Синтез на свръхтежки елементи. Резултати от търсенето за \ "стабилни елементи \"

Учени от Университета на Нов Южен Уелс (Австралия) и Университета в Майнц (Германия) предполагат, че една от най-необичайните звезди, познати на астрономите, съдържа химически елементи от острова на стабилността. Това са елементи в самия край на периодичната таблица, те се отличават от своите съседи вляво с по-дълъг живот. Изследването е публикувано в електронната библиотека за предпечат на arXiv.org и говори за неговите резултати и стабилни свръхтежки химични елементи.

Звездата HD 101065 е открита през 1961 г. от полско-австралийския астроном Антонин Пшибилски. Намира се на около 400 светлинни години от Земята в съзвездието Кентавър. Най-вероятно HD 101065 е по-лека от Слънцето и е субгигантска звезда от главната последователност. Особеност на звездата на Пшибилски е изключително ниското съдържание на желязо и никел в атмосферата. В същото време звездата е богата на тежки елементи, включително стронций, цезий, торий, итербий и уран.

Звездата на Пшибилски е единствената, в която са открити краткоживеещи радиоактивни елементи актиниди с атомен номер (броя на протоните в ядрото) от 89 до 103: анемони, плутоний, америций и айнщайн. HD 101065 е подобен на HD 25354, но наличието на америций и кюрий там предизвиква съмнения.

Механизмът за образуване на свръхтежки елементи върху звездата на Пшибилски все още не е напълно изяснен. Предполагаше се, че HD 101065 заедно с неутронна звезда образува двоична система - частици от втората падат върху първата, провокирайки реакции на синтез на тежки елементи. Тази хипотеза все още не е потвърдена, въпреки че е възможно слаб спътник да се намира на разстояние от около хиляда астрономически единици от HD 101065.

Снимка: Н. Даутел / Globallookpress.com

Най-вече HD 101065 прилича на Ap звезди, своеобразни (особени) светила от спектрален клас А, в чийто спектър линиите на редкоземните метали са засилени. Те имат силно магнитно поле, тежки елементи идват в атмосферата им от дълбините. HD 101065 се различава от другите Ap звезди с краткотрайни промени в светлинната крива, което направи възможно включването му в отделна група от бързо осцилиращи Ap звезди (RoAp звезди).

Вероятно опитите на учените да запишат HD 101065 в съществуваща класификациязвездите някой ден ще бъдат увенчани с успех. Докато звездата на Пшибилски се смята за една от най-необичайните, това дава основание да се подозира редица необичайни свойства в нея. По-специално, в най-новата работа върху HD 101065, австралийски и немски изследователи предположиха, че в звездата на Пшибилски се раждат химически елементи, свързани с острова на стабилността.

Учените изхождаха от модела на черупката на ядрото и неговите разширения. Моделът свързва стабилността на атомното ядро ​​с запълването на енергийните нива на обвивките, които по аналогия с електронните обвивки на атома образуват ядрото. Всеки неутрон и протон се намират в определена обвивка (разстояние от центъра на атома или енергийно ниво) и се движат независимо един от друг в определено самостоятелно поле.

Смята се, че колкото по-запълнени са енергийните нива на ядрото, толкова по-стабилен е изотопът. Моделът обяснява добре стабилността на атомните ядра, спиновете и магнитните моменти, но е приложим само за невъзбудени или леки и средни ядра.

В съответствие с модела на обвивката, ядрата с напълно запълнени енергийни обвивки се характеризират с висока стабилност. Тези елементи образуват „острова на стабилността“. Започва с изотопи със серийни номера 114 и 126, съответстващи на магически и два пъти магически числа.

Ядрата с магически брой нуклони (протони и неутрони) имат най-силна енергия на свързване. В таблицата с нуклидите те са подредени по следния начин: хоризонтално, отляво надясно, нагоре, се посочва броят на протоните, а вертикално, отгоре надолу, броят на неутроните. Двойно магическото ядро ​​има броя на протоните и неутроните, равен на всяко магическо число.

Времето на полуразпад на изотопи на флеровий (елемент 114), получени в Дубна, е до 2,7 секунди. Според теорията трябва да има изотоп флеровиум-298 с магически брой неутрони N = 184 и живот от около десет милиона години. Все още не е възможно да се синтезира такова ядро. За сравнение, полуживотът на съседни елементи с брой протони в ядрото, равен на 113 и 115, е съответно до 19,6 секунди (за нихон-286) и 0,156 секунди (за мусковий-289).

Авторите на публикацията на arXiv.org смятат, че наличието на актиниди HD 101065 в атмосферата говори в полза на това, че там присъстват и химически елементи от острова на стабилността. В този случай актинидите са продукт на разпад на стабилни свръхтежки елементи. Учените предлагат да се извърши търсене в спектрите на HD 101065 за следи от нобелий, лоуренция, нихоний, флеровий и да се опишат специфични спектри, които стабилните изотопи могат да произвеждат.

В момента нови елементи на периодичната таблица се синтезират в Русия, САЩ, Япония и Германия. На Земята трансуранови елементи не са открити в естествената среда. Звездата HD 101065 може да отвори нови възможности за тестване на теориите на ядрените физици, предполагайки съществуването на остров на стабилност.

До края на 60-те години, чрез усилията на много теоретици - О. Бор и Б. Мотелсън (Дания), С. Нилсън (Швеция), В.М. Струтински и В.В. Пашкевич (СССР), Х. Майерс и В. Святецки (САЩ), А. Собичевски и др. (Полша), В. Грайнер и др. (Германия), Р. Никс и П. Мьолер (САЩ), Дж. Бергер (Франция) ) и много други създадоха микроскопична теория за атомните ядра. Новата теория приведе всички горепосочени противоречия в една кохерентна система от физически закони.
Както всяка теория, тя имаше известна предсказваща сила, по-специално при предсказване на свойствата на много тежки, все още неизвестни ядра. Оказа се, че стабилизиращият ефект на ядрените черупки ще работи извън границите, посочени от капковия модел на ядрото (т.е. в областта Z> 106), образувайки т.нар. „Острови на стабилност“ около магическите числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Както може да се види на фиг. 2, времето на живот на свръхтежките ядра, разположени в тези "островове на стабилност", може значително да се увеличи. Това е особено вярно за най-тежките, свръхтежки елементи, където ефектът на затворените черупки Z = 114 (евентуално 120) и N = 184 увеличава периода на полуразпад до десетки, стотици хиляди, а може би и милиони години, т.е. - 32-35 порядъка повече, отколкото при липса на ефект на ядрени черупки. Така възникна интригуваща хипотеза за възможното съществуване на свръхтежки елементи, които значително разширяват границите на материалния свят. Директен тест на теоретичните прогнози би бил синтезът на свръхтежки нуклиди и определянето на техните свойства на разпад. Ето защо ще трябва да разгледаме накратко ключовите въпроси, свързани с изкуствения синтез на елементи.

2. Реакции на синтез на тежки елементи

Много изкуствени елементи, по-тежки от урана, са синтезирани в реакциите на последователно улавяне на неутрони от ядрата на урановия изотоп - 235 U при продължително облъчване на мощни ядрени реактори. Дългият полуживот на новите нуклиди направи възможно отделянето им от други странични продукти на реакцията чрез радиохимични методи, последвано от измерване на техните свойства на радиоактивен разпад. Тези пионерски произведения на проф. Г. Сиборг и неговите колеги, извършени през 1940 - 1953г. в Националната радиационна лаборатория (Бъркли, САЩ) доведе до откриването на осем изкуствени елемента със Z = 93 -100, най-тежкият изотоп 257 Fm (T 1/2 ~ 100 дни.). По-нататъшното напредване в областта на по-тежките ядра беше практически невъзможно поради изключително краткия полуживот на следващия изотоп - 258 Fm (T SF = 0,3 милисекунди). Опитите да се заобиколи това ограничение в импулсните потоци от неутрони с голяма мощност, произтичащи от ядрена експлозия, не дадоха желаните резултати: както преди, най-тежкото ядро ​​беше 257 Fm.

Елементи по-тежки от Pm (Z = 100) са синтезирани в реакции с ускорени тежки йони, когато комплекс от протони и неутрони се въвежда в целевото ядро. Но този тип реакция е различен от предишния случай. Когато се улови неутрон, който няма електрически заряд, енергията на възбуждане на ново ядро ​​е само 6 - 8 MeV. Обратно, когато целевите ядра се сливат с дори леки йони като хелий (4 He) или въглерод (12 C), тежките ядра ще се нагреят до енергия от Е х = 20 - 40 MeV. С по-нататъшно увеличаване на атомния номер на ядрото на снаряда, то ще трябва да придава все повече и повече енергия за преодоляване на електрическите сили на отблъскване на положително заредените ядра (реакционната бариера на Кулон). Това обстоятелство води до увеличаване на енергията на възбуждане (нагряване) на съставното ядро, образувано след сливането на две ядра - снаряд и мишена. Неговото охлаждане (преход в основно състояние Е х = 0) ще стане чрез излъчване на неутрони и гама лъчи. И тук възниква първото препятствие.

Загрятото тежко ядро ​​ще може да излъчи неутрон само в 1/100 от случаите; обикновено то ще бъде разделено на два фрагмента, тъй като енергията на ядрото е значително по-висока от височината на неговата бариера на делене. Лесно е да се разбере, че увеличаването на енергията на възбуждане на съставното ядро ​​е пагубно за него. Вероятността за оцеляване на нагрято ядро ​​​​спада рязко с повишаване на температурата (или енергията E x) поради увеличаване на броя на изпарените неутрони, с които деленето силно се конкурира. За да се охлади ядро, нагрято до енергия от около 40 MeV, е необходимо да се изпарят 4 или 5 неутрона. Всеки път деленето ще се конкурира с излъчването на неутрон, в резултат на което вероятността за оцеляване ще бъде само (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10. Ситуацията се усложнява от факта, че с повишаване на температурата на ядрото стабилизиращият ефект на черупките намалява, следователно височината на бариерата на делене намалява и делимостта на ядрото се увеличава рязко. И двата фактора водят до изключително ниска вероятност за образуване на свръхтежки нуклиди.

Напредването в областта на елементите по-тежки от 106 става възможно след откриването през 1974 г. на т.нар. реакции на студен синтез. В тези реакции като целеви материал се използват "магически" ядра от стабилни изотопи - 208 Pb (Z = 82, N = 126) или 209 Bi (Z = 83, N = 126), които са бомбардирани с йони по-тежки от аргона (Ю.Ц. Оганесян, А.Г. Демин и др.). В процеса на синтез, високата енергия на свързване на нуклони в "магическото" целево ядро ​​води до поглъщане на енергия по време на пренареждане на две взаимодействащи ядра
в тежко ядро ​​с обща маса. Тази разлика в енергиите на "опаковането" на нуклони във взаимодействащите ядра и в крайното ядро ​​до голяма степен компенсира енергията, необходима за преодоляване на високата кулонова бариера на реакцията. В резултат на това тежкото ядро ​​има енергия на възбуждане от само 12-20 MeV. До известна степен подобна реакция е подобна на процеса на "обратно делене". Всъщност, ако деленето на ураново ядро ​​на два фрагмента се случи с освобождаването на енергия (той се използва в атомни електроцентрали), тогава при обратната реакция, когато фрагментите се слеят, полученото ураново ядро ​​ще бъде почти студено. Следователно по време на синтеза на елементи в реакциите на студен синтез е достатъчно тежко ядро ​​да излъчи само един или два неутрона, за да премине в основно състояние.
Реакциите на студен синтез на масивни ядра са успешно използвани за синтеза на 6 нови елемента, от 107 до 112 (P. Armbruster, Z. Hofmann, G. Munzenberg и др.) в GSI National Nuclear Physics Center in Darmstadt ( Германия). Наскоро К. Морита и др. в Националния център RIKEN (Токио) повториха GSI експериментите за синтеза на 110-112 елемента. И двете групи възнамеряват да се придвижат по-нататък към елементи 113 и 114, използвайки по-тежки снаряди. Въпреки това опитите за синтезиране на все по-тежки елементи в реакциите на студен синтез са свързани с големи трудности. С увеличаване на атомния заряд на йоните, вероятността за тяхното сливане с целевите ядра от 208 Pb или 209 Bi силно намалява поради увеличаване на кулоновските отблъскващи сили, които са пропорционални, както е известно, на произведението на ядрени заряди. От елемент 104, който може да се получи в реакцията 208 Pb + 50 Ti (Z 1 × Z 2 = 1804) към елемент 112 в реакцията 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), вероятността за сливане намалява с повече от 10 4 пъти.

