судно» и побольше, и другой конструкции. В качестве мишени придется использовать нейтроноизбыточные тяжелые ядра искусственных элементов тяжелее урана, а бомбардировать их потребуется большими, тяжелыми изотопами, содержащими много нейтронов, такими как кальций-48».
Работа над таким «кораблем» оказалась по силам лишь большой международной команде ученых. Инженеры и физики комбината «Электрохимприбор» выделили из природного кальция исключительно редкий 48-й изотоп, содержащийся здесь в количестве менее 0,2%. Мишени из урана, плутония, америция, кюрия, калифорния приготовили в Димитроградском НИИ Атомных реакторов, в Ливерморской национальной лаборатории и в Национальной лаборатории в Оук-Ридже в США. Ну а ключевые эксперименты по синтезу новых элементов были проведены академиком Оганесяном в Объединенном институте ядерной физики (ОИЯИ), в Лаборатории ядерных реакций имени Флёрова. «Наш ускоритель в Дубне работал по 6−7 тысяч часов в год, разгоняя ионы кальция-48 примерно до 0,1 скорости света, — объясняет ученый. — Эта энергия необходима, чтобы некоторые из них, ударяясь в мишень, преодолели силы кулоновского отталкивания и слились с ядрами ее атомов. Например, 92-й элемент, уран, даст ядро нового элемента с номером 112, плутоний — 114, а калифорний — 118».
«Поиск новых сверхтяжёлых элементов позволяет ответить на один из важнейших вопросов науки: где лежит граница нашего материального мира?»
«Такие ядра должны быть уже достаточно стабильны и распадаться будут не сразу, а станут последовательно выбрасывать альфа-частицы, ядра гелия. А уж их мы прекрасно умеем регистрировать», — продолжает Оганесян. Сверхтяжелое ядро выбросит альфа-частицу, превратившись в элемент на два атомных номера легче. В свой черед и дочернее ядро потеряет альфа-частицу и превратится во «внучатое» — еще на четыре легче, и так далее, пока процесс последовательного альфа-распада не закончится случайным появлением и моментальным спонтанным делением, гибелью неустойчивого ядра в «море Нестабильности». По этой «генеалогии» альфа-частиц Оганесян и его коллеги проследили всю историю превращения полученных в ускорителе нуклидов и очертили ближний берег «острова Стабильности». После полувекового плавания на него высадились первые люди.
Новая земля
Уже за первое десятилетие XXI века в реакциях слияния актинидов с ускоренными ионами кальция-48 были синтезированы атомы элементов с номерами от 113 и вплоть до 118-го, лежащего на дальнем от «материка» берегу «острова Стабильности». Время их существования уже на порядки больше, чем у соседей: например, элемент 114 сохраняется не миллисекунды, как 110-й, а десятки и даже сотни секунд. «Такие вещества уже доступны для химии, — говорит академик Оганесян. — А значит, мы возвращаемся к самому началу путешествия и теперь можем проверить, соблюдается ли для них Периодический закон Менделеева. Будет ли 112-й элемент аналогом ртути и кадмия, а 114-й — аналогом олова и свинца»? Первые же химические эксперименты с изотопом 112-го элемента (коперниция) показали: видимо, будут. Ядра коперниция, вылетающие из мишени при бомбардировке, ученые направляли в длинную трубку, включающую 36 парных детекторов, частично покрытых золотом. Ртуть легко образует устойчивые интерметаллические соединения с золотом (это свойство используется в древней технике позолоты). Поэтому ртуть и близкие к ней атомы должны оседать на золотой поверхности первых же детекторов, а радон и атомы, близкие к благородным газам, могут добираться до конца трубки. Послушно следуя Периодическому закону, коперниций проявил себя родственником ртути. Но если ртуть стала первым известным жидким металлом, то коперниций, возможно, окажется первым газообразным: температура его кипения ниже комнатной. По словам Юрия Оганесяна, это только блеклое начало, и сверхтяжелые элементы с «острова Стабильности» откроют нам новую, яркую и необычную область химии.
Но пока мы задержались у подножия острова стабильных элементов. Ожидается, что 120-й и следующие за ним ядра могут оказаться по‑настоящему устойчивыми и будут существовать уже долгие годы, а то и миллионы лет, образуя стабильные соединения. Однако получить их с помощью того же кальция-48 уже невозможно: не существует достаточно долгоживущих элементов, которые могли бы, соединившись с этими ионами, дать ядра нужной массы. Попытки заменить ионы кальция-48 чем-нибудь более тяжелым пока тоже не принесли результата. Поэтому для новых поисков ученые-мореплаватели подняли голову и присмотрелись к небесам.
Космос и фабрика
Первоначальный состав нашего мира разнообразием не отличался: в Большом взрыве появился лишь водород с небольшими примесями гелия — легчайшие из атомов. Все прочие уважаемые участники таблицы Менделеева появились в реакциях слияния ядер, в недрах звезд и при взрывах сверхновых. Неустойчивые нуклиды быстро распадались, устойчивые, как кислород-16 или железо-54, накапливались. Неудивительно, что тяжелых нестабильных элементов, таких как америций или коперниций, в природе обнаружить не удается.
Но если где-то в самом деле есть «остров Стабильности», то хотя бы в небольших количествах сверхтяжелые элементы должны встречаться на просторах Вселенной, и некоторые ученые ведут их поиски среди частиц космических лучей. По словам академика Оганесяна, этот подход все же не так надежен, как старая добрая бомбардировка. «По-настоящему долгоживущие ядра на «вершине» острова Стабильности содержат необычно большие количества нейтронов, — рассказывает ученый. — Поэтому нейтроноизбыточный кальций-48 оказался таким удачным ядром для бомбардировки нейтроноизбыточных элементов мишени. Однако изотопы тяжелее кальция-48 нестабильны, и чрезвычайно малы шансы на то, что они в естественных условиях смогут слиться с образованием сверхстабильных ядер».
Поэтому лаборатория в подмосковной Дубне обратилась к использованию более тяжелых ядер, пусть и не столь удачных, как кальций, для обстреливания искусственных элементов мишеней. «Мы сейчас заняты созданием так называемой Фабрики сверхтяжелых элементов, — говорит академик Оганесян. — В ней те же мишени будут бомбардироваться ядрами титана или хрома. Они содержат на два и четыре протона больше, чем кальций, а значит — могут дать нам элементы с массами 120 и больше. Интересно будет посмотреть, окажутся ли они еще на «острове» или же откроют новый пролив за ним».
