Синтез надважких елементів. Московій із центавру

Півтора століття тому, коли Дмитро Іванович Менделєєв відкрив Періодичний закон, було відомо лише 63 елементи. Впорядковані в таблицю, вони легко розкладалися за періодами, кожен із яких відкривається активними лужними металами і закінчується (як з'ясувалося пізніше) інертними благородними газами. З того часу таблиця Менделєєва збільшилася майже вдвічі, і з кожним розширенням періодичний закон підтверджувався знову і знову. Рубідій також нагадує калій і натрій, як ксенон — криптон і аргон, нижче вуглецю міститься багато в чому схожий на нього кремній... Сьогодні відомо, що ці властивості визначаються числом електронів, що обертаються навколо атомного ядра.

Вони заповнюють «енергетичні оболонки» атома одну за одною, як глядачі, які по порядку займають сидіння на своїх рядах у театрі: той, хто виявився останнім, визначить хімічні властивості всього елемента. Атом із повністю заповненою останньою оболонкою (як гелій із його двома електронами) буде інертним; елемент з одним «зайвим» електроном на ній (як натрій) активно утворюватиме хімічні зв'язки. Число негативно заряджених електронів на орбітах пов'язане з кількістю позитивних протонів в ядрі атома, і числом протонів відрізняються різні елементи.

Натомість нейтронів у ядрі одного й того ж елемента може бути різна кількість, заряду вони не мають, і на хімічні властивості вони не впливають. Але в залежності від числа нейтронів водень може виявитися важчим за гелій, а маса літію — досягати семи замість «класичних» шести атомних одиниць. І якщо список відомих елементів сьогодні наближається до позначки 120, то число ядер (нуклідів) перевалило за 3000. Більшість з них нестабільні і через деякий час розпадаються, викидаючи «зайві» частки під час радіоактивного розпаду. Ще більше нуклідів не здатні існувати в принципі, моментально розвалюючись на шматки. Так материк стабільних ядер оточує ціле море нестійких поєднань нейтронів та протонів.

Море Нестійкості

Доля ядра залежить від кількості нейтронів і протонів у ньому. Згідно з оболонковою теорією будови ядра, висунутої ще в 1950-х, частки в ньому розподіляються за своїми енергетичними рівнями так само, як електрони, що обертаються навколо ядра. Деякі кількості протонів та нейтронів дають особливо стійкі конфігурації з повністю заповненими протонними або нейтронними оболонками – по 2, 8, 20, 28, 50, 82, а для нейтронів ще й 126 частинок. Ці числа називаються "магічними", а найстабільніші ядра містять "двічі магічні" кількості частинок - наприклад, 82 протона і 126 нейтронів у свинцю або по два - у звичайному атомі гелію, другого за поширеністю елемента у Всесвіті.

Послідовний «Хімічний материк» елементів, які можна знайти Землі, закінчується свинцем. За ним слідує низка ядер, які існують набагато менше віку нашої планети. У її надрах вони можуть зберегтися хіба що в малих кількостях, як уран і торій, або зовсім у слідових, як плутоній. З породи витягти його неможливо, і плутоній наробляють штучно, в реакторах, бомбардуючи нейтронами уранову мішень. Взагалі, сучасні фізики поводяться з ядрами атомів, як з деталями конструктора, змушуючи їх приєднувати окремі нейтрони, протони або цілі ядра. Це й дозволяє отримувати все більш і важчі нукліди, перетинаючи протоку «моря нестійкості».

Мета подорожі підказана тією ж оболонковою теорією будови ядра. Це область надважких елементів з відповідним (і дуже великим) числом нейтронів і протонів, легендарний «острів Стабільності». Розрахунки говорять, що деякі з місцевих «мешканців» можуть існувати не частини мікросекунд, а на багато порядків довше. «У певному наближенні їх можна розглядати як крапельки води, – пояснив академік РАН Юрій Оганесян. — Аж до свинцю йдуть ядра сферичні та стійкі. За ними слідує півострів помірно стабільних ядер — таких як торій або уран, — який витягується мілиною сильно деформованих ядер і обривається в нестабільне море... Але ще далі, за протокою, може знаходитися нова область сферичних ядер, надважких та стійких елементів з номерами 114, 116 і далі". Час життя деяких елементів на «острові Стабільності» може тривати вже роки, а то й мільйони років.

Острів Стабільності

Трансуранові елементи з їх деформованими ядрами вдається створити, бомбардуючи нейтронами мішені з урану, торію або плутонію. Обстрілюючи їх розігнаними в прискорювачі легкими іонами, можна послідовно отримати низку елементів ще важче - але в якийсь момент настане межа. «Якщо розглядати різні реакції — приєднання нейтронів, приєднання іонів як різні «кораблі», то всі вони не допоможуть нам доплисти до «острова Стабільності», — продовжує Юрій Оганесян. — Для цього буде потрібно «судно» і більше, й іншої конструкції. В якості мішені доведеться використовувати нейтронадлишкові важкі ядра штучних елементів важче за уран, а бомбардувати їх потрібно великими, важкими ізотопами, що містять багато нейтронів, такими як кальцій-48».

Робота над таким «кораблем» виявилася під силу лише великій міжнародній команді вчених. Інженери та фізики комбінату «Електрохімприлад» виділили з природного кальцію винятково рідкісний 48-й ізотоп, що міститься тут у кількості менше 0,2%. Мішені з урану, плутонію, америцію, кюрію, каліфорнію приготували в Димитроградському НДІ Атомних реакторів, у Ліверморській національній лабораторії та в Національній лабораторії в Оук-Ріджі в США. А ключові експерименти з синтезу нових елементів були проведені академіком Оганесяном в Об'єднаному інституті ядерної фізики (ОІЯД), в Лабораторії ядерних реакцій імені Флерова. «Наш прискорювач у Дубні працював по 6-7 тисяч годин на рік, розганяючи іони кальцію-48 приблизно до 0,1 швидкості світла, – пояснює вчений. — Ця енергія необхідна, щоб деякі з них, вдаряючись у ціль, подолали сили кулонівського відштовхування та злилися з ядрами її атомів. Наприклад, 92-й елемент, уран, дасть ядро ​​нового елемента з номером 112, плутоній – 114, а каліфорній – 118».

"Пошук нових надважких елементів дозволяє відповісти на одне з найважливіших питань науки: де лежить кордон нашого матеріального світу?"

«Такі ядра мають бути вже досить стабільними і розпадатися будуть не відразу, а послідовно викидають альфа-частинки, ядра гелію. А їх ми чудово вміємо реєструвати», — продовжує Оганесян. Надважке ядро ​​викине альфа-частинку, перетворившись на елемент на два атомні номери легше. Як і дочірнє ядро ​​втратить альфа-частинку і перетвориться на «онукове» — ще на чотири легші, і так далі, поки процес послідовного альфа-розпаду не закінчиться випадковою появою і миттєвим спонтанним розподілом, загибеллю нестійкого ядра в «морі Нестабільності». За цією «генеалогією» альфа-частинок Оганесян та його колеги простежили всю історію перетворення отриманих у прискорювачі нуклідів та окреслили ближній берег «острова Стабільності». Після півстолітнього плавання на нього висадилися перші люди.

Нова Земля

Вже за перше десятиліття XXI століття в реакціях злиття актинідів з прискореними іонами кальцію-48 було синтезовано атоми елементів із номерами від 113 і аж до 118-го, що лежить на дальньому від «материка» березі «острова Стабільності». Час існування вже на порядки більше, ніж у сусідів: наприклад, елемент 114 зберігається не мілісекунди, як 110-й, а десятки і навіть сотні секунд. «Такі речовини вже доступні для хімії, – каже академік Оганесян. — А значить, ми повертаємося до початку подорожі і тепер можемо перевірити, чи дотримується для них Періодичний закон Менделєєва. Чи буде 112-й елемент аналогом ртуті та кадмію, а 114-й — аналогом олова та свинцю»? Перші ж хімічні експерименти з ізотопом 112 елемента (коперниця) показали: мабуть, будуть. Ядра коперниця, що вилітають з мішені під час бомбардування, вчені направляли в довгу трубку, що включає 36 парних детекторів, частково покритих золотом. Ртуть легко утворює стійкі інтерметалеві сполуки із золотом (ця властивість використовується у давній техніці позолоти). Тому ртуть і близькі до неї атоми повинні осідати на золотій поверхні перших детекторів, а радон і атоми, близькі до благородних газів, можуть діставатися кінця трубки. Слухняно дотримуючись Періодичного закону, коперниця проявила себе родичем ртуті. Але якщо ртуть стала першим відомим рідким металом, то коперниця, можливо, виявиться першою газоподібною: температура його кипіння нижче кімнатної. За словами Юрія Оганесяна, це лише бляклий початок, і надважкі елементи з «острова Стабільності» відкриють нам нову, яскраву та незвичайну галузь хімії.

Але поки що ми затрималися біля підніжжя острова стабільних елементів. Очікується, що 120-й і наступні за ним ядра можуть виявитися по-справжньому стійкими і будуть існувати вже довгі роки, а то й мільйони років, утворюючи стабільні сполуки. Однак отримати їх за допомогою того ж кальцію-48 вже неможливо: не існує досить довгоживучих елементів, які могли б, поєднавшись з цими іонами, дати ядра потрібної маси. Спроби замінити іони кальцію-48 чимось важчим поки що теж не принесли результату. Тому для нових пошуків вчені-мореплавці підняли голову та придивилися до небес.

Космос та фабрика

Початковий склад нашого світу різноманітністю не вирізнявся: у Великому вибуху з'явився лише водень з невеликими домішками гелію — найлегші атоми. Всі інші шановні учасники таблиці Менделєєва з'явилися в реакціях злиття ядер, в надрах зірок та вибухах наднових. Нестійкі нукліди швидко розпадалися, стійкі, як кисень-16 чи залізо-54, накопичувалися. Не дивно, що важких нестабільних елементів, як-от америцій чи коперниций, у природі виявити не вдається.

Але якщо десь є «острів Стабільності», то хоча б у невеликих кількостях надважкі елементи мають зустрічатися на просторах Всесвіту, і деякі вчені ведуть їх пошуки серед частинок космічних променів. За словами академіка Оганесяна, цей підхід все ж таки не такий надійний, як старе добре бомбардування. «По-справжньому довгоживучі ядра на «вершині» острова Стабільності містять надзвичайно велику кількість нейтронів, — розповідає учений. — Тому нейтронадлишковий кальцій-48 виявився таким вдалим ядром для бомбардування нейтронадлишкових елементів мішені. Однак ізотопи важчі за кальцій-48 нестабільні, і надзвичайно малі шанси на те, що вони в природних умовах зможуть злитися з утворенням надстабільних ядер».

Тому лабораторія в підмосковній Дубні звернулася до використання важчих ядер, нехай і не так вдалих, як кальцій, для обстрілювання штучних елементів мішеней. «Ми зараз зайняті створенням так званої Фабрики надважких елементів, – каже академік Оганесян. — У ній ті самі мішені бомбардуватимуться ядрами титану чи хрому. Вони містять на два і чотири протони більше, ніж кальцій, а значить можуть дати нам елементи з масами 120 і більше. Цікаво буде подивитися, чи опиняться вони ще на «острові» або відкриють нову протоку за нею».

Тези для дискусії:

Що ми знаємо і що хочемо зрозуміти проблему синтезу надважких елементів?

Чи є межі існування елементів у природі?

Як відбувався нуклеосинтез елементів у Всесвіті?

Що зумовлює можливу стабільність надважких елементів?

Наскільки ця проблема є фундаментальною і чи має політичний аспект?

Можливості сучасної експериментальної техніки для її вирішення.

Що таке нейтронна матерія? Чи можна вивчати її в лабораторних умовах, а не лише в процесі дослідження астрофізичних об'єктів, таких як нейтронні зірки тощо? Тенденції у світовій науці.

Чи потрібне суспільству вивчення вищезгаданих фундаментальних проблем науки? Чи призводить воно до появи нових ідей як нових технологій, джерел енергії, медичних приладів тощо.

Огляд теми

Відомо, що всі елементи від найлегшого (водню) до найважчого (урану) складають навколишній світ. Вони існують у Землі. Це означає, що час їхнього життя більший, ніж вік самої Землі. Всі елементи після урану - важчі за нього. Вони колись утворилися в процесі нуклеосинтезу, але не дожили до наших днів. Сьогодні їх можна отримати лише штучним способом.

Концепція атома загальновідома: ядро, що містить всю масу атома та його позитивний заряд, та електронні орбіталі. Гіпотетично воно може існувати до атомних номерів: 160 і, можливо, 170. Однак межа існування елементів намічається значно раніше, і причина криється в нестабільності самого ядра. Тому питання про межах існування елементів має бути адресоване ядерній фізиці. Якщо подивитися на ядра, які містять різну кількість протонів та нейтронів, то стабільні елементи зустрічаються лише до свинцю та вісмуту. Потім (рис. 1) розташований «невеликий півострів», у якому виявлено Землі лише торій і уран. З цього випливає, що питання про межі існування елементів залежить від стабільності ядер і має бути адресоване ядерній фізиці.

Мал. 1. Карта ізотопів із атомними номерами 70 Zі. Стабільність атомів показана щільністю кольору згідно з правою шкалою. Для області 112 Zі та 165 Zі наведено теоретичні передбачення періодів напіврозпаду гіпотетичних надважких атомів.

Як тільки ми просуваємось за уран, час життя ядер різко падає. Ізотопи зауранових елементів радіоактивні, вони зазнають альфа-розпаду. Час життя ядер зменшується у логарифмічному масштабі. Ця логарифмічна шкала показує, що від урану (92-елемента) до 100-го елемента стабільність ядер зменшується на 20 з лишком порядків.

