Synthese superschwerer Elemente. Suchergebnisse für \"stabile Elemente\"

Wissenschaftler der University of New South Wales (Australien) und der Universität Mainz (Deutschland) schlugen vor, dass einer der ungewöhnlichsten (unter den Astronomen bekannten) Sternen chemische Elemente von der Insel der Stabilität enthält. Dies sind die Elemente ganz am Ende des Periodensystems, sie unterscheiden sich von ihren linken Nachbarn durch eine längere Lebensdauer. Die Studie wurde in der elektronischen Preprint-Bibliothek arXiv.org veröffentlicht und spricht über ihre Ergebnisse und stabile superschwere chemische Elemente.

Der Stern HD 101065 wurde 1961 vom polnisch-australischen Astronomen Antonin Przybylski entdeckt. Er befindet sich in einer Entfernung von etwa 400 Lichtjahren von der Erde im Sternbild Centaurus. Höchstwahrscheinlich ist HD 101065 leichter als die Sonne und ein Hauptreihenstern, ein Unterriese. Ein Merkmal von Przybylskys Stern ist der extrem niedrige Gehalt an Eisen und Nickel in der Atmosphäre. Gleichzeitig ist der Stern reich an schweren Elementen, darunter Strontium, Cäsium, Thorium, Ytterbium und Uran.

Przybylskis Stern ist der einzige, in dem kurzlebige radioaktive Elemente, Actiniden, mit einer Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern) von 89 bis 103 gefunden wurden: Actinium, Plutonium, Americium und Einsteinium. HD 101065 ähnelt HD 25354, aber das Vorhandensein von Americium und Curium ist zweifelhaft.

Der Mechanismus der Bildung superschwerer Elemente auf Przybylskis Stern ist noch nicht vollständig verstanden. Es wurde angenommen, dass HD 101065 zusammen mit einem Neutronenstern ein binäres System bildet – Teilchen vom zweiten fallen auf das erste und provozieren Fusionsreaktionen schwerer Elemente. Diese Hypothese wurde noch nicht bestätigt, obwohl es möglich ist, dass sich ein schwacher Begleiter in einer Entfernung von etwa tausend astronomischen Einheiten von HD 101065 befindet.

Foto: N. Dautel / Globallookpress.com

HD 101065 ist Ap-Sternen am ähnlichsten, eigenartige (eigenartige) Leuchten der Spektralklasse A, in deren Spektrum die Linien der Seltenerdmetalle verstärkt sind. Sie haben ein starkes Magnetfeld, schwere Elemente in ihrer Atmosphäre kommen aus der Tiefe. HD 101065 unterscheidet sich von anderen Ap-Sternen durch kurzfristige Änderungen der Lichtkurve, was es ermöglichte, ihn in eine separate Gruppe von RoAp-Sternen (Rapidly osculating Ap stars) aufzunehmen.

Wahrscheinlich die Versuche der Wissenschaftler, HD 101065 einzufügen bestehende Klassifikation Sterne werden jemals erfolgreich sein. Obwohl Przybylskis Stern als einer der ungewöhnlichsten gilt, lässt dies vermuten, dass er eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften hat. Insbesondere in der neuesten Arbeit zu HD 101065 gingen australische und deutsche Forscher davon aus, dass chemische Elemente, die zur Insel der Stabilität gehören, im Przybylski-Stern geboren werden.

Die Wissenschaftler gingen vom Schalenmodell des Kerns und seiner Erweiterungen aus. Das Modell bezieht die Stabilität des Atomkerns auf die Füllung der Energieniveaus der Hüllen, die analog zu den Elektronenhüllen des Atoms den Atomkern bilden. Jedes Neutron und Proton befindet sich auf einer bestimmten Hülle (Abstand vom Atomzentrum bzw. Energieniveau) und bewegt sich unabhängig voneinander in einem bestimmten selbstkonsistenten Feld.

Es wird angenommen, dass das Isotop umso stabiler ist, je gefüllter die Energieniveaus des Kerns sind. Das Modell erklärt gut die Stabilität von Atomkernen, Spins und magnetischen Momenten, ist aber nur auf nicht angeregte oder leichte und mittelschwere Kerne anwendbar.

Nach dem Schalenmodell zeichnen sich Kerne mit vollständig gefüllten Energieschalen durch eine hohe Stabilität aus. Solche Elemente bilden die "Insel der Stabilität". Es beginnt mit Isotopen mit den Seriennummern 114 und 126, die magischen und doppelt magischen Zahlen entsprechen.

Kerne mit einer magischen Anzahl von Nukleonen (Protonen und Neutronen) haben die stärkste Bindungsenergie. In der Nuklidtabelle sind sie wie folgt angeordnet: Die Anzahl der Protonen ist horizontal von links nach rechts in aufsteigender Reihenfolge angegeben, und die Anzahl der Neutronen ist vertikal von oben nach unten angegeben. In einem doppelt magischen Kern ist die Anzahl der Protonen und Neutronen gleich einer magischen Zahl.

Die Halbwertszeit der in Dubna erhaltenen Flerovium-Isotope (Element 114) beträgt bis zu 2,7 Sekunden. Der Theorie zufolge sollte es ein Isotop von Flerovium-298 mit einer magischen Neutronenzahl von N=184 und einer Lebensdauer in der Größenordnung von zehn Millionen Jahren geben. Es war bisher nicht möglich, einen solchen Kern zu synthetisieren. Zum Vergleich: Die Halbwertszeit benachbarter Elemente mit einer Protonenzahl von 113 und 115 im Kern beträgt bis zu 19,6 Sekunden (für Nihonium-286) bzw. 0,156 Sekunden (für Moscovium-289).

Die Autoren der Veröffentlichung auf arXiv.org glauben, dass das Vorhandensein von Aktiniden in der Atmosphäre von HD 101065 für das Vorhandensein chemischer Elemente von der Insel der Stabilität am selben Ort spricht. Aktinide sind in diesem Fall das Zerfallsprodukt stabiler superschwerer Elemente. Die Wissenschaftler schlagen vor, die Spektren von HD 101065 nach Spuren von Nobelium, Lawrencium, Nihonium, Flerovium zu durchsuchen und spezifische Spektren zu beschreiben, die stabile Isotope erzeugen können.

Derzeit werden in Russland, den USA, Japan und Deutschland neue Elemente des Periodensystems synthetisiert. Auf der Erde wurden Transurane in der natürlichen Umgebung nicht gefunden. Der Stern HD 101065 könnte neue Möglichkeiten bieten, die Theorien von Kernphysikern zu testen, die die Existenz einer Insel der Stabilität nahelegen.

Ende der 60er Jahre, durch die Bemühungen vieler Theoretiker - O. Bohr und B. Motelson (Dänemark), S. Nilsson (Schweden), V.M. Strutinsky und V.V. Pashkevich (UdSSR), H. Myers und V. Svyatetsky (USA), A. Sobichevsky ua (Polen), W. Greiner ua (Frankreich) und viele andere schufen die mikroskopische Theorie der Atomkerne. Die neue Theorie brachte alle oben genannten Widersprüche in ein kohärentes System physikalischer Gesetze.
Wie jede Theorie hatte sie eine gewisse Vorhersagekraft, insbesondere bei der Vorhersage der Eigenschaften sehr schwerer, noch unbekannter Kerne. Es stellte sich heraus, dass die stabilisierende Wirkung von Kernhüllen auch jenseits der durch das Fallmodell des Kerns angegebenen Grenzen (d. h. im Bereich Z > 106) der sog. "Inseln der Stabilität" um die magischen Zahlen Z=108, N=162 und Z=114, N=184. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, kann die Lebensdauer von superschweren Kernen, die sich in diesen „Inseln der Stabilität“ befinden, erheblich verlängert werden. Dies gilt insbesondere für die schwersten, superschweren Elemente, bei denen die Wirkung geschlossener Schalen Z = 114 (möglicherweise 120) und N = 184 die Halbwertszeiten auf Zehn-, Hunderttausende und vielleicht Millionen von Jahren erhöht, d.h. - 32-35 Größenordnungen mehr als ohne die Wirkung von Atomhüllen. So entstand eine faszinierende Hypothese über die mögliche Existenz superschwerer Elemente, die die Grenzen der materiellen Welt erheblich erweitern. Ein direkter Test theoretischer Vorhersagen wäre die Synthese superschwerer Nuklide und die Bestimmung ihrer Zerfallseigenschaften. Daher müssen wir kurz auf die Schlüsselfragen im Zusammenhang mit der künstlichen Synthese von Elementen eingehen.

2. Reaktionen zur Synthese schwerer Elemente

Viele künstliche Elemente, die schwerer als Uran sind, wurden in Reaktionen des aufeinanderfolgenden Einfangens von Neutronen durch Kerne des Uranisotops 235 U bei Langzeitbestrahlung in leistungsstarken Kernreaktoren synthetisiert. Lange Halbwertszeiten neuer Nuklide ermöglichten es, sie von anderen Nebenprodukten der Reaktion durch radiochemische Methoden mit anschließender Messung ihrer radioaktiven Zerfallseigenschaften zu trennen. Diese bahnbrechenden Arbeiten von Prof. G. Seaborg und seine Kollegen, durchgeführt in den Jahren 1940 - 1953. im Radiation National Laboratory (Berkeley, USA) führte zur Entdeckung von acht künstlichen Elementen mit Z = 93 -100, dem schwersten Isotop 257 Fm (T 1/2 ~ 100 Tage). Ein weiteres Vordringen in den Bereich der schwereren Kerne war aufgrund der extrem kurzen Halbwertszeit des nächsten Isotops - 258 Fm (T SF = 0,3 Millisekunden) - praktisch unmöglich. Versuche, diese Begrenzung bei gepulsten Neutronenflüssen hoher Leistung zu umgehen, die aus einer Kernexplosion resultieren, führten nicht zu den gewünschten Ergebnissen: Wie zuvor war der schwerste Kern 257 Fm.

Elemente schwerer als Pm (Z=100) wurden in Reaktionen mit beschleunigten schweren Ionen synthetisiert, wenn ein Komplex aus Protonen und Neutronen in den Zielkern eingeführt wird. Aber diese Art von Reaktion unterscheidet sich von dem vorherigen Fall. Wenn ein Neutron ohne elektrische Ladung eingefangen wird, beträgt die Anregungsenergie eines neuen Kerns nur 6 - 8 MeV. Im Gegensatz dazu werden bei der Fusion von Zielkernen selbst mit leichten Ionen wie Helium (4 He) oder Kohlenstoff (12 C) schwere Kerne auf eine Energie von E x = 20 - 40 MeV erhitzt. Mit einer weiteren Erhöhung der Ordnungszahl des Projektilkerns muss dieser immer mehr Energie aufbringen, um die elektrischen Abstoßungskräfte positiv geladener Kerne (die Coulomb-Reaktionsbarriere) zu überwinden. Dieser Umstand führt zu einer Erhöhung der Anregungsenergie (Erwärmung) des zusammengesetzten Kerns, der nach der Verschmelzung zweier Kerne - des Projektils und des Ziels - gebildet wird. Seine Abkühlung (Übergang in den Grundzustand E x = 0) erfolgt durch die Emission von Neutronen und Gammastrahlen. Und hier kommt die erste Hürde.

Ein erhitzter schwerer Kern wird nur in 1/100 der Fälle ein Neutron emittieren können, im Grunde wird er in zwei Fragmente geteilt, da die Energie des Kerns deutlich höher ist als die Höhe seiner Spaltbarriere. Es ist leicht zu verstehen, dass eine Erhöhung der Anregungsenergie der Kernverbindung dieser abträglich ist. Die Überlebenswahrscheinlichkeit eines erhitzten Kerns sinkt stark mit steigender Temperatur (bzw. Energie E x) aufgrund einer Zunahme der Anzahl verdampfter Neutronen, mit denen die Spaltung stark konkurriert. Um einen auf eine Energie von etwa 40 MeV erhitzten Kern abzukühlen, müssen 4 oder 5 Neutronen verdampft werden. Jedes Mal konkurriert die Spaltung mit der Emission eines Neutrons, wodurch die Überlebenswahrscheinlichkeit nur (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10 beträgt. Erschwerend kommt hinzu, dass mit steigender Temperatur des Kerns die stabilisierende Wirkung der Schalen abnimmt, also die Höhe der Spaltbarriere abnimmt und die Spaltbarkeit des Kerns stark zunimmt. Beides führt zu einer extrem geringen Wahrscheinlichkeit der Bildung superschwerer Nuklide.

Fortschritte in der Region von Elementen schwerer als 106 wurden nach der Entdeckung des sogenannten 1974 möglich. kalte Fusionsreaktionen. Bei diesen Reaktionen werden „magische“ Kerne stabiler Isotope – 208 Pb (Z = 82, N = 126) oder 209 Bi (Z = 83, N = 126) – als Zielmaterial verwendet, die mit Ionen beschossen werden, die schwerer als Argon sind (Yu. Ts. Oganesyan, A. G. Demin und andere). Bei der Fusion führt die hohe Bindungsenergie von Nukleonen im „magischen“ Zielkern zur Energieaufnahme bei der Umlagerung zweier wechselwirkender Kerne
in einen schweren Kern von Gesamtmasse. Dieser Unterschied in den "Packungs"-Energien von Nukleonen in den wechselwirkenden Kernen und im endgültigen Kern kompensiert weitgehend die Energie, die erforderlich ist, um die hohe Coulomb-Barriere der Reaktion zu überwinden. Dadurch hat ein schwerer Kern nur eine Anregungsenergie von 12-20 MeV. Bis zu einem gewissen Grad ähnelt eine solche Reaktion dem Vorgang der "umgekehrten Spaltung". Wenn die Spaltung des Urankerns in zwei Fragmente unter Freisetzung von Energie erfolgt (es wird in Kernkraftwerken verwendet), ist der resultierende Urankern in der umgekehrten Reaktion beim Verschmelzen der Fragmente fast kalt. Wenn Elemente in kalten Fusionsreaktionen synthetisiert werden, reicht es daher aus, dass ein schwerer Kern nur ein oder zwei Neutronen emittiert, um in den Grundzustand überzugehen.
Kalte Fusionsreaktionen massiver Kerne wurden erfolgreich für die Synthese von 6 neuen Elementen, von 107 bis 112 (P. Armbruster, Z. Hofmann, G. Münzenberg und andere) am Nationalen Zentrum für Kernphysik der GSI in Darmstadt (Deutschland) eingesetzt. Kürzlich wiederholten K. Morita et al., am National RIKEN Center (Tokyo), die GSI-Experimente zur Synthese von 110–112 Elementen. Beide Gruppen beabsichtigen, mit schwereren Projektilen zu den Elementen 113 und 114 vorzudringen. Versuche, immer schwerere Elemente in kalten Fusionsreaktionen zu synthetisieren, sind jedoch mit großen Schwierigkeiten verbunden. Mit zunehmender Atomladung der Ionen nimmt die Wahrscheinlichkeit ihrer Verschmelzung mit den Zielkernen 208 Pb oder 209 Bi stark ab, da die Coulomb-Abstoßungskräfte zunehmen, die bekanntermaßen proportional zum Produkt der Kernladungen sind . Aus Element 104, das bei der Reaktion 208 Pb + 50 Ti (Z 1 × Z 2 = 1804) zu Element 112 in der Reaktion 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), verringert sich die Verschmelzungswahrscheinlichkeit um mehr als das 10 4 -fache.

