سنتز عناصر فوق سنگین نتایج جستجو برای \"عناصر پایدار\"

دانشمندان دانشگاه نیو ساوت ولز (استرالیا) و دانشگاه ماینتس (آلمان) پیشنهاد کردند که یکی از غیرمعمول ترین ستاره ها (در میان ستاره شناسان شناخته شده) حاوی عناصر شیمیایی از جزیره پایداری است. اینها عناصری هستند که در انتهای جدول تناوبی قرار دارند، آنها با عمر طولانی تری از همسایگان خود در سمت چپ متمایز می شوند. این مطالعه در کتابخانه الکترونیکی پیش چاپ arXiv.org منتشر شده است و در مورد نتایج آن و عناصر شیمیایی فوق سنگین پایدار صحبت می کند.

ستاره HD 101065 در سال 1961 توسط ستاره شناس لهستانی-استرالیایی آنتونین پرزیبلسکی کشف شد. در فاصله حدود 400 سال نوری از زمین در صورت فلکی قنطورس قرار دارد. به احتمال زیاد، HD 101065 سبکتر از خورشید است و یک ستاره دنباله اصلی، یک زیر غول است. یکی از ویژگی های ستاره پرزیبلسکی میزان بسیار کم آهن و نیکل در جو است. در عین حال، این ستاره سرشار از عناصر سنگین از جمله استرانسیم، سزیم، توریم، ایتربیوم و اورانیوم است.

ستاره پرزیبلسکی تنها ستاره ای است که در آن عناصر رادیواکتیو کوتاه مدت، اکتینیدها، با عدد اتمی (تعداد پروتون های موجود در هسته) از 89 تا 103 یافت شد: اکتینیم، پلوتونیوم، آمریکیوم و انیشتینیم. HD 101065 مشابه HD 25354 است، اما وجود آمریکیوم و کوریم در آنجا مشکوک است.

مکانیسم تشکیل عناصر فوق سنگین در ستاره پرزیبلسکی هنوز به طور کامل شناخته نشده است. فرض بر این بود که HD 101065، همراه با یک ستاره نوترونی، یک سیستم دوتایی را تشکیل می دهد - ذرات از دوم بر روی اول می افتند و واکنش های همجوشی عناصر سنگین را تحریک می کنند. این فرضیه هنوز تایید نشده است، اگرچه ممکن است یک همراه کم نور در فاصله حدود هزار واحد نجومی از HD 101065 قرار گرفته باشد.

عکس: N. Dautel / Globallookpress.com

HD 101065 شباهت زیادی به Ap-stars دارد، نورهای عجیب و غریب (عجیب) از کلاس طیفی A، که در طیف آنها خطوط فلزات کمیاب خاکی افزایش یافته است. آنها میدان مغناطیسی قوی دارند، عناصر سنگین در جو آنها از اعماق می آیند. HD 101065 با سایر ستارگان Ap در تغییرات کوتاه مدت در منحنی نور متفاوت است، که به آن اجازه می دهد در گروه جداگانه ای از ستاره های RoAp (ستارگان Ap نوسانی سریع) قرار گیرد.

احتمالاً تلاش دانشمندان برای جا دادن HD 101065 در آن است طبقه بندی موجودستاره ها همیشه موفق خواهند شد در حالی که ستاره پرزیبلسکی یکی از غیرمعمول‌ترین ستاره‌ها در نظر گرفته می‌شود، این دلیلی برای مشکوک شدن به داشتن تعدادی ویژگی غیرعادی ایجاد می‌کند. به ویژه، در آخرین کار روی HD 101065، محققان استرالیایی و آلمانی فرض کردند که عناصر شیمیایی متعلق به جزیره پایداری در ستاره پرزیبلسکی متولد شده‌اند.

دانشمندان از مدل پوسته هسته و امتداد آن استفاده کردند. این مدل، پایداری هسته اتم را به پر شدن سطوح انرژی پوسته ها مرتبط می کند، که بر اساس قیاس با لایه های الکترونی اتم، هسته را تشکیل می دهند. هر نوترون و پروتون روی پوسته خاصی قرار دارند (فاصله از مرکز اتم یا سطح انرژی) و مستقل از یکدیگر در یک میدان خودسازگار خاص حرکت می کنند.

اعتقاد بر این است که هر چه سطوح انرژی هسته پرتر باشد، ایزوتوپ پایدارتر است. این مدل به خوبی پایداری هسته‌های اتمی، اسپین‌ها و گشتاورهای مغناطیسی را توضیح می‌دهد، اما فقط برای هسته‌های تحریک نشده یا سبک و با جرم متوسط قابل استفاده است.

با توجه به مدل پوسته، هسته هایی با پوسته های انرژی کاملاً پر شده با پایداری بالا مشخص می شوند. چنین عناصری «جزیره ثبات» را تشکیل می دهند. با ایزوتوپ هایی با شماره سریال 114 و 126 شروع می شود که مربوط به اعداد جادویی و جادویی مضاعف است.

هسته هایی با تعداد جادویی نوکلئون (پروتون و نوترون) قوی ترین انرژی اتصال را دارند. در جدول نوکلیدها آنها به صورت زیر مرتب شده اند: تعداد پروتون ها به صورت افقی از چپ به راست به ترتیب صعودی و تعداد نوترون ها به صورت عمودی از بالا به پایین نشان داده شده است. در یک هسته جادویی مضاعف، تعداد پروتون ها و نوترون ها برابر با مقداری جادویی است.

نیمه عمر ایزوتوپ های فلروویوم (عنصر 114) به دست آمده در دوبنا تا 2.7 ثانیه است. طبق این تئوری، باید ایزوتوپ فلروویوم-298 با تعداد جادویی نوترون N=184 و طول عمر حدود ده میلیون سال وجود داشته باشد. هنوز امکان سنتز چنین هسته ای وجود ندارد. برای مقایسه، نیمه عمر عناصر همسایه با تعداد پروتون های هسته برابر با 113 و 115 به ترتیب تا 19.6 ثانیه (برای نیهونیوم-286) و 0.156 ثانیه (برای موسکوویوم-289) است.

نویسندگان مقاله در arXiv.org معتقدند که وجود اکتینیدها در جو HD 101065 به نفع حضور عناصر شیمیایی از جزیره پایداری در همان مکان است. اکتینیدها در این مورد محصول فروپاشی عناصر فوق سنگین پایدار هستند. دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که طیف HD 101065 را برای یافتن آثاری از نوبلیم، لاورنسیم، نیهونیوم، فلروویوم جستجو کنند و طیف‌های خاصی را توصیف کنند که می‌توانند ایزوتوپ‌های پایدار تولید کنند.

در حال حاضر، عناصر جدید جدول تناوبی در روسیه، ایالات متحده آمریکا، ژاپن و آلمان در حال سنتز هستند. در زمین، عناصر ترانس اورانیوم در محیط طبیعی یافت نشده است. ستاره HD 101065 ممکن است فرصت‌های جدیدی را برای آزمایش نظریه‌های فیزیکدانان هسته‌ای که وجود جزیره‌ای از ثبات را پیشنهاد می‌کنند، ارائه دهد.

تا پایان دهه 60، با تلاش بسیاری از نظریه پردازان - O. Bohr و B. Motelson (دانمارک)، S. Nilsson (سوئد)، V.M. استروتینسکی و V.V. پاشکویچ (اتحادیه شوروی)، اچ. مایرز و وی. سویاتسکی (ایالات متحده آمریکا)، آ. سوبیچفسکی و همکاران (لهستان)، دبلیو. گرینر و همکاران (فرانسه) و بسیاری دیگر نظریه میکروسکوپی هسته های اتمی را ایجاد کردند. نظریه جدید تمام تناقضات فوق را در یک سیستم منسجم از قوانین فیزیکی آورده است.
مانند هر نظریه دیگری، این نظریه قدرت پیش بینی خاصی داشت، به ویژه در پیش بینی خواص هسته های بسیار سنگین و هنوز ناشناخته. مشخص شد که اثر تثبیت کننده پوسته های هسته ای فراتر از محدودیت های نشان داده شده توسط مدل افت هسته (یعنی در منطقه Z> 106) کار خواهد کرد که به اصطلاح را تشکیل می دهد. "جزایر ثبات" در اطراف اعداد جادویی Z=108، N=162 و Z=114، N=184. همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود، طول عمر هسته های فوق سنگین واقع در این "جزایر پایداری" می تواند به طور قابل توجهی افزایش یابد. این امر مخصوصاً برای سنگین‌ترین و فوق‌سنگین‌ترین عناصر صادق است، جایی که اثر پوسته‌های بسته Z=114 (احتمالاً 120) و N=184 نیمه عمر را به ده‌ها، صدها هزار و شاید میلیون‌ها سال افزایش می‌دهد. - 32-35 مرتبه بیشتر از عدم تأثیر گلوله های هسته ای. بنابراین، یک فرضیه جالب در مورد وجود احتمالی عناصر فوق سنگین به وجود آمد که به طور قابل توجهی مرزهای جهان مادی را گسترش داد. یک آزمایش مستقیم از پیش‌بینی‌های نظری، سنتز هسته‌های فوق سنگین و تعیین خواص فروپاشی آنها خواهد بود. بنابراین، ما باید به طور خلاصه مسائل کلیدی مربوط به سنتز مصنوعی عناصر را در نظر بگیریم.

2. واکنش برای سنتز عناصر سنگین

بسیاری از عناصر دست‌ساز سنگین‌تر از اورانیوم در واکنش‌های جذب متوالی نوترون‌ها توسط هسته‌های ایزوتوپ اورانیوم - 235 U در تابش طولانی‌مدت در راکتورهای هسته‌ای قدرتمند، سنتز شدند. نیمه عمر طولانی هسته های جدید جداسازی آنها از سایر محصولات جانبی واکنش را با روش های رادیوشیمیایی با اندازه گیری بعدی خواص آنها در تجزیه رادیواکتیو امکان پذیر کرد. این آثار پیشگام پروفسور جی سیبورگ و همکارانش، در سالهای 1940 - 1953 انجام شد. در آزمایشگاه ملی تشعشع (برکلی، ایالات متحده آمریکا) منجر به کشف هشت عنصر مصنوعی با Z = 93 -100، سنگین‌ترین ایزوتوپ 257 Fm (T 1/2 ~ 100 روز) شد. به دلیل نیمه عمر بسیار کوتاه ایزوتوپ بعدی - 258 Fm (T SF = 0.3 میلی ثانیه)، پیشرفت بیشتر در ناحیه هسته های سنگین تر عملا غیرممکن بود. تلاش برای دور زدن این محدودیت در شارهای نوترونی پالسی با توان بالا ناشی از انفجار هسته ای نتایج مطلوبی را به همراه نداشت: مانند قبل، سنگین ترین هسته 257 Fm بود.

عناصر سنگین‌تر از Pm (Z=100) در واکنش‌هایی با یون‌های سنگین تسریع‌شده، زمانی که مجموعه‌ای از پروتون‌ها و نوترون‌ها به هسته هدف وارد می‌شوند، سنتز شدند. اما این نوع واکنش با حالت قبلی متفاوت است. هنگامی که نوترونی که بار الکتریکی ندارد گرفته می شود، انرژی برانگیختگی یک هسته جدید تنها 6 تا 8 مگا ولت است. در مقابل، در طول همجوشی هسته‌های هدف، حتی با یون‌های سبک مانند هلیوم (4 He) یا کربن (12 درجه سانتی‌گراد)، هسته‌های سنگین تا انرژی 20 تا 40 مگا ولت Ex = گرم می‌شوند. با افزایش بیشتر در تعداد اتمی هسته پرتابه، برای غلبه بر نیروهای الکتریکی دافعه هسته‌های با بار مثبت (سد واکنش کولن) باید انرژی بیشتری و بیشتری به آنها منتقل کند. این شرایط منجر به افزایش انرژی تحریک (گرمایش) هسته ترکیبی می شود که پس از همجوشی دو هسته - پرتابه و هدف ایجاد می شود. خنک شدن آن (انتقال به حالت پایه E x = 0) از طریق گسیل نوترون ها و پرتوهای گاما رخ می دهد. و اینجا اولین مانع است.

یک هسته سنگین گرم شده تنها در 1/100 موارد قادر به انتشار یک نوترون است، اساساً به دو قطعه تقسیم می شود، زیرا انرژی هسته به طور قابل توجهی بالاتر از ارتفاع مانع شکافت آن است. به راحتی می توان فهمید که افزایش انرژی برانگیختگی ترکیب هسته برای آن مضر است. احتمال بقای یک هسته گرم شده با افزایش دما (یا انرژی Ex) به دلیل افزایش تعداد نوترون های تبخیر شده، که شکافت شدیداً با آن رقابت می کند، به شدت کاهش می یابد. برای خنک کردن هسته ای که با انرژی حدود 40 مگا ولت گرم شده است، باید 4 یا 5 نوترون تبخیر شود. هر بار شکافت با انتشار یک نوترون رقابت خواهد کرد، در نتیجه احتمال بقا تنها (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10 خواهد بود. وضعیت با این واقعیت پیچیده است که با افزایش دمای هسته، اثر تثبیت کننده پوسته ها کاهش می یابد، از این رو ارتفاع مانع شکافت کاهش می یابد و شکافت پذیری هسته به شدت افزایش می یابد. هر دوی این عوامل منجر به احتمال بسیار کم تشکیل هسته های فوق سنگین می شود.

پیشروی به منطقه عناصر سنگین تر از 106 پس از کشف در سال 1974 امکان پذیر شد. واکنش های همجوشی سرد در این واکنش ها، هسته های "جادویی" ایزوتوپ های پایدار - 208 Pb (Z = 82، N = 126) یا 209 Bi (Z = 83، N = 126) به عنوان ماده هدف استفاده می شوند که توسط یون های سنگین تر از آرگون بمباران می شوند. (Yu.Ts. Oganesyan ، A.G. Demin و دیگران). در فرآیند همجوشی، انرژی اتصال بالای نوکلئون ها در هسته هدف "جادویی" منجر به جذب انرژی در طول بازآرایی دو هسته متقابل می شود.
به یک هسته سنگین با جرم کل. این تفاوت در انرژی های "بسته بندی" نوکلئون ها در هسته های برهم کنش و در هسته نهایی تا حد زیادی انرژی لازم برای غلبه بر سد کولن بالای واکنش را جبران می کند. در نتیجه، یک هسته سنگین دارای انرژی تحریکی تنها 12-20 مگا ولت است. چنین واکنشی تا حدی شبیه به فرآیند «شکافت معکوس» است. در واقع، اگر شکافت هسته اورانیوم به دو قطعه با آزاد شدن انرژی اتفاق بیفتد (در نیروگاه های هسته ای استفاده می شود)، در واکنش معکوس، زمانی که قطعات ادغام می شوند، هسته اورانیوم حاصل تقریباً سرد خواهد بود. بنابراین، وقتی عناصر در واکنش‌های همجوشی سرد سنتز می‌شوند، کافی است یک هسته سنگین تنها یک یا دو نوترون از خود ساطع کند تا به حالت پایه برود.
واکنش های همجوشی سرد هسته های عظیم با موفقیت برای سنتز 6 عنصر جدید، از 107 تا 112 (P. Armbruster، Z. Hofmann، G. Münzenberg، و غیره) در مرکز ملی فیزیک هسته ای GSI در دارمشتات (آلمان) مورد استفاده قرار گرفت. اخیراً، K. Morita و همکاران در مرکز ملی RIKEN (توکیو) آزمایش‌های GSI را در مورد سنتز 110-112 عنصر تکرار کردند. هر دو گروه قصد دارند با استفاده از پرتابه های سنگین تر به عناصر 113 و 114 بروند. با این حال، تلاش برای سنتز عناصر سنگین تر در واکنش های همجوشی سرد با مشکلات زیادی همراه است. با افزایش بار اتمی یون ها، احتمال همجوشی آنها با هسته های هدف 208 Pb یا 209 Bi به دلیل افزایش نیروهای دافعه کولن، که متناسب با حاصلضرب بارهای هسته ای شناخته می شود، بسیار کاهش می یابد. . از عنصر 104 که در واکنش 208 Pb + 50 Ti (Z 1) بدست می آید × Z 2 = 1804) به عنصر 112 در واکنش 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460)، احتمال ادغام بیش از 10 4 برابر کاهش می یابد.