Насправді, становище виявилося ще складнішим. Спонтанний поділ - четвертий тип радіоактивності - наздоганяє альфа-розпад в області 100-го елемента, і надалі життя ядер зменшується значно швидше.

Спонтанний поділ був відкритий К. А. Петржаком і Г. Н. Флеровим 60 років тому як рідкісний різновид розпаду урану. Воно стає основним, коли йдеться про більш важкі елементи.

Пояснення явища спонтанного поділу було дано Нільсом Бором в 1939 р. Згідно з Н. Бором, подібний процес може статися, якщо припустити, що ядерна речовина має властивості безструктурної матерії типу краплі зарядженої рідини. Якщо крапля відчуває деформацію під впливом електричних сил, її потенційна енергія зростає до певної межі, та був вже незворотно зменшується зі зростанням деформації до того часу, поки крапля не розділиться на частини. Таким чином, у ядра урану виникне якийсь бар'єр, який утримує це ядро ​​від поділу протягом 10 16 років.

Якщо перейти від урану до більш важкого елементу, в ядрі якого кулонівські сили значно більші, бар'єр знижується, і ймовірність розподілу сильно зростає. Зрештою, при подальшому збільшенні заряду ядра ми прийдемо до межі, коли вже немає бар'єру, тобто коли навіть сферична форма краплі виявляється нестійкою до поділу на дві частини.

Це і є межа стабільності ядра. Згідно з розрахунками Бора та Віллера, ця межа очікувалася для елементів з атомними номерами 104–106.

Цілком несподіваним було виявлення у 1962 р. у Дубнінській лабораторії ядерних реакцій ще й іншого періоду напіврозпаду у важких ядер, включаючи уран. Т. е. в одного і того ж ядра можуть бути два однотипних розпаду з різною ймовірністю, або два часи життя. Для урану - один час становить 10 16 років, що було виявлено Флеровим і Петржаком, а друге дуже коротке, всього 0,3 мікросекунди. При двох періодах напіврозпаду слід вважати наявність у ядра двох станів, у тому числі відбувається розподіл. Це аж ніяк не вписується в уявлення про краплю.

Два стани можуть бути лише у тому випадку, якщо тіло не аморфне, а має внутрішню структуру.

Отже, ядерна речовина не є повним аналогом краплі зарядженої рідини.

Крапля є деяке наближення до опису ядерної матерії; ядро має внутрішню структуру.

Питаннями ядерної структури серйозно зайнялися теоретики-ядерники; в нашій країні - В. М. Струтинський, С. Т. Бєляєв, В. В. Пашкевич та ін. Вони вирішували досить складне завдання - як пояснити, що бар'єр урану є двогорбим і як змінюється структура ядра при його деформації.

І це було пояснено. Але якщо знайдене теоретиками пояснення правильно відображає властивості ядер, то коли ми прийдемо до надважких елементів, картина буде зовсім не такою, як прогнозувалося краплі рідини. У важких елементах ця структура виявлятиметься повною мірою там, де крапля неспроможна, і виникатиме так званий структурний бар'єр. А це означає, що ядро ​​може жити дуже довго.

Цей нетривіальний висновок теорії привів, по суті, до передбачення гіпотетичної області стабільності надважких елементів, які розташовані далеко від тих елементів, які відомі і з якими ми звикли працювати.

Щойно це було передбачено, всі найбільші лабораторії світу буквально кинулися те що, щоб експериментально перевірити цю гіпотезу. Цим займалися у Сполучених Штатах, Франції, Німеччині. Однак у всіх дослідах було отримано негативні результати.

Останні два роки в Дубнінській лабораторії проводилися експерименти з синтезу нових, найважчих елементів з атомними номерами 114 і 116. Завдання полягало в тому, щоб отримати атоми нових елементів, ядра яких мають великий надлишок нейтронів. Тільки в цьому випадку ми змогли б наблизитися до кордонів гіпотетичного «острова стабільності» та спостерігати збільшення часу життя надважких ядер.

Результати дослідів привели до висновку про те, що «острів стабільності» справді існує.

Які шляхи отримання (синтезу) надважких ядер? Спочатку використовувався нейтронний метод синтезу, як у ядро ​​вганяється дуже багато нейтронів. У цьому випадку природним було б опромінення початкової речовини потужним потоком нейтронів. Для цього використовувалися все більш потужні реактори. Однак реакторний спосіб синтезу вичерпав себе на фермії (елементі з атомним номером 100), тому що ізотоп фермія з масою 258, який повинен виходити в результаті захоплення нейтронів, живе всього 0,3 мілісекунди. Весь ланцюжок послідовного захоплення нейтронів розірвався на щаблі захоплення 20-го нейтрону. Тут необхідно пройти більше 60 ступенів. Нейтронний спосіб не пішов.

Спроба американських дослідників використовувати інший спосіб - отримати надважкі елементи в ядерних вибухах, тобто в потужному імпульсному потоці нейтронів, зрештою, призвела до утворення того ж ізотопу 100-го елемента з масою 257.

Безперспективність нейтронного способу призвела до ідеї використовувати принципово інший метод синтезу надважких елементів, який почав розвиватися в середині 50-х років - «важко-ядерний». Він полягає в тому, що два важкі ядра стикаються один з одним, сподіваючись на те, що вони зіллються і як результат вийде ядро ​​сумарної маси. Щоб така реакція, одне з ядер необхідно розігнати до швидкості приблизно 0,1 швидкості світла. Цю функцію виконують прискорювачі. Те, що знаємо сьогодні про властивості важких елементів другої сотні, було отримано з допомогою прискорювачів важких іонів у реакціях цього.

Які властивості трансуранових елементів?

Якщо 92-елемент - уран живе мільярд років, то важке ядро ​​112-елемента живе лише 0,1 мілісекунди. Справді, збільшення атомного номера на 20 одиниць призводить до зменшення часу життя ядра більш ніж 10 20 разів. Однак «острів стабільності» розташований там, де ядра містять значно більше нейтронів. Тому треба рухатися у бік більш нейтронно-надлишкових ядер. Це важко здійснити, оскільки в стабільних нуклідах відношення числа протонів до нейтронів суворо визначено. Було вирішено використовувати реакції, у яких великий нейтронний надлишок спочатку заданий як у ядрі матеріалу мішені, який напрацьовується в ядерному реакторі, так і в ядрі-снаряді, який в даному випадку був обраний ядром кальцію-48.

Кальцій-48 – стабільний ізотоп кальцію, елемента з атомним номером 20. Кальцію в природі багато. Але ізотоп кальцію з масою 48 вкрай рідкісний. Його вміст у звичайному кальції лише 0,18%. Виділити його з кальцію – завдання неймовірно важке. Проте, якби нам вдалося прискорити іони кальцію-48, то, опромінюючи уран, плутоній чи кюрій, ми могли б пробратися в заповітну область, де очікується підйом стабільності, і там мали б відчути ефект різкого підйому часу життя надважких елементів.

У конкретному експерименті була обрана реакція, де як вихідна речовина використовувався плутоній (Z = 94), його найважчий ізотоп з масою 244, а як бомбардуючий іон ізотоп кальцію-48. Ми розраховували на те, що реакція злиття цих ядер призведе до утворення 114-елемента, який має бути стійкішим у порівнянні з елементами, повченими раніше.

Для того, щоб поставити подібний досвід, потрібно було створити прискорювач із потужністю пучка кальцію-48, що перевершує всі відомі прискорювачі в десятки разів. При цьому він повинен був дати високу інтенсивність прискорених іонів і витрачати якнайменше дорогого кальцію-48. Це зажадало тривалих та напружених пошуків розв'язання задачі. Зрештою, рішення було знайдено і протягом 5 років такий прискорювач у Дубні був створений. При дуже малій витраті речовини (0,3 мг/год) була отримана інтенсивність пучка кілька одиниць на 10 12 іонів в сек. Тепер можна було ставити експеримент у сто і в тисячу разів чутливіший, ніж це робилося раніше дубнинцями та їхніми колегами в інших країнах протягом останніх 25 років.

Суть самого експерименту полягала в наступному. Отримавши пучок кальцію, опромінюється мета з плутонію. Важкий ізотоп плутонію-244 було надано Ліверморською Національною Лабораторією (США). Якщо в результаті процесу злиття двох ядер утворюються атоми нового елемента, то вони повинні вилітати з мішені та разом з пучком продовжувати рух уперед. Тут їх треба відокремити від іонів кальцію-48 та інших продуктів реакції. Цю функцію виконує сепаратор (рис. 2), у якому є поперечне електричне поле. Оскільки швидкості ядер різні, пучок втикається у стопер, тоді як важкі ядра віддачі 114-елемента здійснюють криволінійну траєкторію і врешті-решт доходять до детектора. Детектор розпізнає важке ядро ​​та фіксує його розпад.

Що, власне, можна очікувати далі? Якщо справедлива гіпотеза у тому, що є «острів стабільності» у сфері надважких елементів і ці ядра дуже стійкі щодо спонтанного поділу, вони мають відчувати інший тип розпаду - альфа-распад.

Іншими словами, ядра на вершині та поблизу вершини цього острова, стійкі до спонтанного поділу, мають бути альфа-радіоактивними. Альфа-радіоактивне ядро, як відомо, спонтанно викидає альфа-частинку (ядро гелію), що складається з двох протонів та двох нейтронів, переходячи в дочірнє ядро. Для обраної реакції - це перехід 114-го до 112-го елемента. Ядра 112-го елемента теж повинні відчувати альфа-розпад і переходити в ядра 110-го елемента і т. д. Але в міру послідовних альфа-розпадів ми все далі віддаляємося від вершини стабільності і врешті-решт потрапимо в море нестабільності, де переважним типом розпаду буде спонтанний поділ. Для експериментатора це дуже яскрава картина: у результаті послідовних альфа-розпадів, кожен із яких залишає в детекторі енергію близько 10 МеВ, відбувається розподіл, у якому відразу вивільняється енергія близько 200 МеВ. На цьому ланцюжок розпадів обривається.

Такий ланцюжок можна спостерігати, якщо справедлива теоретична гіпотеза. Справді, протягом експерименту, який тривав безперервно три місяці, вчені вперше спостерігали те, що чекали.

Мал. 3а. Ланцюжки послідовних розпадів надважких атомів з Z = 114 та 116, зареєстрованих у ядерних реакціях з іонами 48 Са. Для кожного розпаду вказано значення енергії, часу приходу сигналу та його позиційної координати на поверхні детектора площею 50 см2.

Після того, як ядро ​​віддачі прийшло в детектор, який вимірює його енергію, швидкість та координати місця його зупинки з високою точністю, була зареєстрована альфа-частка з енергією 9,87 МеВ за секунду після зупинки. Цікаво, що у найважчому ядрі, синтезованому раніше, цей час займав лише одну десятитисячну частку секунди. Тут – секунда.

Потім, через 10,3 секунди (теж довгий час), вилетіла друга альфа-частка з енергією 9,21 МеВ і потім, через 14,5 секунд, відбувся спонтанний поділ. Весь ланцюжок розпадів зайняв час близько 0,5 хвилин.

Друга подія була така ж, як перша. Обидві ці події збігаються одна з одною за 13 параметрами. Тому ймовірність випадкових збігів сигналів у детекторі, що імітують подібний розпад, становить лише 10 -16 .

У цьому експерименті спостерігалося й інше подія, значно довгоживуще. Тут уже розпад обчислюється хвилинами та десятками хвилин.

Якщо відхилитися в область ядер з дефіцитом нейтронів, то спонтанний поділ стає все більш імовірним, що було виявлено (коли замість мішені з плутонію-244 використовувався легший ізотоп - плутоній-242). Це точно відтворює сценарій, який був пророкований теорією про те, що острів знаходиться праворуч, серед ядер, збагачених нейтронами.

Таким чином, синтезовані ядра-ізотопи 114-елемента та їх дочірні продукти альфа-розпаду, нові ізотопи 112 і 110 елементів вже зазнають дій цих структурних сил, що формують «острів стабільності» надважких елементів. І незважаючи на те, що вони знаходяться на значній відстані від вершини острова, їх часи становлять хвилини і десятки хвилин (рис. 4). Це приблизно на 5 порядків підвищує їхню стабільність порівняно з ізотопами тих же елементів, що знаходяться далеко від кордону острова.

Унікальна речовина – кюрій-248 була отримана на потужному реакторі НДІ Атомних Реакторів у м. Димитровграді. Спостереження ланцюжка розпадів 116-елемента було б ще одним доказом отримання 114-елемента - у першому випадку він був отриманий безпосередньо при опроміненні плутонієвої мішені; у цій же реакції в результаті розпаду більш тяжкого батька.

Мал. 4. Карта нуклідів із зазначенням ланцюжків радіоактивного розпаду атомів, синтезованих у ядерних реакціях під впливом прискорених іонів 48 Са. Топографічний фон демонструє силу структурних ефектів у ядрі атома.

Такий експеримент було поставлено нещодавно – і тут вчені пішли на певний ризик.

Якщо реакції утворюється 116-елемент, то після його альфа-розпаду має бути отримано ядро ​​114-елемента; інакше кажучи, у цьому досвіді вчені мали ще раз (вже третій) спостерігати крім 116-елемента весь ланцюжок розпаду 114-елемента.