Figur 3 Karte schwerer Nuklide. Die Halbwertszeiten von Kernen werden durch verschiedene Farben dargestellt (rechte Skala). Schwarze Quadrate sind Isotope stabiler Elemente, die in gefunden werden Erdkruste(T 1/2 ≥ 10 9 Jahre). Dunkelblaue Farbe - "Meer der Instabilität", wo Kerne weniger als 10 -6 Sekunden leben. Gelbe Linien entsprechen geschlossenen Schalen, die die magischen Zahlen von Protonen und Neutronen anzeigen. Die „Inseln der Stabilität“ nach der „Halbinsel“ aus Thorium-, Uran- und Transuran-Elementen sind Vorhersagen der mikroskopischen Kerntheorie. Zwei Kerne mit Z = 112 und 116, erhalten bei verschiedenen Kernreaktionen und deren sukzessivem Zerfall, zeigen, wie nahe man den "Inseln der Stabilität" bei der künstlichen Synthese superschwerer Elemente kommen kann.

Es gibt eine weitere Einschränkung. Verbundkerne, die bei kalten Fusionsreaktionen erhalten werden, haben eine relativ kleine Anzahl von Neutronen. Bei der oben betrachteten Bildung des 112. Elements hat der Endkern mit Z = 112 nur noch 165 Neutronen, während für die Neutronenzahl N > 170 eine Erhöhung der Stabilität zu erwarten ist (siehe Abb. 3).

Kerne mit einem großen Neutronenüberschuss können im Prinzip erhalten werden, wenn künstliche Elemente als Targets verwendet werden: Plutonium (Z = 94), Americium (Z = 95) oder Curium (Z = 96), hergestellt in Kernreaktoren, und als a Projektil - seltenes Calciumisotop - 48 Ca. (siehe unten).

Der Kern des 48 Ca-Atoms enthält 20 Protonen und 28 Neutronen – beide Werte entsprechen geschlossenen Schalen. Bei Fusionsreaktionen mit 48 Ca-Kernen funktioniert auch ihre "magische" Struktur (diese Rolle bei kalten Fusionsreaktionen spielten die magischen Kerne des Ziels - 208 Pb), wodurch die Anregungsenergie superschwerer Kerne etwa 30 beträgt - 35 MeV. Ihr Übergang in den Grundzustand wird von der Emission von drei Neutronen und Gammastrahlen begleitet. Es könnte erwartet werden, dass bei dieser Anregungsenergie die Wirkung von Kernhüllen in erhitzten superschweren Kernen immer noch vorhanden ist, dies wird ihr Überleben erhöhen und es uns ermöglichen, sie in unseren Experimenten zu synthetisieren. Beachten Sie auch, dass die Massenasymmetrie wechselwirkender Kerne (Z 1 × Z2 ≤ 2000) verringert ihre Coulomb-Abstoßung und erhöht damit die Verschmelzungswahrscheinlichkeit.

Trotz dieser scheinbar offensichtliche Vorteile, alle früheren Versuche, superschwere Elemente in Reaktionen mit 48 Ca-Ionen zu synthetisieren, die in den Jahren 1977 - 1985 in verschiedenen Laboratorien unternommen wurden. erwies sich als unwirksam. Die Entwicklung experimenteller Techniken in den letzten Jahren und vor allem die Erzeugung intensiver Strahlen von 48 Ca-Ionen in unserem Labor an Beschleunigern der neuen Generation ermöglichten es jedoch, die Empfindlichkeit des Experiments um fast den Faktor 1000 zu steigern. Diese Errungenschaften wurden in einem neuen Versuch genutzt, superschwere Elemente zu synthetisieren.

3 Erwartete Eigenschaften

Was erwarten wir im Falle einer erfolgreichen Synthese im Experiment? Wenn die theoretische Hypothese richtig ist, dann sind superschwere Kerne gegenüber spontaner Spaltung stabil. Dann erleben sie eine andere Art von Zerfall: Alpha-Zerfall (die Emission eines Heliumkerns, der aus 2 Protonen und 2 Neutronen besteht). Als Ergebnis dieses Prozesses wird ein Tochterkern gebildet, der 2 Protonen und 2 Neutronen leichter ist als der Mutterkern. Wenn der Tochterkern eine geringe Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung hat, ist der Enkelkern nach dem zweiten Alpha-Zerfall nun 4 Protonen und 4 Neutronen leichter als der ursprüngliche Kern. Alpha-Zerfälle dauern an, bis eine spontane Spaltung auftritt (Abb. 4).

Dass. wir erwarten nicht einen einzigen Zerfall, sondern eine "radioaktive Familie", eine Kette aufeinanderfolgender Alpha-Zerfälle, die zeitlich lang genug sind (im nuklearen Maßstab), die konkurrieren, aber schließlich durch spontane Spaltung unterbrochen werden. Im Prinzip deutet ein solches Zerfallsszenario bereits auf die Bildung eines superschweren Kerns hin.

Um die erwartete Stabilitätssteigerung in vollem Umfang zu sehen, ist es notwendig, den geschlossenen Schalen Z = 114 und N = 184 so nahe wie möglich zu kommen. Solche neutronenreichen Kerne in Kernreaktionen zu synthetisieren ist äußerst schwierig, weil während der Fusion von Kernen stabiler Elemente, bei denen bereits ein bestimmtes Verhältnis von Protonen und Neutronen vorhanden ist, ist es unmöglich, zum doppelt magischen Kern 298 114 zu gelangen. Daher müssen wir versuchen, Kerne in der Reaktion zu verwenden, die anfänglich die enthalten maximal mögliche Anzahl von Neutronen. Dies war zu einem großen Teil auch auf die Wahl beschleunigter 48 Ca-Ionen als Projektil zurückzuführen. Es ist bekannt, dass Kalzium in der Natur reichlich vorhanden ist. Es besteht zu 97 % aus dem 40 Ca-Isotop, dessen Kern 20 Protonen und 20 Neutronen enthält. Aber es enthält in einer Menge von 0,187% ein schweres Isotop - 48 Ca (20 Protonen und 28 Neutronen), das 8 überschüssige Neutronen hat. Die Technologie zu seiner Herstellung ist sehr aufwendig und teuer; Die Kosten für ein mit 48 Ca angereichertes Gramm betragen etwa 200.000 US-Dollar. Daher mussten wir das Design und die Betriebsmodi unseres Beschleunigers erheblich ändern, um eine Kompromisslösung zu finden - um die maximale Intensität des Ionenstrahls zu erhalten minimaler Durchfluss dieses exotische Material.

Figur 4
Theoretische Vorhersagen über Zerfallsarten (in der Abbildung in verschiedenen Farben dargestellt) und Halbwertszeiten von Isotopen superschwerer Elemente mit unterschiedlicher Anzahl von Protonen und Neutronen. Als Beispiel wird gezeigt, dass für das Isotop des 116. Elements mit der Masse 293, das bei der Fusionsreaktion der 248 St- und 48 Ca-Kerne entsteht, drei aufeinanderfolgende Alpha-Zerfälle zu erwarten sind, die in der spontanen Spaltung gipfeln des Urenkelin-Kerns des 110. Elements mit einer Masse von 281. Wie in Abb. 8 zu sehen ist, handelt es sich um ein solches Zerfallsszenario in Form einer Kette α - α - α - SF, beobachtet für diesen Kern im Experiment. Der Zerfall eines leichteren Kerns - das Isotop des 110. Elements mit einer Masse von 271, erhalten bei der Reaktion der "kalten Fusion" der Kerne 208 Pb + 64 Ni. Seine Halbwertszeit ist 10 4 mal kürzer als die des Isotops 281 110.

Heute haben wir eine Rekordstrahlintensität erreicht - 8 × 10 12 /s, bei einem sehr geringen Verbrauch des 48 Ca-Isotops – etwa 0,5 Milligramm/Stunde. Als Targetmaterial verwenden wir langlebige angereicherte Isotope künstlicher Elemente: Pu, Am, Cm und Cf (Z = 94-96 und 98) auch mit maximalem Neutronengehalt. Sie werden in leistungsstarken Kernreaktoren (in Oak Ridge, USA und in Dimitrovgrad, Russland) hergestellt und dann in speziellen Anlagen, Massenseparatoren am Allrussischen Forschungsinstitut für Experimentalphysik (Sarov) angereichert. Fusionsreaktionen von 48 Ca-Kernen mit den Kernen dieser Isotope wurden für die Synthese von Elementen mit Z = 114–118 ausgewählt.

Hier möchte ich einen Exkurs machen.

Nicht jedes Labor, selbst die führenden Nuklearzentren der Welt, verfügt über so einzigartige Materialien und in solchen Mengen, die wir für unsere Arbeit verwenden. Aber die Technologien für ihre Herstellung wurden in unserem Land entwickelt und werden von unserer Industrie entwickelt. Der Minister für Atomenergie Russlands schlug vor, dass wir ein Arbeitsprogramm zur Synthese neuer Elemente für 5 Jahre entwickeln sollten, und gewährte diesen Studien einen speziellen Zuschuss. Auf der anderen Seite arbeiten wir am Joint Institute for Nuclear Research und kooperieren (und konkurrieren) intensiv mit den weltweit führenden Labors. In der Forschung zur Synthese superschwerer Elemente kooperieren wir seit vielen Jahren eng mit dem Livermore National Laboratory (USA). Diese Zusammenarbeit bündelt nicht nur unsere Bemühungen, sondern schafft auch die Bedingungen, unter denen die experimentellen Ergebnisse in allen Phasen des Experiments von beiden Gruppen unabhängig voneinander verarbeitet und analysiert werden.
Für 5 Jahre Arbeit, bei Langzeitbelichtungen, eine Dosis von etwa 2 × 10 20 Ionen (etwa 16 Milligramm 48 Ca, beschleunigt auf ~ 1/10 der Lichtgeschwindigkeit, passierten die Zielschichten). In diesen Experimenten wurde die Bildung von Isotopen von 112÷118 Elementen (mit Ausnahme des 117. Elements) beobachtet und die ersten Ergebnisse über die Eigenschaften des Zerfalls neuer superschwerer Nuklide erzielt. Die Darstellung aller Ergebnisse würde zu viel Platz einnehmen und um den Leser nicht zu ermüden, beschränken wir uns darauf, nur den letzten Versuch zur Synthese der Elemente 113 und 115 zu beschreiben - alle anderen Reaktionen wurden untersucht Auf eine ähnliche Weise. Bevor wir uns jedoch dieser Aufgabe zuwenden, wäre es sinnvoll, den Versuchsaufbau kurz zu skizzieren und die Grundprinzipien der Funktionsweise unseres Aufbaus zu erläutern.

4. Versuchsaufbau

Der zusammengesetzte Kern, der durch die Verschmelzung des Targets und der Teilchenkerne nach der Verdampfung von Neutronen gebildet wird, bewegt sich in Richtung des Ionenstrahls. Die Targetschicht wird so dünn gewählt, dass ein schweres Rückstoßatom aus ihr herausfliegen und sich zu einem etwa 4 m vom Target entfernten Detektor weiterbewegen kann Zwischen Target und Detektor befindet sich ein gasgefüllter Separator , entworfen, um Strahlpartikel und Reaktionsnebenprodukte zu unterdrücken.
Das Funktionsprinzip des Separators (Abb. 5) basiert darauf, dass Atome in einem gasförmigen Medium - in unserem Fall in Wasserstoff - bei einem Druck von nur 10 -3 atm. - haben je nach Geschwindigkeit eine unterschiedliche Ionenladung. Dadurch lassen sie sich in einem Magnetfeld „on the fly“ in 10 -6 s trennen. und an den Detektor senden. Atome, die den Separator passiert haben, werden in die empfindliche Schicht eines Halbleiterdetektors implantiert und erzeugen Signale über die Ankunftszeit des Rückstoßatoms, seine Energie und den Implantationsort (dh Koordinaten: X und beim auf der Arbeitsfläche des Detektors). Zu diesem Zweck wird der Detektor mit einer Gesamtfläche von etwa 50 cm 2 in Form von 12 "Streifen" - Streifen, die Klaviertasten ähneln - hergestellt, von denen jeder eine Längsempfindlichkeit aufweist. Wenn der Kern des implantierten Atoms einen Alpha-Zerfall erfährt, wird das emittierte Alpha-Teilchen (mit einer erwarteten Energie von etwa 10 MeV) vom Detektor mit allen zuvor aufgelisteten Parametern registriert: Zeit, Energie und Koordinaten. Wenn nach dem ersten Zerfall ein zweiter folgt, erhält man ähnliche Informationen für das zweite Alpha-Teilchen und so weiter. bis zur spontanen Teilung. Der letzte Zerfall wird als zwei zeitlich zusammenfallende Signale mit hoher Amplitude registriert (Å 1 + Å 2 ~ 200 MeV). Um die Effizienz der Registrierung von Alphateilchen und gepaarten Spaltfragmenten zu erhöhen, ist der Frontaldetektor von Seitendetektoren umgeben, die eine „Box“ mit einer Wand bilden, die von der Seite des Separators offen ist. Vor der Detektorbaugruppe befinden sich zwei dünne Flugzeitdetektoren, die die Geschwindigkeit von Rückstoßkernen messen (die sogenannten TOF-Detektoren, eine Abkürzung für englische Wörter - Flugzeit). Daher kommt das erste Signal, das vom Rückstoßkern ausgeht, mit dem Vorzeichen von TOF. Nachfolgende Signale vom Zerfall von Kernen haben diese Eigenschaft nicht.
Natürlich können Zerfälle von unterschiedlicher Dauer sein, die durch die Emission von einem oder mehreren Alphateilchen mit unterschiedlichen Energien gekennzeichnet sind. Gehören sie aber zum selben Kern und bilden eine radioaktive Familie (Mutterkern - Tochter - Enkelin usw.), dann müssen die Koordinaten aller Signale - vom Rückstoßkern, Alphateilchen und Spaltfragmenten - koordinativ mit der Genauigkeit übereinstimmen der Auflösung des Positionsdetektors. Unsere von Canberra Electronics hergestellten Detektoren messen die Energie von Alphateilchen mit einer Genauigkeit von ~ 0,5 % und haben eine Positionsauflösung von etwa 0,8 mm für jeden Streifen.

