Supersunkių elementų sintezė. \"stabilių elementų\" paieškos rezultatai

Naujojo Pietų Velso universiteto (Australija) ir Mainco universiteto (Vokietija) mokslininkai teigė, kad vienoje iš neįprastiausių (tarp astronomams žinomų) žvaigždžių yra cheminių elementų iš stabilumo salos. Tai elementai pačioje periodinės lentelės pabaigoje, jie skiriasi nuo kaimynų kairėje ilgesniu tarnavimo laiku. Tyrimas buvo paskelbtas arXiv.org elektroninėje išankstinių spaudinių bibliotekoje, jame kalbama apie jo rezultatus ir stabilius supersunkius cheminius elementus.

Žvaigždę HD 101065 1961 metais atrado lenkų ir australų astronomas Antoninas Przybylskis. Jis yra maždaug 400 šviesmečių atstumu nuo Žemės Kentauro žvaigždyne. Greičiausiai HD 101065 yra lengvesnis už Saulę ir yra pagrindinės sekos žvaigždė, submilžinas. Przybylsky žvaigždės ypatybė – itin mažas geležies ir nikelio kiekis atmosferoje. Tuo pačiu metu žvaigždėje gausu sunkiųjų elementų, įskaitant stroncį, cezią, torią, iterbį ir uraną.

Przybylskio žvaigždė yra vienintelė, kurioje rasta trumpaamžių radioaktyvių elementų – aktinidų, kurių atominis skaičius (protonų skaičius branduolyje) nuo 89 iki 103: aktinis, plutonis, americis ir einšteinas. HD 101065 yra panašus į HD 25354, tačiau americio ir curium buvimas jame abejotinas.

Supersunkių elementų susidarymo ant Przybylskio žvaigždės mechanizmas vis dar nėra visiškai suprantamas. Buvo daroma prielaida, kad HD 101065 kartu su neutronine žvaigžde sudaro dvejetainę sistemą – dalelės iš antrosios krenta ant pirmosios, sukeldamos sunkiųjų elementų sintezės reakcijas. Ši hipotezė dar nepatvirtinta, nors gali būti, kad blankus kompanionas yra maždaug tūkstančio astronominių vienetų atstumu nuo HD 101065.

Nuotrauka: N. Dautel / Globallookpress.com

HD 101065 labiausiai panašus į Ap-žvaigždės, savotiškus (savotus) A spektrinės klasės šviestuvus, kurių spektre yra sustiprintos retųjų žemių metalų linijos. Jie turi stiprų magnetinį lauką, sunkūs elementai jų atmosferoje ateina iš gelmių. HD 101065 nuo kitų Ap žvaigždžių skiriasi trumpalaikiais šviesos kreivės pokyčiais, kurie leido jį įtraukti į atskirą RoAp žvaigždžių grupę (Rapidly oscilating Ap stars).

Tikriausiai mokslininkų bandymai pritaikyti HD 101065 esama klasifikacijažvaigždėms kada nors pasiseks. Nors Przybylskio žvaigždė laikoma viena neįprastiausių, tai leidžia įtarti, kad ji turi nemažai neįprastų savybių. Visų pirma, naujausiame HD 101065 darbe Australijos ir Vokietijos mokslininkai manė, kad cheminiai elementai, priklausantys stabilumo salai, gimsta Przybylski žvaigždėje.

Mokslininkai rėmėsi branduolio ir jo tęsinių apvalkalo modeliu. Modelis atomo branduolio stabilumą sieja su apvalkalų energijos lygių užpildymu, kurie pagal analogiją su atomo elektroniniais apvalkalais sudaro branduolį. Kiekvienas neutronas ir protonas yra tam tikrame apvalkale (atstumas nuo atomo centro arba energijos lygio) ir nepriklausomai vienas nuo kito juda tam tikrame savaime nuosekliame lauke.

Manoma, kad kuo labiau užpildyti branduolio energijos lygiai, tuo stabilesnis izotopas. Modelis gerai paaiškina atomų branduolių, sukimų ir magnetinių momentų stabilumą, tačiau taikomas tik nesužadintam arba lengviems ir vidutinės masės branduoliams.

Pagal apvalkalo modelį branduoliai su visiškai užpildytais energetiniais apvalkalais pasižymi dideliu stabilumu. Tokie elementai sudaro „stabilumo salą“. Jis prasideda izotopais, kurių serijos numeriai 114 ir 126, atitinkantys magiškus ir dvigubai magiškus skaičius.

Branduoliai, turintys magišką skaičių nukleonų (protonų ir neutronų), turi stipriausią rišimosi energiją. Nuklidų lentelėje jie išdėstyti taip: protonų skaičius nurodomas horizontaliai iš kairės į dešinę didėjančia tvarka, o neutronų skaičius – vertikaliai iš viršaus į apačią. Dvigubai magiškame branduolyje protonų ir neutronų skaičius yra lygus kažkokiam magiškam skaičiui.

Dubnoje gautų flerovio izotopų (elementas 114) pusinės eliminacijos laikas yra iki 2,7 sekundės. Remiantis teorija, turėtų egzistuoti flerovio-298 izotopas, kurio magiškas neutronų skaičius N=184 ir gyvavimo trukmė apie dešimt milijonų metų. Tokios šerdies susintetinti dar nepavyko. Palyginimui, gretimų elementų, kurių protonų skaičius branduolyje yra 113 ir 115, pusinės eliminacijos laikas yra atitinkamai iki 19,6 sekundės (nihoniui-286) ir 0,156 sekundės (maskoviui-289).

Publikacijos arXiv.org autoriai mano, kad aktinidų buvimas HD 101065 atmosferoje pasisako už cheminių elementų buvimą iš stabilumo salos toje pačioje vietoje. Šiuo atveju aktinidai yra stabilių supersunkių elementų skilimo produktas. Mokslininkai siūlo HD 101065 spektruose ieškoti nobelio, Lawrencium, nihonio, flerovio pėdsakų ir aprašyti specifinius spektrus, galinčius sukurti stabilius izotopus.

Šiuo metu nauji periodinės lentelės elementai sintetinami Rusijoje, JAV, Japonijoje ir Vokietijoje. Žemėje transurano elementų natūralioje aplinkoje nerasta. Žvaigždė HD 101065 gali pasiūlyti naujų galimybių išbandyti branduolinių fizikų teorijas, kurios rodo stabilumo salos egzistavimą.

60-ųjų pabaigoje daugelio teoretikų pastangomis – O. Bohr ir B. Motelson (Danija), S. Nilsson (Švedija), V.M. Strutinskis ir V.V. Paškevičius (SSRS), H. Myersas ir V. Swiatetsky (JAV), A. Sobichevsky ir kt. (Lenkija), W. Greineris ir kt. (Prancūzija) ir daugelis kitų sukūrė mikroskopinę atomų branduolių teoriją. Naujoji teorija visus minėtus prieštaravimus sujungė į nuoseklią fizikinių dėsnių sistemą.
Kaip ir bet kuri teorija, ji turėjo tam tikrą nuspėjamąją galią, ypač numatant labai sunkių, vis dar nežinomų branduolių savybes. Paaiškėjo, kad stabilizuojantis branduolinių apvalkalų poveikis veiks ir už branduolio kritimo modelio nurodytų ribų (t.y. Z > 106 srityje), formuojančios vadinamąjį. „stabilumo salos“ aplink magiškus skaičius Z=108, N=162 ir Z=114, N=184. Kaip matyti 2 pav., šiose „stabilumo salose“ esančių supersunkių branduolių tarnavimo laikas gali gerokai pailgėti. Tai ypač pasakytina apie sunkiausius, supersunkius elementus, kai dėl uždarų apvalkalų Z=114 (galbūt 120) ir N=184 pusėjimo trukmės pailgėja iki dešimčių, šimtų tūkstančių, o gal ir milijonų metų, t.y. - 32-35 eilėmis daugiau nei nesant branduolinių sviedinių poveikio. Taigi, iškilo intriguojanti hipotezė apie galimą supersunkių elementų egzistavimą, žymiai praplečiančių materialaus pasaulio ribas. Tiesioginis teorinių prognozių išbandymas būtų supersunkių nuklidų sintezė ir jų skilimo savybių nustatymas. Todėl turėsime trumpai apsvarstyti pagrindinius klausimus, susijusius su dirbtine elementų sinteze.

2. Sunkiųjų elementų sintezės reakcijos

Daugelis žmogaus sukurtų elementų, sunkesnių už uraną, buvo susintetinti vykstant neutronų gaudymui urano izotopo branduoliais - 235 U ilgalaikio švitinimo metu galinguose branduoliniuose reaktoriuose. Ilgas naujų nuklidų pusinės eliminacijos laikas leido juos atskirti nuo kitų šalutinių reakcijos produktų radiocheminiais metodais, vėliau išmatuojant jų radioaktyvaus skilimo savybes. Šie novatoriški prof. G. Seaborgas ir jo kolegos, dirigavo 1940 - 1953 m. Radiacijos nacionalinėje laboratorijoje (Berklis, JAV) buvo atrasti aštuoni dirbtiniai elementai, kurių Z = 93 -100, sunkiausias izotopas 257 Fm (T 1/2 ~ 100 dienų.). Tolesnis progresas į sunkesnių branduolių sritį buvo praktiškai neįmanomas dėl itin trumpo kito izotopo – 258 Fm (T SF = 0,3 milisekundės) pusinės eliminacijos periodo. Bandymai apeiti šį didelės galios impulsinių neutronų srautų, atsirandančių dėl branduolinio sprogimo, apribojimą, nedavė norimų rezultatų: kaip ir anksčiau, sunkiausias branduolys buvo 257 Fm.

Elementai, sunkesni už Pm (Z=100), susintetino reakcijose su pagreitėjusiais sunkiaisiais jonais, kai į tikslinį branduolį įvedamas protonų ir neutronų kompleksas. Tačiau šio tipo reakcija skiriasi nuo ankstesnio atvejo. Užfiksavus neutroną, neturintį elektros krūvio, naujo branduolio sužadinimo energija yra tik 6 - 8 MeV. Priešingai, tikslinių branduolių susiliejimo metu net ir su lengvaisiais jonais, tokiais kaip helis (4 He) arba anglis (12 C), sunkieji branduoliai bus įkaitinti iki energijos E x = 20–40 MeV. Toliau didėjant sviedinio branduolio atominiam skaičiui, jam reikės skirti vis daugiau energijos, kad įveiktų teigiamai įkrautų branduolių atstūmimo elektrines jėgas (Kulono reakcijos barjerą). Dėl šios aplinkybės padidėja junginio branduolio, susidariusio susiliejus dviem branduoliams - sviediniui ir taikiniui, sužadinimo energija (kaitinimas). Jo aušinimas (perėjimas į pagrindinę būseną E x = 0) įvyks dėl neutronų ir gama spindulių emisijos. Ir čia ateina pirmoji kliūtis.

Įkaitęs sunkusis branduolys galės išskirti neutroną tik 1/100 atvejų, daugiausia jis bus padalintas į du fragmentus, nes branduolio energija yra žymiai didesnė už jo skilimo barjero aukštį. Nesunku suprasti, kad branduolio junginio sužadinimo energijos padidėjimas jam kenkia. Įkaitusio branduolio išlikimo tikimybė smarkiai krenta didėjant temperatūrai (arba energijai E x), nes didėja išgaravusių neutronų skaičius, su kuriais stipriai konkuruoja dalijimasis. Norint atvėsinti iki maždaug 40 MeV energijos įkaitintą branduolį, reikia išgarinti 4 ar 5 neutronus. Kiekvieną kartą dalijimasis konkuruos su neutrono emisija, dėl to išlikimo tikimybė bus tik (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10 . Situaciją apsunkina tai, kad kylant branduolio temperatūrai mažėja kevalų stabilizuojantis poveikis, todėl mažėja skilimo barjero aukštis, o branduolio dalijamumas smarkiai padidėja. Abu šie veiksniai lemia itin mažą supersunkių nuklidų susidarymo tikimybę.

Pažanga į sunkesnių nei 106 elementų sritį tapo įmanoma po to, kai 1974 m. buvo atrastas vadinamasis. šaltos sintezės reakcijos. Šiose reakcijose kaip tikslinė medžiaga naudojami "stebuklingi" stabilių izotopų branduoliai - 208 Pb (Z = 82, N = 126) arba 209 Bi (Z = 83, N = 126), kuriuos bombarduoja sunkesni už argoną jonai. (Yu.Ts. Oganesyan, A.G. Demin ir kiti). Branduolio sintezės metu didelė nukleonų surišimo energija „stebuklingame“ taikinio branduolyje lemia energijos sugėrimą dviejų sąveikaujančių branduolių persitvarkymo metu.
į sunkų bendrosios masės branduolį. Šis nukleonų „pakavimo“ energijos skirtumas sąveikaujančiuose branduoliuose ir galutiniame branduolyje iš esmės kompensuoja energiją, reikalingą aukštam Kulono reakcijos barjerui įveikti. Dėl to sunkusis branduolys turi tik 12-20 MeV sužadinimo energiją. Tam tikru mastu tokia reakcija yra panaši į „atvirkštinio dalijimosi“ procesą. Iš tiesų, jei urano branduolys dalijasi į du fragmentus, kai išsiskiria energija (jis naudojamas atominėse elektrinėse), tada atvirkštinėje reakcijoje, kai fragmentai susilieja, susidaręs urano branduolys bus beveik šaltas. Todėl, kai elementai sintetinami šaltosios sintezės reakcijose, sunkiajam branduoliui pakanka išmesti tik vieną ar du neutronus, kad jie pereitų į pagrindinę būseną.
Masyvių branduolių šaltosios sintezės reakcijos buvo sėkmingai panaudotos 6 naujų elementų, nuo 107 iki 112 (P. Armbruster, Z. Hofmann, G. Münzenberg ir kt.) sintezei GSI Nacionaliniame branduolinės fizikos centre Darmštate (Vokietija). Neseniai K. Morita ir kiti Nacionaliniame RIKEN centre (Tokijas) pakartojo GSI eksperimentus su 110-112 elementų sinteze. Abi grupės ketina pereiti prie 113 ir 114 elementų, naudodamos sunkesnius sviedinius. Tačiau bandymai šaltosios sintezės reakcijose sintetinti vis sunkesnius elementus yra susiję su dideliais sunkumais. Didėjant jonų atominiam krūviui, jų susiliejimo su tiksliniais branduoliais 208 Pb arba 209 Bi tikimybė labai sumažėja, nes didėja Kulono atstūmimo jėgos, kurios, kaip žinoma, yra proporcingos branduolinių krūvių sandaugai. . Iš elemento 104, kurį galima gauti reakcijoje 208 Pb + 50 Ti (Z 1 × Z 2 = 1804) į elementą 112 reakcijoje 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), susijungimo tikimybė sumažėja daugiau nei 10 4 kartus.

