трансуранови елементи. Московия от Кентавър
На базата на различни теоретични модели бяха изчислени характеристиките на разпада на свръхтежки ядра. Резултатите от едно от тези изчисления са показани на фиг. 4. Дадени са периодите на полуразпад на четно-четни свръхтежки ядра по отношение на спонтанно делене (a), α-разпад (b), β-разпад (c) 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. Неговият полуживот 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. 4c тъмни точки. На фиг. 4d показва пълния 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 околността на Z = 110 и N = 184 образуват "остров на стабилността". Ядрото 294 110 има период на полуразпад от около 10 9 години. Разликата между стойността на Z и магическото число 114, предвидено от модела на черупката, се дължи на конкуренцията между делене (по отношение на което ядрото със Z = 114 е най-стабилно) и α-разпад (по отношение на кои ядра с по-малките Z са стабилни). За нечетно-четно и четно-нечетно 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 при 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 още едно изчисление на равновесната форма на свръхтежките 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 определя като разликата между енергиите на ядрата в равновесна и сферична форма. От тези данни се вижда, че областите Z = 114 и N = 184 трябва да съдържат ядра, които имат сферична форма в основно състояние. Всички свръхтежки ядра, открити до момента (те са показани на фиг. 5 с тъмни диаманти) са деформирани. Леките диаманти показват ядра, които са стабилни по отношение на β-разпад. Тези ядра трябва да се разпаднат в резултат на α-разпад или делене. Основният канал на разпад трябва да бъде α-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 открити 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 на неутронното магическо число N = 184. Доскоро единственият изотоп на елемент 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. Време на облъчване 25 дни. Общият брой на 48 Са йони върху мишената е 3,5·10 18 . Регистрирани са два случая, които са интерпретирани като спонтанно делене на образувания изотоп 283 112. За периода на полуразпад на този нов изотоп е получена оценката T 1/2 = 81 s. По този начин може да се види, че увеличаването на броя на неутроните в изотопа 283112 в сравнение с изотопа 277112 с 6 единици увеличава живота с 5 порядъка.
На фиг. 7 показва измереното време на живот на Sg (Z = 106) изотопи на сеаборгиум в сравнение с прогнозите на различни теоретични модели. Трябва да се отбележи, че животът на изотопа с N = 164 намалява с почти порядък 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, полученото ядро 284 114 трябва да се разпадне с излъчване на α-частици с период на полуразпад от ~ 1 ms. Допълнителна информация за запълването на обвивката в областта N = 162 може да се получи чрез изследване на α-разпадите на ядрата 271 108 и 267 106. За тези ядра е предвиден период на полуразпад от 1 минута. и 1 час. За ядра 263 106, 262 107, 205 108, 271.273 110 се очаква изомерия, причината за която е запълването на подобвивки с j = 1/2 и j = 13/2 в областта N = 162 за деформирани в ядра основно състояние.
На фиг. Фигура 8 показва експериментално измерените функции на възбуждане за образуване на елементите Rf (Z = 104) и Hs (Z = 108) за реакциите на синтез на падащи 50 Ti и 56 Fe йони 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 получаване 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 минималното разстояние на подход няма да е достатъчно за сливането 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 извършва в доста тесен енергиен диапазон от сблъскващи се частици.
Реакциите на синтез с излъчване на минимален брой неутрони (1-2) са от особен интерес, т.к. в синтезирани свръхтежки ядра е желателно да има най-голямо N/Z съотношение. На фиг. 9 показва потенциала за сливане на ядра в реакцията
64 Ni + 208 Pb 272 110. Най-простите оценки показват, че вероятността за тунелен ефект за ядрен синтез е ~ 10 -21 , което е много 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 малка. Следователно има голяма вероятност нуклони или двойки нуклони да напуснат орбитите 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 двойно магическият оловен изотоп 208Pb. В 208 Pb протонната подобвивка h 11/2 и неутронната подобвивка h 9/2 и i 13/2 са запълнени. Първоначално преносът на протони се стимулира от силите на привличане протон-протон, а след запълване на подобвивката h 9/2 - от силите на привличане протон-неутрон. По същия начин неутроните се движат към свободната подобвивка i 11/2, привличани от неутрони от вече запълнената подобвивка i 13/2. Поради енергията на сдвояване и големия орбитален импулс, прехвърлянето на двойка нуклони е по-вероятно от прехвърлянето на единичен нуклон. След прехвърлянето на два протона от 64 Ni 208 Pb, кулоновата бариера намалява с 14 MeV, което насърчава по-близък контакт между взаимодействащите йони и продължаване на процеса на пренос на нуклон.
