Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του '60, μέσα από τις προσπάθειες πολλών θεωρητικών - O. Bohr και B. Motelson (Δανία), S. Nilsson (Σουηδία), V.M. Strutinsky και V.V. Pashkevich (ΕΣΣΔ), H. Myers και V. Svyatetsky (ΗΠΑ), A. Sobichevsky και άλλοι (Πολωνία), W. Greiner και άλλοι (Γερμανία), R. Nix και P. Möller (ΗΠΑ), J. Berger (Γαλλία ) και πολλοί άλλοι δημιούργησαν τη μικροσκοπική θεωρία των ατομικών πυρήνων. Η νέα θεωρία έφερε όλες τις παραπάνω αντιφάσεις σε ένα αρμονικό σύστημα φυσικών νόμων.
Όπως κάθε θεωρία, είχε μια ορισμένη προγνωστική δύναμη, ιδιαίτερα στην πρόβλεψη των ιδιοτήτων πολύ βαρέων, ακόμα άγνωστων πυρήνων. Αποδείχθηκε ότι η σταθεροποιητική επίδραση των πυρηνικών κελυφών θα λειτουργήσει πέρα ​​από αυτά που υποδεικνύονται από το μοντέλο σταγονιδίων του πυρήνα (δηλαδή στην περιοχή Z > 106) σχηματίζοντας το λεγόμενο. «νησιά σταθερότητας» γύρω από τους μαγικούς αριθμούς Z=108, N=162 και Z=114, N=184. Όπως φαίνεται στο Σχ. 2, η διάρκεια ζωής των υπερβαρέων πυρήνων που βρίσκονται σε αυτά τα «νησιά σταθερότητας» μπορεί να αυξηθεί σημαντικά. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα βαρύτερα, υπερβαριά στοιχεία, όπου η επίδραση των κλειστών κελυφών Z=114 (πιθανόν 120) και N=184 αυξάνει τους χρόνους ημιζωής σε δεκάδες, εκατοντάδες χιλιάδες και, ίσως, εκατομμύρια χρόνια, δηλ. - 32-35 τάξεις μεγέθους περισσότερο από ό,τι απουσία της επίδρασης των πυρηνικών οβίδων. Έτσι προέκυψε μια ενδιαφέρουσα υπόθεση για την πιθανή ύπαρξη υπερβαρέων στοιχείων, διευρύνοντας σημαντικά τα όρια του υλικού κόσμου. Μια άμεση δοκιμή των θεωρητικών προβλέψεων θα ήταν η σύνθεση υπερβαρέων νουκλεϊδίων και ο προσδιορισμός των ιδιοτήτων διάσπασής τους. Επομένως, θα πρέπει να εξετάσουμε εν συντομία τα βασικά ζητήματα που σχετίζονται με την τεχνητή σύνθεση στοιχείων.

2. Αντιδράσεις σύνθεσης βαρέων στοιχείων

Στοιχεία βαρύτερα από Pm (Z=100) συντέθηκαν σε αντιδράσεις με επιταχυνόμενα βαρέα ιόντα, όταν ένα σύμπλεγμα πρωτονίων και νετρονίων εισάγεται στον πυρήνα στόχο. Αλλά αυτός ο τύπος αντίδρασης είναι διαφορετικός από την προηγούμενη περίπτωση. Όταν ένα νετρόνιο που δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο συλλαμβάνεται, η ενέργεια διέγερσης του νέου πυρήνα είναι μόνο 6 - 8 MeV. Αντίθετα, όταν οι πυρήνες στόχοι συγχωνεύονται ακόμη και με ελαφρά ιόντα όπως το ήλιο (4 He) ή ο άνθρακας (12 C), οι βαρείς πυρήνες θα θερμαίνονται σε ενέργεια E x = 20 - 40 MeV. Με μια περαιτέρω αύξηση του ατομικού αριθμού του πυρήνα του βλήματος, θα είναι απαραίτητο να μεταδίδεται όλο και περισσότερη ενέργεια για να ξεπεραστούν οι ηλεκτρικές δυνάμεις απώθησης θετικά φορτισμένων πυρήνων (το φράγμα της αντίδρασης Coulomb). Αυτή η περίσταση οδηγεί σε αύξηση της ενέργειας διέγερσης (θέρμανσης) του σύνθετου πυρήνα που σχηματίζεται μετά τη συγχώνευση δύο πυρήνων - του βλήματος και του στόχου. Η ψύξη του (μετάβαση στη θεμελιώδη κατάσταση E x = 0) θα συμβεί μέσω της εκπομπής νετρονίων και ακτίνων γάμμα. Και εδώ εμφανίζεται το πρώτο εμπόδιο.