На основе различных теоретических моделей были рассчитаны распадные характеристики сверхтяжелых ядер. Результаты одного из таких расчетов показаны на рис. 4. Приведены периоды полураспада четно-четных сверхтяжелых ядер относительно спонтанного деления (а), α-распада (б), β-распада (в) и для всех возможных процессов распада (г). Наиболее устойчивым ядром по отношению к спонтанному делению (рис. 4а) является ядро с Z = 114 и N = 184. Для него период полураспада по отношению к спонтанному делению ~10 16 лет. Для изотопов 114-го элемента, отличающихся от наиболее устойчивого на 6-8 нейтронов, периоды полураспада уменьшаются на 10-15 порядков. Периоды полураспада по отношению к α-распаду приведены на рис. 4б. Наиболее устойчивое ядро расположено в области Z < 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.
Стабильные по отношению к β-распаду ядра показаны на рис. 4в темными точками. На рис. 4г приведены полные периоды полураспада. Для четно-четных ядер, расположенных внутри центрального контура, составляют ~10 5 лет. Таким образом, после учета всех типов распада оказывается, что ядра в окрестности Z = 110 и N = 184 образуют "остров стабильности". Ядро 294 110 имеет период полураспада около 10 9 лет. Отличие величины Z от предсказываемого оболочечной моделью магического числа 114 связано с конкуренцией между делением (относительно которого ядро с Z = 114 наиболее стабильно) и α-распадом (относительно которого устойчивы ядра с меньшими Z). У нечетно-четных и четно-нечетных ядер периоды полураспада по отношению к α-распаду и спонтанному делению увеличиваются, а по отношению к β-распаду уменьшаются. Следует отметить, что приведенные оценки сильно зависят от параметров, использованных в расчетах, и могут рассматриваться лишь как указания на возможность существования сверхтяжелых ядер, имеющих времена жизни достаточно большие для их экспериментального обнаружения.
Результаты еще одного расчета равновесной формы сверхтяжелых ядер и их периодов полураспада показаны на рис. 5, 11.11 . На рис. 11.10 показана зависимость энергии равновесной деформации от количества нейтронов и протонов для ядер с Z = 104-120. Энергия деформации определяется как разность энергий ядер в равновесной и сферической форме. Из этих данных видно, что в области Z = 114 и N = 184 должны располагаться ядра, имеющие в основном состоянии сферическую форму. Все обнаруженные на сегодня сверхтяжелые ядра (они показаны на рис. 5 темными ромбами) деформированы. Светлыми ромбами показаны ядра стабильные по отношению к β-распаду. Эти ядра должны распадаться в результате α-распада или деления. Основным каналом распада должен быть α-распад.
Периоды полураспада для четно-четных β-стабильных изотопов
показаны на рис. 6. Согласно этим предсказаниям для большинства ядер ожидаются
периоды полураспада гораздо большие, чем наблюдались для уже обнаруженных
сверхтяжелых ядер (0.1-1 мс). Так например, для ядра 292 110
предсказывается время жизни ~ 51 год.
Таким образом, согласно современным микроскопическим
расчетам, стабильность сверхтяжелых ядер резко возрастает по мере приближения к
магическому числу по нейтронам N = 184. До недавнего времени единственным
изотопом элемента с Z = 112 был изотоп 277 112, имеющий период
полураспада 0.24 мс. Более тяжелый изотоп 283 112 был синтезирован в
реакции холодного слияния 48 Ca + 238 U. Время облучения 25
дней. Полное число ионов 48 Ca на мишени - 3.5·10 18 .
Зарегистрированы два случая, которые были интерпретированы как спонтанное
деление образовавшегося изотопа 283 112. Для периода полураспада этого
нового изотопа получена оценка T 1/2 = 81 c. Таким образом видно, что
увеличение числа нейтронов в изотопе 283 112 по сравнению с изотопом
277 112 на 6 единиц увеличивает время жизни на 5 порядков.
На рис. 7 показано измеренное время жизни изотопов сиборгия Sg (Z = 106)
в сравнении с предсказаниями различных теоретических моделей . Обращает на себя внимание уменьшение почти на порядок времени жизни
изотопа с N = 164 по сравнению с временем жизни изотопа с N = 162.
Наибольшего приближения к острову стабильности можно достичь
в реакции 76 Ge + 208 Pb. Сверхтяжелое почти сферическое
ядро может образоваться в реакции слияния с последующим испусканием γ-квантов
или одного нейтрона. Согласно оценкам образующееся ядро 284 114 должно
распадаться с испусканием α-частиц с периодом полураспада ~ 1 мс. Дополнительную
информацию о заполненности оболочки в районе N = 162 можно получить, изучая
α-распады ядер 271 108 и 267 106. Для этих ядер
предсказываются периоды полураспада 1 мин. и 1 час. Для ядер 263 106,
262 107, 205 108, 271,273 110 ожидается проявление
изомерии, причиной которой является заполнение подоболочек с j = 1/2 и j = 13/2
в районе N = 162 для ядер деформированных в основном состоянии.
На рис. 8 показаны экспериментально измеренные функции
возбуждения реакции образования элементов Rf (Z = 104) и Hs (Z = 108)для реакций
слияния налетающих ионов 50 Ti и 56 Fe с ядром-мишенью
208 Pb.
Образовавшееся компаунд-ядро охлаждается испусканием одного или
двух нейтронов. Информация о функциях возбуждения реакций слияния тяжелых ионов
особенно важны для получения сверхтяжелых ядер. В реакции слияния тяжелых ионов
необходимо точно сбалансировать действие кулоновских сил и сил поверхностного
натяжения. Если энергия налетающего иона недостаточно большая, то расстояние
минимального сближения будет недостаточно для слияния двойной ядерной системы.
Если энергия налетающей частицы будет слишком большой, то образовавшаяся в
результате система будет иметь большую энергию возбуждения и с большой
вероятностью произойдет развал ее на фрагменты. Эффективно слияние происходит в
довольно узком диапазоне энергий сталкивающих частиц.
Реакции слияния с испусканием минимального числа нейтронов
(1-2) представляют особый интерес, т.к. в синтезируемых сверхтяжелых ядрах
желательно иметь максимально большое отношение N/Z. На рис. 9 показан потенциал
слияния для ядер в реакции
64 Ni + 208 Pb 272 110.
Простейшие оценки показывают, что вероятность туннельного эффекта для слияния
ядер составляет ~ 10 -21 , что существенно ниже наблюдаемой величины
сечения. Это можно объяснить следующим образом. На расстоянии 14 Фм между
центрами ядер первоначальная кинетическая энергия 236.2 МэВ полностью
компенсируется кулоновским потенциалом. На этом расстоянии находятся в контакте
только нуклоны, расположенные на поверхности ядра. Энергия этих нуклонов мала.
Следовательно существует высокая вероятность того, что нуклоны или пары нуклонов
покинут орбитали в одном ядре и переместятся на свободные состояния
ядра-партнера. Передача нуклонов от налетающего ядра ядру-мишени особенно
привлекательна в случае, когда в качестве мишени используется дважды магический
изотоп свинца 208 Pb. В 208 Pb заполнены протонная
подоболочка h 11/2 и нейтронные подоболочки h 9/2 и i 13/2 .