В произведенията [V.V. Волков. Ядрени реакции на дълбоко нееластични пренасяния. М. Енергоиздат, 1982; В.В. Волков. Изв. АН СССР серия физ., 1986 г. 50 с. 1879] изучава подробно механизма на реакцията на синтез. 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. Тоест структурата на черупката на ядрата играе значителна роля в образуването на сложното ядро. Въз основа на този модел беше възможно да се опише доста добре енергията на възбуждане на съставните ядра и напречното сечение за производството на 102-112 елемента в реакции на студен синтез.
в лабораторията по ядрени реакции. Г.Н. Флеров (Дубна), е синтезиран елемент със Z = 114. Използвана е реакцията
Идентифицирането на ядрото 289 114 се извършва чрез верига от α-разпади. Експериментална оценка на полуживота на изотопа 289 114 ~30 s. Полученият резултат е в добро съответствие с предишните изчисления.
При синтеза на елемент 114 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 от излъчването на четири неутрона и се превръща в изотоп 292 116, който след това с 5% вероятност, в резултат на две последователни e-улавяния, се превръща в изотопа 292 114. В резултат на α -разпад (T 1/2 = 85 дни), изотопът 292 114 се превръща в изотоп 288 112. Образуването на изотопа 288 112 също става през канала
Крайното ядро 288 112, образувано в резултат на двете вериги, има период на полуразпад от около 1 час и се разпада в резултат на спонтанно делене. С приблизително 10% вероятност алфа разпадането на изотопа 288 114 може да доведе до образуването на изотопа 284 112. Горните периоди и канали на разпад са получени чрез изчисление.
При анализиране на различни възможности за образуване на свръхтежки елементи при реакции с тежки йони трябва да се вземат предвид следните обстоятелства.
- 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.
- Необходимо е полученото съставно ядро да има ниска енергия на възбуждане и малка стойност на ъгловия импулс, тъй като в противен случай ефективната височина на бариерата на делене ще намалее.
- Необходимо е полученото ядро да има форма, близка до сферична, тъй като дори лека деформация ще доведе до бързо делене на свръхтежкото ядро.
Много обещаващ метод за получаване на свръхтежки ядра са реакции от типа 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На фиг. Фигура 11 показва изчислените напречни сечения за образуване на трансуранови елементи при облъчване на мишени 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 със Z > 100. За да се увеличат добивите от изследваните реакции, дебелините на мишените са избрани по такъв начин, че продуктите на реакцията да останат в целта. След облъчване отделните химични елементи се отделят от целта. В получените проби са регистрирани продукти на α-разпад и фрагменти на делене в продължение на няколко месеца. Данните, получени при използване на 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 преминаване към голямо Z изглеждат доста оптимистични.
Напредъкът в областта на свръхтежките ядра през последните години беше зашеметяващо впечатляващ. Въпреки това досега всички опити за намиране на остров на стабилност са били неуспешни. Издирването му продължава усилено.
Можете да коментирате тук или.
Чикаго, 17 февруари. За първи път е измерена масата на елемент, по-тежък от урана. нов методпроправя пътя към дълго прогнозирания „остров на стабилността“ на устойчивото развитие свръхтежки елементи, лежащи извън обичайната периодична таблица.
Ядрото на урана съдържа 92 протона, това е най-тежкият елемент, познат ни в природата. При изкуствени условия, разбира се, са синтезирани и по-тежки, до 118 протона. Всички тези „тежка категория“ са изключително краткотрайни, разпадат се за няколко милисекунди.
Но още в средата на 20-ти век теоретично беше предвидена възможността за съществуването на свръхтежки елементи, съдържащи определено съотношение на протони и неутрони и с много по-дълъг живот - десетилетия или дори повече. Оттогава пътят към този „остров на стабилността“ се превърна в една от най-важните области на ядрената физика. И то не от чисто академичен интерес. Свръхтежките стабилни елементи биха могли да послужат като отлично гориво за ядрени двигатели на бъдещи космически мисии. Те трябва, според изчисленията, също да проявяват необичайни и полезни химични и физични свойства.