Ένας θερμαινόμενος βαρύς πυρήνας θα μπορεί να εκπέμπει ένα νετρόνιο μόνο στο 1/100ο των περιπτώσεων· βασικά, θα χωριστεί σε δύο θραύσματα επειδή η ενέργεια του πυρήνα είναι σημαντικά υψηλότερη από το ύψος του φράγματος σχάσης του. Είναι εύκολο να γίνει κατανοητό ότι η αύξηση της ενέργειας διέγερσης ενός σύνθετου πυρήνα είναι επιζήμια για αυτόν. Η πιθανότητα επιβίωσης ενός θερμαινόμενου πυρήνα μειώνεται απότομα με την αύξηση της θερμοκρασίας (ή της ενέργειας E x) λόγω της αύξησης του αριθμού των εξατμιζόμενων νετρονίων, με τα οποία η σχάση ανταγωνίζεται έντονα. Για να ψυχθεί ένας πυρήνας που θερμαίνεται σε ενέργεια περίπου 40 MeV, είναι απαραίτητο να εξατμιστούν 4 ή 5 νετρόνια. Κάθε φορά η σχάση θα ανταγωνίζεται την εκπομπή ενός νετρονίου, με αποτέλεσμα η πιθανότητα επιβίωσης να είναι μόνο (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10. Η κατάσταση περιπλέκεται από το γεγονός ότι καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του πυρήνα, η σταθεροποιητική επίδραση των κελυφών μειώνεται, επομένως το ύψος του φράγματος σχάσης μειώνεται και η σχάση του πυρήνα αυξάνεται απότομα. Και οι δύο αυτοί παράγοντες οδηγούν σε εξαιρετικά χαμηλή πιθανότητα σχηματισμού υπερβαρέων νουκλεϊδίων.