Фигура 3Карта на тежките нуклиди. Времето на полуразпад на ядрата е представено в различни цветове (дясна скала). Черни квадрати - изотопи на стабилни елементи, открити в земна кора(Т 1/2 ≥ 10 9 години). Тъмносиният цвят е "морето на нестабилността", където ядрата живеят по-малко от 10-6 секунди. Жълтите линии съответстват на затворени черупки, показващи магическите числа на протоните и неутроните. "Острови на стабилността" след "полуострова" от торий, уран и трансуранови елементи - предсказания на микроскопичната теория на ядрото. Две ядра със Z = 112 и 116, получени при различни ядрени реакции и техния последователен разпад, показват колко близо може да се доближи до „островите на стабилност“ при изкуствения синтез на свръхтежки елементи.

Има и друго ограничение. Сложните ядра, получени при реакции на студен синтез, имат относително малък брой неутрони. В случай на образуване на 112-ия елемент, разгледан по-горе, крайното ядро ​​със Z = 112 има само 165 неутрона, докато при броя на неутроните N> 170 се очаква повишаване на стабилността (виж фиг. 3).

Ядра с голям излишък от неутрони по принцип могат да се получат, ако като мишени се използват изкуствени елементи: плутоний (Z = 94), америций (Z = 95) или кюрий (Z = 96), произведени в ядрени реактори, и рядко калциев изотоп - 48 Ca. (виж отдолу).

Ядрото на 48 Ca атом съдържа 20 протона и 28 неутрона - и двете стойности съответстват на затворени обвивки. При реакции на синтез с 48 Ca ядра, тяхната "магическа" структура също ще работи (тази роля в реакциите на студен синтез се играе от магически целеви ядра - 208 Pb), в резултат на което енергията на възбуждане на свръхтежки ядра ще бъде около 30 - 35 MeV. Преходът им в основно състояние ще бъде придружен от излъчване на три неутрона и гама лъчи. Може да се очаква, че при тази енергия на възбуждане ефектът на ядрените черупки все още присъства в нагрятите свръхтежки ядра, това ще увеличи степента им на оцеляване и ще ни позволи да ги синтезираме в нашите експерименти. Имайте предвид също, че асиметрията на масите на взаимодействащите ядра (Z 1 × Z 2 ≤ 2000) намалява тяхното кулоновско отблъскване и по този начин увеличава вероятността от сливане.

Въпреки тези привидно очевидни предимства, всички предишни опити за синтезиране на свръхтежки елементи в реакции с 48 Са йони, предприети в различни лаборатории през 1977-1985 г. се оказа неефективно. Въпреки това, развитието на експерименталната технология през последните години и на първо място производството на интензивни 48 Ca йонни лъчи в нашата лаборатория върху ускорители от ново поколение, направи възможно увеличаването на чувствителността на експеримента почти 1000 пъти. Тези постижения бяха използвани в нов опит за синтез на свръхтежки елементи.

3 Очаквани свойства

Какво очакваме да видим в експеримента, ако синтезът е успешен? Ако теоретичната хипотеза е вярна, тогава свръхтежките ядра ще бъдат стабилни срещу спонтанно делене. Тогава те ще изпитат различен тип разпад: алфа разпад (емисия на хелиево ядро, състоящо се от 2 протона и 2 неутрона). В резултат на този процес дъщерното ядро ​​се образува от 2 протона и 2 неутрона, по-леки от родителското. Ако дъщерното ядро ​​също има малка вероятност от спонтанно делене, тогава след втория алфа разпад ядрото на внучката вече ще бъде с 4 протона и 4 неутрона по-леко от първоначалното ядро. Алфа разпадът ще продължи, докато не настъпи спонтанно делене (фиг. 4).

Че. очакваме да видим не един разпад, а "радиоактивно семейство", верига от последователни алфа разпада, достатъчно дълги във времето (в ядрен мащаб), които се конкурират, но в крайна сметка са прекъснати от спонтанно делене. По принцип такъв сценарий на разпад вече показва образуването на свръхтежко ядро.

За да се види напълно очакваното повишаване на стабилността, е необходимо да се приближим възможно най-близо до затворените обвивки Z = 114 и N = 184. Изключително трудно е да се синтезират такива богати на неутрони ядра в ядрени реакции, тъй като по време на синтеза от ядра на стабилни елементи, в които вече има определено съотношение на протони и неутрони, е невъзможно да се стигне до двойно магическо ядро ​​298 114. Следователно, трябва да се опитаме да използваме ядра в реакцията, които първоначално съдържат максимум възможен брой неутрони. Това до голяма степен определя и избора на ускорени 48 Ca йони като снаряд. Както знаете, в природата има много калций. Състои се от 97% от изотопа 40 Ca, чието ядро ​​съдържа 20 протона и 20 неутрона. Но съдържа в количество от 0,187% тежък изотоп - 48 Ca (20 протона и 28 неутрона), който има 8 излишни неутрона. Производствената му технология е много трудоемка и скъпа; цената на един грам обогатен 48 Ca е около 200 000 долара. Поради това трябваше да променим значително дизайна и режимите на работа на нашия ускорител, за да намерим компромисно решение - да получим максималния интензитет на йонния лъч при минимална консумациятези екзотични неща.

Фигура 4
Теоретични прогнози за видовете разпад (показани в различни цветове на фигурата) и периодите на полуразпад на изотопи на свръхтежки елементи с различен брой протони и неутрони. Като пример е показано, че за изотопа на 116-ия елемент с маса 293, образуван при сливането на ядра 248 St и 48 Ca, се очакват три последователни алфа разпада, които завършват със спонтанно делене на големия- внучка на 110-ти елемент с маса 281. Както се вижда на фиг. 8 е точно такъв сценарий на разпад, под формата на верига α - α - α - SF, наблюдаван за това ядро ​​в експеримента. Разпадът на по-леко ядро ​​- изотопът на 110-ия елемент с маса 271, получен в реакцията на "студен синтез" на ядра 208 Pb + 64 Ni. Периодът на полуразпад е 10 4 пъти по-малък от този на изотопа 281 110.

Днес достигнахме рекорден интензитет на лъча от 8 × 10 12 / s, при много ниска консумация на изотопа 48 Ca - около 0,5 милиграма / час. Като целеви материал използваме дългоживеещи обогатени изотопи на изкуствени елементи: Pu, Am, Cm и Cf (Z = 94-96 и 98) също с максимално съдържание на неутрони. Те се произвеждат в мощни ядрени реактори (в Оук Ридж, САЩ и в Димитровград, Русия) и след това се обогатяват в специални инсталации, масови сепаратори във Всеруския научноизследователски институт по експериментална физика (Саров). Реакциите на синтез на 48 Ca ядра с ядрата на тези изотопи са избрани за синтеза на елементи със Z = 114 - 118.

Тук бих искал да направя малко отклонение.

Не всяка лаборатория, дори и водещите ядрени центрове в света, притежава толкова уникални материали и в такива количества, които използваме в нашата работа. Но технологиите за тяхното производство са разработени у нас и се разработват от нашата индустрия. Министърът на атомната енергия на Русия предложи да разработим работна програма за синтез на нови елементи за 5 години и отпусна специална субсидия за тези изследвания. От друга страна, работейки в Съвместния институт за ядрени изследвания, ние широко си сътрудничим (и се конкурираме) с водещите световни лаборатории. В изследванията върху синтеза на свръхтежки елементи ние от много години си сътрудничим тясно с Ливърморската национална лаборатория (САЩ). Това сътрудничество не само обединява нашите усилия, но и създава условия, при които експерименталните резултати се обработват и анализират от две групи по независим начин на всички етапи от експеримента.
За 5 години работа, при продължително облъчване, доза около 2 × 10 20 йона (около 16 милиграма 48 Ca, ускорени до ~ 1/10 скоростта на светлината, преминаха през целевите слоеве). В тези експерименти се наблюдава образуването на изотопи от 112 ÷ 118 елемента (с изключение на 117-ия елемент) и са получени първите резултати за свойствата на разпад на нови свръхтежки нуклиди. Представянето на всички резултати би отнело твърде много място и, за да не уморим читателя, ще се ограничим до описание само на последния експеримент за синтеза на 113 и 115 елемента - всички други реакции бяха изследвани По подобен начин... Но преди да се заемем с тази задача, би било препоръчително да очертаем накратко формулировката на експеримента и да обясним основните принципи на действие на нашата инсталация.

4. Настройка на експеримента

Съставното ядро, образувано от сливането на целевите ядра и частицата, след изпаряване на неутроните, ще се движи в посока на йонния лъч. Целевият слой е избран достатъчно тънък, за да може от него да излети атом с тежък откат и да продължи движението си до детектор, разположен на разстояние около 4 m от целта. Между целта и детектора е разположен сепаратор, напълнен с газ. , предназначени да потискат частиците на лъча и страничните продукти от реакцията.
Принципът на действие на сепаратора (фиг. 5) се основава на факта, че атомите в газообразна среда - в нашия случай във водород, при налягане само 10 -3 атм. - ще имат различен йонен заряд в зависимост от скоростта им. Това позволява те да бъдат разделени в магнитно поле "в движение" за време от 10 -6 s. и директно към детектора. Атомите, преминали през сепаратора, се имплантират в чувствителния слой на полупроводниковия детектор, генерирайки сигнали за времето на пристигане на атома на отката, неговата енергия и мястото на имплантиране (т.е. координати: NS и в върху работната повърхност на детектора). За тези цели детекторът с обща площ от около 50 cm 2 е направен под формата на 12 "ленти" - ленти, наподобяващи клавиш на пиано - всяка от които има надлъжна чувствителност. Ако ядрото на имплантирания атом претърпи алфа разпад, тогава излъчената алфа частица (с очаквана енергия от около 10 MeV) ще бъде регистрирана от детектора, показвайки всички по-горе изброени параметри: време, енергия и координати. Ако след първото разпадане последва второто, тогава подобна информация ще се получи и за втората алфа - частица и т.н. докато настъпи спонтанно разделяне. Последният разпад ще бъде регистриран под формата на два съвпадащи сигнала с голяма амплитуда (E 1 + E 2 ~ 200 MeV). За да се повиши ефективността на регистриране на алфа-частици и сдвоени фрагменти на делене, предният детектор е заобиколен от странични детектори, образуващи "кутия" с отворена стена от страната на сепаратора. Пред детекторния модул има два тънки детектора за време на полета, които измерват скоростта на ядрата на отката (т.нар. TOF детектори, съкращението на английските думи - време на полет). Следователно, първият сигнал, произтичащ от ядрото на отката, идва със знака TOF. Последващите сигнали от ядрен разпад нямат тази характеристика.
Разбира се, разпадите могат да бъдат с различна продължителност, характеризиращи се с излъчване на една или повече алфа частици с различни енергии. Но ако те принадлежат към едно и също ядро ​​и образуват радиоактивно семейство (ядро на майката - дъщеря - внуче и т.н.), тогава координатите на всички сигнали - от ядрото на откат, алфа частици и фрагменти на делене - трябва да съвпадат в съответствие с точността на резолюцията на позиционния детектор. Нашите детектори, произведени от Canberra Electronics, измерват енергията на алфа частиците с точност от ~ 0,5% и имат позиционна разделителна способност от около 0,8 mm за всяка лента.