Після вильоту альфа-частинки від розпаду 116-елемента, прискорювач вимикався і вимикалося все силове обладнання в лабораторії для того, щоб створити абсолютно безфонові умови. Справді, після того, як важке ядро ​​віддачі прийшло в детектор, через 47 мілісекунд вилетіла альфа-частка з енергією 10,56 МеВ, яка відключила все потужне обладнання. Після цього в цілком спокійних умовах спостерігався виліт ще однієї альфа-частинки, потім інший і слідом – спонтанний поділ.

Якщо порівняти ланцюжок розпадів після відключення прискорювача з тим, що спостерігалося для 114-елемента, можна побачити повний збіг за всіма параметрами (рис. 3b). Це справді був розпад 114-го елемента, а, отже, попередня альфа-частка відноситься до 116-го. Сталося це 19 липня 2000 року. У 2001 році досвід був продовжений і в результаті було синтезовано ще 2 ядра 116 елементів.

Тепер можна порівняти передбачення теорії та результати, отримані в експерименті. Для 116-го елемента згідно з теорією зі збільшенням числа нейтронів в ядрі від 166 до 176 час життя ядра мало зрости на 5 порядків. Експеримент дав величину приблизно 6 порядків. Для 114-го елемента картина виглядає так само. При збільшенні числа нейтронів у цьому ядрі від 164 до 174 період напіврозпаду зростає більш як на 6 порядків. Для 112-елемента надлишок 10 нейтронів також збільшує стабільність ядра на 5–6 порядків. Така ж картина й у ізотопів 110-элемента.

Це гарна згода з теоретичною гіпотезою. Крім того, експеримент показує, що надважкі нукліди в цій галузі довгоживучі, ніж це випливало з теорії.

Слід звернути увагу до вершину «острова стабільності». Ця вершина може становити мільйони років. Вона не дотягує до віку Землі, що становить 4,5 мільярда років. Однак, якщо взяти до уваги, що в експерименті ми маємо перевищення стабільності над розрахунковими значеннями на відрогах «острова стабільності», то не виключено присутність надважких елементів у природі, нашій системі, або в космічних променях, тобто в інших системах. Там можуть існувати надважкі елементи, час життя яких обчислюватиметься мільйонами років.

Важлива ще одна обставина: тепер таблиця елементів поповнилася новими 114 та 116 елементами. Експерименти дали нове звучання відомим раніше 112, 110, 108 елементам, оскільки збільшення нейтронів спричинило суттєве зростання часу їхнього життя. Це дозволяє вивчати хімічні властивості цих елементів. Елементи 112, 110 і 108, які живуть хвилини, стали цілком доступні для дослідження їх хімічних властивостей методами сучасної радіохімії. Можна ставити досліди щодо перевірки фундаментального Закону Менделєєва щодо уніфікації властивостей у колонках. Стосовно надважких елементів ми повинні вважати, що 112-й елемент - гомолог кадмію, ртуті; 114-й елемент - аналог олова, свинцю і т. д. Поки що це просто екстраполяція наших уявлень на раніше невідомі елементи. Фундаментальний Закон періодичності хімічних властивостей елементів тепер можна перевіряти експериментально.

Стабільні елементи закінчуються свинцем та вісмутом. Ядра цих атомів є магічними, що визначає підвищену енергію зв'язку нуклонів у ядрі. Потім слідує область радіоактивних елементів, серед яких торій і уран найбільш стійкі. Їх період напіврозпаду можна порівняти з віком нашої планети. У міру просування у бік важчих елементів час життя ядер різко зменшується. Острів радіоактивних елементів має виражені межі. Теорія передбачала, що за «півостровом» слідуватимуть «острова стабільності». Вони будуть розташовані в області дуже важких елементів, ядра яких збагачені нейтронами.

Спроби отримати ці ядра в потужних потоках нейтронів не мали успіху. З іншого боку, в реакціях з важкими іонами, починаючи з 50-х років, вдалося синтезувати 12 штучних елементів з атомними номерами понад 100. Але в ядрах цих елементів не вдалося отримати надлишок нейтронів, який дозволив би відповісти на питання: кінчається світ півостровом радіоактивних ядер або за ним слідуватиме «острів стабільності» ще важчих - надважких елементів.

Використовуючи пучки прискорених іонів ізотопу кальцію-48 і вибираючи в якості мішені штучні елементи - важкі ізотопи плутонію і кюрію, отримані в потужних реакторах, вченим вдалося підійти лише до кордонів цього гіпотетичного «острова стабільності» і тут виявити значне підвищення стабільності надважких елементів. Досліди продовжуються, на черзі – 118 елемент.

Що ж далі? Досягнутий успіх породив нові задуми освоєння відкритої terra incognita. Насамперед, хотілося б отримувати ядра надважких елементів (СТЕ) у великих кількостях. Звичайно, сам факт відкриття нового елемента всього по двох спостережених атомах вражає, але для повнішого вивчення потрібно значно більше. Необхідно створення принципово нових, ефективніших експериментальних установок. На проектні роботи пішло півроку і в даний час в Лабораторії здійснюється проект створення Мас-аналізатора надважких атомів (MASHA). Аналогів такої експериментальної установки у світі немає. З введенням її в дію вчені розраховують одержувати вже десятки атомів СТЕ та досліджувати їх властивості ширше. Реалізується також проект DRIBs, у якому два потужні прискорювачі поєднуються в єдиний комплекс, що дозволить прискорювати атоми радіоактивних ізотопів, зокрема олова-132. Це дасть нові можливості синтезу СТЕ.

Мінатом підключив до програми свої організації та виділив необхідні фінанси (по 15 млн руб. щорічно протягом 4 років). Міннауки виділив спеціальний грант у розмірі 1 млн. руб. Від РАВ ЄС було отримано ексклюзивне право виділення електроенергії для харчування прискорювачів під час проведення експериментів. Американці з Лівермору надіслали безкоштовно плутоній-244. Губернатор Московської області Б. В. Громов виділив Об'єднаному інституту ядерних досліджень зі свого резерву кошти для фінансування досліджень за надважкими елементами (10 млн руб. у 2001 р. та 15 млн руб. у 2002 р.). Не викликає сумнівів, що інтелектуальні та технічні ресурси, накопичені в Дубні та інших аналогічних центрах Росії, необхідно використовувати для розвитку сучасних високотехнологічних та наукомістких процесів, які тільки й можуть забезпечити у майбутньому конкурентоспроможність російської продукції на світовому ринку.

Бібліографія

Bohr N., Wheeler J. The Mechanism of Nuclear Fission//Phys. Rev. 1939. № 56.

Flerov G. N., Petrzhak K. A. Спонтанна fission of 238 U//Phys. Rev. 1940. № 58; J. Phys. USSR. 1940. №3.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin AV, Popeko AG et al. Synthesis nuclei superheavy element 114 в reaction induced by 48 Ca//Nature. 1999. № 400.

Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V. та ін. Synthesis superheavy nuclei в 48 Ca + 244 Pu reaction//Phys. Rev. Lett. 1999. № 83.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin AV, Popeko AG et al. Observation of the decay of 292 116//Phys. Rev. 2001. C 63. 011301/1-011301/2.

Обмеження існування атомних ядер є і з боку надважких елементів. Елементи з Z > 92 у природних умовах не виявлено. Розрахунки за рідкокрапельною моделлю передбачають зникнення бар'єру поділу для ядер з Z2/A ≈ 46 (приблизно 112 елемент). У проблемі синтезу надважких ядер слід виділити два кола питань.

1. Якими властивостями повинні мати надважкі ядра? Чи існуватимуть магічні числа в цій галузі Z та N. Які основні канали розпаду та періоди напіврозпаду надважких ядер?
2. Які реакції слід використовувати для синтезу надважких ядер, типи ядер, що бомбардують, очікувані величини перерізів, очікувані енергії збудження компаунд-ядра і канали зняття збудження?

Так як утворення надважких ядер відбувається в результаті повного злиття ядра мішені і частки, що налітає, необхідно створення теоретичних моделей, що описують динаміку процесу злиття двох стикаються ядер в компаунд-ядро.
Проблема синтезу надважких елементів тісно пов'язана з тим фактом, що ядра з Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (магічні числа) мають підвищену стабільність по відношенню до різних мод радіоактивного розпаду. Це пояснюється у межах оболочечной моделі − магічні числа відповідають заповненим оболонкам. Природно виникає питання про існування наступних магічних чисел Z і N. У разі, якщо вони існують в області N-Z-діаграми атомних ядер N> 150, Z> 101, повинні спостерігатися надважкі ядра, що мають підвищені періоди напіврозпаду, тобто. має існувати Острів Стабільності. У роботі на основі розрахунків, виконаних з використанням потенціалу Вудса-Саксона з урахуванням спинорбітальної взаємодії, було показано, що підвищення стабільності ядер слід очікувати для ядра з Z = 114, тобто наступна заповнена протонна оболонка відповідає Z = 114, заповнена нейтронна оболонка відповідає числу N ~ 184. Замкнуті оболонки можуть суттєво збільшити висоту бар'єру поділу та відповідно збільшити час життя ядра. Таким чином у цій галузі ядер (Z = 114, N ~ 184) слід шукати Острів Стабільності. Цей же результат був незалежно отриманий у роботі.
Ядра з Z = 101-109 були відкриті до 1986 року і отримали назви: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seabor 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium) Враховуючи заслуги дослідників з Дубни у відкритті великої кількості ізотопів важких елементів (102-105), в 1997 році рішенням Генеральної Асамблеї чистої та прикладної з Z = 105 було присвоєно ім'я Dubnium (Db), який раніше називався Ha (Hannium).

Мал. 12.3. Ланцюжки розпадів ізотопів Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112).

Новий етап у дослідженні надважких ядер розпочався у 1994 році, коли було суттєво підвищено ефективність реєстрації та вдосконалено методику спостереження надважких ядер. Як результат були виявлені ізотопи Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) та Cn (Z = 112).
Для отримання надважких ядер використовувалися прискорені пучки 50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn та 82 Se. Як мішені застосовувалися ізотопи 208 Pb і 209 Bi. Різні ізотопи 110 елемента були синтезовані Лабораторії ядерних реакцій ім. Г.М. Флерова за допомогою реакції 244 Pu(34 S,5n) 272 110 і в GSI (Дармштадт) реакції 208 Pb(62 Ni,n) 269 110. Ізотопи 269 Ds, 271 Ds, 272 Rg і 277 Cn реєструвалися (Рис. 12.3).
Велику роль отриманні надважких елементів грають теоретичні моделі, з допомогою яких розраховуються очікувані характеристики хімічних елементів, реакції, у яких можуть утворюватися.
На основі різних теоретичних моделей були розраховані розпадні характеристики надважких ядер. Результати одного з таких розрахунків показано на рис. 12.4. Наведено періоди напіврозпаду парно-парних надважких ядер щодо спонтанного поділу (а), α-розпаду (б), β-розпаду (в) та для всіх можливих процесів розпаду (г). Найбільш стійким ядром по відношенню до спонтанного поділу (рис. 12.4а) є ядро ​​з Z = 114 і N = 184. Для нього період напіврозпаду по відношенню до спонтанного поділу ~1016 років. Для ізотопів 114-го елемента, що відрізняються від найбільш стійкого на 6-8 нейтронів, періоди напіврозпаду зменшуються на
10-15 порядків. Періоди напіврозпаду щодо α-розпаду наведено на рис. 12.5б. Найбільш стійке ядро ​​розташоване в області Z = 114 та N = 184 (T 1/2 = 10 15 років).
Стабільні по відношенню до β-розпаду ядра показані на рис. 12.4 темними точками. На рис. 12.4г наведені повні періоди напіврозпаду, які для парно-парних ядер, розташованих усередині центрального контуру, становлять ~105 років. Таким чином, після обліку всіх типів розпаду виявляється, що ядра на околиці Z = 110 і N = 184 утворюють «острів стабільності». Ядро 294110 має період напіврозпаду близько 10 9 років. Відмінність величини Z від магічного числа 114, що передбачається оболонковою моделлю, пов'язана з конкуренцією між розподілом (щодо якого ядро ​​з Z = 114 найбільш стабільне) і α-розпадом (щодо якого стійкі ядра з меншими Z). У непарно-парних та парно-непарних ядер періоди напіврозпаду по відношенню до
α-розпаду та спонтанного поділу збільшуються, а по відношенню до β-розпаду зменшуються. Слід зазначити, що наведені оцінки сильно залежать від параметрів, використаних у розрахунках, і можуть розглядатися лише як свідчення про можливість існування надважких ядер, що мають часи життя досить великі для їхнього експериментального виявлення.

Мал. 12.4. Періоди напіврозпаду, обчислені для парно-парних надважких ядер (числа позначають періоди напіврозпаду у роках):
а − щодо спонтанного поділу, б − α-розпаду, в − е-захоплення та β-розпаду, г − для всіх процесів розпаду

Результати ще одного розрахунку рівноважної форми надважких ядер та їх періодів напіврозпаду показано на рис. 12.5, 12.6. На рис. 12.5 показано залежність енергії рівноважної деформації від кількості нейтронів та протонів для ядер з Z = 104-120. Енергія деформації визначається як різниця енергій ядер у рівноважній та сферичній формі. З цих даних видно, що в області Z = 114 і N = 184 повинні розташовуватися ядра, що мають в основному стані сферичну форму. Усі виявлені сьогодні надважкі ядра (вони показані на рис. 12.5 темними ромбами) деформовані. Світлими ромбами показані стабільні ядра по відношенню до β-розпаду. Ці ядра повинні розпадатися внаслідок α-розпаду чи поділу. Основним каналом розпаду має бути α-розпад.