شکل 3نقشه هسته های سنگین نیمه عمر هسته ها با رنگ های مختلف نشان داده می شود (مقیاس سمت راست). مربع‌های سیاه ایزوتوپ‌های عناصر پایداری هستند که در آن یافت می‌شوند پوسته زمین(T 1/2 ≥ 10 9 سال). رنگ آبی تیره - "دریای بی ثباتی"، جایی که هسته ها کمتر از 10-6 ثانیه زندگی می کنند. خطوط زرد مربوط به پوسته های بسته است که اعداد جادویی پروتون ها و نوترون ها را نشان می دهد. "جزایر پایداری" به دنبال "شبه جزیره" عناصر توریم، اورانیوم و ترانس اورانیوم پیش بینی های نظریه میکروسکوپی هسته است. دو هسته با Z = 112 و 116 که در واکنش‌های هسته‌ای مختلف و فروپاشی پی در پی آنها به دست آمده‌اند، نشان می‌دهند که چقدر می‌توان به «جزایر پایداری» در سنتز مصنوعی عناصر فوق‌سنگین نزدیک شد.

محدودیت دیگری نیز وجود دارد. هسته های مرکب به دست آمده در واکنش های همجوشی سرد دارای تعداد نسبتا کمی نوترون هستند. در مورد تشکیل عنصر 112 در نظر گرفته شده در بالا، هسته نهایی با Z = 112 تنها 165 نوترون دارد، در حالی که افزایش پایداری برای تعداد نوترون های N> 170 انتظار می رود (شکل 3 را ببینید).

در اصل، اگر از عناصر مصنوعی به عنوان هدف استفاده شود، می توان هسته هایی با مقدار زیادی نوترون به دست آورد: پلوتونیوم (Z = 94)، آمریکیوم (Z = 95) یا کوریم (Z = 96) تولید شده در راکتورهای هسته ای، و به عنوان یک پرتابه - ایزوتوپ نادر کلسیم - 48 Ca. (پایین را ببینید).

هسته اتم 48 کلسیم حاوی 20 پروتون و 28 نوترون است - هر دو مقدار مربوط به پوسته های بسته است. در واکنش های همجوشی با 48 هسته کلسیم، ساختار "جادویی" آنها نیز کار خواهد کرد (این نقش در واکنش های همجوشی سرد توسط هسته های جادویی هدف - 208 Pb انجام شد) که در نتیجه انرژی برانگیختگی هسته های فوق سنگین حدود 30 خواهد بود. - 35 مگا ولت انتقال آنها به حالت پایه با انتشار سه نوترون و اشعه گاما همراه خواهد بود. می توان انتظار داشت که در این انرژی برانگیختگی، اثر پوسته های هسته ای هنوز در هسته های فوق سنگین گرم شده وجود داشته باشد، این امر بقای آنها را افزایش می دهد و به ما امکان می دهد آنها را در آزمایش های خود سنتز کنیم. همچنین توجه داشته باشید که عدم تقارن جرمی هسته‌های متقابل (Z 1 × Z2 ≤ 2000) دافعه کولن آنها را کاهش می دهد و در نتیجه احتمال ادغام را افزایش می دهد.

با وجود اینها به ظاهر مزایای آشکارتمام تلاش‌های قبلی برای سنتز عناصر فوق‌سنگین در واکنش‌هایی با ۴۸ یون کلسیم، که در آزمایشگاه‌های مختلف در سال‌های ۱۹۷۷ - ۱۹۸۵ انجام شد. معلوم شد که بی اثر است. با این حال، توسعه تکنیک‌های آزمایشی در سال‌های اخیر و مهم‌تر از همه، تولید پرتوهای شدید 48 یون کلسیم در آزمایشگاه ما در شتاب‌دهنده‌های نسل جدید، امکان افزایش حساسیت آزمایش را تقریباً 1000 برابر کرد. این دستاوردها در تلاشی جدید برای سنتز عناصر فوق سنگین استفاده شد.

3 خواص مورد انتظار

انتظار داریم در صورت سنتز موفقیت آمیز چه چیزی را در آزمایش ببینیم؟ اگر فرضیه نظری درست باشد، هسته های فوق سنگین نسبت به شکافت خود به خودی پایدار خواهند بود. سپس آنها نوع دیگری از فروپاشی را تجربه خواهند کرد: واپاشی آلفا (انتشار یک هسته هلیوم متشکل از 2 پروتون و 2 نوترون). در نتیجه این فرآیند، یک هسته دختر تشکیل می شود که 2 پروتون و 2 نوترون سبک تر از هسته مادر است. اگر هسته دختر احتمال شکافت خود به خودی کمی داشته باشد، پس از واپاشی آلفای دوم، هسته نوه اکنون 4 پروتون و 4 نوترون سبکتر از هسته اولیه خواهد بود. فروپاشی آلفا تا زمانی که شکافت خود به خودی رخ دهد ادامه خواهد داشت (شکل 4).

که ما انتظار داریم که نه یک فروپاشی، بلکه یک "خانواده رادیواکتیو"، زنجیره ای از واپاشی های متوالی آلفا، به اندازه کافی طولانی (در مقیاس هسته ای)، که با هم رقابت می کنند اما در نهایت با شکافت خود به خود قطع می شوند. در اصل، چنین سناریوی فروپاشی قبلاً نشان دهنده تشکیل یک هسته فوق سنگین است.

برای مشاهده کامل افزایش پایداری مورد انتظار، لازم است تا حد امکان به پوسته های بسته Z = 114 و N = 184 نزدیک شویم. سنتز چنین هسته های غنی از نوترون در واکنش های هسته ای بسیار دشوار است، زیرا در طی در همجوشی هسته‌های عناصر پایدار، که در آن نسبت پروتون و نوترون مشخص شده است، رسیدن به هسته جادویی مضاعف 298 114 غیرممکن است. بنابراین، باید سعی کنیم از هسته‌هایی در واکنش استفاده کنیم که در ابتدا حاوی حداکثر تعداد ممکن نوترون این تا حد زیادی به دلیل انتخاب یونهای کلسیم 48 شتابدار به عنوان پرتابه نیز بود. کلسیم در طبیعت فراوان شناخته شده است. این ایزوتوپ 97 درصد از ایزوتوپ 40 کلسیم را تشکیل می دهد که هسته آن شامل 20 پروتون و 20 نوترون است. اما حاوی 0.187٪ ایزوتوپ سنگین - 48 Ca (20 پروتون و 28 نوترون) است که دارای 8 نوترون اضافی است. فناوری تولید آن بسیار زمان بر و گران است. هزینه یک گرم غنی شده با 48 کلسیم حدود 200000 دلار است. بنابراین، ما مجبور شدیم به طور قابل توجهی طراحی و حالت های عملکرد شتاب دهنده خود را تغییر دهیم تا راه حل مصالحه ای پیدا کنیم - برای به دست آوردن حداکثر شدت پرتو یونی در حداقل جریاناین مواد عجیب و غریب

شکل 4
پیش بینی های نظری در مورد انواع واپاشی (در رنگ های مختلف در شکل نشان داده شده است) و نیمه عمر ایزوتوپ های عناصر فوق سنگین با تعداد پروتون ها و نوترون های مختلف. به عنوان مثال، نشان داده شده است که برای ایزوتوپ عنصر 116 با جرم 293، که در واکنش همجوشی هسته های 248 St و 48 Ca تشکیل می شود، سه واپاشی آلفا متوالی انتظار می رود که در شکافت خود به خود به اوج می رسد. هسته نوه عنصر 110 با جرم 281. همانطور که در شکل 8 مشاهده می شود، دقیقاً چنین سناریوی فروپاشی، به شکل یک زنجیره است. α - α - α - SF، برای این هسته در آزمایش مشاهده شد. فروپاشی یک هسته سبکتر - ایزوتوپ عنصر 110 با جرم 271، که در واکنش "همجوشی سرد" هسته های 208 Pb + 64 Ni به دست می آید. نیمه عمر آن 10 4 برابر کمتر از ایزوتوپ است. 281 110.

امروز به رکورد شدت پرتو - 8 رسیده ایم × 10 12 بر ثانیه، با مصرف بسیار کم ایزوتوپ 48 کلسیم - حدود 0.5 میلی گرم در ساعت. به عنوان یک ماده هدف، ما از ایزوتوپ های غنی شده با عمر طولانی عناصر مصنوعی استفاده می کنیم: Pu، Am، Cm و Cf (Z = 94-96 و 98) همچنین با حداکثر محتوای نوترون. آنها در راکتورهای هسته ای قدرتمند (در اوک ریج، ایالات متحده آمریکا و در دیمیتروگراد، روسیه) تولید می شوند و سپس در تأسیسات ویژه، جداکننده های جرمی در مؤسسه تحقیقاتی تمام روسیه فیزیک تجربی (ساروف) غنی می شوند. واکنش های همجوشی 48 هسته کلسیم با هسته این ایزوتوپ ها برای سنتز عناصر با Z = 114-114 انتخاب شد.

در اینجا من می خواهم یک انحراف داشته باشم.

هر آزمایشگاهی، حتی مراکز هسته ای پیشرو جهان، چنین مواد منحصر به فردی و به اندازه ای ندارد که ما در کار خود از آن استفاده کنیم. اما فناوری های تولید آنها در کشور ما توسعه یافته و توسط صنعت ما در حال توسعه است. وزیر انرژی اتمی روسیه پیشنهاد داد که ما برنامه کاری را برای سنتز عناصر جدید به مدت 5 سال تهیه کنیم و کمک هزینه خاصی را برای این مطالعات اختصاص دهیم. از سوی دیگر، با کار در مؤسسه مشترک تحقیقات هسته ای، با آزمایشگاه های پیشرو جهان همکاری (و رقابت) گسترده ای داریم. در تحقیق در مورد سنتز عناصر فوق سنگین، ما سالها با آزمایشگاه ملی لیورمور (ایالات متحده آمریکا) همکاری نزدیک داشته ایم. این همکاری نه تنها تلاش های ما را متحد می کند، بلکه شرایطی را ایجاد می کند که تحت آن نتایج تجربی توسط دو گروه به طور مستقل در تمام مراحل آزمایش پردازش و تجزیه و تحلیل شود.
برای 5 سال کار، در طول مواجهه طولانی مدت، دوز حدود 2 × 10 20 یون (حدود 16 میلی گرم 48 کلسیم، با شتاب تا 1/10 سرعت نور، از لایه های هدف عبور کردند). در این آزمایش ها، تشکیل ایزوتوپ های 112÷118 عنصر (به استثنای عنصر 117) مشاهده شد و اولین نتایج در مورد خواص فروپاشی هسته های فوق سنگین جدید به دست آمد. ارائه تمام نتایج فضای زیادی را اشغال می کند و برای اینکه خواننده را خسته نکنیم، خود را به توصیف آخرین آزمایش در مورد سنتز عناصر 113 و 115 محدود می کنیم - همه واکنش های دیگر مورد بررسی قرار گرفت. به روشی مشابه. اما قبل از شروع به این کار، بهتر است به طور خلاصه تنظیمات آزمایشی را توضیح دهیم و اصول اولیه عملکرد راه اندازی خود را توضیح دهیم.

4. راه اندازی آزمایش

هسته مرکب حاصل از همجوشی هسته هدف و ذرات، پس از تبخیر نوترون ها، در جهت پرتو یونی حرکت خواهد کرد. لایه هدف به اندازه کافی نازک انتخاب می شود تا یک اتم پس زدن سنگین بتواند از آن پرواز کند و حرکت خود را به یک آشکارساز که در فاصله حدوداً 4 متری از هدف قرار دارد ادامه دهد.یک جداکننده پر از گاز بین هدف و آشکارساز قرار دارد. طراحی شده برای سرکوب ذرات پرتو و محصولات جانبی واکنش.
اصل عملکرد جداکننده (شکل 5) بر اساس این واقعیت است که اتم ها در یک محیط گازی - در مورد ما، در هیدروژن، در فشار تنها 10 -3 اتمسفر است. - بسته به سرعت آنها بار یونی متفاوتی خواهند داشت. این اجازه می دهد تا آنها را در یک میدان مغناطیسی "در حال پرواز" در 10 -6 ثانیه از هم جدا کنند. و آن را به آشکارساز ارسال کنید. اتم هایی که از جداکننده عبور کرده اند در لایه حساس یک آشکارساز نیمه هادی کاشته می شوند و سیگنال هایی در مورد زمان رسیدن اتم پس زدگی، انرژی آن و محل کاشت (یعنی مختصات: ایکس و در روی سطح کار آشکارساز). برای این منظور، آشکارساز با مساحت کل حدود 50 سانتی متر مربع به شکل 12 "نوار" ساخته شده است - نوارهایی شبیه کلیدهای پیانو - که هر کدام دارای حساسیت طولی هستند. اگر هسته اتم کاشته شده دچار فروپاشی آلفا شود، آنگاه ذره آلفای ساطع شده (با انرژی مورد انتظار حدود 10 مگا ولت) توسط آشکارساز با تمام پارامترهای ذکر شده قبلی ثبت می شود: زمان، انرژی و مختصات. اگر بعد از واپاشی اول دومی دنبال شود، اطلاعات مشابهی برای ذره آلفای دوم و غیره به دست می آید. تا زمانی که تقسیم خود به خودی رخ دهد. آخرین فروپاشی به عنوان دو سیگنال با دامنه بالا ثبت می شود که در زمان همخوانی دارند (Е 1 + Е 2 ~ 200 مگا ولت). به منظور افزایش کارایی ثبت ذرات آلفا و قطعات شکافت جفتی، آشکارساز جلویی توسط آشکارسازهای جانبی احاطه شده است و یک "جعبه" با دیواری باز از سمت جداکننده تشکیل می دهد. در جلوی مجموعه آشکارساز، دو آشکارساز نازک زمان پرواز وجود دارد که سرعت هسته های پس زدگی را اندازه گیری می کند (به اصطلاح آشکارسازهای TOF، مخفف کلمات انگلیسی - زمان پرواز). بنابراین، اولین سیگنال ناشی از هسته عقب نشینی با علامت TOF می آید. سیگنال های بعدی از فروپاشی هسته ها این ویژگی را ندارند.
البته، پوسیدگی ها می توانند مدت زمان های مختلفی داشته باشند که با انتشار یک یا چند ذره آلفا با انرژی های مختلف مشخص می شود. اما اگر آنها به یک هسته تعلق داشته باشند و یک خانواده رادیواکتیو تشکیل دهند (هسته مادری - دختر - نوه و غیره)، پس مختصات همه سیگنال ها - از هسته پس زدن، ذرات آلفا و قطعات شکافت - باید در هماهنگی با دقت مطابقت داشته باشند. وضوح آشکارساز موقعیتی آشکارسازهای ما، تولید شده توسط Canberra Electronics، انرژی ذرات آلفا را با دقت ~ 0.5٪ اندازه گیری می کنند و وضوح موقعیتی حدود 0.8 میلی متر برای هر نوار دارند.