Фигура 5
Схематичен изглед на инсталация за разделяне на ядра на откат при експерименти за синтез на тежки елементи

Психически цялата повърхност на детектора може да бъде представена като около 500 клетки (пиксела), в които се откриват разпадане. Вероятността два сигнала да ударят произволно едно и също място е 1/500, три сигнала - 1/250 000 и т.н. Това дава възможност да се изберат с голяма надеждност много редки събития на генетично свързани последователни разпада на свръхтежки ядра от огромно количество радиоактивни продукти, дори ако те се образуват в изключително малки количества (~ 1 атом / месец).

5. Експериментални резултати

(физически опит)

За да покажем настройката "в действие", нека опишем, като пример, по-подробно експериментите по синтеза на елемент 115, образуван в реакцията на ядрен синтез 243 Am (Z = 95) + 48 Ca (Z = 20 ) → 291 115.
Синтезът на Z-нечетно ядро ​​е привлекателен с това, че наличието на нечетен протон или неутрон значително намалява вероятността от спонтанно делене и броят на последователните алфа преходи ще бъде по-голям (дълги вериги), отколкото в случай на разпад на четно- дори ядра. За да се преодолее кулоновата бариера, 48 Са йони трябва да имат енергия от E> 236 MeV. От друга страна, изпълнявайки това условие, ако енергията на лъча е ограничена до E = 248 MeV, тогава топлинната енергия на съставното ядро ​​291 115 ще бъде около 39 MeV; ще се охлади от излъчването на 3 неутрона и гама лъчи. Тогава продуктът от реакцията ще бъде изотопът 115 на елемента с брой неутрони N = 173. След като избяга от целевия слой, атомът на новия елемент ще премине през сепаратора, конфигуриран да го предава и ще влезе в детектора. По-нататъшните събития се развиват, както е показано на фиг. 6. 80 микросекунди след спиране на ядрото на отката във фронталния детектор, системата за събиране на данни получава сигнали за времето на пристигане, енергията и координатите (номер на лентата и позиция в нея). Имайте предвид, че тази информация е "TOF" (дошла от разделител). Ако в рамките на 10 секунди от същото място на повърхността на детектора последва втори сигнал с енергия над 9,8 MeV, лъчът се изключва без знака "TOF" (т.е. от разпадането на имплантирания атом) и всички по-нататъшното разпадане се записва при условия на почти пълно отсъствие на фон. Както се вижда на горната графика на фиг. 6, зад първите два сигнала - от ядрото на отката и първата алфа частица - за време от около 20 s. след изключване на лъча последваха още 4 сигнала, чиито позиции с точност ± 0,5 mm съвпадат с предишните сигнали. Детекторът беше безшумен през следващите 2,5 часа. Спонтанно делене в същата ивица и в същото положение е регистрирано едва на следващия ден, 28,7 часа по-късно, под формата на два сигнала от фрагменти на делене с обща енергия 206 MeV.
Такива вериги са регистрирани три пъти. Всички те имат една и съща форма (6 поколения ядра в радиоактивно семейство) и са съгласувани помежду си както в енергията на алфа частиците, така и във времето на тяхното появяване, като се вземе предвид експоненциалният закон на разпадането на ядрата. Ако наблюдаваният ефект се отнася, както се очаква, до разпадането на изотопа на 115-ия елемент с маса 288, който се образува след изпаряване на съединението от ядро ​​от 3 неутрона, то с увеличаване на енергията на 48 Ca йонен лъч само с 5 MeV, той трябва да намалее с коефициент 5-6. Всъщност при E = 253 MeV ефектът липсваше. Но тук се наблюдава друга, по-къса верига на разпадане, състояща се от четири алфа частици (считаме, че има и 5 от тях, но последната алфа частица влетя в отворен прозорец) с продължителност само 0,4 s. Новата верига от разпад завършва за 1,5 часа със спонтанно делене. Очевидно това е разпадът на друго ядро, с голяма вероятност от съседния изотоп на 115-ия елемент с маса 287, образуван в реакцията на синтез с излъчване на 4 неутрона. Веригата от последователни разпадания на нечетно-нечетния изотоп Z = 115, N = 173 е показана в долната графика на фиг. 6, където изчислените времена на полуразпад на свръхтежки нуклиди с различен брой протони и неутрони са показани във формата на контурна карта. Той също така показва разпадането на друг, по-лек нечетно-нечетен изотоп на 111-ия елемент с броя на неутроните N = 161, синтезирани в реакцията 209 Bi + 64 Ni в немската лаборатория - GSI (Дармщат) и след това в японската лаборатория - RIKEN (Токио).

Фигура 6
Експеримент за синтеза на 115 елемент в реакцията 48 Ca + 243 At.
Горната фигура показва времената на поява на сигнала след имплантиране в детектора на ядрото на откат (R). Сигналите от регистрацията на алфа частици са маркирани в червено, а сигналите от спонтанно делене са маркирани в зелено. Като пример, за едно от трите събития, позиционните координати (в mm) на всичките 7 сигнала от веригата на разпадане R →α 1 → α 2 → α 3 → α 4 → α 5 → SF, записани в лента № 4. Долната фигура показва веригите на разпад на ядрата със Z = 111, N = 161 и Z = 115, N = 173. Контурни линии, очертаващи области от ядра с различен период на полуразпад ( различни степенизатъмняване) - прогнози на микроскопичната теория.

Преди всичко трябва да се отбележи, че периодите на полуразпад на ядрата и в двата случая са в добро съответствие с теоретичните прогнози. Въпреки факта, че изотопът 288 115 е на 11 неутрона отдалечен от неутронната обвивка N = 184, изотопите 115 и 113 на елементите имат относително дълъг живот (T 1/2 ~ 0,1 s и 0,5 s, съответно).
След пет алфа разпада се образува изотоп 105 на елемента - дубний (Db) с N = 163, чиято стабилност се определя от друга затворена обвивка N = 162. Силата на тази обвивка се демонстрира от огромната разлика в периода на полуразпад на двата Db изотопа, които се различават един от друг само с 8 неутрона. Отбележете още веднъж, че при липса на структура (ядрена обвивка), всички изотопи от 105 ÷ 115 елемента трябва да претърпят спонтанно делене за време от ~ 10 -19 s.

(химичен опит)

В описания по-горе пример свойствата на дългоживеещия изотоп 268 Db, който затваря веригата на разпад на 115-ия елемент, са от самостоятелен интерес.
Според периодичния закон 105-ият елемент е на V ред. Той е, както се вижда на фиг. 7, химичен хомолог на ниобий (Nb) и тантал (Ta) и се различава по химични свойства от всички по-леки елементи – актиниди (Z = 90 ÷ 103), представляващи отделна група в D.I. Менделеев. Поради дългия полуживот, този изотоп на 105-ия елемент може да бъде отделен от всички реакционни продукти радиохимичен методс последващо измерване на нейния разпад - спонтанно делене. Този експеримент осигурява независима идентификация на атомния номер на крайното ядро ​​(Z = 105) и всички нуклиди, образувани при последователните алфа разпада на 115-ия елемент.
При химически експеримент няма нужда от сепаратор за откат. Разделянето на реакционните продукти според техните атомни номера се извършва по методи, базирани на разликата в техните химични свойства. Ето защо тук беше използвана по-опростена техника. Продуктите на реакцията, изтичащи от целта, се забиват в меден колектор, разположен по пътя на тяхното движение на дълбочина 3-4 микрона. След 20-30 часа облъчване колекцията се разтваря. От разтвора се изолира фракция трансактиноиди - елементи Z> 104, а от тази фракция, след това елементи от 5-та серия - Db, придружени от техните химически хомолози Nb и Ta. Последните бяха добавени като "маркери" към разтвора преди химическото разделяне. Капчица от разтвор, съдържащ Db, се отлага върху тънък субстрат, изсушава се и след това се поставя между два полупроводникови детектора, които записват и двата спонтанни фрагмента на делене. Целият комплект на свой ред беше поставен в неутронен детектор, който определя броя на неутроните, излъчени от фрагментите по време на деленето на Db ядрата.
През юни 2004 г. са проведени 12 идентични експеримента (S. N. Dmitriev et al.), в които са регистрирани 15 събития на спонтанно делене на Db. Фрагменти от спонтанно делене Db имат кинетична енергия от около 235 MeV; средно около 4 неутрона се излъчват за всяко събитие на делене. Такива характеристики са присъщи на спонтанното делене на доста тежко ядро. Припомнете си, че за 238 U тези стойности са съответно около 170 MeV и 2 неутрона.
Химичният експеримент потвърждава резултатите от физически експеримент: ядрата на 115-ия елемент, образувани в реакцията 243 Am + 48 Ca в резултат на последователни пет алфа разпада: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 всъщност водят до образуването на дългоживеещо спонтанно делящо се ядро ​​с атомен номер 105. В тези експерименти, като дъщерен продукт на алфа разпада на елемент 115, е синтезиран друг, неизвестен досега елемент с атомен номер 113.

Фигура 7
Физически и химични експерименти за изследване на радиоактивните свойства на 115-ия елемент.
В реакцията 48 Ca + 243 At с помощта на физическа настройка беше показано, че пет последователни
алфа разпадите на изотопа 288 115 водят до дългоживеещия изотоп на 105-ия елемент - 268 Db, който
се разделя спонтанно на два фрагмента. В химичен експеримент е установено, че ядро ​​с атомен номер 105 претърпява спонтанно делене.

6. Голямата картина и бъдещето

Резултатите, получени при реакцията 243 Am + 48 Ca, не са специален случай. По време на синтеза на Z-четни нуклиди - изотопи на 112, 114 и 116 елемента - наблюдавахме и дълги вериги на разпад, завършващи със спонтанно делене на ядра със Z = 104-110, чийто живот варира от секунди до часове, в зависимост от атомен номер и неутронен състав на ядрото ... Към днешна дата са получени данни за свойствата на разпад на 29 нови ядра със Z = 104-118; те са представени на нуклидната карта (фиг. 8). Свойствата на най-тежките ядра, разположени в областта на трансактиноидите, техният тип на разпад, енергии и времена на разпад са в добро съответствие с прогнозите на съвременната теория. Хипотезата за съществуването на острови на стабилност за свръхтежки ядра, които значително разширяват света на елементите, изглежда за първи път намира експериментално потвърждение.