Вначале передача протонов стимулируется силами притяжения протон-протон, а после
заполнения подоболочки h 9/2 - силами притяжения протон-нейтрон.
Аналогично нейтроны перемещаются в свободную подоболочку i 11/2 ,
притягиваясь нейтронами из уже заполненной подоболочки i 13/2 . Из-за
энергии спаривания и больших орбитальных моментов передача пары нуклонов более
вероятна, чем передача одного нуклона. После передачи двух протонов от 64 Ni
208 Pb кулоновский барьер уменьшается на 14 МэВ, что способствует
более тесному контакту взаимодействующих ионов и продолжению процесса передачи
нуклонов.
В работах [В.В. Волков. Ядерные реакции глубоконеупругих
передач. М. Энергоиздат, 1982; В.В. Волков. Изв. АН СССР серия физич., 1986 т.
50 с. 1879] был детально исследован механизм реакции слияния. Показано, что уже
на стадии захвата формируется двойная ядерная система после полной диссипации
кинетической энергии налетающей частицы и нуклоны одного из ядер постепенно
оболочка за оболочкой передаются другому ядру. То есть оболочечная структура
ядер играет существенную роль в образовании компаунд-ядра. На основе этой модели
удалось достаточно хорошо описать энергию возбуждения составных ядер и сечение
образования 102-112 элементов в реакциях холодного синтеза.
В Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Дубна)
синтезирован элемент с Z = 114. Была использована реакция
Идентификация ядра 289 114 проводилась по
цепочке α-распадов. Экспериментальная оценка периода полураспада изотопа
289 114 ~30 с. Полученный результат находится в хорошем согласии с ранее
выполненными расчетами .
При синтезе 114 элемента в реакции 48 Cu + 244 Pu
максимальный выход дает канал с испарением трех нейтронов. При этом энергии
возбуждения составного ядра 289 114 была 35 МэВ.
Теоретически предсказываемая последовательность распадов,
происходящих с ядром 296 116, образующемся в реакции ,
приведена на рис.10.
 Рис. 10. Схема распада ядра 296 116 |
Ядро 296 116 охлаждается испусканием четырех нейтронов и превращается в изотоп 292 116, который далее с 5% -ой вероятностью в результате двух последовательных e-захватов превращается в изотоп 292 114. В результате α-распада (T 1/2 = 85 дней) изотоп 292 114 превращается в изотоп 288 112. Образование изотопа 288 112 происходит и по каналу
Конечное ядро 288 112, образующееся в результате
обеих цепочек, имеет период полураспада около 1 часа и распадается в результате
спонтанного деления. Примерно с 10%-ой вероятностью в результате α-распада
изотопа 288 114 может образовываться изотоп 284 112.
Приведенные выше периоды и каналы распада получены расчетным путем.
Анализируя различные возможности образования сверхтяжелых
элементов в реакциях с тяжелыми ионами нужно учитывать следующие обстоятельства.
- Необходимо создать ядро с достаточно большим отношением числа нейтронов к числу протонов. Поэтому в качестве налетающей частицы надо выбирать тяжелые ионы, имеющие большое N/Z.
- Необходимо, чтобы образующееся компаунд-ядро имело малую энергию возбуждения и небольшую величину момента количества движения, так как в противном случае будет снижаться эффективная высота барьера деления.
- Необходимо, чтобы образующееся ядро имело форму близкую к сферической, так как даже небольшая деформация будет приводить к быстрому делению сверхтяжелого ядра.
Весьма перспективным методом получения сверхтяжелых ядер являются реакции типа 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На рис. 11 приведены оценочные сечения образования трансурановых элементов при облучении ускоренными ионами 238 U мишеней из 248 Cm, 249 Cf и 254 Es. В этих реакциях уже получены первые результаты по сечениям образования элементов с Z > 100. Для увеличения выходов исследуемых реакций толщины мишеней выбирались таким образом, чтобы продукты реакции оставались в мишени. После облучения из мишени сепарировались отдельные химические элементы. В полученных образцах в течение нескольких месяцев регистрировались продукты α-распада и осколки деления. Данные, полученные с помощью ускоренных ионов урана, ясно указывают на увеличение выхода тяжелых трансурановых элементов по сравнениюю с более легкими бомбардирующими ионами. Этот факт чрезвычайно важен для решения проблемы синтеза сверхтяжелых ядер. Несмотря на трудности работы с соответствующими мишенями прогнозы продвижения к большим Z выглядят довольно оптимистично.
Продвижение в область сверхтяжелых ядер в последние годы оказалось ошеломляюще впечатляющим. Однако, пока все попытки обнаружить остров стабильности не увенчались успехом. Поиск его интенсивно продолжается.
Ограничения на существование атомных ядер есть и со стороны сверхтяжелых элементов. Элементы с Z > 92 в естественных условиях не обнаружены. Расчеты по жидкокапельной модели предсказывают исчезновение барьера деления для ядер с Z2/A ≈ 46 (примерно 112 элемент). В проблеме синтеза сверхтяжелых ядер следует выделить два круга вопросов.
- Какими свойствами должны обладать сверхтяжелые ядра? Будут ли существовать магические числа в этой области Z и N. Каковы основные каналы распада и периоды полураспада сверхтяжелых ядер?
- Какие реакции следует использовать для синтеза сверхтяжелых ядер, типы бомбардирующих ядер, ожидаемые величины сечений, ожидаемые энергии возбуждения компаунд-ядра и каналы снятия возбуждения?
Так как образование сверхтяжелых ядер происходит в результате полного слияния
ядра мишени и налетающей частицы необходимо создание теоретических моделей,
описывающих динамику процесса слияния двух сталкивающихся ядер в компаунд-ядро.
Проблема синтеза сверхтяжелых элементов тесно связана с тем фактом, что ядра с
Z,N = 8, 20, 28, 50, 82,
N = 126
(магические числа) обладают повышенной стабильностью по отношению к различным
модам радиоактивного распада. Это явление объясняется в рамках оболочечной
модели − магические числа соответствуют заполненным оболочкам. Естественно
возникает вопрос о существовании следующих магических чисел по
Z
и N. В случае, если они
существуют в области N-Z-диаграммы атомных ядер N > 150,
Z > 101,
должны наблюдаться сверхтяжелые ядра, имеющие повышенные периоды полураспада,
т.е. должен существовать Остров Стабильности. В работе на основе расчетов, выполненных с
использованием потенциала Вудса-Саксона с учетом спин-орбитального
взаимодействия, было показано, что повышение стабильности ядер следует ожидать
для ядра с Z = 114, то есть
следующая заполненная протонная оболочка соответствует Z = 114, заполненная нейтронная
оболочка соответствует числу N ~
184.
Замкнутые оболочки могут существенно увеличить высоту барьера деления и
соответственно увеличить время жизни ядра. Таким образом в этой области ядер (Z = 114,
N ~
184)
следует искать Остров Стабильности. Этот же результат был независимо получен в
работе .