شکل 5
نمای شماتیک تاسیسات جداسازی هسته های پس زدگی در آزمایشات سنتز عناصر سنگین

از نظر ذهنی، کل سطح آشکارساز را می توان به صورت حدود 500 سلول (پیکسل) نشان داد که در آن فروپاشی ها شناسایی می شوند. احتمال اینکه دو سیگنال به طور تصادفی در یک مکان قرار گیرند 1/500، سه سیگنال - 1/250000 و غیره است. این امکان را فراهم می کند تا از بین مقدار زیادی محصولات رادیواکتیو، رویدادهای بسیار نادر مربوط به واپاشی متوالی ژنتیکی هسته های فوق سنگین، حتی اگر در مقدار بسیار کم (~ 1 اتم در ماه) تشکیل شوند، با قابلیت اطمینان بالا انتخاب شود.

5. نتایج تجربی

(تجربه فیزیکی)

برای نشان دادن نصب "در عمل"، به عنوان مثال، آزمایشات مربوط به سنتز عنصر 115 تشکیل شده در واکنش همجوشی هسته ای 243 Am (Z = 95) + 48 Ca (Z = 20) را با جزئیات بیشتری شرح خواهیم داد. ) ← 291 115.
سنتز یک هسته Z-فرد از این نظر جذاب است که وجود یک پروتون یا نوترون فرد احتمال شکافت خود به خودی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد و تعداد انتقال های متوالی آلفا (زنجیره های طولانی) بیشتر از واپاشی زوج خواهد بود. حتی هسته ها برای غلبه بر سد کولن، 48 یون کلسیم باید دارای انرژی E> 236 MeV باشند. از سوی دیگر، اگر این شرط برآورده شود، اگر انرژی پرتو به E=248 MeV محدود شود، انرژی حرارتی ترکیب هسته 291 115 حدود 39 MeV خواهد بود. سرد شدن آن از طریق انتشار 3 نوترون و پرتوهای گاما رخ می دهد. سپس محصول واکنش، ایزوتوپ 115 عنصر با تعداد نوترون N=173 خواهد بود. پس از خروج از لایه هدف، یک اتم عنصر جدید از جداکننده ای که برای عبور از آن تنظیم شده است عبور می کند و وارد آشکارساز می شود. رویدادهای بیشتر همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است ایجاد می شوند. 80 میکروثانیه پس از توقف هسته عقب‌نشینی در آشکارساز فرونتال، سیستم جمع‌آوری داده‌ها سیگنال‌هایی در مورد زمان رسیدن، انرژی و مختصات (شماره نوار و موقعیت در آن) دریافت می‌کند. توجه داشته باشید که این اطلاعات دارای علامت "TOF" است (از جداکننده آمده است). اگر در عرض 10 ثانیه، سیگنال دوم با انرژی بیش از 9.8 مگا الکترون ولت از همان مکان روی سطح آشکارساز، بدون علامت "TOF" (یعنی از فروپاشی اتم کاشته شده) دنبال شود، پرتو چرخانده می شود. خاموش است و تمام فروپاشی بیشتر در شرایط عدم وجود تقریباً کامل پس زمینه ثبت می شود. همانطور که در نمودار بالایی شکل 6 مشاهده می شود، در پشت دو سیگنال اول - از هسته پس زدن و اولین ذره آلفا - برای مدت زمانی حدود 20 ثانیه. پس از خاموش شدن پرتو، 4 سیگنال دیگر دنبال شد که موقعیت آنها با دقت 0.5 ± میلی متر با سیگنال های قبلی مطابقت دارد. برای 2.5 ساعت بعدی آشکارساز ساکت بود. شکافت خود به خودی در همان نوار و در همان موقعیت تنها روز بعد، 28.7 ساعت بعد، به صورت دو سیگنال از قطعات شکافت با مجموع انرژی 206 مگا ولت ثبت شد.
چنین زنجیره ای سه بار ثبت شد. همه آنها شکل یکسانی دارند (6 نسل هسته در خانواده رادیواکتیو) و با در نظر گرفتن قانون نمایی فروپاشی هسته ای، هم از نظر انرژی ذرات آلفا و هم در زمان ظهور آنها با یکدیگر سازگار هستند. اگر اثر مشاهده شده، همانطور که انتظار می رود، اشاره به فروپاشی ایزوتوپ عنصر 115 با جرم 288 باشد، که پس از تبخیر ترکیب توسط هسته 3 نوترون تشکیل می شود، سپس با افزایش انرژی 48Ca. پرتو یونی تنها با 5 مگا ولت، باید ضریب 5-6 کاهش یابد. در واقع، در E = 253 MeV، این اثر وجود نداشت. اما در اینجا یک زنجیره دیگر، کوتاهتر، از فروپاشی مشاهده شد که از چهار ذره آلفا تشکیل شده بود (ما معتقدیم که 5 مورد نیز وجود داشت، اما آخرین ذره آلفا به بیرون پرواز کرد. پنجره باز شد) با مدت زمان تنها 0.4 ثانیه. زنجیره جدیدی از فروپاشی پس از - 1.5 ساعت با شکافت خود به خود پایان یافت. بدیهی است که این فروپاشی یک هسته دیگر است، با احتمال زیاد ایزوتوپ همسایه عنصر 115 با جرم 287، که در یک واکنش همجوشی با انتشار 4 نوترون تشکیل شده است. زنجیره فروپاشی پی در پی ایزوتوپ فرد-فرد Z=115، N=173 در نمودار پایینی شکل 6 نشان داده شده است، که در آن نیمه عمر محاسبه شده هسته های فوق سنگین با تعداد پروتون ها و نوترون های مختلف به شکل نشان داده شده است. از یک نقشه کانتور همچنین فروپاشی ایزوتوپ فرد و فرد سبک‌تر عنصر 111 با تعداد نوترون‌های N = 161 سنتز شده در واکنش 209 Bi + 64 Ni در آزمایشگاه آلمان - GSI (دارمشتات) و سپس در ژاپن - RIKEN را نشان می‌دهد. (توکیو).

شکل 6
آزمایش سنتز عنصر 115 در واکنش 48 Ca + 243 At.
شکل بالا زمان ظهور سیگنال ها را پس از کاشت در آشکارساز یک هسته عقب نشینی (R) نشان می دهد. سیگنال های ثبت ذرات آلفا با رنگ قرمز و سیگنال های حاصل از شکافت خود به خود با رنگ سبز مشخص شده اند. به عنوان مثال، برای یکی از سه رویداد، مختصات موقعیتی (بر حسب میلی متر) همه 7 سیگنال از زنجیره واپاشی R →α 1 → α 2 → α 3 → α 4 → α 5 → SF در نوار شماره 4 ثبت شده است. خطوط کانتوری که نواحی هسته‌ها را با نیمه عمر متفاوت مشخص می‌کنند ( درجات مختلفسایه) - پیش بینی های نظریه میکروسکوپی.

ابتدا باید توجه داشت که نیمه عمر هسته ها در هر دو مورد با پیش بینی های نظری مطابقت خوبی دارد. با وجود این واقعیت که ایزوتوپ 288 115 11 نوترون از پوسته نوترونی N=184 فاصله دارد، ایزوتوپ های عناصر 115 و 113 طول عمر نسبتاً طولانی دارند (به ترتیب T 1/2 ~ 0.1 ثانیه و 0.5 ثانیه).
پس از پنج واپاشی آلفا، ایزوتوپ 105 عنصر تشکیل می شود - دوبنیوم (Db) با N=163 که پایداری آن توسط پوسته بسته دیگری N=162 تعیین می شود. قدرت این پوسته با تفاوت فاحش در نیمه عمر دو ایزوتوپ Db که تنها 8 نوترون از یکدیگر متفاوت هستند نشان می دهد. ما یک بار دیگر متذکر می شویم که در غیاب ساختار (پوسته های هسته ای)، همه ایزوتوپ های 105÷115 عنصر باید در زمان ~ 10-19 ثانیه شکافت خود به خودی را تجربه کنند.

(تجربه شیمیایی)

در مثالی که در بالا توضیح داده شد، خواص ایزوتوپ با عمر طولانی 268 Db، که زنجیره واپاشی عنصر 115 را می بندد، مورد توجه مستقل است.
طبق قانون تناوبی، عنصر 105 در ردیف پنجم قرار دارد. همانطور که در شکل 7 مشاهده می شود، یک همولوگ شیمیایی از نیوبیوم (Nb) و تانتالیم (Ta) است و از نظر خواص شیمیایی با تمام عناصر سبکتر متفاوت است - اکتینیدها (Z = 90 ÷ 103) که یک گروه جداگانه را در جدول نشان می دهند. DI مندلیف به دلیل نیمه عمر طولانی، این ایزوتوپ عنصر 105 می تواند از تمام محصولات واکنش جدا شود. روش رادیوشیمیاییبا اندازه گیری بعدی فروپاشی آن - شکافت خود به خود. این آزمایش یک شناسایی مستقل از عدد اتمی هسته نهایی (Z = 105) و تمام هسته‌های تشکیل‌شده در فروپاشی پی در پی آلفای عنصر 115 را می‌دهد.
در آزمایش شیمیایی، نیازی به استفاده از جداکننده پس انداز نیست. جداسازی محصولات واکنش با توجه به اعداد اتمی آنها با روش هایی بر اساس تفاوت در خواص شیمیایی آنها انجام می شود. بنابراین در اینجا از روش ساده تری استفاده شد. محصولات واکنشی که از هدف فرار می‌کنند به یک کلکتور مسی واقع در مسیر حرکت آنها تا عمق 3-4 میکرون هدایت می‌شوند. پس از 20-30 ساعت تابش، مجموعه حل شد. کسری از ترانساکتینیدها از محلول جدا شد - عناصر Z > 104 - a از این کسر، سپس عناصر ردیف 5 - Db، همراه با همولوگهای شیمیایی آنها Nb و Ta. دومی به عنوان "نشانگر" به محلول قبل از جداسازی شیمیایی اضافه شد. قطره ای از محلول حاوی Db بر روی یک بستر نازک قرار داده شد، خشک شد و سپس بین دو آشکارساز نیمه هادی قرار گرفت که هر دو قطعه شکافت خود به خود را ثبت کردند. کل مجموعه به نوبه خود در یک آشکارساز نوترون قرار داده شد که تعداد نوترون های ساطع شده توسط قطعات در طول شکافت هسته ای Db را تعیین می کرد.
در ژوئن 2004، 12 آزمایش یکسان انجام شد (S. N. Dmitriev و همکاران)، که در آن 15 رویداد شکافت خود به خودی Db ثبت شد. قطعات شکافت خود به خودی Db دارای انرژی جنبشی در حدود 235 مگا الکترون ولت هستند؛ به طور متوسط برای هر رویداد شکافت حدود 4 نوترون ساطع می شود. چنین ویژگی هایی در شکافت خود به خودی یک هسته به اندازه کافی سنگین ذاتی هستند. به یاد بیاورید که برای 238 U این مقادیر به ترتیب حدود 170 MeV و 2 نوترون هستند.
تجربه شیمیایی نتایج آزمایش فیزیکی را تأیید می کند: هسته های عنصر 115 در واکنش 243 Am + 48 Ca در نتیجه پنج فروپاشی متوالی آلفا تشکیل شدند: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 واقعا منجر می شود. در این آزمایش‌ها، به عنوان محصول دختری از واپاشی آلفای عنصر 115، عنصر ناشناخته دیگری با شماره اتمی 113 نیز سنتز شد.

شکل 7
آزمایشات فیزیکی و شیمیایی در مورد مطالعه خواص رادیواکتیو عنصر 115.
در واکنش 48 Ca + 243 At، با استفاده از یک تنظیم فیزیکی، نشان داده شد که پنج متوالی
فروپاشی آلفا ایزوتوپ 288 115 منجر به ایزوتوپ طولانی مدت عنصر 105 - 268 Db می شود که
به طور خود به خود به دو قطعه تقسیم می شود. در یک آزمایش شیمیایی مشخص شد که هسته ای با عدد اتمی 105 شکافت خود به خودی را تجربه می کند.

6. تصویر بزرگ و آینده

نتایج به دست آمده در واکنش 243 Am+ 48 Ca مورد خاصی نیست. در طول سنتز هسته‌های Z-حتی - ایزوتوپ‌های 112، 114 و 116 عناصر - ما همچنین زنجیره‌های واپاشی طولانی را مشاهده کردیم که به شکافت خود به خود هسته‌ها با Z = 104-110 ختم می‌شد، که طول عمر آن بسته به نوع آن از ثانیه تا ساعت متغیر بود. عدد اتمی و ترکیب نوترونی هسته تا به امروز، داده هایی در مورد خواص فروپاشی 29 هسته جدید با Z = 104-118 به دست آمده است. آنها بر روی نقشه نوکلیدها ارائه شده اند (شکل 8). خواص سنگین‌ترین هسته‌های واقع در ناحیه ترانساکتینیدها، نوع فروپاشی، انرژی‌ها و زمان‌های فروپاشی آنها با پیش‌بینی‌های نظریه مدرن مطابقت دارد. به نظر می رسد فرضیه وجود جزایر پایداری هسته های فوق سنگین که به طور قابل توجهی دنیای عناصر را گسترش می دهند، برای اولین بار تأیید تجربی پیدا کرده است.

چشم انداز

اکنون وظیفه بررسی جزئیات بیشتر ساختار هسته ای و اتمی عناصر جدید است که در درجه اول به دلیل بازده پایین محصولات واکنش مورد نظر بسیار مشکل ساز است. برای افزایش تعداد اتم های عناصر فوق سنگین، باید شدت پرتو یونی 48Ca را افزایش داد و راندمان را افزایش داد. تکنیک های فیزیکی. نوسازی شتاب دهنده یون سنگین که برای سال های آینده برنامه ریزی شده است، با استفاده از آخرین دستاوردهای فناوری شتاب دهنده، به ما امکان می دهد شدت پرتو یون را حدود 5 برابر افزایش دهیم. حل بخش دوم مستلزم تغییر اساسی در زمینه آزمایش است. می توان آن را در ایجاد یک تکنیک تجربی جدید بر اساس خواص عناصر فوق سنگین یافت.

