Transuraniniai elementai. Muskusas iš Kentauro
Supersunkių branduolių skilimo charakteristikos buvo apskaičiuotos remiantis įvairiais teoriniais modeliais. Vieno iš šių skaičiavimų rezultatai parodyti fig. 4. Lyginių ir net supersunkių branduolių pusinės eliminacijos periodai pateikti atsižvelgiant į savaiminį skilimą (a), α-skilimą (b), β-skilimą (c) ir visus galimus skilimo procesus (d). 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 srityje< 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. 4 tamsiais taškais. Fig. 4d rodo bendrą pusėjimo trukmę. Lyginiams ir lygiems branduoliams, esantiems centrinio kontūro viduje, jie yra ~ 10 5 metai. Taigi, įvertinus visus skilimo tipus, paaiškėja, kad šalia Z = 110 ir N = 184 esantys branduoliai sudaro "stabilumo salą". Šerdies 294 110 pusinės eliminacijos laikas yra apie 10 9 metai. Skirtumas tarp Z reikšmės ir magiško skaičiaus 114, numatyto apvalkalo modeliu, yra susijęs su konkurencija tarp dalijimosi (kurio atžvilgiu branduolys, kurio Z = 114 yra stabiliausias) ir α skilimo (kurių branduolių atžvilgiu mažesnis Z yra stabilūs). Nelyginių ir nelyginių branduolių pusinės eliminacijos laikas didėja atsižvelgiant į α skilimą ir savaiminį skilimą, o sumažėja β skilimo atžvilgiu. Pažymėtina, kad pirmiau 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.
Kito supersunkių branduolių pusiausvyros formos ir jų pusėjimo trukmės skaičiavimo rezultatai parodyti Fig. 5, 11.11. Fig. 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 (pavaizduoti 5 pav. tamsiais rombais) yra deformuoti. Atviri rombai rodo, kad branduoliai yra stabilūs β skilimo atžvilgiu. Šie branduoliai turi irti dėl α skilimo arba dalijimosi. Pagrindinis skilimo kanalas turėtų būti alfa 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 gyvenimo trukmė yra ~ 51 metai.
Taigi, remiantis šiuolaikiniais mikroskopiniais skaičiavimais, supersunkių branduolių stabilumas smarkiai padidėja artėjant prie magiškojo skaičiaus neutronams N = 184. Iki šiol vienintelis elemento, kurio Z = 112, izotopas buvo izotopas 277 112, turintis pusę tarnavimo laikas 0,24 ms. Sunkesnis izotopas 283 112 susintetino šaltosios sintezės reakcijoje 48 Ca + 238 U. Švitinimo laikas buvo 25 dienos. Bendras 48 Ca jonų skaičius taikinyje yra 3,5 × 1018. Užregistruoti du atvejai, kurie buvo 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 283 112, palyginti su izotopu 277 112, 6 vienetais padidina tarnavimo laiką 5 dydžiais.
Fig. 7 parodyta išmatuota seaborgio izotopų Sg (Z = 106) gyvavimo trukmė, palyginti su įvairių teorinių modelių prognozėmis. Pažymėtina, kad izotopo, kurio N = 164, tarnavimo laikas sumažėjo 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, susidaręs branduolys 284 114 turėtų suirti, išskirdamas alfa daleles, kurių pusinės eliminacijos laikas yra ~ 1 ms. Papildomos informacijos apie apvalkalo užpildymą N = 162 srityje galima gauti ištyrus 271 108 ir 267 106 branduolių α skilimą. Numatomas šių branduolių pusinės eliminacijos laikas 1 min. ir 1 val. Tikėtina izomerizmas 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 branduoliams, kurių priežastis yra posluoksnių užpildymas j = 1/2 ir j = 13/2 srityje N = 162 branduoliams, deformuotiems pagrindo būsena.
Fig. 8 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 supersunkių branduolių gamybai. Sunkiųjų jonų sintezės reakcijoje būtina tiksliai subalansuoti Kulono jėgų ir paviršiaus įtempimo jėgų veikimą. Jei krintančio jono energija nėra pakankamai didelė, artimiausio priartėjimo atstumas bus nepakankamas dvinarės branduolinės sistemos susiliejimui. Jei krintančios dalelės energija yra per didelė, tada susidariusi sistema turės didelę sužadinimo energiją ir su didele tikimybe ji suskaidys į fragmentus. Susiliejimas efektyviai vyksta gana siaurame susidūrusių dalelių energijų diapazone.
Ypatingą susidomėjimą kelia sintezės reakcijos, išmetančios minimalų neutronų skaičių (1–2), nes susintetintuose supersunkiuose branduoliuose pageidautina turėti didžiausią N/Z santykį. Fig. 9 parodytas branduolių susiliejimo potencialas reakcijoje
64 Ni + 208 Pb 272 110. Paprasčiausi įverčiai rodo, kad tunelinio efekto tikimybė branduolių sintezei yra ~ 10 -21, tai yra žymiai 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. Vadinasi, 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 taikiniu naudojamas dvigubas magiškas švino izotopas 208 Pb. 208 Pb yra užpildyti h 11/2 protonų subapvalkalai ir h 9/2 ir i 13/2 neutronų posluoksniai. Iš pradžių protonų perdavimą skatina protonų-protonų traukos jėgos, o užpildžius h 9/2 posluoksnį – protonų-neutronų traukos jėgos. Panašiai neutronai juda į laisvą i 11/2 subapvalką, juos pritraukia neutronai iš jau užpildyto i 13/2 subapvalko. Dėl poros energijos ir didelio orbitos kampinio momento nukleonų poros perkėlimas yra labiau tikėtinas nei vieno nukleono perkėlimas. Perkėlus du protonus iš 64 Ni 208 Pb, Kulono barjeras sumažėja 14 MeV, o tai prisideda prie glaudesnio sąveikaujančių jonų kontakto ir nukleonų perdavimo proceso tęsimo.
