Стабільні елементи. Алхімії батьківського пережитку

28 листопада 2016 року Міжнародна спілка теоретичної та прикладної хімії(ІЮПАК) присвоїв назви чотирьом надважким елементам: ніхонію (113 елемент періодичної системи), московію (115 елемент), теннесину (117 елемент) та оганесону (118 елемент). Московій, тенесин та оганесон вперше були отримані в Російської Федераціїу колаборації з американськими фізиками. У річницю цієї дати N+1спільно з Видавництвом Яндекса пропонує вам уявити себе алхіміком та спробувати синтезувати один (або кілька, як пощастить) надважких елементівна прискорювачі елементарних частинок.

Надважкі хімічні елементи з атомним номером більше 100 вдається одержати лише у реакціях злиття у прискорювачах заряджених частинок. Вони важке ядро-мішень обстрілюють більше легкими ядрами-снарядами. Ядра нових елементів виникають у разі точного потрапляння та злиття ядер снаряда та мішені. У вас є можливість відчути себе алхіміком-аматором та створити новий елемент. У вашому розпорядженні є ядра-снаряди та ядра-мішені. Виберіть пару та натисніть кнопку «Увімкнути прискорювач». Якщо виберете правильну пару, то отримаєте надважкий елемент, побачите продукти його розпаду та дізнаєтеся, ким і коли він був синтезований насправді.

А ще ми разом із Видавництвом Яндекса приготували відповіді на поширені в інтернеті питання про надважкі елементи. Клацніть на запитання, щоб побачити відповідь.

Чи можна передбачити, скільки надважких елементів можна ще відкрити? Чи є якась максимальна кількість протонів, яка може бути в ядрі і яка обмежувала б масу елемента?

Всі подібні передбачення ґрунтуються на сучасних моделяхстійкості атомних ядер Виходячи з найнаївніших міркувань здається, що стійким може бути будь-яке ядро, в якому кулонівське відштовхування між позитивно зарядженими протонами компенсується силою зв'язку між ними за рахунок сильної взаємодії. Для цього, у будь-якому випадку, в ядрі має бути певна кількість незаряджених нейтронів, проте співвідношення між кількістю нейтронів та протонів – недостатня умова для стійкості атомних ядер. Тут вступає в гру квантова природа нуклонів: вони мають напівцілий спин і, як і електрони, прагнуть збиратися парами і формувати заповнені енергетичні рівні.

Ці ефекти призводять до відмінності у стійкості протонно-нейтронних систем щодо кількох шляхів розпаду - спонтанного поділу (що відбувається в результаті квантово-механічних ефектів і без зовнішнього збудження призводить до поділу на легші ядра та нейтрони), також α- та β-розпаду з випромінюванням α-частки або електрона (або позитрона) відповідно. Стосовно кожного каналу розпаду в кожного ядра є свій час життя. Так, при збільшенні атомного номера елемента різко збільшується ймовірність спонтанного поділу, що накладає значні обмеження існування стабільних ядер надважких елементів - всі вони повинні бути нестійкими з досить коротким періодом напіврозпаду. Тому для всіх елементів важче за свинець стабільних ізотопів немає, всі вони радіоактивні.

Тим не менш, теорія передбачає, що навіть серед надважких елементів можуть бути ізотопи із відносно великим часом життя. Вони повинні існувати для систем з відповідним співвідношенням протонів та нейтронів та повністю заповненими протонними та нейтронними рівнями. Тим не менш, синтезувати такі елементи поки не вдалося, і якщо до найближчого «острова стабільності» (який передбачається для ядра флеровія зі 184 нейтронами) дістатися в найближчому майбутньому здається можливим, то відшукати серед абсолютно нестійких систем важчі ядра з наступною заповненою оболонкою буде значно важче, якщо неможливо.

Варто, однак, відзначити, що всі ці передбачення засновані на моделях, які добре працюють для порівняно невеликих ядер, проте для надважких елементів форма ядра, наприклад, починає помітно відхилятися від сферичної, що вимагає внесення поправок до цих моделей.

Чи є у надважких елементів якесь практичне застосування? Чи, можливо, воно з'явиться у майбутньому?

на Наразіу надважких елементів жодного практичного застосування немає. Це пояснюється кількома причинами. По-перше, їх синтез – вкрай складний технологічний процес, що займає досить довгий час, внаслідок якого відбувається утворення зовсім невеликої кількості ядер. По-друге, з усіх елементів з порядковим номером більше ста лише фермій (100-й елемент) та менделевий (101-й) мають порівняно стабільні ізотопи з періодом напіврозпаду 100 та 50 діб відповідно. У решти надважких елементів навіть найстійкіші із синтезованих ізотопів розпадаються в найкращому випадкуза кілька десятків годин, а частіше – за секунди або навіть мілісекунди.

Тому поки що процес синтезу надважких ядер представляє лише фундаментальний інтерес, пов'язаний з вивченням нуклон-нуклонної взаємодії та взаємодії між кварками. Властивості синтезованих ізотопів допомагають будувати більш точні теоретичні моделі, які можна використовувати не тільки для дослідження ядер атомів на Землі, але і, наприклад, щодо нейтронних зірок, в ядрі яких щільність нуклонів значно перевищує щільність в ядрах атомів.