Abbildung 5
Schematische Darstellung der Anlage zur Abtrennung von Rückstoßkernen in Versuchen zur Synthese schwerer Elemente

Die gesamte Oberfläche des Detektors kann gedanklich als etwa 500 Zellen (Pixel) dargestellt werden, in denen Zerfälle detektiert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Signale zufällig auf dieselbe Stelle fallen, beträgt 1/500, drei Signale - 1/250000 und so weiter. Dadurch ist es möglich, aus einer riesigen Menge radioaktiver Produkte sehr seltene Ereignisse genetisch bedingter sukzessiver Zerfälle superschwerer Kerne mit großer Zuverlässigkeit auszuwählen, selbst wenn sie in äußerst geringer Menge (~ 1 Atom/Monat) gebildet werden.

5. Experimentelle Ergebnisse

(körperliche Erfahrung)

Um die Anlage beispielhaft „in Aktion“ zu zeigen, werden die Experimente zur Synthese des bei der Kernfusionsreaktion 243 Am (Z=95) + 48 Ca (Z=20) entstehenden Elements 115 näher beschrieben ) → 291 115.
Die Synthese eines ungeraden Z-Kerns ist insofern attraktiv, als das Vorhandensein eines ungeraden Protons oder Neutrons die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung erheblich verringert und die Anzahl aufeinanderfolgender Alpha-Übergänge größer ist (lange Ketten) als im Fall des Zerfalls von geraden - sogar Kerne. Um die Coulomb-Barriere zu überwinden, müssen 48 Ca-Ionen eine Energie E > 236 MeV haben. Wenn andererseits diese Bedingung erfüllt ist und die Strahlenergie auf E = 248 MeV begrenzt ist, beträgt die thermische Energie der 291 115-Kernverbindung etwa 39 MeV; seine Abkühlung erfolgt durch die Emission von 3 Neutronen und Gammastrahlen. Dann ist das Reaktionsprodukt das Isotop 115 des Elements mit der Neutronenzahl N=173. Nachdem es aus der Zielschicht herausgeflogen ist, passiert ein Atom eines neuen Elements einen darauf abgestimmten Separator und tritt in den Detektor ein. Weitere Ereignisse entwickeln sich wie in Abb. 6 gezeigt. 80 Mikrosekunden nachdem der Rückstoßkern im Frontaldetektor stoppt, empfängt das Datenerfassungssystem Signale über seine Ankunftszeit, Energie und Koordinaten (Streifennummer und Position darin). Beachten Sie, dass diese Informationen das Zeichen "TOF" (kam vom Trennzeichen) haben. Folgt innerhalb von 10 Sekunden ein zweites Signal mit einer Energie von mehr als 9,8 MeV von der gleichen Stelle auf der Detektoroberfläche, ohne Anzeichen von „TOF“ (also vom Zerfall eines implantierten Atoms), wird der Strahl gedreht ausgeschaltet und alle weiteren Zerfälle werden unter Bedingungen fast vollständiger Abwesenheit von Hintergrund aufgezeichnet. Wie in der oberen Grafik von Abb. 6 zu sehen, hinter den ersten beiden Signalen – vom Rückstoßkern und dem ersten Alpha-Teilchen – für eine Zeit von etwa 20 s. nach Abschalten des Strahls folgten 4 weitere Signale, deren Positionen mit einer Genauigkeit von ± 0,5 mm mit den vorherigen Signalen übereinstimmen. Für die nächsten 2,5 Stunden war der Detektor still. Eine spontane Spaltung im selben Streifen und an derselben Position wurde erst am nächsten Tag, 28,7 Stunden später, in Form von zwei Signalen von Spaltfragmenten mit einer Gesamtenergie von 206 MeV registriert.
Solche Ketten wurden dreimal registriert. Sie haben alle die gleiche Form (6 Kerngenerationen in der radioaktiven Familie) und stimmen sowohl in der Energie der Alphateilchen als auch in der Zeit ihres Auftretens unter Berücksichtigung des Exponentialgesetzes des Kernzerfalls überein. Wenn sich der beobachtete Effekt wie erwartet auf den Zerfall des Isotops des 115. Elements mit einer Masse von 288 bezieht, das nach dem Verdampfen der Verbindung durch den Kern von 3 Neutronen entsteht, dann mit einer Erhöhung der Energie des 48Ca Ionenstrahl um nur 5 MeV, sollte sie um den Faktor 5–6 abnehmen. Tatsächlich fehlte bei E = 253 MeV der Effekt. Aber hier wurde eine andere, kürzere Zerfallskette beobachtet, die aus vier Alpha-Teilchen besteht (wir glauben, dass es auch 5 waren, aber das letzte Alpha-Teilchen flog hinein geöffnetes Fenster) mit einer Dauer von nur 0,4 s. Eine neue Zerfallskette endete nach - 1,5 Stunden mit spontaner Spaltung. Offensichtlich ist dies der Zerfall eines anderen Kerns, mit hoher Wahrscheinlichkeit eines benachbarten Isotops des 115. Elements mit einer Masse von 287, das in einer Fusionsreaktion unter Emission von 4 Neutronen entstanden ist. Die Kette aufeinanderfolgender Zerfälle des ungeradzahligen Isotops Z=115, N=173 ist im unteren Diagramm von Abb. 6 dargestellt, wo die berechneten Halbwertszeiten von superschweren Nukliden mit unterschiedlicher Anzahl von Protonen und Neutronen in der Form dargestellt sind einer Konturkarte. Es zeigt auch den Zerfall eines anderen, leichteren ungeradzahligen Isotops des 111. Elements mit der Neutronenzahl N = 161, das bei der Reaktion 209 Bi + 64 Ni im deutschen Labor - GSI (Darmstadt) und dann im japanischen - RIKEN synthetisiert wurde (Tokio).

Abbildung 6
Experiment zur Synthese von Element 115 in der Reaktion 48 Ca + 243 At.
Die obere Abbildung zeigt die Zeiten des Auftretens von Signalen nach der Implantation eines Rückstoßkerns (R) in den Detektor. Signale von der Registrierung von Alphateilchen sind rot markiert, Signale von spontaner Spaltung sind grün markiert. Als Beispiel für eines der drei Ereignisse die Ortskoordinaten (in mm) aller 7 Signale der Zerfallskette R →α 1 → α 2 → α 3 → α 4 → α 5 → SF aufgezeichnet in Streifen Nr. 4. Die untere Abbildung zeigt die Zerfallsketten von Kernen mit Z=111, N=161 und Z=115, N=173. Konturlinien, die Regionen von Kernen mit unterschiedlichen Halbwertszeiten ( unterschiedliche Grade Schattierung) - Vorhersagen der mikroskopischen Theorie.

Zunächst ist anzumerken, dass die Halbwertszeiten der Kerne in beiden Fällen gut mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Trotz der Tatsache, dass das Isotop 288 115 11 Neutronen von der Neutronenhülle N=184 entfernt ist, haben die Isotope der Elemente 115 und 113 eine relativ lange Lebensdauer (T 1/2 ~ 0,1 s bzw. 0,5 s).
Nach fünf Alpha-Zerfällen entsteht das Isotop 105 des Elements - Dubnium (Db) mit N=163, dessen Stabilität durch eine weitere geschlossene Schale N=162 bestimmt wird. Die Stärke dieser Hülle wird durch den enormen Unterschied in den Halbwertszeiten zweier Db-Isotope demonstriert, die sich nur um 8 Neutronen voneinander unterscheiden. Wir stellen noch einmal fest, dass in Abwesenheit einer Struktur (Kernhüllen) alle Isotope von 105÷115 Elementen eine spontane Spaltung in einer Zeit von ~ 10 -19 s erfahren müssten.

(chemische Erfahrung)

In dem oben beschriebenen Beispiel sind die Eigenschaften des langlebigen Isotops 268 Db, das die Zerfallskette des 115. Elements schließt, von eigenständigem Interesse.
Nach dem Periodengesetz steht das 105. Element in der fünften Reihe. Es ist, wie in Abb. 7 zu sehen, ein chemisches Homolog von Niob (Nb) und Tantal (Ta) und unterscheidet sich in seinen chemischen Eigenschaften von allen leichteren Elementen – Aktiniden (Z = 90 ÷ 103), die eine separate Gruppe in der Tabelle darstellen D.I. Mendelejew. Aufgrund der langen Halbwertszeit kann dieses Isotop des 105. Elements von allen Reaktionsprodukten getrennt werden radiochemische Methode mit anschließender Messung seines Zerfalls - spontane Spaltung. Dieses Experiment liefert eine unabhängige Identifizierung der Ordnungszahl des endgültigen Kerns (Z = 105) und aller Nuklide, die in aufeinanderfolgenden Alpha-Zerfällen des 115. Elements gebildet wurden.
Bei einem chemischen Experiment muss kein Rückstoßabscheider verwendet werden. Die Trennung von Reaktionsprodukten nach ihren Ordnungszahlen erfolgt nach Methoden, die auf dem Unterschied ihrer chemischen Eigenschaften beruhen. Daher wurde hier eine vereinfachte Methode verwendet. Die aus dem Target entweichenden Reaktionsprodukte wurden in einen Kupfersammler getrieben, der sich in ihrem Bewegungspfad bis zu einer Tiefe von 3–4 Mikrometern befand. Nach 20–30 Stunden Bestrahlung wurde die Sammlung aufgelöst. Eine Fraktion von Transactiniden wurde aus der Lösung isoliert – Elemente Z > 104 – a aus dieser Fraktion, dann Elemente der 5. Reihe – Db, begleitet von ihren chemischen Homologen Nb und Ta. Letztere wurden der Lösung vor der chemischen Trennung als "Marker" zugesetzt. Ein Tröpfchen einer Db-haltigen Lösung wurde auf einem dünnen Substrat abgeschieden, getrocknet und dann zwischen zwei Halbleiterdetektoren platziert, die beide Fragmente der spontanen Spaltung registrierten. Die gesamte Baugruppe wurde wiederum in einen Neutronendetektor gelegt, der die Anzahl der Neutronen ermittelte, die von Bruchstücken während der Kernspaltung Db emittiert wurden.
Im Juni 2004 wurden 12 identische Experimente durchgeführt (S. N. Dmitriev et al.), bei denen 15 Ereignisse einer spontanen Spaltung von Db registriert wurden. Spontanspaltungsfragmente Db haben eine kinetische Energie von etwa 235 MeV, im Durchschnitt werden etwa 4 Neutronen pro Spaltungsereignis emittiert. Solche Eigenschaften sind der spontanen Spaltung eines ziemlich schweren Kerns inhärent. Denken Sie daran, dass diese Werte für 238 U etwa 170 MeV bzw. 2 Neutronen betragen.
Die chemische Erfahrung bestätigt die Ergebnisse des physikalischen Experiments: Die Kerne des 115. Elements, die in der Reaktion 243 Am + 48 Ca als Ergebnis von fünf aufeinanderfolgenden Alpha-Zerfällen entstehen: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 führen wirklich zur Bildung eines langlebigen spontan spaltbaren Kerns mit der Ordnungszahl 105. Bei diesen Experimenten wurde als Folgeprodukt des Alpha-Zerfalls des 115. Elements auch ein weiteres bisher unbekanntes Element mit der Ordnungszahl 113 synthetisiert.

Abbildung 7
Physikalische und chemische Experimente zur Untersuchung der radioaktiven Eigenschaften des 115. Elements.
In der Reaktion 48 Ca + 243 At wurde unter Verwendung eines physikalischen Aufbaus gezeigt, dass fünf aufeinander folgende
Alpha-Zerfälle des Isotops 288 115 führen zum langlebigen Isotop des 105. Elements - 268 Db, das
spaltet sich spontan in zwei Fragmente. In einem chemischen Experiment wurde festgestellt, dass ein Kern mit der Ordnungszahl 105 eine spontane Spaltung erfährt.

6. Das große Ganze und die Zukunft

Die bei der Reaktion 243 Am + 48 Ca erhaltenen Ergebnisse sind kein Sonderfall. Bei der Synthese von Z-geraden Nukliden - Isotopen der Elemente 112, 114 und 116 - beobachteten wir auch lange Zerfallsketten, die in einer spontanen Spaltung von Kernen mit Z = 104-110 endeten, deren Lebensdauer je nach der zwischen Sekunden und Stunden lag Ordnungszahl und Neutronenzusammensetzung des Kerns . Bisher wurden Daten über die Zerfallseigenschaften von 29 neuen Kernen mit Z = 104-118 erhalten; sie sind auf der Karte der Nuklide dargestellt (Abb. 8). Die Eigenschaften der schwersten Kerne im Bereich der Transactinoide, ihre Zerfallsart, Energien und Zerfallszeiten stimmen gut mit den Vorhersagen der modernen Theorie überein. Die Hypothese von der Existenz von Stabilitätsinseln superschwerer Kerne, die die Welt der Elemente erheblich erweitern, scheint erstmals eine experimentelle Bestätigung gefunden zu haben.