Ядра с Z = 101–109 были открыты до 1986 года и получили названия: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103
- Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium),
108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium). Учитывая заслуги исследователей из
Дубны в открытии большого числа изотопов тяжелых элементов (102-105), в 1997
году решением Генеральной Ассамблеи чистой и прикладной химии элементу с Z = 105
было присвоено имя Dubnium (Db). Этот элемент ранее назывался Ha (Hannium).
Рис. 12.3. Цепочки распадов изотопов Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112).
Новый этап в исследовании сверхтяжелых ядер начался в 1994 году, когда была
существенно повышена эффективность регистрации и усовершенствована методика
наблюдения сверхтяжелых ядер. Как результат были обнаружены изотопы Ds (Z = 110),
Rg
(Z = 111)
и Cn
(Z = 112)
.
Для получения сверхтяжелых ядер использовались ускоренные пучки
50 Ti,
51 V,
58 Fe,
62 Ni,
64 Ni,
70 Zn и
82 Se. В качестве мишеней применялись изотопы
208 Pb и 209
Bi. Различные изотопы 110 элемента были синтезированы в Лаборатории ядерных
реакций им. Г.Н. Флерова с помощью реакции
244 Pu(34 S,5n) 272 110
и в GSI (Дармштадт) в реакции 208 Pb(62 Ni,n) 269 110.
Изотопы 269 Ds,
271 Ds,
272 Rg
и
277 Cn
регистрировались по их цепочкам распада (рис. 12.3).
Большую роль в получении сверхтяжелых элементов играют теоретические модели, с
помощью которых рассчитываются ожидаемые характеристики химических элементов,
реакции, в которых они могут образовываться.
На
основе различных теоретических моделей были рассчитаны распадные характеристики
сверхтяжелых ядер. Результаты одного из таких расчетов показаны на рис. 12.4.
Приведены периоды полураспада четно-четных сверхтяжелых ядер относительно
спонтанного деления (а), α-распада
(б), β-распада
(в) и для всех возможных процессов распада (г). Наиболее устойчивым ядром по
отношению к спонтанному делению (рис. 12.4а) является ядро с Z = 114 и N = 184.
Для него период полураспада по отношению к спонтанному делению ~10 16
лет. Для изотопов 114-го элемента, отличающихся от наиболее устойчивого на 6-8
нейтронов, периоды полураспада уменьшаются на
10-15 порядков. Периоды
полураспада по отношению к α-распаду
приведены на рис. 12.5б. Наиболее устойчивое ядро расположено в области Z = 114
и N = 184 (T 1/2 = 10 15
лет).
Стабильные по отношению к β-распаду
ядра показаны на рис. 12.4в темными точками. На рис. 12.4г приведены полные
периоды полураспада, которые для четно-четных ядер, расположенных внутри
центрального контура, составляют ~10 5
лет. Таким образом, после учета всех типов распада оказывается, что ядра в
окрестности Z = 110 и N = 184 образуют «остров стабильности». Ядро
294 110 имеет период полураспада около 10 9
лет. Отличие величины Z от предсказываемого оболочечной моделью магического
числа 114 связано с конкуренцией между делением (относительно которого ядро с Z = 114
наиболее стабильно) и α-распадом
(относительно которого устойчивы ядра с меньшими Z). У нечетно-четных и
четно-нечетных ядер периоды полураспада по отношению к
α-распаду
и спонтанному делению увеличиваются, а по отношению к β-распаду
уменьшаются. Следует отметить, что приведенные оценки сильно зависят от
параметров, использованных в расчетах, и могут рассматриваться лишь как указания
на возможность существования сверхтяжелых ядер, имеющих времена жизни достаточно
большие для их экспериментального обнаружения.
Рис. 12.4. Периоды полураспада, вычисленные для четно-четных сверхтяжелых ядер
(числа обозначают периоды полураспада в годах):
а − относительно спонтанного деления, б − α-распада,
в − е-захвата и β-распада, г − для всех процессов распада
Результаты еще одного расчета равновесной формы сверхтяжелых ядер и их периодов полураспада показаны на рис. 12.5, 12.6 . На рис. 12.5 показана зависимость энергии равновесной деформации от количества нейтронов и протонов для ядер с Z = 104-120. Энергия деформации определяется как разность энергий ядер в равновесной и сферической форме. Из этих данных видно, что в области Z = 114 и N = 184 должны располагаться ядра, имеющие в основном состоянии сферическую форму. Все обнаруженные на сегодня сверхтяжелые ядра (они показаны на рис. 12.5 темными ромбами) деформированы. Светлыми ромбами показаны ядра стабильные по отношению к β-распаду. Эти ядра должны распадаться в результате α-распада или деления. Основным каналом распада должен быть α-распад.
Периоды полураспада для четно-четных β-стабильных
изотопов показаны на рис. 12.6. Согласно этим предсказаниям для большинства ядер
ожидаются периоды полураспада гораздо большие, чем наблюдались для уже
обнаруженных сверхтяжелых ядер (0.1–1 мс). Так например, для ядра
292 Ds
предсказывается время жизни ~ 51 год.
Таким образом, согласно современным микроскопическим расчетам, стабильность
сверхтяжелых ядер резко возрастает по мере приближения к магическому числу по
нейтронам N = 184. До недавнего
времени единственным изотопом элемента Z = 112
Cn
(коперниций) был изотоп 277 Cn,
имеющий период полураспада 0.24 мс. Более тяжелый изотоп
283 Cn
был синтезирован в реакции холодного слияния 48 Ca + 238 U.
Время облучения 25 дней.
Полное число ионов 48 Ca на
мишени − 3.5·10 18 .
Зарегистрированы два случая, которые были интерпретированы как спонтанное
деление образовавшегося изотопа 283 Cn.
Для периода полураспада этого нового изотопа получена оценка T 1/2 = 81
c. Таким образом, видно, что увеличение числа нейтронов в изотопе
283 Cn
по сравнению с изотопом 277 Cn
на 6 единиц увеличивает время жизни на 5 порядков.
На
рис. 12.7 взятом из работы экспериментально измеренные периоды α-распада
сравниваются с результатами теоретических расчетов на основе модели жидкой капли
без учета оболочечной структуры ядер. Видно, что для всех тяжелых ядер, за
исключением лёгких изотопов урана, оболочечные эффекты увеличивают период
полураспада на 2–5 порядков для большинства ядер. Ещё более сильное влияние
оболочечная структура ядра оказывает на периоды полураспада относительно
спонтанного деления. Увеличение периода полураспада для изотопов Pu составляет
несколько порядков и увеличивается для изотопа 260 Sg.