شکل 8
نقشه هسته های عناصر سنگین و فوق سنگین.
برای هسته های داخل بیضی مربوط به واکنش های مختلف همجوشی (نشان داده شده در شکل)، نیمه عمر و انرژی ذرات آلفای ساطع شده نشان داده شده است (مربع های زرد). داده ها در ارائه شده است نقشه کانتورجداسازی منطقه با توجه به سهم تأثیر پوسته های هسته ای در انرژی اتصال هسته. در غیاب ساختار هسته ای، کل میدان سفید خواهد بود. با تاریک شدن آن، اثر پوسته ها بیشتر می شود. دو باند مجاور فقط 1 مگا ولت با هم تفاوت دارند. با این حال، این برای افزایش قابل توجهی پایداری هسته‌ها نسبت به شکافت خودبه‌خود کافی است، در نتیجه هسته‌های واقع در نزدیکی تعداد «جادویی» پروتون‌ها و نوترون‌ها عمدتاً واپاشی آلفا را تجربه می‌کنند. از سوی دیگر، در ایزوتوپ های عناصر 110 و 112، افزایش تعداد نوترون ها به میزان 8 واحد اتمی منجر به افزایش دوره های فروپاشی آلفای هسته ها به بیش از 10 5 برابر می شود.

اصل عملکرد تاسیسات عامل - جداکننده سینماتیکی هسته های پس زدن (شکل 5) بر اساس تفاوت در ویژگی های سینماتیکی انواع مختلف واکنش ها است. محصولات واکنش همجوشی هسته های هدف و 48 کلسیم مورد علاقه ما از هدف در جهت جلو، در یک مخروط زاویه ای باریک 0±3 با انرژی جنبشی حدود 40 مگا ولت پرواز می کنند. با محدود کردن مسیرهای پس زدگی با در نظر گرفتن این پارامترها، ما تقریباً به طور کامل از پرتو یون جدا می شویم، پس زمینه محصولات جانبی واکنش را به میزان 10 4 ÷ 10 6 بار سرکوب می کنیم و اتم های عناصر جدید را با بازدهی به آشکارساز تحویل می دهیم. تقریباً 40٪ در 1 میکروثانیه. به عبارت دیگر، جداسازی محصولات واکنش "در حال پرواز" اتفاق می افتد.

شکل 8 نصب MASHA
شکل بالا نمودار جداکننده و اصل عملکرد آن را نشان می دهد. هسته های پس زدگی ساطع شده از لایه هدف در جمع کننده گرافیت در عمق چند میکرومتری متوقف می شوند. به واسطه درجه حرارت بالادر کلکتور، آنها در محفظه منبع یونی پخش می شوند، از پلاسما خارج می شوند، توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند و توسط میدان های مغناطیسی در جهت آشکارساز با جرم مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند. در این طرح می توان جرم یک اتم را با دقت 1/3000 تعیین کرد. شکل پایین نشان می دهد فرم کلینصب و راه اندازی.

اما برای به دست آوردن گزینش پذیری بالایی از نصب، مهم است که پارامترهای سینماتیکی - زوایای خروج و انرژی هسته های عقب نشینی را حفظ کنید، "لکه نکنید". به همین دلیل، لازم است از لایه‌های هدف با ضخامت بیش از 0.3 میکرومتر استفاده شود - تقریباً سه برابر کمتر از آنچه برای به دست آوردن عملکرد مؤثر یک هسته فوق‌سنگین با جرم معین لازم است، یا 5 تا 6 برابر کمتر از زمانی که آن را بدست آوریم. به سنتز دو ایزوتوپ از یک عنصر داده شده در مجاورت جرم می رسد. علاوه بر این، برای به دست آوردن داده هایی در مورد تعداد جرم ایزوتوپ های یک عنصر فوق سنگین، انجام یک سری آزمایش های طولانی و پر زحمت - برای تکرار اندازه گیری ها در انرژی های مختلف پرتو یون کلسیم 48 ضروری است.
در عین حال، همانطور که از آزمایشات ما نشان می دهد، اتم های سنتز شده عناصر فوق سنگین نیمه عمری دارند که به طور قابل توجهی از سرعت جداکننده سینماتیکی فراتر می رود. بنابراین در بسیاری از موارد نیازی به جداسازی محصولات واکنش در این مدت کوتاه نیست. سپس می توان اصل عملکرد نصب را تغییر داد و جداسازی محصولات واکنش را در چند مرحله انجام داد.
طرح نصب جدید در شکل 9 نشان داده شده است. پس از کاشت هسته‌های پس‌زن در کلکتوری که تا دمای 2000 درجه سانتی‌گراد گرم شده است، اتم‌ها در پلاسمای منبع یونی پخش می‌شوند، در پلاسما یونیزه می‌شوند و به شارژ q=1 + یونیزه می‌شوند و توسط یک منبع یونی از منبع بیرون کشیده می‌شوند. میدان الکتریکی، با جرم در میدان‌های مغناطیسی با مشخصات خاص از هم جدا می‌شوند و در نهایت (بر اساس نوع فروپاشی) توسط آشکارسازهای واقع در صفحه کانونی ثبت می‌شوند. کل این روش بسته به این می تواند زمان تخمینی از دهم ثانیه تا چند ثانیه طول بکشد شرایط دماییو خواص فیزیکی و شیمیاییاتم های جدا شده با تسلیم سرعت به جداکننده سینماتیک، نصب جدید - MASHA (مخفف نام و نام خانوادگی تحلیلگر جرم اتم های فوق سنگین) - راندمان کار را حدود 10 برابر افزایش می دهد و به همراه خواص فروپاشی، اندازه گیری مستقیم جرم هسته های فوق سنگین را به دست می دهد.
با تشکر از کمک مالی اختصاص داده شده توسط فرماندار منطقه مسکو B.V. گروموف برای ایجاد این تاسیسات، در آن طراحی و ساخته شد کوتاه مدت- به مدت 2 سال تست ها را گذرانده و آماده کار است. پس از بازسازی شتاب دهنده، با نصب MASHA. ما به طور قابل توجهی تحقیقات خود را در مورد خواص هسته های جدید گسترش خواهیم داد و سعی می کنیم بیشتر به منطقه عناصر سنگین تر برویم.

(جستجوی عناصر فوق سنگین در طبیعت)

طرف دیگر مشکل عناصر فوق سنگین مربوط به تولید هسته های با عمر طولانی تر است. در آزمایشاتی که در بالا توضیح داده شد، ما فقط به لبه "جزیره" نزدیک شدیم، یک ارتفاع شیب دار پیدا کردیم، اما هنوز از بالای آن فاصله داریم، جایی که هسته ها می توانند هزاران و شاید حتی میلیون ها سال زندگی کنند. ما در هسته های سنتز شده نوترون کافی برای نزدیک شدن به پوسته N=184 نداریم. امروزه این امر دست نیافتنی است - هیچ واکنشی وجود ندارد که به دست آوردن چنین هسته های غنی از نوترون را ممکن کند. شاید در آینده‌ای دور، فیزیکدانان بتوانند از پرتوهای شدید یون‌های رادیواکتیو، با تعداد نوترون‌های بیشتر از 48 هسته کلسیم استفاده کنند. چنین پروژه هایی در حال حاضر به طور گسترده مورد بحث قرار می گیرند، بدون اینکه به هزینه های لازم برای ایجاد چنین غول های شتاب دهنده پرداخته شود.

با این حال، می توانید سعی کنید از طرف دیگر به این مشکل نزدیک شوید.

اگر فرض کنیم طولانی ترین هسته های فوق سنگین نیمه عمری برابر با 10 5 ÷ 10 6 سال داشته باشند (تفاوت زیادی با پیش بینی های این نظریه که تخمین های خود را نیز با دقت خاصی انجام می دهد) باشد، ممکن است که آنها را می توان در پرتوهای کیهانی - شاهدان عناصر شکل گیری در دیگر سیارات جوان تر کیهان تشخیص داد. اگر فرض قوی‌تری داشته باشیم که نیمه‌عمر «صدساله‌ها» می‌تواند ده‌ها میلیون سال یا بیشتر باشد، آن‌ها می‌توانند در زمین حضور داشته باشند و از زمانی که عناصر در کره زمین شکل گرفته‌اند در مقادیر بسیار کمی زنده مانده‌اند. منظومه شمسی تا به امروز
در میان نامزدهای احتمالی، ما ایزوتوپ‌های عنصر 108 (Hs) را ترجیح می‌دهیم که هسته‌های آن حدود 180 نوترون دارد. آزمایش های شیمیایی انجام شده با ایزوتوپ کوتاه مدت 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s) نشان داد که عنصر 108، همانطور که انتظار می رود، طبق قانون تناوبی، همولوگ شیمیایی عنصر 76 - اسمیم (Os) است.

شکل 10
نصب برای ثبت فلاش نوترونی از شکافت خود به خودی هسته ها در حین واپاشی عنصر 108. (آزمایشگاه زیرزمینی در مودان، فرانسه)

سپس یک نمونه از اسمیم فلزی ممکن است حاوی عنصر Eka (Os) در مقادیر بسیار کم باشد. وجود Eka(Os) در اسمیم را می توان از واپاشی رادیواکتیو آن تعیین کرد. این امکان وجود دارد که یک کبد دراز بسیار سنگین شکافت خود به خودی را تجربه کند، یا شکافت خود به خودی پس از واپاشی های قبلی آلفا یا بتا (نوعی تبدیل رادیواکتیو که در آن یکی از نوترون های هسته به پروتون تبدیل می شود) سبک تر و کوتاه تر رخ دهد. -هسته دختر یا نوه زندگی می کرد. بنابراین، در مرحله اول، می توان آزمایشی را برای ثبت رویدادهای نادر شکافت خود به خودی یک نمونه اسمیوم راه اندازی کرد. چنین آزمایشی در حال آماده سازی است. اندازه گیری ها از پایان سال جاری آغاز می شود و 1 تا 1.5 سال به طول می انجامد. فروپاشی یک هسته فوق سنگین توسط یک فلاش نوترونی همراه با شکافت خود به خود ثبت می شود. به منظور محافظت از تاسیسات در برابر پس‌زمینه نوترون‌های تولید شده توسط پرتوهای کیهانی، اندازه‌گیری‌ها در یک آزمایشگاه زیرزمینی واقع در زیر کوه‌های آلپ در وسط تونلی که فرانسه را به ایتالیا وصل می‌کند در عمقی مطابق با آب 4000 متری انجام خواهد شد. لایه معادل
اگر در طول سال اندازه گیری حداقل یک رویداد از شکافت خود به خودی یک هسته فوق سنگین مشاهده شود، آنگاه این با غلظت عنصر 108 در نمونه Os حدود 5 مطابقت دارد. × 10-15 گرم در گرم، با فرض اینکه نیمه عمر آن 10 9 سال باشد. چنین مقدار کمی تنها 10-16 غلظت اورانیوم در پوسته زمین است.
علیرغم حساسیت فوق‌العاده بالای آزمایش، شانس کشف هسته‌های فوق‌سنگین باقیمانده کم است. اما هر جستجوی علمی همیشه شانس کمی دارد ... هیچ تاثیری بر نیمه عمر کبد طولانی در سطح T 1/2 ایجاد نمی کند. ≤ 3× 10 7 ساله. نه چندان چشمگیر، اما برای درک خواص هسته ها در منطقه جدید پایداری عناصر فوق سنگین مهم است.

در انرژی یون های کریپتون در نزدیکی سد کولن، سه مورد از تشکیل عنصر 118 مشاهده شد. 293 118 هسته در یک آشکارساز سیلیکونی کاشته شدند و زنجیره ای از شش آلفا-واپاشی متوالی مشاهده شد که به ایزوتوپ 269 Sg ختم می شد. سطح مقطع برای تولید عنصر 118 ~2 پیکوبارن بود. نیمه عمر ایزوتوپ 293 118 120 میلی ثانیه است. روی انجیر شکل 3 زنجیره ای از واپاشی پی در پی ایزوتوپ 293 118 را نشان می دهد و نیمه عمر هسته های دختر تشکیل شده در نتیجه واپاشی α را نشان می دهد.

بر اساس مدل‌های نظری مختلف، ویژگی‌های فروپاشی هسته‌های فوق سنگین محاسبه شد. نتایج یکی از این محاسبات در شکل نشان داده شده است. 4. نیمه عمر هسته های فوق سنگین زوج و حتی با توجه به شکافت خود به خودی (a)، واپاشی α (b)، فروپاشی β (c) و برای تمام فرآیندهای فروپاشی ممکن (d) آورده شده است. پایدارترین هسته با توجه به شکافت خودبخودی (شکل 4a) هسته ای با Z = 114 و N = 184 است. نیمه عمر آن نسبت به شکافت خود به خود 10 16 سال است. برای ایزوتوپ های عنصر 114، که با پایدارترین ایزوتوپ ها 6-8 نوترون متفاوت است، نیمه عمر 10-15 مرتبه قدر کاهش می یابد. نیمه عمر با توجه به واپاشی α در شکل 1 نشان داده شده است. 4b. پایدارترین هسته در ناحیه Z قرار دارد< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.

هسته های پایدار با توجه به واپاشی β در شکل نشان داده شده است. نقاط تاریک 4c. روی انجیر 4d نیمه عمر کامل را نشان می دهد. برای هسته های یکنواخت واقع در داخل کانتور مرکزی، 10 5 سال است. بنابراین، پس از در نظر گرفتن همه انواع فروپاشی، معلوم می شود که هسته های مجاور Z = 110 و N = 184 "جزیره ثبات" را تشکیل می دهند. نیمه عمر هسته ۲۹۴ ۱۱۰ حدود ۱۰۹ سال است. تفاوت بین مقدار Z و عدد جادویی 114 پیش‌بینی‌شده توسط مدل پوسته به دلیل رقابت بین شکافت (در رابطه با اینکه هسته با Z = 114 پایدارتر است) و α-واپاشی (در رابطه با کدام هسته‌ها) است. Z کوچکتر پایدار هستند). برای هسته های زوج و فرد، نیمه عمر با توجه به واپاشی α و شکافت خود به خودی افزایش می یابد و با توجه به واپاشی β کاهش می یابد. لازم به ذکر است که برآوردهای فوق به شدت به پارامترهای مورد استفاده در محاسبات بستگی دارد و تنها می تواند به عنوان نشانه ای از احتمال وجود هسته های فوق سنگین با طول عمر کافی برای تشخیص آزمایشی آنها در نظر گرفته شود.