Perspektiven

Nun gilt es, die nukleare und atomare Struktur neuer Elemente genauer zu untersuchen, was vor allem wegen der geringen Ausbeute an gewünschten Reaktionsprodukten sehr problematisch ist. Um die Zahl der Atome superschwerer Elemente zu erhöhen, ist es notwendig, die Intensität des 48 Ca-Ionenstrahls zu erhöhen und die Effizienz zu steigern physikalische Methoden. Die für die kommenden Jahre geplante Modernisierung des Schwerionenbeschleunigers unter Nutzung aller neuesten Errungenschaften der Beschleunigertechnologie wird es uns ermöglichen, die Intensität des Ionenstrahls um etwa das Fünffache zu erhöhen. Die Lösung des zweiten Teils erfordert eine grundlegende Änderung der Versuchsanordnung; es kann in der Schaffung einer neuen experimentellen Technik gefunden werden, die auf den Eigenschaften superschwerer Elemente basiert.

Abbildung 8
Karte der Nuklide schwerer und superschwerer Elemente.
Für Kerne innerhalb der Ovale, die verschiedenen Fusionsreaktionen entsprechen (in der Abbildung gezeigt), sind die Halbwertszeiten und Energien der emittierten Alphateilchen angegeben (gelbe Quadrate). Die Daten werden auf präsentiert Konturkarte Trennen der Region nach dem Beitrag der Wirkung von Kernhüllen zur Bindungsenergie des Kerns. In Abwesenheit einer Kernstruktur wäre das gesamte Feld weiß. Je dunkler es wird, desto stärker wird die Wirkung der Muscheln. Zwei benachbarte Bänder unterscheiden sich nur um 1 MeV. Dies reicht jedoch aus, um die Stabilität von Kernen gegenüber spontaner Spaltung deutlich zu erhöhen, wodurch Nuklide, die sich in der Nähe der "magischen" Anzahl von Protonen und Neutronen befinden, überwiegend Alpha-Zerfall erfahren. Andererseits führt bei den Isotopen der 110. und 112. Elemente eine Erhöhung der Neutronenzahl um 8 Atomeinheiten zu einer Erhöhung der Perioden des Alpha-Zerfalls von Kernen um mehr als das 10 5 -fache.

Das Funktionsprinzip der Betriebsanlage - ein kinematischer Abscheider von Rückstoßkernen (Abb. 5) - basiert auf dem Unterschied in den kinematischen Eigenschaften verschiedener Reaktionstypen. Die für uns interessanten Fusionsreaktionsprodukte der Targetkerne und 48 Ca fliegen in einem engen Winkelkegel ± 3 0 mit einer kinetischen Energie von etwa 40 MeV in Vorwärtsrichtung aus dem Target heraus. Indem wir die Rückstoßbahnen unter Berücksichtigung dieser Parameter begrenzen, werden wir fast vollständig vom Ionenstrahl verstimmt, unterdrücken den Hintergrund von Reaktionsnebenprodukten um das 10 4 ÷ 10 6 -fache und liefern Atome neuer Elemente an den Detektor mit einer Effizienz von ca. 40 % in 1 Mikrosekunde. Mit anderen Worten erfolgt die Trennung von Reaktionsprodukten "on the fly".

Abbildung 8 MASHA-Installation
Die obere Abbildung zeigt das Abscheiderdiagramm und das Funktionsprinzip. Die von der Targetschicht emittierten Rückstoßkeime stoppen im Graphitkollektor in einer Tiefe von mehreren Mikrometern. Wegen hohe Temperatur Im Kollektor diffundieren sie in die Kammer der Ionenquelle, werden aus dem Plasma herausgezogen, durch das elektrische Feld beschleunigt und auf ihrem Weg zum Detektor durch magnetische Felder massenmäßig analysiert. In diesem Design kann die Masse eines Atoms mit einer Genauigkeit von 1/3000 bestimmt werden. Die untere Abbildung zeigt generelle Form Installation.

Um jedoch eine hohe Selektivität der Installation zu erreichen, ist es wichtig, die kinematischen Parameter - die Abflugwinkel und die Energie der Rückstoßkerne - zu erhalten und nicht zu "verschmieren". Aus diesem Grund müssen Zielschichten mit einer Dicke von nicht mehr als 0,3 Mikrometern verwendet werden - etwa dreimal weniger als erforderlich, um eine effektive Ausbeute eines superschweren Kerns mit einer bestimmten Masse zu erzielen, oder 5- bis 6-mal weniger, wenn dies der Fall ist kommt zur Synthese von zwei Isotopen eines bestimmten Elements mit benachbarter Masse. Um Daten über die Massenzahlen von Isotopen eines superschweren Elements zu erhalten, ist es außerdem erforderlich, eine lange und mühsame Reihe von Experimenten durchzuführen - Messungen bei verschiedenen Energien des 48 Ca-Ionenstrahls zu wiederholen.
Gleichzeitig haben die synthetisierten Atome superschwerer Elemente, wie aus unseren Experimenten hervorgeht, Halbwertszeiten, die die Geschwindigkeit des kinematischen Separators deutlich überschreiten. Daher besteht in vielen Fällen keine Notwendigkeit, die Reaktionsprodukte in so kurzer Zeit abzutrennen. Dann ist es möglich, das Funktionsprinzip der Anlage zu ändern und die Trennung der Reaktionsprodukte in mehreren Stufen durchzuführen.
Das Schema der neuen Installation ist in Abb.9 dargestellt. Nach der Implantation von Rückstoßkernen in einen auf 2000 0 C erhitzten Kollektor diffundieren die Atome in das Plasma der Ionenquelle, werden im Plasma auf eine Ladung q = 1 + ionisiert, durch an aus der Quelle gezogen elektrisches Feld, nach Masse getrennt in Magnetfelder mit speziellem Profil, und schließlich (je nach Zerfallstyp) von in der Fokusebene befindlichen Detektoren registriert werden. Der gesamte Vorgang kann je nach geschätzter Zeit von Zehntelsekunden bis zu mehreren Sekunden dauern Temperaturbedingungen und physikalische und chemische Eigenschaften getrennte Atome. Dem kinematischen Separator an Geschwindigkeit nachgebend, wurde die neue Installation - MASHA (Abkürzung für vollständiger Name Massenanalysator für superschwere Atome) - erhöht die Arbeitseffizienz um etwa das Zehnfache und gibt zusammen mit den Zerfallseigenschaften eine direkte Messung der Masse superschwerer Kerne.
Dank eines vom Gouverneur der Region Moskau B.V. Gromov, um diese Installation zu erstellen, wurde sie in entworfen und hergestellt kurzfristig- seit 2 Jahren, hat Tests bestanden und ist arbeitsbereit. Nach dem Wiederaufbau des Beschleunigers mit der MASHA-Installation. Wir werden unsere Erforschung der Eigenschaften neuer Nuklide deutlich ausweiten und versuchen, weiter in den Bereich der schwereren Elemente vorzudringen.

(Suche nach superschweren Elementen in der Natur)

Eine andere Seite des Problems der superschweren Elemente hängt mit der Produktion langlebigerer Nuklide zusammen. Bei den oben beschriebenen Experimenten näherten wir uns nur dem Rand der "Insel", fanden einen steilen Anstieg nach oben, sind aber noch weit von ihrer Spitze entfernt, wo die Kerne Tausende und vielleicht sogar Millionen von Jahren leben können. Wir haben nicht genügend Neutronen in den synthetisierten Kernen, um uns der N=184-Schale zu nähern. Heute ist dies unerreichbar – es gibt keine Reaktionen, die es ermöglichen würden, solch neutronenreiche Nuklide zu erhalten. Vielleicht werden Physiker in ferner Zukunft in der Lage sein, intensive Strahlen radioaktiver Ionen mit einer Anzahl von Neutronen zu verwenden, die größer ist als die von 48 Ca-Kernen. Solche Projekte werden jetzt breit diskutiert, bisher ohne die Kosten zu berühren, die für die Schaffung solcher Beschleuniger-Giganten erforderlich sind.

Sie können jedoch versuchen, dieses Problem von der anderen Seite anzugehen.

Wenn wir davon ausgehen, dass die langlebigsten superschweren Kerne eine Halbwertszeit von 10 5 ÷ 10 6 Jahren haben (weicht nicht viel von den Vorhersagen der Theorie ab, die ihre Schätzungen auch mit einer gewissen Genauigkeit vornimmt), dann ist das möglich sie sind in der kosmischen Strahlung nachweisbar - Zeugen der Elementbildung auf anderen, jüngeren Planeten des Universums. Wenn wir noch stärker davon ausgehen, dass die Halbwertszeit von "Hundertjährigen" mehrere zehn Millionen Jahre oder mehr betragen kann, dann könnten sie auf der Erde vorhanden sein und in sehr geringen Mengen von dem Moment an überlebt haben, als sich die Elemente in der Erde gebildet haben Sonnensystem bis heute.
Unter den möglichen Kandidaten bevorzugen wir Isotope des 108. Elements (Hs), deren Kerne etwa 180 Neutronen enthalten. Chemische Experimente, die mit dem kurzlebigen Isotop 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s) durchgeführt wurden, zeigten, dass Element 108, wie nach dem Periodengesetz erwartet, das chemische Homolog von Element 76 - Osmium (Os) ist.

Abbildung 10
Anlage zur Registrierung eines Neutronenblitzes aus spontaner Kernspaltung beim Zerfall von Element 108. (Unterirdisches Labor in Modan, Frankreich)

Dann kann eine Probe von metallischem Osmium das Element Eka(Os) in sehr geringen Mengen enthalten. Das Vorhandensein von Eka(Os) in Osmium kann anhand seines radioaktiven Zerfalls bestimmt werden. Es ist möglich, dass eine superschwere Langleber eine spontane Spaltung erfährt, oder dass eine spontane Spaltung nach früheren Alpha- oder Beta-Zerfällen (eine Art radioaktiver Umwandlung, bei der sich eines der Neutronen des Kerns in ein Proton verwandelt) eines leichteren und kürzeren auftritt -lebte Tochter oder Enkelin Kern. Daher ist es in der ersten Phase möglich, ein Experiment einzurichten, um seltene Ereignisse der spontanen Spaltung einer Osmiumprobe zu registrieren. Ein solches Experiment ist in Vorbereitung. Die Messungen beginnen Ende dieses Jahres und dauern 1-1,5 Jahre. Der Zerfall eines superschweren Kerns wird durch einen die spontane Kernspaltung begleitenden Neutronenblitz registriert. Um die Anlage vor dem Hintergrund von Neutronen zu schützen, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden, werden die Messungen in einem unterirdischen Labor durchgeführt, das sich unter den Alpen in der Mitte des Tunnels befindet, der Frankreich mit Italien in einer Tiefe von 4000 Metern entspricht äquivalente Schicht.
Wenn während des Messjahres mindestens ein Ereignis der spontanen Spaltung eines superschweren Kerns beobachtet wird, entspricht dies einer Konzentration von Element 108 in der Os-Probe von etwa 5 × 10 -15 g/g., unter der Annahme, dass seine Halbwertszeit 10 9 Jahre beträgt. Ein so kleiner Wert beträgt nur 10 -16 der Urankonzentration in der Erdkruste.
Trotz der ultrahohen Empfindlichkeit des Experiments sind die Chancen, Relikte, superschwere Nuklide zu entdecken, gering. Aber jede wissenschaftliche Suche hat immer eine kleine Chance ... Kein Effekt gibt eine Obergrenze für die Halbwertszeit einer Langleber auf dem Niveau von T 1/2 ≤ 3× 10 7 Jahre alt. Nicht so beeindruckend, aber wichtig für das Verständnis der Kerneigenschaften im neuen Stabilitätsbereich superschwerer Elemente.

Bei der Energie von Kryptonionen nahe der Coulomb-Barriere wurden drei Fälle der Bildung von Element 118 beobachtet. Die 293 118 Kerne wurden in einen Siliziumdetektor implantiert und eine Kette von sechs aufeinanderfolgenden α-Zerfällen beobachtet, die am 269 Sg-Isotop endete. Der Querschnitt für die Produktion von Element 118 betrug ~2 Pikobarn. Die Halbwertszeit des Isotops 293 118 beträgt 120 ms. Auf Abb. Abbildung 3 zeigt die Kette aufeinanderfolgender α-Zerfälle des Isotops 293 118 und zeigt die Halbwertszeiten der durch α-Zerfälle gebildeten Tochterkerne.

Auf Basis verschiedener theoretischer Modelle wurden die Zerfallseigenschaften superschwerer Kerne berechnet. Die Ergebnisse einer dieser Berechnungen sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt. 4. Die Halbwertszeiten gerade-gerade superschwerer Kerne in Bezug auf spontane Spaltung (a), α-Zerfall (b), β-Zerfall (c) und für alle möglichen Zerfallsprozesse (d) sind angegeben. Der stabilste Kern in Bezug auf spontane Spaltung (Abb. 4a) ist der Kern mit Z = 114 und N = 184. Seine Halbwertszeit in Bezug auf spontane Spaltung beträgt ~10 16 Jahre. Für Isotope des 114. Elements, die sich von den stabilsten um 6-8 Neutronen unterscheiden, verringern sich die Halbwertszeiten um 10-15 Größenordnungen. Die Halbwertszeiten in Bezug auf den α-Zerfall sind in Abb. 1 gezeigt. 4b. Der stabilste Kern befindet sich in der Z-Region< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.

Bezüglich β-Zerfall stabile Kerne sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt. 4c dunkle Punkte. Auf Abb. 4d zeigt die vollständigen Halbwertszeiten. Für gerade-gleiche Kerne, die sich innerhalb der zentralen Kontur befinden, betragen sie ~10 5 Jahre. Nach Berücksichtigung aller Zerfallsarten stellt sich also heraus, dass die Kerne in der Nähe von Z = 110 und N = 184 eine "Insel der Stabilität" bilden. Der Kern 294 110 hat eine Halbwertszeit von etwa 10 9 Jahren. Der Unterschied zwischen dem Wert von Z und der vom Schalenmodell vorhergesagten magischen Zahl 114 ist auf die Konkurrenz zwischen Spaltung (bezüglich welcher der Kern mit Z = 114 am stabilsten ist) und α-Zerfall (bezüglich welcher Kerne mit kleinere Z sind stabil). Für ungerade und gerade ungerade Kerne nehmen die Halbwertszeiten in Bezug auf den α-Zerfall und die spontane Spaltung zu und in Bezug auf den β-Zerfall ab. Es sei darauf hingewiesen, dass die obigen Schätzungen stark von den in den Berechnungen verwendeten Parametern abhängen und nur als Hinweise auf die Möglichkeit der Existenz superschwerer Kerne mit ausreichend langen Lebensdauern für ihren experimentellen Nachweis angesehen werden können.