Darbuose [V.V. Volkovas. Giliųjų neelastinių transmisijų branduolinės reakcijos. M. Energoizdatas, 1982; V.V. Volkovas. Izv. TSRS mokslų akademija, serija fizich., 1986 t. 50 p. 1879] buvo išsamiai ištirtas sintezės reakcijos mechanizmas. Parodyta, kad jau gaudymo stadijoje visiškai išsisklaidžius krintančios dalelės kinetinei energijai susidaro dvinarė branduolinė sistema, o vieno iš branduolių nukleonai pamažu apvalkalas po apvalkalo perkeliami į kitą branduolį. Tai yra, branduolių apvalkalo struktūra atlieka esminį vaidmenį formuojant sudėtinį branduolį. Remiantis šiuo modeliu, buvo galima gana gerai apibūdinti junginių branduolių sužadinimo energiją ir skerspjūvį 102-112 elementų susidarymui šaltosios sintezės reakcijose.
Branduolinių reakcijų laboratorijoje. G.N. Susintetintas Flerova (Dubna) elementas, kurio Z = 114. Naudota reakcija
289 114 branduolys buvo identifikuotas pagal α skilimo grandinę. Eksperimentinis izotopo pusinės eliminacijos laikas yra 289 114 ~ 30 s. Gautas rezultatas gerai sutampa su anksčiau atliktais skaičiavimais.
Sintezuojant 114 elementų 48 Cu + 244 Pu reakcijoje, didžiausia išeiga gaunama kanalui išgarinant tris neutronus. 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 |
Branduolys 296 116 atšaldomas išspinduliuojant keturis neutronus ir paverčiamas izotopu 292 116, kuris po dviejų nuoseklių elektroninių gaudymų su 5 % tikimybe paverčiamas izotopu 292 114. Dėl α skilimo (T 1/2 = 85 dienos) izotopas 292 114 virsta izotopu 288 112. Izotopas 288 112 taip pat susidaro per kanalą
Galutinio branduolio 288 112, susidarančio iš abiejų grandinių, pusinės eliminacijos laikas yra maždaug 1 valanda ir jis suyra dėl savaiminio dalijimosi. Su maždaug 10 % tikimybe izotopas 284 112 gali susidaryti dėl izotopo 288 114 α skilimo. Minėti periodai ir skilimo kanalai gauti skaičiavimo būdu.
Analizuojant įvairias supersunkių elementų susidarymo reakcijose su sunkiaisiais jonais galimybes, reikia atsižvelgti į šias aplinkybes.
- 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.
- Būtina, kad susidaręs junginio branduolys turėtų mažą sužadinimo energiją ir mažą kampinį momentą, kitaip sumažės efektyvusis skilimo barjero aukštis.
- Būtina, kad susidaręs branduolys būtų artimos sferinės formos, nes net ir nedidelė deformacija sukels greitą supersunkaus branduolio skilimą.
Labai perspektyvus itin sunkiųjų branduolių gamybos metodas yra tokios reakcijos kaip 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. Fig. 11 parodytas apskaičiuotas transurano elementų susidarymo skerspjūvis apšvitinus taikinius iš 248 cm, 249 Cf ir 254 Es pagreitintais 238 U jonais. Šiose reakcijose jau gauti pirmieji rezultatai apie elementų, kurių Z> 100, susidarymo skerspjūvius. Siekiant padidinti tiriamų reakcijų išeigas, taikinių storiai parinkti tokie, kad reakcijos produktai liktų taikinys. Po švitinimo atskiri cheminiai elementai buvo atskirti nuo taikinio. Gautuose mėginiuose kelis mėnesius buvo užfiksuoti α skilimo produktai ir dalijimosi fragmentai. Duomenys, gauti naudojant pagreitintus urano jonus, aiškiai rodo, kad padidėjo sunkiųjų transurano elementų išeiga, palyginti su lengvesniais bombarduojančiais jonais. Šis faktas itin svarbus sprendžiant supersunkių branduolių sintezės problemą. Nepaisant sunkumų dirbant su atitinkamais tikslais, progreso link didelio Z prognozės atrodo gana optimistiškos.
Pažanga į itin sunkius branduolius pastaraisiais metais buvo nepaprastai įspūdinga. Tačiau kol kas visi bandymai surasti stabilumo salą nebuvo vainikuojami sėkme. Jo paieškos tęsiasi intensyviai.
Komentuoti galite čia arba.
ČIKAGA, vasario 17 d. Pirmą kartą buvo galima išmatuoti sunkesnio už uraną elemento masę - naujas metodas atveria kelią į ilgai prognozuotą tvarumo „stabilumo salą“. supersunkūs elementai guli už įprastos periodinės lentelės.
Urano branduolyje yra 92 protonai, tai yra sunkiausias mums žinomas elementas, randamas gamtoje. Dirbtinėmis sąlygomis, žinoma, buvo susintetinti sunkesni, iki 118 protonų. Visi šie „sunkiasvoriai“ yra itin trumpaamžiai, suyra per kelias milisekundes.