Η πρόοδος στην περιοχή των στοιχείων βαρύτερων από το 106 κατέστη δυνατή μετά την ανακάλυψη το 1974 του λεγόμενου. αντιδράσεις ψυχρής σύντηξης. Σε αυτές τις αντιδράσεις, ως υλικό στόχος χρησιμοποιούνται «μαγικοί» πυρήνες σταθερών ισοτόπων - 208 Pb (Z = 82, N = 126) ή 209 Bi (Z = 83, N = 126), τα οποία βομβαρδίζονται από ιόντα βαρύτερα από το αργό ( Yu.Ts. Oganesyan, A.G. Demin, κ.λπ.). Κατά τη διαδικασία σύντηξης, η υψηλή ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων στον «μαγικό» πυρήνα στόχο οδηγεί στην απορρόφηση ενέργειας κατά την αναδιάταξη δύο πυρήνων που αλληλεπιδρούν
σε έναν βαρύ πυρήνα συνολικής μάζας. Αυτή η διαφορά στις ενέργειες «συσκευασίας» των νουκλεονίων στους αλληλεπιδρώντες πυρήνες και στον τελικό πυρήνα αντισταθμίζει σε μεγάλο βαθμό την ενέργεια που απαιτείται για να ξεπεραστεί το υψηλό φράγμα Coulomb για την αντίδραση. Ως αποτέλεσμα, ένας βαρύς πυρήνας έχει ενέργεια διέγερσης μόνο 12-20 MeV. Σε κάποιο βαθμό, μια τέτοια αντίδραση είναι παρόμοια με τη διαδικασία της «αντίστροφης σχάσης». Πράγματι, εάν η σχάση ενός πυρήνα ουρανίου σε δύο θραύσματα συμβεί με την απελευθέρωση ενέργειας (χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς σταθμούς), τότε στην αντίστροφη αντίδραση, όταν τα θραύσματα συγχωνεύονται, ο πυρήνας ουρανίου που προκύπτει θα είναι σχεδόν ψυχρός. Επομένως, όταν τα στοιχεία συντίθενται σε αντιδράσεις ψυχρής σύντηξης, ένας βαρύς πυρήνας χρειάζεται μόνο να εκπέμπει ένα ή δύο νετρόνια για να μεταβεί στη βασική κατάσταση.
Οι αντιδράσεις ψυχρής σύντηξης τεράστιων πυρήνων χρησιμοποιήθηκαν με επιτυχία για τη σύνθεση 6 νέων στοιχείων, από το 107 έως το 112 (P. Armbruster, Z. Hofmann, G. Münzenberg, κ.λπ.) στο Εθνικό Κέντρο Πυρηνικής Φυσικής GSI στο Darmstadt (Γερμανία). Πρόσφατα, οι K. Morita και άλλοι στο Εθνικό Κέντρο RIKEN (Τόκιο) επανέλαβαν τα πειράματα GSI για τη σύνθεση 110-112 στοιχείων. Και οι δύο ομάδες σκοπεύουν να προχωρήσουν στα στοιχεία 113 και 114 χρησιμοποιώντας βαρύτερα βλήματα. Ωστόσο, οι προσπάθειες σύνθεσης ολοένα και βαρύτερων στοιχείων στις αντιδράσεις ψυχρής σύντηξης συνδέονται με μεγάλες δυσκολίες. Με την αύξηση του ατομικού φορτίου των ιόντων, η πιθανότητα σύντηξής τους με τους πυρήνες στόχους 208 Pb ή 209 Bi μειώνεται πολύ λόγω της αύξησης των απωστικών δυνάμεων Coulomb, οι οποίες, όπως είναι γνωστό, είναι ανάλογες με το γινόμενο των πυρηνικών φορτίων. Από το στοιχείο 104, το οποίο μπορεί να ληφθεί στην αντίδραση 208 Pb + 50 Ti (Z 1 × Z 2 = 1804) στο στοιχείο 112 στην αντίδραση 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), η πιθανότητα συγχώνευσης μειώνεται περισσότερο από 10 4 φορές.

Εικόνα 3Χάρτης βαρέων νουκλεϊδίων. Οι πυρηνικοί χρόνοι ημιζωής αντιπροσωπεύονται με διαφορετικά χρώματα (δεξιά κλίμακα). Τα μαύρα τετράγωνα είναι ισότοπα σταθερών στοιχείων που βρίσκονται στο φλοιό της γης (T 1/2 ≥ 10 9 χρόνια). Το σκούρο μπλε χρώμα είναι η «θάλασσα της αστάθειας», όπου οι πυρήνες ζουν για λιγότερο από 10 -6 δευτερόλεπτα. Οι κίτρινες γραμμές αντιστοιχούν σε κλειστά κελύφη που υποδεικνύουν τους μαγικούς αριθμούς πρωτονίων και νετρονίων. Τα «νησιά σταθερότητας» που ακολουθούν τη «χερσόνησο» των στοιχείων θορίου, ουρανίου και υπερουρανίου είναι προβλέψεις της μικροσκοπικής θεωρίας του πυρήνα. Δύο πυρήνες με Ζ = 112 και 116, που λαμβάνονται σε διαφορετικές πυρηνικές αντιδράσεις και η διαδοχική διάσπασή τους, δείχνουν πόσο κοντά μπορεί κανείς να φτάσει στα «νησιά της σταθερότητας» κατά την τεχνητή σύνθεση υπερβαρέων στοιχείων.