Вчені очікують, що в майбутньому у надважких елементів можуть з'явитися якісь практичні застосування, пов'язані, зокрема, з розробкою сенсорів або радіографічних методів у медицині чи промисловості. Можливо, це будуть і якісь нові способи використання, які неможливо передбачити зараз, проте найближчими роками їх точно не варто очікувати, бо для цього мають кардинальним чином змінитися технології їх отримання.

Чи можна отримати стабільні ізотопи надважких елементів, чи всі вони будуть лише радіоактивними?

Стабільні ізотопи елементів, розміщених у таблиці Менделєєва після свинцю, наразі невідомі. Порядковий номер свинцю в таблиці Менделєєва – 82-й. Це означає, що всі елементи, починаючи з вісмуту, будуть так чи інакше радіоактивними. Період напіврозпаду цих елементів, однак, може змінюватись у дуже широких межах. Так, у найбільш стійкого ізотопу вісмуту, який раніше вважався стійким, період напіврозпаду становить 2×10 19 років, що на кілька порядків більше за вік Всесвіту.

У синтезованих на даний момент ізотопів надважких елементів (з порядковим номером у таблиці елементів більше ста) період напіврозпаду значно менше, ніж у вісмуту, і варіюється від ста днів до часток мілісекунди. Усі вони також радіоактивні.

Однак, згідно з теоретичними передбаченнями, для деяких елементів з певною кількістюпротонів і нейтронів у ядрі можливе значне збільшення періоду напіврозпаду. Потрібна кількість нейтронів і протонів в ядрі відповідає повністю заповненим нейтронним і протонним оболонкам і, ймовірно, має дорівнювати 114 для протонів і 184 для нейтронів. Теоретично така конфігурація повинна призводити до збільшення періоду напіврозпаду від сотень мікросекунд до 105 років. Відносна стійкість ядер із числом протонів і нейтронів, близьким до цих значень, дозволяє припустити існування «острова стабільності» серед надважких елементів. Проте підтвердити його існування експериментально поки що не вдалося. Але навіть таке значне збільшення часу життя ядер не зробить ці ізотопи стійкими - вони залишаться радіоактивними.

Чи можливо, хоча б теоретично, виявити надважкі елементи у природі? Чи хоча б продукти їхнього розпаду, які б доводили, що такі елементи існували?

Жоден із надважких елементів виявлено в природі не був (що не дивно, враховуючи, що у всіх їх дуже короткі періоди напіврозпаду). Елемент із найбільшим порядковим номером, який вдалося знайти на сьогоднішній день у природі, - це уран із його 92 протонами в ядрі.

На початку 1970-х років повідомлялося про перебування в природних мінералахелемента з порядковим номером 108 (пізніше був синтезований під назвою хасій), близько десяти років тому говорили про виявлення у зразках торію слідів 122 елемента, однак ці факти не підтверджені.

На Землі умов, необхідних для синтезу стійких надважких ядер, немає і ніколи не було, проте вважається, що близькі до подібних умов можуть досягатися під час вибухів наднових. p align="justify"> Температура при цьому піднімається до значень, достатніх для запуску швидкого поглинання ядрами нейтронів (так званого r-процесу). Поки що достовірних підтверджень природної освіти елементів з порядковим номером більше 100 у таких процесах зафіксовано не було, проте проводяться дослідження складу космічних променів щодо наявності в них слідів надважких елементів. Зокрема, про виявлення в метеоритну речовинучастинок з атомними числами понад 100 говорили у 2011 році. Ці дані, однак, також не було підтверджено.

Звідки з'явився вираз «трансфермієві війни» і чому так часто виникає питання про першість тієї чи іншої групи у синтезі нового елемента?

Цей вислів зазвичай використовують для позначення суперечок між США та СРСР про пріоритет при відкритті елементів з порядковими номерами 104,105 та 106, які були відкриті у 60-х та 70-х роках XX століття. Сам термін «трансфермієві війни» (всі ці елементи розташовуються в таблиці Менделєєва якраз слідом за фермієм) було вперше запропоновано 1994 року. У Радянському Союзі синтез проводився в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у Дубні, у США – у Національних лабораторіях імені Лоуренса у Берклі та Ліверморі. Перші вдалі спроби синтезу 104-го елемента зараз датуються 1964 роком, 105-го елемента – 1970 роком, а 106-го – 1974-м.

Радянська сторона вважала, що саме в Дубні вперше вдалося синтезувати 104-й та 105-й елементи, і використала для них назви «курчатовий» та «нільсборій» відповідно. Американські вчені критикували результати радянських експериментів і доводили, що першими отримали ці елементи фізики в їхніх лабораторіях і назвали їх «резерфордієм» та «ганням» (на честь Ернеста Резерфорда та Отто Гана відповідно). Однак через те, що значна частинаданих про синтез була на той час закрита, однозначно визначити першість тієї чи іншої групи було досить складно.