Tačiau dar XX amžiaus viduryje teoriškai buvo prognozuojama supersunkių elementų, turinčių tam tikrą protonų ir neutronų santykį ir turinčių daug ilgesnį gyvenimą – dešimtmečius ar net daugiau, egzistavimo galimybė. Nuo tada kelias į šią „stabilumo salą“ tapo viena svarbiausių branduolinės fizikos sričių. Ir visai ne vien iš akademinio intereso. Itin sunkūs stabilūs elementai galėtų būti puikus kuras branduoliniams varikliams būsimose kosminėse misijose. Taip pat tikimasi, kad jie pasižymės neįprastomis ir naudingomis cheminėmis ir fizinėmis savybėmis.
Tačiau iki šiol niekas tiksliai nežino, kur turėtume užklysti šioje saloje. Kai kurie skaičiavimai rodo, kad kažkur regiono centre yra 114 protonų viename branduolyje, kiti - nuo 120 iki 126 protonų. Skaičiavimus apsunkina tai, kad mokslininkai neturi tikslaus supratimo, kaip stiprios ir silpnos jėgos veikia „perpildytuose“ tokių elementų branduoliuose, išlaikant jų protonus ir neutronus kartu. Laboratorijoje gautų supersunkių elementų egzistavimo trumpumas neleidžia surinkti pakankamai eksperimentinių duomenų.
Naują proveržį šioje srityje žada neseniai atliktas Michaelio Blocko vadovaujamos vokiečių mokslininkų komandos darbas, kuriam pavyko rasti būdą, kaip tiesiogiai išmatuoti sunkesnių už uraną dalelių masę. O kadangi masę ir energiją sieja garsioji Einšteino formulė E = mc2, atomo masės nustatymas leidžia (atsižvelgiant į papildomus veiksnius) apskaičiuoti jėgas, kuriomis jo branduolyje esančios dalelės jungiasi viena su kita.
Norėdami išmatuoti atomo masę, mokslininkai naudojo prietaisą, vadinamą Penningo spąstais, kur paprastai laikomi jonai. elektromagnetinis laukas... Matavimo objektas buvo nobelis, kurio branduolyje yra 102 protonai – 10 daugiau nei urano. Kaip ir kiti „dirbtiniai“ elementai, jis gaunamas susidūrus šiek tiek lengvesniems elementams ir yra itin trumpalaikis (daugiausia 58 min.). Pagrindinė užduotis, kurį pavyko išspręsti vokiečių fizikai, buvo rasti būdą sulėtinti atomus, kol jie nepatenka į spąstus, todėl mokslininkai nusprendė juos iš pradžių praleisti per kamerą, užpildytą heliu.
Dabar, turėdami metodą, leidžiantį „pasverti“ itin sunkius trumpaamžius atomus, eksperimentuotojai gali tiksliau nustatyti jų parametrus. O teoretikai remdamiesi šiais duomenimis – renkasi tarp konkuruojančių modelių, numatančių „stabilumo salos“ padėtį.
Metodas leidžia žymiai toliau judėti periodine lentele, nors praktiškai jį naudoti sunkiausiems gautiems elementams nėra labai paprasta. Jau vien dėl to, kad tokių milžinų sintezė jau savaime yra itin sunkus procesas. Jei tą patį nobeliumą galima gauti naudojant paruoštą eksperimentą, kurio dažnis yra vidutiniškai 1 atomas per sekundę, tai su sunkesniais elementais, kurių branduoliuose yra daugiau nei 104 protonai, viskas yra daug ilgiau. 1 atomo gavimas gali užtrukti, pavyzdžiui, savaitę.
Tačiau jei viskas klostysis gerai, anksčiau ar vėliau šis metodas leis pastebėti „stabilumo salos“ gyventojus. Kadangi tokius itin sunkius elementus dažniausiai aptinka skilimo produktai, o stabilūs turi per ilgą tarnavimo laiką, tradiciniai darbo su sunkiais atomais metodai tam netinka.
Pirma, straipsnis apie tai, kas yra „stabilumo sala“.
Stabilumo sala: Rusijos branduolinės energetikos mokslininkai vadovauja lenktynėms
Supersunkių elementų, sudarančių vadinamąją „stabilumo salą“, sintezė yra ambicingas šiuolaikinės fizikos uždavinys, kurį sprendžiant Rusijos mokslininkai lenkia visą pasaulį.
2011 m. birželio 3 d. ekspertų komisija, kurioje dalyvavo specialistai iš Tarptautinių teorinės ir taikomosios chemijos sąjungų (IUPAC) ir fizikos (IUPAP), oficialiai pripažino 114 ir 116 periodinės lentelės elementų atradimą. Atradimo prioritetas buvo suteiktas fizikų grupei, kuriai vadovavo Rusijos mokslų akademijos akademikas Jurijus Oganesjanas iš Jungtinio branduolinių tyrimų instituto, padedant amerikiečių kolegoms iš Livermoro nacionalinės laboratorijos. Lorensas.
RAS akademikas Jurijus Oganesjanas, JINR Branduolinių reakcijų laboratorijos vadovas
Nauji elementai tapo sunkiausiais iš įtrauktų į periodinę Mendelejevo lentelę ir gavo laikinuosius ununcvidia ir ununexia pavadinimus, sudarytus pagal eilės skaičių lentelėje. Rusijos fizikai pasiūlė elementus pavadinti „flerovium“ sovietinio branduolinio fiziko, branduolio dalijimosi ir naujų elementų sintezės eksperto Georgijaus Flerovo garbei, o „Muskovija“ – Maskvos srities garbei. Be 114 ir 116 elementų JINR, anksčiau buvo susintetinti cheminiai elementai, kurių serijos numeriai yra 104, 113, 115, 117 ir 118. šiuolaikinis mokslas buvo suteiktas pavadinimas „dubnium“.