Досега обаче никой не знае къде точно трябва да попаднем на този остров. Някои изчисления показват, че някъде в региона са центрирани 114 протона на ядро, други - между 120 и 126 протона. Изчисленията са затруднени от факта, че учените нямат точна представа за това колко силни и слаби сили действат в "пренаселените" ядра на такива елементи, държайки техните протони и неутрони заедно. Краткостта на съществуването на свръхтежки елементи, получени в лабораторията, не позволява да се съберат достатъчно експериментални данни.
Нов пробив в тази област обещава скорошната работа на екип от немски учени, ръководен от Майкъл Блок, който успя да намери начин за директно измерване на масата на частиците, по-тежки от урана. И тъй като масата и енергията са свързани с известната формула на Айнщайн E = mc2, определянето на масата на атома позволява (като се вземат предвид допълнителни фактори) да се изчислят силите, с които частиците в неговото ядро са свързани помежду си.
За да измерят масата на атома, учените са използвали устройство, наречено капан на Пенинг, където с прости думи се задържат йони електромагнитно поле. Обектът на измерванията е нобелий, чието ядро включва 102 протона - с 10 повече от това на урана. Подобно на други „изкуствени“ елементи, той се получава от сблъсъка на малко по-леки елементи и е изключително краткотраен (максимум 58 минути). Основната задачаПроблемът, който немските физици успяват да решат, е да намерят начин да забавят атомите, преди да попаднат в капана, за което учените решават да ги прокарат през камера, пълна с хелий.
Сега, разполагайки с метод, който позволява "претегляне" на свръхтежки краткоживеещи атоми, експериментаторите могат по-точно да определят техните параметри. И теоретиците на базата на тези данни - да избират между конкуриращи се модели, които предсказват позицията на "острова на стабилността".
Методът позволява да се придвижи много по-далеч по Периодичната таблица, въпреки че на практика може да не е много лесно да се използва за най-тежките получени елементи. Дори само защото синтезът на такива гиганти вече е изключително труден процес сам по себе си. Ако същият Нобелий може да се получи с помощта на подготвен експеримент с честота средно 1 атом в секунда, то с по-тежки елементи, чиито ядра съдържат повече от 104 протона, всичко е много по-дълго. Получаването на 1 атом може да отнеме например седмица.
Но ако всичко върви добре, рано или късно този метод ще ви позволи да забележите жителите на „острова на стабилността“. Тъй като такива свръхтежки елементи обикновено се откриват от продукти на разпад, а стабилните имат твърде дълъг живот, традиционните методи за работа с тежки атоми не са подходящи за това.
Първо, статия за това какво е „остров на стабилността“.
Остров на стабилност: руските ядрени учени водят надпреварата
Синтезът на свръхтежки елементи, съставляващи така наречения „остров на стабилността“, е амбициозна задача на съвременната физика, в която руските учени изпреварват останалия свят.
На 3 юни 2011 г. експертна комисия, включваща специалисти от Международните съюзи по чиста и приложна химия (IUPAC) и физика (IUPAP), официално признава откриването на 114-ия и 116-ия елемент от периодичната таблица. Приоритет на откритието бе даден на група физици, водени от академик на Руската академия на науките Юрий Оганесян от Обединения институт за ядрени изследвания със съдействието на американски колеги от Ливерската морска национална лаборатория. Лорънс.
Академик на Руската академия на науките Юрий Оганесян, ръководител на лабораторията по ядрени реакции в ОИЯИ
Новите елементи станаха най-тежките от включените в периодичната таблица на Менделеев и получиха временните имена ununquidium и ununhexium, образувани от поредния номер в таблицата. Руските физици предложиха да се наименуват елементите "флеровиум" в чест на Георги Флеров, съветски ядрен физик, специалист в областта на ядреното делене и синтеза на нови елементи, и "московий" в чест на Московска област. В допълнение към 114-ия и 116-ия елемент, по-рано в ОИЯИ бяха синтезирани химически елементи със серийни номера 104, 113, 115, 117 и 118. И 105-ият елемент от таблицата в чест на признаването на приноса на физиците от Дубна към съвременната наукаполучи името "дъбни".