Через це процес з'ясування першості розтягнувся на 30 років і став одним із елементів холодної війни. Лише у 1994 році було зібрано міжнародну комісію, яка розглянула відомі дані та запропонувала свої варіанти назв для елементів. Спочатку деякі з прийнятих рішеньвикликали суперечки, зокрема про присвоєння елементам імен на честь ще живої людини (Глена Сиборга), перенесення назви від одного елемента іншому щодо початкових пропозицій (що залучило до спорів третю сторону - німецьке Товариство дослідження важких елементів, вчені якого синтезували 107-й, 108 -й та 109-й елементи).

В результаті було знайдено компромісне рішення, і 1997 року сталося остаточне затвердженняпріоритетів та назв елементів. Зокрема, було вирішено не увічнювати імена Ігоря Курчатова та Отто Гана, які стосуються радянського та нацистського ядерних проектів. 104-й та 106-й елемент зараз використовують назви, запропоновані американською стороною (резерфордій та сиборгій), 105-й елемент - у визнання заслуг радянських учених назвали дубнієм, для 107-го, 108-го та 109-го елементів використовують назви, запропоновані німецькими вченими - борій, хасій та мейтнерій (тільки перший з них відрізняється від запропонованого варіанту - спочатку його пропонували називати нільсборієм). Наразі завдяки відкритості даних та прописаній процедурі присвоєння елементам імен питання про пріоритет вирішуються значно простіше.

Мініатюра з алхімічного рукопису XVI століття «Блиск Сонця»

Чи можуть надважкі елементи народжуватися під час вибухів наднових? І чи можемо ми це народження зафіксувати?

Відомо, що при спалахах наднових може відбуватися утворення ядер дуже важких елементів, наприклад, урану або торію. Ці ядра утворюються механізмом швидкого захоплення нейтронів (так званий r-процес). Вважається, що під час вибуху наднової утворюється достатня температура – ​​близько чотирьох мільярдів градусів – для запуску цього процесу. Проте частота утворення найважчих ядер навіть у таких умовах не дуже висока. Вважається також, що, крім урану та торію, під час вибуху наднових зірокможливо, наприклад, утворення каліфорнії (це 98-й елемент).

Для утворення важчих ядер у результаті r-процесу необхідний запуск термоядерної реакції- таким чином, наприклад, на Землі вдалося вперше синтезувати ейнштейний (99-й елемент) та фермій (100-й). Передбачається, що кілька термоядерних вибухів можуть призвести до досягнення острова стабільності в результаті r-процесу. Однак сьогодні прийнято вважати, що під час вибухів наднових такі умови не виконуються і елементи з порядковими номерами понад 100 не утворюються. Тим не менш, сліди стабільних надважких елементів, які могли утворитися при вибухах наднових, продовжують шукати, наприклад, у космічних променях та опромінених ними метеоритах. Підтвердження синтезу легших елементів (наприклад, урану або каліфорнія) проводять за спектроскопічними дослідженнями продуктів їх спонтанного поділу.

Чому так часто реакції синтезу надважких елементів виявляються невдалими, якщо за теоретичними розрахунками вони мають працювати?

Надважкі ядра одержують за допомогою реакції злиття легших ядер один з одним. І тому мета з найбільш важких елементів бомбардують ядрами легших. Щоб отримати ядро ​​з необхідною кількістю протонів і нейтронів, потрібно правильно підібрати ті ядра, які використовуються як мішені та снаряди. Тут може бути кілька проблем, що знижують ймовірність утворення потрібного ядра та його виявлення.

По-перше, для утворення потрібного ядра необхідно подолати електростатичний бар'єр - все-таки обидва ядра, що зіштовхуються, мають досить великий позитивний заряд (і до того, як на коротких відстанях між протонами почнуть діяти сили тяжіння, потрібно подолати дальнє електростатичне відштовхування). Для цього тим ядрам, якими бомбардують мету, потрібно спочатку надати досить високу енергію.

Для зниження цього бар'єру вигідніше використовувати як налітають частинки ядра з досить великою кількістю протонів. Проте їхній вибір на сьогоднішній день обмежений. Раніше для синтезу нових ядер мішені з важких елементів, наприклад свинцю, плутонію або урану, бомбардували порівняно легкими ядрами, наприклад, неоном-22 або киснем-18. Пізніше для цього використовували різні ізотопи більш важких елементів: заліза-58, нікелю-62, нікелю-64 або цинку-70. Вкрай важливими стали продукти реакції різних мішеней з ізотопом кальцію-48.

Перспективними вважаються реакції, у яких мета з урану бомбардують іонами з надважких елементів - тієї ж урану, каліфорнія, ейнштейнія. Для підвищення ймовірності утворення ядра потрібно, щоб ядро, що налітає, мало порівняно невеликий момент імпульсу, а утворюється «компаунд-ядро» мало форму, близьку до сферичної. Порушення цих вимог призводить до того, що реакції не відбуваються. Однак навіть при правильному доборі параметрів процес синтезу дуже довгий - опромінення мішені протягом кількох місяців може призвести до синтезу сотні необхідних ядер.

Таким чином, обмежений вибір ізотопів, які можна використовувати в реакціях синтезу, складна, з технічної точки зору, їх реалізація та тривалий часперебіг реакцій значно знижують ймовірність синтезу необхідних ядер - навіть тих, які, за теоретичними передбаченнями, мають виявитися стійкими.