Elementai, kurių gamtoje nėra
Šiuo metu visas mus supantis pasaulis susideda iš 83 cheminių elementų, nuo vandenilio (Z = 1, Z yra protonų skaičius branduolyje) iki urano (Z = 92), kurio gyvavimo laikas yra ilgesnis nei saulės energijos. sistema (4,5 milijardo metų) ... Netrukus po Didžiojo sprogimo nukleosintezės metu atsiradę sunkesni elementai jau suiro ir iki šių dienų neišliko. Uranas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra apie 4,5 × 10 8 metų, vis dar irsta ir radioaktyvus. Tačiau praėjusio amžiaus viduryje mokslininkai išmoko gauti gamtoje neaptinkamų elementų. Tokio elemento pavyzdys yra branduoliniuose reaktoriuose gaminamas plutonis (Z = 94), kurio pagaminama šimtais tonų ir kuris yra vienas galingiausių energijos šaltinių. Plutonio pusinės eliminacijos laikas yra daug trumpesnis nei urano, bet vis tiek pakankamai ilgas, kad būtų galima manyti, kad gali egzistuoti sunkesni cheminiai elementai. Atomo sąvoka, susidedanti iš branduolio, turinčio teigiamą krūvį ir pagrindinę masę, ir elektroninių orbitų, leidžia manyti, kad gali egzistuoti elementai, kurių eilės numeris yra iki Z = 170. Tačiau iš tikrųjų dėl pačioje šerdyje vykstančių procesų nestabilumo sunkiųjų elementų egzistavimo riba nubrėžiama daug anksčiau. Gamtoje stabilūs dariniai (elementų branduoliai, susidedantys iš skirtingo protonų ir neutronų skaičiaus) randami tik iki švino ir bismuto, o po to seka mažas Žemėje randamas torio ir urano pusiasalis. Tačiau kai tik elemento eilės skaičius viršija urano skaičių, jo tarnavimo laikas smarkiai sumažėja. Pavyzdžiui, 100 elemento branduolys yra 20 kartų mažiau stabilus nei urano branduolys, o ateityje šis nestabilumas tik stiprės dėl savaiminio branduolio dalijimosi.
„Stabilumo sala“
Savaiminio dalijimosi efektą paaiškino Nielsas Bohras. Pagal jo teoriją, šerdis yra įkrauto skysčio lašas, tai yra kažkokia medžiaga, kuri neturi savo vidinė struktūra... Kuo didesnis protonų skaičius branduolyje, tuo stipresnė Kulono jėgų įtaka, kurios veikiamas lašas deformuojasi ir dalijasi į dalis. Šis modelis numato elementų egzistavimo galimybę iki 104 - 106 eilės numerių. Tačiau septintajame dešimtmetyje Jungtinio branduolinių tyrimų instituto Branduolinių reakcijų laboratorijoje buvo atlikta nemažai eksperimentų, tiriančių urano branduolių dalijimosi savybes, kurių rezultatų nepavyko paaiškinti naudojant Bohro teoriją. Paaiškėjo, kad branduolys nėra pilnas įkrauto skysčio lašelio analogas, bet turi vidinį
struktūra. Be to, kuo sunkesnė šerdis, tuo ryškesnė tampa šios struktūros įtaka, o skilimo vaizdas atrodys visai kitaip, nei numato skysčio lašo modelis. Taigi kilo hipotezė apie tam tikro stabilių supersunkių branduolių regiono egzistavimą, toli nuo šiandien žinomų elementų. Vietovė buvo pavadinta „stabilumo sala“, o po jos egzistavimo prognozavimo didžiausios JAV, Prancūzijos ir Vokietijos laboratorijos pradėjo eilę eksperimentų teorijai patvirtinti. Tačiau jų bandymai buvo nesėkmingi. Ir tik Dubnos ciklotrono eksperimentai, kurių metu buvo atrasti 114 ir 116 elementai, leidžia teigti, kad supersunkių branduolių stabilumo sritis tikrai egzistuoja.
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas sunkiųjų nuklidų žemėlapis. Pateikiami branduolių pusinės eliminacijos periodai skirtingos spalvos(dešinioji skalė). Juodi kvadratai yra stabilių elementų izotopai žemės pluta(pusėjimo laikas daugiau nei 10 9 metai). Tamsiai mėlyna spalva yra „nestabilumo jūra“, kurioje branduoliai gyvena mažiau nei 10–6 sekundes. „Stabilumo salos“ šalia torio, urano ir transurano elementų „pusiasalio“ – mikroskopinės branduolio teorijos prognozės. Du branduoliai, kurių atominiai numeriai 112 ir 116, gauti įvairių branduolinių reakcijų ir jų nuoseklaus skilimo metu, rodo, kaip galima priartėti prie „stabilumo salų“ dirbtinėje supersunkių elementų sintezėje.