3 pav Sunkiųjų nuklidų žemėlapis. Branduolių pusinės eliminacijos laikas pavaizduotas skirtingomis spalvomis (dešinioji skalė). Juodi kvadratai yra stabilių elementų izotopai Žemės pluta(T 1/2 ≥ 10 9 metai). Tamsiai mėlyna spalva - „nestabilumo jūra“, kurioje branduoliai gyvena mažiau nei 10–6 sekundes. Geltonos linijos atitinka uždarus apvalkalus, nurodančius magiškus protonų ir neutronų skaičius. „Stabilumo salos“ po torio, urano ir transurano elementų „pusiasalio“ yra mikroskopinės branduolio teorijos prognozės. Du branduoliai, kurių Z = 112 ir 116, gauti įvairių branduolinių reakcijų ir jų nuoseklaus skilimo metu, rodo, kaip galima priartėti prie „stabilumo salų“ dirbtinėje supersunkių elementų sintezėje.

Yra dar vienas apribojimas. Šaltosios sintezės reakcijose gauti junginiai turi palyginti nedaug neutronų. Aukščiau aptarto 112-ojo elemento susidarymo atveju galutiniame branduolyje, kurio Z = 112, yra tik 165 neutronai, o neutronų skaičiui N > 170 tikimasi stabilumo padidėjimo (žr. 3 pav.).

Branduolius su dideliu neutronų pertekliumi iš principo galima gauti, jei kaip taikiniai naudojami dirbtiniai elementai: plutonis (Z = 94), americis (Z = 95) arba kuršis (Z = 96), gaminamas branduoliniuose reaktoriuose, ir retas kalcis. izotopas - 48 Ca. (žr. žemiau).

48 Ca atomo branduolyje yra 20 protonų ir 28 neutronai – abi vertės atitinka uždarus apvalkalus. Sintezės reakcijose su 48 Ca branduoliais veiks ir jų „stebuklinga“ struktūra (šį vaidmenį šaltosios sintezės reakcijose atliko magiškieji taikinio branduoliai – 208 Pb), ko pasekoje supersunkių branduolių sužadinimo energija bus apie 30 - 35 MeV. Jų perėjimą į pagrindinę būseną lydės trys neutronai ir gama spinduliai. Galima tikėtis, kad esant tokiai sužadinimo energijai branduolinių apvalkalų poveikis vis dar yra įkaitintuose supersunkiuose branduoliuose, tai padidins jų išlikimą ir leis juos sintetinti savo eksperimentuose. Taip pat atkreipkite dėmesį, kad sąveikaujančių branduolių masės asimetrija (Z 1 × Z2 ≤ 2000) sumažina jų Kulono atstūmimą ir taip padidina susijungimo tikimybę.

Nepaisant to, atrodo akivaizdi nauda, visi ankstesni bandymai sintetinti itin sunkius elementus reakcijose su 48 Ca jonais, atlikti įvairiose laboratorijose 1977–1985 m. pasirodė esąs neveiksmingas. Tačiau pastaraisiais metais sukurta eksperimentinė technika ir, svarbiausia, mūsų laboratorijoje naujos kartos greitintuvuose gaminami intensyvūs 48 Ca jonų pluoštai, leido eksperimento jautrumą padidinti beveik 1000 kartų. Šie pasiekimai buvo panaudoti naujam bandymui susintetinti itin sunkius elementus.

3 Numatomos savybės

Ką tikimės pamatyti eksperimente sėkmingos sintezės atveju? Jei teorinė hipotezė teisinga, supersunkūs branduoliai bus stabilūs savaiminio dalijimosi atžvilgiu. Tada jie patirs kitą skilimo tipą: alfa skilimą (helio branduolio, susidedančio iš 2 protonų ir 2 neutronų, emisiją). Dėl šio proceso susidaro dukterinis branduolys, kuris yra 2 protonais ir 2 neutronais lengvesnis už pirminį. Jei dukterinis branduolys turi mažą savaiminio dalijimosi tikimybę, tai po antrojo alfa skilimo anūkės branduolys dabar bus 4 protonais ir 4 neutronais lengvesnis už pradinį branduolį. Alfa skilimas tęsis tol, kol įvyks savaiminis skilimas (4 pav.).

Tai. tikimės išvysti ne vieną skilimą, o „radioaktyvią šeimą“ – pakankamai ilgą laiką (branduoliniu mastu) nuoseklių alfa skilimų grandinę, kurios konkuruoja, bet galiausiai yra nutraukiamos dėl savaiminio dalijimosi. Iš esmės toks irimo scenarijus jau rodo supersunkaus branduolio susidarymą.

Norint visapusiškai pamatyti numatomą stabilumo padidėjimą, reikia kuo arčiau priartėti prie uždarų apvalkalų Z = 114 ir N = 184. Branduolinėse reakcijose susintetinti tokius neutronų turinčius branduolius yra nepaprastai sunku, nes per susiliejus stabilių elementų branduoliams, kuriuose jau yra tam tikras protonų ir neutronų santykis, neįmanoma patekti į dvigubai magišką branduolį 298 114. Todėl reakcijoje reikia pabandyti panaudoti branduolius, kuriuose iš pradžių yra didžiausias galimas neutronų skaičius. Tai didžiąja dalimi taip pat lėmė pagreitintų 48 Ca jonų pasirinkimas kaip sviedinys. Žinoma, kad gamtoje kalcio yra daug. Jį sudaro 97% 40 Ca izotopo, kurio branduolyje yra 20 protonų ir 20 neutronų. Tačiau jame yra 0,187% sunkaus izotopų - 48 Ca (20 protonų ir 28 neutronų), kuriame yra 8 neutronų perteklius. Jo gamybos technologija yra labai daug laiko ir brangi; vieno gramo, praturtinto 48 Ca, kaina yra apie 200 000 USD. Todėl, norėdami rasti kompromisinį sprendimą – gauti maksimalų jonų pluošto intensyvumą, turėjome gerokai pakeisti savo greitintuvo konstrukciją ir veikimo režimus. minimalus srautasšios egzotiškos medžiagos.

4 pav
Teorinės prognozės apie skilimo tipus (paveikslėlyje parodytos skirtingomis spalvomis) ir supersunkių elementų, turinčių skirtingą protonų ir neutronų skaičių, izotopų pusinės eliminacijos laiką. Kaip pavyzdys parodyta, kad 116-ojo elemento, kurio masė 293, izotopui, kuris susidaro 248 St ir 48 Ca branduolių sintezės reakcijoje, tikimasi trijų iš eilės alfa skilimų, kurių kulminacija vyksta savaiminiu skilimu. 110-ojo elemento proanūkės branduolio, kurio masė 281. Kaip matyti 8 pav., yra kaip tik toks irimo scenarijus grandinės pavidalu. α - α - α - SF, stebimas šiam branduoliui eksperimente. Lengvesnio branduolio skilimas – 110-ojo elemento, kurio masė 271, izotopas, gautas vykstant branduolių 208 Pb + 64 Ni „šaltosios sintezės“ reakcijai. Jo pusinės eliminacijos laikas yra 10 4 kartus trumpesnis nei izotopo. 281 110.

Šiandien pasiekėme rekordinį spindulio intensyvumą – 8 × 10 12 /s, esant labai mažam 48 Ca izotopo suvartojimui – apie 0,5 miligramo per valandą. Kaip tikslinę medžiagą naudojame ilgaamžius prisodrintus dirbtinių elementų izotopus: Pu, Am, Cm ir Cf (Z = 94-96 ir 98), taip pat turinčius didžiausią neutronų kiekį. Jie gaminami galinguose branduoliniuose reaktoriuose (Oak Ridge mieste, JAV ir Dimitrovgrade, Rusijoje), o vėliau sodrinami specialiuose objektuose, masės separatoriuose Visos Rusijos Eksperimentinės fizikos tyrimų institute (Sarov). Elementų, kurių Z = 114-118, sintezei pasirinktos 48 Ca branduolių sintezės reakcijos su šių izotopų branduoliais.

Čia norėčiau padaryti nukrypimą.

Ne kiekviena laboratorija, net ir pirmaujantys pasaulyje branduoliniai centrai, turi tokių unikalių medžiagų ir tokiu kiekiu, kokius naudojame savo darbe. Bet jų gamybos technologijos buvo sukurtos mūsų šalyje ir jas kuria mūsų pramonė. Rusijos atominės energetikos ministras pasiūlė parengti naujų elementų sintezės darbų programą 5 metams ir šiems tyrimams skyrė specialią dotaciją. Kita vertus, dirbdami Jungtiniame branduolinių tyrimų institute plačiai bendradarbiaujame (ir konkuruojame) su pirmaujančiomis pasaulio laboratorijomis. Vykdydami supersunkių elementų sintezės tyrimus, daug metų glaudžiai bendradarbiaujame su Livermoro nacionaline laboratorija (JAV). Šis bendradarbiavimas ne tik suvienija mūsų pastangas, bet ir sukuria sąlygas, kuriomis eksperimento rezultatus apdoroja ir analizuoja dvi grupės nepriklausomai visuose eksperimento etapuose.
5 metų darbo metu, ilgai veikiant, dozė yra apie 2 × 10 20 jonų (per tikslinius sluoksnius praėjo apie 16 miligramų 48 Ca, pagreitinta iki ~ 1/10 šviesos greičio). Šiuose eksperimentuose buvo stebimas 112÷118 elementų (išskyrus 117 elementą) izotopų susidarymas ir gauti pirmieji naujų supersunkių nuklidų skilimo savybių rezultatai. Visų rezultatų pateikimas užimtų per daug vietos ir, kad nevargintume skaitytojo, apsiribosime tik paskutinio 113 ir 115 elementų sintezės eksperimento aprašymu – visos kitos reakcijos buvo tiriamos. Panašiu būdu. Tačiau prieš pradedant šią užduotį būtų tikslinga trumpai apibūdinti eksperimentinę sąranką ir paaiškinti pagrindinius mūsų sąrankos veikimo principus.

4. Eksperimento nustatymas

Jungtinis branduolys, susidaręs susiliejus taikinio ir dalelės branduoliams, išgaravus neutronams, judės jonų pluošto kryptimi. Tikslinis sluoksnis parenkamas pakankamai plonas, kad iš jo galėtų išskristi sunkus atatrankos atomas ir tęsti judėjimą į detektorių, esantį maždaug 4 m atstumu nuo taikinio Tarp taikinio ir detektoriaus yra dujomis užpildytas separatorius. , skirtas slopinti pluošto daleles ir šalutinius reakcijos produktus.
Separatoriaus veikimo principas (5 pav.) paremtas tuo, kad atomai dujinėje terpėje – mūsų atveju vandenilyje, tik 10 -3 atm slėgyje. - turės skirtingą jonų krūvį, priklausomai nuo jų greičio. Tai leidžia juos atskirti magnetiniame lauke „skrendant“ per 10 -6 s. ir nusiųskite į detektorių. Atomai, praėję per separatorių, implantuojami į jautrų puslaidininkinio detektoriaus sluoksnį, generuojant signalus apie atatrankos atomo atvykimo laiką, jo energiją ir implantacijos vietą (t.y. koordinates: X ir adresu ant darbinio detektoriaus paviršiaus). Šiems tikslams detektorius, kurio bendras plotas yra apie 50 cm 2, yra pagamintas iš 12 "juostelių" - juostelių, panašių į fortepijono klavišus - kurių kiekviena turi išilginį jautrumą. Jei implantuoto atomo branduolys patiria alfa skilimą, tada išspinduliuotą alfa dalelę (kurios numatoma energija yra apie 10 MeV) detektorius užregistruos su visais anksčiau išvardytais parametrais: laiku, energija ir koordinatėmis. Jei po pirmojo skilimo seka antrasis, tada panaši informacija bus gauta apie antrąją alfa dalelę ir pan. kol įvyks spontaniškas dalijimasis. Paskutinis skilimas bus registruojamas dviejų didelės amplitudės signalų, sutampančių laike (E 1 + E 2 ~ 200 MeV) forma. Siekiant padidinti alfa dalelių ir suporuotų dalijimosi fragmentų registravimo efektyvumą, priekinis detektorius yra apsuptas šoniniais detektoriais, suformuojant „dėžutę“ su sienele, atidaryta iš separatoriaus pusės. Priešais detektorių yra du ploni skrydžio laiko detektoriai, matuojantys atatrankos branduolių greitį (vadinamieji TOF detektoriai, angliškų žodžių santrumpa - skrydžio laikas). Todėl pirmasis signalas, kylantis iš atatrankos branduolio, ateina su TOF ženklu. Vėlesni branduolių irimo signalai šios savybės neturi.
Žinoma, skilimas gali būti įvairios trukmės, pasižymintis vienos ar kelių skirtingos energijos alfa dalelių išmetimu. Bet jeigu jie priklauso tam pačiam branduoliui ir sudaro radioaktyvią šeimą (motinos branduolys – dukra – anūkė ir kt.), tai visų signalų – iš atatrankos branduolio, alfa dalelių ir dalijimosi fragmentų – koordinatės turi sutapti su tikslumu. padėties detektoriaus skiriamoji geba. Mūsų detektoriai, kuriuos gamina Canberra Electronics, matuoja alfa dalelių energiją ~ 0,5% tikslumu, o kiekvienos juostos padėties skiriamoji geba yra apie 0,8 mm.