Die Ergebnisse einer weiteren Berechnung der Gleichgewichtsform superschwerer Kerne und ihrer Halbwertszeiten sind in Abb. 5, 11.11. Auf Abb. 11.10 zeigt die Abhängigkeit der Gvon der Zahl der Neutronen und Protonen für Kerne mit Z = 104-120. Die Spannungsenergie ist definiert als die Differenz zwischen den Energien von Kernen in Gleichgewichts- und Kugelform. Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass die Bereiche Z = 114 und N = 184 Kerne enthalten sollten, die im Grundzustand eine Kugelform haben. Alle bisher entdeckten superschweren Kerne (sie sind in Abb. 5 durch dunkle Rauten dargestellt) sind deformiert. Helle Rauten zeigen gegenüber β-Zerfall stabile Kerne. Diese Kerne müssen als Ergebnis eines α-Zerfalls oder einer Spaltung zerfallen. Der Hauptzerfallskanal sollte ein α-Zerfall sein.

Halbwertszeiten für gerade-gerade β-stabile Isotope sind in Abb. 1 gezeigt. 6. Gemäß diesen Vorhersagen wird erwartet, dass die Halbwertszeiten für die meisten Kerne viel länger sind als die, die für bereits entdeckte superschwere Kerne beobachtet werden (0,1–1 ms). Beispielsweise wird für den Kern 292 110 eine Lebensdauer von ~ 51 Jahren vorhergesagt.
So nimmt nach modernen mikroskopischen Berechnungen die Stabilität superschwerer Kerne mit Annäherung an die magische Neutronenzahl N = 184 stark zu.Bis vor kurzem war das einzige Isotop eines Elements mit Z = 112 das Isotop 277 112, das eine Halb- Lebensdauer von 0,24 ms. Das schwerere Isotop 283 112 wurde in der kalten Fusionsreaktion 48 Ca + 238 U synthetisiert. Bestrahlungszeit 25 Tage. Die Gesamtzahl von 48 Ca-Ionen auf dem Target beträgt 3,5·10 18 . Es wurden zwei Fälle registriert, die als spontane Spaltung des gebildeten Isotops 283 112 interpretiert wurden. Für die Halbwertszeit dieses neuen Isotops wurde die Abschätzung T 1/2 = 81 s erhalten. Somit ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der Neutronenzahl im Isotop 283112 im Vergleich zum Isotop 277112 um 6 Einheiten die Lebensdauer um 5 Größenordnungen erhöht.

Auf Abb. 7 zeigt die gemessene Lebensdauer von Sg (Z = 106) Isotopen von Seaborgium im Vergleich zu den Vorhersagen verschiedener theoretischer Modelle. Bemerkenswert ist, dass die Lebensdauer des Isotops mit N = 164 im Vergleich zur Lebensdauer des Isotops mit N = 162 um fast eine Größenordnung abnimmt.
Die nächste Annäherung an die Insel der Stabilität kann bei der Reaktion 76 Ge + 208 Pb erreicht werden. In einer Fusionsreaktion mit anschließender Emission von γ-Quanten oder einem Neutron kann ein superschwerer, fast kugelförmiger Kern entstehen. Schätzungen zufolge sollte der entstehende Kern 284 114 unter Emission von α-Teilchen mit einer Halbwertszeit von ~ 1 ms zerfallen. Zusätzliche Informationen über die Füllung der Schale im Bereich N = 162 erhält man durch Untersuchung der α-Zerfälle der Kerne 271 108 und 267 106. Für diese Kerne werden Halbwertszeiten von 1 min vorhergesagt. und 1 Stunde. Für die Kerne 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 wird eine Isomerie erwartet, deren Ursache die Füllung von Unterschalen mit j = 1/2 und j = 13/2 im Bereich N = 162 für Kerne ist, die in der deformiert sind Grundzustand.

Auf Abb. Abbildung 8 zeigt die experimentell gemessenen Anregungsfunktionen für die Bildung der Elemente Rf (Z = 104) und Hs (Z = 108) für die Fusionsreaktionen einfallender 50 Ti- und 56 Fe-Ionen mit dem 208 Pb-Targetkern.
Der resultierende zusammengesetzte Kern wird durch die Emission von ein oder zwei Neutronen gekühlt. Informationen über die Anregungsfunktionen von Schwerionenfusionsreaktionen sind besonders wichtig, um superschwere Kerne zu erhalten. Bei der Fusionsreaktion schwerer Ionen ist es notwendig, die Wirkung der Coulomb-Kräfte und der Kräfte der Oberflächenspannung genau auszugleichen. Wenn die Energie des einfallenden Ions nicht groß genug ist, reicht die minimale Annäherungsentfernung für die Verschmelzung des binären Kernsystems nicht aus. Wenn die Energie des einfallenden Teilchens zu hoch ist, wird das resultierende System eine hohe Anregungsenergie haben und mit hoher Wahrscheinlichkeit in Fragmente zerfallen. Die Verschmelzung findet effektiv in einem ziemlich schmalen Energiebereich kollidierender Teilchen statt.

Fusionsreaktionen mit der Emission einer minimalen Anzahl von Neutronen (1-2) sind von besonderem Interesse, weil in synthetisierten superschweren Kernen ist es wünschenswert, das größte N/Z-Verhältnis zu haben. Auf Abb. 9 zeigt das Fusionspotential für Kerne in der Reaktion
64 Ni + 208 Pb 272 110. Die einfachsten Schätzungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit eines Tunneleffekts für die Kernfusion ~ 10 -21 beträgt, was viel niedriger ist als der beobachtete Wirkungsquerschnitt. Dies lässt sich wie folgt erklären. Bei einem Abstand von 14 fm zwischen den Kernzentren wird die anfängliche kinetische Energie von 236,2 MeV vollständig durch das Coulomb-Potential kompensiert. In diesem Abstand sind nur Nukleonen in Kontakt, die sich auf der Oberfläche des Kerns befinden. Die Energie dieser Nukleonen ist klein. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Nukleonen oder Nukleonenpaare die Bahnen in einem Kern verlassen und sich in die freien Zustände des Partnerkerns bewegen. Der Transfer von Nukleonen vom Projektilkern zum Targetkern ist besonders attraktiv, wenn als Target das doppelt magische Bleiisotop 208Pb verwendet wird. In 208 Pb sind die Protonen-Unterschale h 11/2 und die Neutronen-Unterschalen h 9/2 und i 13/2 gefüllt. Zunächst wird die Übertragung von Protonen durch die Anziehungskräfte Proton-Proton angeregt, und nach dem Füllen der Unterschale h 9/2 - durch die Anziehungskräfte Proton-Neutron. In ähnlicher Weise bewegen sich Neutronen zur freien Unterschale i 11/2 , wobei sie von Neutronen aus der bereits gefüllten Unterschale i 13/2 angezogen werden. Aufgrund der Paarungsenergie und des großen Bahnimpulses ist die Übertragung eines Nukleonenpaares wahrscheinlicher als die Übertragung eines einzelnen Nukleons. Nach dem Transfer von zwei Protonen von 64 Ni 208 Pb sinkt die Coulomb-Barriere um 14 MeV, was einen engeren Kontakt zwischen den wechselwirkenden Ionen und die Fortsetzung des Nukleonentransferprozesses fördert.
In Arbeit [V.V. Wolkow. Kernreaktionen tiefinelastischer Übertragungen. M. Energoizdat, 1982; VV Wolkow. Izv. AN SSSR series fiz., 1986 v. 50 p. 1879] untersuchten den Mechanismus der Fusionsreaktion im Detail. Es wird gezeigt, dass bereits im Stadium des Einfangens nach vollständiger Ableitung der kinetischen Energie des einfallenden Teilchens ein binäres Kernsystem gebildet wird und die Nukleonen eines der Kerne allmählich Schale für Schale auf einen anderen Kern übertragen werden. Das heißt, die Schalenstruktur der Kerne spielt eine bedeutende Rolle bei der Bildung des zusammengesetzten Kerns. Anhand dieses Modells konnte die Anregungsenergie von Verbindungskernen und der Wirkungsquerschnitt für die Produktion von 102-112-Elementen in kalten Fusionsreaktionen recht gut beschrieben werden.
Im Labor Kernreaktionen Sie. GN Flerov (Dubna) wurde ein Element mit Z = 114 synthetisiert.Die Reaktion wurde verwendet

Die Identifizierung des Kerns 289 114 erfolgte durch eine Kette von α-Zerfällen. Experimentelle Schätzung der Halbwertszeit des Isotops 289 114 ~30 s. Das erhaltene Ergebnis stimmt gut mit früheren Berechnungen überein.
Bei der Synthese von Element 114 in der Reaktion 48 Cu + 244 Pu wird die maximale Ausbeute durch den Kanal mit der Verdampfung von drei Neutronen erzielt. In diesem Fall betrug die Anregungsenergie des zusammengesetzten Kerns 289 114 35 MeV.
Die theoretisch vorhergesagte Zerfallsfolge des bei der Reaktion gebildeten 296 116-Kerns ist in Abb. 10 dargestellt.

Reis. 10. Schema des Kernzerfalls 296 116

Der Kern 296 116 wird durch die Emission von vier Neutronen gekühlt und verwandelt sich in das Isotop 292 116, das dann mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % durch zwei aufeinanderfolgende E-Einfänge in das Isotop 292 114 umgewandelt wird -Zerfall (T 1/2 = 85 Tage) geht das Isotop 292 114 in das Isotop 288 112 über. Auch die Bildung des Isotops 288 112 erfolgt durch den Kanal

Der aus beiden Ketten gebildete Endkern 288 112 hat eine Halbwertszeit von etwa 1 Stunde und zerfällt durch spontane Spaltung. Der Alpha-Zerfall des Isotops 288 114 kann mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 10 % zur Bildung des Isotops 284 112 führen Die obigen Perioden und Zerfallskanäle wurden durch Berechnung erhalten.
Bei der Analyse verschiedener Möglichkeiten zur Bildung superschwerer Elemente bei Reaktionen mit schweren Ionen sollten die folgenden Umstände berücksichtigt werden.

1. Es ist notwendig, einen Kern mit einem ausreichend großen Verhältnis der Anzahl der Neutronen zur Anzahl der Protonen zu erzeugen. Als einfallendes Teilchen sollten daher schwere Ionen mit großem N/Z gewählt werden.
2. Es ist notwendig, dass der resultierende Verbindungskern eine niedrige Anregungsenergie und einen kleinen Wert des Drehimpulses hat, da sonst die effektive Höhe der Spaltbarriere abnimmt.
3. Es ist notwendig, dass der resultierende Kern eine nahezu kugelförmige Form hat, da selbst eine geringfügige Verformung zu einer schnellen Spaltung des superschweren Kerns führt.

Eine vielversprechende Methode zur Gewinnung superschwerer Kerne sind Reaktionen vom Typ 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. Auf Abb. Abbildung 11 zeigt die geschätzten Wirkungsquerschnitte für die Bildung von Transuran-Elementen bei Bestrahlung von 248 Cm-, 249 Cf- und 254 Es-Targets mit beschleunigten 238 U-Ionen. Bei diesen Reaktionen wurden bereits erste Ergebnisse zu den Wirkungsquerschnitten für die Bildung von Elementen mit Z > 100 erhalten.Um die Ausbeuten der untersuchten Reaktionen zu erhöhen, wurden die Dicken der Targets so gewählt, dass die Reaktionsprodukte zurückblieben im Ziel. Nach der Bestrahlung wurden einzelne chemische Elemente vom Target getrennt. In den erhaltenen Proben wurden über mehrere Monate α-Zerfallsprodukte und Spaltfragmente registriert. Daten, die mit beschleunigten Uran-Ionen erhalten wurden, zeigen deutlich eine Erhöhung der Ausbeute an schweren Transuran-Elementen im Vergleich zu leichteren Bombardierungs-Ionen. Diese Tatsache ist äußerst wichtig, um das Problem der Synthese superschwerer Kerne zu lösen. Trotz der Schwierigkeiten, mit den entsprechenden Zielen zu arbeiten, sehen die Prognosen für die Bewegung in Richtung großes Z recht optimistisch aus.

Die Fortschritte auf dem Gebiet der superschweren Kerne in den letzten Jahren waren verblüffend beeindruckend. Bisher waren jedoch alle Versuche, eine Insel der Stabilität zu finden, erfolglos. Die Suche nach ihm geht intensiv weiter.

Peter Armbruster, Gottfried Münzerberg

Subtile quantenmechanische Effekte stabilisieren Kerne, die viel schwerer sind als die in der Natur vorkommenden Kerne. Experimentatoren mussten überdenken, wie man solche superschweren Elemente am besten synthetisiert.

Während In den letzten 20 Jahren wurde in vielen Ländern der Welt die Aufmerksamkeit von Physikern auf das Problem gelenkt, superschwere Elemente zu erhalten. In Darmstadt, am Institut für Schwerionenforschung (HSI), haben wir einige Fortschritte erzielt, indem wir die Kerne der Elemente 107, 108 und 109 synthetisiert haben. Diese Kerne liegen jenseits der „Schwelle“ des 106. Protons, die die Grenze für bisher existierende Methoden markiert zur Gewinnung und Identifizierung schwerer Elemente .

Experimentelle Messungen der Massen von Kernen und theoretische Analyse zeigen, dass die Stabilität dieser neuen Elemente hauptsächlich auf der Mikrostruktur ihrer Protonen- und Neutronensysteme beruht und nicht auf den makroskopischen Eigenschaften, die die Stabilität leichterer Kerne bestimmen. Wir sind jedoch auf Probleme gestoßen, die es immer noch schwierig machen, die Ziele zu erreichen, die Ende der 60er Jahre gesetzt wurden, als die Elemente bis zum 114. in Reichweite schienen. Durch die Überwindung dieser Schwierigkeiten sind wir in der Untersuchung der Kernstruktur und -dynamik von Kernfusionsreaktionen vorangekommen.

