До края на 60-те години, благодарение на усилията на много теоретици - О. Бор и Б. Мотелсон (Дания), С. Нилсон (Швеция), В.М. Струтински и В.В. Пашкевич (СССР), Х. Майерс и В. Святецки (САЩ), А. Собичевски и др. (Полша), В. Грейнер и др. (Германия), Р. Никс и П. Мьолер (САЩ), Й. Бергер (Франция). ) и много други създадоха микроскопичната теория за атомните ядра. Новата теория доведе всички горепосочени противоречия в хармонична система от физически закони.
Като всяка теория, тя имаше определена предсказваща сила, по-специално при предсказване на свойствата на много тежки, все още неизвестни ядра. Оказа се, че стабилизиращият ефект на ядрените обвивки ще действа извън посочените от капковия модел на ядрото (т.е. в областта Z > 106), образувайки т.нар. “островчета на стабилност” около магическите числа Z=108, N=162 и Z=114, N=184. Както може да се види на фиг. 2, животът на свръхтежките ядра, разположени в тези „островчета на стабилност“, може да се увеличи значително. Това се отнася особено за най-тежките, свръхтежки елементи, където ефектът на затворените черупки Z=114 (възможно 120) и N=184 увеличава полуразпада до десетки, стотици хиляди и, може би, милиони години, т.е. - 32-35 порядъка повече, отколкото при липса на ефект от ядрени черупки. Така възниква интригуваща хипотеза за възможното съществуване на свръхтежки елементи, значително разширяващи границите на материалния свят. Директен тест на теоретичните прогнози би бил синтезът на свръхтежки нуклиди и определянето на техните свойства на разпадане. Затова ще трябва да разгледаме накратко основните въпроси, свързани с изкуствения синтез на елементи.

2. Реакции на синтез на тежки елементи

Елементи, по-тежки от Pm (Z=100), са синтезирани в реакции с ускорени тежки йони, когато комплекс от протони и неутрони се въвежда в целевото ядро. Но този тип реакция е различна от предишния случай. Когато се улови неутрон, който няма електрически заряд, енергията на възбуждане на новото ядро ​​е само 6 - 8 MeV. Обратно, когато целевите ядра се сливат дори с леки йони като хелий (4 He) или въглерод (12 C), тежките ядра ще се нагреят до енергия E x = 20 - 40 MeV. С по-нататъшно увеличаване на атомния номер на ядрото на снаряда ще бъде необходимо да се придаде все повече и повече енергия за преодоляване на електрическите сили на отблъскване на положително заредените ядра (реакционната бариера на Кулон). Това обстоятелство води до увеличаване на енергията на възбуждане (нагряване) на съставното ядро, образувано след сливането на две ядра - снаряда и целта. Неговото охлаждане (преход към основно състояние E x = 0) ще се случи чрез излъчване на неутрони и гама лъчи. И тук възниква първата пречка.

Нагрято тежко ядро ​​ще може да излъчва неутрон само в 1/100 от случаите; основно то ще се раздели на два фрагмента, тъй като енергията на ядрото е значително по-висока от височината на неговата бариера на делене. Лесно е да се разбере, че увеличаването на енергията на възбуждане на съставното ядро ​​е вредно за него. Вероятността за оцеляване на нагрято ядро ​​пада рязко с повишаване на температурата (или енергията E x) поради увеличаване на броя на изпарените неутрони, с които деленето силно се конкурира. За да се охлади ядро, нагрято до енергия около 40 MeV, е необходимо да се изпарят 4 или 5 неутрона. Всеки път деленето ще се конкурира с излъчването на неутрон, в резултат на което вероятността за оцеляване ще бъде само (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10. Ситуацията се усложнява от факта, че с повишаване на температурата на ядрото стабилизиращият ефект на черупките намалява, следователно височината на бариерата на делене намалява и деленето на ядрото рязко се увеличава. И двата фактора водят до изключително ниска вероятност за образуване на свръхтежки нуклиди.

Напредването в областта на елементите по-тежки от 106 става възможно след откриването през 1974 г. на т.нар. реакции на студен синтез. В тези реакции като целеви материал се използват „магически“ ядра от стабилни изотопи - 208 Pb (Z = 82, N = 126) или 209 Bi (Z = 83, N = 126), които се бомбардират от йони, по-тежки от аргон ( Ю. Ц. Оганесян, А. Г. Демин и др.). По време на процеса на синтез високата енергия на свързване на нуклоните в „магическото“ целево ядро ​​води до абсорбиране на енергия по време на пренареждането на две взаимодействащи ядра
в тежко ядро ​​с обща маса. Тази разлика в енергиите на „опаковане“ на нуклоните във взаимодействащите ядра и в крайното ядро ​​до голяма степен компенсира енергията, необходима за преодоляване на високата кулонова бариера за реакцията. В резултат на това тежкото ядро ​​има енергия на възбуждане само 12-20 MeV. До известна степен такава реакция е подобна на процеса на "обратно делене". Наистина, ако деленето на ядрото на уран на два фрагмента става с освобождаване на енергия (използва се в атомни електроцентрали), тогава при обратната реакция, когато фрагментите се сливат, полученото ядро ​​на уран ще бъде почти студено. Следователно, когато елементите се синтезират в реакции на студен синтез, тежкото ядро ​​трябва да излъчи само един или два неутрона, за да премине в основно състояние.
Реакциите на студен синтез на масивни ядра бяха успешно използвани за синтезиране на 6 нови елемента, от 107 до 112 (P. Armbruster, Z. Hofmann, G. Münzenberg и др.) в Националния център по ядрена физика на GSI в Дармщат (Германия). Наскоро К. Морита и др., в Националния център RIKEN (Токио) повториха експериментите на GSI за синтеза на 110-112 елемента. И двете групи възнамеряват да преминат към елементи 113 и 114, използвайки по-тежки снаряди. Въпреки това, опитите да се синтезират все по-тежки елементи в реакции на студен синтез са свързани с големи трудности. С увеличаване на атомния заряд на йони, вероятността за тяхното сливане с целевите ядра 208 Pb или 209 Bi намалява значително поради увеличаване на силите на отблъскване на Кулон, които, както е известно, са пропорционални на произведението на ядрените заряди. От елемент 104, който може да се получи в реакцията 208 Pb + 50 Ti (Z 1 × Z 2 = 1804) до елемент 112 в реакцията 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), вероятността за сливане намалява с повече от 10 4 пъти.

Фигура 3Карта на тежките нуклиди. Ядрените периоди на полуразпад са представени с различни цветове (дясна скала). Черните квадрати са изотопи на стабилни елементи, открити в земната кора (T 1/2 ≥ 109 години). Тъмносиният цвят е „морето от нестабилност“, където ядрата живеят по-малко от 10 -6 секунди. Жълтите линии съответстват на затворени черупки, показващи магическите числа на протоните и неутроните. „Островите на стабилността“ след „полуострова“ от торий, уран и трансуранови елементи са предсказания на микроскопичната теория на ядрото. Две ядра с Z = 112 и 116, получени при различни ядрени реакции и техния последователен разпад, показват колко близо може да се стигне до „островите на стабилност“ при изкуствения синтез на свръхтежки елементи.

Има още едно ограничение. Съставните ядра, получени при реакции на студен синтез, имат относително малък брой неутрони. В случая на образуването на 112-ия елемент, разгледан по-горе, крайното ядро ​​с Z = 112 има само 165 неутрона, докато се очаква увеличаване на стабилността за броя на неутроните N > 170 (виж фиг. 3).

Ядра с голям излишък на неутрони по принцип могат да бъдат получени, ако се използват изкуствени елементи като мишени: плутоний (Z=94), америций (Z=95) или кюрий (Z=96), произведени в ядрени реактори, и редки елементи като снаряд калциев изотоп - 48 Ca. (виж отдолу).

Ядрото на атома 48 Ca съдържа 20 протона и 28 неутрона - и двете стойности съответстват на затворени черупки. При реакции на синтез с 48 Ca ядра, тяхната „магическа“ структура също ще работи (тази роля в реакциите на студен синтез се играе от магическите ядра на целта - 208 Pb), в резултат на което енергията на възбуждане на свръхтежките ядра ще бъде около 30 - 35 MeV. Преминаването им в основно състояние ще бъде съпроводено с излъчване на три неутрона и гама лъчи. Може да се очаква, че при тази енергия на възбуждане ефектът от ядрените черупки все още присъства в нагретите свръхтежки ядра, това ще увеличи тяхното оцеляване и ще ни позволи да ги синтезираме в нашите експерименти. Обърнете внимание също, че асиметрията на масите на взаимодействащите ядра (Z 1 × Z 2 ≤ 2000) намалява тяхното кулоново отблъскване и по този начин увеличава вероятността от сливане.