5 pav
Scheminis įrenginio, skirto atatrankos branduoliams atskirti sunkiųjų elementų sintezės eksperimentuose, vaizdas

Psichiškai visas detektoriaus paviršius gali būti pavaizduotas kaip apie 500 ląstelių (pikselių), kuriose aptinkamas skilimas. Tikimybė, kad du signalai atsitiktinai pateks į tą pačią vietą, yra 1/500, trys signalai – 1/250000 ir pan. Tai leidžia labai patikimai atrinkti iš didžiulio radioaktyviųjų produktų kiekio labai retus genetiškai susijusius nuoseklius supersunkių branduolių skilimo atvejus, net jei jų susidaro itin mažai (~ 1 atomas/mėn.).

5. Eksperimento rezultatai

(fizinė patirtis)

Norėdami parodyti instaliaciją „veikiant“, kaip pavyzdį plačiau aprašysime 115 elemento, susidariusio branduolių sintezės reakcijoje 243 Am (Z=95) + 48 Ca (Z=20) sintezės eksperimentus. ) → 291 115.
Z nelyginio branduolio sintezė patraukli tuo, kad nelyginio protono ar neutrono buvimas žymiai sumažina savaiminio dalijimosi tikimybę ir nuoseklių alfa perėjimų skaičius bus didesnis (ilgos grandinės) nei skilimo atveju. -net branduoliai. Norint įveikti Kulono barjerą, 48 Ca jonų energija turi būti > 236 MeV. Kita vertus, jei ši sąlyga yra įvykdyta, jei pluošto energija apribota E=248 MeV, tai 291 115 branduolio junginio šiluminė energija bus apie 39 MeV; jo aušinimas vyks išspinduliuojant 3 neutronus ir gama spindulius. Tada reakcijos produktas bus elemento, kurio neutronų skaičius N=173, izotopas 115. Išskridęs iš tikslinio sluoksnio, naujo elemento atomas pereis per separatorių, sureguliuotą jį praleisti ir pateks į detektorių. Tolesni įvykiai vystosi, kaip parodyta 6 pav. Praėjus 80 mikrosekundžių po to, kai frontaliniame detektoriuje sustoja atatrankos branduolys, duomenų rinkimo sistema gauna signalus apie jo atvykimo laiką, energiją ir koordinates (juostelės numerį ir padėtį joje). Atkreipkite dėmesį, kad ši informacija turi ženklą „TOF“ (pateikta iš skyriklio). Jei per 10 sekundžių iš tos pačios detektoriaus paviršiaus vietos atsiranda antrasis signalas, kurio energija yra didesnė nei 9,8 MeV, be "TOF" ženklo (ty dėl implantuoto atomo skilimo), spindulys pasukamas. išjungtas ir visas tolesnis skilimas registruojamas sąlygomis, kai beveik visiškai nėra fono. Kaip matyti viršutiniame 6 pav. grafike, už pirmųjų dviejų signalų – iš atatrankos branduolio ir pirmosios alfa dalelės – apie 20 s. išjungus spindulį, sekė dar 4 signalai, kurių padėtis ± 0,5 mm tikslumu sutampa su ankstesniais signalais. Kitas 2,5 valandos detektorius tylėjo. Savaiminis dalijimasis toje pačioje juostoje ir toje pačioje padėtyje buvo užregistruotas tik kitą dieną, po 28,7 valandos, dviejų signalų pavidalu iš dalijimosi fragmentų, kurių bendra energija buvo 206 MeV.
Tokios grandinės buvo registruojamos tris kartus. Visi jie yra vienodos formos (6 branduolių kartos radioaktyviojoje šeimoje) ir atitinka vienas kitą tiek alfa dalelių energija, tiek jų atsiradimo laiku, atsižvelgiant į eksponentinį branduolinio skilimo dėsnį. Jei pastebėtas poveikis, kaip ir tikėtasi, yra susijęs su 115-ojo elemento, kurio masė 288, izotopo skilimas, kuris susidaro junginiui išgaravus 3 neutronų branduoliui, tada padidėjus 48Ca energijai. jonų pluoštą tik 5 MeV, jis turėtų sumažėti 5–6 kartus. Iš tiesų, esant E = 253 MeV, efekto nebuvo. Tačiau čia buvo pastebėta kita, trumpesnė, skilimo grandinė, susidedanti iš keturių alfa dalelių (manome, kad jų taip pat buvo 5, bet paskutinė alfa dalelė išskrido į atidarytas langas), kurio trukmė tik 0,4 s. Nauja skilimo grandinė pasibaigė po - 1,5 valandos su savaiminiu skilimu. Akivaizdu, kad tai yra kito branduolio skilimas, turintis didelę tikimybę, kad gretimas 115-ojo elemento izotopas, kurio masė yra 287, susidarė sintezės reakcijoje, išskiriant 4 neutronus. Nelyginio-nelyginio izotopo Z=115, N=173 nuoseklaus skilimo grandinė parodyta 6 pav. apatiniame grafike, kur supersunkių nuklidų su skirtingu protonų ir neutronų skaičiumi apskaičiuoti pusinės eliminacijos periodai pavaizduoti forma. kontūrinio žemėlapio. Taip pat rodomas kito, lengvesnio nelyginio 111-ojo elemento izotopo, kurio neutronų skaičius N = 161, skilimas, susintetintas reakcijoje 209 Bi + 64 Ni Vokietijos laboratorijoje – GSI (Darmstadt), o paskui japonų – RIKEN. (Tokijas).

6 pav
Elemento 115 sintezės eksperimentas reakcijoje 48 Ca + 243 At.
Viršutiniame paveikslėlyje parodytas signalų atsiradimo laikas po implantavimo į atatrankos branduolio detektorių (R). Signalai iš alfa dalelių registravimo pažymėti raudonai, signalai iš savaiminio dalijimosi – žalia spalva. Pavyzdžiui, vieno iš trijų įvykių padėties koordinatės (mm) visų 7 signalų iš mažėjimo grandinės R →α 1 → α 2 → α 3 → α 4 → α 5 → SF užfiksuotas juostoje Nr. 4. Apatiniame paveikslėlyje pavaizduotos branduolių, kurių Z=111, N=161 ir Z=115, N=173, irimo grandinės. Kontūrinės linijos, nubrėžiančios skirtingo pusėjimo trukmės branduolių sritis ( įvairaus laipsniošešėliavimas) – mikroskopinės teorijos prognozės.

Visų pirma, reikia pažymėti, kad branduolių pusinės eliminacijos laikas abiem atvejais gerai sutampa su teorinėmis prognozėmis. Nepaisant to, kad izotopas 288 115 yra nutolęs 11 neutronų nuo neutronų apvalkalo N=184, elementų 115 ir 113 izotopų tarnavimo laikas yra gana ilgas (atitinkamai T 1/2 ~ 0,1 s ir 0,5 s).
Po penkių alfa skilimų susidaro elemento izotopas 105 - dubnium (Db), kurio N=163, kurio stabilumą lemia kitas uždaras apvalkalas N=162. Šio apvalkalo stiprumą demonstruoja didžiulis dviejų Db izotopų, besiskiriančių vienas nuo kito tik 8 neutronais, pusėjimo trukmės. Dar kartą pažymime, kad nesant struktūros (branduolinių apvalkalų), visi 105÷115 elementų izotopai turėtų patirti savaiminį skilimą per ~ 10–19 s.

(chemijos srityje patirtis)

Aukščiau aprašytame pavyzdyje nepriklausomą domina ilgalaikio izotopo 268 Db, kuris uždaro 115-ojo elemento skilimo grandinę, savybės.
Pagal periodinį įstatymą 105-asis elementas yra penktoje eilutėje. Tai, kaip matyti 7 pav., yra cheminis niobio (Nb) ir tantalo (Ta) homologas ir cheminėmis savybėmis skiriasi nuo visų lengvesnių elementų – aktinidų (Z = 90 ÷ 103), kurie lentelėje yra atskira grupė. DI Mendelejevas. Dėl ilgo pusinės eliminacijos periodo šis 105-ojo elemento izotopas gali būti atskirtas nuo visų reakcijos produktų radiocheminis metodas su vėlesniu jo skilimo matavimu - savaiminis skilimas. Šis eksperimentas suteikia nepriklausomą galutinio branduolio (Z = 105) ir visų nuklidų, susidariusių 115-ojo elemento alfa skilimo metu, atominį numerį.
Cheminio eksperimento metu nereikia naudoti atatrankos separatoriaus. Reakcijos produktų atskyrimas pagal jų atominį skaičių atliekamas metodais, pagrįstais jų cheminių savybių skirtumais. Todėl čia buvo naudojamas labiau supaprastintas metodas. Iš taikinio išbėgantys reakcijos produktai buvo suvaromi į vario kolektorių, esantį jų judėjimo kelyje iki 3–4 mikronų gylio. Po 20-30 valandų švitinimo kolekcija ištirpo. Iš tirpalo išskirta dalis transaktinidų – iš šios frakcijos elementai Z > 104 – a, vėliau 5-os eilės elementai – Db, kartu su jų cheminiais homologais Nb ir Ta. Pastarieji buvo dedami kaip „žymekliai“ į tirpalą prieš cheminį atskyrimą. Tirpalo, kuriame yra Db, lašelis buvo nusodintas ant plono pagrindo, išdžiovintas ir dedamas tarp dviejų puslaidininkinių detektorių, kurie užregistravo abu savaiminio dalijimosi fragmentus. Visas mazgas paeiliui buvo patalpintas į neutronų detektorių, kuris nustatė neutronų skaičių, kurį išskiria fragmentai branduolio dalijimosi metu Db.
2004 m. birželį atlikta 12 identiškų eksperimentų (S. N. Dmitriev ir kt.), kuriuose užregistruota 15 savaiminio Db dalijimosi įvykių. Savaiminio dalijimosi fragmentų Db kinetinė energija yra apie 235 MeV; vidutiniškai per kiekvieną dalijimosi įvykį išmetama apie 4 neutronus. Tokios savybės būdingos savaiminiam gana sunkaus branduolio skilimui. Prisiminkite, kad 238 U šios vertės yra atitinkamai apie 170 MeV ir 2 neutronus.
Cheminė patirtis patvirtina fizikinio eksperimento rezultatus: 115-ojo elemento branduoliai, susidarę reakcijoje 243 Am + 48 Ca dėl penkių iš eilės alfa skilimų: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 tikrai veda iki ilgalaikio spontaniškai dalijančio branduolio, kurio atominis skaičius 105, susidarymo. Šiuose eksperimentuose, kaip dukterinis 115-ojo elemento alfa skilimo produktas, buvo susintetintas ir kitas anksčiau nežinomas elementas, kurio atominis skaičius 113.

7 pav
Fizikiniai ir cheminiai eksperimentai tiriant 115-ojo elemento radioaktyviąsias savybes.
Reakcijoje 48 Ca + 243 At, naudojant fizinę sąranką, buvo parodyta, kad penkios iš eilės
izotopo 288 115 alfa skilimas lemia ilgaamžį 105-ojo elemento izotopą – 268 Db, kuris
spontaniškai skyla į dvi dalis. Cheminio eksperimento metu buvo nustatyta, kad branduolys, kurio atominis skaičius 105, patiria savaiminį skilimą.

6. Bendras vaizdas ir ateitis

Reakcijoje 243 Am+ 48 Ca gauti rezultatai nėra ypatingas atvejis. Sintezės metu Z-lygių nuklidų - 112, 114 ir 116 elementų izotopų - taip pat stebėjome ilgas skilimo grandines, kurios baigiasi savaiminiu branduolių, kurių Z = 104-110, dalijimasis, kurių gyvavimo trukmė svyravo nuo sekundžių iki valandų, priklausomai nuo branduolio atominis skaičius ir neutronų sudėtis . Iki šiol buvo gauti duomenys apie 29 naujų branduolių, kurių Z = 104-118, irimo savybes; jie pateikti nuklidų žemėlapyje (8 pav.). Sunkiausių branduolių, esančių transaktinidų srityje, savybės, jų skilimo tipas, energijos ir skilimo laikas gerai sutampa su šiuolaikinės teorijos prognozėmis. Hipotezė apie supersunkių branduolių stabilumo salelių, kurios žymiai išplečia elementų pasaulį, egzistavimą, regis, pirmą kartą rado eksperimentinį patvirtinimą.

perspektyvas

Dabar užduotis yra išsamiau ištirti naujų elementų branduolinę ir atominę struktūrą, kuri yra labai problematiška pirmiausia dėl mažos norimų reakcijos produktų išeigos. Norint padidinti supersunkių elementų atomų skaičių, būtina padidinti 48Ca jonų pluošto intensyvumą ir padidinti efektyvumą fizinės technikos. Ateinančiais metais planuojamas sunkiųjų jonų greitintuvo modernizavimas, panaudojant visus naujausius greitintuvų technologijos pasiekimus, leis apie 5 kartus padidinti jonų pluošto intensyvumą. Antrosios dalies sprendimas reikalauja iš esmės pakeisti eksperimentų išdėstymą; tai galima rasti kuriant naują eksperimentinę techniką, pagrįstą supersunkių elementų savybėmis.