Періоди напіврозпаду для парно-парних β-стабільних ізотопів показані на рис. 12.6. Згідно з цими передбаченнями для більшості ядер очікуються періоди напіврозпаду набагато більші, ніж спостерігалися для вже виявлених надважких ядер (0.1–1 мс). Так, наприклад, для ядра 292 Ds передбачається час життя ~ 51 рік.
Таким чином, згідно з сучасними мікроскопічними розрахунками, стабільність надважких ядер різко зростає в міру наближення до магічного числа по нейтронах N = 184. До недавнього часу єдиним ізотопом елемента Z = 112 Cn (коперниці) був ізотоп 277 Cn, що має період напіврозпаду 0. Більш важкий ізотоп 283 Cn був синтезований реакції холодного злиття 48 Ca + 238 U. Час опромінення 25 днів. Повна кількість іонів 48 Ca на мішені − 3.5·10 18 . Зареєстровано два випадки, які були інтерпретовані як спонтанне поділ ізотопу 283 Cn. Для періоду напіврозпаду цього нового ізотопу отримано оцінку T 1/2 = 81 c. Таким чином, видно, що збільшення числа нейтронів в ізотопі 283 Cn порівняно з ізотопом 277 Cn на 6 одиниць збільшує життя на 5 порядків.
На рис. 12.7 взятому з роботи експериментально виміряні періоди α-розпаду порівнюються з результатами теоретичних розрахунків на основі моделі рідкої краплі без урахування оболонкової структури ядер. Видно, що для всіх важких ядер, за винятком легких ізотопів урану, ефекти оболонки збільшують період напіврозпаду на 2–5 порядків для більшості ядер. Ще сильніший вплив оболонкова структура ядра надає на періоди напіврозпаду щодо спонтанного поділу. Збільшення періоду напіврозпаду для ізотопів Pu становить кілька порядків і збільшується для ізотопу 260 Sg.

Мал. 12.7. Експериментально виміряні (● exp) та теоретично розраховані (○ Y) періоди напіврозпаду трансуранових елементів на основі моделі рідкої краплі без урахування оболонкової структури ядра. Верхній малюнок – періоди напіврозпаду для α-розпаду, нижній малюнок – періоди напіврозпаду для спонтанного поділу.

На рис. 12.8 показано виміряний час життя ізотопів сиборгію Sg (Z = 106) у порівнянні з прогнозами різних теоретичних моделей. Привертає увагу зменшення майже на порядок часу життя ізотопу з N = 164 в порівнянні з часом життя ізотопу з N = 162.
Найбільшого наближення до острова стабільності можна досягти реакції 76 Ge + 208 Pb. Надважке майже сферичне ядро ​​може утворитися в реакції злиття з подальшим випромінюванням γ-квантів або одного нейтрона. Згідно з оцінками ядро ​​284 114, що утворюється, повинно розпадатися з випромінюванням α-часток з періодом напіврозпаду ~ 1 мс. Додаткову інформацію про заповненість оболонки в районі N = 162 можна отримати, вивчаючи α-розпади ядер 271 Hs та 267 Sg. Для цих ядер передбачаються періоди напіврозпаду 1 хв. та 1 год. Для ядер 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271,273 Ds очікується прояв ізомерії, причиною якої є заповнення підболочок з j = 1/2 та j = 13/2 в районі N = 162 для ядер деформованих в основному стані.

На рис. 12.9 показані експериментально виміряні функції збудження реакції утворення елементів Rf (Z = 104) і Hs (Z = 108) для реакцій злиття іонів 50 Ti і 56 Fe з ядром-мішенню 208 Pb.
Компаунд-ядро, що утворилося, охолоджується випромінюванням одного або двох нейтронів. Інформація про функції збудження реакцій злиття важких іонів є особливо важливими для отримання надважких ядер. У реакції злиття важких іонів необхідно точно збалансувати дію кулонівських сил та сил поверхневого натягу. Якщо енергія іона, що налітає, недостатньо велика, то відстань мінімального зближення буде недостатньо для злиття подвійної ядерної системи. Якщо енергія частки, що налітає, буде занадто великою, то система, що утворилася в результаті, матиме велику енергію збудження і з великою ймовірністю відбудеться розвал її на фрагменти. Ефективно злиття відбувається у досить вузькому діапазоні енергій зіштовхуючих частинок.

Рис.12.10. Схема потенціалів при злитті 64 Ni та 208 Pb.

Реакції злиття з випромінюванням мінімальної кількості нейтронів (1–2) становлять особливий інтерес, т.к. у надтяжких ядрах, що синтезуються, бажано мати максимально велике відношення N/Z. На рис. 12.10 показаний потенціал злиття для ядер реакції 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds. Найпростіші оцінки показують, що ймовірність тунельного ефекту для злиття ядер становить ~ 10 -21, що істотно нижче за спостережувану величину перерізу. Це можна пояснити так. На відстані 14 Фм між центрами ядер первісна кінетична енергія 236.2 МеВ повністю компенсується кулонівським потенціалом. На цій відстані знаходяться в контакті лише нуклони, розташовані на поверхні ядра. Енергія цих нуклонів мала. Отже, існує висока ймовірність того, що нуклони або пари нуклонів залишать орбіталі в одному ядрі і перемістяться на вільні стани ядра-партнера. Передача нуклонів від ядра, що налітає, ядру-мішені особливо приваблива у випадку, коли в якості мішені використовується двічі магічний ізотоп свинцю 208 Pb. У 208 Pb заповнені протонна підболівка h 11/2 та нейтронні підболілки h 9/2 та i 13/2 . Спочатку передача протонів стимулюється силами тяжіння протон-протон, а після заповнення підболочки h 9/2 - силами тяжіння протон-нейтрон. Аналогічно нейтрони переміщуються у вільну підболочку i 11/2, притягуючись нейтронами із вже заповненої підболочки i 13/2. Через енергію спарювання і великих орбітальних моментів передача пари нуклонів більш ймовірна, ніж передача одного нуклону. Після передачі двох протонів від 64 Ni 208 Pb кулонівський бар'єр зменшується на 14 МеВ, що сприяє більш тісному контакту взаємодіючих іонів та продовження процесу передачі нуклонів.
У роботах [В.В. Волків. Ядерні реакції глибоконепружних передач. М. Видавництво, 1982; В.В. Волків. Изв. АН СРСР серія фіз., 1986 т. 50 с. 1879] було детально досліджено механізм реакції злиття. Показано, що на стадії захоплення формується подвійна ядерна система після повної диссипації кінетичної енергії налітає частки і нуклони однієї з ядер поступово оболонка за оболонкою передаються іншому ядру. Тобто оболонкова структура ядер відіграє істотну роль у освіті компаунд-ядра. На основі цієї моделі вдалося досить добре описати енергію збудження складових ядер та переріз утворення елементів Z = 102–112 у реакціях холодного синтезу.
Таким чином, прогрес у синтезі трансуранових елементів Z = 107-112 був пов'язаний з «відкриттям» реакцій холодного синтезу, в яких магічні ізотопи 208 Pb і 209 Bi опромінювалися іонами з Z = 22-30. Ядро, що утворюється в реакції холодного синтезу, нагріте слабо і охолоджується в результаті випромінювання одного нейтрона. Так вперше було отримано ізотопи хімічних елементів із Z = 107–112. Ці хімічні елементи були отримані у період 1978–1998 років. у Німеччині на спеціально побудованому прискорювачі дослідницького центру GSI у Дармштадті. Однак, подальше просування – до більш важких ядр – таким методом виявляється скрутним через зростання величини потенційного бар'єру між ядрами, що стикаються. Тому в Дубні було реалізовано інший метод отримання надважких ядер. Як мішені використовувалися найбільш важкі ізотопи штучно отриманих хімічних елементів плутонію Pu (Z = 94), америція Am (Z = 95), кюрія Cm (Z = 96), берклію Bk (Z = 97) та каліфорнія Cf (Z = 98) . Як прискорені іони було обрано ізотоп кальцію 48 Ca (Z = 20). Схематичний вигляд сепаратора та детектора ядер віддачі показаний на рис. 12.11.

Мал. 12.11. Схематичний вид сепаратора ядер віддачі, на якому проводяться експерименти щодо синтезу надважких елементів у Дубні.

Магнітний сепаратор ядер віддачі зменшує фон побічних продуктів реакції в 105-107 разів. Реєстрація продуктів реакції здійснювалася за допомогою позиційно-чутливого кремнієвого детектора. Вимірювалися енергія, координати та час прольоту ядер віддачі. Після зупинки всі наступні сигнали від частинок розпаду, що реєструються, повинні виходити з точки зупинки імплантованого ядра. Створена методика дозволяла з високим ступенем надійності (≈ 100%) встановити зв'язок між надважким ядром, що зупинилося в детекторі, і продуктами його розпаду. За допомогою такої методики були надійно ідентифіковані надважкі елементи
Z = 110-118 (табл. 12.2).
У таблиці 12.2 наведено характеристики надважких хімічних елементів з Z = 110–118: масове число A, m − наявність ізомерного стану в ізотопі з масовим числом A, спін-парність J P , енергія зв'язку ядра E св, питома енергія зв'язку ε, енергії відділення нейтро B n і протона B p період напіврозпаду T 1/2 і основні канали розпаду.
Хімічні елементи Z > 112 поки немає назв і наводяться у прийнятих міжнародних позначеннях.

Таблиця 12.2

Характеристики надважких хімічних елементів Z = 110-118

На рис. 12.12 показані всі відомі найважчі ізотопи з Z = 110–118, отримані в реакціях синтезу із зазначенням експериментально виміряного періоду напіврозпаду. Тут же показано теоретично передбачене становище острова стабільності (Z = 114, N = 184).

Мал. 12.12. N-Z-діаграма елементів Z = 110-118.

Отримані результати однозначно вказують зростання стабільності ізотопів при наближенні до двічі магічного ядру (Z = 114, N = 184). Додавання до ядра з Z = 110 і 112 7-8 нейтронів збільшує період напіврозпаду від 2.8 ас (Ds-267) до ≈ 10 с (Ds-168, Ds 271). Період напіврозпаду T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4-5 мс збільшується до T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 хв. Найбільш важкі ізотопи елементів Z = 110-112 містять ≈ 170 нейтронів, що ще далеко від магічного числа N = 184. Усі найважчі ізотопи з Z > 111 та N > 172 розпадаються переважно в результаті
α-розпаду, спонтанний поділ – більш рідкісний розпад. Ці результати перебувають у добрій згоді з теоретичними пророкуваннями.
У Лабораторії ядерних реакцій ім. Г.М. Флерова (Дубна) синтезований елемент із Z = 114. Була використана реакція

Ідентифікація ядра 289114 проводилася по ланцюжку α-розпадів. Експериментальна оцінка періоду напіврозпаду ізотопу 289114 ~ 30 с. Отриманий результат перебуває у добрій згоді з раніше виконаними розрахунками.
При синтезі 114 елемента реакції 48 Cu + 244 Pu максимальний вихід ізотопів з Z = 114 спостерігався в каналі з випаром трьох нейтронів. При цьому енергії збудження складового ядра 289114 була 35 МеВ.
Теоретично передбачувана послідовність розпадів, що відбуваються з ядром 296116, що утворюється в реакції 248 Cm + 48 Ca → 296116, наведена на рис.12.13

Мал. 12.13. Схема розпаду ядра 296116.

Ізотоп 296116 охолоджується в результаті випромінювання чотирьох нейтронів і перетворюється на ізотоп 292116, який далі з 5%-ою ймовірністю в результаті двох послідовних e-захоплень перетворюється на ізотоп 292114. В результаті α-розпаду (T 1/ ) ізотоп 292114 перетворюється на ізотоп 288112. Утворення ізотопу 288112 відбувається і по каналу

Кінцеве ядро ​​288112, що утворюється в результаті обох ланцюжків, має період напіврозпаду близько 1 години і розпадається в результаті спонтанного поділу. Приблизно з 10% ймовірністю в результаті α-розпаду ізотопу 288 114 може утворюватися ізотоп 284 112. Наведені вище періоди і канали розпаду отримані розрахунковим шляхом.
На рис. 12.14 наведено ланцюжок послідовних α-розпадів ізотопу 288115, виміряна в експериментах у Дубні. ER – енергія ядра віддачі, імплантованого в позиційно-чутливий кремнієвий детектор. Можна відзначити гарний збіг у періодах напіврозпаду та енергіях α-розпадів у трьох експериментах, що свідчить про надійність методу ідентифікації надважких елементів за допомогою вимірювань спектрів α-часток.

Мал. 12.14. Ланцюжок послідовних α-розпадів ізотопу 288115, виміряна в експериментах у Дубні.

Найважчий, отриманий у лабораторних умовах елемент із Z = 118, був синтезований у реакції

48 Ca + 249 Cf → 294118 + 3n.

При енергії іонів поблизу кулонівського бар'єру спостерігалося три випадки утворення 118 елементів. Ядра 294118 імплантувалися в кремнієвий детектор і спостерігався ланцюжок послідовних α-розпадів. Перетин освіти 118 елемента становило ~2 пікобарни. Період напіврозпаду ізотопу 293118 дорівнює 120 мс.
На рис. 12.15 показано теоретично розрахований ланцюжок послідовних α-розпадів ізотопу 293 118 та наведено періоди напіврозпаду дочірніх ядер, що утворюються в результаті α-розпадів.

Мал. 12.15. Ланцюжок послідовних α-розпадів ізотопу 293118.
Наведено середні часи життя дочірніх ядер, що утворюються внаслідок α-розпадів.

Аналізуючи різні можливості утворення надважких елементів у реакціях з важкими іонами слід враховувати такі обставини.