Υπάρχει ένας άλλος περιορισμός. Οι σύνθετοι πυρήνες που λαμβάνονται σε αντιδράσεις ψυχρής σύντηξης έχουν σχετικά μικρό αριθμό νετρονίων. Στην περίπτωση του σχηματισμού του 112ου στοιχείου που εξετάστηκε παραπάνω, ο τελικός πυρήνας με Z = 112 έχει μόνο 165 νετρόνια, ενώ αναμένεται αύξηση της σταθερότητας για τον αριθμό των νετρονίων N > 170 (βλ. Εικ. 3).

Πυρήνες με μεγάλη περίσσεια νετρονίων μπορούν, καταρχήν, να ληφθούν εάν χρησιμοποιούνται ως στόχοι τεχνητά στοιχεία: πλουτώνιο (Z=94), αμερίκιο (Z=95) ή κούριο (Z=96) που παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και σπάνια στοιχεία ως βλήμα ισότοπο ασβεστίου - 48 Ca. (Δες παρακάτω).

Ο πυρήνας του ατόμου Ca 48 περιέχει 20 πρωτόνια και 28 νετρόνια - και οι δύο τιμές αντιστοιχούν σε κλειστά κελύφη. Σε αντιδράσεις σύντηξης με 48 πυρήνες Ca, θα λειτουργήσει επίσης η «μαγική» δομή τους (αυτόν τον ρόλο στις αντιδράσεις ψυχρής σύντηξης έπαιξαν οι μαγικοί πυρήνες του στόχου - 208 Pb), με αποτέλεσμα η ενέργεια διέγερσης των υπερβαρέων πυρήνων να είναι περίπου 30 - 35 MeV. Η μετάβασή τους στη βασική κατάσταση θα συνοδεύεται από την εκπομπή τριών νετρονίων και ακτίνων γάμμα. Θα μπορούσε κανείς να αναμένει ότι σε αυτή την ενέργεια διέγερσης η επίδραση των πυρηνικών κελυφών εξακολουθεί να είναι παρούσα σε θερμαινόμενους υπερβαρείς πυρήνες, αυτό θα αυξήσει την επιβίωσή τους και θα μας επιτρέψει να τα συνθέσουμε στα πειράματά μας. Σημειώστε επίσης ότι η ασυμμετρία των μαζών των αλληλεπιδρώντων πυρήνων (Z 1 × Ζ 2 ≤ 2000) μειώνει την απόκρουσή τους Coulomb και έτσι αυξάνει την πιθανότητα συγχώνευσης.

Παρά αυτά τα φαινομενικά προφανή πλεονεκτήματα, όλες οι προηγούμενες προσπάθειες σύνθεσης υπερβαρέων στοιχείων σε αντιδράσεις με ιόντα ασβεστίου 48, που έγιναν σε διάφορα εργαστήρια το 1977 - 1985, απέτυχαν. αποδείχθηκε αναποτελεσματική. Ωστόσο, η ανάπτυξη της πειραματικής τεχνολογίας τα τελευταία χρόνια και, κυρίως, η παραγωγή στο εργαστήριό μας έντονων δεσμών ιόντων Ca 48 σε επιταχυντές νέας γενιάς, κατέστησε δυνατή την αύξηση της ευαισθησίας του πειράματος κατά σχεδόν 1000 φορές. Αυτά τα επιτεύγματα χρησιμοποιήθηκαν σε μια νέα προσπάθεια σύνθεσης υπερβαρέων στοιχείων.

3 Αναμενόμενες ιδιότητες

Τι περιμένουμε να δούμε στο πείραμα εάν η σύνθεση είναι επιτυχής; Εάν η θεωρητική υπόθεση είναι αληθινή, τότε οι υπερβαρείς πυρήνες θα είναι σταθεροί σε σχέση με την αυθόρμητη σχάση. Στη συνέχεια θα βιώσουν έναν άλλο τύπο διάσπασης: την άλφα διάσπαση (εκπομπή ενός πυρήνα ηλίου που αποτελείται από 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια). Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, σχηματίζεται ένας θυγατρικός πυρήνας που είναι 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια ελαφρύτερος από τον μητρικό πυρήνα. Εάν ο θυγατρικός πυρήνας έχει μικρή πιθανότητα αυθόρμητης σχάσης, τότε μετά τη δεύτερη διάσπαση άλφα ο πυρήνας του εγγονού θα είναι τώρα 4 πρωτόνια και 4 νετρόνια ελαφρύτερος από τον αρχικό πυρήνα. Οι διασπάσεις άλφα θα συνεχιστούν μέχρι να συμβεί αυθόρμητη σχάση (Εικ. 4).