8 pav
Sunkiųjų ir supersunkių elementų nuklidų žemėlapis.
Branduoliams ovalų viduje, atitinkantiems įvairias sintezės reakcijas (parodyta paveikslėlyje), rodomi išskiriamų alfa dalelių pusinės eliminacijos laikas ir energijos (geltoni kvadratai). Duomenys pateikiami kontūrinis žemėlapis atskiriant sritį pagal branduolinių apvalkalų poveikio indėlį į branduolio surišimo energiją. Jei branduolinės struktūros nebūtų, visas laukas būtų baltas. Tamsėjant kriauklių poveikis stiprėja. Dvi gretimos juostos skiriasi tik 1 MeV. Tačiau to pakanka, kad būtų žymiai padidintas branduolių stabilumas savaiminio dalijimosi atžvilgiu, dėl ko nuklidai, esantys šalia „stebuklingo“ protonų ir neutronų skaičiaus, patiria daugiausia alfa skilimą. Kita vertus, 110 ir 112 elementų izotopuose neutronų skaičiaus padidėjimas 8 atominiais vienetais lemia, kad branduolių alfa skilimo periodai pailgėja daugiau nei 10 5 kartus.

Veikiančio įrenginio - atatrankos branduolių kinematinės separatoriaus (5 pav.) veikimo principas pagrįstas įvairių reakcijų tipų kinematinių charakteristikų skirtumu. Mus dominantys taikinių branduolių ir 48 Ca sintezės reakcijos produktai išskrenda iš taikinio į priekį, siauru kampiniu kūgiu ± 3 0, kurio kinetinė energija yra apie 40 MeV. Apribojus atatrankos trajektorijas atsižvelgiant į šiuos parametrus, mes beveik visiškai atsiribojame nuo jonų pluošto, 10 4 ÷ 10 6 kartus slopiname šalutinių reakcijos produktų foną ir tiekiame naujų elementų atomus į detektorių efektyvumu maždaug 40 % per 1 mikrosekundę. Kitaip tariant, reakcijos produktų atskyrimas vyksta „skraidydamas“.

8 pav. MASHA montavimas
Viršutiniame paveikslėlyje parodyta separatoriaus schema ir jo veikimo principas. Iš tikslinio sluoksnio išsiskiriantys atatrankos branduoliai sustoja grafito kolektoriuje kelių mikrometrų gylyje. Dėl aukštos temperatūros Kolektoriuje jie pasklinda į jonų šaltinio kamerą, ištraukiami iš plazmos, pagreitinami elektrinio lauko ir, judėdami detektoriaus link, analizuojami pagal masę magnetiniais laukais. Šioje konstrukcijoje atomo masę galima nustatyti 1/3000 tikslumu. Apatinis paveikslas rodo bendra formaįrengimas.

Bet norint išgauti didelį instaliacijos selektyvumą, svarbu išsaugoti, „neištepti“ kinematinių parametrų – nukrypimo kampų ir atatrankos branduolių energijos. Dėl šios priežasties būtina naudoti tikslinius sluoksnius, kurių storis ne didesnis kaip 0,3 mikrometro - maždaug tris kartus mažiau, nei reikia norint gauti efektyvų supersunkaus branduolio išeigą, turinčią tam tikrą masę, arba 5–6 kartus mažiau, kai jis sintezuoja du tam tikro elemento izotopus, esančius greta masės. Be to, norint gauti duomenis apie supersunkaus elemento izotopų masės skaičius, reikia atlikti ilgą ir daug pastangų reikalaujančią eksperimentų seriją – pakartoti matavimus esant skirtingoms 48 Ca jonų pluošto energijoms.
Tuo pačiu metu, kaip matyti iš mūsų eksperimentų, susintetintų supersunkių elementų atomų pusinės eliminacijos laikas žymiai viršija kinematinės separatoriaus greitį. Todėl daugeliu atvejų nereikia atskirti reakcijos produktų per tokį trumpą laiką. Tada galima keisti įrenginio veikimo principą ir atlikti reakcijos produktų atskyrimą keliais etapais.
Naujo įrengimo schema parodyta 9 pav. Po atatrankos branduolių implantacijos į kolektorių, įkaitintą iki 2000 0 C temperatūros, atomai difunduoja į jonų šaltinio plazmą, plazmoje jonizuojasi iki krūvio q = 1 +, ištraukiami iš šaltinio. elektrinis laukas, atskirtas pagal masę specialaus profilio magnetiniuose laukuose ir, galiausiai, registruojamas (pagal skilimo tipą) židinio plokštumoje esančiais detektoriais. Visa procedūra gali užtrukti nuo dešimtųjų sekundės dalių iki kelių sekundžių, priklausomai nuo temperatūros sąlygos ir fizinės ir cheminės savybės atskirti atomai. Greitai pasiduodantis kinematinį separatorių, naujasis įrenginys - MASHA (santrumpa pilnas vardas Itin sunkiųjų atomų masės analizatorius) - padidins darbo efektyvumą apie 10 kartų ir kartu su skilimo savybėmis suteiks tiesioginį supersunkių branduolių masės matavimą.
Dėl dotacijos, kurią skyrė Maskvos srities gubernatorius B.V. Gromovas, kad sukurtų šią instaliaciją, ji buvo suprojektuota ir pagaminta trumpalaikis- 2 metai, išlaikė testus ir yra pasirengęs dirbti. Po akceleratoriaus rekonstrukcijos, su MASHA montavimu. gerokai išplėsime naujų nuklidų savybių tyrimus ir bandysime toliau žengti į sunkesnių elementų regioną.

(ieškokite itin sunkių elementų gamtoje)

Kita supersunkių elementų problemos pusė yra susijusi su ilgesnio gyvenimo nuklidų gamyba. Aukščiau aprašytais eksperimentais priartėjome tik prie „salos“ krašto, radome statų pakilimą į viršų, bet dar toli nuo jo viršūnės, kur branduoliai gali gyventi tūkstančius, o gal net milijonus metų. Susintetintuose branduoliuose neturime pakankamai neutronų, kad galėtume priartėti prie N=184 apvalkalo. Šiandien tai nepasiekiama – nėra reakcijų, kurios leistų gauti tokius neutronų turinčius nuklidus. Galbūt tolimoje ateityje fizikai galės panaudoti intensyvius radioaktyviųjų jonų pluoštus, kurių neutronų skaičius bus didesnis nei 48 Ca branduoliuose. Tokie projektai dabar plačiai aptarinėjami, kol kas neliečiant tokių akceleratorių gigantų sukūrimui būtinų išlaidų.

Tačiau galite pabandyti pažvelgti į šią problemą iš kitos pusės.

Jei darysime prielaidą, kad ilgiausiai gyvenančių supersunkių branduolių pusinės eliminacijos laikas yra 10 5 ÷ 10 6 metai (nedaug skiriasi nuo teorijos prognozių, kuri taip pat pateikia savo įverčius tam tikru tikslumu), tada gali būti, kad juos galima aptikti kosminiuose spinduliuose – elementų formavimosi kitose, jaunesnėse Visatos planetose, liudininkai. Jei darysime dar stipresnę prielaidą, kad „šimtamečių“ pusinės eliminacijos laikas gali siekti dešimtis milijonų ar daugiau metų, tada jie galėtų būti Žemėje, išlikę labai mažais kiekiais nuo elementų susidarymo momento. saulės sistema iki šių dienų.
Tarp galimų kandidatų teikiame pirmenybę 108-ojo elemento (Hs) izotopams, kurių branduoliuose yra apie 180 neutronų. Cheminiai eksperimentai, atlikti su trumpaamžiu izotopu 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s), parodė, kad elementas 108, kaip ir tikėtasi, pagal periodinį dėsnį yra cheminis elemento 76 homologas – osmis (Os).

10 pav
Įrenginys, skirtas registruoti neutronų blykstę, atsirandančią dėl savaiminio branduolių dalijimosi 108 elemento skilimo metu. (Požeminė laboratorija Modane, Prancūzijoje)

Tada metalinio osmio mėginyje elemento Eka(Os) gali būti labai mažais kiekiais. Eka(Os) buvimą osmyje galima nustatyti pagal jo radioaktyvų skilimą. Gali būti, kad labai sunkios ilgaamžės patirs savaiminį skilimą arba savaiminis skilimas įvyks po ankstesnių alfa ar beta skilimų (radioaktyvios transformacijos, kai vienas iš branduolio neutronų virsta protonu) lengvesnio ir trumpesnio. -gyveno dukters ar anūkės branduolys. Todėl pirmajame etape galima atlikti eksperimentą, skirtą registruoti retus savaiminio osmio mėginio dalijimosi įvykius. Tokiam eksperimentui ruošiamasi. Matavimai prasidės šių metų pabaigoje ir truks 1-1,5 metų. Supersunkaus branduolio skilimas bus užregistruotas neutronų blyksniu, lydinčiu savaiminį skilimą. Siekiant apsaugoti objektą nuo kosminių spindulių generuojamų neutronų fono, matavimai bus atliekami požeminėje laboratorijoje, esančioje po Alpėmis tunelio, jungiančio Prancūziją su Italija, viduryje 4000 metrų vandens gylyje. lygiavertis sluoksnis.
Jei per matavimų metus stebimas bent vienas savaiminio supersunkaus branduolio dalijimosi įvykis, tai atitiks 108 elemento koncentraciją Os mėginyje apie 5 × 10 -15 g / g., Darant prielaidą, kad jo pusinės eliminacijos laikas yra 10 9 metai. Tokia maža reikšmė yra tik 10–16 urano koncentracijos žemės plutoje.
Nepaisant itin didelio eksperimento jautrumo, tikimybė aptikti relikviją, itin sunkius nuklidus yra nedidelė. Tačiau bet kokia mokslinė paieška visada turi mažą galimybę... Joks poveikis neduos viršutinės ilgų kepenų pusinės eliminacijos periodo ribos T 1/2 lygyje. ≤ 3× 10 7 metai. Ne toks įspūdingas, bet svarbus norint suprasti branduolių savybes naujame supersunkių elementų stabilumo regione.

Esant kriptono jonų energijai šalia Kulono barjero, buvo pastebėti trys 118 elemento susidarymo atvejai. 293 118 branduolių buvo implantuoti į silicio detektorių ir buvo stebima šešių nuoseklių α skilimų grandinė, kuri baigėsi ties 269 Sg izotopu. Elemento 118 gamybos skerspjūvis buvo ~2 pikobarnai. Izotopo 293 118 pusinės eliminacijos laikas yra 120 ms. Ant pav. 3 paveiksle pavaizduota izotopo 293 118 nuoseklaus α skilimo grandinė ir parodytas dukterinių branduolių, susidariusių dėl α skilimo, pusinės eliminacijos laikas.

Remiantis įvairiais teoriniais modeliais, buvo apskaičiuotos supersunkių branduolių skilimo charakteristikos. Vieno iš šių skaičiavimų rezultatai parodyti Fig. 4. Pateikti net ir net supersunkių branduolių pusamžiai savaiminio dalijimosi (a), α-skilimo (b), β-skilimo (c) ir visų galimų skilimo procesų (d) atžvilgiu. Stabiliausias branduolys savaiminio dalijimosi atžvilgiu (4a pav.) yra branduolys, kurio Z = 114 ir N = 184. Jo pusinės eliminacijos laikas savaiminio dalijimosi atžvilgiu yra ~10 16 metų. 114-ojo elemento izotopų, kurie nuo stabiliausių skiriasi 6-8 neutronais, pusinės eliminacijos laikas sumažėja 10-15 dydžių. Pusinės eliminacijos laikas α skilimo atžvilgiu parodytas fig. 4b. Stabiliausias branduolys yra Z regione< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.

Branduoliai, stabilūs β skilimo atžvilgiu, parodyti Fig. 4c tamsūs taškai. Ant pav. 4d rodo visą pusėjimo trukmę. Lygioms-lygioms šerdims, esančioms centrinio kontūro viduje, jos yra ~10 5 metų. Taigi, įvertinus visus skilimo tipus, paaiškėja, kad šalia Z = 110 ir N = 184 esantys branduoliai sudaro "stabilumo salą". 294 110 branduolio pusinės eliminacijos laikas yra maždaug 10 9 metai. Skirtumas tarp Z reikšmės ir magiško skaičiaus 114, numatytų pagal apvalkalo modelį, atsiranda dėl konkurencijos tarp dalijimosi (kurio atžvilgiu branduolys, kurio Z = 114 yra stabiliausias) ir α skilimo (kurių branduolių atžvilgiu mažesni Z yra stabilūs). Nelyginių ir nelyginių branduolių pusinės eliminacijos laikas didėja atsižvelgiant į α skilimą ir savaiminį skilimą, o sumažėja β skilimo atžvilgiu. Reikėtų pažymėti, kad aukščiau pateikti įverčiai labai priklauso nuo skaičiavimuose naudojamų parametrų ir gali būti laikomi tik požymiais, kad gali egzistuoti supersunkūs branduoliai, kurių gyvavimo laikas yra pakankamai ilgas, kad būtų galima juos eksperimentiniu būdu aptikti.