Елементи, които не се срещат в природата
В момента целият свят около нас се състои от 83 химически елемента, от водород (Z=1, Z е броят на протоните в ядрото) до уран (Z=92), чийто живот е по-дълъг от живота на Слънчевата система (4,5 милиарда години). По-тежките елементи, появили се по време на нуклеосинтеза малко след Големия взрив, вече са се разпаднали и не са оцелели до днес. Уранът, който има период на полуразпад от около 4,5×10 8 години, все още ще се разпадне и ще бъде радиоактивен. Въпреки това, в средата на миналия век изследователите се научиха как да получават елементи, които не се срещат в природата. Пример за такъв елемент е плутоний, произведен в ядрени реактори (Z=94), който се произвежда в стотици тонове и е един от най-мощните източници на енергия. Периодът на полуразпад на плутония е значително по-кратък от този на урана, но все пак достатъчно дълъг, за да предполага възможността за по-тежки химически елементи. Концепцията за атом, състоящ се от ядро, което носи положителен заряд и основна маса, и електронни орбитали, предполага възможността за съществуване на елементи с пореден номер до Z=170. Но всъщност поради нестабилността на процесите, протичащи в самото ядро, границата на съществуването на тежки елементи се очертава много по-рано. В природата стабилни образувания (ядра от елементи, състоящи се от различен брой протони и неутрони) се срещат само до олово и бисмут, последвани от малък полуостров, включително торий и уран, намиращи се на Земята. Но веднага щом порядковият номер на елемент надвиши броя на урана, животът му рязко намалява. Например, ядрото на 100-ия елемент е 20 пъти по-малко стабилно от ядрото на урана и в бъдеще тази нестабилност само се увеличава поради спонтанно ядрено делене.
"Островът на стабилността"
Ефектът на спонтанно делене е обяснен от Нилс Бор. Според неговата теория ядрото е капка заредена течност, тоест някаква материя, която няма своя собствена вътрешна структура. Колкото по-голям е броят на протоните в ядрото, толкова по-силно е влиянието на кулоновите сили, под въздействието на които капката се деформира и разделя на части. Такъв модел прогнозира възможността за съществуване на елементи до 104-ти - 106-ти серийни номера. Въпреки това, през 60-те години на миналия век в Лабораторията по ядрени реакции на Обединения институт за ядрени изследвания са проведени редица експерименти за изследване на свойствата на деленето на уранови ядра, резултатите от които не могат да бъдат обяснени с помощта на теорията на Бор. Оказа се, че ядрото не е пълен аналог на заредена течна капка, а има вътрешна
структура. Освен това, колкото по-тежко е ядрото, толкова по-силно става влиянието на тази структура и моделът на разпадане ще изглежда напълно различен от този, предвиден от модела на капка течност. Така се появи хипотеза за съществуването на определена област от стабилни свръхтежки ядра, далеч от елементите, познати днес. Районът беше наречен „островът на стабилността“ и след като предсказаха съществуването му, най-големите лаборатории в САЩ, Франция и Германия започнаха поредица от експерименти, за да потвърдят теорията. Опитите им обаче бяха неуспешни. И само експериментите на циклотрона в Дубна, довели до откриването на 114-ия и 116-ия елемент, позволяват да се твърди, че областта на стабилност на свръхтежките ядра наистина съществува.
Фигурата по-долу показва карта на тежките нуклиди. Представени са периодите на полуразпад на ядрата различен цвят(дясна скала). Черните квадрати са изотопи на стабилни елементи, открити в земната кора(полуживот повече от 10 9 години). Тъмно синьото е "морето на нестабилността", където ядрата живеят по-малко от 10 -6 секунди. „Островите на стабилността“, следващи „полуострова“ от торий, уран и трансуранови елементи, са предсказания на микроскопичната теория на ядрото. Две ядра с атомни номера 112 и 116, получени при различни ядрени реакции и последващото им разпадане, показват колко близо може да се стигне до „островите на стабилността“ при изкуствения синтез на свръхтежки елементи.
Карта на тежките нуклиди
За да се синтезира стабилно тежко ядро, е необходимо да се въведат възможно най-много неутрони в него, тъй като неутроните са "лепилото", което задържа нуклоните в ядрото. Първата идея беше да се облъчи изходен материал с неутронен поток от реактор. Но с този метод учените успяха да синтезират само фермий, елемент с атомен номер 100. Освен това вместо необходимите 60 неутрона в ядрото бяха въведени само 20. Опитите на американски учени да синтезират свръхтежки елементи в процеса на ядрена експлозия (всъщност в мощен импулсен неутронен поток) също не бяха успешни, резултат от техните експерименти е същият изотоп на фермия. От този момент нататък започва да се развива друг метод на синтез - да се сблъскат две тежки ядра с надеждата, че резултатът от сблъсъка им ще бъде ядрото на общата маса. За провеждане на експеримента едно от ядрата трябва да бъде ускорено до скорост от приблизително 0,1 от скоростта на светлината с помощта на ускорител на тежки йони. Всички тежки ядра, получени днес, са синтезирани по този начин. Както вече беше отбелязано, островът на стабилността се намира в областта на богати на неутрони свръхтежки ядра; следователно ядрата на целта и лъча също трябва да съдържат излишък от неутрони. Изборът на такива елементи е доста труден, тъй като почти всички съществуващи стабилни нуклиди имат строго определено съотношение на броя на протоните и неутроните.