Die Nukleosynthese hat einen langen Weg zurückgelegt frühe Periode als Elemente, die in der Natur nicht vorkommen, in Kernreaktoren gewonnen wurden. Physiker nutzten immer schwerer beschleunigte Ionen, um Zielatome zu beschießen. Der letzte Schritt in dieser Entwicklung war die Methode der "kalten Fusion" von Kernen, bei der die Massen der Teilchen und die Beschussenergie sorgfältig bestimmt werden müssen, damit die Anregung der neu gebildeten Kerne minimal ist.

Im Laufe unserer Arbeit mussten fast alle anfänglichen Ideen zur Synthese superschwerer Elemente revidiert werden: Die Kerne synthetisierbarer Elemente sind deformiert, anesphärisch, wie 1966 postuliert wurde. Für die Fusion verwendeten wir stabil, weit verbreitet in der Natur sphärische Kerne und beschleunigte Ionen mittlerer Masse statt schwerster künstlicher Kerne und entsprechend ausgewählter leichter beschleunigter Ionen, wie bisher angenommen. Die Fusion soll bei möglichst geringer Beschussenergie erfolgen – möglichst „sanft“, ohne den Einsatz von „brutaler Gewalt“ in Form von überschüssiger Wechselwirkungsenergie, die, wie bisher angenommen, zum Fusionsprozess beiträgt.

Idee der Synthese Transurane (mit Ordnungszahl über 92) entstanden in den 30er Jahren. 1934 beschoss Enrico Fermi Thallium mit langsamen Neutronen, um nach dem Beta-Zerfall (dem Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron) Blei zu erhalten. Als Ergebnis des Neutroneneinfangs und des anschließenden Beta-Zerfalls wurden Elemente mit Ordnungszahlen gebildet, die um eins höher waren als die ursprünglichen.

Zwischen 1940 und Mitte der 1950er Jahre entstanden durch Neutronenbestrahlung die Elemente 93, 94, 99 und 100. Es ist kein Zufall, dass Fermium, Element 100, das letzte einer Reihe von Elementen war, die durch Neutroneneinfang und Beta gewonnen werden konnten Zerfall, vorgeschlagen von Fermi: Keines seiner Isotope unterliegt einem Beta-Zerfall. Im gleichen Zeitraum wurden die Elemente 95 bis 98 und 101 durch Bestrahlung mit Alphateilchen erhalten. Dabei nimmt der schwere Kern zwei Protonen und zwei Neutronen auf; in diesem Fall erhöht sich die Ordnungszahl auf einmal um zwei Einheiten. Wie alle schweren Elemente enthalten Transurane mehr Neutronen als Protonen; zum Beispiel enthält Plutonium (Element 94) 145 Neutronen für eine Gesamtmasse von 239; Das langlebigste Fermium-Isotop hat 157 Neutronen bei einer Gesamtmasse von 257.

Als natürlicher Weg, Elemente über 100 zu erhalten, galt die Verschmelzung der Kerne der schwersten Elemente mit den Kernen leichter Elemente, die mehr Protonen und Neutronen als Helium enthalten. Elemente bis zum 99. sind verfügbar, weil sie in gewichtigen makroskopischen Mengen synthetisiert werden können. In Berkeley (USA) und Dubna (UdSSR) wurden Beschleuniger gebaut, um schwere Ionen mit einer ausreichenden Energie zu erzeugen, um die elektrostatischen Kräfte zu überwinden, die die Kernfusion verhindern. Zwischen 1958 und 1974 Diese Schwerionenbeschleuniger ermöglichten die Synthese der Elemente 102 bis 106. Die Priorität der Entdeckung dieser Elemente und damit das Recht, sie zu benennen, ist noch immer umstritten.

Die in Berkeley und Dubna so erfolgreich angewendeten Methoden erwiesen sich als unwirksam, um Elemente zu erhalten, die schwerer als 100 sind. Um zu verstehen, warum es so schwierig ist, superschwere Elemente zu synthetisieren und warum einige von ihnen besonders stabil sein können, muss man verstehen, wie die Kerne zusammengehalten oder auseinanderfallen und wie das Gleichgewicht verschiedener Kräfte aussieht. die ihre Stabilität bestimmt, ändert sich mit zunehmender Masse. Effekte, die bei leichteren Kernen vernachlässigt werden können, machen den Unterschied zwischen völliger Instabilität und relativ aus große Zeiten Lebensdauer superschwerer Kerne.

Besonders wichtig für alle Kerne ist die Beziehung zwischen starken Kernkräften, die sowohl Protonen als auch Neutronen anziehen, und elektrostatischen Kräften, die Protonen abstoßen. Je schwerer die Kerne, desto mehr Neutronen enthalten sie, was den Einfluss der Abstoßungskräfte zwischen den Protonen teilweise kompensiert. Die Bindungsstärke zwischen Nukleonen erreicht jedoch ihren Höhepunkt bei Eisen (26 Protonen und 30 Neutronen), was weniger als einem Viertel des Weges entlang des Periodensystems entspricht, und nimmt dann ab.

Die Spaltung jedes Kerns, der schwerer als Eisen ist, muss mit der Freisetzung von Energie einhergehen, aber die für die Spaltung weniger massiver Kerne als Blei benötigte Energie ist so groß, dass eine solche Reaktion nur unter besonderen Bedingungen durchgeführt werden kann. Da Kerne schwerer als Blei sind und stabiler werden können, indem sie auch nur einen kleinen Bruchteil ihrer Nukleonen emittieren, sind sie instabil. Die natürlich vorkommenden Isotope von Thorium und Uran zerfallen hauptsächlich durch Aussendung von Alpha-Teilchen. Nur in Uran und schwereren Elementen können nicht angeregte Kerne spontan gespalten werden.

Grundsätzlich steigt mit steigender Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern) die Instabilität der Atomkerne: Ihre Halbwertszeit sinkt von mehreren tausend Jahren auf Millionstel Sekunden. Aus der Theorie der Kernstruktur folgt jedoch, dass Elemente, die nur geringfügig schwerer sind als die bisher erhaltenen, nicht weniger, sondern stabiler sind.

Kerne mit bestimmten Kombinationen von Neutronen und Protonen haben besonders hohe Bindungsenergien; Helium-4, Sauerstoff-16, Calcium-40, Calcium-48 und Blei-208 sind im Vergleich zu benachbarten Elementen sehr stabil. Diese großen Werte sind auf die Schalenstruktur zurückzuführen - das nukleare Äquivalent der Schalen, auf denen sich die Elektronen um den Kern befinden. Besonders stabil sind Nukleonenkonfigurationen, die vollständig gefüllte (geschlossene) Schalen bilden. Für Blei trägt die Schalenstruktur zu einer Erhöhung der Kernbindungsenergie um 11 Millionen Elektronenvolt (MeV) im Vergleich zu einem hypothetischen Kerntropfen ohne Struktur und mit der gleichen Anzahl von Neutronen und Protonen bei. Für die meisten Kerne mit Bindungsenergien bis zu 2 Milliarden eV ist ein solcher Anstieg vergleichsweise unbedeutend. Bei den schwersten Elementen, die an der Grenze der Stabilität liegen, kann die "Schalenstabilisierung" jedoch zu einem Unterschied zwischen sofortigem Zerfall und relativ langer Kernexistenz führen.

Kerne mit geschlossenen Neutronen- und Protonenschalen sind besonders stabil; nach Blei treten solche Schalen bei 114 Protonen und 184 Neutronen auf. Der Erfolg der Schalentheorie bei der Vorhersage von Bindungsenergien für leichte Kerne ließ hoffen, dass Kerne mit einer Masse nahe 298 so hoch stabilisiert werden könnten, dass sie wie Uran und Thorium eine Region relativ stabiler Elemente bilden könnten. Solche schalenstabilisierten superschweren Elemente müssen im Gegensatz zu Elementen im Uran-Thorium-Bereich als homogene Tropfen aus Kernmaterie instabil sein.

Das erste der schalenstabilisierten superschweren Elemente, 107, dessen Eigenschaften, wie Fermi vorschlug, dem ecaring entsprechen sollten, wurde 1981, 47 Jahre nach dieser Vorhersage, in Darmstadt identifiziert.

Dann haben wir die Elemente 108 und 109 erhalten und identifiziert. Messungen ihrer Bindungsenergien zeigen, dass wir bereits in den Bereich der superschweren Elemente eingetreten sind. Wir untersuchen derzeit die Einschränkungen, die die Produktion noch schwererer Elemente verhindern.

Synthese schwerer Elemente bei Fusionsreaktionen erfordert, dass der Experimentator in der Lage ist, "den schmalen Grat zu gehen" zwischen den Bombardierungsmethoden, bei denen keine Fusion auftritt, und den Methoden, die zur Spaltung des Produktkerns führen, anstatt ihn in einem relativ stabilen Zustand zu belassen . Die Abnahme der Erwärmung des neu gebildeten Kerns ist der wichtigste Grund für den Übergang vom Beschuss schwerer Ziele mit relativ leichten Ionen zum Beschuss weniger massiver Ziele mit relativ schwereren Ionen (ein Übergang, der von Yu.Ts. Oganesyan und seinen Mitarbeitern initiiert wurde Kollegen vom Joint Institute for Nuclear Research in Dubna).

Wenn beispielsweise Blei-208 oder Wismut-209 mit Chrom-54 oder Eisen-58 verschmolzen wird, beträgt die Anregungsenergie eines neuen Kerns etwa 20 MeV. Gleichzeitig führt die Fusion schwerer Actinid-Targets (Californium-249, Berkelium-249 oder Curium-248) mit Kohlenstoff-12, Stickstoff-15 oder Sauerstoff-18 zu einer Anregungsenergie von etwa 45 MeV.

Ein aus leichten Ionen und Isactinid-Targets gebildeter Kern kühlt ab, indem er vier Neutronen emittiert. Im Gegensatz dazu kühlt ein aus Blei oder Wismut und schwereren Ionen gebildeter Kern ab und emittiert nur ein Neutron. Da die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kern durch Emission eines Neutrons abkühlt, nur wenige Prozent der Wahrscheinlichkeit seiner Spaltung beträgt, wird die Endausbeute an superschweren Kernen auf jeder Stufe der Neutronenemissionskaskade deutlich reduziert. Der Einzelneutronen-Relaxationsmechanismus ist viel besser geeignet für die Erhaltung eines neu gebildeten Kerns.

Leider hat die kalte Fusion auch einen Nachteil: In diesem Fall verhindern die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen den beiden Kernen deren Verschmelzung stärker. Wenn sich zwei Kerne nähern, wird ein Teil ihrer kinetischen Energie in Anregungsenergie des Zwischensystems kollidierender Kerne umgewandelt und kann daher nicht zur Überwindung der Fusionsbarriere verwendet werden, was wiederum die Wahrscheinlichkeit einer Fusion verringert. Bei einer kalten Fusion mit schwereren Ionen wird beim Annähern und Passieren der Fusionsbarriere mehr kinetische Energie umgesetzt und die Wahrscheinlichkeit, diese Barriere zu überwinden, ist geringer als bei Reaktionen zwischen leichten Ionen und den schwersten Targets.

Wenn die Anfangsenergie erhöht wird, um diese Verluste zu kompensieren, steigt die Anregungsenergie und die Anzahl der gebildeten Kerne nimmt ab. Dadurch zeigt nur das 106. Element die Vorteile des Cold-Fusion-Verfahrens.

Wir haben gezeigt, dass die maximalen Wirkungsquerschnitte für die Bildung schwerer Elemente in einem schmalen Energiebereich liegen, etwa 5 MeB über der Fusionsbarriere.

Während Die Theorie, superschwere Kerne zu erhalten, kann an sich sehr interessant sein, aber in der Praxis ist es eine viel schwierigere Aufgabe. Theoretische Berechnungen müssen mit dem Design von Beschleuniger und Target sowie der Entwicklung eines Detektorsystems kombiniert werden, das die Existenz eines superschweren Kerns sofort nach seiner Synthese nachweisen kann. Als die Idee, superschwere Elemente herzustellen, Ende der 1960er-Jahre die Fantasie von Physikern und Chemikern beflügelte, hatte in der BRD niemand Erfahrung mit Nukleosynthese. Für Anfänger in diesem Bereich wurden viele "Türen" geöffnet. Aus den früheren Experimenten in Berkeley und Dubna konnte viel gelernt werden, aber es war klar, dass durch das Kopieren dieser Studien keine weiteren Fortschritte erzielt werden konnten. Benötigt wurden ein Schwerionenbeschleuniger, schnelle Trennmethoden zur Isolierung neuer Elemente und eine geeignete Technik zu ihrer Identifizierung. Auch auf die Frage, welche Reaktionen zum Erfolg führen sollen, gab es keine Antwort.

1969 beschloss die Bundesregierung gemeinsam mit der hessischen Regierung, die Gründung eines neuen Instituts für Schwerionenforschung (Heavy Ion Research Society, Gays) in Darmstadt zu finanzieren. Der Universal Linear Accelerator (UNILAC), an dem schwule Experimente durchgeführt werden, wurde 1975 in Betrieb genommen.

UNILAC kann alle Ionen bis einschließlich Uran auf Energien beschleunigen, die die Coulomb-Barriere überschreiten. Dieser Aufbau war von Anfang an darauf ausgelegt, möglichst intensive Ionenstrahlen zu erzeugen. Es wurden besondere Anstrengungen unternommen, um sicherzustellen, dass die Ionenenergie reibungslos geändert und mit ausreichend guter Reproduzierbarkeit auf ein bestimmtes Niveau eingestellt werden kann. Ursprünglich wurde das Accelerator-Projekt von K. Schmelzer und seinen Mitarbeitern in Heidelberg entwickelt. Die Erfahrungen anderer wissenschaftlicher Gruppen wurden berücksichtigt: Die Ionenquellen waren eine Modifikation der in Dubna verwendeten Quellen zur Erzeugung hochgeladener Ionen, und das in Berkeley entwickelte Alvarez-System wurde im Hochfrequenzsystem eines Linearbeschleunigers verwendet.

Als UNILAC gebaut wurde, stellte sich vielen Wissenschaftlern die Frage: Wie nutzt man den Beschleuniger am besten? Welche Reaktionen und welche experimentellen Methoden sollen angewendet werden? In der Anfangszeit seines Bestehens wurde UNILAC zum Testen verschiedenster Ideen eingesetzt, aber die einzige Strategie, die sich als erfolgreich erwies, war die kalte Fusion in Kombination mit dem Transport von Rückstoßkernen (Fusionsprodukten).