Dar kito supersunkių branduolių pusiausvyros formos ir jų pusėjimo trukmės skaičiavimo rezultatai parodyti Fig. 5, 11.11. Ant pav. 11.10 parodyta pusiausvyros deformacijos energijos priklausomybė nuo neutronų ir protonų skaičiaus branduoliams, kurių Z = 104-120. Įtempimo energija apibrėžiama kaip pusiausvyros ir sferinės formos branduolių energijų skirtumas. Iš šių duomenų matyti, kad Z = 114 ir N = 184 srityse turėtų būti branduoliai, kurie pagrindinėje būsenoje turi sferinę formą. Visi iki šiol atrasti supersunkūs branduoliai (5 pav. jie pavaizduoti tamsiais deimantais) yra deformuoti. Lengvieji deimantai rodo branduolius, kurie yra stabilūs β skilimo atžvilgiu. Šie branduoliai turi irti dėl α skilimo arba dalijimosi. Pagrindinis skilimo kanalas turėtų būti α-skilimas.

Netolygių β stabilių izotopų pusinės eliminacijos laikas parodytas fig. 6. Remiantis šiomis prognozėmis, daugumos branduolių pusinės eliminacijos laikas turėtų būti daug ilgesnis nei stebimas jau atrastų supersunkių branduolių (0,1-1 ms). Pavyzdžiui, 292 110 branduolio tarnavimo laikas yra ~ 51 metai.
Taigi, remiantis šiuolaikiniais mikroskopiniais skaičiavimais, supersunkių branduolių stabilumas smarkiai padidėja artėjant prie magiškojo neutronų skaičiaus N = 184. Dar visai neseniai vienintelis elemento, kurio Z = 112 izotopas buvo izotopas 277 112, turintis pus tarnavimo laikas 0,24 ms. Sunkesnis izotopas 283 112 buvo susintetintas šaltos sintezės reakcijoje 48 Ca + 238 U. Švitinimo laikas 25 dienos. Bendras 48 Ca jonų skaičius taikinyje yra 3,5 · 10 18 . Užregistruoti du atvejai, kurie interpretuoti kaip savaiminis susidariusio izotopo 283 112 dalijimasis. Šio naujo izotopo pusinės eliminacijos periodui buvo gautas įvertis T 1/2 = 81 s. Taigi galima pastebėti, kad neutronų skaičiaus padidėjimas izotope 283112, palyginti su izotopu 277112, 6 vienetais padidina tarnavimo laiką 5 dydžių eilėmis.

Ant pav. 7 parodyta išmatuota Sg (Z = 106) seaborgium izotopų gyvavimo trukmė, palyginti su įvairių teorinių modelių prognozėmis. Pažymėtina, kad izotopo, kurio N = 164, tarnavimo laikas sumažėja beveik eilės tvarka, palyginti su izotopo, kurio N = 162, tarnavimo laikas.
Artimiausią priėjimą prie stabilumo salos galima pasiekti reakcijoje 76 Ge + 208 Pb. Supersunkus beveik sferinis branduolys gali susidaryti sintezės reakcijoje, po kurios išspinduliuojamas γ-kvantas arba vienas neutronas. Remiantis skaičiavimais, gautas branduolys 284 114 turėtų suirti, išskirdamas α daleles, kurių pusinės eliminacijos laikas yra ~ 1 ms. Papildomos informacijos apie apvalkalo užpildymą srityje N = 162 galima gauti ištyrus 271 108 ir 267 106 branduolių α skilimą, šiems branduoliams numatomas 1 min pusinės eliminacijos laikas. ir 1 val. Branduoliams 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 tikimasi izomerijos, kurios priežastis yra posluoksnių užpildymas j = 1/2 ir j = 13/2 srityje N = 162 branduoliams deformuotiems branduoliams. pagrindo būsena.

Ant pav. 8 paveiksle parodytos eksperimentiškai išmatuotos sužadinimo funkcijos susidarant elementams Rf (Z = 104) ir Hs (Z = 108) 50 Ti ir 56 Fe jonų susiliejimo reakcijoms su 208 Pb tiksliniu branduoliu.
Susidaręs junginio branduolys atšaldomas išspinduliuojant vieną ar du neutronus. Informacija apie sunkiųjų jonų sintezės reakcijų sužadinimo funkcijas yra ypač svarbi norint gauti supersunkius branduolius. Sunkiųjų jonų sintezės reakcijoje būtina tiksliai subalansuoti Kulono jėgų ir paviršiaus įtempimo jėgų veikimą. Jeigu krintančio jono energija nėra pakankamai didelė, tai dvinarės branduolinės sistemos susijungimui minimalaus artėjimo atstumo nepakaks. Jei krintančios dalelės energija yra per didelė, susidariusi sistema turės didelę sužadinimo energiją ir su didele tikimybe ji suskaidys į fragmentus. Efektyviai susilieja gana siaurame susidūrusių dalelių energijos diapazone.

Ypatingą susidomėjimą kelia sintezės reakcijos, išmetančios minimalų neutronų skaičių (1–2), nes susintetintuose supersunkiuose branduoliuose norima turėti didžiausią N/Z santykį. Ant pav. 9 parodytas branduolių susiliejimo potencialas reakcijoje
64 Ni + 208 Pb 272 110. Paprasčiausi įverčiai rodo, kad branduolių sintezės tunelio efekto tikimybė yra ~ 10 -21 , o tai yra daug mažesnė už stebimą skerspjūvį. Tai galima paaiškinti taip. 14 fm atstumu tarp branduolių centrų pradinę 236,2 MeV kinetinę energiją visiškai kompensuoja Kulono potencialas. Šiuo atstumu liečiasi tik branduolio paviršiuje esantys nukleonai. Šių nukleonų energija yra maža. Todėl yra didelė tikimybė, kad nukleonai ar nukleonų poros paliks viename branduolyje esančias orbitas ir pereis į laisvąsias partnerio branduolio būsenas. Nukleonų perkėlimas iš sviedinio branduolio į tikslinį branduolį yra ypač patrauklus, kai kaip taikinys naudojamas dvigubai magiškas švino izotopas 208Pb. 208 Pb yra užpildyti protonų poapvalkalai h 11/2 ir neutronų posluoksniai h 9/2 ir i 13/2. Iš pradžių protonų perdavimą skatina protono-protono traukos jėgos, o užpildžius posluoksnį h 9/2 - protono-neutrono traukos jėgomis. Panašiai neutronai juda į laisvąjį subapvalką i 11/2 , juos pritraukia neutronai iš jau užpildyto posluoksnio i 13/2 . Dėl poravimosi energijos ir didelio orbitos impulso poros nukleonų perdavimas yra labiau tikėtinas nei vieno nukleono perkėlimas. Perkėlus du protonus iš 64 Ni 208 Pb, Kulono barjeras sumažėja 14 MeV, o tai skatina glaudesnį sąveikaujančių jonų kontaktą ir nukleonų perdavimo proceso tęsimą.
Darbuose [V.V. Volkovas. Giliųjų neelastinių pernašų branduolinės reakcijos. M. Energoizdatas, 1982; V.V. Volkovas. Izv. AN SSSR serijos fiz., 1986 v. 50 p. 1879] išsamiai ištyrė sintezės reakcijos mechanizmą. Parodyta, kad jau gaudymo stadijoje visiškai išsisklaidžius krintančios dalelės kinetinei energijai susidaro dvinarė branduolinė sistema, o vieno iš branduolių nukleonai palaipsniui, apvalkalas po apvalkalo, perkeliami į kitą branduolį. Tai yra, branduolių apvalkalo struktūra vaidina svarbų vaidmenį formuojant junginio branduolį. Remiantis šiuo modeliu, buvo galima gana gerai apibūdinti junginių branduolių sužadinimo energiją ir skerspjūvį 102-112 elementų susidarymui šaltosios sintezės reakcijose.
Laboratorijoje branduolinės reakcijos juos. G.N. Susintetintas Flerovas (Dubna), elementas, kurio Z = 114. Naudota reakcija

289 114 branduolio identifikavimas buvo atliktas naudojant α skilimo grandinę. Eksperimentinis izotopo pusinės eliminacijos laikas 289 114 ~30 s. Gautas rezultatas gerai sutampa su ankstesniais skaičiavimais.
Sintezuojant elementą 114 reakcijoje 48 Cu + 244 Pu, didžiausią išeigą gauna kanalas išgaruojant trims neutronams. Šiuo atveju junginio branduolio 289 114 sužadinimo energija buvo 35 MeV.
Teoriškai numatoma skilimo seka, vykstanti su reakcijoje susidariusiu 296 116 branduoliu, parodyta 10 pav.

Ryžiai. 10. Branduolinio skilimo schema 296 116

296 116 branduolys atšaldomas keturių neutronų emisija ir virsta 292 116 izotopu, kuris vėliau su 5% tikimybe dėl dviejų iš eilės elektroninių gaudyklių virsta izotopu 292 114. Dėl α -skilimas (T 1/2 = 85 dienos), izotopas 292 114 virsta izotopu 288 112. Izotopas 288 112 taip pat susidaro per kanalą

Galutinis branduolys 288 112, susidaręs dėl abiejų grandinių, pusinės eliminacijos laikas yra apie 1 valanda ir suyra dėl savaiminio skilimo. Maždaug 10% tikimybe, alfa skilimas izotopui 288 114 gali sudaryti izotopas 284 112. Aukščiau nurodyti periodai ir skilimo kanalai gauti skaičiuojant.
Analizuojant įvairias supersunkių elementų susidarymo reakcijose su sunkiaisiais jonais galimybes, reikia atsižvelgti į šias aplinkybes.

1. Būtina sukurti branduolį su pakankamai dideliu neutronų skaičiaus ir protonų skaičiaus santykiu. Todėl kaip krintanti dalelė turėtų būti pasirinkti sunkieji jonai su dideliu N/Z.
2. Būtina, kad gautas junginio branduolys turėtų mažą sužadinimo energiją ir nedidelę kampinio momento vertę, nes priešingu atveju sumažės efektyvusis dalijimosi barjero aukštis.
3. Būtina, kad gautas branduolys būtų artimos sferinės formos, nes net ir nedidelė deformacija sukels greitą supersunkaus branduolio skilimą.

Labai perspektyvus būdas gauti supersunkius branduolius yra 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es tipo reakcijos. Ant pav. 11 paveiksle parodytas apskaičiuotas transurano elementų susidarymo skerspjūvis apšvitinus 248 cm, 249 Cf ir 254 Es taikinius pagreitintais 238 U jonais. Šiose reakcijose jau gauti pirmieji skerspjūvių rezultatai elementų susidarymui, kurių Z > 100. Siekiant padidinti tirtų reakcijų išeigas, taikinių storiai parinkti tokie, kad reakcijos produktai išliktų. taikinyje. Po švitinimo atskiri cheminiai elementai buvo atskirti nuo taikinio. Gautuose mėginiuose α skilimo produktai ir skilimo fragmentai buvo registruojami kelis mėnesius. Duomenys, gauti naudojant pagreitintus urano jonus, aiškiai rodo, kad sunkiųjų transurano elementų išeiga yra didesnė, palyginti su lengvesniais bombarduojančiais jonais. Šis faktas yra nepaprastai svarbus sprendžiant supersunkių branduolių sintezės problemą. Nepaisant sunkumų dirbant su atitinkamais tikslais, prognozės judėti link didelio Z atrodo gana optimistiškos.

Pažanga supersunkių branduolių srityje pastaraisiais metais buvo stulbinančiai įspūdinga. Tačiau kol kas visi bandymai rasti stabilumo salą buvo nesėkmingi. Jo paieškos tęsiasi intensyviai.

Peteris Armbrusteris, Gottfriedas Münzerbergas

Subtilus kvantinis mechaninis poveikis stabilizuoja branduolius, kurie yra daug sunkesni už gamtoje esančius branduolius. Eksperimentuotojai turėjo permąstyti, kaip geriausiai susintetinti tokius itin sunkius elementus.

Per Per pastaruosius 20 metų daugelyje pasaulio šalių fizikų dėmesį patraukė itin sunkiųjų elementų gavimo problema. Darmštate, sunkiųjų jonų tyrimų institute (HSI) padarėme tam tikrą pažangą sintezuodami 107, 108 ir 109 elementų branduolius. Šie branduoliai yra už 106-ojo protonų „slenksčio“, o tai žymi ankstesnių metodų ribą. sunkiųjų elementų gavimui ir atpažinimui .

Eksperimentiniai branduolių masių matavimai ir teorinė analizė parodyta, kad šių naujų elementų stabilumą pirmiausia lemia jų protonų ir neutronų sistemų mikrostruktūra, o ne makroskopinės savybės, lemiančios lengvesnių branduolių stabilumą. Tačiau susidūrėme su problemomis, dėl kurių vis dar sunku pasiekti septintojo dešimtmečio pabaigoje užsibrėžtus tikslus, kai atrodė, kad elementai iki 114-ojo yra pasiekiami. Įveikę šiuos sunkumus padarėme pažangą tyrinėdami branduolių sintezės reakcijų branduolinę struktūrą ir dinamiką.

Nukleosintezė nuėjo ilgą kelią ankstyvas laikotarpis kai branduoliniuose reaktoriuose buvo gauti gamtoje neegzistuojantys elementai. Fizikai naudojo vis sunkesnius pagreitintus jonus, kad bombarduotų tikslinius atomus. Paskutinis šios raidos žingsnis buvo branduolių „šaltojo sintezės“ metodas, kai dalelių masės ir bombardavimo energija turi būti kruopščiai nustatomos, kad naujai susidarančių branduolių sužadinimas būtų minimalus.