Въпреки тези на пръв поглед очевидни предимства, всички предишни опити за синтезиране на свръхтежки елементи в реакции с 48 Ca йони, предприети в различни лаборатории през 1977 - 1985 г., се провалиха. се оказа неефективен. Въпреки това, развитието на експерименталната технология през последните години и преди всичко производството в нашата лаборатория на интензивни лъчи от 48 Ca йони на ускорители от ново поколение, направи възможно увеличаването на чувствителността на експеримента почти 1000 пъти. Тези постижения бяха използвани в нов опит за синтезиране на свръхтежки елементи.

3 Очаквани свойства

Какво очакваме да видим в експеримента, ако синтезът е успешен? Ако теоретичната хипотеза е вярна, тогава свръхтежките ядра ще бъдат стабилни спрямо спонтанното делене. Тогава те ще претърпят друг вид разпад: алфа разпад (излъчване на хелиево ядро, състоящо се от 2 протона и 2 неутрона). В резултат на този процес се образува дъщерно ядро, което е с 2 протона и 2 неутрона по-леко от родителското ядро. Ако дъщерното ядро ​​има малка вероятност за спонтанно делене, тогава след втория алфа разпад ядрото-внук вече ще бъде с 4 протона и 4 неутрона по-леко от първоначалното ядро. Алфа разпадането ще продължи, докато настъпи спонтанно делене (фиг. 4).

Че. очакваме да видим не само един разпад, а „радиоактивно семейство“, верига от последователни алфа разпади, доста дълги във времето (в ядрен мащаб), които се конкурират със спонтанното делене, но в крайна сметка са прекъснати от него. По принцип такъв сценарий на разпадане вече показва образуването на свръхтежко ядро.

За да видите напълно очакваното увеличение на стабилността, е необходимо да се доближите възможно най-близо до затворените обвивки Z = 114 и N = 184. Изключително трудно е да се синтезират такива ядра с неутронен излишък в ядрени реакции, тъй като при сливане на ядра на стабилни елементи, които вече имат определено съотношение на протони и неутрони, е невъзможно да се стигне до двойно магическото ядро ​​298 114. Следователно трябва да се опитаме да използваме ядра в реакцията, които първоначално съдържат максималния възможен брой неутрони. Това до голяма степен определя и избора на ускорени 48 Ca йони като снаряд. Както знаете, в природата има много калций. Състои се от 97% от изотопа 40 Ca, чието ядро ​​съдържа 20 протона и 20 неутрона. Но съдържа 0,187% тежък изотоп - 48 Ca (20 протона и 28 неутрона), който има 8 излишни неутрона. Технологията за производството му е много трудоемка и скъпа; цената на един грам обогатен 48 Ca е около $200 000. Затова се наложи значително да променим дизайна и режимите на работа на нашия ускорител, за да намерим компромисно решение - да получим максимален интензитет на йонния лъч с минимален разход на този екзотичен материал.

Фигура 4
Теоретични прогнози за видовете разпад (показани в различни цветове на фигурата) и полуживотите на изотопи на свръхтежки елементи с различен брой протони и неутрони. Като пример е показано, че за изотопа на 116-ия елемент с маса 293, образуван при реакцията на синтез на ядра 248 St и 48 Ca, се очакват три последователни алфа-разпада, които завършват със спонтанно делене на големия -ядро-внук на 110-тия елемент с маса 281. Както може да се види на фиг. 8 е точно такъв сценарий на разпадане, под формата на верига α - α - α - SF, наблюдавано за това ядро ​​в експеримент. Разпадането на по-леко ядро ​​е изотопът на 110-ия елемент с маса 271, получен в реакцията на "студен синтез" на ядра 208 Pb + 64 Ni.Неговият полуживот е 10 4 пъти по-малък от този на изотопа 281 110 .

Днес достигнахме рекорден интензитет на лъча - 8 × 10 12/s, с много нисък разход на изотопа 48 Ca - около 0,5 милиграма/час. Като целеви материал използваме дълготрайни обогатени изотопи на изкуствени елементи: Pu, Am, Cm и Cf (Z = 94-96 и 98) също с максимално съдържание на неутрони. Произвеждат се в мощни ядрени реактори (в Оук Ридж, САЩ и в Димитровград, Русия) и след това се обогатяват в специални инсталации, масови сепаратори във Всеруския научно-изследователски институт по експериментална физика (Саров). За синтеза на елементи с Z = 114 - 118 бяха избрани реакции на синтез на 48 Ca ядра с ядра от тези изотопи.

Тук бих искал да направя малко отклонение.

Не всяка лаборатория, дори водещите ядрени центрове в света, разполага с такива уникални материали и в такива количества, които използваме в нашата работа. Но технологиите за тяхното производство са разработени у нас и се развиват от нашата индустрия. Министърът на атомната енергетика на Русия предложи да разработим програма за работа по синтеза на нови елементи за 5 години и отпусна специална субсидия за провеждането на тези изследвания. От друга страна, работейки в Обединения институт за ядрени изследвания, ние широко си сътрудничим (и се конкурираме) с водещи лаборатории в света. В изследванията върху синтеза на свръхтежки елементи ние от много години си сътрудничим тясно с Ливърморската национална лаборатория (САЩ). Това сътрудничество не само обединява нашите усилия, но и създава условия, при които експерименталните резултати се обработват и анализират независимо от две групи на всички етапи от експеримента.
Над 5 години работа, при дългосрочно облъчване, доза около 2 × 10 20 йони (около 16 милиграма от 48 Ca, ускорени до ~ 1/10 от скоростта на светлината, преминали през целевите слоеве). В тези експерименти е наблюдавано образуването на изотопи на 112÷118 елемента (с изключение на 117-ия елемент) и са получени първите резултати за свойствата на разпадане на нови свръхтежки нуклиди. Представянето на всички резултати ще отнеме твърде много място и, за да не отегчим читателя, ще се ограничим до описанието само на последния експеримент за синтеза на 113 и 115 елемента - всички останали реакции са изследвани по подобен начин. Но преди да се захванем с тази задача, би било препоръчително да очертаем накратко настройката на експеримента и да обясним основните принципи на работа на нашата инсталация.

4. Поставяне на експеримента

Фигура 5
Схематичен изглед на инсталацията за разделяне на ядрата на отката при експерименти по синтеза на тежки елементи

Мислено, цялата повърхност на детектора може да бъде представена като около 500 клетки (пиксела), в които се откриват разпадания. Вероятността два сигнала да попаднат случайно на едно и също място е 1/500, три сигнала - 1/250000 и т.н. Това прави възможно да се изберат с голяма надеждност от огромен брой радиоактивни продукти много редки събития на генетично свързани последователни разпадания на свръхтежки ядра, дори ако те се образуват в изключително малки количества (~1 атом/месец).