Sunkiųjų nuklidų žemėlapis
Norint susintetinti stabilų sunkųjį branduolį, būtina į jį įvesti kuo daugiau neutronų, nes būtent neutronai yra „klijai“, laikantys nukleonus branduolyje. Pirmoji idėja buvo apšvitinti kai kurias pradines medžiagas neutronų srautu iš reaktoriaus. Tačiau šiuo metodu mokslininkai sugebėjo susintetinti tik fermį – elementą, kurio atominis skaičius yra 100. Be to, vietoj reikalingų 60 neutronų į branduolį buvo įvesta tik 20. Amerikiečių mokslininkų bandymai susintetinti supersunkius elementus branduolinio sprogimo procese (tiesą sakant, galingame impulsiniame neutronų sraute) taip pat buvo nesėkmingi, tas pats fermio izotopas buvo jų eksperimentų rezultatas. Nuo to momento ėmė vystytis kitas sintezės būdas – susidurti du sunkius branduolius tikintis, kad jų susidūrimo rezultatas bus bendros masės branduolys. Norint atlikti eksperimentą, vieną iš branduolių reikia pagreitinti iki maždaug 0,1 šviesos greičio, naudojant sunkiųjų jonų greitintuvą. Visi šiandien gaminami sunkieji branduoliai buvo susintetinti tokiu būdu. Kaip jau minėta, stabilumo sala yra daug neutronų turinčių supersunkių branduolių srityje, todėl taikinio ir pluošto branduoliuose taip pat turi būti neutronų perteklius. Atrinkti tokius elementus gana sunku, nes praktiškai visi esami stabilūs nuklidai turi griežtai apibrėžtą protonų ir neutronų skaičiaus santykį.
Atliekant 114-ojo elemento sintezės eksperimentą, kaip taikinys buvo panaudotas sunkiausias plutonio izotopas, kurio atominė masė 244, pagamintas Livermoro nacionalinės laboratorijos (JAV) reaktoriuje, ir kalcis-48 kaip sviedinys. Kalcis-48 yra stabilus kalcio izotopas, kurio paprastame kalcyje yra tik 0,1%. Eksperimentuotojai tikėjosi, kad tokia konfigūracija leis pajusti itin sunkių elementų eksploatavimo trukmės ilgėjimo efektą. Eksperimentui atlikti reikėjo greitintuvo, kurio kalcio-48 pluošto galia dešimtis kartų viršija visus žinomus greitintuvus. Per penkerius metus Dubnoje buvo sukurtas toks greitintuvas, kuris leido atlikti kelis šimtus kartų tiksliau nei per pastaruosius 25 metus eksperimentus kitose šalyse.
Eksperimentuotojai, gavę reikiamo intensyvumo kalcio spindulį, apšvitina plutonio taikinį. Jei dėl dviejų branduolių susiliejimo susidaro naujo elemento atomai, jie turi išskristi iš taikinio ir kartu su spinduliu toliau judėti į priekį. Tačiau jie turi būti atskirti nuo kalcio jonų ir kitų reakcijos produktų. Šią funkciją atlieka separatorius.
MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms) – branduolinio atskyrimo įrenginys
Iš tikslinio sluoksnio išstumti atatrankos branduoliai sustoja grafito kolektoriuje kelių mikrometrų gylyje. Kaip pasekmė aukštos temperatūros Jie difunduoja į jonų šaltinio kamerą, paimami iš plazmos, pagreitinami elektriniu lauku ir analizuojami pagal masę magnetiniais laukais judėjimo link detektoriaus kryptimi. Šioje konstrukcijoje atomo masę galima nustatyti 1/3000 tikslumu. Detektoriaus užduotis – nustatyti, ar į jį pateko sunkusis branduolys, labai tiksliai registruoti jo energiją, greitį ir sustojimo vietą.
Separatoriaus veikimo schema
Norėdami patikrinti „stabilumo salos“ egzistavimo teoriją, mokslininkai stebėjo 114 elemento branduolio skilimo produktus. Jei teorija teisinga, tada susidarę 114-ojo elemento branduoliai turėtų būti atsparūs savaiminiam dalijimuisi ir būti alfa radioaktyvūs, tai yra, skleisti alfa dalelę, susidedančią iš dviejų protonų ir dviejų neutronų. Reakcijai, kurioje dalyvauja 114-asis elementas, reikia stebėti perėjimą nuo 114-ojo į 112-ąjį. Tada 112 branduolių taip pat patiria alfa skilimą ir pereina į 110 branduolį ir pan. Be to, naujo elemento gyvavimo laikas turėtų būti keliomis eilėmis ilgesnis nei lengvesnių branduolių. Dubnos fizikai matė būtent tokius ilgaamžius įvykius, kurių egzistavimas buvo prognozuojamas teoriškai. Tai yra tiesioginis požymis, kad 114-asis elementas jau patiria struktūrinių jėgų, kurios sudaro supersunkių elementų stabilumo salą, veikimą.
114 ir 116 elementų skilimo grandinių pavyzdžiai
116-ojo elemento sintezės eksperimente kaip taikinys buvo panaudota unikali medžiaga - kuriumas-248, gautas galingame Mokslinių tyrimų instituto reaktoriuje. branduoliniai reaktoriai Dimitrovgrado mieste. Likusi eksperimento dalis buvo atlikta pagal tą pačią schemą, kaip ir 114-ojo elemento paieška. 116-ojo elemento irimo grandinės stebėjimas tapo dar vienu 114-ojo elemento egzistavimo įrodymu, šį kartą jis gautas sunkesnio „tėvo“ irimo rezultatas. 116 elemento atveju eksperimentiniai duomenys taip pat parodė reikšmingą tarnavimo laiko pailgėjimą, kai branduolyje padidėjo neutronų skaičius. Tai yra, šiuolaikinė sunkiųjų elementų sintezės fizika priartėjo prie „stabilumo salos“ ribos. Be to, elementų, kurių atominiai numeriai 108, 109 ir 110, susidarę dėl 116-ojo elemento skilimo, gyvavimo laikas yra minutės, todėl bus galima ištirti Cheminės savybės iš šių medžiagų šiuolaikinės radiochemijos metodais ir eksperimentiškai patikrina esminį Mendelejevo dėsnį dėl lentelės elementų cheminių savybių periodiškumo. Kalbant apie sunkiuosius elementus, galima daryti prielaidą, kad 112-asis elementas pasižymi kadmio ir gyvsidabrio savybėmis, o 114-asis – alavo, švino ir kt. Tikriausiai stabilumo salos viršuje yra supersunkių elementų, kurių gyvavimo laikas siekia milijonus metų. Ši figūra nepasiekia Žemės amžiaus, tačiau neatmetama supersunkių elementų buvimas gamtoje, mūsų saulės sistemoje ar kosminiuose spinduliuose, tai yra, kitose mūsų Galaktikos sistemose. Tačiau kol kas eksperimentai ieškant „natūralių“ supersunkių elementų nebuvo vainikuojami sėkme.