Перспективи

Сега задачата е да се проучи по-подробно ядрената и атомната структура на новите елементи, което е много проблематично, главно поради ниския добив на желаните реакционни продукти. За да се увеличи броят на атомите на свръхтежките елементи, е необходимо да се увеличи интензивността на йонния лъч 48 Ca и да се увеличи ефективността физически техники... Планираната за следващите години модернизация на ускорителя на тежки йони, използвайки всички най-нови постижения в ускорителната технология, ще ни позволи да увеличим интензитета на йонния лъч с около 5 пъти. Решението на втората част изисква радикална промяна в дизайна на експериментите; може да се намери в създаването на нова експериментална техника, базирана на свойствата на свръхтежките елементи.

Фигура 8
Нуклидна карта на тежки и свръхтежки елементи.
За ядра вътре в овали, съответстващи на различни реакции на синтез (показани на фигурата), са показани периодите на полуразпад и енергията на излъчените алфа частици (жълти квадрати). Данните са представени на контурна картаразделяне на областта според приноса на ефекта на ядрената обвивка към енергията на свързване на ядрото. При липса на ядрена структура цялото поле би било бяло. Когато потъмнее, ефектът на черупките нараства. Две съседни зони се различават само с 1 MeV. Това обаче е достатъчно за значително повишаване на стабилността на ядрата по отношение на спонтанно делене, в резултат на което нуклидите, разположени в близост до "магическите" числа на протоните и неутроните, претърпяват предимно алфа разпад. От друга страна, в изотопите на 110-ия и 112-ия елемент увеличаването на броя на неутроните с 8 атомни единици води до увеличаване на периодите на алфа-разпад на ядрата с повече от 10 5 пъти.

Принципът на действие на съществуващата инсталация - кинематичен сепаратор на откатни ядра (фиг. 5) се основава на разликата в кинематичните характеристики на различните видове реакции. Интересуващите ни продукти от реакцията на сливането на целеви ядра и 48 Ca се изхвърлят от целта в посока напред, в тесен ъглов конус от ± 3 0 с кинетична енергия около 40 MeV. Чрез ограничаване на траекториите на ядрата на откат, като се вземат предвид тези параметри, ние почти напълно се отделяме от йонния лъч, потискаме фона на страничните продукти от реакцията с 10 4 ÷ 10 6 пъти и с ефективност от около 40% доставяме атоми от нови елементи към детектора за време от 1 микросекунда. С други думи, разделянето на реакционните продукти става "в движение".

Фигура 8 Инсталиране на MASHA
Горната фигура показва диаграма на сепаратора и неговия принцип на действие. Откатните ядра, изхвърлени от целевия слой, спират в графитен колектор на дълбочина от няколко микрометра. Като последствие висока температураТе дифундират в камерата на йонния източник, изтеглят се от плазмата, ускоряват се от електрическо поле и се анализират по маса от магнитни полета в посоката на движение към детектора. В този дизайн масата на атома може да бъде определена с точност от 1/3000. Долната фигура показва обща формаинсталация.

Но за да се получи висока селективност на инсталацията е важно да се запазят, а не да се "размазват" кинематичните параметри - изходните ъгли и енергиите на ядрата на отката. Поради това е необходимо да се използват целеви слоеве с дебелина не повече от 0,3 микрометра - около три пъти по-малко от необходимото за получаване на ефективен добив на свръхтежко ядро ​​с дадена маса или 5--6 пъти по-малко, когато стига до синтеза на два съседни по маса изотопа на даден елемент. Освен това, за да се получат данни за масовите числа на изотопи на свръхтежък елемент, е необходимо да се проведе дълга и трудоемка серия от експерименти - да се повторят измервания при различни енергии на йонния лъч 48 Ca.
В същото време, както следва от нашите експерименти, синтезираните атоми на свръхтежки елементи имат период на полуразпад, който значително надвишава скоростта на кинематичния сепаратор. Поради това в много случаи не е необходимо да се отделят продуктите на реакцията за толкова кратко време. След това можете да промените принципа на работа на инсталацията и да извършите разделянето на реакционните продукти на няколко етапа.
Схемата на новата инсталация е показана на фиг. 9. След имплантирането на ядра на откат в колектор, нагрят до температура 2000 0 C, атомите дифундират в плазмата на йонния източник, йонизират се в плазмата до заряд q = 1 +, извличат се от източника чрез електрическо поле, се разделят по маса в магнитни полета със специален профил и накрая се записват (според вида на разпадане) от детектори, разположени във фокалната равнина. Цялата процедура може да отнеме приблизително време от десети от секундата до няколко секунди, в зависимост от температурни режимии физични и химични свойстваразделени атоми. Отстъпвайки по скорост на кинематичния сепаратор, новата инсталация - MASHA (съкращение за пълно име Масов анализатор на супер тежки атоми) - ще увеличи ефективността на работа с около 10 пъти и ще даде, наред със свойствата на разпад, директно измерване на масата на свръхтежките ядра.
Благодарение на безвъзмездна помощ, отпусната от губернатора на Московска област B.V. Громов, за да създаде тази инсталация, тя е проектирана и произведена в краткосрочен- след 2 години, тестван и готов за употреба. След реконструкция на ускорителя, с монтаж на MASNA. ще разширим значително нашите изследвания на свойствата на новите нуклиди и ще се опитаме да отидем по-далеч, в областта на по-тежките елементи.

(търсене на свръхтежки елементи в природата)

Другата страна на проблема със свръхтежките елементи е свързана с производството на по-дълго живеещи нуклиди. В описаните по-горе експерименти стигнахме само до ръба на "острова", открихме стръмно изкачване нагоре, но все още далеч от върха му, където ядрата могат да живеят хиляди, а може би дори милиони години. Нямаме достатъчно неутрони в синтезираните ядра, за да се доближим до обвивката с N = 184. Днес това е непостижимо – няма такива реакции, които биха направили възможно получаването на толкова богати на неутрони нуклиди. Може би в далечно бъдеще физиците ще могат да използват интензивни лъчи от радиоактивни йони с повече неутрони от 48 ядра Ca. Такива проекти сега са широко обсъждани, без да се засягат разходите, необходими за създаването на такива ускорителни гиганти.

Можете обаче да опитате да подходите към този проблем от другата страна.

Ако приемем, че най-дългоживеещите свръхтежки ядра имат период на полуразпад от 10 5 ÷ 10 6 години (той не се различава много от прогнозите на теорията, която също прави своите оценки с известна точност), тогава е възможно е те да бъдат открити в космическите лъчи - свидетели на формационните елементи на други, по-млади планети на Вселената. Ако направим още по-силно предположение, че полуживотът на "столетниците" може да бъде десетки милиони години или повече, тогава те биха могли да присъстват в Земята, запазени в много малки количества от момента на образуването на елементите в Слънчевата система до наши дни.
Сред възможните кандидати даваме предпочитание на изотопите на 108-ия елемент (Hs), чиито ядра съдържат около 180 неутрона. Химически експерименти, проведени с краткоживеещия изотоп 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s), показаха, че елемент 108, както се очаква, според Периодичния закон, е химичен хомолог на елемент 76 - осмий (Os).

Фигура 10
Инсталация за регистриране на неутронен изблик от спонтанно ядрено делене при разпадане на елемент 108. (Подземна лаборатория в Модан, Франция)

Тогава проба от метален осмий може да съдържа в много малки количества 108 елемента Eka (Os). Наличието на Eka (Os) в осмия може да се определи по неговия радиоактивен разпад. Може би свръхтежък дълготраен черен дроб ще изпита спонтанно делене или спонтанно делене ще се случи след предишни алфа или бета разпада (вид радиоактивна трансформация, при която един от неутроните на ядрото се превръща в протон) на по-лека и по-кратко живееща дъщеря или внуче ядро. Следователно на първия етап е възможно да се постави експеримент за регистриране на редки събития на спонтанно делене на проба от осмий. Подготвя се такъв експеримент. Измерванията ще започнат в края на тази година и ще продължат 1-1,5 години. Разпадът на свръхтежко ядро ​​ще бъде записан чрез неутронно избухване, придружаващо спонтанно делене. За да се защити инсталацията от фона на неутрони, генерирани от космическите лъчи, измерванията ще се извършват в подземна лаборатория, разположена под Алпите в средата на тунел, свързващ Франция с Италия на дълбочина, съответстваща на 4000-метров слой от воден еквивалент.
Ако по време на една година на измервания се наблюдава поне едно събитие на спонтанно делене на свръхтежко ядро, тогава това ще съответства на концентрация от 108 елемента в Os-пробата от около 5 × 10-15 g/g, като се приеме, че неговият полуживот е 10 9 години. Такава малка стойност е само 10 -16 от концентрацията на уран в земната кора.
Въпреки свръхвисоката чувствителност на експеримента, шансовете за откриване на реликтни, свръхтежки нуклиди са малки. Но всяко научно търсене винаги има малък шанс ... Липсата на ефект ще даде горната граница на полуживота на дълготрайния дроб на ниво T 1/2 ≤ 3× 10 7 години. Не толкова впечатляващо, но важно за разбирането на свойствата на ядрата в новата област на стабилност на свръхтежките елементи.

При енергията на криптоновите йони в близост до кулоновата бариера са наблюдавани три случая на образуване на елемент 118. 293 118 ядра бяха имплантирани в силициев детектор и беше наблюдавана верига от шест последователни α-разпада, които завършваха в изотопа 269 Sg. Напречното сечение за образуване на елемент 118 е ~ 2 пикобарна. Времето на полуразпад на изотопа 293 118 е 120 ms. На фиг. 3 показва верига от последователни α-разпади на изотопа 293 118 и показва полуживота на дъщерните ядра, образувани в резултат на α-разпада.

Характеристиките на разпада на свръхтежки ядра бяха изчислени на базата на различни теоретични модели. Резултатите от едно от тези изчисления са показани на фиг. 4. Времето на полуразпад на четно-четни свръхтежки ядра е дадено по отношение на спонтанно делене (а), α-разпад (b), β-разпад (в) и за всички възможни процеси на разпад (d). Най-стабилното ядро ​​по отношение на спонтанното делене (фиг. 4а) е ядрото със Z = 114 и N = 184. За него периодът на полуразпад по отношение на спонтанното делене е ~ 10 16 години. За изотопи на 114-ия елемент, които се различават от най-стабилните с 6-8 неутрона, периодът на полуразпад намалява с 10-15 порядъка. Периодите на полуразпад по отношение на α-разпада са показани на фиг. 4б. Най-стабилното ядро ​​се намира в Z областта< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.

Ядра, стабилни по отношение на β-разпад, са показани на фиг. 4 на тъмни точки. На фиг. 4d показва общия полуживот. За четно-четни ядра, разположени вътре в централния контур, те са ~ 10 5 години. Така, след като се вземат предвид всички видове разпад, се оказва, че ядрата в близост до Z = 110 и N = 184 образуват „остров на стабилност“. Ядрото 294 110 има период на полуразпад от около 10 9 години. Разликата между стойността Z и магическото число 114, предвидено от модела на черупката, е свързана с конкуренцията между делене (по отношение на кое ядрото със Z = 114 е най-стабилно) и α-разпад (по отношение на кои ядра с по-ниски Z са стабилни). За нечетно-четни и четно-нечетни ядра, периодът на полуразпад се увеличава по отношение на α-разпад и спонтанно делене и намалява по отношение на β-разпад. Трябва да се отбележи, че горните оценки силно зависят от параметрите, използвани в изчисленията, и могат да се разглеждат само като индикации за възможността за съществуване на свръхтежки ядра с достатъчно дълъг живот за тяхното експериментално откриване.