В експеримента по синтеза на 114-ия елемент като мишена е използван най-тежкият изотоп на плутоний с атомна маса 244, произведен в реактора на Ливърморската национална лаборатория (САЩ), а калций-48 като снарядно ядро. Калций-48 е стабилен изотоп на калций, който съдържа само 0,1% от обикновения калций. Експериментаторите се надяваха, че подобна конфигурация ще позволи да се почувства ефектът от увеличаването на живота на свръхтежките елементи. За провеждане на експеримента е необходим ускорител с мощност на лъча на калций-48, надвишаваща всички известни ускорители десетки пъти. В рамките на пет години такъв ускорител беше създаден в Дубна, което направи възможно провеждането на експеримент няколкостотин пъти по-точен от експериментите в други страни през последните 25 години.
След като са получили лъч калций с необходимия интензитет, експериментаторите облъчват плутониевата цел. Ако в резултат на сливането на две ядра се образуват атоми на нов елемент, тогава те трябва да излетят от целта и заедно с лъча да продължат да се движат напред. Но те трябва да бъдат отделени от калциеви йони и други реакционни продукти. Тази функция се изпълнява от разделителя.
MASHA (Масов анализатор на супер тежки атоми) - инсталация за разделяне на ядра
Ядрата на отката, излъчени от целевия слой, спират в графитния колектор на дълбочина от няколко микрометра. Поради висока температураВ колектора те дифундират в камерата на йонния източник, извличат се от плазмата, ускоряват се от електрическото поле и се анализират като маса от магнитни полета, докато се движат към детектора. В този дизайн масата на атома може да бъде определена с точност от 1/3000. Задачата на детектора е да установи, че го е ударило тежко ядро, да регистрира неговата енергия, скорост и мястото на спирането му с висока точност.
Схема на работа на сепаратора
За да тестват теорията за съществуването на „остров на стабилност“, учените наблюдават продуктите на разпада на ядрото на 114-ия елемент. Ако теорията е вярна, тогава получените ядра на 114-ия елемент трябва да са устойчиви на спонтанно делене и да бъдат алфа радиоактивни, тоест да излъчват алфа частица, състояща се от два протона и два неутрона. За реакция, включваща 114-ия елемент, трябва да се наблюдава преход от 114-ия към 112-ия. Тогава ядрата на 112-та също претърпяват алфа разпад и преминават в ядрата на 110-та и т.н. Освен това животът на нов елемент трябва да бъде с няколко порядъка по-дълъг от живота на по-леките ядра. Именно такива дълготрайни събития, чието съществуване беше предсказано теоретично, видяха дъбненските физици. Това е пряка индикация, че 114-ти елемент вече изпитва действието на структурни сили, които образуват острова на стабилност на свръхтежките елементи.
Примери за вериги на разпад на 114-ти и 116-ти елемент
В експеримента по синтеза на 116-ти елемент като мишена е използвано уникално вещество, кюрий-248, получено в мощния реактор на Научноизследователския институт. ядрени реакторив Димитровград. Иначе експериментът следваше същата схема като търсенето на 114-ти елемент. Наблюдението на веригата на разпадане на елемент 116 беше още едно доказателство за съществуването на елемент 114, този път то беше получено в резултат на разпадането на по-тежък родител. В случая на 116-ия елемент експерименталните данни също показват значително увеличение на живота с увеличаване на броя на неутроните в ядрото. Тоест съвременната физика на синтеза на тежки елементи се доближи до границата на „острова на стабилността“. Освен това елементите с атомни номера 108, 109 и 110, образувани в резултат на разпадането на 116-ия елемент, имат живот, изчислен в минути, което ще направи възможно изследването Химични свойстватези вещества чрез методите на съвременната радиохимия и експериментално проверяват фундаменталната природа на закона на Менделеев относно периодичността на химичните свойства на елементите в таблицата. По отношение на тежките елементи може да се приеме, че 112-ият елемент има свойствата на кадмий и живак, а 114-ият - на калай, олово и т.н. Вероятно на върха на острова на стабилността има свръхтежки елементи с живот от милиони години. Тази цифра не достига възрастта на Земята, но все още е възможно присъствието на свръхтежки елементи в природата, в нашата слънчева система или в космическите лъчи, тоест в други системи на нашата галактика. Но досега експериментите за търсене на "естествени" свръхтежки елементи не са били успешни.