1. Необхідно створити ядро ​​з досить великим ставленням числа нейтронів до протонів. Тому в якості частки, що налітає, треба вибирати важкі іони, що мають велике N/Z.
2. Необхідно, щоб компаунд-ядро, що утворюється, мало малу енергію збудження і невелику величину моменту кількості руху, так як в іншому випадку буде знижуватися ефективна висота бар'єру поділу.
3. Необхідно, щоб ядро, що утворюється, мало форму близьку до сферичної, оскільки навіть невелика деформація буде приводити до швидкого поділу надважкого ядра.

Дуже перспективним методом отримання надважких ядер є реакції типу 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На рис. 12.16 наведено оціночні перерізи утворення трансуранових елементів при опроміненні прискореними іонами 238 U мішеней з 248 Cm, 249 Cf та 254 Es. У цих реакціях вже отримані перші результати перерізів утворення елементів з Z > 100. Для збільшення виходів досліджуваних реакцій товщини мішеней вибиралися таким чином, щоб продукти реакції залишалися в мішені. Після опромінення із мішені сепарувалися окремі хімічні елементи. В отриманих зразках протягом декількох місяців реєструвалися продукти α-розпаду та уламки поділу. Дані, отримані за допомогою прискорених іонів урану, ясно вказують на збільшення виходу важких трансуранових елементів порівняно з більш легкими іонами, що бомбардують. Цей факт надзвичайно важливий для вирішення проблеми синтезу надважких ядер. Незважаючи на труднощі роботи з відповідними мішенями, прогнози просування до великих Z виглядають досить оптимістично.

Мал. 12.16. Оцінки перерізів утворення трансуранових елементів у реакціях 238 U з 248 Cm, 249 Cf та 254 Es

Просування в область надважких ядер в останні роки виявилося приголомшливо вражаючим. Проте всі спроби виявити Острів Стабільності поки що не увінчалися успіхом. Пошук інтенсивно триває.
Оболонкова структура атомних ядер відіграє істотну роль у підвищенні стабільності надважких ядер. Магічні числа Z 114 і N 184, якщо вони дійсно існують, можуть призвести до значного підвищення стабільності атомних ядер. Істотним є також те, що розпад надважких ядер відбуватиметься в результаті розпаду, що важливо для розробки експериментальних методів детектування та ідентифікації нових надважких ядер.

ЧИ Є МЕЖ
ПЕРІОДИЧНОЇ ТАБЛИЦІ
Д.І.МЕНДЕЛЄЄВА?

ВІДКРИТТЯ НОВИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Проблема систематизації хімічних елементів привернула до себе пильну увагу в середині XIX ст., коли стало ясно, що різноманіття оточуючих нас речовин є результатом різних поєднань порівняно малої кількості хімічних елементів.

У хаосі елементів та його сполук великий російський хімік Д.И.Менделеев першим навів порядок, створивши свою періодичну таблицю елементів.

1 березня 1869 р. вважається днем ​​відкриття періодичного закону, коли Менделєєв повідомив про нього наукову спільноту. Відомі в той час 63 елементи вчений розмістив у своїй таблиці таким чином, що головні властивості цих елементів та їх сполук змінювалися періодично зі збільшенням їхньої атомної маси. Спостерігаються зміни властивостей елементів у горизонтальному та вертикальному напрямках таблиці дотримувалися суворих правил. Наприклад, яскраво виражений у елементів Іа групи металевий (основний) характер зі збільшенням атомної маси зменшувався по горизонталі таблиці та зростав по вертикалі.

Маючи відкритий закон, Менделєєв передбачив властивості кількох ще відкритих елементів та його місце у періодичної таблиці. Вже 1875 р. було відкрито «екаалюміній» (галій), ще за чотири роки – «екабор» (скандій), а 1886 р. – «екасилицій» (германій). У наступні роки таблиця Менделєєва служила і досі служить орієнтиром у пошуках нових елементів та передбаченні їх властивостей.

Однак ні сам Менделєєв, ні його сучасники не могли відповісти на питання, в чому причини періодичності властивостей елементів, чи існує і де проходить межа періодичної системи. Менделєєв передчував, що причина представленого їм взаємозв'язку між властивостями та атомною масою елементів криється у складності самих атомів.

Лише через багато років після створення періодичної системи хімічних елементів у роботах Е. Резерфорда, Н. Бора та інших вчених було доведено складну будову атома. Подальші досягнення атомної фізики дозволили вирішити багато неясних проблем періодичної системи хімічних елементів. Насамперед виявилося, місце елемента в періодичної таблиці визначається не атомної масою, а зарядом ядра. Стала зрозумілою природа періодичності хімічних властивостей елементів та їх сполук.

Атом почали розглядати як систему, у центрі якої знаходиться позитивно заряджене ядро, а навколо нього обертаються негативно заряджені електрони. При цьому електрони групуються в навколоядерному просторі і рухаються певними орбітами, що входять в електронні оболонки.

Усі електрони атома прийнято позначати за допомогою чисел та літер. Відповідно до цього позначення головні квантові числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 відносяться до електронних оболонок, а літери s, p, d, f, g- До підболочок (орбіт) кожної оболонки. Перша оболонка (вважаючи від ядра) має лише s-електрони, друга може мати s- І p- електрони, третя – s-, p- І d-Електрони, четверта - s-,
p-, d- І f- Електрони та ін.

Кожна оболонка може вмістити цілком певну кількість електронів: перша – 2, друга – 8, третя – 18, четверта та п'ята – по 32. Цим визначається кількість елементів у періодах таблиці Менделєєва. Хімічні властивості елементів зумовлені будовою зовнішньої та передовнішньої електронних оболонок атомів, тобто. тим, скільки електронів вони містять.

Ядро атома складається з позитивно заряджених частинок – протонів та електрично нейтральних частинок – нейтронів, які часто називають одним словом – нуклони. Порядковий номер елемента (його місце у періодичній таблиці) визначається числом протонів у ядрі атома даного елемента. Масове число Аатома елемента дорівнює сумі чисел протонів Zта нейтронів Nв ядрі: A = Z + N. Атоми того самого елемента з різним числом нейтронів в ядрі є його ізотопами.

Хімічні властивості різних ізотопів одного й того самого елемента не відрізняються один від одного, а ядерні – змінюються в широких межах. Це проявляється насамперед у стабільності (або нестабільності) ізотопів, яка суттєво залежить від співвідношення числа протонів та нейтронів у ядрі. Легкі стабільні ізотопи елементів зазвичай характеризуються рівним числом протонів та нейтронів. Зі зростанням заряду ядра, тобто порядкового номера елемента в таблиці, це співвідношення змінюється. У стабільних важких ядер нейтронів майже в півтора рази більше, ніж протонів.

Як і атомні електрони, нуклони утворюють оболонки. Зі збільшенням числа частинок у ядрі послідовно заповнюються протонні та нейтронні оболонки. Ядра з повністю заповненими оболонками є найстабільнішими. Наприклад, дуже стійкою ядерною структурою характеризується ізотоп свинцю Pb-208, який має заповнені оболонки протонів ( Z= 82) та нейтронів ( N = 126).

Подібні заповнені ядерні оболонки аналогічні до заповнених електронних оболонок атомів інертних газів, що представляють окрему групу в періодичній таблиці. Стабільні ядра атомів з повністю заповненими протонними або нейтронними оболонками містять певні магічні числа протонів або нейтронів: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 184. Таким чином, атомів елементів в цілому, як і за хімічними властивостям, властива також періодичність та ядерні властивості. Серед різних поєднань числа протонів і нейтронів у ядрах ізотопів (парно-парних; парно-парних; непарно-парних; непарно-парних) саме ядра, що містять парне число протонів і парне число нейтронів, відрізняються найбільшою стійкістю.

Природа сил, які утримують у ядрі протони і нейтрони, поки що недостатньо ясна. Вважають, що між нуклонами діють дуже великі гравітаційні сили тяжіння, які сприяють збільшенню стабільності ядер.

ДоУ середині 30-х років минулого століття періодична таблиця була розроблена настільки, що показувала становище вже 92 елементів. Під порядковим номером 92 був уран – останній зі знайдених Землі ще 1789 р. природних важких елементів. З 92 елементів таблиці лише елементи з порядковими номерами 43, 61, 85 та 87 у тридцяті роки були точно встановлені. Вони були відкриті та вивчені пізніше. Рідкоземельний елемент з атомним номером 61 – прометій – було виявлено у малих кількостях у рудах як продукт мимовільного розпаду урану. Аналіз атомних ядер відсутніх елементів показав, що вони радіоактивні, причому через коротких періодів їх піврозпаду вони можуть існувати Землі в помітних концентраціях.

У зв'язку з тим, що останнім важким елементом, знайденим Землі, був елемент з атомним номером 92, можна було припустити, що і є природною межею періодичної таблиці Менделєєва. Проте досягнення атомної фізики вказали шлях, яким виявилося можливим переступити через поставлену природою кордон періодичної таблиці.

Елементи з б пробільшими атомними номерами, ніж у урану, називають трансурановими. За своїм походженням ці елементи є штучними (синтетичними). Їх отримують шляхом ядерних реакцій трансформації елементів, які у природі.

Першу спробу, хоча зовсім вдалу, відкрити трансурановую область періодичної системи зробив італійський фізик Енріко Фермі у Римі невдовзі по тому, як було доведено існування нейтронів. Але лише у 1940–1941 роках. успіху у відкритті перших двох трансуранових елементів, а саме нептунія (атомний номер 93) та плутонію (атомний номер 94), досягли американські вчені з Каліфорнійського університету в Берклі.

В основі методів одержання трансуранових елементів лежить кілька видів ядерних реакцій.

Перший вид – нейтронний синтез. У цьому вся методі в ядрах важких атомів, опромінених нейтронами, відбувається перетворення однієї з нейтронів на протон. Реакція супроводжується так званим електронним розпадом (-розпадом) - утворенням і викидом з ядра з величезною кінетичною енергією негативно зарядженої -частки (електрона). Реакція можлива за надлишку в ядрі нейтронів.

Протилежною реакцією є перетворення протона в нейтрон з випромінюванням позитивно зарядженої +-частки (позитрона). Подібний позитронний розпад (+-розпад) спостерігається за нестачі в ядрах нейтронів і призводить до зменшення заряду ядра, тобто. для зменшення атомного номера елемента на одиницю. Аналогічний ефект досягається, коли протон перетворюється на нейтрон за рахунок захоплення найближчого орбітального електрона.

Нові трансуранові елементи спочатку були отримані з урану методом нейтронного синтезу в ядерних реакторах (як продукти вибуху ядерних бомб), і потім синтезовані з допомогою прискорювачів частинок – циклотронів.

Другий вид – реакції між ядрами атомів вихідного елемента («мішені») та ядрами атомів легких елементів (ізотопів водню, гелію, азоту, кисню та інших), що використовуються як бомбардуючі частинки. Протони в ядрах "мішені" і "снаряда" мають позитивний електричний заряд і відчувають сильне відштовхування при наближенні один до одного. Щоб подолати сили відштовхування, утворити складове ядро ​​необхідно забезпечити атоми «снаряда» дуже великою кінетичною енергією. Такою величезною енергією частки, що бомбардують, запасаються в циклотронах. Проміжне складове ядро, що утворилося, володіє досить великою надмірною енергією, яка повинна бути вивільнена для стабілізації нового ядра. У разі важких трансуранових елементів ця надлишкова енергія, коли не відбувається розподілу ядер, розсіюється шляхом випромінювання променів (високоенергетичного електромагнітного випромінювання) і «випаровування» нейтронів із збуджених ядер. Ядра атомів нового елемента є радіоактивними. Вони прагнуть досягти вищої стійкості шляхом зміни внутрішньої будови через радіоактивний електронний - -розпад чи -розпад і мимовільне поділ. Такі ядерні реакції притаманні найважчим атомам елементів із порядковими номерами вище 98.

Реакцію спонтанного, мимовільного поділу ядер атомів радіоактивних елементів було відкрито нашим співвітчизником Г.Н.Флеровим та чехом К.А.Петржаком в Об'єднаному інституті ядерних досліджень (ОІЯД, м. Дубна) у дослідах з ураном-238. Збільшення порядкового номера призводить до швидкого зменшення напіврозпаду ядер атомів радіоактивних елементів.

У зв'язку з цим фактом видатний американський вчений Г.Т.Сіборг, лауреат Нобелівської премії, який брав участь у відкритті дев'яти трансуранових елементів, вважав, що відкриття нових елементів, ймовірно, закінчиться приблизно елемент з порядковим номером 110 (за властивостями аналогічному платині). Ця думка про межі періодичної таблиці була висловлена ​​в 60-ті роки минулого сторіччя з застереженням: якщо не будуть відкриті нові методи синтезу елементів та існування поки невідомих областей стійкості найважчих елементів. Деякі з таких можливостей було виявлено.

Третій вид ядерних реакцій синтезу нових елементів – реакції між високоенергетичними іонами із середньою атомною масою (кальцію, титану, хрому, нікелю) як бомбардуючі частинки та атоми стабільних елементів (свинцю, вісмуту) як «мішень» замість важких радіоактивних ізотопів. Цей шлях отримання більш важких елементів було запропоновано у 1973 р. нашим вченим Ю.Ц.Оганесяном з ОІЯД та успішно використано в інших країнах. Головна перевага запропонованого методу синтезу полягала в утворенні менш «гарячих» складових ядер при злитті ядер «снаряду» та «мішені». Вивільнення надлишкової енергії складових ядер у разі відбувалося внаслідок «випаровування» істотно меншого числа нейтронів (одного чи двох замість чотирьох чи п'яти).