5. Експериментални резултати

За да покажем инсталацията „в действие“, ще опишем като пример по-подробно експериментите за синтеза на елемент 115, образуван в реакцията на синтез на ядра 243 Am(Z=95) + 48 Ca(Z= 20) → 291 115.
Синтезът на Z-нечетно ядро ​​е привлекателен, тъй като наличието на нечетен протон или неутрон значително намалява вероятността от спонтанно делене и броят на последователните алфа преходи ще бъде по-голям (дълги вериги), отколкото в случай на разпадане на четни дори ядра. За да преодолеят кулоновата бариера, 48 Ca йони трябва да имат енергия E > 236 MeV. От друга страна, изпълнявайки това условие, ако ограничим енергията на лъча до E = 248 MeV, тогава топлинната енергия на съставното ядро ​​291 115 ще бъде около 39 MeV; неговото охлаждане ще се случи чрез излъчване на 3 неутрона и гама лъчи. Тогава продуктът на реакцията ще бъде изотоп 115 на елемента с брой неутрони N=173. След като излетя от целевия слой, атом от нов елемент ще премине през сепаратор, конфигуриран да го предава, и ще влезе в детектора. По-нататъшните събития се развиват, както е показано на фиг. 6. 80 микросекунди след като сърцевината на отката спре във фронталния детектор, системата за събиране на данни получава сигнали за нейното време на пристигане, енергия и координати (номер на лентата и позиция в нея). Обърнете внимание, че тази информация има атрибута "TOF" (идва от разделителя). Ако в рамките на 10 секунди от същото място на повърхността на детектора последва втори сигнал с енергия над 9,8 MeV, без знака „TOF“ (т.е. от разпадането на имплантирания атом), лъчът се изключва и всички по-нататък гниенето се записва в условия на почти пълна липса на фон. Както се вижда на горната графика на фиг.6, зад първите два сигнала - от ядрото на отката и първата алфа частица - за време от около 20 s. след изключване на лъча последваха 4 други сигнала, чиито позиции с точност ± 0,5 mm съвпаднаха с предишните сигнали. През следващите 2,5 часа детекторът мълчеше. Спонтанно делене в същата лента и в същата позиция е регистрирано едва на следващия ден, 28,7 часа по-късно, под формата на два сигнала от фрагменти на делене с обща енергия от 206 MeV.
Такива вериги са регистрирани три пъти. Всички те имат еднакъв вид (6 поколения ядра в радиоактивното семейство) и са съгласувани помежду си както по енергията на алфа-частиците, така и по времето на появата им, като се вземе предвид експоненциалният закон на ядрения разпад. Ако наблюдаваният ефект е свързан, както се очаква, с разпадането на изотопа на елемент 115 с маса 288, образуван след изпаряването на 3 неутрона от съставно ядро, тогава с увеличаване на енергията на лъча 48 Ca йони от само 5 MeV, трябва да намалее 5-6 пъти. Наистина, при E = 253 MeV няма ефект. Но тук се наблюдава друга, по-къса верига от разпадане, състояща се от четири алфа-частици (смятаме, че те също са били 5, но последната алфа-частица излетя през отворения прозорец) с продължителност само 0,4 s. Новата верига от разпадане завършва след 1,5 часа със спонтанно делене. Очевидно това е разпадът на друго ядро, най-вероятно съседният изотоп на 115-ия елемент с маса 287, образуван при реакция на синтез с излъчване на 4 неутрона. Веригата от последователни разпади на нечетен-нечетен изотоп Z=115, N=173 е представена в долната графика на фиг. 6, която показва изчислените периоди на полуразпад на свръхтежки нуклиди с различен брой протони и неутрони под формата на контурна карта. Той също така показва разпадането на друг, по-лек нечетно-нечетен изотоп на 111-ия елемент с брой неутрони N = 161, синтезиран в реакцията 209 Bi+ 64 Ni в немската лаборатория - GSI (Дармщат) и след това в японската - RIKEN ( Токио).

Фигура 6
Експеримент за синтеза на елемент 115 в реакцията 48 Ca + 243 At.
Горната фигура показва моментите, в които се появяват сигнали след имплантиране на ядро ​​на отката (R) в детектора. Сигналите от регистрацията на алфа частици са маркирани в червено, сигналите от спонтанно делене са маркирани в зелено. Като пример, за едно от трите събития са дадени позиционните координати (в mm) на всичките 7 сигнала от веригата R → разпадα 1 → α 2 → α 3 → α 4 → α 5 → SF, записано в лента № 4. Долната фигура показва веригите на разпад на ядра с Z=111, N=161 и Z=115, N=173. Контурните линии, очертаващи региони на ядра с различни периоди на полуразпад (различни степени на потъмняване), са прогнози на микроскопската теория.

На първо място, трябва да се отбележи, че ядрените периоди на полуразпад и в двата случая са в добро съответствие с теоретичните прогнози. Въпреки факта, че изотопът 288 115 е отстранен от неутронната обвивка N=184 с 11 неутрона, изотопите 115 и 113 елементи имат относително дълъг живот (T 1/2 ~ 0,1 s и 0,5 s, съответно).
След пет алфа разпада се образува изотоп 105 на елемента - дубний (Db) с N=163, чиято стабилност се определя от друга затворена обвивка N=162. Силата на тази обвивка се демонстрира от огромната разлика в полуживота на два Db изотопа, които се различават един от друг само с 8 неутрона. Нека отбележим още веднъж, че при липса на структура (ядрени обвивки), всички изотопи на 105÷115 елементи ще трябва да претърпят спонтанно делене за време от ~ 10 -19 s.

(химически експеримент)

В примера, описан по-горе, свойствата на дългоживеещия изотоп 268 Db, който завършва веригата на разпад на елемент 115, са от независим интерес.
Според Периодичния закон елемент 105 е в ред V. Той, както се вижда от фиг. 7, е химичен хомолог на ниобия (Nb) и тантала (Ta) и се различава по химични свойства от всички по-леки елементи - актиниди (Z = 90÷103), представляващи отделна група в D.I. Таблица. Менделеев. Поради дългия си полуживот, този изотоп на елемент 105 може да бъде отделен от всички продукти на реакцията радиохимичен методпоследвано от измерване на неговия разпад - спонтанно делене. Този експеримент осигурява независима идентификация на атомния номер на крайното ядро ​​(Z = 105) и на всички нуклиди, произведени в последователните алфа разпади на елемент 115.
При химичен експеримент не е необходимо да се използва сепаратор на ядрата на отката. Разделянето на реакционните продукти по техните атомни номера се извършва по методи, основани на разликата в техните химични свойства. Следователно тук е използвана по-опростена техника. Продуктите на реакцията, излитащи от целта, се задвижват в меден колектор, разположен по пътя на тяхното движение на дълбочина 3-4 микрона. След 20-30 часа облъчване колекцията се разтваря. От разтвора се изолира фракция трансактиноиди - елементи Z > 104, а от тази фракция елементите от 5-та серия - Db, придружени от техните химични хомолози Nb и Ta. Последните бяха добавени като „маркери“ към разтвора преди химичното разделяне. Капка от разтвор, съдържащ Db, се отлага върху тънък субстрат, изсушава се и след това се поставя между два полупроводникови детектора, които записват и двата фрагмента на спонтанно делене. Целият комплект от своя страна беше поставен в неутронен детектор, който определи броя на неутроните, излъчени от фрагменти по време на деленето на Db ядра.
През юни 2004 г. бяха проведени 12 идентични експеримента (S.N. Dmitriev и други), в които бяха записани 15 събития на спонтанно разделяне на Db. Спонтанните фрагменти на делене Db имат кинетична енергия от около 235 MeV и средно около 4 неутрона се излъчват за всяко събитие на делене. Такива характеристики са присъщи на спонтанното делене на доста тежко ядро. Нека припомним, че за 238 U тези стойности са съответно приблизително 170 MeV и 2 неутрона.
Химическият експеримент потвърждава резултатите от физическия експеримент: ядрата на 115-ия елемент, образувани в реакцията 243 Am + 48 Ca в резултат на последователни пет алфа разпада: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 всъщност водят до образуване на дългоживеещо спонтанно делящо се ядро ​​с атомен номер 105. В тези експерименти, като дъщерен продукт на алфа разпада на елемент 115, беше синтезиран и друг, неизвестен досега елемент с атомен номер 113.

Фигура 7
Физически и химични експерименти за изследване на радиоактивните свойства на 115-ия елемент.
В реакцията 48 Ca + 243 At, използвайки физическа настройка, беше показано, че пет последователни
алфа разпадите на изотопа 288 115 водят до дългоживеещия изотоп на 105-ия елемент - 268 Db, който
се разделя спонтанно на два фрагмента. В химичен експеримент беше установено, че ядро ​​с атомен номер 105 претърпява спонтанно делене.

6. Голямата картина и бъдещето

Перспективи

Сега задачата е да се проучи по-подробно ядрената и атомната структура на новите елементи, което е много проблематично, главно поради ниския добив на желаните продукти от реакцията. За да се увеличи броят на атомите на свръхтежките елементи, е необходимо да се увеличи интензитетът на йонния лъч 48 Ca и да се повиши ефективността на физичните методи. Планираната за следващите години модернизация на ускорителя на тежки йони, използвайки всички най-нови постижения на ускорителната техника, ще ни позволи да увеличим интензитета на йонния лъч приблизително 5 пъти. Решението на втората част изисква радикална промяна в експерименталната настройка; може да се намери в създаването на нова експериментална техника, базирана на свойствата на свръхтежки елементи.

Фигура 8
Карта на нуклидите на тежки и свръхтежки елементи.
За ядрата вътре в овалите, съответстващи на различните реакции на синтез (показани на фигурата), са дадени полуживотите и енергиите на излъчените алфа частици (жълти квадратчета). Данните са представени на контурна карта на разделящата област въз основа на приноса на ефекта на ядрената обвивка към ядрената свързваща енергия. При липса на ядрена структура цялото поле би било бяло. С потъмняването им ефектът на черупките се засилва. Две съседни зони се различават само с 1 MeV. Това обаче е достатъчно, за да увеличи значително стабилността на ядрата спрямо спонтанното делене, в резултат на което нуклидите, разположени близо до „магическите“ числа на протоните и неутроните, изпитват предимно алфа-разпад. От друга страна, в изотопите на 110-ия и 112-ия елемент, увеличаването на броя на неутроните с 8 атомни единици води до увеличаване на периодите на алфа-разпадане на ядрата с повече от 10 5 пъти.