Резултатите от друго изчисление на равновесната форма на свръхтежки ядра и техния полуживот са показани на фиг. 5, 11.11. На фиг. 11.10 е показана зависимостта на равновесната енергия на деформация от броя на неутроните и протоните за ядра със Z = 104-120. Енергията на деформация се дефинира като разлика между енергиите на ядрата в равновесни и сферични форми. От тези данни се вижда, че в областите Z = 114 и N = 184 трябва да има ядра, които имат сферична форма в основно състояние. Всички открити досега свръхтежки ядра (показани на фиг. 5 с тъмни ромби) са деформирани. Отворените ромби показват стабилни ядра по отношение на β-разпад. Тези ядра трябва да се разпаднат в резултат на α-разпад или делене. Основният канал за разпад трябва да бъде алфа разпад.

Времето на полуразпад за четно-четни β-стабилни изотопи е показано на фиг. 6. Според тези прогнози за повечето ядра се очаква периодите на полуразпад да бъдат много по-дълги от наблюдаваните за вече откритите свръхтежки ядра (0,1-1 ms). Например, за ядрото 292 110 се предвижда живот от ~ 51 години.
Така, според съвременните микроскопски изчисления, стабилността на свръхтежките ядра рязко нараства с приближаването до магическото число за неутроните N = 184. Доскоро единственият изотоп на елемента със Z = 112 беше изотопът 277 112, който има полу- живот от 0,24 ms. По-тежкият изотоп 283 112 е синтезиран в реакцията на студен синтез 48 Ca + 238 U. Времето на облъчване е 25 дни. Общият брой на 48 Ca йони върху целта е 3,5 × 10 18. Бяха регистрирани два случая, които бяха интерпретирани като спонтанно делене на образувания изотоп 283 112. За периода на полуразпад на този нов изотоп беше получена оценката T 1/2 = 81 s. По този начин може да се види, че увеличаването на броя на неутроните в изотопа 283 112 в сравнение с изотопа 277 112 с 6 единици увеличава живота с 5 порядъка.

На фиг. 7 показва измереното време на живот на изотопи на морския боргиум Sg (Z = 106) в сравнение с прогнозите на различни теоретични модели. Забележително е намаляването с почти порядък на живота на изотопа с N = 164 в сравнение с живота на изотопа с N = 162.
Най-близкият подход до острова на стабилност може да се постигне в реакцията 76 Ge + 208 Pb. Свръхтежко почти сферично ядро ​​може да се образува в реакция на синтез, последвана от излъчване на γ-кванти или един неутрон. Според оценките, образуваното ядро ​​284 114 трябва да се разпадне с излъчване на алфа частици с период на полуразпад от ~ 1 ms. Допълнителна информация за запълването на обвивката в областта на N = 162 може да се получи чрез изследване на α-разпадите на ядрата 271 108 и 267 106. За тези ядра се предвиждат периоди на полуразпад от 1 минута. и 1 час. Изомерия се очаква за ядра 263 106, 262 107, 205 108, 271.273 110, причината за което е запълването на подобвивки с j = 1/2 и j = 13/2 в областта на N = 162 за деформирани в ядра основно състояние.

На фиг. 8 са показани експериментално измерените функции на възбуждане за образуване на елементите Rf (Z = 104) и Hs (Z = 108) за реакциите на сливане на падащи йони 50 Ti и 56 Fe с целевото ядро ​​208 Pb.
Полученото съставно ядро ​​се охлажда чрез излъчване на един или два неутрона. Информацията за функциите на възбуждане на реакциите на синтез на тежки йони е особено важна за производството на свръхтежки ядра. При реакцията на синтез на тежки йони е необходимо точно да се балансира действието на кулоновите сили и силите на повърхностното напрежение. Ако енергията на падащия йон не е достатъчно голяма, тогава разстоянието на най-близкия подход ще бъде недостатъчно за синтеза на двоичната ядрена система. Ако енергията на падащата частица е твърде висока, тогава получената система ще има висока енергия на възбуждане и с голяма вероятност ще се разпадне на фрагменти. Сливането ефективно се случва в доста тесен диапазон от енергии на сблъскващи се частици.

Реакциите на синтез с излъчване на минимален брой неутрони (1-2) са от особен интерес, тъй като в синтезирани свръхтежки ядра е желателно да има най-голямото съотношение N/Z. На фиг. 9 показва потенциала за сливане на ядра в реакцията
64 Ni + 208 Pb 272 110. Най-простите оценки показват, че вероятността за тунелния ефект за ядрен синтез е ~ 10 -21, което е значително по-ниско от наблюдаваното напречно сечение. Това може да се обясни по следния начин. На разстояние 14 fm между центровете на ядрата, първоначалната кинетична енергия от 236,2 MeV е напълно компенсирана от кулоновия потенциал. На това разстояние в контакт са само нуклони, разположени на повърхността на ядрото. Енергията на тези нуклони е ниска. Следователно има голяма вероятност нуклоните или двойките нуклони да напуснат орбиталите в едно ядро ​​и да се преместят в свободните състояния на партньорското ядро. Прехвърлянето на нуклони от ядрото на снаряда към целевото ядро ​​е особено привлекателно, когато като мишена се използва двойният магически изотоп на олово 208 Pb. В 208 Pb протонната подобвивка h 11/2 и неутронната подобвивка h 9/2 и i 13/2 са запълнени. Първоначално преносът на протон се стимулира от силите на привличане на протон-протон, а след като подобвивката h 9/2 се запълни, от силите на привличане на протон-неутрон. По подобен начин неутроните се движат в свободната i 11/2 подобвивка, привличайки се от неутрони от вече запълнената i 13/2 подобвивка. Поради енергията на сдвояване и големия орбитален ъглов импулс, прехвърлянето на двойка нуклони е по-вероятно, отколкото прехвърлянето на единичен нуклон. След прехвърлянето на два протона от 64 Ni 208 Pb, кулоновата бариера намалява с 14 MeV, което допринася за по-близък контакт на взаимодействащите йони и продължаване на процеса на нуклонен трансфер.
В произведенията [V.V. Волков. Ядрени реакции на дълбоко нееластични предавания. М. Енергоиздат, 1982; В.В. Волков. Изв. Академия на науките на СССР, серия физич., 1986, т. 50 с. 1879] механизмът на реакцията на синтез е изследван подробно. Показано е, че още на етапа на улавяне се образува бинарна ядрена система след пълното разсейване на кинетичната енергия на падащата частица и нуклоните на едно от ядрата постепенно се прехвърлят обвивка по обвивка в друго ядро. Това означава, че структурата на обвивката на ядрата играе съществена роля в образуването на сложно ядро. Въз основа на този модел беше възможно да се опише доста добре енергията на възбуждане на съставните ядра и напречното сечение за образуване на 102-112 елемента в реакции на студен синтез.
В лабораторията ядрени реакциитях. Г.Н. Флерова (Дубна), е синтезиран елемент със Z = 114. Използвана е реакцията

Ядрото 289 114 беше идентифицирано чрез верига от α-разпади. Експерименталната оценка на полуживота на изотопа е 289 114 ~ 30 s. Полученият резултат е в добро съответствие с извършените по-рано изчисления.
При синтеза на 114 елемента в реакцията 48 Cu + 244 Pu, максималният добив се получава от канала с изпаряване на три неутрона. В този случай енергията на възбуждане на съставното ядро ​​289 114 е 35 MeV.
Теоретично предвидената последователност от разпада, протичащи с ядрото 296 116, образувано в реакцията, е показана на фиг. 10.

Ориз. 10. Схема на ядрен разпад 296 116

Ядрото 296 116 се охлажда чрез излъчване на четири неутрона и се превръща в изотоп 292 116, който след това се превръща с 5% вероятност в резултат на две последователни e-улавяния в изотоп 292 114. В резултат на α-разпад (T 1/2 = 85 дни) изотоп 292 114 се превръща в изотоп 288 112. Изотоп 288 112 също се образува през канала

Крайното ядро ​​288 112, получено от двете вериги, има период на полуразпад от около 1 час и се разпада в резултат на спонтанно делене. С около 10% вероятност изотопът 284 112 може да се образува в резултат на α-разпадането на изотопа 288 114. Горните периоди и канали на разпад са получени чрез изчисление.
При анализиране на различните възможности за образуване на свръхтежки елементи при реакции с тежки йони трябва да се вземат предвид следните обстоятелства.

1. Необходимо е да се създаде ядро ​​с достатъчно голямо съотношение на броя на неутроните към броя на протоните. Следователно, тежките йони с голям N/Z трябва да бъдат избрани като падаща частица.
2. Необходимо е полученото съставно ядро ​​да има ниска енергия на възбуждане и малък ъглов момент, в противен случай ефективната височина на бариерата на делене ще намалее.
3. Необходимо е образуваното ядро ​​да има форма, близка до сферична, тъй като дори лека деформация ще доведе до бързо делене на свръхтежко ядро.

Много обещаващ метод за производство на свръхтежки ядра са реакции като 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На фиг. 11 показва изчислените напречни сечения за образуване на трансуранови елементи при облъчване на мишени от 248 Cm, 249 Cf и 254 Es с ускорени 238 U йони. При тези реакции вече са получени първите резултати за напречните сечения за образуване на елементи с Z> 100. За да се увеличат добивите на изследваните реакции, дебелините на мишените са избрани така, че реакционните продукти да останат в цел. След облъчване отделните химични елементи се отделят от целта. В получените проби продуктите на α-разпад и фрагментите на делене са записани в продължение на няколко месеца. Данните, получени с ускорени уранови йони, ясно показват увеличение на добива на тежки трансуранови елементи в сравнение с по-леките бомбардиращи йони. Този факт е изключително важен за решаването на проблема за синтеза на свръхтежки ядра. Въпреки трудностите при работа със съответните цели, прогнозите за напредък към голямо Z изглеждат доста оптимистични.

Напредъкът към свръхтежки ядра през последните години е изключително впечатляващ. Въпреки това досега всички опити за намиране на острова на стабилността не се увенчават с успех. Издирването му продължава усилено.

Питър Армбрустър, Готфрид Мюнцерберг

Фините квантовомеханични ефекти стабилизират ядрата, които са много по-тежки от естествено срещащите се ядра. Експериментаторите трябваше да преосмислят как най-добре да синтезират такива свръхтежки елементи.

По време наПрез последните 20 години в много страни по света вниманието на физиците беше привлечено от проблема за получаване на свръхтежки елементи. В Дармщат в Института за изследване на тежки йони (HSI) постигнахме известен успех чрез синтезиране на ядрата на елементи 107, 108 и 109. Тези ядра се намират отвъд 106-ия протон, което бележи границата за съществуващите досега методи за получаване и идентифициране на тежки елементи...

Експериментални измервания на масите на ядрата и теоретичен анализпоказват, че стабилността на тези нови елементи се дължи преди всичко на микроструктурата на техните протонни и неутронни системи, а не на макроскопичните свойства, които определят стабилността на по-леките ядра. Въпреки това се сблъскахме с проблеми, които все още затрудняват постигането на целите, поставени в края на 60-те, когато изглеждаше, че елементите до 114 са в обсега. Преодолявайки тези трудности, ние постигнахме напредък в изследването на ядрената структура и динамиката на реакциите на ядрен синтез.