Šiuo metu JINR ruošia eksperimentą 119-ojo periodinės lentelės elemento paieškai, o Branduolinių reakcijų laboratorija yra pasaulinė sunkiųjų jonų fizikos ir supersunkiųjų elementų sintezės srities lyderė.
Anna Maksimchuk,
JINR tyrėjas,
specialiai R&D.CNews.ru
Įdomu, žinoma. Pasirodo, galima atrasti daug daugiau cheminių elementų ir net beveik stabilių.
Kyla klausimas: kokia viso šio gana brangaus renginio praktinė prasmė naujų, beveik stabilių elementų paieškoms?
Atrodo, kad kai bus rastas būdas gaminti šiuos elementus, tada tai bus matoma.
Bet jau dabar kažkas matosi. Pavyzdžiui, jei kas nors žiūrėjo filmą „Plėšrūnėlis“, tai plėšrūnas turi savęs naikinimo įtaisą apyrankėje ant rankos ir sprogimas yra gana galingas. Taigi viskas. Šie nauji cheminiai elementai yra panašūs į uraną-235, tačiau kritinę masę galima apskaičiuoti gramais (o 1 gramas šios medžiagos prilygsta 10 tonų trotilo sprogimui – tai gera bomba, kurios dydis prilygsta penkių kapeikų monetai. ).
Taigi mokslininkams jau dabar daug prasmės dirbti, o valstybė negaili išlaidų.
Itin sunkūs elementai stabilumo saloje
Teorinis ir eksperimentinis branduolio stabilumo tyrimas suteikė sovietų fizikams priežastį peržiūrėti sunkiųjų transuranų gavimo būdai... Dubna nusprendė pasukti naujais keliais ir imtis taikinio vadovauti ir bismutas.
Branduolys, kaip ir visas atomas, turi apvalkalo struktūra... Ypač stabilūs yra atomų branduoliai, kuriuose yra 2-8-20-28-50-82-114-126-164 protonai (tai yra atomų branduoliai, turintys tokį eilės skaičių) ir 2-8-20-28-50-82. -126- 184-196-228-272-318 neutronų, dėl baigtos jų apvalkalų struktūros. Tik neseniai šias nuomones pavyko patvirtinti kompiuteriniais skaičiavimais.
Šis neįprastas stabilumas visų pirma buvo stebimas tiriant tam tikrų elementų gausą erdvėje. Izotopai tie, kurie turi šiuos branduolinius skaičius, vadinami magiškais skaičiais. Bismuto izotopas 209 Bi, turintis 126 neutronus, yra toks stebuklingas nuklidas. Tai taip pat apima izotopus deguonies, kalcio, alavo... Du kartus magiški yra: heliui - izotopas 4 He (2 protonai, 2 neutronai), kalciui - 48 Ca (20 protonų, 28 neutronai), švinui - 208 Pb (82 protonai, 126 neutronai). Jie išsiskiria labai ypatingu šerdies stiprumu.
Naudojant naujo tipo jonų šaltinius ir galingesnius sunkiųjų jonų greitintuvus – U-200 ir U-300 agregatai Dubnoje buvo suporuoti G.N. sunkusis jonų srautas su nepaprasta energija. Kad pasiektų branduolių sintezę, sovietų fizikai paleido 280 MeV chromo jonus į švino ir bismuto taikinį. Kas galėjo nutikti? 1974 metų pradžioje Dubnos atominės energetikos mokslininkai užfiksavo 50 tokio bombardavimo atvejų, o tai rodo 106-ojo elemento susidarymas, kuris vis dėlto suyra po 10 -2 s. Šie 50 atomų branduolių buvo suformuoti pagal schemą:
208 Pb + 51 Cr = 259 X
Šiek tiek vėliau Gyorso ir Seaborg iš Lawrence'o Berkeley laboratorijos pranešė, kad jie susintetino naujojo, 106 th, elementas, kurio masės skaičius yra 263, bombarduojant Kaliforniją-249 deguonies jonais Super-HILAC aparate.
Koks bus naujo elemento pavadinimas? Atmetus ankstesnius skirtumus, abi grupės Berklyje ir Dubnoje, besivaržančios mokslinėje konkurse, šį kartą priėjo prie bendros nuomonės. Dar per anksti kalbėti apie vardus, sakė Hovhannisyanas. O Ghiorso pridūrė, kad buvo nuspręsta susilaikyti nuo bet kokių pasiūlymų dėl 106-ojo elemento pavadinimo, kol situacija nebus išaiškinta.Iki 1976 m. pabaigos Dubnos branduolinių reakcijų laboratorija baigė 107-ojo elemento sintezės eksperimentų seriją; kaip pradinė medžiaga tarnavo Dubnino „alchemikai“. magiškas"Bismutas-209. Bombarduojamas 290 MeV chromo jonais, jis buvo paverstas izotopu 107 elementas:
209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 n
107 elementas spontaniškai suyra, jo pusinės eliminacijos laikas yra 0,002 s, be to, išskiria alfa daleles.