Раніше вважали, що центр «острова стабільності» має знаходитися в районі 114 елементів, а де «острів стабільності» знаходиться за сучасними уявленнями? Можливо, його немає взагалі?

Центр «острова стабільності», згідно з оболонковою моделлю ядра, відповідає повністю заповненим протонним і нейтронним оболонкам - ізотопу з порядковим номером 114 і масовим числом 298, тобто ядру, що складається зі 114 протонів та 184 нейтронів.

Деякі вчені вважають, що центр «острова стабільності» може відповідати наступному протонному «магічному числу» і, таким чином, більш стійким має бути елемент із 120-м номером (а може, навіть зі 126-м). Крім того, через високу ймовірність α-розпаду центр стабільності може бути зміщений щодо номера 114-го до 112-го та 110-го елементів.

Оскільки для утворення щодо стійкого ядра важлива не лише кількість протонів у ньому, а й кількість нейтронів, поки синтезувати ізотопи з необхідним числомнуклонів через обмежений вибір ізотопів в експерименті не вдавалося. Тому необхідних даних на підтвердження існування «острова стабільності» немає. Однак ті вимірювання, які були проведені для менш стійких надважких ізотопів елементів, досить добре узгоджуються з даними теоретичних моделей.

Тим не менш, варто зазначити, що положення «острова стабільності» визначено в рамках концепції оболонкової моделі ядра, яка при велику кількістьнейтронів чи протонів може працювати не зовсім точно. Зокрема, деякі ефекти, пов'язані із взаємодією кварків, для нейтрон-надлишкових ядер за допомогою неї пояснити не вдається.

Який термін життя елементів у центрі «острова стабільності»?

Відповідно до теоретичних передбачень, центру «острова стабільності» відповідає ядро, що складається з 114 протонів та 184 нейтронів. Синтезувати такий важкий ізотоп поки що не вдалося. Однак за даними теоретичних моделей саме така кількість нуклонів у ядрі відповідає повністю заповненим енергетичним оболонкам.

Що стосується періодів напіврозпаду цих елементів, то при розподілі ядер варто брати до уваги три можливі процеси: спонтанний розподіл ядер, а також α- і β-розпад. Так, період напіврозпаду 298 114, згідно з прогнозами моделей, повинен становити приблизно 10 16 років щодо спонтанного поділу, 10 років - щодо α-розпаду і близько 10 5 років - щодо β-розпаду.

З урахуванням всіх видів розпаду найбільш стабільним ядром виявляється ядро ​​298110. За даними теорії, період його напіврозпаду повинен становити близько 109 років. Проте область стабільних ядер відносно широка, і майже для всіх ядер з парним числом протонів від 110 до 114 і парним числом нейтронів від 180 до 184 період напіврозпаду перевищує 1 рік.

Поки що ці числа - лише результат теоретичних розрахунків. Найважчий і стійкий ізотоп 114-го елемента (флеровія Fl), який на даний момент був отриманий експериментально, - це 289 Fl. Період напіврозпаду становить близько 30 секунд. Період найстабільнішого ізотопу 110-го елемента (дармштадт Ds) - близько 10 секунд. Тим не менш, експериментально отримані значення досить добре узгоджуються з прогнозами теоретичних моделей, тому якщо вдасться провести синтез потрібних ядер з більшим числомнейтронів, час їхнього життя може істотно збільшитися.

Десять років тому вчені казали, що може існувати другий «острів стабільності». Чи вдалося його виявити?

Взагалі, згідно з сучасними теоретичними моделями, в доступній для огляду області елементів може існувати не два, а навіть більше «острівів стабільності», які відповідатимуть ядрам із повністю заповненими нейтронними та протонними оболонками, коли число нуклонів дорівнює так званому «магічному числу». Зараз елемент, який може бути «островом стабільності», відповідає ізотопу, що складається із 114 протонів та 184 нейтронів. Згідно з сучасними оболонковими моделями ядра, наступні для протонів «магічні числа» - це 126 і 164, а для нейтронів - 196, 228 і 272.

Про можливе існування щодо стійких ядер із 120 або 126 протонами говорять досить давно, а десять років тому говорили про можливе існування «острова стабільності» в районі 164 елемента. Тим не менш, якщо можливого дослідження 120-го елемента щодо близькій перспективіще можна очікувати, то говорити про експериментальне вивчення 126-го, а тим більше 164-го елемента не доводиться. Для цього потрібні нові прискорювачі важких ядер, які б дозволили працювати з низькими концентраціями короткоживучих ізотопів. Наразі таких пристроїв немає.

Зараз найважчий елемент, синтез якого вдалося підтвердити, - це оганесон із порядковим номером 118. Крім того, варто зазначити, що застосування використаних теоретичних моделей для таких важких ядер теж не доведено.

Чи можна розглядати нейтронні зірки як величезне атомне ядро? Якщо ні, то в чому принципова відмінність?

Ні, нейтронна зірка, хоч і складається з протонів і нейтронів, на гігантське атомне ядро ​​не дуже схожа. Насправді, зірка має досить складна будова- як мінімум п'ять шарів з різними властивостями, і важкі атомні ядра входять до складу деяких з них як один з важливих компонентів. При цьому у зовнішніх шарах у нейтронній зірці присутні, наприклад, електрони. А ось внутрішніх шарах- ближче до центру нейтронної зірки- дуже багато вільних нейтронів.