Seit Entdeckung von Plutonium im Jahr 1941 wurden etwa 400 Tonnen dieses Elements synthetisiert, was 10 30 Atomen entspricht. Andererseits wurden nur wenige Atome des 109. Elements erhalten und identifiziert. Warum werden die schwersten Elemente in so verschwindend geringen Mengen gewonnen? Die Antwort lautet: Um Plutonium zu produzieren, bombardieren Tonnen von Neutronen Uran-238-Blöcke mit einer Dicke von einigen Zentimetern oder mehr, während bei UNILAC nur 100 Mikrogramm Eisen-58 beschleunigt werden, um ein Blei-208-Target mit einer Dicke von mehreren hundert Nanometern zu bombardieren. Darüber hinaus ist der Wirkungsquerschnitt der Neutroneneinfangreaktion, die Plutonium-239 produziert, etwa 10 Billionen Mal größer als der Wirkungsquerschnitt der Fusionsreaktion, die Element 109 produziert.

Schwierigkeiten, schwerere Elemente zu erhalten, sind nur ein Teil des Problems. Beim Synthetisieren zerfallen Elemente wie 109 so schnell, dass die Synthese mit dem Zerfall „nicht Schritt hält“. Die schwersten Elemente sind so kurzlebig, dass am Ende der Bestrahlung bereits alle gebildeten Atome zerfallen sind. Daher sollten diese Atome während ihrer Herstellung nachgewiesen und identifiziert werden.

Die Methoden zum Gewinnen und Nachweisen von Elementen bis 106 basierten hauptsächlich auf mechanischen Mitteln zum Transportieren der gebildeten Atome von der Reaktionszone zu den Detektoren. Die Transportzeit zwischen der Bildung und dem Nachweis von Reaktionsprodukten wurde durch die Geschwindigkeiten ihres Transfers im Gasstrom, die Zeit ihrer Diffusion von festen Oberflächen oder die Geschwindigkeit rotierender Targets bestimmt. Diese Methoden waren jedoch nicht gut genug, um Elemente zu erkennen, die schwerer als 106 waren, was eine inakzeptable Wahl zwischen Erkennungsgeschwindigkeit und Genauigkeit erzwang, sodass mehr verwendet wurde schnelle Methoden, erwies es sich als unmöglich, neue Isotope zuverlässig zu identifizieren.

Um die resultierenden Kerne zu den Detektoren zu transportieren, wählten wir eine Technik, die auf der Nutzung der Rückstoßrate basiert, die die Reaktionsprodukte von schweren Ionen erhalten. Wenn ein schweres Ion mit einem Zielatom kollidiert und mit ihm verschmilzt, bewegt sich der resultierende Kern mit einer Geschwindigkeit von etwa einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit in die Richtung der ursprünglichen Bewegung des Ions. Dadurch können Kerne mit Halbwertszeiten bis zu 100 ns detektiert werden.

Obwohl die Technik des Transports von Rückstoßkernen es ermöglicht, sehr kurzlebige Kerne zu detektieren und zu identifizieren, wird die Detektionstechnik in diesem Fall komplizierter. Aus der Reaktionszone verlassen nicht nur einzelne bei der Fusionsreaktion entstandene Kerne, sondern auch Billionen schwerer Ionen sowie Tausende aus dem Target herausgeschlagene Atome mit hoher Geschwindigkeit die Reaktionszone. Um superschwere Kerne vom Reststrahl zu trennen, haben wir einen speziellen Geschwindigkeitsfilter gebaut – den gemeinsam mit Spezialisten des Zweiten Physikalischen Instituts der Universität Gießen entwickelten Separator for Heavy-Ion Reaction Products (SHIP). Basierend auf der Kinematik der Kollision und Fusion von Kernen kann die Rückstoßrate der Fusionsprodukte im Voraus berechnet werden. Daher können sie relativ direkt isoliert werden.

Der Geschwindigkeitsfilter besteht aus zwei Stufen, die jeweils sowohl elektrische als auch magnetische Felder umfassen. Diese beiden Felder lenken geladene Teilchen in entgegengesetzte Richtungen ab; nur für einen Kern mit einer bestimmten Geschwindigkeit schließt sich die Beeinflussung der Felder gegenseitig aus und er bewegt sich weiterhin in der Mittelebene des Aufbaus. Ein solcher Tandemfilter reduziert die Zahl der beschleunigten Ionen, die in den Detektionsbereich fallen, um den Faktor 100 Milliarden und die Zahl der ausgeknockten Zielkerne um den Faktor 1000. Unter Ausschluss fast aller unerwünschten Teilchen aus dem Strahl durchläuft das SHIP-Spektrometer mehr als 40.070 Fusionsprodukte. Hinter dem Spektrometer angeordnete Detektoren registrieren Zerfallsketten von Teilchen, die das Spektrometer passiert haben, was eine eindeutige Identifizierung der Fusionsprodukte ermöglicht.

Das erste Element des Detektionssystems ist das Flugzeitgerät, das es ermöglicht, die Teilchengeschwindigkeit zum dritten Mal zu messen (die ersten beiden Messungen basieren auf dem Prinzip des Geschwindigkeitsfilters). Nach dem Durchgang durch diese Vorrichtung wird das Teilchen in positionsempfindliche Silizium-Oberflächenbarrierendetektoren implantiert, die seine Energie und seinen Aufprallort registrieren. Da die Kombination aus Flugzeit und Energie es ermöglicht, die Masse des Teilchens näherungsweise zu bestimmen, ist es möglich, Fusionsprodukte von gestreuten Ionen und herausgeschlagenen Zielkernen zu unterscheiden.

Um einen Kern zuverlässig zu identifizieren, ist es dennoch notwendig, eine Korrelation zwischen seinem Zerfall und dem Zerfall seiner radioaktiven Folgeprodukte herzustellen. Die Zerfallsakte aufgrund desselben Kerns müssen dieselben Ortskoordinaten haben, und Art, Energie und Halbwertszeit der Tochterkerne sind aus früheren Messungen bekannt.

Durch die Feststellung solcher korrelierter Zerfallsereignisse ist es möglich, jeden Fusionsproduktkern eindeutig zu identifizieren. Obwohl ein zufälliger Kern, der denselben Punkt wie das untersuchte Fusionsprodukt trifft, zerfallen und ein räumlich korreliertes Signal erzeugen kann, ist es höchst unwahrscheinlich, dass seine Zerfallsenergie, Halbwertszeit und sein Zerfallstyp mit denen übereinstimmen, die für das Fusionsprodukt erwartet werden. Wir haben solche Zerfallsketten bis zur vierten Generation beobachtet; die Wahrscheinlichkeit, dass solche Serien korrelierter Ereignisse zufällig sind, reicht von 10–15 bis 10–18. Wenn korrelierte Ereignisse aufgrund des untersuchten Isotops einmal täglich beobachtet werden, dann kann das zufällige Auftreten von Ereignissen, die vier Generationen von Zerfallsereignissen simulieren, für einen Zeitraum erwartet werden, der 100-mal länger ist als das Alter der Erde. Infolgedessen kann sogar ein einzelnes Ereignis eindeutig auf die Existenz eines bestimmten superschweren Isotops hinweisen.

Zwischen 1981 und 1986 zusammen mit unseren Kollegen P. Hessberger, Z. Hofmann, M. Leino, W. Reisdorf und K.-H. Schmidt verwendeten wir UNILAC, SHIP und sein Nachweissystem für die Synthese und Identifizierung der Elemente 107 109. In diesen Experimenten wurden 14 Isotope der Elemente 104 109 synthetisiert (von denen fünf bereits bekannt waren) sowie zwei weitere Isotope der Elemente 107 und 108 mit den Massennummern 261 bzw. 264.

1981 erhielten wir ein Isotop des 107. Elements mit einer Massenzahl von 262, indem wir Wismut 209 mit Chrom-54-Ionen beschossen. Für das ungerade Isotop des Elements 107 (mit einer ungeraden Anzahl von Protonen und Neutronen) haben wir fünf Alpha-Teilchenenergien festgelegt, die eine Vorstellung von den nuklearen Energieniveaus geben; Wir können auch berichten, dass dieses Isotop ein Isomer (langlebiger angeregter Zustand) hat.

Element 109 wurde anhand der Beobachtung einer einzelnen Zerfallskette identifiziert, die am 29. August 1982 um 16:10 Uhr in einer Reaktion zwischen Eisen-58 und Wismut-209 aufgezeichnet wurde. Der Kern 266 109 existierte 5 ms lang, bevor er ein Alphateilchen mit einer Energie von 11,1 MeV aussendete; der resultierende Kern des 107. Elements zerfiel nach 22 ms in das 105. Element; Das 105. Element zerfiel in das 104. Element, gefolgt von 12,9 mit spontaner Kernspaltung. Aus diesem Einzelereignis war es möglich, wenn auch mit begrenzter Genauigkeit, die Zerfallsenergie, die Halbwertszeit und den Wirkungsquerschnitt zu bestimmen. Anfang 1988, sechs Jahre nach der Identifizierung des 100. Elements, wurden zwei weitere Zerfallsketten beobachtet. Sie bestätigten die Interpretation des 1982 aufgezeichneten Ereignisses.

1984 wir haben drei Zerfallsketten für das Isotop 265 108 in der Reaktion zwischen Eisen-58 und Blei-208 identifiziert. Die beiden identifizierten Isotope der Elemente 107 und 109 sind ungerade-ungerade und die Wahrscheinlichkeit ihrer Spaltung ist stark reduziert, das Isotop von Element 108 hat jedoch eine gerade Anzahl von Protonen und eine ungerade Anzahl von Neutronen. Obwohl gerade-ungerade Isotope viel wahrscheinlicher zur Spaltung neigen, unterliegt das Isotop 265108 auch einem Alpha-Zerfall.

Besonders interessant ist, dass keines der Isotope der Elemente 107-109 spontan spaltet und alle gerade-gerade Isotope 265 104, 260 106 und 264 108 ungefähr die gleiche Stabilität gegenüber spontaner Spaltung aufweisen.

Das annähernd konstante Stabilitätsniveau zeigt, wie die stabilisierenden Hülleneffekte mit dem allgemeinen Stabilitätsabfall konkurrieren, wenn die Masse der Kerne zunimmt.

Hinter dem 104. und 105 Elemente enthalten eine kleine "Insel" aus Kernen, die, wenn sie von Alpha-Partikeln emittiert werden, zerfallen, um bekannte Isotope leichterer Elemente zu bilden. Solche Alpha-Zerfälle ermöglichen es, die Bindungsenergie dieser superschweren Elemente zu bestimmen. Wenn die Bindungsenergie des Tochterkerns bekannt ist, kann in jedem Stadium die Alpha-Zerfallsenergie verwendet werden, um die Bindungsenergie des Mutterkerns zu berechnen. Wenn die Bindungsenergie des Endprodukts bekannt ist, kann die Kette von Alpha-Zerfallsereignissen zu den Bindungsenergien des anfänglichen Kerns der Kette führen. Da der Zerfall des 108. und 100. Elements (jeweils ein Ereignis) und des 106. Elements (nach mehreren Ereignissen) registriert wurde, lässt sich die Kette 264 108 260 106 256 104 252 102 rekonstruieren. Die Bindungsenergien dieser Kerne sind 120, 106 bzw. 94 MeV.

Die Schalenkorrektur zur Bindungsenergie steigt allmählich für alle Isotope von Uran-232 bis 264 108, die durch den Alpha-Zerfallsprozess gebunden werden; die entsprechenden Werte steigen von 1-2 auf 6-7 MeV. Tatsächlich haben alle Elemente von Uran bis Element 108 gleich hohe Spaltbarrieren – etwa 6 MeV. Im Gegensatz zu Uran, das immer noch als nuklearer Tropfen stabil ist, beruht die Stabilität der 100. und 108. Elemente vollständig auf der quantenmechanischen Struktur ihrer fermionischen Vielteilchensysteme. Neuere theoretische Arbeiten sagen Spaltbarrieren voraus, die mit unseren Messungen übereinstimmen.

Die Lebensdauer eines Elements relativ zur Teilung wird hauptsächlich durch die Höhe und Breite der Teilungsbarriere bestimmt. Schalenkorrekturen erhöhen die Lebensdauer des 106. und 108. Elements um 15 Größenordnungen. Auf einer logarithmischen Skala liegen die beobachteten Lebensdauern in der Mitte des Bereichs zwischen der nuklearen Eigenzeit (etwa 10–21 s für den Zerfall eines ungebundenen Nukleonensystems) und dem Alter des Universums (10 18 s). Neue Elemente sind nur im Vergleich mit der Dauer des menschlichen Lebens (2·10 9 s) instabil. Um auf dieser Skala stabil zu sein, müssen die Lebensdauern um 12 Größenordnungen zunehmen. Die Kernphysik basiert jedoch nicht auf der menschlichen Zeitskala.

von uns entdeckt Die „Insel“ aus radioaktiven Alpha-Isotopen ist eine direkte Folge ihrer Stabilisierung durch Schaleneffekte. So beginnt die Ende der 1960er Jahre vorhergesagte Stabilisierung kugelförmiger superschwerer Kerne in der Nähe von Element 114 viel früher als erwartet und nimmt allmählich zu. In einem schmalen Instabilitätsbereich hinter dem Blei, zwischen den Elementen 83 und 90, werden die Schaleneffekte abgeschwächt. Im Intervall zwischen dem 92. und 114. Element steigt der Wert der Schalenkorrektur jedoch langsam und monoton an.

Selbst in der Nähe der "Insel" superschwerer Kerne erfolgt die Stabilisierung aufgrund der quantenmechanischen Struktur von Fermionensystemen, während auf dem "Festland" die Stabilisierung der Kerne auf makroskopische Flüssigkeitstropfeneigenschaften zurückzuführen ist. Die Kerne der Elemente 107 109 befinden sich auf dem „Damm“ zwischen der „Insel“ und dem „Festland“, sodass neue Isotope sowohl der „Insel“ als auch dem „Festland“ zugeordnet werden können. Jedenfalls konnten sie wie superschwere Elemente nur aufgrund der Schalenstabilisierung ihrer Grundzustände beobachtet werden.