Рис. 12.7. Экспериментально измеренные (● exp) и теоретически рассчитанные (○ Y) периоды полураспада трансурановых элементов на основе модели жидкой капли без учета оболочечной структуры ядра. Верхний рисунок − периоды полураспада для α-распада, нижний рисунок − периоды полураспада для спонтанного деления.
На
рис. 12.8 показано измеренное время жизни изотопов сиборгия Sg (Z = 106) в
сравнении с предсказаниями различных теоретических моделей . Обращает на себя внимание уменьшение почти
на порядок времени жизни изотопа с N = 164 по сравнению с временем жизни изотопа
с N = 162.
Наибольшего приближения к острову стабильности можно достичь в реакции
76 Ge + 208 Pb.
Сверхтяжелое почти сферическое ядро может образоваться в реакции слияния с
последующим испусканием γ-квантов
или одного нейтрона. Согласно оценкам образующееся ядро
284 114 должно распадаться с испусканием α-частиц
с периодом полураспада ~ 1 мс. Дополнительную информацию о заполненности
оболочки в районе N = 162 можно получить, изучая α-распады
ядер 271 Hs
и 267 Sg. Для этих ядер
предсказываются периоды полураспада 1 мин. и 1 час. Для ядер
263 Sg,
262 Bh,
205 Hs,
271,273 Ds
ожидается проявление изомерии, причиной которой является заполнение подоболочек
с j = 1/2 и j = 13/2 в районе N = 162 для ядер деформированных в основном
состоянии.
На
рис. 12.9 показаны экспериментально измеренные функции возбуждения реакции
образования элементов Rf (Z = 104) и Hs (Z = 108)для реакций слияния налетающих
ионов 50 Ti и
56 Fe с ядром-мишенью 208 Pb.
Образовавшееся компаунд-ядро охлаждается испусканием одного или двух нейтронов.
Информация о функциях возбуждения реакций слияния тяжелых ионов особенно важны
для получения сверхтяжелых ядер. В реакции слияния тяжелых ионов необходимо
точно сбалансировать действие кулоновских сил и сил поверхностного натяжения.
Если энергия налетающего иона недостаточно большая, то расстояние минимального
сближения будет недостаточно для слияния двойной ядерной системы. Если энергия
налетающей частицы будет слишком большой, то образовавшаяся в результате система
будет иметь большую энергию возбуждения и с большой вероятностью произойдет
развал ее на фрагменты. Эффективно слияние происходит в довольно узком диапазоне
энергий сталкивающих частиц.
Рис.12.10. Схема потенциалов при слиянии 64 Ni
и 208 Pb.
Реакции слияния с испусканием минимального числа нейтронов (1–2) представляют
особый интерес, т.к. в синтезируемых сверхтяжелых ядрах желательно иметь
максимально большое отношение N/Z. На рис. 12.10 показан потенциал слияния для
ядер в реакции 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds.
Простейшие оценки показывают, что вероятность туннельного эффекта для слияния
ядер составляет ~ 10 –21 , что
существенно ниже наблюдаемой величины сечения. Это можно объяснить следующим
образом. На расстоянии 14 Фм между центрами ядер первоначальная кинетическая
энергия 236.2 МэВ полностью компенсируется кулоновским потенциалом. На этом
расстоянии находятся в контакте только нуклоны, расположенные на поверхности
ядра. Энергия этих нуклонов мала. Следовательно существует высокая вероятность
того, что нуклоны или пары нуклонов покинут орбитали в одном ядре и переместятся
на свободные состояния ядра-партнера. Передача нуклонов от налетающего ядра
ядру-мишени особенно привлекательна в случае, когда в качестве мишени
используется дважды магический изотоп свинца
208 Pb. В
208 Pb заполнены протонная подоболочка h 11/2
и нейтронные подоболочки h 9/2
и i 13/2 . Вначале передача
протонов стимулируется силами притяжения протон-протон, а после заполнения
подоболочки h 9/2
- силами притяжения протон-нейтрон. Аналогично нейтроны перемещаются в свободную
подоболочку i 11/2 ,
притягиваясь нейтронами из уже заполненной подоболочки i 13/2 .
Из-за энергии спаривания и больших орбитальных моментов передача пары нуклонов
более вероятна, чем передача одного нуклона. После передачи двух протонов от
64 Ni
208 Pb кулоновский барьер
уменьшается на 14 МэВ, что способствует более тесному контакту взаимодействующих
ионов и продолжению процесса передачи нуклонов.
В
работах [В.В. Волков. Ядерные реакции глубоконеупругих передач. М. Энергоиздат,
1982; В.В. Волков. Изв. АН СССР серия физич., 1986 т. 50 с. 1879] был детально
исследован механизм реакции слияния. Показано, что уже на стадии захвата
формируется двойная ядерная система после полной диссипации кинетической энергии
налетающей частицы и нуклоны одного из ядер постепенно оболочка за оболочкой
передаются другому ядру. То есть оболочечная структура ядер играет существенную
роль в образовании компаунд-ядра. На основе этой модели удалось достаточно
хорошо описать энергию возбуждения составных ядер и сечение образования
элементов Z = 102–112
в реакциях холодного синтеза.
Таким образом, прогресс в синтезе трансурановых элементов Z = 107–112
был связан с «открытием» реакций холодного синтеза, в которых магические изотопы
208 Pb и 209 Bi
облучались ионами с Z = 22–30.
Образующееся в реакции холодного синтеза ядро нагрето слабо и охлаждается в
результате испускания одного нейтрона. Так впервые были получены изотопы
химических элементов с Z = 107–112.
Эти химические элементы были получены в период 1978–1998 гг. в Германии на
специально построенном ускорителе исследовательского центра GSI в Дармштадте.
Однако, дальнейшее продвижение − к более тяжелым ядрам − таким методом
оказывается затруднительным из-за роста величины потенциального барьера между
сталкивающимися ядрами. Поэтому в Дубне был реализован другой метод получения
сверхтяжелых ядер. В качестве мишеней использовались наиболее тяжелые изотопы
искусственно полученных химических элементов плутония Pu (Z = 94),
америция Am (Z = 95),
кюрия Cm (Z = 96),
берклия Bk (Z = 97)
и калифорния Cf
(Z = 98).
В качестве ускоренных ионов был выбран изотоп кальция
48 Ca (Z = 20).
Схематический вид сепаратора и детектора ядер отдачи показан на рис. 12.11.
Рис. 12.11. Схематический вид сепаратора ядер отдачи, на котором проводятся
эксперименты по синтезу сверхтяжелых элементов в Дубне.
Магнитный сепаратор ядер отдачи уменьшает фон побочных продуктов реакции в 10 5 –10 7
раз. Регистрация продуктов реакции осуществлялась с помощью
позиционно-чувствительного кремниевого детектора. Измерялись энергия, координаты
и время пролета ядер отдачи. После остановки все последующие сигналы от
регистрируемых частиц распада должны исходить из точки остановки
имплантированного ядра. Созданная методика позволяла с высокой степенью
надёжности (≈ 100%)
установить связь между остановившимся в детекторе сверхтяжелым ядром и
продуктами его распада. С помощью такой методики были надёжно идентифицированы
сверхтяжелые элементы с
Z = 110–118
(табл. 12.2).