Нуклеосинтезата е изминала дълъг път ранен периодкогато елементи, които не съществуват в природата, са получени в ядрени реактори. Физиците използваха все по-тежки ускорени йони за бомбардиране на целеви атоми. Последният етап от това развитие е методът на "студен синтез" на ядра, при който масите на частиците и енергията на бомбардирането трябва да бъдат внимателно определени, така че възбуждането на новообразуваните ядра да е минимално.

В хода на нашата работа почти всички първоначални идеи за синтеза на свръхтежки елементи трябваше да бъдат ревизирани: ядрата на елементите, които могат да бъдат синтезирани, са деформирани, анесферични, както е постулирано през 1966 г. За синтез използвахме стабилни, широко разпространени в природата, сферичните ядра и ускорените йони средни маси вместо най-тежките изкуствени радиоактивни ядра и съответно избраните леки ускорени йони, както беше предложено по-рано. Сливането трябва да се извърши при възможно най-ниската енергия на бомбардиране - възможно най-мека, без използване на "груба сила" под формата на излишна енергия на взаимодействие, която, както се смяташе по-рано, насърчава процеса на синтез.

Идея за синтезтрансуранови елементи (с атомен номер над 92) възникват през 30-те години. През 1934 г. Енрико Ферми бомбардира талия с бавни неутрони, за да получи олово след бета разпад (разпадането на неутрон в протон и електрон). В резултат на улавяне на неутрони и последващ бета разпад се образуват елементи с атомни номера, които са с една по-високи от първоначалните.

Между 1940 г. и средата на 1950 г., чрез неутронно облъчване са получени елементи 93, 94, 99 и 100. Ферми, елемент 100, неслучайно е последният от поредица от елементи, които могат да бъдат получени чрез улавяне на неутрони и бета разпад. Ферми: нито един от неговите изотопи не се подлага на бета разпад. През същия период при облъчване с алфа-частици са получени елементи от 95 до 98 и 101. При този процес тежко ядро ​​абсорбира два протона и два неутрона; в този случай атомният номер се увеличава с две единици наведнъж. Както всички тежки елементи, трансурановите елементи съдържат повече неутрони, отколкото протони; например плутоний (елемент 94) съдържа 145 неутрона с обща маса 239; най-дълго живеещият изотоп фермий има 157 неутрона за обща маса от 257.

Естественият начин за получаване на елементи над 100 се считаше за сливане на ядрата на най-тежките елементи с ядрата на леките елементи, съдържащи повече протони и неутрони, отколкото хелий. Налични са елементи до 99, защото могат да бъдат синтезирани в макроскопични претеглени количества. В Бъркли (САЩ) и Дубна (СССР) са построени ускорители за производство на тежки йони с енергия, достатъчна за преодоляване на електростатичните сили, предотвратяващи сливането на ядрата. Между 1958 и 1974 г тези ускорители на тежки йони направиха възможно синтезирането на елементи от 102 до 106. Приоритетът на откриването на тези елементи и следователно правото да се назовават все още са предмет на дискусии.

Така успешно прилаганите методи в Бъркли и Дубна се оказаха неефективни за получаване на елементи по-тежки от 100. За да разберем защо е толкова трудно да се синтезират свръхтежки елементи и защо някои от тях могат да бъдат особено стабилни, е необходимо да разберем как ядрата се запазват като цяло или се разпадат и като баланс на различни сили. определяйки тяхната стабилност, се променя с увеличаване на масата. Ефектите, които могат да бъдат пренебрегнати за по-леките ядра, определят разликата между пълната нестабилност и относително големи временаживот на свръхтежки ядра.

Особено важно за всички ядра е връзката между силните ядрени сили, които привличат както протони, така и неутрони, и електростатичните сили, които отблъскват протоните. Колкото по-тежко е ядрото, толкова повече неутрони съдържат, което до известна степен компенсира влиянието на силите на отблъскване между протоните. Въпреки това силата на връзката между нуклоните достига максимум за желязото (26 протона и 30 неутрона), което съответства на по-малко от една четвърт от пътя в периодичната таблица, а след това намалява.

Разделянето на всяко ядро, по-тежко от желязото, трябва да бъде придружено от освобождаване на енергия, но енергията, необходима за делене на по-малко масивни ядра от оловото, е толкова голяма, че такава реакция може да се осъществи само при специални условия. Тъй като ядрата са по-тежки от оловото, те могат да преминат в по-стабилно състояние, излъчвайки дори малка част от своите нуклони, те са нестабилни. Естествено срещащите се изотопи на тория и урана се разпадат главно чрез излъчване на алфа частици. Само в урана и по-тежките елементи невъзбудените ядра могат да претърпят спонтанно делене.

По принцип с увеличаване на атомния номер (броя на протоните в ядрото) нестабилността на атомните ядра се увеличава: техният полуживот намалява от няколко хиляди години до милионни от секундата. От теорията за структурата на ядрото обаче следва, че елементите, които са само малко по-тежки от получените до момента, ще бъдат не по-малко, а по-стабилни.

Ядрата с определени комбинации от неутрони и протони имат особено висока енергия на свързване; хелий-4, кислород-16, калций-40, калций-48 и олово-208 са много стабилни в сравнение със съседните им елементи. Тези големи стойности се дължат на структурата на обвивката - ядреният еквивалент на обвивките, върху които са разположени електроните около ядрото. Особено стабилни са нуклонните конфигурации, които образуват напълно запълнени (затворени) черупки. За оловото структурата на черупката увеличава енергията на свързване на ядрото с 11 милиона електрон волта (MeV) в сравнение с хипотетична ядрена капчица без структура и същия брой неутрони и протони. За повечето ядра с енергия на свързване до 2 милиарда eV такова увеличение е относително незначително. Въпреки това, за най-тежките елементи, които са на ръба на стабилността, "стабилизирането на обвивката" може да доведе до разлика между моменталния разпад и относително дългото съществуване на ядрата.

Особено стабилни са ядрата със затворени неутронни и протонни обвивки; след олово такива обвивки се появяват при 114 протона и 184 неутрона. Успехите на теорията на черупките в прогнозирането на енергии на свързване за леки ядра пораждат надеждата, че ядрата с маси, близки до 298, могат да бъдат толкова силно стабилизирани, че подобно на урана и тория могат да образуват област от относително стабилни елементи. Такива стабилизирани с обвивка свръхтежки елементи, за разлика от елементите в уран-ториевата област, трябва да бъдат нестабилни като хомогенни капчици ядрена материя.

Първият от стабилизираните с черупки свръхтежки елементи, 107-и, чиито свойства според Ферми трябва да съответстват на екарения, е идентифициран в Дармщат през 1981 г., 47 години след това предсказание.

След това получихме и идентифицирахме елементи 108 и 109. Измерванията на техните енергии на свързване показват, че вече сме влезли в полето на свръхтежките елементи. В момента проучваме ограниченията за получаване на още по-тежки елементи.

Синтез на тежки елементив реакциите на синтез изисква експериментаторът да "върви по тънката линия" между онези методи на бомбардиране, при които синтез не се случва, и тези, които водят до делене на ядрото на продукта, вместо да го оставят в относително стабилно състояние. Намаляването на нагряването на новообразуваното ядро ​​е най-важната причина за прехода от бомбардиране на тежки цели с относително леки йони към бомбардиране на по-малко масивни цели с относително по-тежки йони (преход, започнат от Ю.Ц. Оганесян и негови сътрудници от Съвместния институт за ядрени изследвания в Дубна).

Например, когато олово-208 или бисмут-209 се слеят с хром-54 или желязо-58, енергията на възбуждане на ново ядро ​​е около 20 MeV. В същото време сливането на тежки актинидни мишени (калифорний-249, беркелий-249 или кюрий-248) с въглерод-12, азот-15 или кислород-18 води до енергия на възбуждане от около 45 MeV.

Ядро, образувано с помощта на леки йони и изактиноидни мишени, се охлажда чрез излъчване на четири неутрона. Обратно, ядро, образувано от олово или бисмут и по-тежки йони, се охлажда чрез излъчване само на един неутрон. Тъй като вероятността едно ядро ​​да се охлади чрез излъчване на неутрон е само няколко процента от вероятността за неговото делене, крайният добив на свръхтежки ядра е значително намален на всеки етап от каскадата на неутронно излъчване. Еднонеутронният релаксационен механизъм е много по-подходящ за запазване на новообразуваното ядро.

За съжаление студеният синтез има и недостатък: в този случай силите на електростатично отблъскване между двете ядра в по-голяма степен предотвратяват тяхното сливане. Когато две ядра се приближат едно до друго, част от тяхната кинетична енергия се преобразува в енергията на възбуждане на междинната система от сблъскващи се ядра и следователно не може да се използва за преодоляване на бариерата на синтеза, което от своя страна намалява вероятността от сливане. В случай на студен синтез с използване на по-тежки йони, в процеса на приближаване и преминаване през преградата на синтеза, се преобразува повече кинетична енергия и вероятността за преодоляване на тази бариера се намалява в сравнение с реакциите между леките йони и най-тежките цели.

Ако първоначалната енергия се увеличи, за да се компенсират тези загуби, енергията на възбуждане ще се увеличи и броят на образуваните ядра ще намалее. В резултат на това само елемент 106 показва предимствата на метода на студено сливане.

Ние показахме, че максималните напречни сечения за образуване на тежки елементи са в тесен енергиен диапазон - около 5 MeB над бариерата за синтез.

Докатотеорията за получаване на свръхтежки ядра може да бъде много интересна сама по себе си, на практика това е много по-сложен проблем. Теоретичните изчисления трябва да се комбинират с проектирането на ускорителя и целта, както и с разработването на детекторна система, която може да регистрира съществуването на свръхтежко ядро ​​веднага щом бъде синтезирано. Когато в края на 60-те години на миналия век идеята за получаване на свръхтежки елементи завладя въображението на физици и химици, никой в ​​Германия не е имал опит да извършва нуклеосинтеза. Много „врати” са отворени за начинаещи в тази област. Имаше какво да се научи от експериментите, проведени по-рано в Бъркли и Дубна, но беше ясно, че не може да се постигне по-нататъшен напредък чрез копиране на тези изследвания. Необходими бяха ускорител на тежки йони, методи за бързо разделяне за изолиране на нови елементи и съответна техника за тяхното идентифициране. Нямаше и отговор на въпроса кои реакции трябва да доведат до успех.

През 1969 г. правителството на Федерална република Германия, заедно с правителството на провинция Хесен, решава да финансира създаването на нов институт за изследвания с тежки йони (Society for Research with Heavy Ions, gay) в Дармщат. Универсалният линеен ускорител (UNILAC), който провежда експерименти с гей мъже, започва да работи през 1975 г.

UNILAC може да ускори всички йони до и включително уран до енергии, надвишаващи кулоновата бариера. От самото начало това съоръжение е било предназначено да произвежда най-интензивните йонни лъчи. Положени са особени усилия, за да се гарантира, че йонната енергия може да бъде плавно променяна и настроена на дадено ниво със сравнително добра възпроизводимост. Първоначално проектът на ускорителя е разработен от К. Шмелцер и неговите сътрудници в Хайделберг. В този случай беше взет предвид вече натрупаният опит на други научни групи: йонните източници бяха модификация на източниците, използвани в Дубна за получаване на силно заредени йони, а системата на Алварез, разработена в Бъркли, беше използвана във високочестотната система на линейния ускорител.