В момента ОИЯИ подготвя експеримент за търсене на 119-ия елемент от периодичната таблица, а Лабораторията по ядрени реакции е световен лидер в областта на физиката на тежките йони и синтеза на свръхтежки елементи.
Анна Максимчук,
изследовател, ОИЯИ,
специално за R&D.CNews.ru
Интересно, разбира се. Оказва се, че могат да бъдат открити много повече химически елементи и дори почти стабилни.
Възниква въпросът: какъв е практическият смисъл на цялото това доста скъпо събитие за търсене на нови почти стабилни елементи?
Изглежда, че когато намерят начин да произвеждат тези елементи, тогава ще се види.
Но нещо вече се вижда. Например, ако някой е гледал филма "Хищник", тогава хищникът има устройство за самоунищожение в гривна на ръката си и експлозията е доста мощна. Така. Тези нови химически елементи са подобни на уран-235, но в същото време критичната маса може да се изчисли в грамове (в този случай 1 грам от това вещество е еквивалентен на експлозията на 10 тона тротил - толкова добра бомба размерът само на монета от пет копейки).
Така че вече има голям смисъл учените да работят здраво, а държавата да не пести разходи.
Свръхтежки елементи на острова на стабилността
Теоретичното и експериментално изследване на стабилността на ядрото дава основание на съветските физици да преразгледат използваните досега методи. методи за производство на тежки трансурани. В Дубна решиха да поемат по нови пътища и да вземат за цел водяи бисмут.
Ядрото, подобно на атома като цяло, има структура на черупката. Атомни ядра, съдържащи 2-8-20-28-50-82-114-126-164 протона (тоест ядрата на атоми с такъв сериен номер) и 2-8-20-28-50-82-126- 184-196- 228-272-318 неутрони поради цялостната структура на техните черупки. Едва наскоро тези възгледи бяха потвърдени от компютърни изчисления.
Такава необичайна стабилност привлече окото преди всичко при изучаване на изобилието от определени елементи в космоса. изотопи, които имат тези ядрени числа, се наричат магия. Изотопът на бисмут 209 Bi, който има 126 неутрона, е такъв магически нуклид. Това включва и изотопи. кислород, калций, калай. Те са два пъти магически: за хелия - изотопът 4 He (2 протона, 2 неутрона), за калция - 48 Ca (20 протона, 28 неутрона), за оловото - 208 Pb (82 протона, 126 неутрона). Те се отличават с много специална здравина на сърцевината.
Използвайки йонни източници от нов тип и по-мощни ускорители на тежки йони - блоковете U-200 и U-300 бяха сдвоени в Дубна, групата на Г. Н. Флеров и Ю. Ц. Оганесян скоро започна да разполага поток от тежки йонис изключителна енергия. За да постигнат ядрен синтез, съветските физици изстрелват 280 MeV хромови йони по цели, направени от олово и бисмут. Какво може да се случи? В началото на 1974 г. атомните учени в Дубна регистрират 50 случая по време на такава бомбардировка, което показва образуване на 106-ти елемент, който обаче се разпада след 10 -2 s. Тези 50 атомни ядра са образувани по схемата:
208 Pb + 51 Cr = 259 X
Малко по-късно Гиорсо и Сиборг от лабораторията на Лорънс Бъркли съобщиха, че са синтезирали изотоп на нов, 106 th, елемент с масово число 263 чрез бомбардиране на калифорний-249 с кислородни йони в апарата Super-HILAC.
Какво ще бъде името на новия елемент?Като оставим настрана предишните разногласия, двете групи в Бъркли и Дубна, състезаващи се в научна конкуренция, този път стигнаха до консенсус. Рано е да се говори за имена, каза Ованесян. И Гиорсо добави, че е решено да се въздържат от всякакви предложения за името на 106-и елемент до изясняване на ситуацията.До края на 1976 г. Дубненската лаборатория по ядрени реакции завърши поредица от експерименти по синтеза на 107-ия елемент; служи като изходно вещество за дубненските "алхимици" магически„Бисмут-209. Когато е бомбардиран с хромови йони с енергия 290 MeV, той се превръща в изотоп 107 -ти елемент:
209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 н
107-ият елемент спонтанно се разпада с период на полуразпад от 0,002 s и освен това излъчва алфа частици.