В
таблице 12.2 приведены характеристики сверхтяжелых химических элементов с Z =
110–118: массовое число A,
m − наличие изомерного состояния
в изотопе с массовым числом A,
спин-четность J P ,
энергия связи ядра E св,
удельная энергия связи ε,
энергии отделения нейтрона
B n
и протона B p ,
период полураспада
T 1/2
и основные каналы распада.
Химические элементы Z > 112
пока не имеют названий и приводятся в принятых международных обозначениях.
Таблица 12.2
Характеристики сверхтяжелых химических элементов Z = 110–118
| XX-A-m | J P | Масса ядра, MэВ |
E св, MэВ |
ε, MэВ |
B n , MэВ |
B p , MэВ |
T 1/2 | Моды распада |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Z = 110 − дармштадтий | ||||||||
| Ds-267 | 248787.19 | 1934.5 | 7.2 | 0.7 | 2.8 ас | α ≈100% | ||
| Ds-268 | 0 + | 249718.08 | 1943.2 | 7.3 | 8.7 | 1.3 | 100 ас | α ≈ |
| Ds-269 | 250650.86 | 1950.0 | 7.2 | 6.8 | 1.3 | 179 ас | α 100% | |
| Ds-270 | 0 + | 251581.97 | 1958.4 | 7.3 | 8.5 | 0.10 мс | α ≈100%, SF < 0.20% | |
| Ds-270-m | 251583.07 | 1957.3 | 7.2 | 6.0 мс | α >70%, IT ≤ 30% | |||
| Ds-271 | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 6.8 | 2.2 | 1.63 мс | α ≈100% | |
| Ds-271-m | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 69 мс | IT?, α >0% | |||
| Ds-272 | 0 + | 253446.46 | 1973.1 | 7.3 | 7.8 | 2.5 | 1 с | SF |
| Ds-273 | 254380.32 | 1978.8 | 7.2 | 5.7 | 2.5 | 0.17 мс | α ≈100% | |
| Ds-274 | 0 + | 255312.45 | 1986.2 | 7.2 | 7.4 | 3.0 | 2 с | α?, SF? |
| Ds-275 | 256246.44 | 1991.8 | 7.2 | 5.6 | 2.9 | 2 с | α? | |
| Ds-276 | 0 + | 257178.73 | 1999.1 | 7.2 | 7.3 | 3.2 | 5 с | SF?, α? |
| Ds-277 | 258112.63 | 2004.7 | 7.2 | 5.7 | 3.1 | 5 с | α? | |
| Ds-278 | 0 + | 259044.92 | 2012.0 | 7.2 | 7.3 | 10 с | SF?, α? |
|
| Ds-279 | 259978.62 | 2017.9 | 7.2 | 5.9 | 0.18 с | SF
≈90%, α ≈10% |
||
| Ds-281 | 261844.60 | 2031.0 | 7.2 | 9.6 с | SF ≈100% | |||
| Z =111 − рентгений | ||||||||
| Rg-272 | 253452.75 | 1965.5 | 7.2 | 0.2 | 3.8 мс | α ≈100% | ||
| Rg-273 | 254384.34 | 1973.5 | 7.2 | 8.0 | 0.4 | 5 мс | α? | |
| Rg-274 | 255317.74 | 1979.6 | 7.2 | 6.2 | 0.9 | 6.4 мс | α ≈100% | |
| Rg-275 | 256249.53 | 1987.4 | 7.2 | 7.8 | 1.2 | 10 мс | α? | |
| Rg-276 | 257183.22 | 1993.3 | 7.2 | 5.9 | 1.5 | 100 мс | SF?, α? |
|
| Rg-277 | 258115.72 | 2000.4 | 7.2 | 7.1 | 1.3 | 1 с | α?, SF? |
|
| Rg-278 | 259049.11 | 2006.5 | 7.2 | 6.2 | 1.8 | 4.2 мс | α
≈100%, SF |
|
| Rg-279 | 259981.41 | 2013.8 | 7.2 | 7.3 | 1.8 | 0.17 с | α ≈100% | |
| Rg-280 | 260914.80 | 2020.0 | 7.2 | 6.2 | 2.1 | 3.6 с | α ≈100% | |
| Rg-281 | 261847.09 | 2027.2 | 7.2 | 7.3 | 1 м | α?, SF? | ||
| Rg-282 | 262780.59 | 2033.3 | 7.2 | 6.1 | 2.3 | 4 м | SF?, α? | |
| Rg-283 | 263712.98 | 2040.5 | 7.2 | 7.2 | 10 м | SF?, α? | ||
| Z = 112 − коперниций | ||||||||
| Cn-277 | 258119.32 | 1995.5 | 7.2 | 2.2 | 0.69 мс | α ≈100% | ||
| Cn-278 | 0 + | 259051.20 | 2003.1 | 7.2 | 7.7 | 2.8 | 10 мс | SF?, α? |
| Cn -279 | 259984.69 | 2009.2 | 7.2 | 6.1 | 2.7 | 0.1 с | SF?, α? | |
| Cn -280 | 0 + | 260916.69 | 2016.8 | 7.2 | 7.6 | 3.0 | 1 с | α?, SF? |
| Cn -282 | 0 + | 262782.18 | 2030.4 | 7.2 | 3.2 | 0.50 мс | SF ≈100% | |
| Cn -283 | 263715.57 | 2036.6 | 7.2 | 6.2 | 3.3 | 4.0 с | α ≥90%, SF ≤10% | |
| Cn -284 | 0 + | 264647.66 | 2044.1 | 7.2 | 7.5 | 3.6 | 101 мс | SF ≈100% |
| Cn -285 | 265580.76 | 2050.5 | 7.2 | 6.5 | 34 с | α ≈100% | ||
| Z = 113 | ||||||||
| Uut-278 | 0.24 мс | α 100% | ||||||
| Uut-283 | 263719.46 | 2031.4 | 7.2 | 1.0 | 100 мс | α 100% | ||
| Uut-284 | 264652.45 | 2038.0 | 7.2 | 6.6 | 1.4 | 0.48 с | α ≈100% | |
| Uut-285 | 265584.55 | 2045.5 | 7.2 | 7.5 | 1.4 | 2 м | α?, SF? | |
| Uut-286 | 266517.64 | 2051.9 | 7.2 | 6.5 | 1.4 | 5 м | α?, SF? | |
| Uut-287 | 267449.64 | 2059.5 | 7.2 | 7.6 | 20 м | α?, SF? | ||
| Z = 114 | ||||||||
| Uuq-286 | 0 + | 266520.33 | 2048.0 | 7.2 | 2.5 | 0.16 с | SF ≈60%, α ≈40% | |
| Uuq-287 | 267453.42 | 2054.4 | 7.2 | 6.5 | 2.5 | 0.51 с | α ≈100% | |
| Uuq-288 | 0 + | 268385.02 | 2062.4 | 7.2 | 8.0 | 2.9 | 0.80 с | α ≈100% |
| Uuq-289 | 269317.91 | 2069.1 | 7.2 | 6.7 | 2.7 с | α ≈100% | ||
| Z = 115 | ||||||||
| Uup-287 | 267458.11 | 2048.4 | 7.1 | 0.5 | 32 мс | α 100% | ||
| Uup-288 | 268390.81 | 2055.3 | 7.1 | 6.9 | 0.9 | 87 мс | α 100% | |
| Uup-289 | 269322.50 | 2063.2 | 7.1 | 7.9 | 0.8 | 10 с | SF?, α? | |
| Uup-290 | 270255.30 | 2070.0 | 7.1 | 6.8 | 0.9 | 10 с | SF?, α? | |
| Uup-291 | 271187.09 | 2077.7 | 7.1 | 7.8 | 1 м | α?, SF? | ||
| Z = 116 | ||||||||
| Uuh-290 | 0 + | 270258.98 | 2065.0 | 7.1 | 1.8 | 15 мс | α ≈100% | |
| Uuh-291 | 271191.78 | 2071.7 | 7.1 | 6.8 | 1.8 | 6.3 мс | α 100% | |
| Uuh-292 | 0 + | 272123.07 | 2080.0 | 7.1 | 8.3 | 2.3 | 18 мс | α ≈100% |
| Uuh-293 | 53 мс | α ≈100% | ||||||