Darbo metu teko peržiūrėti beveik visas pirmines idėjas apie supersunkių elementų sintezę: galimų susintetinti elementų branduoliai yra deformuoti, anesferiniai, kaip buvo postuluota 1966 m. Sintezijai naudojome stabilų, plačiai paplitusią. gamtoje sferiniai branduoliai ir pagreitinti jonai yra vidutinės masės, o ne sunkiausi dirbtiniai branduoliai ir atitinkamai parinkti lengvi pagreitinti jonai, kaip buvo manyta anksčiau. Susiliejimas turėtų vykti naudojant mažiausią įmanomą bombardavimo energiją – kiek įmanoma „minkštiau“, nenaudojant „žiaurios jėgos“ perteklinės sąveikos energijos pavidalu, kuri, kaip buvo manoma anksčiau, prisideda prie sintezės proceso.

Sintezės idėja transurano elementai (kurių atominis skaičius didesnis nei 92) atsirado 30-aisiais. 1934 m. Enrico Fermi bombardavo talį lėtaisiais neutronais, kad po beta skilimo (neutrono skilimo į protoną ir elektroną) gautų švino. Dėl neutronų gaudymo ir vėlesnio beta skilimo susidarė elementai, kurių atominiai skaičiai buvo vienu didesni nei pirminiai.

Nuo 1940 m. iki šeštojo dešimtmečio vidurio neutronų spinduliuotės būdu buvo gaminami elementai 93, 94, 99 ir 100. Neatsitiktinai fermis, 100 elementas, buvo paskutinis elementų serijoje, kurią buvo galima gauti naudojant neutronų gaudymą ir beta. skilimas, kurį pasiūlė Fermi: nė vienas jo izotopas nevyksta beta skilimo. Per tą patį laikotarpį elementai nuo 95 iki 98 ir 101 buvo gauti švitinant alfa dalelėmis. Šiame procese sunkusis branduolys sugeria du protonus ir du neutronus; šiuo atveju atominis skaičius iš karto padidėja dviem vienetais. Kaip ir visi sunkieji elementai, transurano elementuose yra daugiau neutronų nei protonų; pavyzdžiui, plutonis (94 elementas) turi 145 neutronus, kurių bendra masė yra 239; Ilgiausiai gyvenantis fermio izotopas turi 157 neutronus, kurių bendra masė yra 257.

Natūralus būdas gauti daugiau nei 100 elementų buvo laikomas sunkiausių elementų branduolių suliejimas su lengvųjų elementų branduoliais, kuriuose yra daugiau protonų ir neutronų nei helio. Galimi elementai iki 99, nes juos galima susintetinti dideliais makroskopiniais kiekiais. Berklyje (JAV) ir Dubnoje (SSRS) buvo pastatyti greitintuvai, skirti gaminti sunkiuosius jonus, kurių energijos pakaktų elektrostatinėms jėgoms, neleidžiančioms branduoliams susilieti, įveikti. Tarp 1958 ir 1974 m šie sunkiųjų jonų greitintuvai leido susintetinti elementus nuo 102 iki 106. Šių elementų atradimo prioritetas ir atitinkamai teisė juos pavadinti tebėra diskusijų objektas.

Taip sėkmingai Berklyje ir Dubnoje taikomi metodai pasirodė neveiksmingi norint gauti sunkesnius nei 100-uosius elementus. Norint suprasti, kodėl taip sunku susintetinti supersunkius elementus ir kodėl kai kurie iš jų gali būti ypač stabilūs, reikia suprasti, kaip branduoliai laikosi kartu arba byra ir kaip subalansuoja įvairių jėgų pusiausvyrą. kas lemia jų stabilumą, kinta didėjant masei. Poveikis, kurio galima nepaisyti lengvesniems branduoliams, daro skirtumą tarp visiško nestabilumo ir santykinai dideli laikai supersunkių branduolių gyvybė.

Visiems branduoliams ypač svarbus ryšys tarp stiprių branduolinių jėgų, pritraukiančių ir protonus, ir neutronus, ir elektrostatinių jėgų, kurios atstumia protonus. Kuo branduoliai sunkesni, tuo daugiau juose yra neutronų, o tai tam tikru mastu kompensuoja atstumiamųjų jėgų tarp protonų įtaką. Tačiau jungimosi stiprumas tarp nukleonų pasiekia aukščiausią tašką ties geležimi (26 protonai ir 30 neutronų), o tai atitinka mažiau nei ketvirtadalį periodinės lentelės kelio, o tada jis mažėja.

Bet kurio už geležį sunkesnio branduolio skilimą turi lydėti energijos išsiskyrimas, tačiau mažiau masyvių nei švino branduolių dalijimuisi reikalinga energija yra tokia didelė, kad tokia reakcija gali būti atlikta tik ypatingomis sąlygomis. Kadangi branduoliai yra sunkesni už šviną ir gali tapti stabilesni, išskirdami net nedidelę savo nukleonų dalį, jie yra nestabilūs. Natūraliai susidarę torio ir urano izotopai skyla daugiausia išskirdami alfa daleles. Tik urane ir sunkesniuose elementuose nesužadinti branduoliai gali spontaniškai dalytis.

Iš esmės, didėjant atominiam skaičiui (protonų skaičiui branduolyje), didėja atomų branduolių nestabilumas: jų pusinės eliminacijos laikas sumažėja nuo kelių tūkstančių metų iki milijonųjų sekundės dalių. Tačiau iš branduolio sandaros teorijos išplaukia, kad tik šiek tiek sunkesni už iki šiol gautus elementus bus ne mažiau, o stabilesni.

Branduolys su tam tikromis neutronų ir protonų kombinacijomis pasižymi ypač didele rišimo energija; helis-4, deguonis-16, kalcis-40, kalcis-48 ir švinas-208 yra labai stabilūs, palyginti su kaimyniniais elementais. Šios didelės vertės atsiranda dėl apvalkalo struktūros - apvalkalų, ant kurių elektronai yra aplink branduolį, branduolinio ekvivalento. Nukleonų konfigūracijos, kurios sudaro visiškai užpildytus (uždarus) apvalkalus, yra ypač stabilios. Švino apvalkalo struktūra prisideda prie branduolio surišimo energijos padidėjimo 11 milijonų elektronų voltų (MeV), palyginti su hipotetiniu branduolio lašu, neturinčiu struktūros ir turinčiu tiek pat neutronų ir protonų. Daugumos branduolių, kurių surišimo energija yra iki 2 milijardų eV, toks padidėjimas yra palyginti nereikšmingas. Tačiau sunkiausiems elementams, kurie yra ant stabilumo ribos, „apvalkalo stabilizavimas“ gali lemti skirtumą tarp momentinio skilimo ir santykinai ilgo branduolių egzistavimo.

Branduoliai su uždarais neutronų ir protonų apvalkalais yra ypač stabilūs; po švino tokie apvalkalai atsiranda ties 114 protonų ir 184 neutronų. Apvalkalo teorijos sėkmė numatant lengvųjų branduolių surišimo energijas suteikė viltį, kad branduoliai, kurių masė artima 298, gali būti taip stipriai stabilizuoti, kad, kaip ir uranas ir toris, galėtų sudaryti santykinai stabilių elementų sritį. Tokie apvalkalu stabilizuoti supersunkieji elementai, priešingai nei elementai urano-torio srityje, turi būti nestabilūs kaip vienarūšiai branduolinės medžiagos lašai.

Pirmasis iš apvalkalo stabilizuotų supersunkių elementų 107, kurio savybės, kaip pasiūlė Fermi, turėtų atitikti ecaring, buvo identifikuotas Darmštate 1981 m., praėjus 47 metams po šios prognozės.

Tada gavome ir identifikavome elementus 108 ir 109. Jų surišimo energijų matavimai rodo, kad mes jau patekome į supersunkių elementų sritį. Šiuo metu tiriame apribojimus, kurie neleidžia gaminti dar sunkesnių elementų.

Sunkiųjų elementų sintezė sintezės reakcijose reikalaujama, kad eksperimentuotojas sugebėtų „nueiti tikslią liniją“ tarp tų bombardavimo metodų, kurių metu susiliejimas nevyksta, ir metodų, kurie veda prie produkto branduolio skilimo, užuot palikus jį santykinai stabilioje būsenoje. . Naujai susidariusio branduolio įkaitimo sumažėjimas yra svarbiausia priežastis, dėl kurios pereinama nuo sunkių taikinių bombardavimo santykinai lengvais jonais prie mažiau masyvių taikinių bombardavimo santykinai sunkesniais jonais (perėjimą inicijavo Yu.Ts. Oganesyan ir jo atstovai). kolegos iš Jungtinio branduolinių tyrimų instituto Dubnoje).

Pavyzdžiui, kai švinas-208 arba bismutas-209 sulydomas su chromu-54 arba geležimi-58, naujo branduolio sužadinimo energija yra apie 20 MeV. Tuo pačiu metu sunkiųjų aktinidų taikinių (kalifornio-249, berkelio-249 arba kurio-248) suliejimas su anglimi-12, azotu-15 arba deguonimi-18 sukelia apie 45 MeV sužadinimo energiją.

Branduolys, suformuotas naudojant šviesos jonus ir izaktinidinius taikinius, atvėsta išskirdamas keturis neutronus. Priešingai, branduolys, sudarytas iš švino ar bismuto ir sunkesnių jonų, atvėsta, išskirdamas tik vieną neutroną. Kadangi tikimybė, kad branduolys atvės išskirdamas neutroną, yra tik keli procentai jo dalijimosi tikimybės, galutinė supersunkių branduolių išeiga žymiai sumažėja kiekvienoje neutronų emisijos kaskados stadijoje. Vieno neutrono relaksacijos mechanizmas kur kas tinkamesnis naujai susidariusio branduolio konservavimui.

Deja, šaltoji sintezė turi ir trūkumą: šiuo atveju elektrostatinės atstumiančios jėgos tarp dviejų branduolių labiau užkerta kelią jų susiliejimui. Kai artėja du branduoliai, dalis jų kinetinės energijos paverčiama susidūrusių branduolių tarpinės sistemos sužadinimo energija, todėl jos negalima panaudoti sintezės barjerui įveikti, o tai savo ruožtu sumažina susiliejimo tikimybę. Šaltosios sintezės atveju, naudojant sunkesnius jonus, artėjant ir pereinant pro sintezės barjerą paverčiama daugiau kinetinės energijos, o tikimybė įveikti šį barjerą sumažėja lyginant su reakcijomis tarp lengvųjų jonų ir sunkiausių taikinių.

Jei šiems nuostoliams kompensuoti padidinama pradinė energija, padidės sužadinimo energija ir sumažės susidariusių branduolių skaičius. Dėl to tik 106-asis elementas parodo šaltojo sintezės metodo pranašumus.

Mes parodėme, kad didžiausi sunkiųjų elementų susidarymo skerspjūviai yra siaurame energijos diapazone, maždaug 5 MeB virš sintezės barjero.

Nors Supersunkių branduolių gavimo teorija pati savaime gali būti labai įdomi, tačiau praktiškai tai daug sunkesnė užduotis. Teoriniai skaičiavimai turi būti derinami su greitintuvo ir taikinio dizainu, taip pat su detektorių sistemos, galinčios aptikti supersunkaus branduolio egzistavimą, kai tik jis susintetinamas, sukūrimu. Kai septintojo dešimtmečio pabaigoje idėja gaminti itin sunkius elementus patraukė fizikų ir chemikų vaizduotę, niekas VFR neturėjo nukleosintezės patirties. Pradedantiesiems šioje srityje atsivėrė daug „durų“. Iš ankstesnių Berklio ir Dubnos eksperimentų buvo galima daug pasimokyti, tačiau buvo aišku, kad nukopijavus šiuos tyrimus tolesnės pažangos nepavyks pasiekti. Reikėjo sunkiųjų jonų greitintuvo, greito atskyrimo metodų naujiems elementams izoliuoti ir atitinkamos technikos jiems identifikuoti. Taip pat nebuvo atsakymo į klausimą, kokios reakcijos turėtų lemti sėkmę.

1969 m. Vokietijos vyriausybė kartu su Heseno vyriausybe nusprendė finansuoti naujo sunkiųjų jonų tyrimų instituto (Heavy Ion Research Society, Gays) Darmštate įkūrimą. Universalus linijinis greitintuvas (UNILAC), kuriame atliekami gėjų eksperimentai, pradėjo veikti 1975 m.

UNILAC gali pagreitinti visus jonus iki urano imtinai iki energijos, viršijančios Kulono barjerą. Nuo pat pradžių ši sąranka buvo skirta sukurti kuo intensyvesnius jonų pluoštus. Ypatingos pastangos buvo dedamos siekiant užtikrinti, kad jonų energija būtų sklandžiai keičiama ir nustatyta tam tikrame lygyje su pakankamai geru atkuriamumu. Iš pradžių akceleratoriaus projektą kūrė K. Schmelzeris ir jo bendradarbiai Heidelberge. Buvo atsižvelgta į kitų mokslo grupių sukauptą patirtį: jonų šaltiniai buvo Dubnoje naudojamų šaltinių modifikacija, gaminant stipriai įkrautus jonus, o Berklyje sukurta Alvarez sistema buvo panaudota tiesinio greitintuvo aukšto dažnio sistemoje.