Незважаючи на те, що атомне ядро ​​- квантово-механічна система максимальною щільністюнейтронів і протонів Землі, в нейтронних зірках щільність нуклонів значно вища. Розмір нейтронних зірок - всього пара десятків кілометрів, а їхня маса часто перевищує масу Сонця, тому ближче до центру зірки у неї дуже висока щільність- у кілька разів більше, ніж у будь-якому атомному ядрі. У ядрі нейтронної зірки лише кілька відсотків електронів і протонів, основну масу складають нейтрони, які перебувають у стані фермі-рідини. У самому центрі зірки - в внутрішньому ядрі- щільність нуклонів може в 10-15 разів перевищувати густину в атомних ядрах, при цьому точний склад, стан та механізми взаємодії частинок у таких щільних системах достовірно невідомі.

Дослідження нейтрон-надлишкових ядер важливу інформацію, про те, яким чином нейтрони і кварки можуть взаємодіяти в ядрі нейтронної зірки, однак стан нуклонів у центрі нейтронної зірки у будь-якому випадку сильно відрізняється від того, яке можна спостерігати в атомних ядрах навіть найважчих елементів.

Олександр Дубов

Атомне ядро ​​- це система нуклонів, що складається з Z протонів і N нейтронів, пов'язаних ядерною взаємодією. Енергія зв'язку атомного ядра в рідко-крапельній моделі описується формулою Бете-Вайцзеккер [3, 4]. Залежно від часу життя та співвідношення між Z та N атомні ядра поділяються на стабільні та радіоактивні. Явище радіоактивності відкрили А.А. Бекерелем у 1896 р., який виявив невідоме раніше випромінювання, яке випромінювали солі урану.
У 1898 р. П'єр і Марія Кюрі виділили нові елементи, радій Ra ( Z = 88) і полоній Po (Z = 84) , які також мають властивість радіоактивності. е. Резерфорд в 1898 р. показав, що випромінювання урану має дві компоненти: позитивно заряджені α-частинки (ядра 4 He) і негативно заряджені β-частинки (електрони) [6, 9]. У 1900 році П. Віллардом було відкрито γ-випромінювання урану.
Стабільні ядра розташовані у так званій долині стабільності (рис. 1). Відношення N до Z вздовж лінії стабільності залежить від масового числа А = N + Z:

N/Z = 0.98 + 0.015А 2/3. (1)

Рис . 1. NZ діаграма атомних ядер

В даний час відомо близько 3500 атомних ядер, число стабільних ядер близько 300. Зліва від долини стабільності розташовуються радіоактивні ядра, що розпадаються в результаті β + -розпаду та е-захоплення. При віддаленні від долини стабільності у бік ядер, перевантажених протонами, зменшується період напіврозпаду. Кордон В р (N,Z) = 0 (В р (N,Z) − енергія відділення протону в ядрі (N, Z)) обмежує сферу існування ядер зліва.
При просуванні від долини стабільності у бік ядер, перевантажених нейтронами, також відбувається зменшення періоду напіврозпаду ядер. Праворуч область існування ядер обмежена співвідношенням n (N,Z) = 0 (n (N,Z) − енергія відділення нейтрону у ядрі (N,2)). Поза межами
Р (N,Z) = 0 і (N (N,Z) = 0 атомні ядра існувати не можуть, тому що їхній розпад відбувається за характерне ядерний час отрута = 10 -22 с.
Область ядер з протонним надлишком експериментально вивчена майже повністю до кордону В р (N,Z) = 0. Щодо ядер з надлишком нейтронів, то (за винятком легких ядер) область експериментально виявлених ядер лежить досить далеко від межі В n (N,Z) = 0. У цій галузі може бути ще близько 2500 − 3000 невідомих нам ядер.

Академік Г.М. Флерів:
Цінність інформації, отриманої з дослідження ізотопу, що знаходиться далеко від галузі стабільності, значно більш того, Що ми дізнаємося, вивчаючи ізотопи, що знаходиться поблизу цієї області. Це−загальний методологічний підхід, який використовується і фізиками, і хіміками,
−вивчати властивості речовини в екстремальних умовйого існування. Ізотопи, далекі від області (β -Стабільності, є граничними в тому відношенні, що в одному випадку, коли протонів мало і число нейтронів відносно велике, основну роль грають ядерні сили; в іншому випадку, коли є надлишок протонів, дуже істотну рольграють кулонівські сили відштовхування, до того що стає можливим радіоактивний розпад ядер з випромінюванням протонів.
У зв'язку з цим стає зрозумілим наш особливий інтерес до вивчення ядер трансуранових елементів, де кулонівські сили настільки великі, що долають ядерні сили тяжіння. Майже зникає потенційний бар'єр, що утримує у рівновазі ядро ​​як ціле, і воно ділиться на уламки. У той же час, специфічні ядерні ефекти, пов'язані з внутрішньою структурою ядра, можуть бути виражені надзвичайно сильно. Саме в цій галузі елементів відкрито новий видядерної ізомерії−ізомерія форми. Тут же можлива низка інших цікавих явищ, пов'язаних, наприклад, з наявністю другого мінімуму в енергії деформації ядра.