Когато UNILAC беше построен, пред много учени беше поставен въпросът: кой е най-добрият начин за използване на ускорителя? Какви реакции и какви експериментални методи трябва да се използват? В началния период на своето съществуване UNILAC се използва за тестване на голямо разнообразие от идеи, но единствената стратегия се оказва успешна - студен синтез, комбиниран с транспортиране на ядра на откат (продукти на синтез).

Отпри откриването на плутоний през 1941 г. са синтезирани около 400 тона от този елемент, което отговаря на 10 30 атома. От друга страна са получени и идентифицирани само няколко атома от 109-ия елемент. Защо най-тежките елементи се приемат в такива изчезващо малки количества? Отговорът е следният: за производството на плутоний тонове неутрони бомбардират блокове от уран-238 с дебелина няколко сантиметра или повече, докато в UNILAC само 100 μg желязо-58 се ускоряват, за да бомбардират цел с олово-208 с дебелина няколко стотин нанометра. В допълнение, напречното сечение на реакцията на улавяне на неутрони, която произвежда плутоний-239, е около 10 трилиона пъти напречното сечение на реакцията на синтез, която произвежда 109-ия елемент.

Трудностите при получаването на по-тежки елементи са само част от проблема. Веднъж синтезирани, елементи като 109 се разпадат толкова бързо, че синтезът не "достава" с разпада. Най-тежките елементи са толкова краткотрайни, че до края на облъчването всички образувани атоми вече са се разпаднали. Следователно тези атоми трябва да бъдат открити и идентифицирани по време на тяхното производство.

Методите за получаване и регистриране на елементи до 106 се основават основно на механични средства за транспортиране на образуваните атоми от реакционната зона към детекторите. Времето за транспорт между образуването и откриването на реакционните продукти се определя от скоростта на тяхното пренасяне в газовия поток, времето на дифузията им от твърди повърхности или скоростта на въртящите се цели. Тези методи обаче не бяха достатъчно добри за откриване на елементи, по-тежки от 106, което налагаше неприемлив избор между скорост на откриване и точност, така че използването на повече бързи методи, се оказа невъзможно да се идентифицират надеждно новите изотопи.

За транспортиране на образуваните ядра до детекторите сме избрали техника, базирана на използването на скоростта на откат, която реакционните продукти придобиват от тежки йони. Когато тежък йон се сблъска с целевия атом и се слее с него, полученото ядро ​​се движи в посоката на първоначалното движение на йона със скорост около няколко процента от скоростта на светлината. В резултат на това могат да бъдат открити ядра с период на полуразпад до 100 ns.

Въпреки че техниката за транспортиране на ядра на откат прави възможно откриването и идентифицирането на много краткоживеещи ядра, техниката за откриване става по-сложна. Не само отделни ядра, образувани в реакцията на синтез, но и трилиони тежки йони, както и хиляди атоми, избити от целта, напускат реакционната зона с висока скорост. За да отделим свръхтежките ядра от остатъчния лъч, изградихме специален филтър за скорости - Сепаратор за продукти на реакция на тежки йони (SHIP), разработен в сътрудничество със специалисти от Втория физически институт на Университета в Гисен. Въз основа на кинематиката на сблъсъка и сливането на ядрата, скоростта на откат на продуктите на синтеза може да се изчисли предварително. Следователно те могат да бъдат изолирани по относително лесен начин.

Филтърът за скорост се състои от две степени, всяка от които включва както електрическо, така и магнитно поле. Тези две полета отклоняват заредените частици в противоположни посоки; само за ядро ​​с определена скорост влиянието на полетата се изключва взаимно и то продължава да се движи в средната равнина на инсталацията. Такъв тандемен филтър намалява броя на ускорените йони, влизащи в зоната на откриване, с коефициент 100 милиарда и броя на излезлите целеви ядра с фактор 1000. Чрез елиминиране на почти всички нежелани частици от лъча, КОРАБЪТ предава повече от 40 070 продукта на синтез. Детекторите, разположени зад спектрометъра, регистрират вериги на разпадане на частици, преминаващи през спектрометъра, което дава възможност да се идентифицират недвусмислено продуктите на синтеза.

Първият елемент на системата за откриване е устройство за време на полета, което дава възможност да се измери скоростта на частиците за трети път (първите две измервания се основават на принципа на филтъра за скорост). След преминаване през това устройство, частицата се имплантира в чувствителни към позиция силициеви повърхностни бариерни детектори, които регистрират нейната енергия и мястото на удара. Тъй като комбинацията от време на полет и енергия позволява приблизителното определяне на масата на частица, е възможно да се разграничат продуктите на синтез от разпръснати йони и излезли целеви ядра.

За надеждна идентификация на ядрото, все пак е необходимо да се установи връзка между неговия разпад и разпада на неговите радиоактивни дъщерни продукти. Събитията на разпад, причинени от едно и също ядро, трябва да имат същите пространствени координати, а типът, енергията и полуживотът на дъщерните ядра са известни от предишни измервания.

Чрез установяване на такива корелирани събития на разпад е възможно да се идентифицира уникално всяко слято ядро. Въпреки че произволно ядро ​​на същото място като изследвания продукт на синтеза може да се разпадне и да генерира пространствено корелиран сигнал, е много малко вероятно неговата енергия на разпад, период на полуразпад и тип на разпад да съответстват на очакваните за продукта на синтеза. Виждали сме такива вериги на разпад до четвърто поколение; вероятността такава поредица от корелирани събития да е произволен варира от 10 –15 до 10 –18. Ако корелирани събития, причинени от изследвания изотоп, се наблюдават веднъж на ден, тогава може да се очаква случайна поява на събития, симулиращи четири поколения събития на разпад за време 100 пъти по-дълго от възрастта на Земята. В резултат на това дори едно събитие може недвусмислено да покаже съществуването на даден свръхтежък изотоп.

Между 1981 и 1986 г заедно с нашите колеги P. Hessberger, Z. Hofmann, M. Leino, W. Reisdorf и K.-H. Schmidt, ние използвахме UNILAC, SHIP и неговата система за откриване за синтез и идентификация на елементи 107 109. В тези експерименти бяха синтезирани 14 изотопа на елементи 104 109 (пет от които бяха известни по-рано), както и още два изотопа на елементи 107 и 108 с масови числа съответно 261 и 264.

През 1981 г. получихме изотоп на 107-ия елемент с масово число 262 чрез бомбардиране на бисмут с 209 йона хром-54. За нечетния-нечетния изотоп на 107-ия елемент (който има нечетен брой както протони, така и неутрони), установихме пет стойности на енергията на алфа частиците, което дава представа за енергийните ядрени нива; можем също да съобщим, че този изотоп има изомер (дълготрайно възбудено състояние).

109-ият елемент е идентифициран въз основа на наблюдението на единична верига на разпад, записана в 16:10 часа на 29 август 1982 г. в реакцията между желязо-58 и бисмут-209. Ядрото 266 109 съществуваше 5 ms преди да излъчи алфа частица с енергия 11,1 MeV; полученото ядро ​​на 107-ия елемент се разпада в 105-ия елемент за 22 ms; 105-ият елемент се разпадна в 104-ти елемент, последван след 12.9 със спонтанно делене на ядрото му. От това единично събитие беше възможно, макар и с ограничена точност, да се определи енергията на разпад, времето на полуразпад и напречното сечение на реакцията. Още две вериги на разпад са наблюдавани в началото на 1988 г. - шест години след идентифицирането на 100-ия елемент. Те потвърдиха тълкуването на събитието, записано през 1982 г.

През 1984г. ние идентифицирахме три вериги на разпад на изотопа 265 108 в реакцията между желязо-58 и олово-208. Двата идентифицирани изотопа на 107-ия и 109-ия елемент са нечетно-нечетни и вероятността за тяхното делене е значително намалена, но изотопът на 108-ия елемент има четен брой протони и нечетен брой неутрони. Въпреки че нечетно-четните изотопи са много по-склонни да се разделят, 265 108 също претърпява алфа разпад.

Особено интересно е, че нито един от изотопите на елементи 107-109 не се разделя спонтанно, а всички четно-четни изотопи 265 104, 260 106 и 264 108 имат приблизително еднаква стабилност по отношение на спонтанното делене.

Приблизително постоянното ниво на стабилност показва как ефектите на стабилизиращата обвивка се конкурират с общия спад в стабилността с увеличаване на ядрена маса.

За 104-та и 105-таелементи има малък "остров" от ядра, които при излъчване от алфа частици се разпадат с образуването на известни изотопи на по-леките елементи. Такива актове на алфа разпад позволяват да се определи енергията на свързване на тези свръхтежки елементи. Ако енергията на свързване на дъщерното ядро ​​е известна, тогава на всеки етап енергията на свързване на родителското ядро ​​може да бъде изчислена от енергията на алфа разпада. Ако енергията на свързване на крайния продукт е известна, тогава чрез веригата от актове на алфа разпад може да се стигне до енергийните връзки на първоначалното ядро ​​на веригата. Тъй като е регистриран разпадът на 108-ия и 100-ия елемент (по едно събитие във всеки случай) и 106-ия елемент (според няколко събития), може да бъде реконструирана веригата 264 108 260 106 256 104 252 102. Енергиите на свързване са на тези ядра 120, 106 и 94 MeV, съответно.

Корекцията на обвивката към енергията на свързване постепенно се увеличава за всички изотопи от уран-232 до 264 108, които са свързани чрез процеса на алфа разпад; съответните стойности се увеличават от 1-2 до 6-7 MeV. Всъщност всички елементи от уран до елемент 108 имат еднакво високи бариери на делене - около 6 MeV. За разлика от урана, който все още е стабилен като ядрена капка, стабилността на 100-ия и 108-ия елемент се дължи изцяло на квантово-механичната структура на техните многочастични фермионни системи. Последните теоретични статии предвиждат бариери на делене, които са в съответствие с нашите измервания.

Животът на елемента по отношение на деленето се определя главно от височината и ширината на бариерата на деленето. Корекциите на обвивката увеличават живота на 106-ия и 108-ия елемент с 15 порядъка. В логаритмичен мащаб, наблюдаваните времена на живот са в средата на диапазона между присъщото ядрено време (около 10 –21 s за разпадането на несвързана нуклонна система) и възрастта на Вселената (10 18 s). Новите елементи са нестабилни само в сравнение с продължителността на човешкия живот (2 · 10 9 s). За да бъдат последователни в тази скала, животът трябва да се увеличи с 12 порядъка. Ядрената физика обаче не се основава на човешки времеви мащаб.

Открити от нас„Островът“ на алфа-радиоактивните изотопи е пряка последица от стабилизирането им поради ефектите на обвивката. Така стабилизацията на сферични свръхтежки ядра близо до елемент 114, прогнозирана в края на 60-те години, започва много по-рано от очакваното и постепенно се увеличава. В тесен регион на нестабилност зад оловото, между елементи 83 и 90, ефектите на обвивка са отслабени. Въпреки това, в интервала между 92-ия и 114-ия елемент, стойността на корекцията на обвивката бавно и монотонно се увеличава.

Дори в близост до „острова“ на свръхтежките ядра стабилизацията се дължи на квантово-механичната структура на фермионните системи, докато на „континенталната част“ стабилизирането на ядрата се дължи на макроскопичните свойства на течна капка. Ядрата на елементите 107 109 са разположени на „язовира“ между „острова“ и „континента“, така че новите изотопи могат да бъдат приписани както на „острова“, така и на „материка“. Във всеки случай - като свръхтежки елементи - те се наблюдават само поради стабилизирането на черупката на техните основни състояния.