Kai buvo sukurtas UNILAC, daugeliui mokslininkų buvo užduotas klausimas: koks yra geriausias greitintuvo naudojimo būdas? Kokios reakcijos ir kokie eksperimentiniai metodai turėtų būti naudojami? Pradiniu savo gyvavimo laikotarpiu UNILAC buvo naudojamas įvairiausioms idėjoms išbandyti, tačiau vienintelė sėkminga strategija buvo šaltoji sintezė kartu su atatrankos branduolių (sintezės produktų) transportavimu.

Nuo 1941 m. atradus plutonią, buvo susintetinta apie 400 tonų šio elemento, o tai atitinka 10 30 atomų. Kita vertus, buvo gauti ir identifikuoti tik keli 109-ojo elemento atomai. Kodėl sunkiausi elementai gaunami tokiais nykstingai mažais kiekiais? Atsakymas yra toks: norint gaminti plutonį, tonos neutronų bombarduoja kelių centimetrų ar storesnius urano-238 blokus, o UNILAC tik 100 mikrogramų geležies-58 pagreitėja, kad bombarduotų kelių šimtų nanometrų storio švino-208 taikinį. Be to, neutronų gaudymo reakcijos, kuri gamina plutonį-239, skerspjūvis yra maždaug 10 trilijonų kartų didesnis nei sintezės reakcijos, kuri gamina elementą 109, skerspjūvis.

Sunkumai gaunant sunkesnius elementus yra tik dalis problemos. Sintetinami tokie elementai kaip 109 suyra taip greitai, kad sintezė „neatsilieka“ su skilimu. Sunkiausi elementai yra tokie trumpalaikiai, kad švitinimo pabaigoje visi susidarę atomai jau yra suirę. Todėl šie atomai turėtų būti aptikti ir identifikuoti juos gaminant.

Elementų iki 106 gavimo ir aptikimo metodai daugiausia buvo pagrįsti mechaninėmis priemonėmis, pernešančiomis susidariusius atomus iš reakcijos zonos į detektorius. Transportavimo laikas tarp reakcijos produktų susidarymo ir aptikimo buvo nulemtas pagal jų perdavimo dujų sraute greičius, difuzijos nuo kietų paviršių laiką arba besisukančių taikinių greitį. Tačiau šie metodai nebuvo pakankamai geri, kad būtų galima aptikti sunkesnius nei 106 elementus, todėl buvo priverstas nepriimtinas pasirinkimas tarp aptikimo greičio ir tikslumo, todėl naudojant daugiau greiti metodai, pasirodė neįmanoma patikimai identifikuoti naujų izotopų.

Norėdami transportuoti gautus branduolius į detektorius, pasirinkome metodą, pagrįstą atatrankos greičiu, kurį reakcijos produktai įgyja iš sunkiųjų jonų. Sunkiajam jonui susidūrus su tiksliniu atomu ir su juo susiliejus, susidaręs branduolys juda pirminio jono judėjimo kryptimi maždaug kelių procentų šviesos greičio greičiu. Dėl to galima aptikti branduolius, kurių pusinės eliminacijos laikas yra iki 100 ns.

Nors atatrankos branduolių transportavimo technika leidžia aptikti ir identifikuoti labai trumpalaikius branduolius, aptikimo technika šiuo atveju tampa sudėtingesnė. Iš reakcijos zonos dideliu greičiu iš reakcijos zonos išeina ne tik pavieniai sintezės reakcijoje susidarę branduoliai, bet ir trilijonai sunkiųjų jonų, taip pat tūkstančiai iš taikinio išmuštų atomų. Norėdami atskirti supersunkius branduolius nuo liekamojo pluošto, sukūrėme specialų greičio filtrą - Separator for Heavy-Ion Reaction Products (SHIP), sukurtą kartu su Giessen universiteto Antrojo fizikos instituto specialistais. Remiantis branduolių susidūrimo ir susiliejimo kinematika, susiliejimo produktų atatrankos greitį galima apskaičiuoti iš anksto. Todėl juos galima izoliuoti santykinai tiesioginiu būdu.

Greičio filtras susideda iš dviejų pakopų, kurių kiekviena apima elektrinį ir magnetinį lauką. Šie du laukai nukreipia įkrautas daleles priešingomis kryptimis; tik branduoliui, kurio greitis yra tam tikras, laukų įtaka yra atmetama ir jis toliau juda vidurinėje sąrankos plokštumoje. Toks tandeminis filtras 100 milijardų kartų sumažina pagreitintų jonų, patenkančių į aptikimo sritį, skaičių, o išmuštų taikinių branduolių skaičių – 1000 kartų. Išskyrus beveik visas nepageidaujamas daleles iš pluošto, SHIP spektrometras praleidžia daugiau nei 40 070 sintezės produktų. Už spektrometro esantys detektoriai registruoja pro spektrometrą praėjusių dalelių skilimo grandines, todėl galima vienareikšmiškai identifikuoti sintezės produktus.

Pirmasis aptikimo sistemos elementas yra skrydžio laiko matavimo prietaisas, leidžiantis išmatuoti dalelių greitį trečią kartą (pirmieji du matavimai yra pagrįsti greičio filtro principu). Praėjus šiam prietaisui, dalelė implantuojama į padėties atžvilgiu jautrius silicio paviršiaus barjero detektorius, kurie registruoja jos energiją ir smūgio vietą. Kadangi skrydžio laiko ir energijos derinys leidžia apytiksliai nustatyti dalelės masę, galima atskirti sintezės produktus nuo išsibarsčiusių jonų ir išmuštų taikinių branduolių.

Norint patikimai identifikuoti branduolį, vis dėlto būtina nustatyti ryšį tarp jo irimo ir radioaktyvių antrinių produktų skilimo. Skilimo aktai dėl to paties branduolio turi turėti tas pačias erdvines koordinates, o dukterinių branduolių tipas, energija ir pusinės eliminacijos laikas yra žinomi iš ankstesnių matavimų.

Nustačius tokius koreliuojamus skilimo įvykius, galima vienareikšmiškai identifikuoti kiekvieną sintezės produkto branduolį. Nors atsitiktinis branduolys, atsitrenkęs į tą pačią vietą kaip ir tiriamas sintezės produktas, gali suirti ir sukurti erdviniu ryšiu susijusį signalą, mažai tikėtina, kad jo skilimo energija, pusinės eliminacijos laikas ir skilimo tipas atitiks tuos, kurių tikimasi sintezės produktui. Tokias irimo grandines stebėjome iki ketvirtos kartos; tikimybė, kad tokios koreliuojančių įvykių serijos yra atsitiktinės, svyruoja nuo 10–15 iki 10–18. Jei koreliaciniai įvykiai dėl tiriamo izotopo stebimi kartą per dieną, tai atsitiktinio įvykių, imituojančių keturias skilimo įvykių kartas, atsiradimo galima tikėtis 100 kartų ilgesniam nei Žemės amžius. Dėl to net vienas įvykis gali nedviprasmiškai parodyti tam tikro supersunkaus izotopo egzistavimą.

Tarp 1981 ir 1986 m kartu su kolegomis P. Hessbergeriu, Z. Hofmannu, M. Leino, W. Reisdorfu ir K.-H. Schmidto, elementų sintezei ir identifikavimui naudojome UNILAC, SHIP ir jų aptikimo sistemą 107 109. Šiuose eksperimentuose buvo susintetinta 14 elementų 104 109 izotopų (iš kurių penki buvo žinomi anksčiau), taip pat dar du elementų izotopai. 107 ir 108 su masės skaičiais atitinkamai 261 ir 264.

1981 m. mes gavome 107-ojo elemento izotopą, kurio masės skaičius yra 262, bombarduodami bismutą 209 chromo-54 jonais. 107 elemento nelyginiam izotopui (turinčiam nelyginį protonų ir neutronų skaičių) nustatėme penkias alfa dalelių energijas, kurios leidžia susidaryti vaizdą apie branduolinės energijos lygius; taip pat galime pranešti, kad šis izotopas turi izomerą (ilgalaikę sužadintą būseną).

109 elementas buvo identifikuotas remiantis vienos skilimo grandinės stebėjimu, užfiksuotu 1982 m. rugpjūčio 29 d. 16:10 val., vykstant reakcijai tarp geležies-58 ir bismuto-209. Branduolys 266 109 egzistavo 5 ms, kol išskleidė alfa dalelę, kurios energija buvo 11,1 MeV; susidaręs 107-ojo elemento branduolys po 22 ms subyrėjo į 105-ąjį elementą; 105-asis elementas suskilo į 104-ąjį elementą, po 12,9 savaiminio branduolio skilimo. Iš šio vienintelio įvykio buvo įmanoma, nors ir ribotu tikslumu, nustatyti skilimo energiją, pusėjimo trukmę ir reakcijos skerspjūvį. Dar dvi skilimo grandinės buvo pastebėtos 1988 m. pradžioje, praėjus šešeriems metams po 100-ojo elemento identifikavimo. Jie patvirtino 1982 metais užfiksuoto įvykio interpretaciją.

1984 metais Reakcijoje tarp geležies-58 ir švino-208 nustatėme tris izotopo 265 108 skilimo grandines. Du identifikuoti elementų 107 ir 109 izotopai yra nelyginiai ir jų skilimo tikimybė labai sumažėja, tačiau 108 elemento izotopas turi lyginį protonų skaičių ir nelyginį neutronų skaičių. Nors porinių nelyginių izotopų dalijimasis yra daug didesnis, izotopas 265108 taip pat yra alfa skilimas.

Ypač įdomu tai, kad nė vienas elementų 107–109 izotopas neskilsta savaime, o visi lygūs ir lygūs izotopai 265104, 260106 ir 264108 turi maždaug tokį patį stabilumą savaiminio dalijimosi atžvilgiu.

Maždaug pastovus stabilumo lygis rodo, kaip stabilizuojantis apvalkalo poveikis konkuruoja su bendru stabilumo kritimu, didėjant branduolių masei.

Už 104 ir 105 elementuose yra maža branduolių „sala“, kurie, išspinduliuojami alfa dalelių, suyra ir susidaro žinomi lengvesnių elementų izotopai. Tokie alfa skilimo veiksmai leidžia nustatyti šių supersunkių elementų surišimo energiją. Jei žinoma dukterinio branduolio surišimo energija, tada kiekviename etape alfa skilimo energija gali būti naudojama pirminio branduolio rišimosi energijai apskaičiuoti. Jei yra žinoma galutinio produkto surišimo energija, alfa skilimo įvykių grandinė gali sukelti pradinio grandinės branduolio surišimo energijas. Kadangi užregistruotas 108 ir 100 elementų (kiekvienu atveju po vieną įvykį) ir 106 elemento irimas (pagal kelis įvykius), galima atkurti grandinę 264 108 260 106 256 104 252 102. Šių rišamosios energijos branduoliai yra atitinkamai 120, 106 ir 94 MeV.

Visiems izotopams nuo urano-232 iki 264 108, kuriuos suriša alfa skilimo procesas, palaipsniui didėja apvalkalo korekcija iki surišimo energijos; atitinkamos vertės padidėja nuo 1-2 iki 6-7 MeV. Tiesą sakant, visi elementai nuo urano iki 108 elemento turi vienodai aukštas dalijimosi barjeras – apie 6 MeV. Skirtingai nuo urano, kuris vis dar yra stabilus kaip branduolinis lašas, 100-ojo ir 108-ojo elementų stabilumas yra visiškai dėl jų daugelio dalelių fermioninių sistemų kvantinės mechaninės struktūros. Naujausi teoriniai darbai numato dalijimosi kliūtis, kurios atitinka mūsų matavimus.

Elemento eksploatavimo laiką, palyginti su padalijimu, pirmiausia lemia padalijimo barjero aukštis ir plotis. Korpuso pataisymai padidina 106 ir 108 elementų tarnavimo laiką 15 dydžių kategorijų. Pagal logaritminę skalę stebimas gyvavimo laikas yra intervalo tarp tikrojo branduolio laiko (apie 10–21 s nesurištos nukleonų sistemos irimo) ir Visatos amžiaus (10 18 s) viduryje. Nauji elementai yra nestabilūs tik lyginant su žmogaus gyvenimo trukme (2·10 9 s). Kad būtų stabilus šioje skalėje, tarnavimo laikas turi pailgėti 12 dydžių kategorijų. Tačiau branduolinė fizika nėra pagrįsta žmogaus laiko skale.

atrado mes Alfa radioaktyviųjų izotopų „sala“ yra tiesioginė jų stabilizavimosi dėl apvalkalo poveikio pasekmė. Taigi, septintojo dešimtmečio pabaigoje prognozuotas sferinių supersunkių branduolių šalia elemento 114 stabilizavimas prasideda daug anksčiau nei tikėtasi ir palaipsniui didėja. Siauroje nestabilumo srityje už švino, tarp 83 ir 90 elementų, apvalkalo efektai susilpnėja. Tačiau intervale tarp 92 ir 114 elementų apvalkalo korekcijos reikšmė didėja lėtai ir monotoniškai.

Netgi šalia supersunkių branduolių „salos“ stabilizavimas vyksta dėl fermioninių sistemų kvantinės mechaninės struktūros, o „žemyninėje dalyje“ branduoliai stabilizuojasi dėl makroskopinių skysčio lašėjimo savybių. 107 109 elementų branduoliai išsidėstę „užtvankoje“ tarp „salos“ ir „žemyninės dalies“, todėl naujus izotopus galima priskirti ir „salai“, ir „žemynui“. Bet kokiu atveju, kaip ir itin sunkūs elementai, juos buvo galima pastebėti tik dėl korpuso pagrindinių būsenų stabilizavimo.