نتایج یک محاسبه دیگر از شکل تعادل هسته های فوق سنگین و نیمه عمر آنها در شکل 1 نشان داده شده است. 5، 11.11. روی انجیر شکل 11.10 وابستگی انرژی تغییر شکل تعادل را به تعداد نوترون ها و پروتون ها برای هسته هایی با Z = 104-120 نشان می دهد. انرژی کرنش به عنوان تفاوت بین انرژی هسته ها در حالت تعادل و کروی تعریف می شود. از این داده ها می توان دریافت که مناطق Z = 114 و N = 184 باید حاوی هسته هایی باشند که در حالت پایه شکل کروی دارند. تمام هسته های فوق سنگین کشف شده تا به امروز (در شکل 5 توسط الماس های تیره نشان داده شده اند) تغییر شکل داده اند. الماس های سبک هسته هایی را نشان می دهند که نسبت به واپاشی β پایدار هستند. این هسته ها باید در نتیجه واپاشی α یا شکافت تجزیه شوند. کانال اصلی فروپاشی باید α-واپاشی باشد.

نیمه عمر برای ایزوتوپ های پایدار بتا حتی یکنواخت در شکل نشان داده شده است. 6. طبق این پیش‌بینی‌ها، انتظار می‌رود که نیمه عمر بیشتر هسته‌ها بسیار طولانی‌تر از آن‌هایی باشد که برای هسته‌های فوق سنگین از قبل کشف شده (0.1-1 ms) مشاهده شده است. به عنوان مثال، برای هسته 292 110، عمر ~ 51 سال پیش بینی شده است.
بنابراین، طبق محاسبات میکروسکوپی مدرن، با نزدیک شدن به عدد جادویی نوترونی N = 184، پایداری هسته های فوق سنگین به شدت افزایش می یابد. تا همین اواخر، تنها ایزوتوپ عنصری با Z = 112، ایزوتوپ 277 112 بود که دارای نیمی از عمر 0.24 میلی ثانیه ایزوتوپ سنگین تر 283 112 در واکنش همجوشی سرد 48 Ca + 238 U سنتز شد. زمان تابش 25 روز. تعداد کل 48 یون کلسیم روی هدف 3.5·10 18 است. دو مورد ثبت شد، که به عنوان شکافت خود به خود ایزوتوپ تشکیل شده 283 112 تفسیر شد. برای نیمه عمر این ایزوتوپ جدید، تخمین T 1/2 = 81 s به دست آمد. بنابراین مشاهده می شود که افزایش تعداد نوترون های ایزوتوپ 283112 نسبت به ایزوتوپ 277112 به میزان 6 واحد، طول عمر را 5 مرتبه قدر افزایش می دهد.

روی انجیر شکل 7 طول عمر اندازه گیری شده ایزوتوپ های Sg (Z = 106) در مقایسه با پیش بینی های مدل های نظری مختلف را نشان می دهد. قابل توجه است که طول عمر ایزوتوپ با N = 164 در مقایسه با طول عمر ایزوتوپ با N = 162 تقریباً یک مرتبه قدر کاهش می یابد.
نزدیکترین رویکرد به جزیره پایداری را می توان در واکنش 76 Ge + 208 Pb بدست آورد. یک هسته تقریبا کروی فوق سنگین می تواند در یک واکنش همجوشی و به دنبال آن گسیل گاما کوانتا یا یک نوترون تشکیل شود. بر اساس برآوردها، هسته 284 114 حاصل باید با انتشار ذرات α با نیمه عمر ~ 1 میلی ثانیه تجزیه شود. اطلاعات بیشتر در مورد پر شدن پوسته در ناحیه N = 162 را می توان با مطالعه واپاشی α 271 108 و 267 106 هسته به دست آورد. نیمه عمر 1 دقیقه برای این هسته ها پیش بینی شده است. و 1 ساعت برای هسته های 263 106, 262 107, 205 108, 271.273 110 ایزومری انتظار می رود که علت آن پر شدن زیر پوسته ها با j = 1/2 و j = 13/2 در ناحیه N = 162 برای هسته های تغییر شکل یافته است. حالت اساسی.

روی انجیر شکل 8 توابع تحریک آزمایشی اندازه گیری شده برای تشکیل عناصر Rf (Z = 104) و Hs (Z = 108) را برای واکنش های همجوشی یون های 50 Ti و 56 Fe با هسته هدف 208 سرب نشان می دهد.
هسته مرکب حاصل با انتشار یک یا دو نوترون سرد می شود. اطلاعات در مورد توابع تحریک واکنش های همجوشی یون های سنگین به ویژه برای به دست آوردن هسته های فوق سنگین مهم است. در واکنش همجوشی یون های سنگین، لازم است که عمل نیروهای کولن و نیروهای کشش سطحی دقیقاً متعادل شود. اگر انرژی یون فرودی به اندازه کافی بزرگ نباشد، حداقل فاصله نزدیک برای ادغام سیستم هسته ای دوتایی کافی نخواهد بود. اگر انرژی ذره برخوردی بیش از حد زیاد باشد، سیستم حاصل از انرژی برانگیختگی بالایی برخوردار بوده و به احتمال زیاد به قطعات متلاشی می شود. ادغام به طور موثر در محدوده انرژی نسبتاً باریکی از ذرات در حال برخورد صورت می گیرد.

واکنش های همجوشی با انتشار حداقل تعداد نوترون (1-2) از اهمیت ویژه ای برخوردار است، زیرا در هسته های فوق سنگین سنتز شده، داشتن بیشترین نسبت N/Z مطلوب است. روی انجیر شکل 9 پتانسیل همجوشی هسته ها را در واکنش نشان می دهد
64 Ni + 208 Pb 272 110. ساده ترین تخمین ها نشان می دهد که احتمال اثر تونلی برای همجوشی هسته ای ~ 10 -21 است که بسیار کمتر از سطح مقطع مشاهده شده است. این را می توان به شرح زیر توضیح داد. در فاصله 14 fm بین مراکز هسته، انرژی جنبشی اولیه 236.2 مگا ولت به طور کامل توسط پتانسیل کولن جبران می شود. در این فاصله فقط نوکلئون هایی که روی سطح هسته قرار دارند در تماس هستند. انرژی این نوکلئون ها کم است. بنابراین، احتمال زیادی وجود دارد که نوکلئون ها یا جفت نوکلئون ها مدارهای یک هسته را ترک کنند و به حالت های آزاد هسته شریک حرکت کنند. انتقال نوکلئون ها از هسته پرتابه به هسته هدف به ویژه زمانی جذاب است که ایزوتوپ سرب جادویی 208Pb به عنوان هدف استفاده شود. در 208 Pb، زیر پوسته پروتون h 11/2 و زیر پوسته نوترونی h 9/2 و i 13/2 پر شده است. در ابتدا، انتقال پروتون ها توسط نیروهای جاذبه پروتون-پروتون تحریک می شود و پس از پر شدن لایه زیرین h 9/2 - توسط نیروهای جاذبه پروتون-نوترون. به طور مشابه، نوترون‌ها به سمت زیر پوسته آزاد i 11/2 حرکت می‌کنند و توسط نوترون‌هایی از زیر پوسته i 13/2 که از قبل پر شده جذب می‌شوند. به دلیل انرژی جفت شدن و تکانه مداری زیاد، انتقال یک جفت نوکلئون بیشتر از انتقال یک نوکلئون منفرد است. پس از انتقال دو پروتون از 64 Ni 208 Pb، سد کولن به میزان 14 مگا الکترون ولت کاهش می‌یابد که باعث افزایش تماس نزدیک‌تر بین یون‌های برهم‌کنش و ادامه فرآیند انتقال نوکلئون می‌شود.
در کار [V.V. ولکوف. واکنش‌های هسته‌ای انتقال‌های غیرالاستیک عمیق M. Energoizdat، 1982; V.V. ولکوف. Izv. AN SSSR series fiz., 1986 v. 50 p. 1879] مکانیسم واکنش همجوشی را به تفصیل مورد مطالعه قرار داد. نشان داده شده است که در حال حاضر در مرحله گرفتن، یک سیستم هسته ای دوتایی پس از اتلاف کامل انرژی جنبشی ذره برخوردی تشکیل می شود و نوکلئون های یکی از هسته ها به تدریج، پوسته به پوسته، به هسته دیگری منتقل می شوند. یعنی ساختار پوسته هسته ها نقش بسزایی در تشکیل هسته مرکب دارد. بر اساس این مدل، می توان به خوبی انرژی برانگیختگی هسته های ترکیبی و مقطع تولید 102-112 عنصر را در واکنش های همجوشی سرد توصیف کرد.
در آزمایشگاه واکنش های هسته ایآنها G.N. Flerov (Dubna)، عنصری با Z = 114 سنتز شد و از واکنش استفاده شد

شناسایی هسته 289 114 توسط زنجیره ای از واپاشی α انجام شد. برآورد تجربی نیمه عمر ایزوتوپ 289 114 ~ 30 ثانیه. نتیجه به دست آمده مطابقت خوبی با محاسبات قبلی دارد.
در سنتز عنصر 114 در واکنش 48 Cu + 244 Pu، حداکثر بازده توسط کانال با تبخیر سه نوترون به دست می آید. در این حالت، انرژی برانگیختگی هسته مرکب 289 114 برابر با 35 مگا ولت بود.
توالی پیش‌بینی‌شده تئوری فروپاشی‌هایی که با هسته ۲۹۶ ۱۱۶ تشکیل‌شده در واکنش رخ می‌دهند در شکل ۱۰ نشان داده شده است.

برنج. 10. طرح فروپاشی هسته ای 296 116

هسته 296 116 با گسیل چهار نوترون خنک می شود و به ایزوتوپ 292 116 تبدیل می شود که سپس با احتمال 5 درصد در نتیجه دو گرفتن e-capture متوالی به ایزوتوپ 292 114 تبدیل می شود. در نتیجه α - واپاشی (T 1/2 = 85 روز)، ایزوتوپ 292 114 به ایزوتوپ 288 112 تبدیل می شود. تشکیل ایزوتوپ 288 112 نیز از طریق کانال رخ می دهد.

هسته نهایی 288 112 که در نتیجه هر دو زنجیره تشکیل شده است، نیمه عمری در حدود 1 ساعت دارد و در نتیجه شکافت خود به خودی فروپاشی می کند. با احتمال تقریباً 10 درصد، واپاشی آلفا ایزوتوپ 288 114 می تواند منجر به تشکیل ایزوتوپ 284 112 شود. دوره های بالا و کانال های فروپاشی با محاسبه به دست آمد.
هنگام تجزیه و تحلیل احتمالات مختلف برای تشکیل عناصر فوق سنگین در واکنش با یون های سنگین، شرایط زیر باید در نظر گرفته شود.

ایجاد هسته ای با نسبت کافی از تعداد نوترون ها به تعداد پروتون ها ضروری است. بنابراین، یون های سنگین با N/Z بزرگ باید به عنوان ذره برخوردی انتخاب شوند.
لازم است که هسته ترکیبی حاصل از انرژی تحریک کم و مقدار کمی از تکانه زاویه ای برخوردار باشد، زیرا در غیر این صورت ارتفاع موثر مانع شکافت کاهش می یابد.
لازم است که هسته حاصل باید شکلی نزدیک به کروی داشته باشد، زیرا حتی یک تغییر شکل جزئی منجر به شکافت سریع هسته فوق سنگین می شود.

یک روش بسیار امیدوارکننده برای به دست آوردن هسته های فوق سنگین، واکنش هایی از نوع 238 U + 238 U، 238 U + 248 Cm، 238 U + 249 Cf، 238 U + 254 Es است. روی انجیر شکل 11 مقاطع تخمینی تشکیل عناصر ترانس اورانیوم را در تابش اهداف 248 Cm، 249 Cf و 254 Es با یون های U238 شتاب داده شده نشان می دهد. در این واکنش ها اولین نتایج در مورد سطوح مقطع برای تشکیل عناصر با Z> 100 قبلاً به دست آمده است و برای افزایش بازده واکنش های مورد مطالعه، ضخامت اهداف به گونه ای انتخاب شد که محصولات واکنش باقی بماند. در هدف پس از تابش، عناصر شیمیایی جداگانه از هدف جدا شدند. در نمونه‌های به‌دست‌آمده، محصولات واپاشی α و قطعات شکافت برای چندین ماه ثبت شدند. داده‌های به‌دست‌آمده با استفاده از یون‌های اورانیوم تسریع‌شده به وضوح نشان‌دهنده افزایش بازده عناصر سنگین ترانس اورانیوم در مقایسه با یون‌های بمباران سبک‌تر است. این واقعیت برای حل مشکل سنتز هسته های فوق سنگین بسیار مهم است. با وجود دشواری های کار با اهداف مربوطه، پیش بینی ها برای حرکت به سمت Z بزرگ کاملاً خوش بینانه به نظر می رسد.

پیشرفت در زمینه هسته های فوق سنگین در سال های اخیر به طرز خیره کننده ای چشمگیر بوده است. با این حال، تا کنون تمام تلاش ها برای یافتن جزیره ای از ثبات ناموفق بوده است. جستجو برای یافتن او به شدت ادامه دارد.

پیتر آرمبرستر، گوتفرید مونزربرگ

اثرات مکانیکی کوانتومی ظریف هسته هایی را که بسیار سنگین تر از هسته های موجود در طبیعت هستند، تثبیت می کند. آزمایش‌کنندگان باید در مورد بهترین روش سنتز چنین عناصر فوق‌سنگینی تجدید نظر می‌کردند.

در حیندر طول 20 سال گذشته، در بسیاری از کشورهای جهان، مشکل به دست آوردن عناصر فوق سنگین توجه فیزیکدانان را به خود جلب کرده است. در دارمشتات، در موسسه تحقیقات یون های سنگین (HSI)، ما با سنتز هسته های عناصر 107، 108 و 109 به پیشرفت هایی دست یافته ایم. برای بدست آوردن و شناسایی عناصر سنگین .

اندازه گیری های تجربی جرم هسته ها و تحلیل نظرینشان می دهد که پایداری این عناصر جدید در درجه اول به دلیل ریزساختار سیستم های پروتون و نوترون آنها است و نه به دلیل خواص ماکروسکوپی که ثبات هسته های سبک تر را تعیین می کند. با این حال، ما با مشکلاتی روبرو شده ایم که هنوز دستیابی به اهداف تعیین شده در اواخر دهه 60 را دشوار می کند، زمانی که عناصر تا 114 در دسترس به نظر می رسید. با غلبه بر این مشکلات، ما در مطالعه ساختار هسته ای و دینامیک واکنش های همجوشی هسته ای پیشرفت کرده ایم.

نوکلئوسنتز راه زیادی را طی کرده است دوره اولیهزمانی که عناصری که در طبیعت وجود ندارند در راکتورهای هسته ای به دست آمدند. فیزیکدانان از یون‌های شتاب‌دار سنگین‌تر برای بمباران اتم‌های هدف استفاده کردند. آخرین مرحله در این توسعه، روش "همجوشی سرد" هسته ها بود که در آن جرم ذرات و انرژی بمباران باید به دقت تعیین شود تا برانگیختگی هسته های تازه تشکیل شده حداقل باشد.