| Z = 117 | ||||||||
| Uus-291 | 271197.37 | 2064.9 | 7.1 | -0.1 | 10 мс | SF?, α? | ||
| Uus-292 | 272129.76 | 2072.0 | 7.1 | 7.2 | 0.3 | 50 мс | SF?, α? | |
| Z = 118 | ||||||||
| Uuo-294 | 0 + | 1.8 мс | α ≈100% | |||||
На рис. 12.12 показаны все известные наиболее тяжелые изотопы с Z = 110–118, полученные в реакциях синтеза с указанием экспериментально измеренного периода полураспада. Здесь же показано теоретически предсказанное положение острова стабильности (Z = 114, N = 184).
Рис. 12.12. N-Z-диаграмма
элементов Z = 110–118.
Полученные результаты однозначно указывают на рост стабильности изотопов при
приближении к дважды магическому ядру (Z = 114,
N = 184).
Добавление к ядрам с Z = 110
и 112 7–8 нейтронов увеличивает период полураспада от 2.8 ас (Ds-267)
до ≈ 10 с (Ds-168, Ds 271). Период полураспада T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5
мс увеличивается до T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 мин. Наиболее тяжелые изотопы элементов
Z = 110–112
содержат ≈ 170 нейтронов,
что ещё далеко от магического числа N = 184.
Все наиболее тяжелые изотопы с Z > 111
и
N > 172
распадаются преимущественно в результате
α-распада,
спонтанное деление – более редкий распад. Эти результаты находятся в хорошем
согласии с теоретическими предсказаниями.
В
Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Дубна) синтезирован элемент с
Z = 114. Была использована реакция
Идентификация ядра 289 114
проводилась по цепочке α-распадов.
Экспериментальная оценка периода полураспада изотопа
289 114 ~30 с. Полученный результат находится в хорошем
согласии с ранее выполненными расчетами .
При синтезе 114 элемента в реакции 48 Cu + 244 Pu
максимальный выход изотопов с
Z = 114
наблюдался в канале с испарением трех нейтронов. При этом энергии возбуждения
составного ядра 289 114 была
35 МэВ.
Теоретически предсказываемая последовательность распадов, происходящих с ядром
296 116, образующемся в
реакции
248 Cm + 48 Ca → 296 116,
приведена на рис.12.13
Рис. 12.13. Схема распада ядра 296 116.
Изотоп 296 116 охлаждается в результате испускания четырех нейтронов и превращается в изотоп 292 116, который далее с 5% -ой вероятностью в результате двух последовательных e-захватов превращается в изотоп 292 114. В результате α-распада (T 1/2 = 85 дней) изотоп 292 114 превращается в изотоп 288 112. Образование изотопа 288 112 происходит и по каналу
Конечное ядро 288 112,
образующееся в результате обеих цепочек, имеет период полураспада около 1 часа и
распадается в результате спонтанного деления. Примерно с 10%-ой вероятностью в
результате α-распада
изотопа 288 114 может
образовываться изотоп 284 112.
Приведенные выше периоды и каналы распада получены расчетным путем.
На
рис. 12.14 приведена цепочка последовательных α-распадов
изотопа 288 115,
измеренная в экспериментах в Дубне. ER
− энергия ядра отдачи, имплантированного в позиционно-чувствительный кремниевый
детектор. Можно отметить хорошее совпадение в периодах полураспада и энергиях α-распадов
в трёх экспериментах, что свидетельствует о надёжности метода идентификации
сверхтяжелых элементов с помощью измерений спектров α-частиц.
Рис. 12.14. Цепочка
последовательных α-распадов
изотопа 288 115,
измеренная в экспериментах в Дубне.
Самый тяжелый, полученный в лабораторных условиях элемент с Z = 118, был синтезирован в реакции
48 Ca + 249 Cf → 294 118 + 3n.
При энергии ионов вблизи кулоновского барьера наблюдалось три случая образования
118 элемента. Ядра 294 118
имплантировались в кремниевый детектор и наблюдалась цепочка последовательных α-распадов.
Сечение образования 118 элемента составляло ~2 пикобарна. Период полураспада
изотопа 293 118 равен 120 мс.
На
рис. 12.15 показана теоретически рассчитанная цепочка последовательных α-распадов
изотопа 293 118 и приведены
периоды полураспада дочерних ядер, образующихся в результате α-распадов.
Рис. 12.15. Цепочка последовательных α-распадов
изотопа 293 118.
Приведены средние времена жизни дочерних ядер, образующихся в результате α-распадов.
Анализируя различные возможности образования сверхтяжелых элементов в реакциях с тяжелыми ионами нужно учитывать следующие обстоятельства.
- Необходимо создать ядро с достаточно большим отношением числа нейтронов к числу протонов. Поэтому в качестве налетающей частицы надо выбирать тяжелые ионы, имеющие большое N/Z.
- Необходимо, чтобы образующееся компаунд-ядро имело малую энергию возбуждения и небольшую величину момента количества движения, так как в противном случае будет снижаться эффективная высота барьера деления.
- Необходимо, чтобы образующееся ядро имело форму близкую к сферической, так как даже небольшая деформация будет приводить к быстрому делению сверхтяжелого ядра.