0,01 ir 0,002 s pusinės eliminacijos laikas, nustatytas 106 ir 107 elementams, privertė mus budėti. Juk jie pasirodė keliomis eilėmis didesni, nei prognozavo kompiuteriniai skaičiavimai. Galbūt 107-ąjį elementą jau pastebimai paveikė kito magiško protonų ir neutronų skaičiaus – 114 – artumas, padidinantis stabilumą?
Jei taip, tuomet buvo vilties gauti ilgaamžius 107 elemento izotopus, pavyzdžiui, išlukštenus. berkelia neoniniai jonai. Skaičiavimai parodė, kad šios reakcijos metu susidarančio neutronų turinčio izotopo pusinės eliminacijos laikas turėtų viršyti 1 s. Tai leistų ištirti 107-ojo elemento chemines savybes - ekareniya.
Ilgiausiai gyvenančio pirmojo transurano izotopo, elemento 93, neptulio-237, pusinės eliminacijos laikas yra 2 100 000 metų; stabiliausias 100-ojo elemento izotopas – fermi-257 – tik 97 dienas. Pradedant nuo 104 elemento pusinės eliminacijos laikas yra tik sekundės dalis. Todėl atrodė, kad nebuvo visiškai jokios vilties atrasti šiuos elementus. Kam reikalingi tolesni tyrimai?
Albertas Ghiorso, žymus JAV transuranikos ekspertas, kartą tai pakomentavo: Priežastis ir toliau ieškoti tolesnių elementų yra tiesiog patenkinti žmogaus smalsumą – kas atsitiks kitame gatvės vingyje?"Tačiau tai, žinoma, nėra tik mokslinis kuriozas. Ghiorso aiškiai pasakė, kaip svarbu tęsti tokį fundamentalų tyrimą.
60-aisiais branduolinių magiškų skaičių teorija tapo vis svarbesnė. "Nestabilumo jūroje" mokslininkai desperatiškai bandė rasti išganingą " santykinio stabilumo sala", ant kurios galėtų tvirtai atsigulti atomo tyrinėtojo koja. Nors ši sala dar neatrasta, jos" koordinatės "žinomos: elementas 114, ekaslead, laikomas didelės stabilumo zonos centru. 114 elemento izotopas-298 jau seniai buvo ypatingas mokslinių ginčų objektas, nes su 114 protonų ir 184 neutronais jis yra vienas iš tų dvigubai magiškų atominių branduolių, kurie, kaip prognozuojama, egzistuos ilgą laiką. Tačiau ką reiškia ilgalaikis egzistavimas?
Preliminarūs skaičiavimai rodo, kad alfa dalelių pusinės eliminacijos laikas svyruoja nuo 1 iki 1000 metų, o spontaniško dalijimosi atveju – nuo 10 8 iki 10 16 metų. Tokie svyravimai, kaip pažymi fizikai, paaiškinami „kompiuterinės chemijos“ aproksimacija. Numatomas labai džiuginantis pusinės eliminacijos laikas kitai stabilumo salai, elementui 164, dviejų švino... 164-ojo elemento, kurio masės skaičius yra 482, izotopas taip pat yra dvigubai magiškas: jo branduolį sudaro 164 protonai ir 318 neutronų.
Mokslas domisi ir paprastai stebuklingi super sunkūs elementai, kaip, pavyzdžiui, 110 elemento izotopas-294 arba elemento 126 izotopas-310, kurių kiekvienas turi 184 neutronus. Stebima, kaip tyrinėtojai gana rimtai žongliruoja šiais įsivaizduojamais elementais, tarsi jie jau egzistuoja. Visi nauji duomenys ištraukiami iš kompiuterio ir dabar jau tikrai žinoma, kas savybės – branduolinės, kristalografinės ir cheminės – šie itin sunkūs elementai turi turėti... Specializuotoje literatūroje kaupiasi tikslūs duomenys apie elementus, kuriuos žmonės galbūt atras po 50 metų.
Šiuo metu branduoliniai mokslininkai keliauja po nestabilumo jūrą laukdami atradimų. Liko už jų tvirta žemė: pusiasalis su natūraliais radioaktyviaisiais elementais, pažymėtas torio ir urano pakilimais, ir toli siekianti kieta žemė su visais kitais elementais ir viršūnėmis švinas, skarda ir kalcio.
Narsūs jūreiviai jau seniai plaukia atviroje jūroje. Netikėtoje vietoje jie aptiko seklumą: atviri elementai 106 ir 107 yra stabilesni, nei tikėtasi.
Pastaraisiais metais ilgą laiką plaukiojome nestabilumo jūroje, – tvirtina G. N. Flerovas, ir staiga, paskutinę akimirką, pajutome žemę po kojomis. Atsitiktinė povandeninė uola? Arba ilgai lauktos atsparumo salos smėlynas? Jei antrasis teisingas, mes turime realią galimybę kurti nauja periodinė stabilių supersunkių elementų lentelė su nuostabiomis savybėmis.