Οτι. αναμένουμε να δούμε όχι μόνο μια διάσπαση, αλλά μια «ραδιενεργή οικογένεια», μια αλυσίδα διαδοχικών διασπάσεων άλφα, αρκετά μεγάλης χρονικής διάρκειας (σε πυρηνική κλίμακα), που ανταγωνίζονται, αλλά τελικά διακόπτονται από την αυθόρμητη σχάση. Κατ' αρχήν, ένα τέτοιο σενάριο αποσύνθεσης υποδηλώνει ήδη το σχηματισμό ενός υπερβαρύ πυρήνα.

Για να δούμε πλήρως την αναμενόμενη αύξηση της σταθερότητας, είναι απαραίτητο να πλησιάσουμε όσο το δυνατόν πιο κοντά στα κλειστά κελύφη Z = 114 και N = 184. Είναι εξαιρετικά δύσκολο να συντεθούν τέτοιοι πυρήνες περίσσειας νετρονίων σε πυρηνικές αντιδράσεις, καθώς όταν συγχωνεύονται πυρήνες σταθερά στοιχεία που έχουν ήδη μια ορισμένη αναλογία πρωτονίων και νετρονίων, είναι αδύνατο να φτάσουμε στον διπλά μαγικό πυρήνα 298 114. Επομένως, πρέπει να προσπαθήσουμε να χρησιμοποιήσουμε πυρήνες στην αντίδραση που αρχικά περιέχουν τον μέγιστο δυνατό αριθμό νετρονίων. Αυτό, σε μεγάλο βαθμό, καθόρισε και την επιλογή των επιταχυνόμενων ιόντων Ca 48 ως βλήματος. Όπως γνωρίζετε, υπάρχει πολύ ασβέστιο στη φύση. Αποτελείται από το 97% του ισοτόπου 40 Ca, ο πυρήνας του οποίου περιέχει 20 πρωτόνια και 20 νετρόνια. Αλλά περιέχει 0,187% βαρύ ισότοπο - 48 Ca (20 πρωτόνια και 28 νετρόνια) το οποίο έχει 8 περίσσεια νετρονίων. Η τεχνολογία για την παραγωγή του είναι πολύ εντάσεως εργασίας και δαπανηρή. το κόστος ενός γραμμαρίου εμπλουτισμένου 48 Ca είναι περίπου 200.000 $. Ως εκ τούτου, έπρεπε να αλλάξουμε σημαντικά τη σχεδίαση και τους τρόπους λειτουργίας του επιταχυντή μας προκειμένου να βρούμε μια συμβιβαστική λύση - να αποκτήσουμε τη μέγιστη ένταση της δέσμης ιόντων με ελάχιστη κατανάλωση αυτού του εξωτικού υλικού.

Εικόνα 4
Θεωρητικές προβλέψεις σχετικά με τους τύπους διάσπασης (που φαίνονται με διαφορετικά χρώματα στο σχήμα) και τους χρόνους ημιζωής των ισοτόπων υπερβαρέων στοιχείων με διαφορετικούς αριθμούς πρωτονίων και νετρονίων. Ως παράδειγμα, φαίνεται ότι για το ισότοπο του 116ου στοιχείου με μάζα 293, που σχηματίζεται στην αντίδραση σύντηξης των πυρήνων 248 St και 48 Ca, αναμένονται τρεις διαδοχικές διασπάσεις άλφα, οι οποίες τελειώνουν με την αυθόρμητη σχάση του μεγάλου -εγγονός πυρήνας του 110ου στοιχείου με μάζα 281. Όπως φαίνεται στο Σχ. 8 είναι ακριβώς ένα τέτοιο σενάριο αποσύνθεσης, με τη μορφή αλυσίδας α - α - α - SF, που παρατηρήθηκε για αυτόν τον πυρήνα στο πείραμα. Η διάσπαση ενός ελαφρύτερου πυρήνα είναι το ισότοπο του 110ου στοιχείου με μάζα 271 που λαμβάνεται στην αντίδραση «ψυχρής σύντηξης» πυρήνων 208 Pb + 64 Ni. Ο χρόνος ημιζωής του είναι 10 4 φορές μικρότερος από αυτόν του ισοτόπου 281 110 .