Принципът на работа на текущата инсталация - кинематичният сепаратор на ядрата на отката (фиг. 5) се основава на разликата в кинематичните характеристики на различните видове реакции. Продуктите от реакцията на синтез на целевите ядра и 48 Ca, които ни интересуват, излитат от целта в посока напред, в тесен ъглов конус ± 3 0 с кинетична енергия от около 40 MeV. Чрез ограничаване на траекториите на ядрата на отката, като се вземат предвид тези параметри, ние почти напълно настройваме йонния лъч, потискаме фона на страничните продукти на реакцията с фактор 10 4 ÷ 10 6 и доставяме атоми на нови елементи към детектора с ефективност от приблизително 40% за 1 микросекунда. С други думи, разделянето на реакционните продукти става „в движение“.

Фигура 8 Инсталация на MASHA
Горната фигура показва диаграма на сепаратора и принципа на неговата работа. Ядрата на отката, изхвърлени от целевия слой, се спират в графитен колектор на дълбочина от няколко микрометра. Поради високата температура на колектора, те дифундират в камерата на източника на йони, изтеглят се от плазмата, ускоряват се от електрическото поле и се анализират по маса чрез магнитни полета, докато се движат към детектора. В този дизайн масата на атома може да се определи с точност до 1/3000. Фигурата по-долу показва общ изглед на инсталацията.

Но за да се получи висока селективност на инсталацията, е важно да се запазят и да не се „размазват“ кинематичните параметри - ъгли на отклонение и енергии на ядрата на отката. Поради това е необходимо да се използват целеви слоеве с дебелина не повече от 0,3 микрометра - приблизително три пъти по-малко от необходимото за получаване на ефективен добив на свръхтежко ядро ​​с дадена маса или 5-6 пъти по-малко, ако говорим за синтез на два съседни по маса изотопа на даден елемент. Освен това, за да се получат данни за масовите числа на изотопите на свръхтежък елемент, е необходимо да се извършат дълги и трудоемки серии от експерименти - повтарящи се измервания при различни енергии на йонния лъч 48 Ca.
В същото време, както следва от нашите експерименти, синтезираните атоми на свръхтежки елементи имат периоди на полуразпад, които значително надвишават скоростта на кинематичния сепаратор. Следователно в много случаи не е необходимо да се разделят продуктите на реакцията за толкова кратко време. След това можете да промените принципа на работа на инсталацията и да разделите продуктите на реакцията на няколко етапа.
Схемата на новата инсталация е показана на фиг.9. След имплантиране на ядра на отката в колектор, загрят до температура от 2000 0 C, атомите дифундират в плазмата на йонния източник, йонизират се в плазмата до заряд q = 1 +, изтеглят се от източника чрез електрически поле, се разделят по маса в магнитни полета със специален профил и накрая се регистрират (по тип на разпадане) от детектори, разположени във фокалната равнина. Цялата процедура може да отнеме, според оценките, време от десети от секундата до няколко секунди, в зависимост от температурните условия и физикохимичните свойства на отделените атоми. По-ниска по скорост от кинематичния сепаратор, новата инсталация е MASHA (съкращение от пълното име Масов анализатор на супер тежки атоми) - ще увеличи ефективността на работа с около 10 пъти и ще осигури, заедно със свойствата на разпадане, директно измерване на масата на свръхтежките ядра.
Благодарение на субсидията, отпусната от губернатора на Московска област B.V. Громов да създаде тази инсталация, тя е проектирана и произведена за кратко време - за 2 години, премина тестове и е готова за работа. След реконструкция на ускорителя, с монтаж на MASHA. Значително ще разширим нашите изследвания върху свойствата на новите нуклиди и ще се опитаме да отидем по-далеч в областта на по-тежките елементи.

(търсене на свръхтежки елементи в природата)

Друга страна на проблема със свръхтежките елементи е свързана с производството на дългоживеещи нуклиди. В експериментите, описани по-горе, ние само се приближихме до ръба на „острова“, открихме стръмно издигане, но все още сме далеч от върха му, където ядрата могат да живеят хиляди и може би дори милиони години. Нямаме достатъчно неутрони в синтезираните ядра, за да се доближим до обвивката N=184. Днес това е непостижимо - няма реакции, които биха позволили получаването на толкова богати на неутрони нуклиди. Може би в далечното бъдеще физиците ще могат да използват интензивни лъчи от радиоактивни йони с брой неутрони, по-голям от този на 48 Ca ядра. Такива проекти сега се обсъждат широко, без все още да се засягат разходите, необходими за създаването на такива ускоряващи се гиганти.

Можете обаче да опитате да подходите към този проблем от различен ъгъл.

Ако приемем, че най-дългоживеещите свръхтежки ядра имат период на полуразпад от 10 5 ÷ 10 6 години (което не противоречи много на прогнозите на теорията, която също прави своите оценки с определена точност), тогава е възможно, че те могат да бъдат открити в космическите лъчи - свидетели на образуването на елементи на други, по-млади планети от Вселената. Ако направим още по-силно предположение, че периодите на полуразпад на „дълголетните“ може да са десетки милиони години или повече, тогава те биха могли да присъстват на Земята, оцелявайки в много малки количества от образуването на елементите в слънчевата система до наши дни.
Сред възможните кандидати даваме предпочитание на изотопите на елемент 108 (Hs), чиито ядра съдържат около 180 неутрона. Химически експерименти, проведени с краткоживеещия изотоп 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s), показаха, че елемент 108, както се очаква, според Периодичния закон, е химичен хомолог на 76-ия елемент - осмий (Os).

Фигура 10
Инсталация за регистриране на изблик на неутрони от спонтанно делене на ядра при разпада на елемент 108. (Подземна лаборатория в Модан, Франция)

Тогава проба от метален осмий може да съдържа 108 елемента Eka(Os) в много малки количества. Наличието на Eka(Os) в осмий може да се определи от неговия радиоактивен разпад. Може би свръхтежкият дълъг черен дроб ще претърпи спонтанно делене или спонтанно делене ще настъпи след предишни алфа или бета разпади (вид радиоактивна трансформация, при която един от неутроните на ядрото се превръща в протон) на по-лека и по-краткотрайна дъщеря или внучено ядро. Следователно на първия етап е възможно да се проведе експеримент за регистриране на редки случаи на спонтанно делене на осмиева проба. Подготвя се такъв експеримент. Измерванията ще започнат в края на тази година и ще продължат 1-1,5 години. Разпадът на свръхтежко ядро ​​ще бъде открит от неутронния изблик, придружаващ спонтанното делене. За да се защити инсталацията от неутронния фон, генериран от космическите лъчи, измерванията ще се извършват в подземна лаборатория, разположена под Алпите в средата на тунел, свързващ Франция с Италия на дълбочина, съответстваща на 4000-метров слой вода еквивалентен.
Ако по време на една година измервания се наблюдава поне едно събитие на спонтанно делене на свръхтежко ядро, тогава това ще съответства на концентрация на елемент 108 в пробата Os от около 5 × 10 -15 g/g, като се приеме, че неговият полуживот е 10 9 години. Такава малка стойност е само 10 -16 част от концентрацията на уран в земната кора.
Въпреки свръхвисоката чувствителност на експеримента, шансовете за откриване на реликтни, свръхтежки нуклиди са малки. Но всяко научно търсене винаги има малък шанс... Липсата на ефект ще даде горна граница на полуживота на столетник на ниво T 1/2 ≤ 3× 10 7 години. Не толкова впечатляващо, но важно за разбирането на свойствата на ядрата в новата област на стабилност на свръхтежките елементи.