Po to, kai tapo žinoma hipotezė apie stabilius elementus, esančius šalia serijos numerių 114, 126, 164, mokslininkai visame pasaulyje puolė į juos. supersunkus"atomai. Kai kurie iš jų, tariamai ilgų pusamžių, tikėjosi rasti Žemėje arba kosmose, bent jau pėdsakų pavidalu. Juk mūsų Saulės sistemos atsiradimo metu šie elementai egzistavo kaip ir visi kiti.
Supersunkių elementų pėdsakai- Ką čia reikia suprasti? Dėl savo sugebėjimo spontaniškai suskaidyti į du branduolinius fragmentus, turinčius didelę masę ir energiją, šie transuranai turėjo palikti ryškius sunaikinimo pėdsakus kaimyninėje medžiagoje.
Tokie pėdsakai gali būti matomi mineraluose po mikroskopu po ėsdinimo. Naudojant šį naikinimo pėdsakų metodą, dabar galima atsekti seniai mirusių elementų egzistavimą. Iš paliktų pėdsakų pločio galima įvertinti ir elemento eilės skaičių – takelio plotis proporcingas branduolinio krūvio kvadratui.
Taip pat tikimasi atskleisti „gyvus“ supersunkius elementus, remiantis tuo, kad jie nuolat skleidžia neutronus. Savaiminio dalijimosi proceso metu šie elementai išskiria iki 10 neutronų.
Supersunkių elementų pėdsakų buvo ieškoma mangano mazgeliuose iš vandenyno gelmių, taip pat vandenyse, ištirpus poliarinių jūrų ledynams. Iki šiol nesėkmingai. G. N. Flerovas su bendradarbiais apžiūrėjo senovinės XIV amžiaus vitrinos švininį stiklą, XIX amžiaus Leydeno stiklainį ir XVIII amžiaus švino krištolo vazą.
Iš pradžių buvo matyti keli savaiminio dalijimosi pėdsakai ekaslead- 114 elementas. Tačiau kai Dubnos mokslininkai pakartojo savo matavimus su labai jautriu neutronų detektoriumi giliausioje druskos kasykloje. Sovietų Sąjunga, tada teigiamas rezultatas negavo. Tokiame gylyje kosminė spinduliuotė negalėjo prasiskverbti, o tai, matyt, ir sukėlė pastebėtą efektą.
1977 m. profesorius Flerovas pasiūlė, kad jis pagaliau atrado " nauji transuraniniai signalai"Tiriant giliuosius terminius vandenis Čelekeno pusiasalyje Kaspijos jūroje.
Tačiau praneštų atvejų skaičius buvo per mažas, kad būtų galima vienareikšmiškai paskirti. Po metų Flerovo grupė registruodavo 150 spontaniškų padalinimų per mėnesį. Šie duomenys gauti dirbant su jonų keitikliu, užpildytu nežinomu transuranu iš terminių vandenų. Flerovas apskaičiavo esamo elemento, kurio jam dar nepavyko išskirti, pusėjimo trukmę milijardais metų.
Kiti tyrinėtojai pasuko skirtingais keliais. Profesorius Fowleris ir jo bendradarbiai iš Bristolio universiteto eksperimentavo su didelio aukščio oro balionais. Nedidelių branduolių detektorių pagalba buvo nustatyta daugybė sričių, kuriose branduolinių krūvių skaičius viršija 92. Britų mokslininkai manė, kad vienas iš pėdsakų rodo net 102 ... 108 elementus. Vėliau jie padarė pakeitimą: nežinomo elemento serijos numeris 96 ( curium).
Kaip šios itin sunkios dalelės patenka į žemės stratosferą? Iki šiol buvo iškeltos kelios teorijos. Anot jų, sunkieji atomai turėtų atsirasti supernovų sprogimų ar kitų astrofizinių procesų metu ir Žemę pasiekti kosminės spinduliuotės ar dulkių pavidalu – bet tik po 1000 – 1 000 000 metų. Šių kosminių kritulių šiuo metu ieškoma tiek atmosferoje, tiek giliavandenėse jūros nuosėdose.
Ar tai reiškia, kad kosminėje spinduliuotėje galima rasti itin sunkių elementų? Tiesa, pasak amerikiečių mokslininkų, kurie 1975 metais ėmėsi Skylab eksperimento, ši hipotezė nepasitvirtino. Kosminėje laboratorijoje, kuri skriejo aplink Žemę, buvo sumontuoti detektoriai, kurie sugeria sunkias daleles iš kosmoso; buvo rasti tik garsių elementų takeliai.
Mėnulio dulkės, atgabentos į Žemę po pirmojo nusileidimo Mėnulyje 1969 m., buvo lygiai taip pat kruopščiai ištirtos, ar nėra supersunkių elementų. Radę „ilgaamžių“ dalelių pėdsakų iki 0,025 mm, kai kurie tyrinėtojai manė, kad juos galima priskirti 110–119 elementams.
Panašūs rezultatai buvo gauti tiriant įvairiuose meteoritų mėginiuose esančių inertinių dujų ksenono anomalinę izotopinę sudėtį. Fizikai teigė, kad šį poveikį galima paaiškinti tik supersunkių elementų egzistavimu.
Sovietų mokslininkai Dubnoje, išanalizavę 20 kg Allende meteorito, kuris 1969 m. rudenį nukrito Meksikoje, trijų mėnesių stebėjimo metu sugebėjo aptikti keletą savaiminių skilimų.
Tačiau po to, kai buvo nustatyta, kad „natūralus“ plutonis-244 kuris kadaise buvo dalis mūsų saulės sistemos, palieka visiškai panašius pėdsakus, aiškinimas pradėtas vykdyti atidžiau.