Времето на полуразпад от 0,01 и 0,002 s, открити за 106-ия и 107-ия елемент, ни накара да бъдем предпазливи. В крайна сметка те се оказаха с няколко порядъка по-големи от предвидените от компютърните изчисления. Може би 107-ият елемент вече е бил забележимо засегнат от близостта на последващото магическо число на протони и неутрони - 114, което увеличава стабилността?
Ако е така, тогава имаше надежда да се получат дългоживеещи изотопи на елемент 107, например чрез обстрел беркелиумнеонови йони. Изчисленията показват, че богатият на неутрони изотоп, образуван от тази реакция, трябва да има период на полуразпад над 1 s. Това би ни позволило да проучим химичните свойства на 107-ия елемент - екария.
Най-дълго живеещият изотоп на първия трансуран, елемент 93, нептуний-237, има период на полуразпад от 2 100 000 години; най-стабилният изотоп на 100-ия елемент - фермий-257 - само 97 дни. Започвайки от 104-ти елемент полуживотса само части от секундата. Следователно, изглежда, че нямаше абсолютно никаква надежда за откриване на тези елементи. Защо са необходими допълнителни изследвания?
Алберт Гиорсо, водещият американски специалист по трансураните, веднъж каза в тази връзка: " Причината за продължаване на търсенето на допълнителни елементи е просто задоволяването на човешкото любопитство – какво се случва около следващия завой на улицата?Това обаче, разбира се, не е просто научно любопитство. Въпреки това Гиорсо даде да се разбере колко е важно да се продължат подобни фундаментални изследвания.
През 60-те години на миналия век теорията за магическите ядрени числа придобива все по-голямо значение. В "морето от нестабилност" учените отчаяно се опитваха да намерят спасение" остров на относителна стабилност", върху който може здраво да стъпи кракът на изследователя на атома. Въпреки че този остров все още не е открит, неговите "координати" са известни: елемент 114, exlead, се счита за център на голям регион на стабилност. Изотопът 298 на елемент 114 отдавна е обект на научни спорове, защото със 114 протона и 184 неутрона той е едно от онези двойно магически атомни ядра, за които се предвижда, че ще продължат. Но какво означава дълголетие?
Предварителните изчисления показват, че времето на полуразпад с освобождаването на алфа частици варира от 1 до 1000 години, а по отношение на спонтанното делене - от 10 8 до 10 16 години. Подобни флуктуации, както посочват физиците, се обясняват с близостта на "компютърната химия". Много обнадеждаващи периоди на полуразпад се предвиждат за следващия остров на стабилност, елемент 164, отврати. Изотопът на 164-ия елемент с масово число 482 също е двойно вълшебен: ядрото му се образува от 164 протона и 318 неутрона.
Науката е интересна и справедлива магически свръхтежки елементи, като изотопа 294 на елемент 110 или изотопа 310 на елемента 126, всеки от които съдържа 184 неутрона. Удивително е как изследователите жонглират доста сериозно с тези въображаеми елементи, сякаш вече съществуват. От компютъра се извличат все повече нови данни и вече определено се знае какви свойства - ядрени, кристалографски и химични - трябва да притежават тези свръхтежки елементи. В специализираната литература се натрупват точни данни за елементи, които хората могат да открият след 50 години.
В момента ядрените учени пътуват из морето на нестабилност в очакване на открития. Оставен след тях твърда земя: полуостров с естествени радиоактивни елементи, белязан от високи върхове на торий и уран, и далечна твърда земя с всички други елементи и върхове олово, калайи калций.
Смелите моряци отдавна са в открито море. На неочаквано място те откриха плитко: отворените 106 и 107 елементи са по-стабилни от очакваното.
През последните години дълго време плавахме по морето на нестабилността, твърди Г. Н. Флеров, и изведнъж, в последния момент, усетихме земята под краката си. Случайна подводна скала? Или пясъчна ивица на дългоочакван остров на устойчивост? Ако второто е правилно, тогава имаме реална възможност да творим нова периодична система от стабилни свръхтежки елементис невероятни свойства.