Незвичайна ядерна реакція між іонами рідкісного ізотопу Са-48, прискореними в циклотроні
У-400, і атомами актиноїдного елемента кюрія Cm-248 з утворенням елемента-114 («екасвинця») була відкрита в Дубні в 1979 р. Було встановлено, що в цій реакції утворюється холодне ядро, що не випаровує жодного нейтрону , а всю надмірну енергію забирає одна -частка. Це означає, що для синтезу нових елементів може бути реалізовано також четвертий виглядядерних реакцій між прискореними іонами атомів із середніми масовими числами та атомами важких трансуранових елементів.

Урозвитку теорії періодичної системи хімічних елементів велику роль відіграло зіставлення хімічних властивостей та будови електронних оболонок лантаноїдів із порядковими номерами 58–71 та актиноїдів із порядковими номерами 90–103. Було показано, що подібність хімічних властивостей лантаноїдів та актиноїдів зумовлена ​​подібністю їх електронних структур. Обидві групи елементів є прикладом внутрішнього перехідного ряду із послідовним заповненням 4 f- або 5 f-електронних оболонок відповідно після заповнення зовнішніх s- І р-електронних орбіталей.

Елементи з порядковими номерами в періодичній таблиці 110 та вище були названі надважкими. Просування відкриття цих елементів стає дедалі складнішим і довгим, т.к. недостатньо провести синтез нового елемента, потрібно його ідентифікувати і довести, що новий елемент має лише йому властиві властивості. Проблеми викликані тим, що з вивчення властивостей нових елементів доступним виявляється невелика кількість атомів. Час, протягом якого можна вивчати новий елемент до того, як відбудеться радіоактивний розпад, зазвичай дуже невеликий. У цих випадках, навіть коли отримано лише один атом нового елемента, для його виявлення та попереднього вивчення деяких характеристик використовують метод радіоактивних індикаторів.

Елемент-109 – мейтнерій – це останній елемент у періодичній таблиці, представленій у більшості підручників з хімії. Елемент-110, що належить до тієї ж групи періодичної таблиці, що і платина, був вперше синтезований в Дармштадт (Німеччина) в 1994 р. за допомогою потужного прискорювача важких іонів по реакції:

Час напіврозпаду отриманого ізотопу вкрай мало. У серпні 2003 р. 42-а Генеральна асамблея ІЮПАК та Рада ІЮПАК (Міжнародний союз з чистої та прикладної хімії) офіційно затвердили назву та символ елемента-110: дармштадтій, Ds.

Там же, в Дармштадті, в 1994 р. вперше було отримано елемент-111 шляхом впливу пучка іонів ізотопу 64 28 Ni на атоми 209 83 Bi як «мішень». Своїм рішенням у 2004 р. ІЮПАК визнав відкриття та схвалив пропозицію назвати елемент-111 рентгеном, Rg, на честь видатного німецького фізика В.К.Рентгена, який відкрив Х-промені, яким він дав таку назву через невизначеність їхньої природи.

За інформацією, отриманою з ОІЯД, у Лабораторії ядерних реакцій ім. Г.Н.Флерова здійснено синтез елементів із порядковими номерами 110–118 (за винятком елемента-117).

В результаті синтезу реакції:

в Дармштадті в 1996 р. отримано кілька атомів нового елемента-112, що розпадається з виділенням частинок. Період напіврозпаду цього ізотопу становив лише 240 мікросекунд. Трохи пізніше в ОІЯД пошук нових ізотопів елемента-112 провели, опромінюючи атоми U-235 іонами Са-48.

У лютому 2004 р. у престижних наукових журналах з'явилися повідомлення про відкриття в ОІЯД нашими вченими спільно з американськими дослідниками з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі (США) двох нових елементів з номерами 115 та 113. Цією групою вчених у експериментах, проведених у липні– серпні 2003 р. на циклотроні У-400 з газонаповненим сепаратором, реакції між атомами Am-243 і іонами ізотопу Ca-48 були синтезовані 1 атом ізотопу елемента-115 з масовим числом 287 і 3 атома з масовим числом 288. Всі чотири атоми -115 швидко розпадалися з виділенням -часток та утворенням ізотопів елемента-113 з масовими числами 282 і 284. Найбільш стабільний ізотоп 284113 мав період напіврозпаду близько 0,48 с. Він руйнувався з емісією частинок і перетворювався на ізотоп рентгену 280 Rg.

У вересні 2004 р. група японських вчених із Фізико-хімічного дослідницького інституту під керівництвом Косукі Моріта (Kosuke Morita)заявила, що ними синтезований елемент-113 реакції:

При його розпаді з виділенням частинок отримано ізотоп рентгену 274 Rg. Оскільки це перший штучний елемент, отриманий японськими вченими, вони вважають, що вправі зробити пропозицію назвати його «японією».

Вище відзначався незвичайний синтез ізотопу елемента-114 з масовим числом 288 з кюрія. У 1999 р. з'явилося повідомлення про отримання в ОІЯД цього ж ізотопу елемента-114 шляхом бомбардування іонами Са-48 атомів плутонію з масовим числом 244.

Було також заявлено про відкриття елементів з порядковими номерами 118 та 116 внаслідок тривалих спільних досліджень ядерних реакцій ізотопів каліфорнію Cf-249 та кюрію Сm-245 з пучком важких іонів Са-48, проведених російськими та американськими вченими у період 2002–2005. в ОІЯД. Елемент-118 замикає 7-й період таблиці Менделєєва, що за своїми властивостями є аналогом благородного газу радону. Елемент-116 повинен мати деякі властивості, спільні з полонієм.

За традицією, що склалася, відкриття нових хімічних елементів та їх ідентифікація мають бути підтверджені рішенням ІЮПАК, але право запропонувати назви елементам надається першовідкривачам. Подібно до карти Землі, періодична таблиця відобразила назви територій, країн, міст і наукових центрів, де були відкриті та вивчені елементи та їх сполуки, увічнила імена знаменитих учених, які зробили великий внесок у розвиток періодичної системи хімічних елементів. І не випадково елемент-101 названий ім'ям Д.І.Менделєєва.

Для відповіді питання, де може проходити межа періодичної таблиці, свого часу було проведено оцінка електростатичних сил тяжіння внутрішніх електронів атомів до позитивно зарядженому ядру. Чим більший порядковий номер елемента, тим сильніше стискається електронна «шуба» навколо ядра, тим сильніше внутрішні електрони притягуються до ядра. Має наступити такий момент, коли електрони почнуть захоплюватися ядром. Внаслідок такого захоплення та зменшення заряду ядра існування дуже важких елементів стає неможливим. Подібна катастрофічна ситуація має виникнути за порядкового номера елемента, що дорівнює 170–180.

Ця гіпотеза була спростована і показано, що немає обмежень для існування дуже важких елементів з погляду уявлень про будову електронних оболонок. Обмеження виникають внаслідок нестійкості самих ядер.

Однак слід сказати, що час життя елементів зменшується нерегулярно зі зростанням атомного номера. Наступна очікувана область стійкості надважких елементів, обумовлена ​​появою замкнених нейтронних або протонних оболонок ядра, повинна лежати в околиці двічі магічного ядра зі 164 протонами та 308 нейтронами. Можливості відкриття таких елементів поки що не зрозумілі.

Таким чином, питання про межі періодичної таблиці елементів, як і раніше, зберігається. Виходячи з правил заповнення електронних оболонок із збільшенням атомного номера елемента, прогнозований 8-й період таблиці Менделєєва має містити суперактиноїдні елементи. Відведене їм місце в періодичній таблиці Д.І.Менделєєва відповідає III групі елементів, подібно до вже відомих рідкісноземельних і актиноїдних трансуранових елементів.

До кінця 60-х років зусиллями багатьох теоретиків - О. Бором та Б. Мотельсоном (Данія), С. Нільсоном (Швеція), В.М. Струтінським та В.В. Пашкевичем (СРСР), Х. Майєрсом та В. Святецьким (США), А. Собичевським та ін. (Польща), В. Грайнером та ін. (Німеччина), Р. Ніксом та П. Меллером (США), Ж. Берже (Франція) та багатьма іншими була створена мікроскопічна теорія атомних ядер. Нова теорія привела всі вищезгадані протиріччя у струнку систему фізичних закономірностей.
Як будь-яка теорія, вона мала певну передбачувальну силу, зокрема, у передбаченні властивостей дуже важких, ще невідомих ядер. Виявилося, що стабілізуючий ефект ядерних оболонок буде працювати і за межами позначеними крапельною моделлю ядра (тобто в області Z > 106) утворюючи т.зв. «острова стабільності» навколо магічних чисел Z=108, N=162 та Z=114, N=184. Як видно на рис.2 час життя надважких ядер, розташованих у цих «острівах стабільності», може істотно зростати. Особливо це стосується найбільш важких, надважких елементів, де ефект замкнутих оболонок Z=114 (можливо 120) і N=184 підвищує періоди напіврозпаду до десятків, сотень тисяч і, можливо, мільйонів років, тобто. - на 32-35 порядків більше, ніж у разі відсутності ефекту ядерних оболонок. Так виникла інтригуюча гіпотеза про можливе існування надважких елементів, що значно розширює межі матеріального світу. Прямою перевіркою теоретичних передбачень став синтез надважких нуклідів і визначення їх властивостей розпаду. Тому нам доведеться коротко розглянути ключові питання, пов'язані зі штучним синтезом елементів.

2. Реакції синтезу важких елементів

Елементи важче Рт (Z=100) були синтезовані у реакціях з прискореними важкими іонами, як у ядро-мішень вноситься комплекс протонів і нейтронів. Але цей тип реакції відрізняється від попереднього випадку. При захопленні нейтрона, що не має електричного заряду, енергія збудження нового ядра складає всього 6 - 8 МеВ. На відміну від цього, при злитті ядер мішені навіть із легкими іонами, такими як гелій (4 Не) або вуглець (12 С), важкі ядра будуть нагріті до енергії Е х = 20 - 40 МеВ. З подальшим збільшенням атомного номера ядра-снаряда йому необхідно буде повідомляти дедалі більшу енергію для подолання електричних сил розштовхування позитивно заряджених ядер (кулонівського бар'єру реакції). Ця обставина призводить до зростання енергії збудження (нагріву) компаунд ядра, що утворюється після злиття двох ядер - снаряда та мішені. Його охолодження (перехід в основний стан Ех = 0) відбуватиметься у вигляді нейтронів і гамма-променів. І тут виникає перша перешкода.

Нагріте важке ядро ​​лише в 1/100 частці випадків зможе випустити нейтрон, в основному воно буде ділитися на два уламки тому що енергія ядра істотно вище висоти його бар'єра поділу. Легко зрозуміти, що збільшення енергії збудження компаунд ядра згубно для нього. Імовірність виживання нагрітого ядра різко падає зі збільшенням температури (або енергії Е х) через збільшення числа нейтронів, що випаровуються, з якими сильно конкурує поділ. Щоб охолодити ядро, нагріте до енергії близько 40 МеВ, необхідно випарувати 4 чи 5 нейтронів. Щоразу з випромінюванням нейтрону конкуруватиме розподіл, унаслідок чого ймовірність виживання буде всього (1/100) 4-5 =10 -8 -10 -10 . Ситуація ускладнюється тим, що зі зростанням температури ядра зменшується стабілізуючий ефект оболонок, отже, зменшується висота бар'єру поділу і розподіл ядра різко зростає. Обидва ці фактори призводять до виключно малої ймовірності утворення надважких нуклідів.

Просування в область елементів важче 106 стало можливим після відкриття 1974 р. т.зв. реакцій "холодного злиття". У цих реакціях як мішений матеріал використовуються "магічні" ядра стабільних ізотопів - 208 РЬ (Z=82, N=126) або 209 Bi (Z=83, N=126), які бомбардуються іонами важче за аргон (Ю.Ц. Оганесян) , А. Г. Дьомін та ін). У процесі злиття висока енергія зв'язку нуклонів у "магічному" ядрі-мішені призводить до поглинання енергії при перебудові двох ядер, що взаємодіють.
у важке ядро ​​сумарної маси. Ця різниця в енергіях "упаковки" нуклонів у взаємодіючих ядрах і в кінцевому ядрі значною мірою компенсує енергію необхідну для подолання високого кулонівського бар'єру реакції. В результаті важке ядро ​​має енергію збудження всього 12-20 МеВ. Певною мірою подібна реакція подібна до процесу «зворотного поділу». Дійсно, якщо розподіл ядра урану на два уламки відбувається з виділенням енергії, (вона використовується в атомних електростанціях), то у зворотній реакції, при злитті осколків, ядро ​​урану, що утвориться, буде майже холодним. Тому при синтезі елементів у реакціях холодного злиття важкому ядру достатньо випустити лише один або два нейтрони, щоб перейти в основний стан.
Реакції холодного злиття масивних ядер були успішно використані для синтезу шести нових елементів, від 107 до 112-го (П. Армбрустер, З. Хофман, Г. Мюнценберг та ін.) в Національному ядерно-фізичному центрі GSI в Дармштадті (Німеччина). Нещодавно К. Моріта та ін. у Національному центрі RIKEN (Токіо) повторили досліди GSI із синтезу 110-112 елементів. Обидві групи мають намір рухатися далі, елементи 113 і 114, використовуючи більш важкі снаряди. Однак спроби синтезу все більш важких елементів у реакціях холодного злиття пов'язані з великими труднощами. Зі збільшенням атомного заряду іонів ймовірність їх злиття з ядрами мішені 208 РЬ або 209 Bi сильно зменшується через зростання кулонівських сил відштовхування пропорційних, як відомо, зарядів ядер. Від елемента 104, який може бути отриманий реакції 208 РЬ + 50 Тi (Z 1 × Z 2 = 1804) до елемента 112 реакції 208 РЬ + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), ймовірність злиття зменшується більш ніж у 104 разів.