Aus den neuesten theoretischen Vorhersagen für Schalenkorrekturen zu Bindungsenergien folgt, dass es zwischen den Elementen 106 und 126 eine Region mit etwa 400 superschweren Kernen mit Spaltbarrieren über 4 MeV geben sollte. Alle diese Isotope müssen Halbwertszeiten von mehr als 1 µs haben; Wenn sie synthetisiert werden können, wird es möglich sein, sie mit bestehenden Methoden nachzuweisen. Besonders stabile Regionen werden in der Nähe der Isotope 273 109 und 291 115 angenommen. Bei einer Neutronenzahl von etwa 166 ändert sich die Deformation des Grundzustands. Isotope mit weniger Neutronen werden deformiert, während schwerere Isotope kugelförmig sind.

Während In den letzten 20 Jahren waren alle Versuche, Isotope in der Nähe des erwarteten Stabilitätszentrums – des Kerns 298 114 – zu erhalten, erfolglos. Diese superschweren Isotope wurden weder in Fusionsreaktionen noch in anderen Reaktionen mit Schwerionen nachgewiesen. Dennoch wurde die Grundidee über die Möglichkeit der Existenz hüllenstabilisierter Nukleonensysteme, abgesehen von stabilen Kerntropfen, durch die oben beschriebenen Experimente bestätigt. Theoretisch gibt es allen Grund, an eine Extrapolation auf noch schwerere Elemente zu glauben.

Nun stellt sich eine interessante Frage: Was verhindert letztlich die Entstehung dieser „fragilen“ Objekte? Einige wichtige Klarstellungen sind aus unserer intensiven Erforschung von Fusionsreaktionen hervorgegangen. Ein schalenstabilisierter Kern, der im Grundzustand kugelförmig ist, kann bereits bei einer so niedrigen Anregungsenergie wie 15 MeV zerstört werden, dies wurde experimentell von K.-Kh. Schmidt im Jahr 1979, während deformierte Kerne bei Anregungsenergien bis zu 40 MeV erhalten bleiben können. Selbst bei der Reaktion zwischen Calcium-48 und Curium-248 (der geeignetsten verfügbaren Reaktion) beträgt die Anregungsenergie etwa 30 MeV. Daraus folgt, dass superschwere Elemente nur mit deformierten Kernen erhalten werden können. Bisher waren solche Versuche jedoch nur für Elemente mit Ordnungszahlen kleiner als 110 erfolgreich.

Wie bereits erwähnt, wird die Fusion zweier Kerne, die zur Bildung eines superschweren Kerns führt, von Anfang an durch die Notwendigkeit erschwert, die Fusionsbarriere zu überwinden. Für einen gegebenen Produktkern ist diese Barriere minimal, wenn die schwersten Ziele mit den leichtesten möglichen Ionen bombardiert werden. Trotz dieses Vorteils hat diese äußerst asymmetrische Kombination den Nachteil, dass die Erwärmung des Produktkerns maximiert wird, was zu hohen Spaltungsverlusten während des Entregungsprozesses führt. Je weniger asymmetrisch die Kombination, desto weniger Verlust in der Kühlphase. Der beste Kompromiss zwischen geringen Verlusten im Endstadium und hoher Bildungswahrscheinlichkeit im Anfangsstadium sind symmetrischere Kombinationen mit Zielkernen in der Nähe von Blei.

Die Verwendung von Blei und Wismut als Targets bringt den doppelten Vorteil des Schalenpunkteffekts in diesen Kernen: Die starke Bindung in diesen Kernen mit ihren doppelt geschlossenen Schalen führt zu einer Verringerung der auf das Kernprodukt übertragenen Energie um mehr als 10 MeV und eine entsprechende Verringerung der Verluste durch Spaltung. Außerdem steigt die Wahrscheinlichkeit, die Fusionsbarriere zu überwinden, wenn kugelförmige, hochgebundene und relativ starre Kerne in der Reaktion verwendet werden. Auch hier zeigen sich starke Schaleneffekte im Blei, diesmal aber in der Dynamik des Prozesses.

Jetzt beginnen wir zu verstehen, warum es sehr schwierig sein wird, noch schwerere Elemente zu erhalten. Nur eine Kombination aus Schalenkorrekturen für geschlossenschalige Fusionspartner, Schaleneffekten in der Dynamik und erhöhter Stabilität angeregter deformierter superschwerer Kerne ermöglichte es uns, mehrere Isotope der leichtesten superschweren Elemente zu synthetisieren. Wir mussten die ursprüngliche Frage nach der Existenz schalenstabilisierter Kerne auf die Wirkung von Schalenkorrekturen in allen Stadien der Reaktion erweitern. Bei der Erstellung dieser komplexen und "fragilen" Objekte ist es besonders wichtig, eine bereits vorhandene Ordnung in den Zusammenführungsprozess einzuführen und unnötige Unordnung zu vermeiden.

Wie bekomme ich die folgenden superschweren Elemente? Für das 110. und 111. Element wird es möglich sein, die von uns entwickelten Methoden bei den Reaktionen zwischen Nickel-62 und Blei-208 bzw. Wismut-209 anzuwenden. Sobald diese Elemente gebildet sind, erfordert ihr Nachweis weniger grundlegend neues Wissen als die Bereitstellung eines angereicherten Isotops und Geduld, um zu lernen, wie man unsere Ausrüstung benutzt und mehrere Monate lang Experimente durchführt.

Die Arbeiten wurden am nach V.I. benannten Laboratorium für Kernreaktionen (FLNR) durchgeführt. GN Flerov vom Dubna Joint Institute for Nuclear Research (JINR) erfolgreich. Die Eigenschaften der 117. und zuvor synthetisierten Elemente N 112-116 und 118 in Dubna sind ein direkter Beweis für die Existenz der sogenannten "Insel der Stabilität" superschwerer Elemente, die von Theoretikern bereits in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts und signifikant vorhergesagt wurde Erweiterung der Grenzen des Periodensystems. Die Herausgeber von Izvestiya wurden bereits im März vom Leiter der FLNR, dem Akademiemitglied Yuri Oganesyan, über das einzigartige Experiment informiert, aber er gab erst jetzt die Erlaubnis zur Veröffentlichung. Akademiker Yury Oganesyan, der Autor der Entdeckung, erzählte dem Beobachter Peter Obraztsov über die Essenz des Experiments.

Izvestiya: Was hat das Interesse der Wissenschaftler an der Synthese superschwerer Elemente geweckt, die nur für eine vernachlässigbar kurze Zeit existieren?

yuri oganesyan: Nach der Entdeckung der ersten künstlichen Elemente – Neptunium und Plutonium – in den Jahren 1940-1941 wurde die Frage nach den Grenzen der Existenz von Elementen für die Grundlagenforschung der Struktur der Materie äußerst interessant. Bis Ende des letzten Jahrhunderts wurden 17 künstliche Elemente entdeckt und es wurde festgestellt, dass ihre Kernstabilität mit zunehmender Ordnungszahl stark abnimmt. Beim Übergang vom 92. Element - Uran - zum 102. Element - Nobelium - verringert sich die Halbwertszeit des Kerns um 16 Größenordnungen: von 4,5 Milliarden Jahren auf mehrere Sekunden. Daher wurde angenommen, dass das Vordringen in den Bereich noch schwererer Elemente zur Grenze ihrer Existenz führen würde, im Wesentlichen die Grenze der Existenz der materiellen Welt markieren würde. Mitte der 1960er Jahre stellten Theoretiker jedoch unerwartet eine Hypothese über die mögliche Existenz superschwerer Atomkerne auf. Berechnungen zufolge hätte die Lebensdauer von Kernen mit den Ordnungszahlen 110-120 mit zunehmender Anzahl von Neutronen in ihnen deutlich zunehmen müssen. Nach neuen Ideen bilden sie eine riesige "Insel der Stabilität" superschwerer Elemente, die die Grenzen der Elementtabelle erheblich erweitert.
F: Wurde dies experimentell bestätigt?

Oganesyan: 1975-1996 gelang es Physikern aus Dubna, Darmstadt (GSI, Deutschland), Tokio (RIKEN) und Berkeley (LBNL, USA), diese Reaktionen zu untersuchen und sechs neue Elemente zu synthetisieren. Die schwersten Elemente 109-112 wurden erstmals bei GSI gewonnen und bei RIKEN wiederholt. Aber die Halbwertszeiten der schwersten Kerne, die bei diesen Reaktionen entstehen, betragen nur zehntausendstel oder sogar tausendstel Sekunden. Die Hypothese der Existenz superschwerer Elemente wurde erstmals in Dubna experimentell bestätigt, in einer Forschung, die von unserer Gruppe in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des National Laboratory durchgeführt wurde. Lawrence in Livermore (USA). Es ist uns gelungen, die Herangehensweise an die Synthese superschwerer Kerne radikal zu verändern, indem wir beispielsweise ein Target aus dem künstlichen Element Berkelium (N 97) mit einem Projektilstrahl aus einem äußerst seltenen und teuren Calciumisotop (N 20) mit a beschossen Masse von 48. Wenn Kerne verschmolzen sind, das Element N 117 (97 + 20 = 117). Die Ergebnisse übertrafen selbst die optimistischsten Erwartungen. In den Jahren 2000-2004, fast innerhalb von fünf Jahren, wurden in solchen Reaktionen erstmals superschwere Elemente mit den Ordnungszahlen 114, 116 und 118 synthetisiert.

und: Und was für einen wissenschaftlichen Beitrag haben amerikanische Wissenschaftler geleistet?

Oganesyan: Bei einer Kernreaktion mit einem Calciumstrahl kann das 117. Element nur mit einem Target aus dem künstlichen Element Berkelium gewonnen werden. Die Halbwertszeit dieses Isotops beträgt nur 320 Tage. Aufgrund der kurzen Lebensdauer muss die Herstellung von Berkelium in der erforderlichen Menge (20-30 Milligramm) in einem Reaktor mit sehr hoher Temperatur erfolgen Hohe Dichte Neutronenfluss. Eine solche Aufgabe kann nur der Isotopenreaktor des US National Laboratory in Oak Ridge bewältigen. Übrigens wurde in diesem Labor erstmals Plutonium für die amerikanische Atombombe hergestellt. Da ab dem Zeitpunkt der Berkeliumproduktion seine Menge in 320 Tagen um die Hälfte abnimmt, war es notwendig, alle Arbeiten in hohem Tempo durchzuführen. Und das nicht nur in Laboratorien, sondern auch in den offiziellen Strukturen Russlands und der Vereinigten Staaten im Zusammenhang mit der Zertifizierung eines ungewöhnlichen Materials, dem Transport eines hochradioaktiven Produkts auf dem Land- und Luftweg, der Sicherheit und so weiter.

und: Eine Abenteuergeschichte wert. Und was geschah als nächstes?

Oganesjan: Anfang Juni 2009 ist der Container in Moskau angekommen. Aus dieser Substanz wurde am Forschungsinstitut für Atomreaktoren (Dimitrovgrad) ein Target in Form der dünnsten Schicht Berkelium (300 Nanometer) auf einer dünnen Titanfolie hergestellt; im Juli wurde das Target nach Dubna geliefert. Zu diesem Zeitpunkt waren alle vorbereitenden Arbeiten am FLNR abgeschlossen und die kontinuierliche Bestrahlung des Ziels mit einem intensiven Kalziumstrahl begann. Bereits bei der ersten Bestrahlung des Targets, die 70 Tage dauerte, hatten wir Glück: Fünfmal registrierten die Detektoren das Muster der Kernbildung und des Zerfalls von Kernen des 117. Elements. Wie erwartet verwandelten sich die Kerne dieses Elements in die Kerne des 115. Elements, das 115. Element verwandelte sich in das 113. und dann verwandelte sich das 113. Element in das 111. Element. Und Element 111 zerfiel mit einer Halbwertszeit von 26 Sekunden. Im nuklearen Maßstab ist dies eine riesige Zeit! Jetzt wurde das Periodensystem um ein weiteres der schwersten Elemente mit der Ordnungszahl 117 ergänzt.

und: Natürlich interessiert es unsere Leser, welche praktische Anwendung Ihre Entdeckung haben könnte.

Oganesyan: Jetzt natürlich keine, denn man hat nur wenige Atome des Elements N 117. Grundsätzlich sollten sich die Vorstellungen von unserer Welt jetzt dramatisch ändern. Wenn Elemente mit einer riesigen Halbwertszeit synthetisiert werden, ist es außerdem möglich, dass sie auch in der Natur existieren und seit der Entstehung der Erde bis in unsere Zeit "überleben" könnten - 4,5 Milliarden Jahre. Und wir führen Experimente durch, um nach ihnen zu suchen, unsere Installation befindet sich in den Tiefen der Alpenberge.

und: Eine Frage aus einer anderen Ebene. Warum, denken Sie, wurden die offensichtlichen Erfolge in der Kernphysik in den letzten 20 Jahren nicht mit Nobelpreisen ausgezeichnet?

Oganesyan: Physik ist groß. Offenbar sind andere Bereiche dieser Wissenschaft für die Mitglieder des Nobelkomitees interessanter. Und es gibt wirklich viele würdige Wissenschaftler. Übrigens muss ich die Teilnehmer an unserem Experiment nennen: Oak Ridge National Laboratory (Prof. James Roberto), University. Vanderbilt (Prof. Joseph Hamilton), National Laboratory. Lawrence in Livermore (Dawn Shaughnessy), das Forschungsinstitut für Atomreaktoren, Dimitrovgrad (Mikhail Ryabinin) und das Labor für Kernreaktionen des JINR (unter der Leitung von Yuri Oganesyan).

Von der Redaktion. Vorübergehend wird das Element N 117 auf Latein "eins-eins-sieben" genannt, also ununseptium. Die Gruppe des Akademikers Yuri Oganesyan - die Autoren der Entdeckung - hat jedes Recht, diesem Element den richtigen Namen zu geben, ebenso wie den von ihnen entdeckten Elementen N 114-116 und 118. In der "Woche" vom 26. März haben wir eingeladen Leser, ihre Namensvorschläge für "unsere" Elemente einzureichen. Bisher erscheint nur "kurchatovy" für eines dieser Elemente sinnvoll. Der Wettbewerb geht weiter.