Iš naujausių teorinių prognozių dėl apvalkalo korekcijos iki rišimo energijos matyti, kad tarp 106 ir 126 elementų turėtų būti apie 400 itin sunkių branduolių, kurių dalijimosi barjerai viršija 4 MeV. Visų šių izotopų pusinės eliminacijos laikas turi būti ilgesnis nei 1 µs; jei juos pavyks susintetinti, tai bus galima aptikti esamais metodais. Itin stabilios sritys laikomos prie izotopų 273 109 ir 291 115. Kai neutronų skaičius yra apie 166, kinta pagrindinės būsenos deformacija. Izotopai, turintys mažiau neutronų, deformuojasi, o sunkesni izotopai yra sferiniai.

Per Per pastaruosius 20 metų visi bandymai gauti izotopų netoli numatomo stabilumo centro – branduolio 298 114 – buvo nesėkmingi. Šie itin sunkūs izotopai nebuvo aptikti nei sintezės reakcijose, nei kitose reakcijose, kuriose dalyvauja sunkiųjų jonų. Nepaisant to, pagrindinė mintis apie apvalkalo stabilizuotų nukleonų sistemų egzistavimo galimybę, išskyrus stabilius branduolinius lašus, buvo patvirtinta aukščiau aprašytais eksperimentais. Teoriškai yra visų priežasčių tikėti ekstrapoliacija į net sunkesnius elementus.

Dabar kyla įdomus klausimas: kas galiausiai trukdo sukurti šiuos „trapius“ objektus? Keletas svarbių paaiškinimų buvo gauti iš mūsų intensyvių sintezės reakcijų tyrimų. Korpuso stabilizuotas branduolys, sferinis pagrindinėje būsenoje, gali būti sunaikintas net esant tokiai žemai sužadinimo energijai kaip 15 MeV, tai eksperimentiškai įrodė K.-Kh. Schmidtas dar 1979 m., o deformuoti branduoliai gali būti išsaugoti sužadinimo energijai iki 40 MeV. Net reakcijoje tarp kalcio-48 ir kurio-248 (tinkamiausia reakcija), sužadinimo energija yra apie 30 MeV. Iš to išplaukia, kad supersunkius elementus galima gauti tik su deformuotais branduoliais. Tačiau iki šiol tokie bandymai buvo sėkmingi tik elementams, kurių atominis skaičius mažesnis nei 110.

Kaip minėta anksčiau, dviejų branduolių susiliejimą, dėl kurio susidaro ypač sunkus branduolys, nuo pat pradžių apsunkina poreikis įveikti sintezės barjerą. Tam tikram produkto branduoliui ši kliūtis yra minimali, kai sunkiausi taikiniai yra bombarduojami lengviausiais įmanomais jonais. Nepaisant šio pranašumo, šio labiausiai asimetrinio derinio trūkumas yra maksimalus gaminio šerdies įkaitimas, todėl sužadinimo proceso metu atsiranda didelių dalijimosi nuostolių. Kuo mažiau asimetrinis derinys, tuo mažiau nuostolių aušinimo stadijoje. Geriausias kompromisas tarp mažų nuostolių galutiniame etape ir didelės susidarymo tikimybės pradiniame etape yra simetriškesni deriniai su tiksliniais branduoliais šalia švino.

Švino ir bismuto naudojimas kaip taikiniai suteikia dvigubą apvalkalo taško efekto naudą šiuose branduoliuose: dėl stipraus jungimosi šiuose branduoliuose su dvigubai uždarais apvalkalais daugiau nei 10 MeV sumažėja energija, perduodama branduolio produktui ir atitinkamai sumažėja nuostoliai dėl dalijimosi. Be to, tikimybė įveikti sintezės barjerą padidėja, jei reakcijoje naudojami sferiniai, labai surišti ir gana standūs branduoliai. Čia vėl pasireiškia stiprūs švino apvalkalo efektai, tačiau šį kartą – proceso dinamika.

Dabar pradedame suprasti, kodėl bus labai sunku gauti net sunkesnių elementų. Tik uždaro apvalkalo sintezės partnerių apvalkalo korekcijų derinys, apvalkalo efektai dinamikoje ir padidėjęs sužadintų deformuotų supersunkių branduolių stabilumas leido susintetinti keletą lengviausių supersunkių elementų izotopų. Turėjome išplėsti pradinį klausimą apie apvalkalo stabilizuotų branduolių egzistavimą, įtraukiant apvalkalo korekcijų poveikį visuose reakcijos etapuose. Kuriant šiuos sudėtingus ir „trapius“ objektus ypač svarbu į jungimo procesą įvesti jau esamą tvarką, išvengiant nereikalingos netvarkos.

Kaip gauti šiuos itin sunkius elementus? 110 ir 111 elementams bus galima pritaikyti mūsų sukurtus metodus reakcijose tarp nikelio-62 ir švino-208 arba bismuto-209. Susiformavus šiems elementams, jų aptikimui prireiks ne tiek iš esmės naujų žinių, kiek prisodrinto izotopo poreikių ir kantrybės, norint išmokti naudotis mūsų įranga ir kelis mėnesius atlikti eksperimentus.

Darbas buvo atliktas V.I. vardu pavadintoje Branduolinių reakcijų laboratorijoje (FLNR). G.N. Flerovas iš Dubnos Jungtinio branduolinių tyrimų instituto (JINR) sėkmingai. 117-ojo ir anksčiau susintetintų elementų N 112-116 ir 118 Dubnoje savybės yra tiesioginis vadinamosios supersunkių elementų „stabilumo salos“ egzistavimo įrodymas, kurį teoretikai numatė dar praėjusio amžiaus 60-aisiais ir reikšmingai. plečiant periodinės lentelės ribas. Apie unikalų eksperimentą „Izvestija“ redakciją dar kovo mėnesį informavo FLNR vadovas akademikas Jurijus Oganesjanas, tačiau leidimą publikuoti jis davė tik dabar. Atradimo autorius akademikas Jurijus Oganesjanas stebėtojui Petrui Obrazcovui pasakojo apie eksperimento esmę.

Izvestija: Kas sukėlė mokslininkų susidomėjimą supersunkių elementų, kurie egzistuoja nežymiai trumpą laiką, sinteze?

Jurijus Oganesjanas: 1940–1941 m. atradus pirmuosius dirbtinius elementus – neptūnį ir plutonį – elementų egzistavimo ribų klausimas tapo itin įdomus fundamentaliajam materijos sandaros mokslui. Iki praėjusio amžiaus pabaigos buvo atrasta 17 dirbtinių elementų ir nustatyta, kad didėjant atominiam skaičiui jų branduolinis stabilumas smarkiai mažėja. Pereinant nuo 92-ojo elemento - urano - prie 102-ojo elemento - nobelio, branduolio pusinės eliminacijos laikas sumažėja 16 dydžių: nuo 4,5 milijardo metų iki kelių sekundžių. Todėl buvo manoma, kad žengimas į net sunkesnių elementų sritį prives prie jų egzistavimo ribos, iš esmės žymės materialaus pasaulio egzistavimo ribą. Tačiau septintojo dešimtmečio viduryje teoretikai netikėtai iškėlė hipotezę apie galimą supersunkių atomų branduolių egzistavimą. Remiantis skaičiavimais, branduolių, kurių atominis skaičius 110-120, gyvavimo trukmė turėjo gerokai pailgėti, nes juose daugėjo neutronų. Pagal naujas idėjas jie sudaro didžiulę supersunkių elementų „stabilumo salą“, kuri gerokai praplečia elementų lentelės ribas.
K: Ar tai buvo patvirtinta eksperimentiškai?

Oganesyanas: 1975–1996 m. fizikai iš Dubnos, Darmštato (GSI, Vokietija), Tokijo (RIKEN) ir Berklio (LBNL, JAV) sugebėjo ištirti šias reakcijas ir susintetinti šešis naujus elementus. Sunkiausi elementai 109-112 pirmą kartą buvo gauti GSI ir pakartoti RIKEN. Tačiau šių reakcijų metu susidarančių sunkiausių branduolių pusinės eliminacijos laikas buvo tik dešimt tūkstančių ar net tūkstantųjų sekundės dalių. Hipotezė apie supersunkių elementų egzistavimą pirmą kartą buvo eksperimentiškai patvirtinta Dubnoje, mūsų grupės, bendradarbiaujant su Nacionalinės laboratorijos mokslininkais, atliktais tyrimais. Lawrence'as Livermore (JAV). Mums pavyko radikaliai pakeisti požiūrį į supersunkių branduolių sintezę, pavyzdžiui, iš dirbtinio elemento berkelio (N 97) pagamintą taikinį bombarduojant itin reto ir brangaus kalcio izotopo (N 20) sviediniu. masė 48. Susiliejus branduoliams elementas N 117 (97 + 20 = 117). Rezultatai pranoko net pačius optimistiškiausius lūkesčius. 2000–2004 m., beveik per penkerius metus, būtent tokiose reakcijose pirmą kartą buvo susintetinti supersunkieji elementai, kurių atominiai numeriai yra 114, 116 ir 118.

ir: O kokį mokslinį indėlį įnešė Amerikos mokslininkai?

Oganesjanas: Branduolinėje reakcijoje su kalcio pluoštu 117-ąjį elementą galima gauti tik naudojant taikinį, pagamintą iš dirbtinio elemento berkelio. Šio izotopo pusinės eliminacijos laikas yra tik 320 dienų. Dėl trumpo tarnavimo laiko reikiamo kiekio (20-30 miligramų) berkelio gamyba turi būti vykdoma reaktoriuje su labai didelio tankio neutronų srautas. Tik JAV nacionalinės laboratorijos Oak Ridge izotopinis reaktorius gali susidoroti su tokia užduotimi. Beje, būtent šioje laboratorijoje pirmą kartą buvo pagamintas plutonis Amerikos atominei bombai. Kadangi nuo berkelio pagaminimo momento per 320 dienų jo kiekis sumažėja per pusę, teko visus darbus atlikti dideliu tempu. Ir ne tik laboratorijose, bet ir oficialiose Rusijos bei JAV struktūrose, susijusiose su neįprastos medžiagos sertifikavimu, labai radioaktyvaus produkto gabenimu sausumos ir oro transportu, sauga ir pan.

ir: vertas nuotykių istorijos. O kas atsitiko toliau?

Oganesjanas: 2009 m. birželio pradžioje konteineris atkeliavo į Maskvą. Iš šios medžiagos Atominių reaktorių tyrimų institute (Dimitrovgradas) buvo pagamintas ploniausio berkelio sluoksnio (300 nanometrų) taikinys, nusodintas ant plonos titano folijos; liepą taikinys buvo pristatytas į Dubną. Iki to laiko visi parengiamieji darbai FLNR buvo baigti ir prasidėjo nuolatinis taikinio švitinimas intensyvia kalcio spinduliu. Jau per pirmąjį taikinio švitinimą, trukusį 70 dienų, mums pasisekė: detektoriai penkis kartus užregistravo 117-ojo elemento branduolių susidarymo ir skilimo modelį. Kaip ir tikėtasi, šio elemento branduoliai transformavosi į 115-ojo elemento branduolius, 115-asis – į 113-ąjį, o po to 113-asis – į 111-ąjį. O elementas 111 suskyla su 26 sekundžių pusinės eliminacijos periodu. Branduoliniu mastu tai didžiulis laikas! Dabar periodinė lentelė buvo papildyta dar vienu sunkiausių elementų atominiu numeriu 117.

ir: Žinoma, mūsų skaitytojams bus įdomu, koks jūsų atradimo pritaikymas gali būti praktikoje.

Oganesjanas: Dabar, žinoma, nė vieno, nes buvo gauti tik keli atomai elemento N 117. Iš esmės idėjos apie mūsų pasaulį dabar turėtų kardinaliai pasikeisti. Be to, jei susintetinami elementai, kurių pusinės eliminacijos laikas yra didžiulis, gali būti, kad jie taip pat egzistuoja gamtoje ir galėtų „išgyventi“ iki mūsų laikų nuo pat Žemės susiformavimo – 4,5 mlrd. Ir atliekame eksperimentus jų paieškai, mūsų instaliacija yra Alpių kalnų gilumoje.

ir: Klausimas iš kitos plokštumos. Kodėl, jūsų manymu, akivaizdžiai per pastaruosius 20 metų branduolinės fizikos sėkmė nebuvo apdovanota Nobelio premija?

Oganesyanas: Fizika yra didelė. Matyt, Nobelio komiteto nariams įdomesnės kitos šio mokslo sritys. O vertų mokslininkų yra tikrai daug. Beje, turiu įvardyti mūsų eksperimento dalyvius: Oak Ridge nacionalinė laboratorija (prof. James Roberto), universitetas. Vanderbilt (prof. Joseph Hamilton), nacionalinė laboratorija. Lawrence'as Livermore (Dawn Shaughnessy), Dimitrovgrado atominių reaktorių tyrimų institutas (Michailas Ryabininas) ir JINR branduolinių reakcijų laboratorija (vadovas Jurijus Oganesjanas).

Iš redaktoriaus. Laikinai elementas N 117 lotyniškai bus vadinamas „vienas-vienas-septyni“, tai yra ununseptium. Akademiko Jurijaus Oganesjano grupė – atradimo autoriai – turi visas teises suteikti tikrąjį pavadinimą šiam elementui, taip pat ir jų atrastiems elementams N 114-116 ir 118. Kovo 26-osios „Savaitėje“ kvietėme. skaitytojams teikti savo pasiūlymus dėl „mūsų“ elementų pavadinimo. Kol kas tik „kurchatovy“ vienam iš šių elementų atrodo pagrįsta. Varžybos tęsiasi.