Малюнок 3Мапа важких нуклідів. Періоди напіврозпаду ядер представлені різним кольором (права шкала). Чорні квадрати - ізотопи стабільних елементів, виявлених у земній корі (Т 1/2 ≥ 109 років). Темно-синій колір – «море нестабільності», де ядра живуть менше 10 -6 секунд. Жовті лінії відповідають замкнутим оболонкам із зазначенням магічних чисел протонів та нейтронів. «Острова стабільності» наступні за «півостровом» торію, урану та трансуранових елементів – передбачення мікроскопічної теорії ядра. Два ядра з Z = 112 і 116, отримані в різних ядерних реакціях та їх послідовний розпад, показують, наскільки близько можна підійти до «острів стабільності» при штучному синтезі надважких елементів.

Є й інше обмеження. Компаунд ядра, отримані в реакціях холодного злиття, мають відносно малу кількість нейтронів. У цьому випадку утворення 112-го елемента кінцеве ядро ​​з Z = 112 має тільки 165 нейтронів, у той час як підйом стабільності очікується для числа нейтронів N > 170 (див рис.3).

Ядра з великим надлишком нейтронів можуть бути в принципі отримані, якщо в якості мішеней використовувати штучні елементи: плутоній (Z=94), америцій (Z=95) або кюрій (Z=96), що наробляються в ядерних реакторах, а як снаряд - рідкісний ізотоп кальцію – 48 Са. (Див. далі).

Ядро атома 48 Са містить 20 протонів і 28 нейтронів - обидва значення відповідають замкнутим оболонкам. У реакціях злиття з ядрами 48 Са працюватиме також їх "магічна" структура (цю роль у реакціях холодного злиття грали магічні ядра мішені - 208 РЬ), внаслідок чого енергія збудження надважких ядер буде близько 30 - 35 МеВ. Їхній перехід в основний стан супроводжуватиметься емісією трьох нейтронів та гамма променів. Можна було очікувати, що при цій енергії збудження ефект ядерних оболонок ще присутній у нагрітих надважких ядрах, це підвищить їхню виживання і дозволить нам їх синтезувати в наших експериментах. Зазначимо також, що асиметрія мас ядер, що взаємодіють (Z 1 × Z 2 ≤ 2000) зменшує їх кулонівське відштовхування і тим самим збільшує ймовірність злиття.

Незважаючи на ці, здавалося б, очевидні переваги, всі попередні спроби синтезу надважких елементів у реакціях з іонами 48 Са, зроблені у різних лабораторіях у 1977 – 1985 роках. виявились не результативними. Однак розвиток експериментальної техніки в останні роки і, перш за все, отримання в нашій лабораторії інтенсивних пучків іонів 48 Са на прискорювачах нового покоління дозволили збільшити чутливість експерименту майже в 1000 разів. Ці досягнення були використані у новій спробі синтезу надважких елементів.

3 Очікувані властивості

Що ми очікуємо побачити в експерименті у разі успішного синтезу? Якщо теоретична гіпотеза справедлива, надважкі ядра будуть стабільні щодо спонтанного поділу. Тоді вони будуть відчувати інший тип розпаду: альфа - розпад (емісія ядра гелію, що складається з 2 протонів і 2 нейтронів). В результаті цього процесу утворюється дочірнє ядро ​​на 2 протони і 2 нейтрони легше материнського. Якщо у дочірнього ядра ймовірність спонтанного поділу також мала, то після другого альфа - розпаду внучате ядро ​​тепер буде вже на 4 протона і 4 нейтрони легше за початкове ядро. Альфа - розпади будуть продовжуватися до тих пір, поки не настане спонтанний поділ (рис.4).

Т. о. ми очікуємо побачити не один розпад, а «радіоактивне сімейство», ланцюжок послідовних альфа - розпадів, досить тривалих за часом (в ядерному масштабі), які конкурують, але, зрештою, перериваються спонтанним поділом. У принципі, такий сценарій розпаду вже свідчить про утворення надважкого ядра.

Щоб побачити очікуваний підйом стабільності повною мірою необхідно підійти якомога ближче до замкнутих оболонок Z = 114 і N = 184. Синтезувати в ядерних реакціях настільки нейтронно-надлишкові ядра надзвичайно важко, тому що при злитті ядер стабільних елементів, в яких вже є певне співвідношення протонів і нейтронів, неможливо дістатися до двічі магічного ядра 298 114. Тому нам необхідно спробувати використовувати реакції ядра, які спочатку містять максимально можливе число нейтронів. Цим, значною мірою, був також обумовлений вибір як снаряд прискорених іонів 48 Са. Кальція, як відомо, у природі багато. Він складається на 97% із ізотопу 40 Са, ядро ​​якого містить 20 протонів і 20 нейтронів. Але в ньому міститься в кількості 0.187% важкий ізотоп - 48 Са (20 протонів та 28 нейтронів) який має 8 надлишкових нейтронів. Технологія його отримання дуже трудомістка та дорога; вартість одного грама збагаченого 48 Са - близько $200,000. Тому довелося змінити істотно конструкцію і режими роботи нашого прискорювача для того, щоб знайти компромісне рішення - отримати максимальну інтенсивність пучка іонів при мінімальній витраті цього екзотичного матеріалу.

Малюнок 4
Теоретичні передбачення про типи розпаду (показані різним кольором на малюнку) та періоди напіврозпаду ізотопів надважких елементів з різним числом протонів та нейтронів. Як приклад показано, що для ізотопу 116-го елемента з масою 293, що утворюється реакції злиття ядер 248 Ст і 48 Са, очікуються три послідовних альфа - розпаду які завершуються спонтанним розподілом правнучастого ядра 110-го елемента з масою 281. Рис.8 саме такий сценарій розпаду, у вигляді ланцюжка α - α - α - SF, спостерігається для цього ядра в експерименті. Розпад легшого ядра - ізотопу 110-го елемента з масою 271 отриманий реакції «холодного злиття» ядер 208 Pb + 64 Ni. Його період напіврозпаду в 10 4 разів менше ніж у ізотопу 281 110.

Сьогодні ми досягли рекордної інтенсивності пучка - 8 × 10 12 /с, при дуже низькій витраті ізотопу 48 Са - близько 0.5 міліграма/год. Як мишений матеріал ми використовуємо довгоживучі збагачені ізотопи штучних елементів: Pu, Am, Cm і Cf (Z = 94-96 і 98) також з максимальним вмістом нейтронів. Вони виробляються у потужних ядерних реакторах (у м. Ок-Ріджі, США та у м. Димитровграді, Росія) і потім збагачуються на спеціальних установках, мас-сепараторах у Всеросійському науково-дослідному інституті експериментальної фізики (м. Саров). Реакції злиття ядер 48 Са з ядрами цих ізотопів було обрано синтезу елементів з Z = 114 - 118 .

Тут я хотів би зробити певний відступ.

Далеко не кожна лабораторія, навіть провідних ядерних центрів світу, має такі унікальні матеріали, і в такій кількості, які ми використовуємо в нашій роботі. Але технології їхнього одержання були розроблені в нашій країні і вони напрацьовуються нашою промисловістю. Міністр атомної енергії Росії запропонував нам розробити програму робіт із синтезу нових елементів на 5 років та виділив спеціальний грант на проведення цих досліджень. З іншого боку, працюючи в Об'єднаному інституті ядерних досліджень ми широко співпрацюємо (і конкуруємо) з провідними лабораторіями світу. У дослідженнях із синтезу надважких елементів ми щільно співпрацюємо протягом багатьох років із Ліверморською національною лабораторією (США). Це співробітництво як об'єднує наші зусилля, а й створює умови, у яких експериментальні результати обробляються і аналізуються двома групами незалежним чином всіх етапах експерименту.
За 5 років роботи протягом тривалих опромінень була набрана доза близько 2 × 10 20 іонів (близько 16 міліграм 48 Са, прискореного до ~ 1/10 швидкості світла, пройшло через шари мішеней). У цих експериментах спостерігалося утворення ізотопів 112÷118 елементів (за винятком 117 елемента) і були отримані перші результати про властивості розпаду нових надважких нуклідів. Подання всіх результатів зайняло б занадто багато місця і, щоб не втомлювати читача, ми обмежимося описом лише останнього експерименту синтезу 113 і 115 елементів - решта реакцій були досліджені подібним чином. Але перш ніж приступити до цього завдання, доцільно було б коротко викласти постановку експерименту та пояснити основні засади нашої установки.

4. Постановка експерименту

Малюнок 5
Схематичний вид установки для сепарації ядер віддачі в експериментах із синтезу важких елементів

Подумки всю поверхню детектора можна у вигляді близько 500 осередків (пікселів), у яких детектуються розпади. Імовірність того, що два сигнали потраплять випадковим чином в одне і те ж місце становить 1/500, три сигнали - 1/250000 і т.д. Це дозволяє вибрати, з великою надійністю, з величезної кількості радіоактивних продуктів дуже рідкісні події генетично пов'язаних послідовних розпадів надважких ядер, навіть якщо вони утворюються виключно невеликій кількості (~1 атом/місяць).

5. Експериментальні результати

Для того щоб показати установку «в дії» опишемо як приклад докладніше експерименти по синтезу 115 елемента, що утворюється в реакції злиття ядер 243 Am(Z=95) + 48 Са(Z=20) → 291 115.
Синтез Z-непарного ядра привабливий тим, що наявність непарного протона чи нейтрона істотно знижує ймовірність спонтанного поділу і кількість послідовних альфа-переходів буде більше (довгі ланцюжки), ніж у разі розпаду парно-парних ядер. Для подолання кулонівського бар'єру іони 48 Са повинні мати енергію Е > 236 MeV. З іншого боку, виконуючи цю умову, якщо обмежити енергію пучка величиною Е=248 MeV, то теплова енергія компаунд ядра 291115 буде близько 39 MeV; його охолодження відбудеться за допомогою емісії 3-х нейтронів та гамма-променів. Тоді продуктом реакції буде ізотоп 115 елемента із числом нейтронів N=173. Вилетівши з мишеного шару, атом нового елемента, пройде через сепаратор налаштований його пропускання і потрапить у детектор. Далі події розвиваються так, як показано на рис.6. Через 80 мікросекунд після зупинки ядра віддачі у фронтальному детекторі, в систему збору даних надходять сигнали про його час приходу, енергію і координати (номер стрипу і позиція в ньому). Зазначимо, що ця інформація має ознаку "TOF" (прийшов із сепаратора). Якщо протягом 10 секунд з того ж місця на поверхні детектора настане другий сигнал з енергією більше 9.8 MeV, без ознаки "TOF" (тобто від розпаду імплантованого атома) пучок відключається і весь подальший розпад реєструється в умовах практично повної відсутності фону. Як видно на верхньому графіку рис 6 за першими двома сигналами - від ядра віддачі і першої альфа-частинки - за час близько 20 с. після відключення пучка, було ще 4 інших сигнали, позиції яких, з точністю ± 0.5 мм, збігається з попередніми сигналами. Протягом наступних 2.5 години детектор мовчав. Спонтанний поділ у тому самому стрипі і в тій же позиції було зареєстровано лише наступного дня, через 28.7 годин у вигляді двох сигналів від уламків поділу з сумарною енергією 206 MeV.
Такі ланцюжки були зареєстровані тричі. Вони всі мають однаковий вид (6 поколінь ядер у радіоактивному сімействі) і узгоджуються один з одним як за енергією альфа - частинок так і за часом їх появи, з урахуванням експоненційного закону розпаду ядер. Якщо ефект, що спостерігається, відноситься, як очікувалося, до розпаду ізотопу 115-го елемента з масою 288, що утворюється після випаровування компаунд ядром 3-х нейтронів, то при збільшенні енергії пучка іонів 48 Са всього на 5 MeV він повинен зменшиться в 5-6 разів. Справді, за Е = 253 МеВ ефект був відсутній. Але тут був спостеріганий інший, більш короткий, ланцюжок розпадів, що складається з чотирьох альфа - частинок (ми вважаємо, що їх теж було 5, але остання альфа частка вилетіла у відкрите вікно) тривалістю всього 0.4 с. Новий ланцюжок розпадів закінчився через — 1.5 години спонтанним поділом. Очевидно, що це розпад іншого ядра, з великою ймовірністю сусіднього ізотопу 115 елемента з масою 287, що утворюється в реакції злиття з випромінюванням 4-х нейтронів. Ланцюжок послідовних розпадів непарно-непарного ізотопу Z = 115, N = 173 представлена ​​на нижньому графіку рис.6 , де наведені у вигляді контурної карти розрахункові періоди напіврозпаду надважких нуклідів з різним числом протонів і нейтронів. Тут показаний також розпад іншого, легшого непарно-непарного ізотопу 111-го елемента з числом нейтронів N=161 синтезованого реакції 209 Bi+ 64 Ni в німецькій Лабораторії - GSI (м. Дармштадт) і потім і в японській - RIKEN(Токіо).

Малюнок 6
Експеримент із синтезу 115 елемента реакції 48 Са + 243 Ат.
На верхньому малюнку наведено час появи сигналів після імплантації в детектор ядра віддачі (R). Червоним відмічені сигнали від реєстрації альфа - частинок, зеленим - від спонтанного поділу. Як приклад, для однієї з трьох подій наведено позиційні координати (в мм) всіх 7 сигналів від ланцюжка розпаду R →α 1 → α 2 → α 3 → α 4 →α 5 → SF зареєстрованої у стрипі № 4. На нижньому малюнку показані ланцюжки розпадів ядер з Z=111, N=161 та Z=115, N=173. Контурні лінії, що окреслюють області ядер із різними періодами напіврозпаду (різна міра затемнення) - передбачення мікроскопічної теорії.