در طول کار ما، تقریباً تمام ایده‌های اولیه در مورد سنتز عناصر فوق‌سنگین باید مورد بازنگری قرار می‌گرفت: هسته‌های عناصری که می‌توان سنتز کرد، تغییر شکل داده شده، غیرکره‌ای هستند، همانطور که در سال 1966 فرض شد. برای همجوشی، ما از پایدار و گسترده استفاده کردیم. در طبیعت، هسته‌های کروی و یون‌های شتاب‌دار به‌جای سنگین‌ترین هسته‌های مصنوعی و یون‌های شتاب‌دار نور انتخاب شده، جرم متوسطی دارند، همانطور که قبلاً فرض شد. همجوشی باید با کمترین انرژی بمباران ممکن - تا حد امکان "نرم"، بدون استفاده از "نیروی بی رحم" به شکل انرژی فعل و انفعال اضافی انجام شود، که، همانطور که قبلاً تصور می شد، به فرآیند همجوشی کمک می کند.

ایده سنتزعناصر ترانس اورانیوم (با عدد اتمی بیش از 92) در دهه 30 ظهور کردند. در سال 1934، انریکو فرمی تالیم را با نوترون های کند بمباران کرد تا پس از واپاشی بتا (تجزیه یک نوترون به پروتون و الکترون) سرب به دست آورد. در نتیجه جذب نوترون و متعاقب آن واپاشی بتا، عناصری با اعداد اتمی یک بالاتر از عناصر اولیه تشکیل شدند.

بین سال‌های 1940 تا اواسط دهه 1950، عناصر 93، 94، 99 و 100 توسط تابش نوترون تولید شدند. تصادفی نیست که فرمیوم، عنصر 100، آخرین عنصر از یک سری عناصری بود که می‌توان با جذب نوترون و بتا به دست آورد. واپاشی، پیشنهادی توسط فرمی: هیچ یک از ایزوتوپ‌های آن دچار واپاشی بتا نمی‌شوند. در همین دوره، عناصر 95 تا 98 و 101 با تابش با ذرات آلفا به دست آمد. در این فرآیند، هسته سنگین دو پروتون و دو نوترون را جذب می کند. در این حالت عدد اتمی به طور همزمان دو واحد افزایش می یابد. مانند همه عناصر سنگین، عناصر ترانس اورانیوم حاوی نوترون بیشتری نسبت به پروتون هستند. برای مثال، پلوتونیوم (عنصر 94) حاوی 145 نوترون برای جرم کل 239 است. طولانی ترین ایزوتوپ فرمیوم دارای 157 نوترون برای مجموع جرم 257 است.

راه طبیعی برای به دست آوردن عناصر بالای 100، ادغام هسته سنگین ترین عناصر با هسته عناصر سبک حاوی پروتون و نوترون بیشتر از هلیوم در نظر گرفته شد. عناصر تا 99 در دسترس هستند زیرا می توانند در مقادیر ماکروسکوپی سنگین سنتز شوند. در برکلی (ایالات متحده آمریکا) و دوبنا (اتحادیه شوروی)، شتاب دهنده هایی ساخته شدند تا یون های سنگین با انرژی کافی برای غلبه بر نیروهای الکترواستاتیکی که از همجوشی هسته ها جلوگیری می کنند، تولید کنند. بین سالهای 1958 و 1974 این شتاب‌دهنده‌های یونی سنگین، سنتز عناصر از 102 تا 106 را ممکن کردند. اولویت کشف این عناصر و در نتیجه حق نام‌گذاری آنها هنوز محل بحث است.

روش هایی که در برکلی و دوبنا با موفقیت به کار رفتند، برای به دست آوردن عناصر سنگین تر از 100 ناکارآمد بودند. برای درک اینکه چرا سنتز عناصر فوق سنگین بسیار دشوار است و چرا برخی از آنها می توانند به ویژه پایدار باشند، لازم است بدانیم که چگونه هسته ها در کنار هم نگه داشته می شوند یا از هم جدا می شوند و چگونه تعادل نیروهای مختلف وجود دارد. که ثبات آنها را تعیین می کند، با افزایش جرم تغییر می کند. اثراتی که می‌توان برای هسته‌های سبک‌تر نادیده گرفت، بین ناپایداری کامل و نسبتاً تفاوت ایجاد می‌کند. اوقات بزرگزندگی هسته های فوق سنگین

ارتباط بین نیروهای هسته ای قوی که هم پروتون ها و هم نوترون ها را جذب می کنند و نیروهای الکترواستاتیکی که پروتون ها را دفع می کنند، به ویژه برای همه هسته ها مهم است. هر چه هسته‌ها سنگین‌تر باشند، نوترون‌های بیشتری در آن‌ها وجود دارد که تا حدودی تأثیر نیروهای دافعه بین پروتون‌ها را جبران می‌کند. با این حال، قدرت اتصال بین نوکلئون ها در آهن به اوج خود می رسد (26 پروتون و 30 نوترون)، که مربوط به کمتر از یک چهارم مسیر در امتداد جدول تناوبی است، و سپس کاهش می یابد.

شکافت هر هسته ای سنگین تر از آهن باید با آزاد شدن انرژی همراه باشد، اما انرژی مورد نیاز برای شکافت هسته های کم جرم تر از سرب به قدری زیاد است که چنین واکنشی را فقط در شرایط خاص می توان انجام داد. از آنجایی که هسته‌ها از سرب سنگین‌تر هستند و می‌توانند با انتشار حتی بخش کوچکی از نوکلئون‌ها پایدارتر شوند، ناپایدار هستند. ایزوتوپ های طبیعی توریم و اورانیوم عمدتاً با انتشار ذرات آلفا تجزیه می شوند. فقط در اورانیوم و عناصر سنگین تر، هسته های تحریک نشده می توانند شکافت خود به خودی را تجربه کنند.

اساساً با افزایش عدد اتمی (تعداد پروتون های هسته)، ناپایداری هسته های اتمی افزایش می یابد: نیمه عمر آنها از چند هزار سال به میلیونیم ثانیه کاهش می یابد. با این حال، از تئوری ساختار هسته نتیجه می گیرد که عناصری که فقط کمی سنگین تر از آنچه تاکنون به دست آمده اند، نه کمتر، بلکه پایدارتر خواهند بود.

هسته‌هایی با ترکیب خاصی از نوترون‌ها و پروتون‌ها دارای انرژی‌های اتصال بالا هستند. هلیوم-4، اکسیژن-16، کلسیم-40، کلسیم-48 و سرب-208 در مقایسه با عناصر همسایه بسیار پایدار هستند. این مقادیر بزرگ به دلیل ساختار پوسته است - معادل هسته ای پوسته هایی که الکترون ها در اطراف هسته قرار دارند. پیکربندی های نوکلئونی که پوسته های کاملاً پر شده (بسته) را تشکیل می دهند، به ویژه پایدار هستند. برای سرب، ساختار پوسته به افزایش انرژی اتصال هسته به میزان 11 میلیون الکترون ولت (MeV) در مقایسه با یک افت هسته ای فرضی، بدون ساختار و داشتن تعداد مشابه نوترون و پروتون کمک می کند. برای بیشتر هسته هایی با انرژی های اتصال تا 2 میلیارد eV، چنین افزایشی نسبتاً ناچیز است. با این حال، برای سنگین ترین عناصر، که در مرز پایداری قرار دارند، "تثبیت پوسته" می تواند به تفاوت بین پوسیدگی آنی و وجود نسبتا طولانی هسته ها منجر شود.

هسته هایی با پوسته های بسته نوترونی و پروتونی به ویژه پایدار هستند. پس از سرب، چنین پوسته هایی با 114 پروتون و 184 نوترون ظاهر می شوند. موفقیت تئوری پوسته در پیش‌بینی انرژی‌های اتصال برای هسته‌های سبک، این امید را ایجاد کرد که هسته‌هایی با جرم نزدیک به 298 می‌توانند چنان تثبیت شوند که مانند اورانیوم و توریم، منطقه‌ای از عناصر نسبتاً پایدار را تشکیل دهند. چنین عناصر فوق سنگین تثبیت شده با پوسته، برخلاف عناصر موجود در منطقه اورانیوم-توریم، باید مانند قطرات همگن ماده هسته ای ناپایدار باشند.

اولین عنصر از عناصر فوق سنگین تثبیت شده با پوسته، 107، که خواص آن، همانطور که فرمی پیشنهاد کرد، باید با ecaring مطابقت داشته باشد، در سال 1981، 47 سال پس از این پیش بینی، در دارمشتات شناسایی شد.

سپس عناصر 108 و 109 را به دست آورده و شناسایی کردیم. اندازه گیری انرژی های اتصال آنها نشان می دهد که ما قبلاً وارد منطقه عناصر فوق سنگین شده ایم. ما در حال حاضر در حال بررسی محدودیت هایی هستیم که مانع از تولید عناصر سنگین تر می شود.

سنتز عناصر سنگیندر واکنش‌های همجوشی، آزمایش‌گر باید بتواند بین آن روش‌های بمباران که در آن‌ها همجوشی رخ نمی‌دهد و روش‌هایی که منجر به شکافت هسته محصول می‌شوند، به جای اینکه آن را در یک حالت نسبتاً پایدار بگذارد، از خط باریک عبور کند. . کاهش گرمایش هسته تازه تشکیل شده مهمترین دلیل انتقال از بمباران اهداف سنگین با یون های نسبتا سبک به بمباران اهداف کم جرم با یون های نسبتا سنگین تر است (انتقالی که توسط یو.تس. اوگانسیان و او آغاز شد. همکاران از موسسه مشترک تحقیقات هسته ای در دوبنا).

به عنوان مثال، هنگامی که سرب-208 یا بیسموت-209 با کروم-54 یا آهن-58 ذوب می شود، انرژی برانگیختگی یک هسته جدید حدود 20 مگا ولت است. در همان زمان، ادغام اهداف سنگین اکتینید (کالیفرنیوم-249، برکلیوم-249 یا کوریم-248) با کربن-12، نیتروژن-15 یا اکسیژن-18 منجر به انرژی تحریکی در حدود 45 مگا ولت می شود.

هسته ای که با استفاده از یون های نور و اهداف ایزاکتینید تشکیل شده است با انتشار چهار نوترون خنک می شود. در مقابل، هسته‌ای که از سرب یا بیسموت و یون‌های سنگین‌تر تشکیل شده، خنک می‌شود و تنها یک نوترون ساطع می‌کند. از آنجایی که احتمال سرد شدن یک هسته با انتشار یک نوترون تنها چند درصد از احتمال شکافت آن است، بازده نهایی هسته های فوق سنگین به طور قابل توجهی در هر مرحله از آبشار انتشار نوترون کاهش می یابد. مکانیسم آرام سازی تک نوترونی برای حفاظت از یک هسته تازه تشکیل شده بسیار مناسب تر است.

متأسفانه، همجوشی سرد یک عیب نیز دارد: در این مورد، نیروهای دافعه الکترواستاتیکی بین دو هسته به میزان بیشتری از همجوشی آنها جلوگیری می کند. هنگامی که دو هسته نزدیک می شوند، مقداری از انرژی جنبشی آنها به انرژی تحریک سیستم میانی هسته های در حال برخورد تبدیل می شود و بنابراین نمی توان از آن برای غلبه بر مانع همجوشی استفاده کرد که به نوبه خود احتمال همجوشی را کاهش می دهد. در مورد همجوشی سرد با استفاده از یون های سنگین تر، انرژی جنبشی بیشتری در فرآیند نزدیک شدن و عبور از سد همجوشی تبدیل می شود و احتمال غلبه بر این مانع در مقایسه با واکنش های بین یون های سبک و سنگین ترین اهداف کاهش می یابد.

اگر انرژی اولیه برای جبران این تلفات افزایش یابد، انرژی برانگیختگی افزایش یافته و تعداد هسته های تشکیل شده کاهش می یابد. در نتیجه، تنها عنصر 106 مزایای روش همجوشی سرد را نشان می دهد.

ما نشان دادیم که حداکثر سطح مقطع برای تشکیل عناصر سنگین در یک محدوده انرژی باریک، حدود 5 مگابایت بالاتر از مانع همجوشی است.

در حالی کهتئوری به دست آوردن هسته های فوق سنگین به خودی خود می تواند بسیار جالب باشد، اما در عمل کار بسیار دشوارتری است. محاسبات نظری باید با طراحی شتاب دهنده و هدف و همچنین توسعه یک سیستم آشکارساز که بتواند وجود یک هسته فوق سنگین را به محض سنتز شدن تشخیص دهد، ترکیب شود. هنگامی که ایده تولید عناصر فوق سنگین تخیل فیزیکدانان و شیمیدانان را در پایان دهه 1960 جلب کرد، هیچ کس در FRG هیچ تجربه ای در سنتز هسته نداشت. "درهای" زیادی برای مبتدیان در این زمینه گشوده شده است. از آزمایش‌های قبلی در برکلی و دوبنا چیزهای زیادی می‌توان آموخت، اما واضح بود که با کپی کردن این مطالعات، پیشرفت بیشتری حاصل نمی‌شود. یک شتاب دهنده یون سنگین، روش های جداسازی سریع برای جداسازی عناصر جدید و یک تکنیک مناسب برای شناسایی آنها مورد نیاز بود. همچنین پاسخی به این سوال که چه نوع واکنش هایی باید منجر به موفقیت شود وجود نداشت.

در سال 1969، دولت آلمان، همراه با دولت هسن، تصمیم به تامین مالی تاسیس یک موسسه جدید برای تحقیقات یون های سنگین (انجمن تحقیقات یون سنگین، همجنس گرایان) در دارمشتات گرفتند. شتاب‌دهنده خطی جهانی (UNILAC)، که آزمایش‌های همجنس‌گرایان روی آن انجام می‌شود، در سال 1975 شروع به کار کرد.

UNILAC می‌تواند تمام یون‌ها را از جمله اورانیوم به انرژی‌های بیش از سد کولن سرعت دهد. از همان ابتدا، این تنظیمات برای تولید شدیدترین پرتوهای یونی ممکن طراحی شده بود. تلاش‌های ویژه‌ای انجام شد تا اطمینان حاصل شود که انرژی یونی می‌تواند به آرامی تغییر کند و در سطح معینی با قابلیت تکرارپذیری کافی تنظیم شود. در ابتدا، پروژه شتاب دهنده توسط K. Schmelzer و همکارانش در هایدلبرگ توسعه یافت. تجربیات به‌دست‌آمده توسط سایر گروه‌های علمی مورد توجه قرار گرفت: منابع یونی اصلاح‌شده‌ای از منابع مورد استفاده در دوبنا برای تولید یون‌های با بار بالا بودند، و سیستم آلوارز توسعه‌یافته در برکلی در سیستم فرکانس بالا یک شتاب‌دهنده خطی استفاده شد.

هنگامی که UNILAC ساخته شد، این سوال برای بسیاری از دانشمندان مطرح شد: بهترین راه برای استفاده از شتاب دهنده چیست؟ از چه واکنش ها و چه روش های تجربی باید استفاده کرد؟ در دوره اولیه وجود خود، UNILAC برای آزمایش طیف گسترده ای از ایده ها مورد استفاده قرار گرفت، اما تنها استراتژی که موفقیت آمیز بود، همجوشی سرد همراه با حمل و نقل هسته های پس زدگی (محصولات همجوشی) بود.