Резултати от търсене за \"стабилни елементи\". Относно свръхтежките елементи Свръхтежки елементи на острова на стабилността Теоретичното и експерименталното изследване на стабилността на ядрото даде на съветските физици причина да преразгледат използваните по-рано методи за производство на тежки трансурани. В Дубна решиха да поемат по нови пътеки и цел водяИ бисмут. Ядрото, както и атомът като цяло, има черупкова структура. Особено стабилни са атомните ядра, съдържащи 2-8-20-28-50-82-114-126-164 протона (т.е. атомни ядра със същия атомен номер) и 2-8-20-28-50-82-126 - 184-196-228-272-318 неутрони, поради пълната структура на техните черупки. Едва наскоро беше възможно да се потвърдят тези възгледи чрез компютърни изчисления. Тази необичайна стабилност привлече вниманието ми преди всичко, когато изучавах разпространението на определени елементи в космоса. Изотопи, притежаването на тези ядрени числа се нарича магия. Бисмутовият изотоп 209Bi, който има 126 неутрона, е такъв магически нуклид. Това включва и изотопи кислород, калций, калай. Двойна магия са: за хелия - изотопа 4 He (2 протона, 2 неутрона), за калция - 48 Ca (20 протона, 28 неутрона), за оловото - 208 Pb (82 протона, 126 неутрона). Те се отличават с много специална здравина на сърцевината. Използвайки източници на йони от нов тип и по-мощни ускорители на тежки йони - блокове U-200 и U-300 бяха сдвоени в Дубна, групата на Г. Н. Флеров и Ю. Ц. Оганесян скоро започна да има поток от тежки йонис необикновена енергия. За да постигнат ядрен синтез, съветските физици изстреляха хромни йони с енергия от 280 MeV в мишени, направени от олово и бисмут. Какво можеше да се случи? В началото на 1974 г. ядрените учени в Дубна регистрират 50 случая на такива бомбардировки, което показва образуване на елемент 106, който обаче се разпада след 10 -2 s. Тези 50 атомни ядра са образувани по схемата: 208 Pb + 51 Cr = 259 X Малко по-късно Гиорсо и Сиборг от лабораторията Лорънс Бъркли съобщиха, че са синтезирали изотоп на нов 106 -ти, елемент с масово число 263 чрез бомбардиране на калифорний-249 с кислородни йони в апарата Super-HILAC. Какво име ще има новият елемент?Като оставим настрана предишните различия, и двете групи в Бъркли и Дубна, състезаващи се в научно състезание, този път стигнаха до консенсус. Рано е да се говори за имена, каза Оганесян. И Гиорсо добави, че е решено да се въздържат от всякакви предложения за името на 106-ия елемент до изясняване на ситуацията. До края на 1976 г. лабораторията за ядрени реакции в Дубна завърши серия от експерименти за синтеза на елемент 107; служи като изходно вещество за „алхимиците“ от Дубна магически"бисмут-209. Когато се бомбардира с хромни йони с енергия от 290 MeV, той се превръща в изотоп 107 -ти елемент: 209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 н Елемент 107 се разпада спонтанно с полуживот от 0,002 s и също излъчва алфа частици. Времето на полуразпад от 0,01 и 0,002 s, установено за 106-ия и 107-ия елемент, ни накара да бъдем предпазливи. В края на краищата те се оказаха с няколко порядъка по-големи от предсказаното от компютърните изчисления. Може би 107-ият елемент вече е бил значително повлиян от близостта на последвалото магическо число протони и неутрони - 114, увеличавайки стабилността? Ако това е така, тогава имаше надежда да се получат дълготрайни изотопи на елемент 107, например чрез обстрел Бърклинеонови йони. Изчисленията показват, че богатият на неутрони изотоп, образуван от тази реакция, ще има полуживот над 1 s. Това ще направи възможно изследването на химичните свойства на елемент 107 - екарения. Най-дългоживеещият изотоп на първия трансуран, елемент 93, нептуний-237, има период на полуразпад от 2 100 000 години; най-стабилният изотоп на елемент 100, фермий-257, издържа само 97 дни. Започвайки от елемент 104 периоди на полуразпадса само части от секундата. Следователно изглеждаше, че няма абсолютно никаква надежда за откриване на тези елементи. Защо са необходими допълнителни изследвания? Алберт Гиорсо, водещ американски специалист по трансуран, веднъж говори по този въпрос: " Причината да продължим да търсим допълнителни елементи е просто да задоволим човешкото любопитство - какво се случва зад следващия ъгъл на улицата?"Въпреки това, това, разбира се, не е просто научно любопитство. Ghiorso все пак даде да се разбере колко е важно да се продължат такива фундаментални изследвания. През 60-те години теорията за магическите ядрени числа става все по-важна. В "морето от нестабилност" учените отчаяно се опитваха да намерят животоспасяващ " остров на относителна стабилност", върху който може да стъпи здраво кракът на атомен изследовател. Въпреки че този остров все още не е открит, неговите "координати" са известни: елемент 114, ekas олово, се счита за център на голям регион на стабилност. Изотоп 298 на елемент 114 отдавна е особен предмет на научен дебат, тъй като със 114 протона и 184 неутрона, той е едно от онези двойно магически атомни ядра, за които се прогнозира, че ще съществуват дълго време. Какво обаче означава дългосрочно съществуване? Предварителните изчисления показват: периодът на полуразпад с освобождаване на алфа частици варира от 1 до 1000 години, а по отношение на спонтанното делене - от 10 8 до 10 16 години. Такива флуктуации, както посочват физиците, се обясняват с приближението на „компютърната химия“. Много обнадеждаващи периоди на полуразпад се предвиждат за следващия остров на стабилност - елемент 164, dvislead. Изотопът на елемент 164 с масово число 482 също е двойно магически: ядрото му е образувано от 164 протона и 318 неутрона. Науката е интересна и проста магически свръхтежки елементи, като изотоп-294 на елемент 110 или изотоп-310 на елемент 126, съдържащ 184 неутрона. Удивително е как изследователите доста сериозно жонглират с тези въображаеми елементи, сякаш вече съществуват. Все повече и повече нови данни се извличат от компютъра и вече определено се знае какви свойства – ядрени, кристалографски и химични – трябва да имат тези свръхтежки елементи. В специализираната литература се трупат точни данни за елементи, които хората може би ще открият след 50 години. Атомните учени в момента се движат в море от нестабилност, очаквайки открития. Зад тях имаше твърда земя: полуостров с естествени радиоактивни елементи, белязан от хълмове от торий и уран, и далечна твърда земя с всички останали елементи и върхове олово, калайИ калций. Смелите моряци отдавна са в открито море. На неочаквано място те откриха пясъчен насип: отворените елементи 106 и 107 бяха по-стабилни от очакваното. През последните години ние плавахме дълго време в море от нестабилност, твърди Г. Н. Флеров, и изведнъж, в последния момент, усетихме земята под краката си. Случаен подводен камък? Или пясъчна ивица на дългоочакван остров на стабилност? Ако второто е правилно, значи имаме реална възможност да творим нова периодична система от стабилни свръхтежки елементис невероятни свойства. След като стана известна хипотезата за стабилни елементи в близост до серийни номера 114, 126, 164, изследователи от цял ​​свят се нахвърлиха върху тези " супер тежък"атоми. Някои от тях, с предполагаемо дълъг период на полуразпад, се надяваха да бъдат намерени на Земята или в Космоса, поне под формата на следи. В края на краищата, когато нашата Слънчева система възникна, тези елементи съществуваха точно като всички останали . Следи от свръхтежки елементи- какво трябва да се разбира под това? В резултат на способността им спонтанно да се разделят на два ядрени фрагмента с голяма маса и енергия, тези трансурани ще трябва да оставят отчетливи следи от разрушение в околната материя. Подобни следи могат да се видят в минерали под микроскоп, след като са били гравирани. Използвайки този метод за унищожаване на следи, вече е възможно да се проследи съществуването на отдавна мъртви елементи. По широчината на оставените следи може да се оцени и поредният номер на елемента - ширината на пистата е пропорционална на квадрата на ядрения заряд. Те също така се надяват да идентифицират „живи“ свръхтежки елементи въз основа на факта, че те многократно излъчват неутрони. По време на процеса на спонтанно делене тези елементи излъчват до 10 неутрона. Следи от свръхтежки елементи са търсени в манганови възли от дълбините на океана, както и във води след топенето на ледниците в полярните морета. Все още няма резултати. Г. Н. Флеров и колегите му изследваха оловното стъкло на антична витрина от 14 век, лейденски буркан от 19 век и ваза от оловен кристал от 18 век. Първоначално бяха показани няколко следи от спонтанно делене ekas олово- 114-ти елемент. Въпреки това, когато учените от Дубна повториха измерванията си с високочувствителен неутронен детектор в най-дълбоката солна мина на Съветския съюз, те не получиха положителен резултат. Космическата радиация, която