От последните теоретични прогнози за корекции на обвивката към енергии на свързване, следва, че между елементи 106 и 126 трябва да има област от около 400 свръхтежки ядра с бариери на делене над 4 MeV. Всички тези изотопи трябва да имат период на полуразпад, по-голям от 1 μs; ако могат да бъдат синтезирани, тогава те могат да бъдат открити с помощта на съществуващи методи. Особено стабилни области се приемат в близост до изотопи 273 109 и 291 115. Когато броят на неутроните е около 166, деформацията на основното състояние се променя. Изотопите с по-малко неутрони се деформират, докато по-тежките изотопи са сферични.

По време наПрез последните 20 години всички опити за получаване на изотопи близо до очаквания център на стабилност - ядрото 298 114 - бяха неуспешни. Не беше възможно да се регистрират тези свръхтежки изотопи нито в реакции на синтез, нито в други реакции, включващи тежки йони. Независимо от това, основната идея за възможността за съществуване на стабилизирани с обвивка нуклонни системи, в допълнение към стабилни ядрени капчици, е потвърдена от експериментите, описани по-горе. На теория остават всички основания да вярваме в екстраполацията към още по-тежки елементи.

Сега възниква интересен въпрос: какво в крайна сметка пречи на създаването на тези „крехки“ обекти? Някои важни разяснения бяха получени в нашето интензивно изследване на реакциите на синтез. Стабилизирано от обвивката ядро, сферично в основно състояние, може да бъде унищожено дори при енергия на възбуждане толкова ниска от 15 MeV, това беше експериментално демонстрирано от K.-H. Шмид още през 1979 г., докато деформираните ядра могат да се запазят при енергии на възбуждане до 40 MeV. Дори в реакцията между калций-48 и кюрий-248 (най-подходящата налична реакция) енергията на възбуждане е около 30 MeV. Оттук следва, че е възможно да се получат свръхтежки елементи само с деформирани ядра. Досега обаче подобни опити са били успешни само за елементи с атомни номера под 110.

Както беше отбелязано по-рано, сливането на две ядра, водещо до образуването на свръхтежко ядро, се усложнява от самото начало поради необходимостта да се преодолее бариерата на синтеза. За дадено ядро ​​на продукта тази бариера е минимална, когато най-тежките цели са бомбардирани с възможно най-леки йони. Въпреки това предимство, тази най-асиметрична комбинация има недостатъка на максимално нагряване на ядрото на продукта, което води до големи загуби от делене по време на девъзбуждане. Колкото по-малко асиметрична е комбинацията, толкова по-малко загубина етап охлаждане. Най-добрият компромис между ниските загуби на крайния етап и високата вероятност за образуване в началния етап са по-симетричните комбинации с целеви ядра близо до олово.

Използването на олово и бисмут като мишени дава двойна полза от ефекта на обвивката в тези ядра: силното свързване в тези ядра с техните двойно затворени черупки води до намаляване с повече от 10 MeV в енергията, предадена на ядрения продукт, и съответно намаляване на загубите поради делене. В допълнение, вероятността за преодоляване на бариерата на синтеза се увеличава, ако в реакцията се използват сферични, силно свързани и относително твърди ядра. И тук силните черупкови ефекти се проявяват в оловото, но този път в динамиката на процеса.

Сега започваме да разбираме защо ще бъде много трудно да се получат още по-тежки елементи. Само комбинация от корекции на обвивката в партньорите за синтез със затворени черупки, ефектите на обвивката в динамиката и повишената стабилност на възбудените деформирани свръхтежки ядра ни позволи да синтезираме няколко изотопа на най-леките свръхтежки елементи. Трябваше да разширим първоначалния въпрос за съществуването на ядра, стабилизирани с обвивка, до ефекта на корекциите на черупката на всички етапи на реакцията. Особено важно е при създаването на тези сложни и „крехки“ обекти да се включи вече съществуващ ред в процеса на сливане, като се избягва ненужно претрупване.

Как получавате следните супер тежки предмети? За 110-ти и 111-ти елемент ще бъде възможно да се прилагат разработените от нас методи при реакциите между никел-62 и олово-208 или бисмут-209. Ако се образуват само тези елементи, тяхното откриване ще изисква не толкова фундаментално нови знания, колкото отговаряне на изискванията за обогатен изотоп и търпение, за да се научим как да използваме нашето оборудване и да провеждаме експерименти в продължение на няколко месеца.

Работата е извършена в Лабораторията за ядрени реакции (FLNR) на име Г.Н. Флеров в Обединения институт за ядрени изследвания в Дубна (ОИЯИ) успешно. Свойствата на 117-ия и по-рано синтезирани в Дубна елементи 112-116 и 118 са пряко доказателство за съществуването на така наречения „остров на стабилност“ от свръхтежки елементи, предсказан от теоретиците още през 60-те години на миналия век и значително разширяващ се границите на периодичната таблица. Ръководителят на FLNR академик Юрий Оганесян информира редакцията на "Известия" за уникалния експеримент още през март, но той даде разрешение да го публикува едва сега. Авторът на откритието акад. Юрий Оганесян разказа на наблюдателя Пьотър Образцов за същността на експеримента.

Известия: Какво предизвика интереса на учените към синтеза на свръхтежки елементи, които съществуват за незначително време?

Юрий Оганесян: След откриването през 1940-1941 г. на първите изкуствени елементи – нептуний и плутоний – въпросът за границите на съществуване на елементите стана изключително интересен за фундаменталната наука за структурата на материята. До края на миналия век са открити 17 изкуствени елемента и е установено, че тяхната ядрена стабилност рязко намалява с увеличаване на атомния номер. При преминаване от 92-ия елемент - уран - към 102-ия елемент - нобелий, полуживотът на ядрото намалява с 16 порядъка: от 4,5 милиарда години до няколко секунди. Затова се смяташе, че напредването в областта на още по-тежките елементи ще доведе до границата на тяхното съществуване, по същество ще маркира границата на съществуването на материалния свят. Въпреки това, в средата на 60-те години теоретиците неочаквано излагат хипотеза за възможното съществуване на свръхтежки атомни ядра. Според изчисленията, животът на ядрата с атомни номера 110-120 е трябвало да се увеличи значително с увеличаването на броя на неутроните в тях. Според новите концепции те образуват обширен "остров на стабилност" от свръхтежки елементи, което значително разширява границите на таблицата с елементи.
и: Възможно ли е да се потвърди това експериментално?

Оганесян: През 1975-1996 г. физици от Дубна, Дармщат (GSI, Германия), Токио (RIKEN) и Бъркли (LBNL, САЩ) успяха да проучат тези реакции и да синтезират шест нови елемента. Най-тежките елементи 109-112 бяха произведени за първи път в GSI и повторени в RIKEN. Но времето на полуразпад на най-тежките ядра, произведени в тези реакции, е само десет хилядна или дори хилядна от секундата. Хипотезата за съществуването на свръхтежки елементи за първи път беше експериментално потвърдена в Дубна, в проучвания, проведени от нашата група в сътрудничество с учени от Националната лаборатория. Лорънс в Ливърмор (САЩ). Успяхме да променим радикално подхода към синтеза на свръхтежки ядра, например, като бомбардирахме мишена, изработена от изкуствен елемент беркелий (N 97) с лъч от снаряд, направен от изключително рядък и скъп калциев изотоп (N 20). ) с маса 48. Ядреният синтез произвежда елемент N 117 (97 + 20 = 117). Резултатите надминаха и най-оптимистичните очаквания. През 2000-2004 г., на практика в рамките на пет години, именно в такива реакции за първи път са синтезирани свръхтежки елементи с атомни номера 114, 116 и 118.

и: Какъв научен принос направиха американските учени?

Оганесян: При ядрена реакция с калциев лъч, 117-ият елемент може да бъде получен само с помощта на мишена, направена от изкуствен елемент, беркелий. Полуживотът на този изотоп е само 320 дни. Поради краткия живот, производството на беркелий в необходимото количество (20-30 милиграма) трябва да се извършва в реактор с много висока плътностнеутронен поток. Само изотопният реактор на Националната лаборатория на САЩ в Оук Ридж може да се справи с такава задача. Между другото, именно в тази лаборатория за първи път е произведен плутоний за американската атомна бомба. Тъй като от момента на производство на беркелиум неговото количество намалява наполовина за 320 дни, беше необходимо цялата работа да се извърши с висока скорост. И не само в лаборатории, но и в официалните структури на Русия и Съединените щати, свързани със сертифицирането на необичаен материал, транспортирането на високорадиоактивен продукт по суша и въздушен транспорт, технологиите за безопасност и т.н.

и: Достоен за приключенска история. Какво стана след това?

Оганесян: В началото на юни 2009 г. контейнерът пристигна в Москва. От това вещество в Научноизследователския институт по атомни реактори (Димитровград) е направена мишена под формата на най-тънкия слой беркелий (300 нанометра), нанесен върху тънко титаниево фолио; през юли целта е доставена в Дубна. По това време цялата подготвителна работа в FLNR беше завършена и започна непрекъснато облъчване на целта с интензивен калциев лъч. Още при първото облъчване на целта, продължило 70 дни, имахме късмет: детекторите записаха картината на образуването и разпадането на ядрата на 117-ия елемент пет пъти. Както се очакваше, ядрата на този елемент се трансформираха в ядрата на 115-ия елемент, 115-ият елемент се превърна в 113-ти, а след това 113-ият елемент премина в 111-ия. И 111-ият елемент се разпадна с период на полуразпад от 26 секунди. В ядрен мащаб това е огромно време! Сега периодичната таблица е попълнена с един от най-тежките елементи с атомен номер 117.

и: Нашите читатели естествено ще се интересуват какво практическо приложение може да има вашето откритие.

Оганесян: Сега, разбира се, нито един, защото са получени само няколко атома от елемент N 117. От фундаментална гледна точка, представите за нашия свят сега трябва да се променят драстично. Освен това, ако се синтезират елементи с огромен период на полуразпад, тогава е възможно те да съществуват в природата и да могат да "оцелеят" до нашето време от момента на образуването на Земята - 4,5 милиарда години. И ние провеждаме експерименти за намирането им, нашата инсталация се намира в дълбините на алпийските планини.

и: Въпрос от друг самолет. Защо според вас очевидният напредък в ядрената физика през последните 20 години не е получил Нобелови награди?

Оганесян: Физиката е страхотна. Очевидно други области на тази наука са по-интересни за членовете на Нобеловия комитет. И наистина има много достойни учени. Между другото, трябва да назова участниците в нашия експеримент: Национална лаборатория в Оук Ридж (проф. Джеймс Роберто), университет. Вандербилт (проф. Джоузеф Хамилтън), Национална лаборатория. Лорънс в Ливърмор (Доун Шонеси), Научноизследователски институт по атомни реактори, Димитровград (Михаил Рябинин) и Лабораторията за ядрени реакции на ОИЯИ (ръководител Юрий Оганесян).

От редактора. Временно елемент No 117 ще се нарича "едно-един-седем" на латински, тоест ununseptium. Групата на академик Юрий Оганесян - авторите на откритието - има пълното право да даде истинско име на този елемент, както и на откритите от тях елементи с номера 114-116 и 118. В "Седмицата" от 26 март , поканихме читателите да представят своите предложения за именуването на „нашите“ елементи. Засега само "kurchatovy" за един от тези елементи изглежда разумно. Състезанието продължава.