Доповідь до Оргкомітету конференції ЮНЕСКО,
присвячений 100-річчю створення таблиці Менделєєва.

Обмеження існування атомних ядер є і з боку надважких елементів. Елементи з Z > 92 у природних умовах не виявлено. Розрахунки за рідкокрапельною моделлю ядра передбачають зникнення бар'єру поділу для ядер з Z 2 /А ≈ 41 (приблизно 104 елемент) . У проблемі існування надважких ядер слід виділити два кола питань.

• 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?
• Які реакції слід використовувати для синтезу надважких ядер, типи бомбардуючих ядер, очікувані величини перерізів, очікувані енергії збудження складеного ядра і канали зняття збудження ядер, що утворюються?

Проблема синтезу надважких елементів тісно пов'язана з тим фактом, що ядра з Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (магічні числа) мають підвищену стабільність по відношенню до різних типів радіоактивного розпаду. Це явище пояснюється в рамках моделі ядерних оболонок – магічні числа відповідають заповненим ядерним оболонкам[12, 13]. Природно виникає питання існування наступних магічних чисел по Z і N. Якщо вони існують в області NZ - діаграми атомних ядер N > 150, Z > 101, повинні спостерігатися надважкі ядра, що мають підвищені періодинапіврозпаду, тобто. має існувати Острів Стабільності. Застосування методу

Спочатку стаття про те, що таке "острів стабільності".

Острів стабільності: російські ядерники лідирують у гонці

Синтез надважких елементів, що становлять так званих "острів стабільності", - амбітне завдання сучасної фізики, у вирішенні якої російські вчені випереджають увесь світ.

3 червня 2011 року експертна комісія, до якої увійшли фахівці Міжнародних союзів теоретичної та прикладної хімії (IUPAC) та фізики (IUPAP), офіційно визнала відкриття 114-го та 116-го елементів таблиці Менделєєва. Пріоритет відкриття відданий групі фізиків під керівництвом академіка РАН Юрія Оганесяна з Об'єднаного інституту ядерних досліджень за сприяння американських колег із Лівероморської національної лабораторії ім. Лоренса.

Академік РАН Юрій Оганесян, керівник лабораторії ядерних реакційв ОІЯД

Нові елементи стали найважчими з тих, що включені до періодичну таблицюМенделєєва, та отримали тимчасові назви унунквідія та унунгексія, утворені за порядковим номером у таблиці. Російські фізики запропонували назвати елементи "флеровієм" на честь Георгія Флерова - радянського фізика-ядерника, спеціаліста в галузі поділу ядер та синтезу нових елементів, та "московієм" на честь Московської області. Крім 114-го та 116-го елементів в ОІЯД раніше були синтезовані хімічні елементи з порядковими номерами 104, 113, 115, 117 та 118. А 105-му елементу таблиці на честь визнання вкладу дубненських фізиків у сучасну наукуприсвоєно назву "дубний".

Елементи, яких немає у природі

В даний час весь навколишній світ складається з 83 хімічних елементів, Від водню (Z = 1, Z - кількість протонів в ядрі) до урану (Z = 92), час життя яких більше часу життя сонячної системи (4,5 мільярда років). Тяжкіші елементи, що з'явилися під час нуклеосинтезу незадовго після Великого вибуху, вже розпалися і не дожили до наших днів. Уран, період напіврозпаду якого становить близько 4,5 10 8 років, ще розпадеться і радіоактивний. Однак у середині минулого століття дослідники навчилися отримувати елементи, яких немає у природі. Як приклад такого елемента можна навести виробляється в ядерних реакторахплутоній (Z=94), який виробляється сотнями тонн і є одним з найпотужніших джереленергії. Період напіврозпаду плутонію істотно менше, ніж період напіврозпаду урану, але все ж таки досить великий, щоб припустити можливість існування більш важких хімічних елементів. Концепція атома, що складається з ядра, що несе в собі позитивний заряді основну масу, і електронних орбіталей передбачає можливість існування елементів з порядковим номером до Z=170. Але насправді за рахунок нестабільності процесів, що відбуваються в самому ядрі, межа існування важких елементів планується значно раніше. У природі стабільні утворення (ядра елементів, що складаються з різного числапротонів і нейтронів) зустрічаються тільки до свинцю і вісмуту, потім слідує невеликий півострів, що включає торій і уран, виявлені на Землі. Але щойно порядковий номер елемента перевищує номер урану, час його життя різко зменшується. Наприклад, ядро ​​100-го елемента в 20 разів менш стабільне, ніж ядро ​​урану, а надалі ця нестабільність лише посилюється через спонтанне поділ ядер.