очевидно е причинила наблюдавания ефект, не е могла да проникне на такава дълбочина. През 1977 г. професор Флеров предполага, че най-накрая е открил " сигнали за нов трансуран" докато изучава дълбоките термални води на полуостров Челекен в Каспийско море. Броят на докладваните случаи обаче беше твърде малък за ясно разпределение. Година по-късно групата на Флеров регистрира 150 спонтанни разделения на месец. Тези данни са получени при работа с йонообменник, пълен с неизвестен трансуран от термални води. Флеров оценява времето на полуразпад на присъстващия елемент, който той все още не е успял да изолира, на милиарди години. Други изследователи поеха по различни пътища. Професор Фаулър и колегите му от университета в Бристол предприеха експерименти с балони на голяма надморска височина. С помощта на детектори на малки количества ядра бяха идентифицирани множество области с ядрени заряди над 92. Английски изследователи смятаха, че една от следите дори сочи към елементи 102...108. По-късно те направиха поправка: неизвестният елемент има сериен номер 96 ( куриум). Как тези свръхтежки частици попадат в стратосферата на земното кълбо? Досега са представени няколко теории. Според тях тежките атоми трябва да се появят при експлозии на свръхнови или други астрофизични процеси и да достигнат Земята под формата на космическа радиация или прах – но едва след 1000 – 1 000 000 години. Тези космически отлагания в момента се търсят както в атмосферата, така и в дълбоките морски седименти. И така, свръхтежки елементи могат да бъдат намерени в космическата радиация? Вярно е, че според американските учени, които са предприели експеримента Skylab през 1975 г., тази хипотеза не е потвърдена. В космическа лаборатория, която обикаля около Земята, са инсталирани детектори, които поглъщат тежки частици от космоса; бяха само открити следи от известни елементи. Лунният прах, донесен на Земята след първото кацане на Луната през 1969 г., беше не по-малко внимателно изследван за наличие на свръхтежки елементи. Когато бяха открити следи от „дългоживеещи“ частици до 0,025 mm, някои изследователи смятаха, че те могат да бъдат приписани на елементи 110 - 119. Подобни резултати са получени от изследвания на аномалния изотопен състав на благородния газ ксенон, съдържащ се в различни проби от метеорити. Физиците изразиха мнение, че този ефект може да се обясни само със съществуването на свръхтежки елементи. Съветски учени в Дубна, които анализираха 20 кг от метеорита Алиенде, който падна в Мексико през есента на 1969 г., успяха да открият няколко спонтанни деления в резултат на тримесечно наблюдение. Въпреки това, след като се установи, че "естественият" плутоний-244, който някога е бил неразделна част от нашата слънчева система, оставя напълно подобни следи, тълкуването започна да се извършва по-внимателно. Преди век и половина, когато Дмитрий Иванович Менделеев откри Периодичния закон, бяха известни само 63 елемента. Подредени в таблица, те лесно се разделят на периоди, всеки от които започва с активни алкални метали и завършва (както се оказа по-късно) с инертни благородни газове. Оттогава периодичната таблица почти се е удвоила по размер и с всяко разширяване периодичният закон се потвърждава отново и отново. Рубидият също напомня на калий и натрий, както ксенонът е на криптон и аргон, под въглерода е силиций, който е много подобен на него... Днес е известно, че тези свойства се определят от броя на електроните, въртящи се около атомното ядро . Те изпълват една след друга „енергийните обвивки” на атома, подобно на зрители, заели местата си по ред в театър: последният ще определи химичните свойства на целия елемент. Атом с напълно запълнена последна обвивка (като хелий с неговите два електрона) ще бъде инертен; елемент с един „допълнителен“ електрон върху него (като натрий) активно ще образува химически връзки. Броят на отрицателно заредените електрони в орбитите е свързан с броя на положителните протони в ядрото на атома и това е броят на протоните, който разграничава различните елементи. Но в ядрото на един и същи елемент може да има различен брой неутрони; те нямат заряд и не влияят на химичните свойства. Но в зависимост от броя на неутроните, водородът може да се окаже по-тежък от хелия, а масата на лития може да достигне седем вместо „класическите“ шест атомни единици. И ако списъкът на известните елементи днес наближава 120, тогава броят на ядрата (нуклидите) е надхвърлил 3000. Повечето от тях са нестабилни и след известно време се разпадат, освобождавайки „допълнителни“ частици по време на радиоактивен разпад. Още повече нуклиди не могат да съществуват по принцип, моментално се разпадат на парчета. Така един континент от стабилни ядра е заобиколен от цяло море от нестабилни комбинации от неутрони и протони. Море от нестабилност Съдбата на ядрото зависи от броя на неутроните и протоните в него. Според черупковата теория за структурата на ядрото, представена през 50-те години на миналия век, частиците в него са разпределени между енергийните си нива по същия начин, както електроните, които се въртят около ядрото. Някои числа на протоните и неутроните дават особено стабилни конфигурации с напълно запълнени протонни или неутронни обвивки - 2, 8, 20, 28, 50, 82, а за неутроните има и 126 частици. Тези числа се наричат ​​„магически“ числа и най-стабилните ядра съдържат „два пъти по-магически“ брой частици – например оловото има 82 протона и 126 неутрона, или по два в нормален атом хелий, вторият най-разпространен елемент във вселената. Последователният „химически континент“ от елементи, открити на Земята, завършва с олово. Следва серия от ядра, които съществуват много по-малко от възрастта на нашата планета. В неговите дълбини те могат да се запазят само в малки количества, като уран и торий, или дори в следи, като плутоний. Невъзможно е да се извлече от скалата, а плутоният се произвежда изкуствено, в реактори, бомбардирайки уранова цел с неутрони. Като цяло съвременните физици третират атомните ядра като строителни части, принуждавайки ги да прикрепят отделни неутрони, протони или цели ядра. Това прави възможно получаването на все по-тежки нуклиди чрез пресичане на пролива на „Морето на нестабилността“. Целта на пътуването се подсказва от същата черупкова теория за структурата на ядрото. Това е областта на свръхтежки елементи с подходящ (и много голям) брой неутрони и протони, легендарният „Остров на стабилността“. Изчисленията показват, че някои от местните „жители“ може вече да не съществуват за части от микросекунди, а за много порядъци по-дълго. „До известна степен те могат да се разглеждат като капчици вода“, обясни ни академикът от РАН Юрий Оганесян. — До оловото ядрата са сферични и стабилни. След тях е полуостров от умерено стабилни ядра - като торий или уран - който се простира от плитчина от силно деформирани ядра и се разбива в нестабилно море... Но още по-нататък, отвъд пролива, може да има нов регион на сферични ядра, свръхтежки и стабилни елементи с номера 114, 116 и по-нататък." Животът на някои елементи на „Острова на стабилността“ може да продължи години или дори милиони години. Остров на стабилността Трансурановите елементи с техните деформирани ядра могат да бъдат създадени чрез бомбардиране на мишени от уран, торий или плутоний с неутрони. Като ги бомбардирате с леки йони, ускорени в ускорител, можете последователно да получите редица още по-тежки елементи - но в един момент границата ще дойде. „Ако разглеждаме различните реакции – добавянето на неутрони, добавянето на йони – като различни „кораби“, тогава всички те няма да ни помогнат да плаваме до „Острова на стабилността“, продължава Юрий Оганесян. — Това ще изисква по-голям „съд“ и различен дизайн. Целта трябва да бъдат богати на неутрони тежки ядра на изкуствени елементи, по-тежки от уран, и те трябва да бъдат бомбардирани с големи тежки изотопи, съдържащи много неутрони, като калций-48. Само голям международен екип от учени може да работи върху такъв „кораб“. Инженери и физици от завода "Електрохимприбор" изолираха от естествения калций изключително редкия 48-ми изотоп, който се съдържа тук в количество под 0,2%. Мишени от уран, плутоний, америций, кюрий, калифорний са изготвени в Димитровградския научноизследователски институт по атомни реактори, в Ливърморската национална лаборатория и в Оук Ридж националната лаборатория в САЩ. Е, ключови експерименти за синтеза на нови елементи бяха проведени от академик Оганесян в Обединения институт по ядрена физика (ОИЯИ), в Лабораторията за ядрени реакции на Флеров. „Нашият ускорител в Дубна работи 6-7 хиляди часа годишно, ускорявайки йони калций-48 до приблизително 0,1 скорост на светлината“, обяснява ученият. „Тази енергия е необходима, така че някои от тях, удряйки целта, да преодолеят силите на кулоновото отблъскване и да се слеят с ядрата на нейните атоми. Например елемент 92, уранът, ще произведе ядрото на нов елемент с номер 112, плутоний 114 и калифорний 118. „Търсенето на нови свръхтежки елементи ни позволява да отговорим на един от най-важните въпроси на науката: къде е границата на нашия материален свят?