Насамперед, слід зазначити, що періоди напіврозпаду ядер в обох випадках добре узгоджуються з теоретичними передбаченнями. Незважаючи на те, що ізотоп 288115 видалений від нейтронної оболонки N=184 на 11 нейтронів, ізотопи 115 і 113 елементів мають відносно великий час життя (Т 1/2 ~ 0.1 с і 0.5 с відповідно).
Після п'яти альфа - розпадів утворюється ізотоп 105 елемента - дубнію (Db) N=163, стабільність якого визначається вже іншою замкненою оболонкою N=162. Силу дії цієї оболонки демонструє величезна різниця в періодах напіврозпаду двох ізотопів Db, що відрізняються один від одного всього на 8 нейтронів. Зазначимо, ще раз, що за відсутності структури (ядерних оболонок) всі ізотопи 105÷115 елементів мали б відчувати спонтанний поділ за час ~ 10 -19 с.

(хімічний досвід)

В наведеному вище прикладі властивості довгоживучого ізотопу 268 Db замикаючого ланцюжок розпаду 115-го елемента представляють самостійний інтерес.
Згідно з Періодичним законом 105-й елемент знаходиться в V ряду. Він є, як видно на рис.7, хімічним гомологом ніобію (Nb) і танталу (Та) і відрізняється за хімічними властивостями від усіх, легших елементів - актиноїдів (Z = 90÷103), що представляють окрему групу в Таблиці Д.І. Менделєєва. Завдяки великому періоду напіврозпаду, даний ізотоп 105-го елемента може бути відокремлений від усіх продуктів реакції радіохімічним методомз наступним виміром його розпаду - спонтанного поділу. Цей експеримент дає незалежну ідентифікацію атомного номера кінцевого ядра (Z = 105) та всіх нуклідів, що утворюються в послідовних альфа - розпадах 115-го елемента.
У хімічному експерименті немає необхідності використання сепаратора ядер віддачі. Розподіл продуктів реакції за атомними номерами здійснюється методами, заснованими на відмінності їх хімічних властивостей. Тому тут використовувалася спрощена методика. Продукти реакції, що вилітають з мішені, вбивалися в мідну збірку, розташовану на шляху їхнього руху, на глибину 3-4 мікрони. Після 20-30 годинного опромінення збірка розчинялася. З розчину виділялася фракція трансактиноїдів - елементів Z > 104 - а з цієї фракції, потім елементи 5-го ряду - Db у супроводі своїх хімічних гомологів Nb та Та. Останні додавалися як "відмітників" розчин перед хімічним поділом. Крапелька розчину, що містить Db, наносилася на тонку підкладку, висушувалася і поміщалася потім між двома напівпровідниковими детекторами, що реєструють обидва уламки спонтанного поділу. Вся збірка містилася в свою чергу в нейтронний детектор, що визначає число нейтронів, випущених осколками при розподілі ядер Db.
У червні 2004 р. було проведено 12 ідентичних дослідів (С. Н. Дмитрієв та ін.), у яких було зареєстровано 15 подій спонтанного поділу Db. Осколки спонтанного поділу Db мають кінетичну енергію близько 235 МеВ, на кожний акт поділу випускається в середньому близько 4 нейтронів. Такі властивості притаманні спонтанному поділу досить важкого ядра. Нагадаємо, що для 238 U ці величини становлять відповідно близько 170 МеВ та 2 нейтрони.
Хімічний досвід підтверджує результати фізичного експерименту: утворюються в реакції 243 Am + 48 Са ядра 115-го елемента в результаті послідовних п'яти альфа розпадів: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 дійсно приводять до утворення довготривалого атомним номером 105. У цих експериментах, як дочірній продукт альфа - розпаду 115 елемента, був синтезований ще один, раніше невідомий елемент з атомним номером 113.

Малюнок 7
Фізичний та хімічний досліди з вивчення радіоактивних властивостей 115-го елемента.
У реакції 48 Са + 243 Ат, за допомогою фізичної установки було показано, що п'ять послідовних
альфа - розпадів ізотопу 288 115 призводять до довгоживучого ізотопу 105-го елемента - 268 Db, який
ділиться спонтанно на два уламки. У хімічному експерименті визначено, що спонтанний поділ зазнає ядра з атомним номером 105.

6. Загальна картина та майбутнє

Перспективи

Тепер завдання полягає у більш детальному вивченні ядерної та атомної структури нових елементів, що вельми проблематично, насамперед, через малий вихід шуканих продуктів реакції. Для того, щоб збільшити кількість атомів надважких елементів необхідно збільшити інтенсивність пучка іонів 48 Са і підвищити ефективність фізичних методик. Модернізація прискорювача важких іонів, намічена на найближчі роки, з використанням останніх досягнень прискорювальної техніки, дозволить нам збільшити інтенсивність пучка іонів приблизно в 5 разів. Рішення другої частини потребує кардинальної зміни постановки дослідів; воно може бути знайдено у створенні нової експериментальної методики, виходячи з властивостей надважких елементів.

Малюнок 8
Карта нуклідів важких та надважких елементів.
Для ядер усередині овалів, що відповідають різним реакціям синтезу (показані на малюнку), наведені періоди напіврозпаду та енергії альфа-часток, що випускаються (жовті квадрати). Дані представлені на контурній карті області, що розділяє, за вкладом ефекту ядерних оболонок в енергію зв'язку ядра. Без ядерної структури все поле було б білого кольору. У міру потемніння ефект оболонок зростає. Дві сусідні зони відрізняються на величину лише 1 МеВ. Цього, проте, достатньо значного збільшення стабільності ядер щодо спонтанного поділу, у результаті нукліди розташовані поблизу «магічних» чисел протонів і нейтронів відчувають переважно альфа - розпад. З іншого боку, в ізотопах 110-го та 112-го елементів збільшення числа нейтронів на 8 атомних одиниць призводить до зростання періодів альфа – розпаду ядер більш ніж у 10 5 разів.

Принцип роботи діючої установки - кінематичного сепаратора ядер віддачі (рис.5) заснований на відмінності кінематичних характеристик різного типу реакцій. 48 Са, що цікавлять нас продукти реакції злиття ядер мішені і вилітають з мішені в передньому напрямку, у вузькому кутовому конусі ± 3 0 з кінетичною енергією близько 40 МеВ. Обмежуючи траєкторії руху ядер віддачі з урахуванням цих параметрів, ми практично повністю відбудовуємося від пучка іонів, пригнічуємо фон побічних продуктів реакції в 10 4 ÷ 10 6 разів, і з ефективністю приблизно 40% доставляємо атоми нових елементів до детектора за 1 мікросекунду. Інакше кажучи, сепарація продуктів реакції відбувається «нальоту».

Малюнок 8 Установка MASHA
На верхньому малюнку наведена схема сепаратора та принцип його дії. Ядра віддачі, що вилітають із мішеного шару, зупиняються у графітовому збірнику на глибині кілька мікрометрів. Внаслідок високої температури збірника вони дифундують у камеру іонного джерела, витягуються з плазми, прискорюються електричним полем і аналізуються масою магнітними полями по ходу руху до детектора. У даній конструкції маса атома може бути визначена з точністю 1/3000. На нижньому малюнку показано загальний вигляд установки.

Але для того, щоб отримати високу селективність установки, важливо зберегти, «не розмазати» кінематичні параметри - кути вильоту та енергії ядер віддачі. Через це необхідно використовувати мішені шари товщиною не більше 0.3 мікрометра - приблизно втричі меншою, ніж потрібно для отримання ефективного виходу надважкого ядра з даною масою або в 56 разів меншою, якщо йдеться про синтез двох сусідніх по масі ізотопів даного елемента. Крім того, щоб отримати дані про масові числа ізотопів надважкого елемента, необхідно проводити тривалу і трудомістку серію дослідів - повторювати вимірювання при різних енергіях пучка іонів 48 Са.
Разом з тим, як випливає з наших дослідів, синтезовані атоми надважких елементів мають періоди напіврозпаду, які значно перевищують швидкодію кінематичного сепаратора. Тому, у багатьох випадках, немає потреби у сепарації продуктів реакції за такий короткий час. Тоді можна змінити принцип дії установки та провести поділ продуктів реакції у кілька етапів.
Схема нової установки представлена ​​на рис.9. Після імплантації ядер віддачі в нагрітий до температури 2000 0 З збірник атоми дифундують в плазму іонного джерела, іонізуються в плазмі до заряду q = 1 + , витягуються з джерела електричним полем, сепаруються по масі в магнітних полях спеціального профілю і, нарешті, типу розпаду) детекторами, розташованими у фокальній площині. Вся процедура може займати, за оцінками, час від десятих часток секунди до декількох секунд залежно від температурних режимів і фізико-хімічних властивостей атомів, що сепаруються. Поступаючись швидкодії кінематичному сепаратору, нова установка - MASHA (абревіатура від повної назви Мас Analyzer of Super Heavy Atoms) - підвищить ефективність роботи приблизно 10 разів і дасть, поруч із властивостями розпаду, прямий вимір маси надважких ядер.
Завдяки гранту, виділеному губернатором Московської області Б.В. Громовим для створення цієї установки, вона була спроектована та виготовлена ​​у короткий термін – за 2 роки, пройшла випробування та готова до роботи. Після реконструкції прискорювача, з установкою МАСНА. ми суттєво розширимо наші дослідження властивостей нових нуклідів і спробуємо пройти далі, до більш важких елементів.

(Пошук надважких елементів у природі)

Інша сторона проблеми надважких елементів пов'язана з отриманням довгоживучих нуклідів. В описаних вище експериментах ми підійшли лише до краю «острова», виявили крутий підйом нагору, але далекі ще від його вершини, де ядра можуть жити тисячі і, можливо, навіть мільйони років. Нам не вистачає нейтронів у синтезованих ядрах, щоб наблизиться до оболонки N=184. Сьогодні це недосяжно - немає таких реакцій, які б дозволили отримувати такі нейтронно-надлишкові нукліди. Можливо, у віддаленому майбутньому фізики зможуть використовувати інтенсивні пучки радіоактивних іонів, з числом нейтронів більшим, ніж у ядер 48 Са. Такі проекти зараз широко обговорюються, поки не торкаючись витрат, необхідних для створення подібних прискорювальних гігантів.

Однак, можна спробувати підійти до цього завдання з іншого боку.

Якщо припустити, що найбільш довгоживучі надважкі ядра має період напіврозпаду 10 5 ÷ 10 6 років (не сильно розходиться з прогнозами теорії, яка свої оцінки робить також з певною точністю), то не виключено, що вони можуть бути виявлені в космічних променях - свідках освіти елементів на інших, молодших планетах Всесвіту. Якщо зробити ще сильніше припущення про те, що період напіврозпаду «довгожителів» може становити десятки мільйонів років або більше, то вони могли б бути присутніми в Землі, зберігшись у дуже малих кількостях від моменту утворення елементів у Сонячній системі до наших днів.
Серед можливих кандидатів ми віддаємо перевагу ізотопам 108-го елемента (Нs) ядра яких містять близько 180 нейтронів. Хімічні досліди, проведені з короткоживучим ізотопом 269 Нs (Т 1/2 ~ 9 с) показали, що 108 елемент, як і очікувалося, згідно з Періодичним законом є хімічним гомологом 76-го елемента - осмія (Оs).

Малюнок 10
Установка для реєстрації спалаху нейтронів від спонтанного поділу ядер при розпаді 108 елементів. (Підземна лабораторія у м. Модан, Франція)

Тоді зразок металевого осмію може містити в дуже малих кількостях 108 елемент Ека(Оs). Присутність Ека(Оs) в осмії можна визначити за його радіоактивним розпадом. Можливо, надважкий довгожитель відчуватиме спонтанне поділ, або спонтанний поділ настане після попередніх альфа або бета - розпадів (вид радіоактивного перетворення, при якому один з нейтронів ядра перетворюється на протон) легшого і короткоживучого дочірнього або онукового ядра. Тому, на першому етапі, можна поставити експеримент із реєстрації рідкісних подій спонтанного поділу осмієвого зразка. Такий експеримент готується. Вимірювання розпочнуться наприкінці цього року і триватимуть 1-1.5 років. Розпад надважкого ядра реєструватиметься за нейтронним спалахом, що супроводжує спонтанне поділ. Для того щоб захистити установку від фону нейтронів, що виникає під дією космічних променів, вимірювання будуть проводитися в підземній лабораторії розташованої під Альпами в тунелі, що сполучає Францію з Італією на глибині відповідної 4000-метровому шару водного еквівалента.
Якщо протягом року вимірювань буде спостерігатися хоча б одна подія спонтанного поділу надважкого ядра, це відповідатиме концентрації 108 елемента в Оs-зразку близько 5 × 10 -15 г/гр., припущення, що його період напіврозпаду дорівнює 109 років. Така мала величина становить лише 10 -16 частину від концентрації урану в земній корі.
Незважаючи на надвисоку чутливість експерименту, шанси виявити реліктові, надважкі нукліди малі. Але будь-який науковий пошук завжди має малий шанс... Відсутності ефекту дасть верхню межу періоду напіврозпаду довгожителя на рівні Т 1/2 ≤ 3× 107 років. Не настільки вразливо, але важливо для розуміння властивостей ядер у новій галузі стабільності надважких елементів.