След като стана известна хипотезата за стабилни елементи в близост до серийните номера 114, 126, 164, изследователи от цял свят се нахвърлиха върху тези " свръхтежък"атоми. Някои от тях, с предполагаемо дълъг период на полуразпад, се надяваха да бъдат намерени на Земята или в Космоса, поне под формата на следи. В края на краищата, когато нашата слънчева система е възникнала, тези елементи също са съществували, както всички останали.
Следи от свръхтежки елементи- какво трябва да се разбира от това? В резултат на способността им да се разделят спонтанно на два ядрени фрагмента с голяма маса и енергия, тези трансурани би трябвало да оставят отчетливи следи от разрушаване в близката материя.
Подобни следи могат да се видят в минерали под микроскоп, след като са гравирани. С помощта на този метод за следи от унищожаване вече е възможно да се проследи съществуването на отдавна мъртви елементи. От ширината на оставените следи може да се оцени и порядковият номер на елемента - ширината на пистата е пропорционална на квадрата на ядрения заряд.
"Живи" все още свръхтежки елементи също се надяват да бъдат разкрити, въз основа на факта, че те многократно излъчват неутрони. По време на спонтанния процес на делене тези елементи излъчват до 10 неутрона.
Следи от свръхтежки елементи са търсени в манганови възли от дълбините на океана, както и във водите след топенето на ледниците на полярните морета. Засега без резултат. Г. Н. Флеров и неговите сътрудници разглеждат оловното стъкло на антична витрина от 14 век, лайденска делва от 19 век и ваза от оловен кристал от 18 век.
Първо, няколко следи от спонтанно делене сочеха exlead- 114-ти елемент. Въпреки това, когато учените от Дубнин повториха измерванията си с високочувствителен неутронен детектор в най-дълбоката солна мина съветски съюз, тогава положителен резултатне са получили. Космическата радиация, която очевидно е причинила наблюдавания ефект, не е могла да проникне до такава дълбочина.
През 1977 г. професор Флеров предполага, че най-накрая е открил " нови трансуранови сигнали„при изучаване на дълбоките термални води на полуостров Челекен в Каспийско море.
Въпреки това, броят на съобщените случаи беше твърде малък за ясна задача. Година по-късно групата на Флеров регистрира 150 спонтанни дивизии на месец. Тези данни са получени при работа с йонообменник, пълен с неизвестен трансуран от термални води. Флеров оцени периода на полуразпад на съществуващия елемент, който все още не е успял да изолира, на милиарди години.
Други изследователи са тръгнали в други посоки. Професор Фаулър и неговите сътрудници от университета в Бристол предприеха експерименти с балони на голяма надморска височина. С помощта на детектори на малки количества ядра бяха разкрити множество области с ядрени заряди над 92. Британски изследователи смятаха, че една от следите дори сочи към елементи 102 ... 108. По-късно те направиха поправка: неизвестният елемент има сериен номер 96 ( кюриум).
Как тези свръхтежки частици попадат в стратосферата на земното кълбо? Досега са представени няколко теории. Според тях тежките атоми трябва да възникнат от експлозии на свръхнови или други астрофизични процеси и да достигнат до Земята под формата на космическа радиация или прах – но едва след 1000 – 1 000 000 години. Тези космически отлагания в момента се търсят както в атмосферата, така и в дълбоководните седименти.
И така, свръхтежките елементи могат да бъдат в космическа радиация? Вярно е, че според американски учени, които предприеха експеримента Skylab през 1975 г., тази хипотеза не беше потвърдена. В космическа лаборатория, която обикаляше Земята, бяха инсталирани детектори, които абсорбират тежки частици от космоса; бяха открити само песни от известни елементи.
Лунният прах, донесен на Земята след първото кацане на Луната през 1969 г., беше не по-малко внимателно изследван за наличие на свръхтежки елементи. Когато са открити следи от "дългоживеещи" частици до 0,025 mm, някои изследователи смятат, че те могат да бъдат приписани на елементи 110 - 119.
Подобни резултати са получени от изследвания на аномалния изотопен състав на благородния газ ксенон, съдържащ се в различни проби от метеорити. Физиците изразиха мнение, че този ефект може да се обясни само със съществуването на свръхтежки елементи.
Съветски учени в Дубна, които анализираха 20 кг от метеорита Алиенде, паднал в Мексико през есента на 1969 г., в резултат на тримесечно наблюдение, успяха да открият няколко спонтанни деления.
След като обаче се установи, че "естественото" плутоний-244, което беше някога интегрална частна нашата слънчева система, оставя напълно подобни следи, тълкуването започна да се извършва по-внимателно.