Σήμερα φτάσαμε σε ρεκόρ έντασης δέσμης - 8 × 10 12 / s, με πολύ χαμηλή κατανάλωση του ισοτόπου 48 Ca - περίπου 0,5 χιλιοστόγραμμα / ώρα. Ως υλικό στόχο χρησιμοποιούμε μακρόβια εμπλουτισμένα ισότοπα τεχνητών στοιχείων: Pu, Am, Cm και Cf (Z = 94-96 και 98) επίσης με μέγιστη περιεκτικότητα σε νετρόνια. Παράγονται σε ισχυρούς πυρηνικούς αντιδραστήρες (στο Oak Ridge των ΗΠΑ και στο Dimitrovgrad της Ρωσίας) και στη συνέχεια εμπλουτίζονται σε ειδικές εγκαταστάσεις, διαχωριστές μάζας στο Πανρωσικό Ινστιτούτο Ερευνών Πειραματικής Φυσικής (Sarov). Οι αντιδράσεις σύντηξης 48 πυρήνων Ca με πυρήνες αυτών των ισοτόπων επιλέχθηκαν για τη σύνθεση στοιχείων με Z = 114 - 118.

Εδώ θα ήθελα να κάνω μια παρέκκλιση.

Δεν έχουν όλα τα εργαστήρια, ακόμη και τα κορυφαία πυρηνικά κέντρα στον κόσμο, τόσο μοναδικά υλικά και σε τέτοιες ποσότητες που χρησιμοποιούμε στη δουλειά μας. Όμως οι τεχνολογίες για την παραγωγή τους έχουν αναπτυχθεί στη χώρα μας και αναπτύσσονται από τον κλάδο μας. Ο Υπουργός Ατομικής Ενέργειας της Ρωσίας πρότεινε να αναπτύξουμε ένα πρόγραμμα εργασίας για τη σύνθεση νέων στοιχείων για 5 χρόνια και διέθεσε ειδική επιχορήγηση για τη διεξαγωγή αυτής της έρευνας. Από την άλλη πλευρά, δουλεύοντας στο Κοινό Ινστιτούτο Πυρηνικής Έρευνας, συνεργαζόμαστε ευρέως (και ανταγωνιζόμαστε) με κορυφαία εργαστήρια στον κόσμο. Στην έρευνα για τη σύνθεση υπερβαρέων στοιχείων, συνεργαζόμαστε στενά εδώ και πολλά χρόνια με το Εθνικό Εργαστήριο Livermore (ΗΠΑ). Αυτή η συνεργασία όχι μόνο συνδυάζει τις προσπάθειές μας, αλλά δημιουργεί επίσης συνθήκες υπό τις οποίες τα πειραματικά αποτελέσματα επεξεργάζονται και αναλύονται ανεξάρτητα από δύο ομάδες σε όλα τα στάδια του πειράματος.
Πάνω από 5 χρόνια εργασίας, κατά τη διάρκεια μακροχρόνιας ακτινοβόλησης, μια δόση περίπου 2 × 10 20 ιόντα (περίπου 16 χιλιοστόγραμμα 48 Ca, με επιτάχυνση στο ~ 1/10 της ταχύτητας του φωτός, πέρασαν από τα στρώματα στόχου). Σε αυτά τα πειράματα, παρατηρήθηκε ο σχηματισμός ισοτόπων 112÷118 στοιχείων (με εξαίρεση το 117ο στοιχείο) και προέκυψαν τα πρώτα αποτελέσματα για τις ιδιότητες διάσπασης νέων υπερβαρέων νουκλεϊδίων. Η παρουσίαση όλων των αποτελεσμάτων θα έπαιρνε πολύ χώρο και, για να μην κουράσουμε τον αναγνώστη, θα περιοριστούμε στην περιγραφή μόνο του τελευταίου πειράματος για τη σύνθεση 113 και 115 στοιχείων - όλες οι άλλες αντιδράσεις μελετήθηκαν με παρόμοιο τρόπο. Αλλά πριν ξεκινήσετε αυτήν την εργασία, θα ήταν σκόπιμο να περιγράψουμε εν συντομία τη ρύθμιση του πειράματος και να εξηγήσουμε τις βασικές αρχές λειτουργίας της εγκατάστασής μας.