"Острів стабільності"

Ефект спонтанного поділу був пояснений Нільсом Бором. Відповідно до його теорії, ядро ​​є краплю зарядженої рідини, тобто якусь матерію, яка не має власної внутрішньої структури. Чим більше протонів у ядрі, тим більше сильніший вплив кулонівських сил, під дією яких крапля деформується та ділиться на частини. Така модель передбачає можливість існування елементів до 104-го - 106-го порядкових номерів. Однак у 60-х роках у Лабораторії ядерних реакцій Об'єднаного інституту ядерних досліджень було проведено низку експериментів щодо вивчення властивостей поділу ядер урану, результати яких неможливо було пояснити за допомогою теорії Бора. Виявилося, що ядро ​​не є повним аналогом краплі зарядженої рідини, а має внутрішню

структуру. Причому, чим важче ядро, тим сильніше стає виражений вплив цієї структури, і картина розпаду виглядатиме зовсім не так, як прогнозує модель краплі рідини. Так виникла гіпотеза про існування певної галузі стабільних надважких ядер, далеких від відомих сьогодні елементів. Область отримала назву "острова стабільності", і після передбачення її існування найбільші лабораторії США, Франції та Німеччини розпочали низку експериментів для підтвердження теорії. Проте їхні спроби не мали успіху. І лише експерименти на дубненському циклотроні, результатом яких стало відкриття 114-го та 116-го елементів, дають можливість стверджувати, що область стабільності надважких ядер справді існує.

На малюнку нижче показано карту важких нуклідів. Періоди напіврозпаду ядер представлені різним кольором (права шкала). Чорні квадрати - ізотопи стабільних елементів, виявлених у земної кори(Час напіврозпаду більше 10 9 років). Темно-синій колір - "море нестабільності", де ядра живуть менше 10-6 секунд. "Острова стабільності", що йдуть за "півостровом" торію, урану та трансуранових елементів - передбачення мікроскопічної теорії ядра. Два ядра з атомними номерами 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.

Карта важких нуклідів

Для того, щоб синтезувати стабільне важке ядро, необхідно впровадити в нього як можна більше нейтронівоскільки саме нейтрони є тим "клеєм", який утримує нуклони у складі ядра. Першою ідеєю стало опромінення вихідної речовини потоком нейтронів від реактора. Але за допомогою цього методу вчені змогли синтезувати лише фермій, елемент із 100-м атомним номером. Причому замість необхідних 60 нейтронів в ядро ​​вдалося впровадити лише 20. Не увінчалися успіхом і спроби американських учених синтезувати надважкі елементи в процесі ядерного вибуху(по суті, в потужному імпульсному потоці нейтронів), результатом їх експериментів став той самий ізотоп фермія. З цього моменту почав розвиватися інший спосіб синтезу - зіткнути два важкі ядра, сподіваючись на те, що результатом їх зіткнення стане ядро ​​сумарної маси. Для проведення експерименту потрібно одне з ядер розігнати до швидкості, що становить приблизно 0,1 швидкості світла за допомогою прискорювача важких іонів. Усі важкі ядра, отримані сьогодні, синтезували саме таким чином. Як вже було зазначено, острів стабільності знаходиться в області надтяжких нейтроно-надмірних ядер, тому ядра мішені і пучка також повинні містити надлишок нейтронів. Підібрати такі елементи досить складно, оскільки практично всі стабільні нукліди мають суворо певне відношення числа протонів і нейтронів.

В експерименті синтезу 114-го елемента в якості мішені був використаний найважчий ізотоп плутонію з атомною масою 244, вироблений в реакторі Ліверморської національної лабораторії (США) і кальцій-48 як ядро-снаряд. Кальцій-48 – стабільний ізотоп кальцію, якого у звичайному кальції міститься лише 0,1%. Експериментатори сподівалися, що така конфігурація дозволить відчути ефект збільшення часу життя надважких елементів. Для проведення досвіду був потрібний прискорювач з потужністю пучка кальцію-48, що перевершує всі відомі прискорювачі в десятки разів. Протягом п'яти років такий прискорювач був створений у Дубні, він дав можливість поставити експеримент у кілька сотень разів точніший, ніж експерименти в інших країнах протягом останніх 25 років.

Отримавши пучок кальцію необхідної інтенсивності, експериментатори опромінюють плутонієву мету. Якщо в результаті злиття двох ядер утворюються атоми нового елемента, то вони повинні вилетіти з мішені та разом з пучком продовжити рух уперед. Але їх треба відокремити від іонів кальцію та інших продуктів реакції. Цю функцію виконує сепаратор.

MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms) - установка для сепарації ядер

Ядра віддачі, що вилітають із мішеного шару, зупиняються у графітовій збірці на глибині кілька мікрометрів. Внаслідок високої температуризбірника вони дифундують у камеру іонного джерела, витягуються з плазми, прискорюються електричним полемта аналізуються за масою магнітними полямипо ходу руху до детектора. У цій конструкції маса атома може бути визначена з точністю 1/3000. Завдання детектора - визначити, що в нього потрапило важке ядро, зареєструвати його енергію, швидкість і місце зупинки з високою точністю.