Весьма перспективным методом получения сверхтяжелых ядер являются реакции типа 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На рис. 12.16 приведены оценочные сечения образования трансурановых элементов при облучении ускоренными ионами 238 U мишеней из 248 Cm, 249 Cf и 254 Es. В этих реакциях уже получены первые результаты по сечениям образования элементов с Z > 100. Для увеличения выходов исследуемых реакций толщины мишеней выбирались таким образом, чтобы продукты реакции оставались в мишени. После облучения из мишени сепарировались отдельные химические элементы. В полученных образцах в течение нескольких месяцев регистрировались продукты α-распада и осколки деления. Данные, полученные с помощью ускоренных ионов урана, ясно указывают на увеличение выхода тяжелых трансурановых элементов по сравнению с более легкими бомбардирующими ионами. Этот факт чрезвычайно важен для решения проблемы синтеза сверхтяжелых ядер. Несмотря на трудности работы с соответствующими мишенями прогнозы продвижения к большим Z выглядят довольно оптимистично.
Рис. 12.16. Оценки сечений образования трансурановых элементов в реакциях
238 U с
248 Cm,
249 Cf и 254 Es
Продвижение в область сверхтяжелых ядер в последние годы оказалось ошеломляюще
впечатляющим. Однако все попытки обнаружить Остров Стабильности пока не
увенчались успехом. Поиск его интенсивно продолжается.
Оболочечная структура атомных ядер играет существенную роль в повышении
стабильности сверхтяжелых ядер. Магические числа Z ≈ 114
и
N ≈ 184,
если они действительно существуют, могут привести к значительному повышению
стабильности атомных ядер. Существенным является также то, что распад
сверхтяжелых ядер будет происходить в результате α-распада,
что важно для разработки экспериментальных методов детектирования и
идентификации новых сверхтяжелых ядер.
Ученые из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Майнцского университета (Германия) предположили, что одна из самых необычных (среди известных астрономам) звезд содержит химические элементы из острова стабильности. Это элементы в самом конце таблицы Менделеева, от соседей слева их отличает большее время жизни. Исследование опубликовано в библиотеке электронных препринтов arXiv.org, о его результатах и стабильных сверхтяжелых химических элементах рассказывает .
Звезда HD 101065 открыта в 1961 году польско-австралийским астрономом Антонином Пшибыльским. Она находится на расстоянии около 400 световых лет от Земли в созвездии Центавра. Вероятнее всего, HD 101065 легче Солнца и представляет собой звезду главной последовательности, субгиганта. Особенность звезды Пшибыльского - крайне малое содержание в атмосфере железа и никеля. В то же время звезда богата тяжелыми элементами, в том числе стронцием, цезием, торием, иттербием и ураном.
Звезда Пшибыльского - единственная, в которой обнаружены короткоживущие радиоактивные элементы, актиноиды, с атомным номером (числом протонов в ядре) от 89 до 103: актиний, плутоний, америций и эйнштейний. На HD 101065 похожа HD 25354, но наличие там америция и кюрия вызывает сомнения.
Механизм образования сверхтяжелых элементов на звезде Пшибыльского до сих пор не вполне понятен . Предполагалось, что HD 101065 вместе с нейтронной звездой образует двойную систему - частицы со второй падают на первую, провоцируя реакции синтеза тяжелых элементов. Эта гипотеза пока не подтверждена, хотя не исключено, что на расстоянии около тысячи астрономических единиц от HD 101065 располагается тусклый спутник.
Фото: N. Dautel / Globallookpress.com
Сильнее всего HD 101065 похожа на Ap-звезды, пекулярные (peculiar) светила спектрального класса A, в чьем спектре усилены линии редкоземельных металлов. У них сильное магнитное поле, тяжелые элементы в их атмосферу поступают из недр. От остальных Ap-звезд HD 101065 отличается кратковременными изменениями в кривой блеска, что позволило включить ее в отдельную группу RoAp-звезд (Rapidly oscillating Ap stars).
Вероятно, попытки ученых вписать HD 101065 в существующую классификацию звезд когда-нибудь увенчаются успехом. Пока звезда Пшибыльского считается одной из самых необычных - это дает основания подозревать у нее ряд необычных свойств. В частности, в последней работе, посвященной HD 101065, австралийские и немецкие исследователи допустили, что в звезде Пшибыльского рождаются химические элементы, относящиеся к острову стабильности.
Ученые исходили из оболочечной модели ядра и ее расширений. Модель связывает устойчивость атомного ядра с заполнением энергетических уровней оболочек, которые, по аналогии с электронными оболочками атома, образуют ядро. Каждые нейтрон и протон находятся на определенной оболочке (расстоянии от центра атома или энергетическом уровне) и движутся независимо друг от друга в некотором самосогласованном поле.
Считается, что чем более заполнены энергетические уровни ядра, тем устойчивее изотоп. Модель хорошо объясняет устойчивость атомных ядер, спины и магнитные моменты, однако применима лишь к невозбужденным или легким и средним по массовому числу ядрам.
В соответствии с оболочечной моделью, ядра с целиком заполненными энергетическими оболочками характеризуются высокой стабильностью. Такие элементы и образуют «остров стабильности». Начинается он с изотопов с порядковыми номерами 114 и 126, соответствующими магическому и дважды магическому числам.
У ядер с магическим числом нуклонов (протонов и нейтронов) наиболее сильная энергия связи. В таблице нуклидов они размещены следующим образом: по горизонтали слева направо по возрастанию указано число протонов, а по вертикали сверху вниз - число нейтронов. У дважды магического ядра количество протонов и нейтронов равно какому-либо магическому числу.
Период полураспада изотопов флеровия (114-й элемент), полученных в Дубне, - до 2,7 секунды. Согласно теории, должен существовать изотоп флеровий-298 c магическим числом нейтронов N=184 и временем жизни порядка десяти миллионов лет. Синтезировать такое ядро пока не удалось. Для сравнения, период полураспада соседних элементов с числами протонов в ядре, равными 113 и 115, - до 19,6 секунды (для нихония-286) и 0,156 секунды (для московия-289) соответственно.
Авторы публикации на arXiv.org считают, что наличие в атмосфере HD 101065 актиноидов говорит в пользу того, что там же имеются и химические элементы из острова стабильности. Актиноиды в таком случае - продукт распада стабильных сверхтяжелых элементов. Ученые предлагают провести поиск в спектрах HD 101065 следов нобелия, лоуренсия, нихония, флеровия и описывают конкретные спектры, которые могут производить устойчивые изотопы.
В настоящее время новые элементы таблицы Менделеева синтезируются в России, США, Японии и Германии. На Земле трансурановые элементы в естественной среде не обнаружены. Звезда HD 101065, возможно, открывает новые возможности для проверки теорий физиков-ядерщиков, предполагающих существование острова стабильности.
Загрузка...