“ „Такива ядра вече трябва да са доста стабилни и няма да се разпадат веднага, а постепенно ще излъчват алфа частици и хелиеви ядра. И ние сме много добри в регистрирането им“, продължава Оганесян. Свръхтежкото ядро ​​ще изхвърли алфа частица, превръщайки се в елемент с два атомни номера по-лек. На свой ред дъщерното ядро ​​ще загуби алфа частица и ще се превърне в „внук“ - още четири по-леки и така нататък, докато процесът на последователен алфа разпад завърши със случайна поява и мигновено спонтанно делене, смъртта на нестабилното ядро в „морето на нестабилността“. Използвайки тази "генеалогия" на алфа частици, Оганесян и колегите му проследиха цялата история на трансформацията на нуклидите, получени в ускорителя, и очертаха близкия бряг на "Острова на стабилността". След половинвековно плаване първите хора кацат на него. Нова земя Още през първото десетилетие на 21 век, в реакциите на синтез на актиниди с ускорени йони калций-48, атоми на елементи с номера от 113 до 118, разположени на брега на „Острова на стабилността“, най-отдалечен от „континента“ , бяха синтезирани. Техният живот вече е с порядъци по-дълъг от този на съседите им: например елемент 114 се съхранява не за милисекунди, като 110-та, а за десетки и дори стотици секунди. „Такива вещества вече са достъпни за химията“, казва академик Оганесян. - Това означава, че се връщаме в самото начало на пътуването и сега можем да проверим дали при тях се спазва периодичният закон на Менделеев. Дали елемент 112 ще бъде аналог на живака и кадмия, а елемент 114 – на калая и оловото? Първите химически експерименти с изотопа на 112-ия елемент (коперниций) показаха, че очевидно ще го направят. Ядрата на Коперниций, изхвърлени от целта по време на бомбардировка, бяха насочени от учените в дълга тръба, съдържаща 36 двойки детектора, частично покрити със злато. Живакът лесно образува стабилни интерметални съединения със злато (това свойство се използва в древната техника на позлатяване). Следователно живакът и близките до него атоми трябва да се утаят върху златната повърхност на първите детектори, а радонът и атомите, близки до благородните газове, могат да достигнат края на тръбата. Следвайки покорно Периодичния закон, Копернициум се оказа роднина на живака. Но ако живакът е първият известен течен метал, тогава коперницият може да е първият газообразен: неговата точка на кипене е под стайната температура. Според Юрий Оганесян това е само избледняло начало и свръхтежките елементи от „Острова на стабилността“ ще отворят нова, ярка и необичайна област на химията за нас. Но засега се задържахме в подножието на острова на стабилните елементи. Очаква се 120-то и следващите ядра да се окажат наистина стабилни и да съществуват много години или дори милиони години, образувайки стабилни съединения. Въпреки това вече не е възможно да се получат с помощта на същия калций-48: няма достатъчно дълготрайни елементи, които биха могли да се комбинират с тези йони, за да дадат ядра с необходимата маса. Опитите за замяна на йони калций-48 с нещо по-тежко също не дават резултат. Ето защо, за нови търсения, морските учени вдигнаха глави и погледнаха по-отблизо небето. Космос и фабрика Първоначалният състав на нашия свят не беше много разнообразен: в Големия взрив се появи само водород с малки примеси на хелий - най-лекият от атомите. Всички други уважавани участници в периодичната таблица са се появили в реакции на ядрен синтез, във вътрешността на звездите и по време на експлозии на свръхнови. Нестабилните нуклиди бързо се разпадат, докато стабилните нуклиди, като кислород-16 или желязо-54, се натрупват. Не е изненадващо, че тежки нестабилни елементи като америций или коперниций не могат да бъдат намерени в природата. Но ако наистина има някъде „остров на стабилност“, тогава поне в малки количества свръхтежки елементи трябва да се открият в необятността на Вселената и някои учени ги търсят сред частиците на космическите лъчи. Според академик Оганесян този подход все още не е толкова надежден, колкото добрата стара бомбардировка. „Наистина дългоживеещите ядра на върха на Острова на стабилността съдържат необичайно големи количества неутрони“, казва ученият. „Ето защо богатият на неутрони калций-48 се оказа толкова успешно ядро ​​за бомбардиране на богати на неутрони целеви елементи.“ Въпреки това изотопите, по-тежки от калций-48, са нестабилни и шансовете те да се слеят, за да образуват суперстабилни ядра при естествени условия, са изключително ниски. Затова лабораторията в Дубна близо до Москва се обърна към използването на по-тежки ядра, макар и не толкова успешни като калциевите, за стрелба по изкуствени елементи-мишени. „Сега сме заети със създаването на така наречената фабрика за свръхтежки елементи“, казва академик Оганесян. — В него същите цели ще бъдат бомбардирани с титанови или хромови ядра. Те съдържат два и четири протона повече от калция, което означава, че могат да ни дадат елементи с маса от 120 или повече. Ще бъде интересно да видим дали те все още ще бъдат на „острова“ или ще отворят нов пролив отвъд него.	При енергията на криптоновите йони в близост до Кулоновата бариера са наблюдавани три случая на образуване на елемент 118. 293 118 ядра са имплантирани в силициев детектор и е наблюдавана верига от шест последователни α-разпада, които завършват в изотопа 269 Sg. Напречното сечение за образуването на елемент 118 беше ~2 пикобарна. Времето на полуразпад на изотопа 293118 е 120 ms. На фиг. Фигура 3 показва верига от последователни α-разпадания на изотопа 293 118 и показва полуживота на дъщерните ядра, образувани в резултат на α-разпадане. Въз основа на различни теоретични модели бяха изчислени характеристиките на разпада на свръхтежките ядра. Резултатите от едно такова изчисление са показани на фиг. 4. Времето на полуразпад на четно-четно свръхтежко ядро ​​е дадено спрямо спонтанно делене (a), α-разпадане (b), β-разпадане (c) и за всички възможни процеси на разпадане (d). Най-стабилното ядро ​​по отношение на спонтанното делене (фиг. 4а) е ядрото с Z = 114 и N = 184. За него времето на полуразпад по отношение на спонтанното делене е ~10 16 години. За изотопи на елемент 114, които се различават от най-стабилния с 6-8 неутрона, периодите на полуразпад намаляват с 10-15 порядъка. Времето на полуразпад спрямо α-разпадането е показано на фиг. 4б. Най-стабилното ядро ​​се намира в Z региона< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет. Ядрата, стабилни по отношение на β-разпадане, са показани на фиг. 4c с тъмни точки. На фиг. 4d показва пълните полуживоти. За четно-четни ядра, разположени вътре в централния контур, те са ~10 5 години. Така, след като се вземат предвид всички видове разпадане, се оказва, че ядрата в близост до Z = 110 и N = 184 образуват „остров на стабилност“. Ядрото 294 110 има период на полуразпад около 10 9 години. Разликата между стойността Z и магическото число 114, предсказано от модела на черупката, се дължи на конкуренцията между деленето (спрямо това кое ядрото с Z = 114 е най-стабилно) и α-разпадането (спрямо това кои ядра с по-ниско Z са стабилни ). За четно-нечетни и четно-нечетни ядра полуживотът нараства по отношение на α-разпадането и спонтанното делене и намалява по отношение на β-разпадането. Трябва да се отбележи, че горните оценки силно зависят от параметрите, използвани в изчисленията, и могат да се разглеждат само като индикации за възможността за съществуване на свръхтежки ядра с време на живот, достатъчно дълго за тяхното експериментално откриване. Резултатите от друго изчисление на равновесната форма на свръхтежките ядра и техния полуживот са показани на фиг. 5, 11.11. На фиг. Фигура 11.10 показва зависимостта на равновесната енергия на деформация от броя на неутроните и протоните за ядра с Z = 104-120. Енергията на деформация се определя като разликата между енергиите на ядрата в равновесие и сферична форма. От тези данни става ясно, че в областта Z = 114 и N = 184 трябва да има ядра, които имат сферична форма в основно състояние. Всички свръхтежки ядра, открити до момента (те са показани на фиг. 5 като тъмни диаманти) са деформирани. Светлите диаманти показват ядра, които са стабилни по отношение на β-разпадане. Тези ядра трябва да се разпаднат чрез α разпад или делене. Основният канал на разпадане трябва да бъде α-разпад. Времето на полуразпад за четни-четни β-стабилни изотопи са показани на фиг. 6. Според тези прогнози, периодите на полуразпад се очакват за повечето ядра много по-дълго от тези, наблюдавани за вече открити свръхтежки ядра (0,1-1 ms). Например, за ядрото 292110 