Схема роботи сепаратора

Для перевірки теорії існування "острова стабільності" вчені спостерігали за продуктами розпаду ядра 114 елемента. Якщо теорія справедлива, то ядра 114-го елемента, що виходять, повинні бути стійкі до спонтанного поділу, і бути альфа-радіоактивні, тобто випускати альфа-частинку, що складається з двох протонів і двох нейтронів. Для реакції за участю 114-го елемента повинен спостерігатися перехід 114-го до 112-го. Потім ядра 112 також відчувають альфа-розпад і переходять в ядра 110 і так далі. Причому час життя нового елемента має бути на кілька порядків більшим за час життя легших ядер. Саме такі довгоживучі події, існування яких було передбачено теоретично, і побачили дубненські фізики. Це є прямою вказівкою на те, що 114-й елемент вже зазнає дії структурних сил, що формують острів стабільності надважких елементів.

Приклади ланцюжків розпаду 114-го та 116-го елементів

У досвіді синтезу 116-го елемента в якості мішені використовували унікальну речовину - кюрій-248, отриманий на потужному реакторіНДІ атомних реакторів у м. Димитровграді. В іншому експеримент проходив за тією ж схемою, що і пошук 114 елемента. Спостереження ланцюжка розпадів 116 елемента стало ще одним доказом існування 114 елемента, цього разу він був отриманий в результаті розпаду більш важкого "батька". Що стосується 116-м елементом експериментальні дані показали істотне збільшення часу життя зі збільшенням кількості нейтронів в ядрі. Тобто сучасна фізика синтезу важких елементів впритул підійшла до межі "острова стабільності". Крім того, елементи, що утворилися внаслідок розпаду 116-го елемента з атомними номерами 108, 109 і 110, мають час життя, що обчислюється хвилинами, що дасть можливість вивчати хімічні властивості цих речовин методами сучасної радіохімії та експериментально перевірити фундаментальність закону Менделєєва щодо періодичності хімічних властивостей елементів. . Що стосується важких елементів можна припустити, що 112-й елемент має властивості кадмію і ртуті, а 114-й - олова, свинцю тощо. Ймовірно, на вершині острова стабільності існують надважкі елементи, життя яких становить мільйони років. Ця цифра не дотягує до віку Землі, але все ж таки не виключено присутність надважких елементів у природі, в нашій Сонячної системиабо в космічних променях, тобто в інших системах нашої Галактики. Але поки що експерименти з пошуку "природних" надважких елементів не увінчалися успіхом.

В даний час в ОІЯД йде підготовкаексперименту з пошуку 119-го елемента таблиці Менделєєва, а Лабораторія ядерних реакцій є світовим лідером у галузі фізики важких іонів та синтезу надважких елементів.

Ганна Максимчук,
науковий співробітник ОІЯД,
спеціально для R&D.CNews.ru

Цікаво, звісно. Виявляється, багато ще може бути відкрито хімічних елементів і навіть майже стабільних.

Виникає питання: а в чому практичний зміст всього цього досить дорогого заходу щодо пошуку нових майже стабільних елементів?

Здається так, що коли знайдуть спосіб виготовляти ці елементи, тоді і буде видно.

Але дещо проглядається вже й зараз. Наприклад, якщо хтось дивився фільм "Хижак", то у хижака є пристрій самознищення в браслеті на руці і вибух досить потужний виходить. Так ось. Ці нові хімічні елементи подібні до урану-235, але при цьому критична масаможе обчислюватися грамами (при цьому 1 грам цієї речовини еквівалентний вибуху 10 тонн тротилу - непогана така бомба розміром всього з п'ятикопійчану монету).

Так що вже є великий сенсвченим працювати в поті чола, а державі не скупитися на витрати.

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 металамиі закінчується (як з'ясувалося пізніше) інертними шляхетними 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.

Зате нейтронів в ядрі одного і того ж елемента може бути різна кількість, Заряду у них немає, 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 елементівсьогодні 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. Відповідно до оболонкової теорії будови ядра, висунутої ще в 1950-х, частки в ньому розподіляються за своїми енергетичним рівнямтак 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 фізикиповодяться з ядрами атомів, як з деталями конструктора, змушуючи їх приєднувати окремі нейтрони, протони чи 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 бути нова областьсферичних ядер, надважких та стійких елементів із 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 у 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 один із найважливіших питаньнауки: де лежить межа 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 атомних номерівлегше. 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. — Отже, ми повертаємося до самого 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 експериментиз 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 першою відомою рідким металом, то коперниця, можливо, виявиться першим газоподібним: 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 існуватиме вже довгі роки, або навіть 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 відрізнявся: Великому вибухувиник лише водень з невеликими домішками гелію — найлегші з атомів. 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, таких як америцій або коперниці, в 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 Дубнізвернулася до використання більш важких ядер, хай і менш 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».

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 кількостіізотопів важких елементів (102-105), у 1997 році рішенням Генеральної Асамблеї чистої та прикладної хімії елементу з Z = 105 було присвоєно ім'я Dubnium (Db). Цей елемент раніше називався Ha (Hannium).

Рис. 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.

Рис. 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.

Рис. 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 інформаціюпро 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 синтезованих надважких ядрах бажано мати максимально велике ставлення 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.

Рис. 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).

Рис. 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

Рис. 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.

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

Найважчий, отриманий у лабораторних умовелемент з Z = 118, був синтезований 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.

Рис. 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 швидкому поділунадважкого 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.

Рис. 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 α-розпаду, що важливо для розробки експериментальних методівдетектування та ідентифікації нових надважких ядер