از آنجا کهبا کشف پلوتونیوم در سال 1941، حدود 400 تن از این عنصر سنتز شد که معادل 1030 اتم است. از سوی دیگر، تنها چند اتم از عنصر 109 به دست آمد و شناسایی شد. چرا سنگین ترین عناصر در چنین مقادیر کم به دست می آیند؟ پاسخ این است: برای تولید پلوتونیوم، تن‌ها نوترون بلوک‌های اورانیوم-238 را با ضخامت چند سانتی‌متر یا بیشتر بمباران می‌کنند، در حالی که در UNILAC تنها 100 میکروگرم آهن-58 برای بمباران هدف سرب-208 با ضخامت چند صد نانومتر شتاب می‌گیرد. علاوه بر این، سطح مقطع واکنش جذب نوترون که پلوتونیوم-239 تولید می کند تقریباً 10 تریلیون برابر بزرگتر از سطح مقطع واکنش همجوشی است که عنصر 109 را تولید می کند.

مشکلات در به دست آوردن عناصر سنگین تر تنها بخشی از مشکل است. در حال سنتز، عناصری مانند 109 آنقدر سریع تحلیل می‌روند که سنتز با پوسیدگی مطابقت ندارد. عمر سنگین‌ترین عناصر آنقدر کوتاه است که در پایان تابش تمام اتم‌های تشکیل‌شده قبلاً تجزیه شده‌اند. بنابراین، این اتم ها باید در حین تولید آنها شناسایی و شناسایی شوند.

روش های بدست آوردن و تشخیص عناصر تا 106 عمدتاً مبتنی بر وسایل مکانیکی برای انتقال اتم های تشکیل شده از ناحیه واکنش به آشکارسازها بود. زمان انتقال بین تشکیل و تشخیص محصولات واکنش با نرخ انتقال آنها در جریان گاز، زمان انتشار آنها از سطوح جامد یا سرعت اهداف در حال چرخش تعیین شد. با این حال، این روش‌ها برای شناسایی عناصر سنگین‌تر از 106 به اندازه کافی خوب نبودند، و انتخاب غیرقابل قبولی بین سرعت تشخیص و دقت را مجبور می‌کردند، بنابراین استفاده بیشتر روش های سریع، شناسایی ایزوتوپ های جدید غیرممکن است.

برای انتقال هسته‌های به‌دست‌آمده به آشکارسازها، تکنیکی را بر اساس استفاده از نرخ پس‌زدگی که محصولات واکنش از یون‌های سنگین به دست می‌آورند، انتخاب کردیم. هنگامی که یک یون سنگین با یک اتم هدف برخورد می کند و با آن ذوب می شود، هسته حاصل در جهت حرکت اولیه یون با سرعتی حدود چند درصد سرعت نور حرکت می کند. در نتیجه، هسته هایی با نیمه عمر تا 100 ns قابل شناسایی هستند.

اگرچه تکنیک حمل و نقل هسته‌های پس‌کش تشخیص و شناسایی هسته‌های بسیار کوتاه مدت را ممکن می‌سازد، تکنیک تشخیص در این مورد پیچیده‌تر می‌شود. از ناحیه واکنش، نه تنها هسته‌های منفرد تشکیل شده در واکنش همجوشی، بلکه تریلیون‌ها یون سنگین و همچنین هزاران اتم که از هدف خارج شده‌اند، با سرعت بالا منطقه واکنش را ترک می‌کنند. برای جدا کردن هسته های فوق سنگین از پرتو باقیمانده، ما یک فیلتر سرعت ویژه - جداکننده محصولات واکنش یون سنگین (SHIP) ساخته ایم که به طور مشترک با متخصصان موسسه فیزیک دوم دانشگاه گیسن ساخته شده است. بر اساس سینماتیک برخورد و همجوشی هسته ها، می توان میزان پس زدگی محصولات همجوشی را از قبل محاسبه کرد. بنابراین می توان آنها را به روشی نسبتا مستقیم جدا کرد.

فیلتر سرعت شامل دو مرحله است که هر کدام شامل میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. این دو میدان ذرات باردار را در جهت مخالف منحرف می کنند. فقط برای هسته ای با سرعت معین، تأثیر میدان ها متقابلاً کنار گذاشته می شود و در صفحه میانه تنظیم به حرکت خود ادامه می دهد. چنین فیلتر پشت سر هم تعداد یون‌های شتاب‌دار وارد شده به ناحیه تشخیص را تا ضریب ۱۰۰ میلیارد و تعداد هسته‌های هدف شکسته‌شده را ۱۰۰۰ کاهش می‌دهد. بدون احتساب تمام ذرات ناخواسته پرتو، طیف سنج SHIP بیش از 40070 محصول همجوشی را عبور می دهد. آشکارسازهایی که در پشت طیف‌سنج قرار دارند، زنجیره‌های فروپاشی ذرات را که از طیف‌سنج عبور کرده‌اند، ثبت می‌کنند، که این امر امکان شناسایی منحصربه‌فرد محصولات همجوشی را فراهم می‌کند.

اولین عنصر سیستم تشخیص، دستگاه زمان پرواز است که اندازه گیری سرعت ذرات را برای بار سوم ممکن می سازد (دو اندازه گیری اول بر اساس اصل فیلتر سرعت انجام می شود). پس از عبور از این دستگاه، ذره در آشکارسازهای سد سطحی سیلیکونی حساس به موقعیت کاشته می شود که انرژی و محل ضربه آن را ثبت می کند. از آنجایی که ترکیب زمان پرواز و انرژی امکان تعیین تقریباً جرم ذره را فراهم می کند، می توان محصولات همجوشی را از یون های پراکنده و هسته های هدف حذف شده تشخیص داد.

برای شناسایی مطمئن یک هسته، با این وجود لازم است بین فروپاشی آن و فروپاشی محصولات دختر رادیواکتیو آن ارتباط برقرار کنیم. واپاشی ناشی از همان هسته باید مختصات فضایی یکسانی داشته باشد و نوع، انرژی و نیمه عمر هسته های دختر از اندازه گیری های قبلی مشخص است.

با ایجاد چنین رویدادهای فروپاشی مرتبط، شناسایی منحصر به فرد هر هسته محصول همجوشی امکان پذیر است. اگرچه یک هسته تصادفی که به همان نقطه محصول همجوشی مورد مطالعه برخورد می کند، ممکن است تجزیه شود و یک سیگنال همبسته فضایی تولید کند، بسیار بعید است که انرژی فروپاشی، نیمه عمر و نوع فروپاشی آن با آنچه برای محصول همجوشی مورد انتظار است مطابقت داشته باشد. ما چنین زنجیره های پوسیدگی را تا نسل چهارم مشاهده کردیم. احتمال تصادفی بودن این سری از رویدادهای مرتبط از 10 تا 15 تا 10 تا 18 متغیر است. اگر رویدادهای همبسته ناشی از ایزوتوپ مورد مطالعه یک بار در روز مشاهده شوند، در این صورت می توان برای یک دوره زمانی 100 برابر بیشتر از سن زمین، ظاهر تصادفی رویدادهایی را که چهار نسل از رویدادهای فروپاشی را شبیه سازی می کنند، مشاهده کرد. در نتیجه، حتی یک رویداد واحد می تواند به طور واضح وجود یک ایزوتوپ فوق سنگین معین را نشان دهد.

بین 1981 و 1986 همراه با همکارانمان P. Hessberger، Z. Hofmann، M. Leino، W. Reisdorf و K.-H. اشمیت، ما از UNILAC، SHIP و سیستم تشخیص آن برای سنتز و شناسایی عناصر 107 109 استفاده کردیم. در این آزمایش ها، 14 ایزوتوپ از عناصر 104 109 سنتز شدند (پنج مورد از آنها قبلا شناخته شده بودند)، و همچنین دو ایزوتوپ دیگر از عناصر. 107 و 108 با اعداد جرمی 261 و 264 به ترتیب.

در سال 1981، با بمباران بیسموت 209 با یون های کروم-54، ایزوتوپی از عنصر 107 با عدد جرمی 262 به دست آوردیم. برای ایزوتوپ فرد و فرد عنصر 107 (دارای تعداد فرد پروتون و نوترون)، ما پنج انرژی ذره آلفا ایجاد کرده‌ایم که ایده‌ای از سطوح انرژی هسته‌ای را به دست می‌دهد. همچنین می توان گزارش داد که این ایزوتوپ دارای ایزومر (حالت برانگیختگی طولانی مدت) است.

عنصر 109 بر اساس مشاهده یک زنجیره واپاشی منفرد ثبت شده در ساعت 4:10 بعدازظهر در 29 اوت 1982 در واکنشی بین آهن-58 و بیسموت-209 شناسایی شد. هسته 266 109 قبل از انتشار یک ذره آلفا با انرژی 11.1 مگا ولت به مدت 5 میلی ثانیه وجود داشت. هسته حاصل از عنصر 107 پس از 22 میلی ثانیه به عنصر 105 تجزیه شد. عنصر 105 به عنصر 104 تجزیه شد و پس از 12.9 با شکافت خود به خود هسته خود فروپاشی کرد. از این رویداد واحد، امکان تعیین انرژی فروپاشی، نیمه عمر و مقطع واکنش، هرچند با دقت محدود، وجود داشت. دو زنجیره پوسیدگی دیگر در آغاز سال 1988، شش سال پس از شناسایی عنصر 100 مشاهده شد. آنها تفسیر رویداد ثبت شده در سال 1982 را تأیید کردند.

در سال 1984 ما سه زنجیره واپاشی را برای ایزوتوپ 265 108 در واکنش بین آهن-58 و سرب-208 شناسایی کرده ایم. دو ایزوتوپ شناسایی شده عناصر 107 و 109 فرد و فرد هستند و احتمال شکافت آنها بسیار کاهش یافته است، اما ایزوتوپ عنصر 108 دارای تعداد پروتون زوج و تعداد فرد نوترون است. اگرچه احتمال شکافت ایزوتوپ های زوج و فرد بسیار بیشتر است، ایزوتوپ 265108 نیز دچار واپاشی آلفا می شود.

به ویژه جالب است که هیچ یک از ایزوتوپ های عناصر 107-109 به طور خود به خود شکافت نمی شوند و همه ایزوتوپ های زوج 265 104، 260 106 و 264 108 تقریباً دارای ثبات یکسانی نسبت به شکافت خود به خودی هستند.

سطح تقریباً ثابت پایداری نشان می دهد که چگونه اثرات تثبیت کننده پوسته با کاهش کلی پایداری با افزایش جرم هسته ها رقابت می کند.

پشت 104 و 105عناصر حاوی "جزیره" کوچکی از هسته هستند که وقتی توسط ذرات آلفا گسیل می شوند، تجزیه می شوند و ایزوتوپ های شناخته شده عناصر سبک تر را تشکیل می دهند. چنین اعمال فروپاشی آلفا، تعیین انرژی اتصال این عناصر فوق سنگین را ممکن می سازد. اگر انرژی اتصال هسته دختر مشخص باشد، در هر مرحله می توان از انرژی واپاشی آلفا برای محاسبه انرژی اتصال هسته مادر استفاده کرد. اگر انرژی اتصال محصول نهایی مشخص باشد، زنجیره رویدادهای فروپاشی آلفا می تواند منجر به انرژی های اتصال هسته اولیه زنجیره شود. از آنجایی که فروپاشی عناصر 108 و 100 (یک رویداد در هر مورد) و عنصر 106 (طبق چندین رویداد) ثبت شده است، می توان زنجیره 264 108 260 106 256 104 252 102 را بازسازی کرد. انرژی های اتصال اینها هسته ها به ترتیب 120، 106 و 94 مگا ولت هستند.

تصحیح پوسته به انرژی اتصال به تدریج برای همه ایزوتوپ‌ها از اورانیوم 232 تا 264 108 افزایش می‌یابد که توسط فرآیند واپاشی آلفا محدود می‌شوند. مقادیر مربوطه از 1-2 به 6-7 مگا ولت افزایش می یابد. در واقع، همه عناصر از اورانیوم تا عنصر 108 دارای موانع شکافت یکسانی هستند - حدود 6 مگا ولت. بر خلاف اورانیوم که هنوز به عنوان یک قطره هسته ای پایدار است، پایداری عناصر 100 و 108 کاملاً به دلیل ساختار مکانیکی کوانتومی سیستم های فرمیونی چند ذره ای آنهاست. کار نظری اخیر موانع شکافت را پیش‌بینی می‌کند که با اندازه‌گیری‌های ما سازگار است.

طول عمر یک عنصر نسبت به تقسیم اساساً با ارتفاع و عرض مانع تقسیم تعیین می شود. اصلاحات پوسته طول عمر عناصر 106 و 108 را 15 مرتبه قدر افزایش می دهد. در مقیاس لگاریتمی، طول عمر مشاهده شده در وسط محدوده بین زمان مناسب هسته ای (حدود 10 تا 21 ثانیه برای فروپاشی یک سیستم نوکلئونی غیرمحدود) و سن جهان (10 18 ثانیه) قرار دارد. عناصر جدید فقط در مقایسه با طول عمر انسان (2·10 9 ثانیه) ناپایدار هستند. برای پایداری در این مقیاس، طول عمر باید 12 مرتبه قدر افزایش یابد. با این حال، فیزیک هسته ای بر اساس مقیاس زمانی انسان نیست.

توسط ما کشف شد"جزیره" ایزوتوپ های رادیواکتیو آلفا نتیجه مستقیم تثبیت آنها به دلیل اثرات پوسته است. بنابراین، تثبیت هسته های فوق سنگین کروی در نزدیکی عنصر 114 که در پایان دهه 1960 پیش بینی شده بود، خیلی زودتر از حد انتظار شروع می شود و به تدریج افزایش می یابد. در یک منطقه باریک ناپایداری پشت سرب، بین عناصر 83 و 90، اثرات پوسته ضعیف می شود. با این حال، در فاصله بین عناصر 92 و 114، مقدار اصلاح پوسته به آرامی و یکنواخت افزایش می یابد.

حتی در مجاورت "جزیره" هسته های فوق سنگین، تثبیت به دلیل ساختار مکانیکی کوانتومی سیستم های فرمیونی رخ می دهد، در حالی که در "سرزمین اصلی" تثبیت هسته ها به دلیل خواص ماکروسکوپی قطره مایع است. هسته های عناصر 107 109 بر روی "سد" بین "جزیره" و "سرزمین اصلی" قرار دارند، بنابراین ایزوتوپ های جدید را می توان هم به "جزیره" و هم به "سرزمین اصلی" نسبت داد. در هر صورت، مانند عناصر فوق سنگین، آنها را فقط به دلیل تثبیت پوسته حالت های پایه آنها می توان مشاهده کرد.