4. Ρύθμιση του πειράματος

Εικόνα 5
Σχηματική άποψη της εγκατάστασης για τον διαχωρισμό πυρήνων ανάκρουσης σε πειράματα σύνθεσης βαρέων στοιχείων

Διανοητικά, ολόκληρη η επιφάνεια του ανιχνευτή μπορεί να αναπαρασταθεί ως περίπου 500 κελιά (pixel) στα οποία ανιχνεύονται διασπάσεις. Η πιθανότητα δύο σήματα να πέσουν τυχαία στην ίδια θέση είναι 1/500, τρία σήματα - 1/250000 κ.λπ. Αυτό καθιστά δυνατή την επιλογή, με μεγάλη αξιοπιστία, από έναν τεράστιο αριθμό ραδιενεργών προϊόντων πολύ σπάνιων γεγονότων γενετικά σχετικών διαδοχικών διασπάσεων υπερβαρέων πυρήνων, ακόμη και αν σχηματίζονται σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες (~1 άτομο/μήνα).

5. Πειραματικά αποτελέσματα

Για να δείξουμε την εγκατάσταση «σε δράση», θα περιγράψουμε, ως παράδειγμα, λεπτομερέστερα τα πειράματα για τη σύνθεση του στοιχείου 115 που σχηματίστηκε στην αντίδραση σύντηξης των πυρήνων 243 Am(Z=95) + 48 Ca(Z= 20) → 291 115.
Η σύνθεση ενός Z-περίεργου πυρήνα είναι ελκυστική επειδή η παρουσία ενός περιττού πρωτονίου ή νετρονίου μειώνει σημαντικά την πιθανότητα αυθόρμητης σχάσης και ο αριθμός των διαδοχικών μεταπτώσεων άλφα θα είναι μεγαλύτερος (μακριές αλυσίδες) από ότι στην περίπτωση της διάσπασης άρτιων ακόμη και πυρήνες. Για να ξεπεραστεί το φράγμα Coulomb, 48 ιόντα Ca πρέπει να έχουν ενέργεια E > 236 MeV. Από την άλλη πλευρά, πληρώντας αυτή την προϋπόθεση, εάν περιορίσουμε την ενέργεια της δέσμης σε E = 248 MeV, τότε η θερμική ενέργεια του σύνθετου πυρήνα 291 115 θα είναι περίπου 39 MeV. Η ψύξη του θα συμβεί μέσω της εκπομπής 3 νετρονίων και ακτίνων γάμμα. Τότε το προϊόν της αντίδρασης θα είναι το ισότοπο 115 του στοιχείου με τον αριθμό των νετρονίων N=173. Έχοντας πετάξει έξω από το στρώμα στόχου, ένα άτομο ενός νέου στοιχείου θα περάσει μέσα από έναν διαχωριστή που έχει ρυθμιστεί να το μεταδίδει και να εισέλθει στον ανιχνευτή. Περαιτέρω γεγονότα αναπτύσσονται όπως φαίνεται στο Σχ. 6. 80 μικροδευτερόλεπτα αφότου σταματήσει ο πυρήνας ανάκρουσης στον μετωπικό ανιχνευτή, το σύστημα απόκτησης δεδομένων λαμβάνει σήματα σχετικά με την ώρα άφιξής του, την ενέργεια και τις συντεταγμένες του (αριθμός λωρίδας και θέση σε αυτό). