Olovo i bizmut su najteži stabilni elementi. Studija sklopova digitalnih, analogno-digitalnih i digitalno-analognih uređaja

Prvo, članak o tome šta je "ostrvo stabilnosti".

Ostrvo stabilnosti: ruski nuklearni naučnici vode trku

Sinteza superteških elemenata koji čine takozvano "ostrvo stabilnosti" ambiciozan je zadatak moderne fizike, u kojem su ruski naučnici ispred ostatka svijeta.

Dana 3. juna 2011. godine, stručna komisija, u kojoj su bili stručnjaci iz Međunarodne unije za čistu i primijenjenu hemiju (IUPAC) i fiziku (IUPAP), zvanično je priznala otkriće 114. i 116. elemenata periodnog sistema. Prioritet otkrića dat je grupi fizičara predvođenih akademikom Ruske akademije nauka Jurijem Oganesijanom iz Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja uz pomoć američkih kolega iz Nacionalne laboratorije Livero Sea. Lawrence.

Akademik Ruske akademije nauka Jurij Oganesjan, šef Laboratorije za nuklearne reakcije JINR

Novi elementi su postali najteži od onih uključenih u Mendeljejevljev periodni sistem i dobili su privremena imena ununquidium i unungexium, formirana serijskim brojem u tabeli. Ruski fizičari su predložili da se elementi nazovu "flerovium" u čast Georgija Flerova, sovjetskog nuklearnog fizičara, specijaliste u oblasti nuklearne fisije i sinteze novih elemenata, i "moscovium" u čast Moskovskog regiona. Pored 114. i 116. elementa u JINR-u, prethodno su sintetizovani hemijski elementi sa serijskim brojevima 104, 113, 115, 117 i 118. A 105. element tabele je dobio naziv "dubnium" u znak priznanja doprinosa Dubne. fizičara modernoj nauci.

Elementi koji se ne nalaze u prirodi

Trenutno se cijeli svijet oko nas sastoji od 83 hemijska elementa, od vodonika (Z=1, Z je broj protona u jezgru) do uranijuma (Z=92), čiji je životni vijek duži od vijeka trajanja Sunčevog sistema. (4,5 milijardi godina). Teži elementi koji su se pojavili tokom nukleosinteze ubrzo nakon Velikog praska već su se raspali i nisu preživjeli do danas. Uranijum, koji ima vreme poluraspada od oko 4,5×10 8 godina, i dalje će se raspadati i biti radioaktivan. Međutim, sredinom prošlog veka istraživači su naučili kako da dobiju elemente koji se ne nalaze u prirodi. Primjer takvog elementa je plutonij proizveden u nuklearnim reaktorima (Z = 94), koji se proizvodi u stotinama tona i jedan je od najmoćnijih izvora energije. Poluživot plutonijuma je znatno kraći od poluraspada uranijuma, ali još uvek dovoljno dug da sugeriše mogućnost težih hemijskih elemenata. Koncept atoma, koji se sastoji od jezgra koje nosi pozitivan naboj i glavnu masu, te orbitala elektrona, sugerira mogućnost postojanja elemenata sa serijskim brojem do Z=170. Ali zapravo, zbog nestabilnosti procesa koji se odvijaju u samoj jezgri, granica postojanja teških elemenata ocrtava se mnogo ranije. U prirodi, stabilne formacije (jezgre elemenata koje se sastoje od različitog broja protona i neutrona) nalaze se samo do olova i bizmuta, nakon čega slijedi malo poluostrvo, uključujući torijum i uranijum koji se nalaze na Zemlji. Ali čim redni broj elementa premaši broj uranijuma, njegov životni vijek se naglo smanjuje. Na primjer, jezgro 100. elementa je 20 puta manje stabilno od jezgra uranijuma, a u budućnosti se ta nestabilnost samo povećava zbog spontane nuklearne fisije.

"Ostrvo stabilnosti"

Spontani efekat fisije objasnio je Niels Bohr. Prema njegovoj teoriji, jezgro je kap nabijene tečnosti, odnosno neka vrsta materije koja nema svoju unutrašnju strukturu. Što je veći broj protona u jezgru, jači je uticaj Kulonovih sila, pod čijim se uticajem kap deformiše i deli na delove. Takav model predviđa mogućnost postojanja elemenata do 104. - 106. serijskih brojeva. Međutim, šezdesetih godina prošlog stoljeća u Laboratoriju za nuklearne reakcije Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja proveden je niz eksperimenata za proučavanje svojstava fisije jezgri urana, čiji rezultati se nisu mogli objasniti Bohrovom teorijom. Pokazalo se da jezgro nije potpuni analog nabijene kaplje tekućine, već ima unutrašnju

struktura. Štaviše, što je jezgro teže, uticaj ove strukture postaje jači, a obrazac raspada će izgledati potpuno drugačije od onog koji predviđa model kap tečnosti. Tako se pojavila hipoteza o postojanju određene regije stabilnih superteških jezgara, daleko od danas poznatih elemenata. Područje je nazvano "ostrvo stabilnosti", a nakon što su predvidjeli njegovo postojanje, najveće laboratorije u Sjedinjenim Državama, Francuskoj i Njemačkoj započele su seriju eksperimenata kako bi potvrdile teoriju. Međutim, njihovi pokušaji su bili neuspješni. I samo eksperimenti na ciklotronu Dubna, koji su rezultirali otkrićem 114. i 116. elementa, omogućavaju da se potvrdi da područje stabilnosti superteških jezgara zaista postoji.

Slika ispod prikazuje mapu teških nuklida. Poluživoti jezgara su predstavljeni različitim bojama (desna skala). Crni kvadrati su izotopi stabilnih elemenata koji se nalaze u zemljinoj kori (vrijeme poluraspada više od 109 godina). Tamnoplava je "more nestabilnosti", gdje jezgra žive manje od 10 −6 sekundi. "Ostrva stabilnosti" iza "poluostrva" elemenata torijuma, uranijuma i transuranija su predviđanja mikroskopske teorije jezgra. Dvije jezgre s atomskim brojevima 112 i 116, dobivene u raznim nuklearnim reakcijama i njihovim kasnijim raspadom, pokazuju koliko se u vještačkoj sintezi superteških elemenata može doći do "otoka stabilnosti".

Karta teških nuklida

Da bi se sintetiziralo stabilno teško jezgro, potrebno je u njega unijeti što više neutrona, jer su neutroni "ljepak" koji drži nukleone u jezgru. Prva ideja je bila da se izvorni materijal ozrači neutronskim fluksom iz reaktora. Ali ovom metodom, naučnici su uspjeli sintetizirati samo fermijum, element s atomskim brojem 100. Štaviše, umjesto potrebnih 60 neutrona, u jezgro je uneseno samo 20. Nisu uspjeli ni pokušaji američkih naučnika da sintetiziraju superteške elemente u procesu nuklearne eksplozije (zapravo, u snažnom pulsirajućem neutronskom fluksu), rezultat njihovih eksperimenata bio je isti izotop fermija. Od tog trenutka počela se razvijati još jedna metoda sinteze - sudariti dva teška jezgra u nadi da će rezultat njihovog sudara biti jezgro ukupne mase. Da bi se izveo eksperiment, jedno od jezgara mora biti ubrzano do brzine od približno 0,1 brzine svjetlosti pomoću akceleratora teških jona. Sva teška jezgra koja se danas dobijaju su sintetizovana na ovaj način. Kao što je već napomenuto, ostrvo stabilnosti se nalazi u području superteških jezgara bogatih neutronima, stoga jezgra mete i snopa također moraju sadržavati višak neutrona. Prilično je teško odabrati takve elemente, jer gotovo svi postojeći stabilni nuklidi imaju strogo definiran omjer broja protona i neutrona.

U eksperimentu sinteze 114. elementa, kao meta je korišćen najteži izotop plutonijuma atomske mase 244, proizveden u reaktoru Livermorske nacionalne laboratorije (SAD), a kalcijum-48 kao jezgro projektila. Kalcijum-48 je stabilan izotop kalcijuma, koji sadrži samo 0,1% običnog kalcijuma. Eksperimentatori su se nadali da će takva konfiguracija omogućiti da se osjeti učinak povećanja vijeka trajanja superteških elemenata. Za izvođenje eksperimenta bio je potreban akcelerator sa snagom snopa kalcijuma-48 koja je desetine puta veća od svih poznatih akceleratora. U roku od pet godina, takav akcelerator je stvoren u Dubni, omogućio je provođenje eksperimenta nekoliko stotina puta preciznije od eksperimenata u drugim zemljama u posljednjih 25 godina.

Nakon što su primili snop kalcijuma potrebnog intenziteta, eksperimentatori zrače plutonijumsku metu. Ako se kao rezultat fuzije dvije jezgre formiraju atomi novog elementa, tada bi trebali izletjeti iz mete i zajedno sa snopom nastaviti kretati se naprijed. Ali oni moraju biti odvojeni od kalcijevih jona i drugih produkta reakcije. Ovu funkciju obavlja separator.

MASHA (maseni analizator super teških atoma) - postrojenje za odvajanje jezgara

Jezgra trzanja koja se emituju iz ciljnog sloja zaustavljaju se u kolektoru grafita na dubini od nekoliko mikrometara. Zbog visoke temperature kolektora difundiraju u komoru izvora jona, izvlače se iz plazme, ubrzavaju se električnim poljem i analiziraju po masi pomoću magnetnih polja u smjeru detektora. U ovom dizajnu, masa atoma se može odrediti sa tačnošću od 1/3000. Zadatak detektora je da utvrdi da li ga je teško jezgro pogodilo, da sa velikom preciznošću registruje njegovu energiju, brzinu i mesto zaustavljanja.

Šema rada separatora

Da bi testirali teoriju o postojanju "ostrva stabilnosti", naučnici su posmatrali produkte raspada jezgra 114. elementa. Ako je teorija tačna, tada bi rezultirajuće jezgre 114. elementa trebale biti otporne na spontanu fisiju, i biti alfa radioaktivne, odnosno emitovati alfa česticu koja se sastoji od dva protona i dva neutrona. Za reakciju koja uključuje 114. element, mora se uočiti prijelaz 114. u 112. element. Tada jezgra 112. takođe prolaze kroz alfa raspad i prelaze u jezgra 110. i tako dalje. Štaviše, životni vijek novog elementa trebao bi biti nekoliko redova veličine duži od vijeka trajanja lakših jezgara. Upravo su takve dugovječne događaje, čije je postojanje bilo predviđeno teorijski, vidjeli dubnanski fizičari. To je direktan pokazatelj da 114. element već doživljava djelovanje strukturnih sila koje formiraju ostrvo stabilnosti superteških elemenata.

Primjeri lanaca raspada 114. i 116. elemenata

U eksperimentu sinteze 116. elementa kao meta je korišćena jedinstvena supstanca, kurijum-248, dobijena u moćnom reaktoru Istraživačkog instituta za atomske reaktore u Dimitrovgradu. Inače, eksperiment je slijedio istu shemu kao i potraga za 114. elementom. Posmatranje lanca raspada elementa 116 bio je još jedan dokaz postojanja elementa 114, ovaj put je dobijen kao rezultat raspada težeg roditelja. U slučaju 116. elementa, eksperimentalni podaci su također pokazali značajno povećanje životnog vijeka s povećanjem broja neutrona u jezgru. Odnosno, moderna fizika sinteze teških elemenata približila se granici "ostrva stabilnosti". Osim toga, elementi s atomskim brojevima 108, 109 i 110 nastali kao rezultat raspadanja 116. elementa imaju vijek trajanja od minuta, što će omogućiti proučavanje hemijskih svojstava ovih supstanci savremenim radiohemijskim metodama i eksperimentalno verifikovanje fundamentalna priroda Mendeljejevljevog zakona u vezi periodičnosti hemijskih svojstava elemenata u tabeli. Što se tiče teških elemenata, može se pretpostaviti da 112. element ima svojstva kadmijuma i žive, a 114. - kalaja, olova itd. Vjerovatno se na vrhu ostrva stabilnosti nalaze superteški elementi sa životnim vijekom od milion godina. Ova brojka ne dostiže starost Zemlje, ali prisustvo superteških elemenata u prirodi, u našem Sunčevom sistemu ili u kosmičkim zracima, odnosno u drugim sistemima naše galaksije, i dalje je moguće. Ali do sada eksperimenti traženja "prirodnih" superteških elemenata nisu bili uspješni.

Trenutno JINR priprema eksperiment za traženje 119. elementa periodnog sistema, a Laboratorija za nuklearne reakcije je svjetski lider u oblasti fizike teških jona i sinteze superteških elemenata.

Anna Maksimchuk,
Istraživač, JINR,
posebno za R&D.CNews.ru

Zanimljivo, naravno. Ispostavilo se da se može otkriti mnogo više kemijskih elemenata, pa čak i gotovo stabilnih.

Postavlja se pitanje: koji je praktični smisao svega ovog prilično skupog događaja traženja novih gotovo stabilnih elemenata?

Čini se da kada nađu način da proizvedu ove elemente, onda će se to vidjeti.

Ali nešto se već vidi. Na primjer, ako je neko gledao film "Predator", onda predator ima uređaj za samouništenje u narukvici na ruci i eksplozija je prilično snažna. Dakle. Ovi novi hemijski elementi su slični uranijumu-235, ali se u isto vreme kritična masa može izračunati u gramima (u ovom slučaju, 1 gram ove supstance je ekvivalent eksploziji 10 tona TNT-a - dobra bomba veličine samo kovanice od pet kopejki).

Dakle, već sada ima smisla da se naučnici trude, a država da ne štedi na troškovima.

A. Levin

Na putu do ostrva stabilnosti

Naučnici se već sedam decenija bave najnovijom verzijom alhemijskog zanata i u tome su dosta uspeli: lista zvanično priznatih veštačkih elemenata, čija imena je zvanično odobrila Međunarodna unija čiste i primenjene hemije (IUPAC), uključuje 19 pozicije.

Otvara se 93. elementom periodnog sistema poznatog od 1940. - neptunijumom, a završava se 111. - rendgenijumom, prvi put napravljenim 1994. godine. Godine 1996. i 1998. primljeni su elementi sa brojevima 112 i 114. Još nisu dobili konačne nazive, a privremeni koji su im dodijeljeni do odluke IUPAC biroa zvuče užasno - ununbium i ununquadium. Godine 2004. pojavili su se izvještaji o sintezi 113. i 115. elementa, do sada obdarenih jednako neizgovorivim imenima. Međutim, oni imaju svoju logiku, oni su samo serijski brojevi elemenata kodirani pomoću latinskih naziva jednocifrenih brojeva. Na primjer, ununbium znači "jedan-jedan-dva".

Prošle jeseni svetsku štampu su kružili izveštaji o apsolutno pouzdanom prijemu još jednog superteškog elementa, 118. Pouzdanost ovih rezultata nikako nije bila slučajna. Činjenica je da su se po prvi put takve objave pojavile mnogo ranije - u junu 1999. godine. Kasnije su, međutim, zaposlenici američke Livermoreske laboratorije nazvane po Lawrenceu, koji su podnijeli zahtjev za ovo otkriće, bili primorani da ga odbiju. Ispostavilo se da je podatke na kojima se zasnivao izmislio jedan od eksperimentatora, Bugarin Viktor Ninov. Godine 2002. to je izazvalo veliki skandal. Iste godine naučnici iz Livermorea, predvođeni Kentonom Moodyjem, zajedno sa ruskim kolegama iz Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni, na čijem je čelu Yuri Oganesyan, nastavili su ove pokušaje koristeći drugačiji lanac nuklearnih reakcija. Eksperimenti su završeni tek tri godine kasnije, a sada su već doveli do zagarantovane sinteze 118. elementa - međutim, u količini od samo tri jezgra. Ovi rezultati su predstavljeni u članku sa dvadeset ruskih i deset američkih potpisa, koji se pojavio 9. oktobra 2006. u časopisu Physical Review S.

O metodama za dobijanje superteških umjetnih elemenata io zajedničkom radu grupa Oganesyan i Moody govorit ćemo kasnije. U međuvremenu, pokušajmo odgovoriti na jedno ne tako naivno pitanje: zašto nuklearni fizičari i hemičari tako uporno sintetiziraju sve više i više novih elemenata s trocifrenim brojevima u periodičnom sistemu? Ovi radovi zahtijevaju složenu i skupu opremu i dugogodišnja intenzivna istraživanja – i kakav je rezultat? Potpuno beskorisne nestabilne egzotične jezgre, koje se, osim toga, mogu nabrojati na prste. Naravno, stručnjaci su zainteresirani za proučavanje svakog takvog jezgra jednostavno zbog njegove jedinstvenosti i novosti za nauku - na primjer, proučavanje njegovih radioaktivnih raspada, nivoa energije i geometrijskog oblika. Za takva otkrića ponekad daju Nobelove nagrade, ali ipak - je li igra vrijedna svijeće? Šta ove studije obećavaju, ako ne tehnologiju, onda barem fundamentalnu nauku?

MALO ELEMENTARNE FIZIKE
Prije svega, podsjećamo da su jezgra svih elemenata bez izuzetka, osim vodika, sastavljena od čestica dva tipa - pozitivno nabijenih protona i neutrona koji ne nose električni naboj (jezgro vodika je jedan proton). Dakle, sve jezgre su pozitivno nabijene, a naboj jezgra je određen brojem njegovih protona. Isti broj određuje broj elementa u periodičnom sistemu. Na prvi pogled, ova okolnost može izgledati čudno. Tvorac ovog sistema D. I. Mendeljejev je uređivao elemente na osnovu njihove atomske težine i hemijskih svojstava, a tada nauka uopšte nije sumnjala u atomska jezgra (usput rečeno, 1869. godine, kada je otkrio svoj periodični zakon, samo 63 elementi su bili poznati). Sada znamo (a Dmitrij Ivanovič nije imao vremena da sazna) da hemijska svojstva zavise od strukture elektronskog oblaka koji okružuje atomsko jezgro. Kao što znate, naboji protona i elektrona su jednaki po apsolutnoj vrijednosti i suprotni po predznaku. Budući da je atom kao cjelina električno neutralan, broj elektrona je točno jednak broju protona - to je željena veza i otkrivena. Periodičnost hemijskih svojstava objašnjava se činjenicom da se elektronski oblak sastoji od odvojenih "slojeva" - školjki. Hemijske interakcije između atoma prvenstveno osiguravaju elektroni vanjskih omotača. Kako se svaka nova ljuska puni, hemijska svojstva nastalih elemenata formiraju glatku seriju, a zatim kapacitet ljuske prestaje, a sljedeća počinje da se puni - otuda i periodičnost. Ali evo ulazimo u divljinu atomske fizike, a ona nas danas ne zanima, imali bismo vremena da pričamo o jezgrima.

Atomska jezgra se obično nazivaju "nuklidi", od latinskog nucleus - nukleus. Otuda i zajednički naziv za protone i neutrone - "nukleoni". Jezgra sa istim brojem protona, ali različiti - neutroni se razlikuju po masi, ali njihova elektronska "odjeća" je potpuno ista Marie Curie. To znači da se atomi koji se međusobno razlikuju samo po broju neutrona hemijski ne razlikuju i da se moraju smatrati varijantama istog elementa. Takvi elementi se nazivaju izotopi (ovaj naziv je 1910. godine predložio engleski radiohemičar Frederick Soddy, koji ga je izveo od grčkih riječi isos - jednak, identičan i topos - mjesto). Izotopi se obično označavaju imenom ili kemijskim simbolom elementa, nakon čega slijedi oznaka ukupnog broja nuklearnih nukleona (ovaj indikator se naziva "maseni broj").

Svi prirodni elementi imaju više izotopa. Recimo da vodonik, pored glavne jednoprotonske verzije, ima tešku - deuterijum i supertešku - triciju (povijesno gledano, izotopi vodika imaju svoja imena). Jezgro deuterija sastoji se od protona i neutrona, tricijuma - od protona i dva neutrona. Drugi element u periodnom sistemu, helijum, ima dva prirodna izotopa: vrlo rijedak helijum-3 (dva protona, jedan neutron) i mnogo češći helijum-4 (dva protona i dva neutrona). Elementi čisto laboratorijskog porijekla se također, po pravilu, sintetiziraju u različitim izotopskim varijantama.

Nisu sva atomska jezgra stabilna. Neki od njih mogu spontano emitovati čestice i pretvoriti se u druge nuklide. Ovaj fenomen je 1896. godine otkrio francuski fizičar Antoine Henri Becquerel, koji je otkrio da uranijum emituje prodorno zračenje nepoznato nauci. Dvije godine kasnije, Frédéric Curie i njegova supruga Marie otkrili su sličnu emisiju iz torija, a zatim otkrili dva nestabilna elementa koji još nisu uključeni u periodni sistem - radijum i polonijum. Marie Curie je fenomen, misteriozan sa stanovišta tadašnje nauke, nazvala radioaktivnost. Godine 1899. Englez Ernest Rutherford otkrio je da uranijum emituje dvije vrste zračenja, koje je nazvao alfa i beta zračenje. Godinu dana kasnije, Francuz Paul Villard primijetio je zračenje treće vrste u uranijumu, koje je isti Rutherford označio trećim slovom grčke abecede - gama. Kasnije su naučnici otkrili i druge vrste radioaktivnosti.

I alfa i gama zračenje nastaju kao rezultat unutrašnjeg preuređivanja jezgra. Alfa zraci su jednostavno tokovi jezgara glavnog izotopa helijuma, helijuma-4. Kada radioaktivni nuklid emituje alfa česticu, njegov se maseni broj smanjuje za četiri, a naboj za dva. Kao rezultat toga, element je pomaknut u periodnom sistemu dvije ćelije ulijevo. Alfa raspad je zapravo poseban slučaj cijele porodice raspada, uslijed čega se jezgro preuređuje i gubi nukleone ili grupe nukleona. Postoje raspadi u kojima jezgro emituje jedan proton, ili jedan neutron, ili čak masivniju grupu nukleona od alfa čestice (takve grupe se nazivaju "teški klasteri"). Ali gama zraci su nematerijalni - to su elektromagnetski kvanti vrlo visoke energije. Dakle, čisti gama raspad, striktno govoreći, uopće nije radioaktivnost, jer nakon njega ostaje jezgro sa istim brojem protona i neutrona, samo u stanju sa smanjenom energijom.

Beta radioaktivnost je uzrokovana nuklearnim transformacijama potpuno drugačije vrste. Čestice koje je Rutherford nazvao beta zracima bile su jednostavno elektroni, što se pokazalo vrlo brzo.Ova okolnost je dugo zbunjivala naučnike, jer svi pokušaji da se pronađu elektroni unutar jezgara nisu doveli do ničega. Tek 1934. Enrico Fermi je pretpostavio da beta elektroni nisu rezultat intranuklearnih preuređivanja, već međusobnih transformacija nukleona. Beta radioaktivnost jezgra uranijuma objašnjava se činjenicom da se jedan od njegovih neutrona pretvara u proton i elektron. Postoji drugačija vrsta beta radioaktivnosti: proton se pretvara u pozitron i neutron (čitalac će primijetiti da je u obje transformacije ukupni električni naboj očuvan). Beta raspad takođe emituje ultra-lake i super prodorne neutralne čestice - neutrine (tačnije, pozitron beta raspad dovodi do rađanja samog neutrina, a elektronski - antineutrina). Kod elektronskog beta raspada naboj jezgra se povećava za jedan, a kod raspada pozitrona, naravno, opada za isto toliko.

Za potpunije razumijevanje beta raspada, morate kopati još dublje. Protoni i neutroni su se smatrali zaista elementarnim česticama samo do sredine 1960-ih. Sada sigurno znamo da se oba sastoje od tripleta kvarkova - mnogo manje masivnih čestica koje nose pozitivne ili negativne naboje. Naboj negativnog kvarka jednak je jednoj trećini naboja elektrona, a pozitivnog kvarka dvije trećine naboja protona. Kvarkovi su međusobno usko zalemljeni zbog razmjene posebnih čestica bez mase - gluona - i jednostavno ne postoje u slobodnom stanju. Dakle, beta raspadi su zapravo transformacije kvarkova.

Nukleoni unutar jezgra ponovo su povezani silama izmjene, čiji su nosioci druge čestice, pioni (ranije su se zvali pi-mezoni). Ove veze nisu ni blizu tako jake kao gluonska veza kvarkova, zbog čega se jezgra mogu raspasti. Intranuklearne sile ne zavise od prisustva ili odsustva naelektrisanja (dakle, sva jezgra reaguju jedna na drugu na isti način) i imaju veoma kratak domet, otprilike 1,4x10-15 metara. Veličine atomskih jezgara ovise o broju nukleona, ali općenito istog reda. Recimo da je radijus najtežeg prirodnog nuklida, uranijuma-238, 7,4x10-15 metara, za lakša jezgra je manji.

FIZIKA JE OZBILJNIJA
Ukinuli smo nuklearni obrazovni program, pređimo na zanimljivije stvari. Za početak, evo nekoliko činjenica čije objašnjenje otvara put razumijevanju različitih mehanizama sinteze nuklida.

Činjenica 1.
Na Zemlji su otkrivena prva 92 elementa Periodnog sistema - od vodonika do uranijuma (iako je helijum prvo otkriven iz spektralnih linija na Suncu, a tehnecij, astat, prometijum i francij dobijeni su umjetno, ali su kasnije svi otkriveni u zemaljskim stvar). Svi elementi sa velikim brojem dobijeni su veštačkim putem.Obično se nazivaju transuranijum, koji se nalazi u Periodnom sistemu desno od uranijuma.

Činjenica 3.
Odnos između broja intranuklearnih protona i neutrona nikako nije proizvoljan. U stabilnim lakim jezgrima njihov broj je isti ili skoro isti – recimo za litijum 3:3, za ugljenik 6:6, za kalcijum 20:20. Ali s povećanjem atomskog broja, broj neutrona raste brže i u najtežim jezgrama prelazi broj protona za oko 1,5 puta. Na primjer, jezgro stabilnog izotopa bizmuta sastoji se od 83 protona i 126 neutrona (postoji još 13 nestabilnih, u kojima broj neutrona varira od 119 do 132). Kod uranijuma i trans-uranija, odnos između neutrona i protona se približava 1,6.

Činjenica 2.
Svi elementi imaju nestabilne izotope, bilo prirodne ili umjetne. Na primjer, deuterijum je stabilan, ali tricijum prolazi kroz beta raspad (Inače, sada je poznato oko dvije hiljade radioaktivnih nuklida, od kojih se mnogi koriste u raznim tehnologijama i stoga se proizvode u industrijskoj mjeri.) Ali samo prva 83 elementa imaju periodične tablice stabilnih izotopa - od vodonika do bizmuta. Devet najtežih prirodnih elemenata: polonijum, astat, radon, francijum, radijum, aktinijum, torijum, protaktinijum i uranijum su radioaktivni u svim svojim izotopskim varijantama. Bez izuzetka, svi transurani su takođe nestabilni.

Kako objasniti ovaj obrazac? Zašto nema jezgara ugljika, recimo, sa 16 neutrona (ovaj element ima 13 izotopa s brojem neutrona od 2 do 14, međutim, pored glavnog izotopa, ugljika-12, stabilan je samo ugljik-13)? Zašto su svi nuklidi sa više od 83 protona nestabilni?

Karta nuklearne stabilnosti

Atomska masa raste od vrha karte do dna. Broj protona raste prema donjem desnom uglu, a broj neutrona prema donjem lijevom. Najniži crveni blok je 112. element.

U udžbenicima nuklearne fizike možete pronaći vrlo vizualni dijagram, koji se zove izotopska karta ili dolina nuklearne stabilnosti. Broj neutrona je ucrtan duž njegove horizontalne ose, a broj protona duž njegove vertikalne ose. Svaki izotop odgovara određenoj tački, recimo, glavnom izotopu helijuma - tački sa koordinatama (2,2). Ovaj dijagram jasno pokazuje da su svi stvarno postojeći izotopi koncentrirani u prilično uskom pojasu. U početku je njegov nagib prema osi apscise približno 45 stepeni, a zatim se nešto smanjuje. Stabilni izotopi koncentrirani su u središtu trake, a sa strane - skloni jednom ili drugom raspadu.

Tu nastaje nejasnoća. Jasno je da se jezgra ne mogu sastojati samo od protona - oni bi bili rastrgani silama električnog odbijanja. Ali čini se da neutroni povećavaju međuprotonske udaljenosti i time slabe ovu odbojnost. A nuklearne sile koje ujedinjuju nukleone u jezgri, kao što je već spomenuto, djeluju na isti način i na protone i na neutrone. Čini se da što je više neutrona u jezgru, to je ono stabilnije. A ako nije, zašto onda?

Evo objašnjenja "na prste". Nuklearna materija se pokorava zakonima kvantne mehanike. Nukleoni oba tipa imaju polucijeli spin i stoga, kao i sve druge takve čestice (fermioni), poštuju Paulijev princip, koji zabranjuje identičnim fermionima da zauzmu isto kvantno stanje. To znači da se broj fermiona datog tipa u određenom stanju može izraziti samo sa dva broja - 0 (stanje nije zauzeto) i 1 (stanje je puno).

U kvantnoj mehanici, za razliku od klasične mehanike, sva stanja su diskretna. Jezgro se ne raspada jer se nukleoni u njemu privlače zajedno nuklearnim silama. Ovo se može vizuelno predstaviti takvom slikom - čestice sjede u bunaru i jednostavno ne mogu iskočiti odatle. Fizičari također koriste ovaj model, nazivajući bunar potencijalnom bušotinom. Protoni i neutroni nisu isti, tako da sjede u dvije jame, a ne u jednoj. I u protonskoj i u neutronskoj bušotini postoji skup energetskih nivoa koji mogu biti zauzeti česticama koje su pale u njega. Dubina svake jame ovisi o prosječnoj interakciji sila između njenih zarobljenika.

Sada zapamtite da se protoni odbijaju, ali neutroni ne. Shodno tome, protoni su zalemljeni slabije od neutrona, tako da njihov potencijalni bunar nije tako dubok. Za laka jezgra ova razlika je mala, ali se povećava kako se nuklearni naboj povećava. Ali energije najgornjih nepraznih nivoa u oba bunara moraju se podudarati. Ako je gornji popunjeni nivo neutrona bio viši od gornjeg nivoa protona, jezgro bi moglo smanjiti svoju ukupnu energiju, "tjerajući" neutron koji ga zauzima da prođe beta raspad i pretvori se u proton. I čim bi takva transformacija bila energetski povoljna, dogodila bi se s vremenom, jezgro bi se pokazalo nestabilnim. Isto finale bi se dogodilo kada bi se bilo koji proton usudio da pređe svoju energetsku skalu.

Ovdje imamo objašnjenje. Ako protonski i neutronski bunari imaju skoro istu dubinu, što je tipično za laka jezgra, onda se ispostavlja da je i broj protona i neutrona približno isti. Kako se neko kreće duž periodnog sistema, broj protona se povećava, a dubina njihovog potencijalnog bunara sve više zaostaje za dubinom neutronskog bunara. Stoga bi teška jezgra trebala sadržavati više neutrona nego protona. Ali ako se ova razlika umjetno učini prevelikom (na primjer, bombardiranjem jezgra sporim neutronima koji ga ne razbijaju na fragmente, već se jednostavno "zalijepe", nivo neutrona će porasti znatno iznad nivoa protona, a jezgro će se raspasti . Ova shema je, naravno, krajnje pojednostavljena, ali je u principu ispravna.

Idemo dalje. Kako se povećava atomski broj, dolazi do progresivnog viška neutrona nad protonima, što smanjuje stabilnost jezgara, svi teški nuklidi moraju biti radioaktivni. To je zaista slučaj, nemojmo ponavljati našu činjenicu 2. Štaviše, čini se da smo u pravu ako pretpostavimo da će teži nuklidi postajati sve manje stabilni, drugim riječima, njihov životni vijek će se stalno smanjivati. Ovaj zaključak izgleda apsolutno logičan, ali je pogrešan.

TREASURED ISLAND
Počnimo s činjenicom da gore opisana shema ne uzima mnogo u obzir. Na primjer, postoji takozvani efekat uparivanja nukleona. Sastoji se u činjenici da dva protona ili dva neutrona mogu ući u blisku zajednicu, formirajući poluautotomno stanje unutar jezgra sa nultim ugaonim momentom. Članovi takvih parova se jače privlače jedni prema drugima, što povećava stabilnost cijelog jezgra. Zato, pod jednakim uslovima, jezgra sa parnim brojem protona i neutrona pokazuju najveću stabilnost, a najmanju - sa neparnim. Stabilnost jezgri takođe zavisi od niza drugih okolnosti koje su previše posebne da bi se o njima ovde raspravljalo.

Ali glavna stvar nije ni to. Jezgro nije samo homogena akumulacija nukleona, čak i ako su upareni. Brojni eksperimenti dugo su uvjeravali fizičare da jezgro najvjerovatnije ima slojevitu strukturu. Prema ovom modelu, unutar jezgri postoje protonske i neutronske ljuske, koje su donekle slične elektronskim omotačima atoma. Na spontane transformacije posebno su otporna jezgra sa potpuno ispunjenim ljuskama. Brojevi neutrona i protona koji odgovaraju potpuno ispunjenim školjkama nazivaju se magični brojevi. Neki od ovih brojeva su pouzdano određeni eksperimentalno, kao što su 2, 8 i 20.

I tu počinje ono najzanimljivije. Shell modeli omogućavaju izračunavanje magičnih brojeva superteških jezgara - iako bez potpune garancije. U svakom slučaju, postoje svi razlozi za očekivati ​​da će se broj neutrona 184 pokazati magičnim. Njemu mogu odgovarati protonski brojevi 114, 120 i 126, a ovaj drugi, opet, mora biti magičan. Stoga se može pretpostaviti da će izotopi 114., 120. i 126. elementa, koji sadrže po 184 neutrona, živjeti mnogo duže od svojih susjeda. Posebne nade polažu se na posljednji izotop, jer se ispostavilo da je dvostruko magičan. Prema konvenciji o imenovanju o kojoj se govori u prvom odeljku, trebalo bi da se zove unbiheksijum-310.

Dakle, može se nadati da još uvijek postoje neotkriveni superteški nuklidi koji žive jako dugo, barem prema standardima njihovog neposrednog okruženja. Fizičari ovu hipotetičku porodicu nazivaju "ostrvom stabilnosti". Hipotezu o njegovom postojanju prvi je iznio izuzetni američki nuklearni fizičar (ili, ako želite, nuklearni kemičar) Glenn Seaborg, nobelovac 1951. godine. Bio je vođa ili ključni član timova koji su stvorili svih devet elemenata od 94 (plutonijum) do 102 (nobelijum), kao i element 106, nazvan po njemu seaborgijum.
Sada možete odgovoriti na pitanje koje završava prvi dio. Sinteza superteških elemenata, između ostalog, dovodi nuklearne fizičare korak po korak bliže njihovom svetom gralu – otoku nuklearne stabilnosti. Niko sa sigurnošću ne može reći da li je ovaj cilj ostvariv, ali otkriće željenog ostrva bio bi veliki uspjeh za nauku.

Element 114 je već kreiran - ovo je ununquadium. Sada je sintetizovan u pet izotopskih verzija sa brojem neutrona od 171 do 175. Kao što vidite, do 184 neutrona je još daleko. Međutim, najstabilniji izotopi ununkvadija imaju poluživot od nešto manje od 3 sekunde. Za 113. element ova brojka je oko pola sekunde, za 115. - manje od jedne desetine. Ovo je umirujuće.

Akcelerator U-400 u Zajedničkom institutu za nuklearna istraživanja (Dubna),

na kojoj je dobijen 118. element

SINTEZA 118
Svi umjetni elementi od 93. do 100. bili su | prvi put dobijen [zračenjem jezgara | neutroni ili jezgra deuterijuma] (deuteroni). Ovo se ne dešava uvek u laboratoriji. Elementi 99 i 100 - einsteinium i fermium - prvi put su identifikovani tokom radiohemijske analize uzoraka materije prikupljenih na području pacifičkog atola Eniwetok, gdje su 1. novembra 1952. Amerikanci detonirali termonuklearni naboj od deset megatona "Mike ". Njegova školjka je napravljena od uranijuma-238. Tokom eksplozije, jezgra uranijuma uspela su da apsorbuju do petnaest neutrona, a zatim su pretrpela lance beta raspada, što je na kraju dovelo do stvaranja izotopa ova dva elementa. Usput, neki od njih žive prilično dugo - na primjer, poluživot einsteinium-254 je 480 dana.

Transfermijumski elementi s brojevima većim od 100 sintetiziraju se bombardiranjem masivnih, ali ne prebrzo raspadajućih nuklida teškim ionima ubrzanim u posebnim akceleratorima. Među najboljim svjetskim mašinama ove vrste su ciklotroni U-400 i U-400M iz Laboratorije za nuklearne reakcije Flerov Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja. Na akceleratoru U-400 sintetiziran je 118. element, ununoktijum. U periodnom sistemu nalazi se tačno ispod radona i stoga mora biti plemeniti gas.
Međutim, prerano je govoriti o proučavanju hemijskih svojstava ununoktijuma. Godine 2002. dobijeno je samo jedno jezgro njegovog izotopa atomske težine 294 (118 protona, 176 neutrona), 2005. godine još dva. Nisu dugo živjeli - oko milisekunde. Napravljeni su bombardiranjem mete kalifornij-249 ubrzanim jonima kalcijuma-48. Ukupan broj kalcijumskih "metaka" bio je 2x1019! Dakle, performanse generatora ununoktijuma su izuzetno niske. Međutim, ovo je tipična situacija. Ali objavljeni rezultati smatraju se prilično pouzdanim, vjerovatnoća greške ne prelazi hiljaditi dio procenta.

Jezgra Ununoctiuma su pretrpjela niz alfa raspada, sukcesivno se pretvarajući u izotope 116., 114. i 112. elementa. Posljednji, već spomenuti ununbium, živi vrlo kratko i podijeljen je na teške fragmente približno iste mase.

To je cijela priča do sada. U 2007. godini, isti eksperimentatori se nadaju da će proizvesti jezgra elementa 120 bombardiranjem plutonijumske mete jonima gvožđa. Napad na ostrvo stabilnosti se nastavlja.

Šta je novo u nauci i tehnologiji, br. 1, 2007

Peter Armbruster, Gottfried Münzerberg

Suptilni kvantnomehanički efekti stabiliziraju jezgre koje su mnogo teže od jezgara koje postoje u prirodi. Eksperimentatori su morali preispitati kako najbolje sintetizirati takve superteške elemente.

Tokom U proteklih 20 godina, u mnogim zemljama svijeta, pažnju fizičara privukao je problem dobijanja superteških elemenata. U Darmstadtu na Institutu za istraživanje teških jona (HSI) napravili smo određeni napredak sintezom jezgara elemenata 107, 108 i 109. Ova jezgra su iznad 106. protonskog „praga“, što označava granicu za ranije postojeće metode za dobijanje i identifikaciju teških elemenata.

Eksperimentalna mjerenja masa jezgara i teorijska analiza pokazuju da je stabilnost ovih novih elemenata prvenstveno posljedica mikrostrukture njihovih protonskih i neutronskih sistema, a ne makroskopskih svojstava koja određuju stabilnost lakših jezgara. Međutim, naišli smo na probleme koji i dalje otežavaju postizanje ciljeva postavljenih krajem 60-ih, kada se činilo da su elementi do 114. na dohvat ruke. Prevazilazeći ove poteškoće, napredovali smo u proučavanju nuklearne strukture i dinamike reakcija nuklearne fuzije.

Nukleosinteza je prešla dug put od ranih dana kada su se elementi koji ne postoje u prirodi stvarali u nuklearnim reaktorima. Fizičari su koristili sve teže ubrzane ione za bombardiranje ciljnih atoma. Posljednji korak u ovom razvoju bila je metoda "hladne fuzije" jezgara, u kojoj se moraju pažljivo odrediti mase čestica i energija bombardiranja kako bi pobuda novonastalih jezgara bila minimalna.

U toku našeg rada, gotovo sve početne ideje o sintezi superteških elemenata morale su se revidirati: jezgra elemenata koji se mogu sintetizirati su deformirana, anesferična, kao što je postulirano 1966. Za fuziju smo koristili stabilne, rasprostranjene u prirodi, sferna jezgra i ubrzani ioni srednje mase umjesto najtežih umjetnih jezgara i odgovarajuće odabranih lakih ubrzanih iona, kako se prethodno pretpostavljalo. Fuzija bi se trebala odvijati uz najmanju moguću energiju bombardiranja – što je moguće „mekše“, bez upotrebe „grube sile“ u vidu viška energije interakcije, koja, kako se ranije vjerovalo, doprinosi procesu fuzije.

Ideja sinteze transuranijumski elementi (sa atomskim brojem preko 92) nastali su 30-ih godina. Enrico Fermi je 1934. bombardovao talijum sporim neutronima kako bi dobio olovo nakon beta raspada (raspadanje neutrona na proton i elektron). Kao rezultat hvatanja neutrona i naknadnog beta raspada, formirani su elementi s atomskim brojevima za jedan viši od originalnih.

Između 1940. i sredine 1950-ih, neutronskim zračenjem nastali su elementi 93, 94, 99 i 100. Nije slučajno da je fermijum, element 100, bio posljednji u nizu elemenata koji su se mogli dobiti hvatanjem neutrona i beta raspad, koji je predložio Fermi: nijedan od njegovih izotopa ne prolazi kroz beta raspad. U istom periodu zračenjem alfa česticama dobijeni su elementi od 95 do 98 i 101. U ovom procesu, teško jezgro apsorbuje dva protona i dva neutrona; u ovom slučaju, atomski broj se povećava za dvije jedinice odjednom. Kao i svi teški elementi, transuranski elementi sadrže više neutrona nego protona; na primjer, plutonijum (element 94) sadrži 145 neutrona za ukupnu masu od 239; najdugovječniji izotop fermija ima 157 neutrona za ukupnu masu od 257.

Prirodnim načinom za dobijanje elemenata iznad 100 smatralo se fuzijom jezgara najtežih elemenata sa jezgrama lakih elemenata koji sadrže više protona i neutrona od helijuma. Elementi do 99. su dostupni jer se mogu sintetizirati u velikim makroskopskim količinama. U Berkliju (SAD) i Dubni (SSSR) izgrađeni su akceleratori za proizvodnju teških jona sa energijom dovoljnom da savladaju elektrostatičke sile koje sprečavaju fuziju jezgara. Između 1958. i 1974 ovi akceleratori teških jona omogućili su sintetizaciju elemenata od 102 do 106. Prioritet otkrivanja ovih elemenata i, shodno tome, pravo na njihovo imenovanje je još uvijek predmet rasprave.

Metode koje su tako uspješno primijenjene u Berkeleyu i Dubni pokazale su se neefikasnim za dobijanje elemenata težih od 100. Da bismo razumjeli zašto je tako teško sintetizirati superteške elemente i zašto neki od njih mogu biti posebno stabilni, potrebno je razumjeti kako se jezgra održavaju zajedno ili se raspadaju i kako je ravnoteža različitih sila. što određuje njihovu stabilnost, mijenja se sa povećanjem mase. Efekti koji se mogu zanemariti za lakša jezgra određuju razliku između potpune nestabilnosti i relativno dugog vijeka trajanja superteških jezgara.

Za sve jezgre posebno je važan odnos između jakih nuklearnih sila, koje privlače i protone i neutrone, i elektrostatičkih sila koje odbijaju protone. Što su jezgra teža, to sadrže više neutrona, što donekle kompenzuje uticaj odbojnih sila između protona. Međutim, snaga vezivanja između nukleona dostiže vrhunac kod željeza (26 protona i 30 neutrona), što odgovara manje od četvrtine puta duž periodnog sistema, a zatim opada.

Fisija bilo kojeg jezgra težeg od željeza mora biti praćena oslobađanjem energije, ali energija potrebna za fisiju manje masivnih jezgara od olova je tolika da se takva reakcija može izvesti samo pod posebnim uvjetima. Budući da su jezgre teže od olova i mogu postati stabilnije emitujući čak i mali dio svojih nukleona, one su nestabilne. Prirodni izotopi torija i uranijuma se raspadaju uglavnom emitujući alfa čestice. Samo u uranijumu i težim elementima nepobuđena jezgra mogu da dožive spontanu fisiju.

U osnovi, s povećanjem atomskog broja (broja protona u jezgri), povećava se nestabilnost atomskih jezgara: njihov poluživot se smanjuje sa nekoliko hiljada godina na milioniti dio sekunde. Međutim, iz teorije strukture jezgra proizlazi da će elementi koji su tek nešto teži od do sada dobijenih biti ne manje, već stabilniji.

Jezgra sa određenim kombinacijama neutrona i protona imaju posebno visoku energiju vezivanja; helijum-4, kiseonik-16, kalcijum-40, kalcijum-48 i olovo-208 su veoma stabilni u poređenju sa susednim elementima. Ove velike vrijednosti su posljedica strukture ljuske - nuklearnog ekvivalenta ljuski na kojima se nalaze elektroni oko jezgre. Posebno su stabilne nukleonske konfiguracije koje formiraju potpuno ispunjene (zatvorene) ljuske. Što se tiče olova, struktura ljuske doprinosi povećanju energije vezivanja jezgra za 11 miliona elektron volti (MeV) u poređenju sa hipotetičkim nuklearnim padom, bez strukture i sa istim brojem neutrona i protona. Za većinu jezgara sa energijama vezivanja do 2 milijarde eV, takvo povećanje je relativno beznačajno. Međutim, za najteže elemente, koji su na granici stabilnosti, „stabilizacija ljuske“ može dovesti do razlike između trenutnog raspada i relativno dugog postojanja jezgara.

Posebno su stabilne jezgre sa zatvorenim neutronskim i protonskim omotačima; nakon olova, takve školjke se pojavljuju na 114 protona i 184 neutrona. Uspjeh teorije ljuske u predviđanju energija vezivanja lakih jezgara potaknuo je nadu da bi jezgra s masama blizu 298 mogla biti tako snažno stabilizirana da, poput uranijuma i torijuma, mogu formirati područje relativno stabilnih elemenata. Takvi superteški elementi stabilizirani ljuskom, za razliku od elemenata u uranijum-torijumskoj regiji, moraju biti nestabilni kao homogene kapi nuklearne materije.

Prvi od superteških elemenata stabiliziranih školjkom, 107, čija svojstva, kako je Fermi sugerirao, trebaju odgovarati ecaringu, identificiran je u Darmstadtu 1981. godine, 47 godina nakon ovog predviđanja.

Zatim smo dobili i identifikovali elemente 108 i 109. Mjerenja njihovih energija veze pokazuju da smo već ušli u područje superteških elemenata. Trenutno istražujemo ograničenja koja sprječavaju proizvodnju još težih elemenata.

Sinteza teških elemenata u reakcijama fuzije zahtijeva od eksperimentatora da bude u stanju da "prođe tanku liniju" između onih metoda bombardiranja u kojima se fuzija ne događa, i onih metoda koje dovode do fisije jezgre produkta, umjesto da ga ostave u relativno stabilnom stanju . Smanjenje zagrijavanja novonastalog jezgra najvažniji je razlog za prelazak sa bombardiranja teških ciljeva relativno lakim ionima na bombardiranje manje masivnih ciljeva relativno težim ionima (tranzicija koju su inicirali Yu. Ts. Oganesyan i njegovi kolege iz Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni).

Na primjer, kada se olovo-208 ili bizmut-209 spoje sa hromom-54 ili željezom-58, energija pobude novog jezgra je oko 20 MeV. U isto vrijeme, fuzija teških aktinidnih meta (kalifornij-249, berkelijum-249 ili kurijum-248) sa ugljikom-12, dušikom-15 ili kisikom-18 rezultira energijom pobude od oko 45 MeV.

Jezgro formirano od lakih jona i isaktinidnih meta hladi se emitovanjem četiri neutrona. Nasuprot tome, jezgro formirano od olova ili bizmuta i težih jona se hladi, emitujući samo jedan neutron. Budući da je vjerovatnoća da će se jezgro ohladiti emitiranjem neutrona samo nekoliko posto vjerovatnoće njegove fisije, konačni prinos superteških jezgara je značajno smanjen u svakoj fazi kaskade emisije neutrona. Mehanizam relaksacije sa jednim neutronom je mnogo pogodniji za očuvanje novoformiranog jezgra.

Nažalost, hladna fuzija ima i nedostatak: u ovom slučaju elektrostatičke odbojne sile između dva jezgra u većoj mjeri sprječavaju njihovu fuziju. Kada se dva jezgra približe, dio njihove kinetičke energije se pretvara u energiju pobuđivanja srednjeg sistema sudarajućih jezgara i stoga se ne može koristiti za prevazilaženje barijere fuzije, što zauzvrat smanjuje vjerovatnoću fuzije. U slučaju hladne fuzije pomoću težih jona, više kinetičke energije se pretvara u procesu približavanja i prolaska kroz fuzijsku barijeru, a vjerovatnoća prevladavanja ove barijere je smanjena u odnosu na reakcije između lakih jona i najtežih meta.

Ako se početna energija poveća da bi se nadoknadili ovi gubici, energija pobude će se povećati i broj formiranih jezgara će se smanjiti. Kao rezultat, samo 106. element pokazuje prednosti metode hladne fuzije.

Pokazali smo da su maksimalni presjeci za formiranje teških elemenata u uskom energetskom rasponu, oko 5 MeB iznad fuzijske barijere.

Dok Teorija dobijanja superteških jezgara može biti vrlo zanimljiva sama po sebi, ali u praksi je to mnogo teži zadatak. Teorijski proračuni moraju biti kombinovani sa dizajnom akceleratora i mete, kao i razvojem detektorskog sistema koji može detektovati postojanje superteškog jezgra čim se sintetiše. Kada je ideja o proizvodnji superteških elemenata zaokupila maštu fizičara i hemičara krajem 1960-ih, niko u SRJ nije imao iskustva u nukleosintezi. Mnoga "vrata" su otvorena za početnike u ovoj oblasti. Mnogo se moglo naučiti iz ranijih eksperimenata na Berkliju i Dubni, ali je bilo jasno da se kopiranjem ovih studija ne može postići dalji napredak. Bili su potrebni akcelerator teških jona, metode brzog odvajanja za izolovanje novih elemenata i odgovarajuća tehnika za njihovu identifikaciju. Nije bilo odgovora ni na pitanje kakve bi reakcije trebale dovesti do uspjeha.

1969. godine, njemačka vlada, zajedno sa vladom pokrajine Hesse, odlučila je financirati osnivanje novog instituta za istraživanje teških jona (Heavy Ion Research Society, Gays) u Darmstadtu. Univerzalni linearni akcelerator (UNILAC), na kojem se provode gej eksperimenti, počeo je sa radom 1975. godine.

UNILAC može ubrzati sve jone do i uključujući uranijum do energija koje prelaze Kulonovu barijeru. Od samog početka, ova postavka je dizajnirana da proizvodi najintenzivnije moguće snopove jona. Posebni napori su uloženi kako bi se osiguralo da se energija jona može nesmetano mijenjati i postaviti na zadati nivo sa dovoljno dobrom ponovljivošću. U početku je projekat akceleratora razvio K. Schmelzer i njegovi saradnici u Heidelbergu. Iskustvo stečeno od strane drugih naučnih grupa uzeto je u obzir: jonski izvori su bili modifikacija izvora korišćenih u Dubni za proizvodnju visoko naelektrisanih jona, a Alvarezov sistem razvijen u Berkliju korišćen je u visokofrekventnom sistemu linearnog akceleratora.

Kada je UNILAC izgrađen, mnogim naučnicima se postavilo pitanje: koji je najbolji način da se koristi akcelerator? Koje reakcije i koje eksperimentalne metode treba koristiti? U početnom periodu svog postojanja, UNILAC je korišćen za testiranje širokog spektra ideja, ali jedina strategija koja se pokazala uspešnom bila je hladna fuzija u kombinaciji sa transportom jezgara trzanja (fuzionih proizvoda).

Pošto otkrićem plutonijuma 1941. sintetizovano je oko 400 tona ovog elementa, što odgovara 10 30 atoma. S druge strane, dobijeno je i identificirano samo nekoliko atoma 109. elementa. Zašto se najteži elementi dobijaju u tako zanemarljivo malim količinama? Odgovor je sljedeći: da bi se proizveo plutonij, tone neutrona bombardiraju blokove uranijuma-238 debljine nekoliko centimetara ili više, dok se u UNILAC-u ubrzava samo 100 mikrograma željeza-58 kako bi se bombardirala olovna-208 meta debljine nekoliko stotina nanometara. Osim toga, poprečni presjek reakcije hvatanja neutrona koja proizvodi plutonij-239 je oko 10 triliona puta veći od presjeka reakcije fuzije koja proizvodi element 109.

Poteškoće u dobijanju težih elemenata samo su dio problema. Budući da se sintetiziraju, elementi kao što je 109 propadaju tako brzo da sinteza "ne prati" raspad. Najteži elementi su toliko kratkotrajni da su se na kraju zračenja svi formirani atomi već raspali. Stoga ove atome treba detektovati i identifikovati tokom njihove proizvodnje.

Metode dobijanja i detekcije elemenata do 106 bazirale su se uglavnom na mehaničkim sredstvima transporta formiranih atoma od reakcione zone do detektora. Vrijeme transporta između formiranja i detekcije produkta reakcije određeno je brzinama njihovog prijenosa u struji plina, vremenom njihove difuzije sa čvrstih površina ili brzinom rotirajućih meta. Ove metode, međutim, nisu bile dovoljno dobre za otkrivanje elemenata težih od 106, što je dovelo do neprihvatljivog kompromisa između brzine detekcije i tačnosti, tako da korištenjem bržih metoda nije bilo moguće pouzdano identificirati nove izotope.

Za transport rezultirajućih jezgara do detektora, odabrali smo tehniku ​​zasnovanu na korištenju brzine trzanja koju produkti reakcije dobivaju od teških jona. Kada se teški ion sudari s ciljnim atomom i stopi se s njim, rezultirajuće jezgro se kreće u smjeru prvobitnog kretanja jona brzinom od oko nekoliko postotaka brzine svjetlosti. Kao rezultat, mogu se detektovati jezgra s poluraspadom do 100 ns.

Iako tehnika transporta povratnih jezgara omogućava otkrivanje i identifikaciju jezgara vrlo kratkog vijeka, tehnika detekcije u ovom slučaju postaje složenija. Iz reakcione zone, ne samo pojedinačna jezgra nastala u reakciji fuzije, već i trilioni teških jona, kao i hiljade atoma izbačenih iz mete, velikom brzinom napuštaju zonu reakcije. Da bismo odvojili superteška jezgra od preostalog snopa, izgradili smo specijalni filter brzine - separator za produkte reakcije teških jona (SHIP), razvijen zajedno sa stručnjacima sa Drugog instituta za fiziku Univerziteta u Giesenu. Na osnovu kinematike sudara i fuzije jezgri, brzina trzanja fuzijskih proizvoda može se unaprijed izračunati. Stoga se mogu izolovati na relativno direktan način.

Filter brzine se sastoji od dva stupnja, od kojih svaki uključuje i električna i magnetska polja. Ova dva polja odbijaju nabijene čestice u suprotnim smjerovima; samo za jezgro sa određenom brzinom, uticaj polja je međusobno isključen i ono nastavlja da se kreće u srednjoj ravni postavke. Takav tandem filter smanjuje broj ubrzanih jona koji padaju u područje detekcije za faktor od 100 milijardi, a broj nokautiranih ciljnih jezgara za faktor 1000. Isključujući gotovo sve neželjene čestice iz zraka, SHIP spektrometar propušta više od 40.070 proizvoda fuzije. Detektori koji se nalaze iza spektrometra registruju lance raspada čestica koje su prošle kroz spektrometar, što omogućava jedinstvenu identifikaciju proizvoda fuzije.

Prvi element detekcionog sistema je uređaj za vreme leta koji omogućava merenje brzine čestica po treći put (prva dva merenja se zasnivaju na principu filtera brzine). Nakon prolaska kroz ovaj uređaj, čestica se implantira u silikonske detektore površinske barijere osjetljive na položaj, koji registriraju njenu energiju i lokaciju udara. Budući da kombinacija vremena leta i energije omogućava približno određivanje mase čestice, moguće je razlikovati produkte fuzije od raspršenih jona i nokautiranih ciljnih jezgara.

Da bi se jezgro pouzdano identificiralo, ipak je potrebno uspostaviti korelaciju između njegovog raspada i raspada njegovih radioaktivnih kćernih produkata. Delovi raspada usled istog jezgra moraju imati iste prostorne koordinate, a tip, energija i vreme poluraspada jezgra kćeri poznati su iz prethodnih merenja.

Uspostavljanjem takvih koreliranih događaja raspada, moguće je jedinstveno identificirati svako jezgro fuzijskog proizvoda. Iako nasumična jezgra koja pogodi isto mjesto kao i fuzijski proizvod koji se proučava može se raspasti i proizvesti prostorno korelirani signal, malo je vjerovatno da će njegova energija raspada, vrijeme poluraspada i tip raspadanja odgovarati onima koji se očekuju za proizvod fuzije. Uočili smo takve lance raspadanja do četvrte generacije; vjerovatnoća da su takve serije koreliranih događaja nasumične kreće se od 10–15 do 10–18. Ako se korelirani događaji zbog izotopa koji se proučavaju posmatraju jednom dnevno, onda se može očekivati ​​nasumična pojava događaja koji simuliraju četiri generacije događaja raspadanja za vremenski period 100 puta duži od starosti Zemlje. Kao rezultat, čak i jedan događaj može nedvosmisleno ukazivati ​​na postojanje datog superteškog izotopa.

Između 1981. i 1986. godine zajedno sa našim kolegama P. Hessbergerom, Z. Hofmannom, M. Leino, W. Reisdorfom i K.-H. Schmidta, koristili smo UNILAC, SHIP i njegov sistem detekcije za sintezu i identifikaciju elemenata 107 109. U ovim eksperimentima sintetizirano je 14 izotopa elemenata 104 109 (od kojih je pet ranije poznato), kao i još dva izotopa elemenata 107 i 108 sa masenim brojevima 261 i 264, respektivno.

Godine 1981. dobili smo izotop 107. elementa masenog broja 262 bombardiranjem bizmuta 209 jonima hroma-54. Za neparni-neparni izotop elementa 107 (koji ima neparan broj i protona i neutrona), uspostavili smo pet energija alfa čestica, što daje predstavu o nivoima nuklearne energije; također možemo izvesti da ovaj izotop ima izomer (dugoživo pobuđeno stanje).

Element 109 je identifikovan na osnovu posmatranja jednog lanca raspadanja zabeleženog u 16:10 29. avgusta 1982. u reakciji između gvožđa-58 i bizmuta-209. Jezgro 266 109 postojalo je 5 ms pre nego što je emitovalo alfa česticu sa energijom od 11,1 MeV; rezultirajuće jezgro 107. elementa se raspalo u 105. element nakon 22 ms; 105. element se raspao u 104. element nakon 12.9 sa spontanom fisijom njegovog jezgra. Iz ovog pojedinačnog događaja bilo je moguće, iako sa ograničenom preciznošću, odrediti energiju raspada, vrijeme poluraspada i poprečni presjek reakcije. Još dva lanca raspada uočena su početkom 1988. godine, šest godina nakon identifikacije 100. elementa. Oni su potvrdili tumačenje događaja zabilježenog 1982. godine.

Godine 1984 identifikovali smo tri lanca raspada za izotop 265 108 u reakciji između gvožđa-58 i olova-208. Dva identificirana izotopa elemenata 107 i 109 su neparni-neparni i vjerovatnoća njihove fisije je znatno smanjena, međutim, izotop elementa 108 ima paran broj protona i neparan broj neutrona. Iako su parno-neparni izotopi mnogo vjerovatniji za fisiju, izotop 265108 također prolazi kroz alfa raspad.

Posebno je interesantno da se nijedan od izotopa elemenata 107–109 ne fisije spontano, a svi parno-parni izotopi 265104, 260106 i 264108 imaju približno istu stabilnost u odnosu na spontanu fisiju.

Približno konstantan nivo stabilnosti pokazuje kako se efekti stabilizacije ljuske nadmeću s ukupnim padom stabilnosti kako se povećava masa jezgara.

Iza 104. i 105 elementi sadrže malo "ostrvo" jezgara, koje se, kada ih emituju alfa čestice, raspadaju i formiraju poznate izotope lakših elemenata. Takvi činovi alfa raspada omogućavaju određivanje energije vezivanja ovih superteških elemenata. Ako je energija vezivanja kćerke jezgre poznata, tada se u svakoj fazi energija alfa raspada može koristiti za izračunavanje energije vezivanja matičnog jezgra. Ako je poznata energija vezivanja konačnog proizvoda, tada lanac događaja alfa raspada može dovesti do energija vezivanja početnog jezgra lanca. Pošto je registrovan raspad 108. i 100. elementa (po jedan događaj u svakom slučaju) i 106. elementa (prema više događaja), moguće je rekonstruisati lanac 264 108 260 106 256 104 252 102. Energije vezivanja ovih jezgra su 120, 106 i 94 MeV, respektivno.

Korekcija ljuske na energiju vezivanja postepeno se povećava za sve izotope od uranijuma-232 do 264 108, koji su vezani procesom alfa raspada; odgovarajuće vrijednosti se povećavaju sa 1-2 na 6-7 MeV. Zapravo, svi elementi od uranijuma do elementa 108 imaju jednako visoke barijere fisije - oko 6 MeV. Za razliku od uranijuma, koji je još uvijek stabilan kao nuklearna kap, stabilnost 100. i 108. elementa u potpunosti je posljedica kvantnomehaničke strukture njihovih fermionskih sistema sa više čestica. Nedavni teorijski radovi predviđaju fisijske barijere koje su u skladu s našim mjerenjima.

Životni vijek elementa u odnosu na podelu određen je prvenstveno visinom i širinom pregrade podjele. Korekcije školjke povećavaju vijek trajanja 106. i 108. elemenata za 15 redova veličine. Na logaritamskoj skali, opaženi životni vijek je u sredini raspona između nuklearnog vremena (oko 10-21 s za raspad nevezanog nukleonskog sistema) i starosti Univerzuma (10 18 s). Novi elementi su nestabilni samo u poređenju sa trajanjem ljudskog života (2·10 9 s). Da bi bili stabilni na ovoj skali, životni vijek se mora povećati za 12 redova veličine. Međutim, nuklearna fizika nije zasnovana na ljudskoj vremenskoj skali.

otkriveno od nas"Ostrvo" alfa radioaktivnih izotopa je direktna posledica njihove stabilizacije usled delovanja ljuske. Dakle, stabilizacija sferičnih superteških jezgara u blizini elementa 114 predviđena krajem 1960-ih počinje mnogo ranije nego što se očekivalo i postepeno se povećava. U uskom području nestabilnosti iza olova, između elemenata 83 i 90, efekti ljuske su oslabljeni. Međutim, u intervalu između 92. i 114. elementa vrijednost korekcije ljuske raste sporo i monotono.

Čak iu blizini "ostrva" superteških jezgara, stabilizacija se dešava zbog kvantno mehaničke strukture fermionskih sistema, dok je na "kopnu" stabilizacija jezgara zbog makroskopskih svojstava tečnosti. Jezgra elemenata 107 109 nalaze se na "brani" između "ostrva" i "kopna", pa se novi izotopi mogu pripisati i "ostrvu" i "kopnu". U svakom slučaju, kao i superteški elementi, mogli su se promatrati samo zbog stabilizacije ljuske njihovih osnovnih stanja.

Iz najnovijih teorijskih predviđanja za korekcije ljuske na energiju vezivanja, slijedi da između elemenata 106 i 126 treba postojati područje od oko 400 superteških jezgara sa fisionim barijerama iznad 4 MeV. Svi ovi izotopi moraju imati vrijeme poluraspada veće od 1 µs; ako se mogu sintetizirati, tada će ih biti moguće otkriti korištenjem postojećih metoda. Pretpostavlja se da su posebno stabilna područja blizu izotopa 273 109 i 291 115. Kod broja neutrona od oko 166, deformacija osnovnog stanja se mijenja. Izotopi sa manje neutrona su deformisani, dok su teži izotopi sferni.

Tokom U proteklih 20 godina, svi pokušaji da se dobiju izotopi u blizini očekivanog centra stabilnosti - jezgra 298 114 - bili su neuspješni. Ovi superteški izotopi nisu otkriveni ni u reakcijama fuzije niti u bilo kojim drugim reakcijama koje uključuju teške jone. Ipak, glavna ideja o mogućnosti postojanja nukleonskih sistema stabiliziranih ljuskom, osim stabilnih nuklearnih kapi, potvrđena je gore opisanim eksperimentima. Teoretski, postoji svaki razlog vjerovati u ekstrapolaciju na još teže elemente.

Sada se postavlja zanimljivo pitanje: šta na kraju sprečava stvaranje ovih „krhkih“ objekata? Neka važna pojašnjenja došla su iz našeg intenzivnog istraživanja reakcija fuzije. Jezgro stabilizirano školjkom, sferično u osnovnom stanju, može se uništiti čak i pri tako niskoj energiji pobude od 15 MeV, to je eksperimentalno pokazao K.-Kh. Schmidt još 1979. godine, dok se deformisana jezgra mogu sačuvati pri energijama pobude do 40 MeV. Čak iu reakciji između kalcijuma-48 i kurijuma-248 (najprikladnija dostupna reakcija), energija pobude je oko 30 MeV. Iz ovoga slijedi da je moguće dobiti superteške elemente samo sa deformisanim jezgrama. Međutim, do sada su takvi pokušaji bili uspješni samo za elemente s atomskim brojevima manjim od 110.

Kao što je ranije napomenuto, fuzija dvaju jezgara, koja dovodi do formiranja superteške jezgre, je od samog početka komplikovana potrebom da se prevlada fuzijska barijera. Za dato jezgro proizvoda, ova barijera je minimalna kada su najteže mete bombardirane najlakšim mogućim ionima. Uprkos ovoj prednosti, ova najasimetričnija kombinacija ima nedostatak maksimiziranja zagrijavanja jezgre proizvoda, što rezultira visokim gubicima fisije tokom procesa deekscitacije. Što je kombinacija manje asimetrična, to su manji gubici tokom faze hlađenja. Najbolji kompromis između niskih gubitaka u završnoj fazi i velike vjerovatnoće formiranja u početnoj fazi su simetričnije kombinacije sa ciljnim jezgrima blizu olova.

Upotreba olova i bizmuta kao meta daje dvostruku korist od efekta ljuske u ovim jezgrama: snažno vezivanje u tim jezgrima s njihovim dvostruko zatvorenim ljuskama rezultira smanjenjem za više od 10 MeV energije prenesene na proizvod jezgre i odgovarajuće smanjenje gubitaka zbog fisije. Osim toga, vjerovatnoća prevladavanja fuzijske barijere se povećava ako se u reakciji koriste sferna, visoko vezana i relativno kruta jezgra. I ovdje se očituju jaki efekti ljuske u olovu, ali ovoga puta u dinamici procesa.

Sada počinjemo da shvatamo zašto će biti veoma teško dobiti još teže elemente. Samo kombinacija korekcija ljuske za partnere u fuziji zatvorene ljuske, efekta ljuske u dinamici i povećane stabilnosti pobuđenih deformiranih superteških jezgara omogućila nam je sintetizaciju nekoliko izotopa najlakših superteških elemenata. Prvobitno pitanje o postojanju jezgri stabiliziranih ljuskom morali smo proširiti na učinak korekcija ljuske u svim fazama reakcije. Posebno je važno prilikom kreiranja ovih složenih i „krhkih“ objekata uvesti već postojeći poredak u proces spajanja, izbjegavajući nepotreban nered.

Kako doći do sljedećih superteških elemenata? Za 110. i 111. element biće moguće primijeniti metode koje smo razvili u reakcijama između nikla-62 i olova-208 ili bizmuta-209. Jednom kada se ovi elementi formiraju, njihovo otkrivanje će zahtijevati ne toliko fundamentalno nova znanja koliko zadovoljavanje potreba za obogaćenim izotopom i strpljenjem kako bismo naučili kako koristiti našu opremu i provoditi eksperimente nekoliko mjeseci.

Koliko elemenata ima u hemijskom periodnom sistemu? Da li svi oni zauzimaju stabilno, stabilno i bezuslovno mjesto? O granicama postojanja elemenata u prirodi, neutronskoj materiji i sintezi superteških elemenata - dopisni član Ruske akademije nauka Jurij Oganesjan i doktor fizičko-matematičkih nauka Mihail Itkis.

Teze za diskusiju:

Šta znamo i šta želimo da razumemo o problemu sinteze superteških elemenata?

Postoje li ograničenja za postojanje elemenata u prirodi?

Kako se odvijala nukleosinteza elemenata u svemiru?

Šta određuje moguću stabilnost superteških elemenata?

Koliko je ovaj problem fundamentalan i ima li politički aspekt?

Mogućnosti savremene eksperimentalne tehnike za njeno rešavanje.

Šta je neutronska materija? Da li je to moguće proučavati u laboratoriji, a ne samo u procesu proučavanja astrofizičkih objekata, kao što su neutronske zvijezde i sl.? Trendovi u svjetskoj nauci.

Da li društvo treba da proučava gore navedene fundamentalne probleme nauke? Vodi li do novih ideja u vidu novih tehnologija, izvora energije, medicinskih uređaja itd.

Pregled teme

Poznato je da svi elementi od najlakših (vodonik) do najtežih (uranijum) čine svijet oko nas. Oni postoje na zemlji. To znači da je njihov životni vijek duži od starosti same Zemlje. Svi elementi nakon uranijuma su teži od njega. Nastali su negdje u procesu nukleosinteze, ali nisu preživjeli do danas. Danas se mogu nabaviti samo umjetno.

Pojam atoma je dobro poznat: jezgra, koja sadrži cjelokupnu masu atoma i njegov pozitivni naboj, i orbitale elektrona. Hipotetički, može postojati do atomskih brojeva: 160 i, možda, 170. Međutim, granica postojanja elemenata je ocrtana mnogo ranije, a razlog leži u nestabilnosti samog jezgra. Stoga se pitanje granica postojanja elemenata treba obratiti nuklearnoj fizici. Ako pogledate jezgre koje sadrže različit broj protona i neutrona, onda se stabilni elementi nalaze samo do olova i bizmuta. Zatim (sl. 1) postoji "malo poluostrvo", u kojem se na Zemlji nalaze samo torijum i uranijum. Iz ovoga proizilazi da pitanje granica postojanja elemenata zavisi od stabilnosti jezgara i da se treba obratiti nuklearnoj fizici.

Rice. 1. Karta izotopa sa atomskim brojevima 70 Zí. Stabilnost atoma je prikazana gustinom boje prema desnoj skali. Za regione 112 Zí i 165 Zí data su teorijska predviđanja vremena poluraspada hipotetičkih superteških atoma.

Čim pređemo izvan uranijuma, životni vijek jezgara naglo opada. Izotopi transuranijumskih elemenata su radioaktivni, prolaze kroz alfa raspad. Životni vijek jezgara se smanjuje na logaritamskoj skali. Ova logaritamska skala pokazuje da se od uranijuma (element 92) do elementa 100 stabilnost jezgara smanjuje za više od 20 redova veličine.

U stvari, situacija se pokazala još komplikovanijom. Spontana fisija - četvrti tip radioaktivnosti - prestiže alfa raspad u području 100. elementa, a u budućnosti se životni vijek jezgara smanjuje mnogo brže.

Spontanu fisiju su prije 60 godina otkrili K. A. Petrzhak i G. N. Flerov kao rijedak tip raspada uranijuma. Postaje glavni kada su u pitanju teži elementi.

Objašnjenje fenomena spontane fisije dao je Niels Bohr 1939. Prema N. Boru, do takvog procesa može doći ako pretpostavimo da nuklearna materija ima svojstva materije bez strukture kao što je kap nabijene tekućine. Ako se kap deformiše pod dejstvom električnih sila, tada njena potencijalna energija raste do određene granice, a zatim nepovratno opada sa povećanjem deformacije sve dok se kap ne podeli na dva dela. Tako će se na jezgru uranijuma pojaviti određena barijera, koja drži ovo jezgro od fisije 10 16 godina.

Ako sa uranijuma pređemo na teži element, u čijem su jezgru Kulonove sile mnogo veće, barijera se snižava, a verovatnoća fisije se znatno povećava. Konačno, daljim povećanjem naboja jezgra doći ćemo do granice kada više ne bude barijere, odnosno kada se čak i sferni oblik kapi pokaže nestabilnim za razdvajanje na dva dijela.

Ovo je granica stabilnosti kernela. Prema proračunima Bohra i Wheelera, ova granica je bila očekivana za elemente s atomskim brojevima 104–106.

Sasvim neočekivano bilo je otkriće još jednog poluraspada teških jezgara, uključujući uranijum, 1962. godine u Laboratoriji za nuklearne reakcije u Dubni. To jest, jedno te isto jezgro može imati dva raspada istog tipa sa različitim vjerovatnoćama, ili dva života. Za uranijum, jedno vrijeme je 10 16 godina, što su otkrili Flerov i Petrzhak, a drugo je vrlo kratko, samo 0,3 mikrosekunde. Sa dva poluraspada, mora se pretpostaviti da jezgro ima dva stanja iz kojih dolazi do fisije. Ovo se ni na koji način ne uklapa u ideju pada.

Dva stanja mogu postojati samo ako tijelo nije amorfno, već ima unutrašnju strukturu.

Dakle, nuklearna materija nije potpuni analog nabijene kaplje tekućine

Kap je neka vrsta aproksimacije opisu nuklearne materije; jezgro ima unutrašnju strukturu.

Nuklearni teoretičari su ozbiljno shvatili pitanja nuklearne strukture; kod nas - V. M. Strutinsky, S. T. Belyaev, V. V. Pashkevich i dr. Oni su riješili prilično težak problem - kako objasniti da je uranijumska barijera dvogrba ​​i kako se struktura jezgra mijenja tokom njegove deformacije.

I to je objašnjeno. Ali ako objašnjenje koje su pronašli teoretičari ispravno odražava svojstva jezgri, onda kada dođemo do superteških elemenata, slika će biti potpuno drugačija od one koja je predviđena za kap tekućine. Kod teških elemenata ova struktura će se manifestovati u punoj meri tamo gde je pad nekonzistentan i pojaviće se tzv. strukturna barijera. A to znači da jezgro može živjeti jako dugo.

Ovaj netrivijalni zaključak teorije doveo je, u suštini, do predviđanja hipotetičkog područja stabilnosti za superteške elemente koji se nalaze daleko od onih elemenata koji su poznati i sa kojima smo navikli raditi.

Čim je to bilo predviđeno, svi najveći laboratoriji na svijetu bukvalno su požurili da eksperimentalno testiraju ovu hipotezu. To je urađeno u Sjedinjenim Državama, Francuskoj, Njemačkoj. Međutim, svi eksperimenti su dali negativne rezultate.

Posljednje dvije godine u laboratoriju u Dubni izvođeni su eksperimenti na sintezi novih, najtežih elemenata s atomskim brojevima 114 i 116. Zadatak je bio da se dobiju atomi novih elemenata, čija jezgra imaju veliki višak neutrona. . Samo u ovom slučaju mogli bismo se približiti granicama hipotetičkog "ostrva stabilnosti" i uočiti povećanje životnog vijeka superteških jezgara.

Rezultati eksperimenata doveli su do zaključka da "ostrvo stabilnosti" zaista postoji.

Koji su načini dobivanja (sinteze) superteških jezgara? U početku se koristila metoda neutronske sinteze, kada se mnogo neutrona ubacuje u jezgro. U ovom slučaju bilo bi prirodno ozračiti početnu tvar snažnim neutronskim fluksom. Za to su korišteni sve snažniji reaktori. Međutim, metoda reaktorske fuzije se iscrpila na fermiju (elementu atomskog broja 100), jer izotop fermija mase 258, koji treba dobiti kao rezultat hvatanja neutrona, živi samo 0,3 milisekundi. Čitav lanac uzastopnih hvatanja neutrona prekinut je u fazi hvatanja 20. neutrona. Ovdje morate proći kroz više od 60 koraka. Neutronska metoda nije uspjela.

Pokušaj američkih istraživača da koriste drugu metodu - da dobiju superteške elemente u nuklearnim eksplozijama, odnosno u snažnom pulsirajućem neutronskom fluksu, na kraju je doveo do stvaranja istog izotopa elementa 100 s masom 257.

Beznadežnost neutronske metode dovela je do ideje o korištenju fundamentalno drugačije metode za sintezu superteških elemenata, koja se počela razvijati sredinom 1950-ih - "teška nuklearna". Sastoji se u tome da se dva teška jezgra sudaraju jedno s drugim u nadi da će se spojiti i kao rezultat toga dobiti jezgro ukupne mase. Da bi došlo do takve reakcije, jedno od jezgara mora biti ubrzano do brzine od oko 0,1 brzine svjetlosti. Ovu funkciju obavljaju akceleratori. Ono što danas znamo o svojstvima teških elemenata u drugoj stotini dobijeno je korištenjem akceleratora teških jona u reakcijama ovog tipa.

Koja su svojstva transuranijumskih elemenata?

Ako uran od 92 elementa živi milijardu godina, onda teško jezgro od 112 elementa živi samo 0,1 milisekundu. Zaista, povećanje atomskog broja za 20 jedinica dovodi do smanjenja životnog vijeka jezgra za više od 1020 puta. Međutim, "ostrvo stabilnosti" se nalazi tamo gde jezgra sadrže znatno više neutrona. Stoga je potrebno krenuti ka jezgrima bogatijim neutronima. To je teško postići, jer je omjer broja protona i broja neutrona u stabilnim nuklidima strogo definiran. Odlučeno je da se koriste reakcije u kojima je inicijalno specificiran veliki višak neutrona kako u jezgri ciljnog materijala, koja se proizvodi u nuklearnom reaktoru, tako i u jezgri projektila, koja je u ovom slučaju odabrana kao jezgra kalcija-48. .

Kalcijum-48 je stabilan izotop kalcijuma, element sa atomskim brojem 20. U prirodi ima mnogo kalcijuma. Ali izotop kalcijuma s masom od 48 je izuzetno rijedak. Njegov sadržaj u običnom kalcijumu je samo 0,18%. Izolovati ga od kalcijuma je neverovatno težak zadatak. Ipak, ako bismo mogli da ubrzamo jone kalcijuma-48, onda bismo zračenjem uranijuma, plutonijuma ili kurijuma mogli ući u dragoceno područje gde se očekuje porast stabilnosti i tamo bismo osetili efekat naglog povećanja životnog veka superteški elementi.

U specifičnom eksperimentu odabrana je reakcija u kojoj je kao polazni materijal korišten plutonij (Z = 94), njegov najteži izotop s masom 244, a kao ion bombardiranja izotop kalcija-48. Očekivali smo da će reakcija fuzije ovih jezgara dovesti do formiranja 114-elementa, koji bi trebao biti stabilniji od prethodno proučavanih elemenata.

Za postavljanje takvog eksperimenta bilo je potrebno stvoriti akcelerator sa snagom snopa kalcijuma-48 koji je desetine puta superiorniji od svih poznatih akceleratora. Istovremeno, morao je davati visok intenzitet ubrzanih jona i trošiti što manje skupog kalcijuma-48. To je zahtijevalo dugu i intenzivnu potragu za rješenjem problema. Na kraju je pronađeno rješenje i u roku od 5 godina stvoren je takav akcelerator u Dubni. Pri vrlo maloj potrošnji supstance (0,3 mg/h) dobijen je intenzitet zraka od nekoliko jedinica na 10 12 jona u sekundi. Sada je bilo moguće postaviti eksperiment sto hiljadu puta osjetljiviji nego što su to ranije radili Dubninisti i njihove kolege u drugim zemljama u posljednjih 25 godina.

Suština samog eksperimenta bila je sljedeća. Nakon što je primio snop kalcija, plutonijumska meta se ozračuje. Teški izotop plutonijum-244 obezbedila je Livermorska nacionalna laboratorija (SAD). Ako se kao rezultat fuzije dvije jezgre formiraju atomi novog elementa, tada bi trebali izletjeti iz mete i zajedno sa snopom nastaviti kretati se naprijed. Ovdje se moraju odvojiti od jona kalcija-48 i drugih produkta reakcije. Ovu funkciju obavlja separator (slika 2) u kojem se nalazi poprečno električno polje. Budući da su brzine jezgara različite, snop udara u graničnik, dok jezgra teškog trzaja 114-elementa prave krivolinijsku putanju i na kraju stignu do detektora. Detektor prepoznaje teško jezgro i bilježi njegov raspad.

Šta se, zapravo, dalje može očekivati? Ako je tačna hipoteza da postoji "ostrvo stabilnosti" u oblasti superteških elemenata i da su ta jezgra veoma stabilna u odnosu na spontanu fisiju, moraju doživeti drugu vrstu raspada - alfa raspad.

Drugim riječima, jezgra na i blizu vrha ovog ostrva koja su otporna na spontanu fisiju moraju biti alfa radioaktivna. Alfa radioaktivno jezgro, kao što je poznato, spontano izbacuje alfa česticu (jezgro helijuma), koja se sastoji od dva protona i dva neutrona, prelazeći u jezgro kćer. Za odabranu reakciju, ovo je prijelaz 114. u 112. element. Jezgra elementa 112 također moraju proći alfa raspad i otići u jezgra elementa 110, itd. Ali kako uzastopni alfa raspadi, mi se sve više udaljavamo od vrha stabilnosti i na kraju padamo u more nestabilnosti, gdje dominantan tip raspada će biti spontana fisija. Za eksperimentatora je ovo vrlo živopisna slika: kao rezultat uzastopnih alfa raspada, od kojih svaki ostavlja energiju od oko 10 MeV u detektoru, dolazi do fisije, u kojoj se odmah oslobađa energija od oko 200 MeV. Ovo prekida lanac propadanja.

Takav lanac se može uočiti ako je teorijska hipoteza validna. Zaista, tokom eksperimenta, koji je neprekidno trajao tri mjeseca, naučnici su prvi put uočili ono što su čekali.

Rice. 3a. Lanci uzastopnih raspada superteških atoma sa Z = 114 i 116 registrovani u nuklearnim reakcijama sa 48 Ca jona. Za svaki raspad su naznačene vrijednosti energije, vrijeme dolaska signala i njegove pozicione koordinate na površini detektora površine 50 cm².

Nakon što je jezgro trzanja došlo do detektora, koji sa velikom preciznošću meri njegovu energiju, brzinu i koordinate mesta zaustavljanja, sekundu nakon zaustavljanja registrovana je alfa čestica sa energijom od 9,87 MeV. Zanimljivo je da je u najtežem jezgru sintetiziranom ranije, ovaj put trajao samo jedan desethiljaditi dio sekunde. Evo sekunde.

Zatim je nakon 10,3 sekunde (takođe dugo vremena) izletjela druga alfa čestica s energijom od 9,21 MeV, a zatim je nakon 14,5 sekundi došlo do spontane fisije. Cijeli lanac raspada trajao je oko 0,5 minuta.

Drugi događaj je bio isti kao i prvi. Oba ova događaja se međusobno poklapaju u 13 parametara. Stoga je vjerovatnoća slučajnih podudarnosti signala u detektoru koji simulira takav raspad samo 10 −16 .

U istom eksperimentu je uočen još jedan događaj, koji je mnogo duže trajao. Ovdje se raspad izračunava u minutima i desetinama minuta.

Ako skrenemo u područje jezgara sa deficitom neutrona, spontana fisija postaje sve vjerovatnija, što je i otkriveno (kada je umjesto mete plutonijum-244 korišćen lakši izotop plutonijum-242). Ovo tačno reproducira scenario koji je predviđala teorija da se ostrvo nalazi s desne strane, među jezgrama obogaćenim neutronima.

Dakle, sintetizirane jezgre-izotopi elementa 114 i njihovi kćeri proizvodi alfa raspada, novi izotopi elemenata 112 i 110 već doživljavaju djelovanje ovih strukturnih sila koje formiraju "ostrvo stabilnosti" superteških elemenata. I uprkos činjenici da su na znatnoj udaljenosti od vrha ostrva, ipak, njihova vremena su minute i desetine minuta (Sl. 4). Ovo povećava njihovu stabilnost za oko 5 redova veličine u poređenju sa izotopima istih elemenata koji se nalaze daleko od granice ostrva.

Jedinstvena supstanca - kurijum-248 dobijena je u moćnom reaktoru Istraživačkog instituta za atomske reaktore u Dimitrovgradu. Posmatranje lanca raspada 116-elementa bio bi još jedan dokaz prijema 114-elementa – u prvom slučaju, dobijen je direktno zračenjem plutonijumske mete; u istoj reakciji kao rezultat propadanja težeg roditelja.

Rice. 4. Mapa nuklida koja pokazuje lance radioaktivnog raspada atoma sintetiziranih u nuklearnim reakcijama pod djelovanjem ubrzanih 48 Ca iona. Topografska pozadina pokazuje snagu strukturnih efekata u jezgru atoma.

Takav eksperiment je nedavno izveden - i ovdje su naučnici riskirali.

Ako se u reakciji formira 116-element, tada nakon njegovog alfa raspada treba dobiti jezgro 114-elementa; drugim rečima, u ovom eksperimentu naučnici su morali da posmatraju još jednom (po treći put) ceo lanac raspada 114-elementa, pored 116-elementa.

Nakon oslobađanja alfa čestice od raspada 116-elementa, akcelerator je isključen, a sva oprema za napajanje u laboratoriji je isključena kako bi se stvorili uvjeti apsolutno bez pozadine. Zaista, nakon što je teško jezgro trzanja udarilo u detektor, nakon 47 milisekundi, izletjela je alfa čestica s energijom od 10,56 MeV, koja je isključila svu moćnu opremu. Nakon toga, u potpuno mirnim uslovima, emitovana je još jedna alfa čestica, zatim još jedna, a zatim spontana fisija.

Ako uporedimo lanac raspada nakon isključivanja akceleratora sa onim što je uočeno za 114-element, onda možemo vidjeti potpuno podudaranje u svim parametrima (slika 3b). To je zaista bio raspad 114. elementa, pa stoga prethodna alfa čestica pripada 116. elementu. Desilo se to 19. jula 2000. godine. 2001. godine eksperiment je nastavljen i kao rezultat sintetizirana su još 2 jezgra od 116 elemenata.

Sada možemo uporediti predviđanje teorije i rezultate dobijene u eksperimentu. Za 116. element, prema teoriji, s povećanjem broja neutrona u jezgru sa 166 na 176, životni vijek jezgra trebao bi se povećati za 5 redova veličine. Eksperiment je dao vrijednost od oko 6 redova veličine. Za 114. element, slika izgleda na isti način. Sa povećanjem broja neutrona u ovom jezgru sa 164 na 174, period poluraspada se povećava za više od 6 redova veličine. Za 112-element, višak od 10 neutrona takođe povećava stabilnost jezgra za 5-6 redova veličine. Ista slika je tipična za izotope elementa 110.

Ovo se dobro slaže sa teorijskom hipotezom. Osim toga, eksperiment pokazuje da superteški nuklidi u ovoj regiji žive duže nego što to slijedi iz teorije.

Treba obratiti pažnju na vrh "ostrva stabilnosti". Ovaj vrh može biti star milionima godina. Ne dostiže starost Zemlje, koja iznosi 4,5 milijardi godina. Međutim, ako uzmemo u obzir da u eksperimentu imamo višak stabilnosti u odnosu na izračunate vrijednosti na ostrugama "ostrva stabilnosti", onda je prisutnost superteških elemenata u prirodi, u našem sistemu ili u kosmičkom zraka, odnosno u drugim sistemima, nije isključeno. Tamo mogu postojati superteški elementi, čiji će životni vijek biti izračunat u milionima godina.

Još jedna okolnost je važna: sada je tabela elemenata dopunjena novim 114 i 116 elementima. Eksperimenti su dali novi zvuk ranije poznatim elementima 112, 110, 108, jer je povećanje neutrona dovelo do značajnog povećanja njihovog vijeka trajanja. Ovo omogućava proučavanje hemijskih svojstava ovih elemenata. Elementi 112, 110 i 108, koji žive nekoliko minuta, postali su prilično dostupni za proučavanje njihovih hemijskih svojstava korišćenjem savremenih radiohemijskih metoda. Možete postaviti eksperimente za verifikaciju fundamentalnog Mendeljejevljevog zakona u vezi sa objedinjavanjem svojstava u kolonama. Što se tiče superteških elemenata, moramo pretpostaviti da je 112. element homolog kadmijuma, žive; 114. element je analog kalaja, olova itd. Za sada, ovo je samo ekstrapolacija naših ideja na ranije nepoznate elemente. Osnovni zakon periodičnosti hemijskih svojstava elemenata sada se može provjeriti eksperimentalno.

Stabilni elementi se završavaju olovom i bizmutom. Jezgra ovih atoma su magična, što određuje povećanu energiju vezivanja nukleona u jezgri. Zatim dolazi područje radioaktivnih elemenata, među kojima su najstabilniji torij i uranijum. Njihovo vrijeme poluraspada je uporedivo sa starošću naše planete. Kako se krećemo prema težim elementima, životni vijek jezgara naglo se smanjuje. Poluostrvo radioaktivnih elemenata ima izražene granice. Teorija je predviđala da će "poluostrvo" biti praćeno "ostrvima stabilnosti". Oni će se nalaziti u području veoma teških elemenata čija su jezgra obogaćena neutronima.

Pokušaji da se ova jezgra dobiju u snažnim neutronskim tokovima bili su neuspješni. S druge strane, u reakcijama s teškim ionima, počevši od 50-ih godina, bilo je moguće sintetizirati 12 umjetnih elemenata s atomskim brojem preko 100. Ali nije bilo moguće dobiti višak neutrona u jezgrima ovih elemenata koji bi dopuštaju odgovor na pitanje: svijet završava s »radioaktivnim jezgrama« ili će ga pratiti «ostrvo stabilnosti» još težih - superteških elemenata.

Koristeći snopove ubrzanih jona izotopa kalcijuma-48 i birajući za metu veštačke elemente - teške izotope plutonijuma i kurijuma dobijene u moćnim reaktorima, naučnici su uspeli da priđu samo granicama ovog hipotetičkog "ostrva stabilnosti" i već ovde da otkriju značajno povećanje stabilnosti superteških elemenata. Eksperimenti se nastavljaju, na redu je 118. element.

Šta je sledeće? Postignuti uspjeh doveo je do novih ideja za razvoj otvorene terra incognita. Prije svega, željeli bismo dobiti jezgra superteških elemenata (SHE) u velikim količinama. Naravno, sama činjenica otkrivanja novog elementa iz samo dva posmatrana atoma je impresivna, ali je za potpunije proučavanje potreban mnogo veći broj. Neophodno je stvoriti fundamentalno nove, efikasnije eksperimentalne objekte. Rad na projektovanju trajao je pola godine, a trenutno Laboratorija realizuje projekat izrade Mass Analyzer of Superheavy Atoms (MASHA). U svijetu nema analoga takvoj eksperimentalnoj postavci. Njegovim puštanjem u rad, naučnici očekuju da će primiti desetine SHE atoma i šire proučavati njihova svojstva. Realizuje se i projekat DRIBs, u kojem su dva moćna akceleratora kombinovana u jedan kompleks, koji će omogućiti ubrzanje atoma radioaktivnih izotopa, posebno kalaja-132. Ovo će pružiti fundamentalno nove mogućnosti za sintezu SHE.

Minatom je povezao svoje organizacije sa programom i izdvojio potrebna finansijska sredstva (15 miliona rubalja godišnje za 4 godine). Ministarstvo nauke je izdvojilo poseban grant u iznosu od milion rubalja. RAO ES je dobio ekskluzivno pravo da dodjeljuje električnu energiju za napajanje akceleratora tokom eksperimenata. Amerikanci iz Livermora su besplatno poslali plutonijum-244. Guverner Moskovske oblasti BV Gromov je iz svoje rezerve izdvojio sredstva Zajedničkom institutu za nuklearna istraživanja za finansiranje istraživanja superteških elemenata (10 miliona rubalja 2001. i 15 miliona rubalja 2002. godine). Nema sumnje da se intelektualni i tehnički resursi akumulirani u Dubni i drugim sličnim centrima Rusije moraju iskoristiti za razvoj modernih visokotehnoloških i naučno intenzivnih procesa, koji sami mogu osigurati konkurentnost ruskih proizvoda na svjetskom tržištu u budućnost.

Bibliografija

Bohr N., Wheeler J. The Mechanism of Nuclear Fission//Phys. Rev. 1939. br. 56.

Flerov G. N., Petrzhak K. A. Spontana fisija 238 U//Phys. Rev. 1940. br. 58; J Phys. SSSR. 1940. br. 3.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin A.V., Popeko A.G. et al. Sinteza jezgara superteškog elementa 114 u reakciji izazvanoj 48 Ca//Priroda. 1999. br. 400.

Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V. et al. Sinteza superteških jezgara u reakciji 48 Ca + 244 Pu//Phys. Rev. Lett. 1999. br. 83.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin A.V., Popeko A.G. et al. Promatranje raspada 292 116//Phys. Rev. 2001. C 63. 011301/1–011301/2.