از آخرین پیش‌بینی‌های نظری برای تصحیح پوسته تا انرژی‌های اتصال، نتیجه می‌شود که بین عناصر 106 و 126 باید ناحیه‌ای از حدود 400 هسته فوق‌سنگین با موانع شکافت بالای 4 مگا ولت وجود داشته باشد. تمام این ایزوتوپ ها باید نیمه عمری بیشتر از 1 میکرو ثانیه داشته باشند. اگر بتوان آنها را سنتز کرد، تشخیص آنها با استفاده از روش های موجود امکان پذیر خواهد بود. نواحی به ویژه پایدار در نزدیکی ایزوتوپ‌های 273 109 و 291 115 در نظر گرفته شده‌اند. در عدد نوترونی حدود 166، تغییر شکل حالت پایه تغییر می‌کند. ایزوتوپ‌های با نوترون کمتر تغییر شکل می‌دهند، در حالی که ایزوتوپ‌های سنگین‌تر کروی هستند.

در حیندر طول 20 سال گذشته، تمام تلاش ها برای به دست آوردن ایزوتوپ ها در نزدیکی مرکز پایداری مورد انتظار - هسته 298 114 - ناموفق بوده است. این ایزوتوپ های فوق سنگین نه در واکنش های همجوشی و نه در هیچ واکنش دیگری که شامل یون های سنگین است، شناسایی نشده است. با این وجود، ایده اصلی در مورد امکان وجود سیستم‌های نوکلئونی تثبیت شده با پوسته، جدای از قطرات هسته‌ای پایدار، توسط آزمایش‌هایی که در بالا توضیح داده شد تأیید شده است. از لحاظ نظری، دلایل زیادی برای اعتقاد به برون یابی به عناصر حتی سنگین تر وجود دارد.

حال یک سوال جالب مطرح می شود: در نهایت چه چیزی مانع از ایجاد این اشیاء "شکننده" می شود؟ برخی از شفاف سازی های مهم از تحقیقات فشرده ما در مورد واکنش های همجوشی به دست آمده است. یک هسته تثبیت شده با پوسته، کروی در حالت پایه، می تواند حتی در چنین انرژی تحریکی کم مانند 15 مگا ولت نابود شود، این به طور تجربی توسط K.-Kh نشان داده شد. اشمیت در سال 1979، در حالی که هسته های تغییر شکل یافته را می توان در انرژی های تحریک تا 40 مگا ولت حفظ کرد. حتی در واکنش بین کلسیم-48 و کوریم-248 (مناسب ترین واکنش موجود)، انرژی تحریک حدود 30 مگا ولت است. از این نتیجه می شود که فقط با هسته های تغییر شکل یافته می توان عناصر فوق سنگین را بدست آورد. با این حال، تا کنون چنین تلاش هایی تنها برای عناصری با اعداد اتمی کمتر از 110 موفقیت آمیز بوده است.

همانطور که قبلا ذکر شد، همجوشی دو هسته، که منجر به تشکیل یک هسته فوق سنگین می شود، از همان ابتدا به دلیل نیاز به غلبه بر مانع همجوشی پیچیده است. برای یک هسته محصول معین، زمانی که سنگین ترین اهداف با سبک ترین یون های ممکن بمباران شوند، این مانع حداقل است. علی‌رغم این مزیت، این نامتقارن‌ترین ترکیب دارای نقطه ضعفی است که گرمایش هسته محصول را به حداکثر می‌رساند که منجر به تلفات شکافت زیاد در طول فرآیند تحریک‌زدایی می‌شود. هر چه ترکیب نامتقارن کمتری داشته باشد، ضرر کمتردر مرحله خنک شدن بهترین سازش بین تلفات کم در مرحله نهایی و احتمال زیاد تشکیل در مرحله اولیه، ترکیبات متقارن تر با هسته های هدف نزدیک به سرب است.

استفاده از سرب و بیسموت به عنوان هدف، مزیت مضاعف اثر نقطه پوسته را در این هسته‌ها به همراه دارد: اتصال قوی در این هسته‌ها با پوسته‌های دوبرابر بسته آنها منجر به کاهش بیش از 10 مگا ولت در انرژی منتقل شده به محصول هسته می‌شود. کاهش مربوطه در تلفات ناشی از شکافت. علاوه بر این، احتمال غلبه بر مانع همجوشی در صورت استفاده از هسته های کروی، بسیار چسبیده و نسبتاً صلب در واکنش افزایش می یابد. در اینجا دوباره، اثرات پوسته قوی در سرب آشکار می شود، اما این بار در پویایی فرآیند.

اکنون ما شروع به درک این موضوع می کنیم که چرا بدست آوردن عناصر حتی سنگین تر بسیار دشوار خواهد بود. فقط ترکیبی از اصلاحات پوسته برای شرکای همجوشی پوسته بسته، اثرات پوسته در دینامیک، و افزایش پایداری هسته‌های فوق‌سنگین تغییر شکل‌داده‌شده به ما اجازه می‌دهد چندین ایزوتوپ از سبک‌ترین عناصر فوق‌سنگین را سنتز کنیم. ما مجبور شدیم سوال اصلی در مورد وجود هسته های تثبیت شده با پوسته را به تأثیر اصلاحات پوسته در تمام مراحل واکنش بسط دهیم. به ویژه هنگام ایجاد این اشیاء پیچیده و "شکننده"، وارد کردن یک نظم موجود در فرآیند ادغام، اجتناب از درهم ریختگی غیر ضروری، بسیار مهم است.

چگونه عناصر فوق سنگین زیر را بدست آوریم؟ برای عناصر 110 و 111 می توان روش های توسعه یافته توسط ما را در واکنش های بین نیکل-62 و سرب-208 یا بیسموت-209 به کار برد. هنگامی که این عناصر تشکیل شدند، تشخیص آنها به دانش اساسی نه چندان جدید نیاز دارد، بلکه نیاز به یک ایزوتوپ غنی شده و صبر برای یادگیری نحوه استفاده از تجهیزات و انجام آزمایشات برای چندین ماه دارد.

این کار در آزمایشگاه واکنش‌های هسته‌ای (FLNR) به نام V.I. G.N. فلروف از موسسه مشترک تحقیقات هسته ای دوبنا (JINR) با موفقیت. خواص 117 و عناصر N 112-116 و 118 سنتز شده قبلی در دوبنا، شواهد مستقیمی از وجود به اصطلاح "جزیره پایداری" عناصر فوق سنگین است که توسط نظریه پردازان در دهه 60 قرن گذشته و به طور قابل توجهی پیش بینی شده است. گسترش حدود جدول تناوبی سردبیران ایزوستیا در ماه مارس توسط رئیس FLNR، آکادمیسین یوری اوگانسیان، از آزمایش منحصر به فرد مطلع شدند، اما او فقط اجازه انتشار را در حال حاضر داد. آکادمیک یوری اوگانسیان، نویسنده این کشف، به ناظر پیتر اوبرازتسوف در مورد ماهیت آزمایش گفت.

ایزوستیا: چه چیزی باعث علاقه دانشمندان به سنتز عناصر فوق سنگین شد که برای مدت بسیار کمی وجود دارند؟

یوری اوگانسیان: پس از کشف اولین عناصر مصنوعی - نپتونیوم و پلوتونیوم - در سالهای 1940-1941، مسئله حدود وجود عناصر برای علم بنیادی ساختار ماده بسیار جالب شد. تا پایان قرن گذشته، 17 عنصر مصنوعی کشف شد و مشخص شد که پایداری هسته ای آنها با افزایش عدد اتمی به شدت کاهش می یابد. در گذار از عنصر 92 - اورانیوم - به عنصر 102 - نوبلیم، نیمه عمر هسته 16 مرتبه بزرگی کاهش می یابد: از 4.5 میلیارد سال به چند ثانیه. بنابراین، اعتقاد بر این بود که پیشروی به منطقه حتی عناصر سنگین تر، به حد وجود آنها منجر می شود، در اصل، محدودیت وجودی جهان مادی را نشان می دهد. با این حال، در اواسط دهه 1960، نظریه پردازان به طور غیرمنتظره ای فرضیه ای را در مورد احتمال وجود هسته های اتمی فوق سنگین مطرح کردند. بر اساس محاسبات، طول عمر هسته هایی با اعداد اتمی 110-120 باید با افزایش تعداد نوترون های موجود در آنها به میزان قابل توجهی افزایش می یافت. بر اساس ایده های جدید، آنها یک "جزیره پایداری" وسیع از عناصر فوق سنگین را تشکیل می دهند که به طور قابل توجهی مرزهای جدول عناصر را گسترش می دهد.
س: آیا این به صورت تجربی تایید شده است؟

اوگانسیان: در سال های 1975-1996، فیزیکدانانی از دوبنا، دارمشتات (GSI، آلمان)، توکیو (RIKEN) و برکلی (LBNL، ایالات متحده آمریکا) موفق به بررسی این واکنش ها و سنتز شش عنصر جدید شدند. سنگین ترین عناصر 109-112 برای اولین بار در GSI به دست آمد و در RIKEN تکرار شد. اما نیمه عمر سنگین ترین هسته های تولید شده در این واکنش ها تنها ده هزارم یا حتی هزارم ثانیه بود. فرضیه وجود عناصر فوق سنگین برای اولین بار در تحقیقی که توسط گروه ما با همکاری دانشمندان آزمایشگاه ملی انجام شد، به صورت تجربی در Dubna تایید شد. لارنس در لیورمور (ایالات متحده آمریکا). ما موفق شدیم رویکرد سنتز هسته های فوق سنگین را به طور اساسی تغییر دهیم، به عنوان مثال، با بمباران یک هدف ساخته شده از عنصر مصنوعی برکلیوم (N 97) با پرتو پرتابه ای از ایزوتوپ بسیار کمیاب و گران قیمت کلسیم (N20) با جرم 48. هنگامی که هسته ها ذوب می شوند، عنصر N 117 (97 + 20 = 117). نتایج حتی از خوش بینانه ترین انتظارات نیز فراتر رفت. در سال‌های 2000-2004، تقریباً طی پنج سال، در چنین واکنش‌هایی بود که برای اولین بار عناصر فوق سنگین با اعداد اتمی 114، 116 و 118 سنتز شدند.

و: و چه نوع کمک علمی دانشمندان آمریکایی انجام دادند؟

اوگانسیان: در یک واکنش هسته ای با پرتو کلسیم، عنصر 117 را فقط می توان با استفاده از یک هدف ساخته شده از عنصر مصنوعی برکلیوم به دست آورد. نیمه عمر این ایزوتوپ فقط 320 روز است. با توجه به طول عمر کوتاه، تولید برکلیم به مقدار لازم (30-20 میلی گرم) باید در راکتوری با بسیار زیاد انجام شود. تراکم بالاشار نوترونی تنها راکتور ایزوتوپی در آزمایشگاه ملی ایالات متحده در Oak Ridge می تواند چنین کاری را انجام دهد. به هر حال، در این آزمایشگاه بود که پلوتونیوم برای اولین بار برای بمب اتمی آمریکا تولید شد. از آنجایی که از لحظه تولید برکلیوم مقدار آن در 320 روز به نصف کاهش می یابد، لازم بود همه کارها با سرعت بالا انجام شود. و نه تنها در آزمایشگاه ها، بلکه در ساختارهای رسمی روسیه و ایالات متحده مربوط به صدور گواهینامه یک ماده غیر معمول، حمل و نقل یک محصول بسیار پرتوزا از طریق زمین و هوا، ایمنی، و غیره.

و: ارزش یک داستان ماجراجویی. و بعد چه اتفاقی افتاد؟

اوگانسیان: در آغاز ژوئن 2009، کانتینر به مسکو رسید. هدفی به شکل نازک ترین لایه برکلیم (300 نانومتر) که روی یک ورق تیتانیوم نازک قرار گرفته است از این ماده در موسسه تحقیقات راکتورهای اتمی (دیمیتروگراد) ساخته شد. در ماه ژوئیه هدف به دوبنا تحویل داده شد. در آن زمان، تمام کارهای مقدماتی در FLNR تکمیل شده بود و تابش مداوم هدف با پرتوهای کلسیمی شدید آغاز شد. در حال حاضر در اولین تابش هدف، که 70 روز به طول انجامید، ما خوش شانس بودیم: آشکارسازها الگوی تشکیل و فروپاشی هسته های عنصر 117 را پنج بار ثبت کردند. همانطور که انتظار می رفت، هسته های این عنصر به هسته های عنصر ۱۱۵، عنصر ۱۱۵ به ۱۱۳ و سپس عنصر ۱۱۳ به ۱۱۱ تبدیل شد. و عنصر 111 با نیمه عمر 26 ثانیه تجزیه شد. در مقیاس هسته ای، این زمان بزرگی است! اکنون جدول تناوبی با یکی دیگر از سنگین ترین عناصر با عدد اتمی 117 پر شده است.

و: طبیعتاً، خوانندگان ما علاقه مند خواهند شد که کشف شما چه کاربرد عملی داشته باشد.

اوگانسیان: اکنون، البته، هیچ، زیرا تنها چند اتم از عنصر N 117 به دست آمده است. علاوه بر این، اگر عناصری با نیمه عمر عظیم سنتز شوند، این امکان وجود دارد که آنها در طبیعت نیز وجود داشته باشند و بتوانند تا زمان ما از زمان شکل گیری زمین - 4.5 میلیارد سال - "بقا" کنند. و ما در حال انجام آزمایشاتی برای جستجوی آنها هستیم، نصب ما در اعماق کوه های آلپ قرار دارد.

و: سوالی از هواپیمای دیگر. به نظر شما چرا موفقیت های آشکار در فیزیک هسته ای در 20 سال گذشته جایزه نوبل دریافت نکرده است؟

اوگانسیان: فیزیک بزرگ است. ظاهراً سایر حوزه های این علم برای اعضای کمیته نوبل جذابیت بیشتری دارد. و واقعاً دانشمندان شایسته زیادی وجود دارد. به هر حال، من باید شرکت کنندگان در آزمایش خود را نام ببرم: آزمایشگاه ملی اوک ریج (پروفسور جیمز روبرتو)، دانشگاه. واندربیلت (پروفسور جوزف همیلتون)، آزمایشگاه ملی. لارنس در لیورمور (داون شاگنسی)، موسسه تحقیقاتی راکتورهای اتمی، دیمیتروگراد (میخائیل ریابینین) و آزمایشگاه واکنش‌های هسته‌ای JINR (به سرپرستی یوری اوگانسیان).

از ویرایشگر. به طور موقت، عنصر N 117 در لاتین "یک-یک-هفت" نامیده می شود، یعنی ununseptium. گروه آکادمیسین یوری اوگانسیان - نویسندگان اکتشاف - حق دارند نام واقعی این عنصر و همچنین عناصر N 114-116 و 118 کشف شده توسط آنها را بگذارند. ما در "هفته" 26 مارس دعوت کردیم. خوانندگان پیشنهادات خود را برای نام عناصر "ما" ارسال کنند. تا کنون، تنها "kurchatovy" برای یکی از این عناصر معقول به نظر می رسد. رقابت ادامه دارد.