се предвижда живот от ~51 години. По този начин, според съвременните микроскопични изчисления, стабилността на свръхтежките ядра нараства рязко, когато се приближат до неутронното магическо число N = 184. Доскоро единственият изотоп на елемент с Z = 112 беше изотопът 277 112, който има полу- живот от 0,24 ms. По-тежкият изотоп 283112 е синтезиран в реакцията на студен синтез 48 Ca + 238 U. Време на облъчване 25 дни. Общият брой на 48 Ca йони върху целта е 3,5·10 18. Бяха регистрирани два случая, които бяха интерпретирани като спонтанно делене на получения изотоп 283 112. Времето на полуразпад на този нов изотоп беше оценено на T 1/2 = 81 s. Така става ясно, че увеличаването на броя на неутроните в изотопа 283112 в сравнение с изотопа 277112 с 6 единици увеличава продължителността на живота с 5 порядъка. На фиг. Фигура 7 показва измерения живот на изотопите на сиборгия Sg (Z = 106) в сравнение с прогнозите на различни теоретични модели. Прави впечатление намаляването на живота на изотопа с N = 164 с почти един порядък в сравнение с времето на живот на изотопа с N = 162. Най-близкият подход до острова на стабилност може да бъде постигнат в реакцията 76 Ge + 208 Pb. Свръхтежко почти сферично ядро ​​може да се образува в реакция на синтез, последвана от излъчване на γ кванти или единичен неутрон. Според оценките, полученото ядро ​​284 114 трябва да се разпадне с излъчване на α частици с период на полуразпад ~ 1 ms. Допълнителна информация за заетостта на обвивката в областта N = 162 може да бъде получена чрез изследване на α-разпадите на ядра 271 108 и 267 106. За тези ядра са предвидени периоди на полуразпад от 1 минута. и 1 час. За ядра 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 се очаква изомерия, причината за която е запълването на подобвивки с j = 1/2 и j = 13/2 в областта N = 162 за деформирани в земята ядра състояние. На фиг. Фигура 8 показва експериментално измерените функции на възбуждане за реакцията на образуване на елементите Rf (Z = 104) и Hs (Z = 108) за реакциите на синтез на падащи йони 50 Ti и 56 Fe с целево ядро ​​208 Pb. Полученото съставно ядро ​​се охлажда чрез излъчване на един или два неутрона. Информацията за функциите на възбуждане на реакциите на синтез на тежки йони е особено важна за получаване на свръхтежки ядра. При реакцията на синтез на тежки йони е необходимо точно да се балансират ефектите на силите на Кулон и силите на повърхностното напрежение. Ако енергията на падащия йон не е достатъчно висока, тогава минималното разстояние на приближаване няма да е достатъчно за сливането на бинарната ядрена система. Ако енергията на падащата частица е твърде висока, тогава получената система ще има висока енергия на възбуждане и най-вероятно ще се разпадне на фрагменти. Ефективният синтез се осъществява в доста тесен енергиен диапазон на сблъскващи се частици. Реакциите на синтез с излъчване на минимален брой неутрони (1-2) са от особен интерес, т.к. в синтезираните свръхтежки ядра е желателно да има възможно най-голямо съотношение N/Z. На фиг. Фигура 9 показва потенциала на синтез за ядра в реакцията 64 Ni + 208 Pb 272 110. Най-простите оценки показват, че вероятността за тунелен ефект за ядрен синтез е ~ 10 -21, което е значително по-ниско от наблюдаваната стойност на напречното сечение. Това може да се обясни по следния начин. На разстояние 14 fm между центровете на ядрата първоначалната кинетична енергия от 236,2 MeV е напълно компенсирана от потенциала на Кулон. На това разстояние контактуват само нуклони, разположени на повърхността на ядрото. Енергията на тези нуклони е ниска. Следователно има голяма вероятност нуклоните или двойките нуклони да напуснат орбиталите в едно ядро ​​и да се преместят в свободните състояния на партньорското ядро. Прехвърлянето на нуклони от падащо ядро ​​към целево ядро ​​е особено привлекателно в случая, когато като мишена се използва двойно магическият изотоп на оловото 208 Pb. В 208 Pb са запълнени протонната подобвивка h 11/2 и неутронните подобвивки h 9/2 и i 13/2. Първоначално преносът на протони се стимулира от протон-протонните сили на привличане, а след запълване на h 9/2 подобвивката - от протон-неутронните сили на привличане. По същия начин неутроните се движат в свободната подобвивка i 11/2, привлечени от неутрони от вече запълнената подобвивка i 13/2. Поради енергията на сдвояване и големите орбитални ъглови моменти, прехвърлянето на двойка нуклони е по-вероятно от прехвърлянето на единичен нуклон. След прехвърлянето на два протона от 64 Ni 208 Pb, кулоновата бариера намалява с 14 MeV, което насърчава по-близък контакт на взаимодействащи йони и продължаване на процеса на пренос на нуклони. В трудовете на [V.V. Волков. Ядрени реакции на дълбоки нееластични преноси. М. Енергоиздат, 1982; В.В. Волков. Изв. Академия на науките на СССР, физическа серия, 1986, том 50 с. 1879 г.] механизмът на реакцията на синтез е подробно проучен. Показано е, че още на етапа на улавяне се образува двойна ядрена система след пълното разсейване на кинетичната енергия на падащата частица и нуклоните на едно от ядрата постепенно се прехвърлят, черупка по черупка, към другото ядро. Тоест черупковата структура на ядрата играе важна роля при образуването на съставното ядро. Въз основа на този модел беше възможно да се опише доста добре енергията на възбуждане на съставните ядра и напречното сечение за образуването на 102-112 елемента при реакции на студен синтез. В Лабораторията по ядрени реакции на името на. Г.Н. Флеров (Дубна) синтезира елемент с Z = 114. Използва се реакцията Идентифицирането на ядрото 289 114 беше извършено с помощта на верига от α разпадания. Експериментална оценка на времето на полуразпад на изотопа 289 114 ~30 s. Полученият резултат е в добро съответствие с направените по-рано изчисления. При синтезиране на елемент 114 в реакцията 48 Cu + 244 Pu, максималният добив се получава от канала с изпаряването на три неутрона. В този случай енергията на възбуждане на съставното ядро ​​289 114 е 35 MeV. Теоретично предвидената последователност от разпади, възникващи с ядрото 296 116, образувано в реакцията, е показана на Фиг. 10. Ориз. 10. Схема на ядрен разпад 296 116 Ядрото 296 116 се охлажда чрез излъчване на четири неутрона и се превръща в изотопа 292 116, който след това, с 5% вероятност, в резултат на две последователни е-захващания се превръща в изотопа 292 114. В резултат на α -разпад (T 1/2 = 85 дни), изотопът 292 114 се превръща в изотопа 288 112. Образуването на изотопа 288 112 също става през канала Крайното ядро ​​288 112, получено от двете вериги, има период на полуразпад от около 1 час и се разпада чрез спонтанно делене. С приблизително 10% вероятност в резултат на α-разпадането на изотопа 288 114 може да се образува изотоп 284 112. Горните периоди и канали на разпадане са получени чрез изчисление. Когато се анализират различните възможности за образуване на свръхтежки елементи при реакции с тежки йони, трябва да се вземат предвид следните обстоятелства. Необходимо е да се създаде ядро ​​с достатъчно голямо съотношение на броя на неутроните към броя на протоните. Следователно тежки йони с голямо N/Z трябва да бъдат избрани като падаща частица. Необходимо е полученото съставно ядро ​​да има ниска енергия на възбуждане и малък ъглов момент, тъй като в противен случай ефективната височина на бариерата на делене ще намалее. Необходимо е полученото ядро ​​да има форма, близка до сферичната, тъй като дори лека деформация ще доведе до бързо делене на свръхтежкото ядро. Много обещаващ метод за производство на свръхтежки ядра са реакции като 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На фиг. Фигура 11 показва оценените напречни сечения за образуване на трансуранови елементи при облъчване на мишени, състоящи се от 248 Cm, 249 Cf и 254 Es с ускорени йони 238 U. При тези реакции вече са получени първите резултати за напречните сечения за образуване на елементи с Z > 100. За да се увеличат добивите на изследваните реакции, целевите дебелини са избрани по такъв начин, че реакционните продукти да останат в целта. След облъчване отделните химични елементи се отделят от целта. Продуктите на α-разпадане и фрагментите на делене са записани в пробите, получени в продължение на няколко месеца. Данните, получени с помощта на ускорени уранови йони, ясно показват увеличение на добива на тежки трансуранови елементи в сравнение с по-леки бомбардиращи йони. Този факт е изключително важен за решаването на проблема с синтеза на свръхтежки ядра. Въпреки трудностите при работа с подходящи цели, прогнозите за напредък към високо Z изглеждат доста оптимистични. Напредъкът в областта на свръхтежките ядра през последните години е зашеметяващо впечатляващ. Въпреки това досега всички опити да се открие островът на стабилността не са успешни. Издирването му продължава интензивно.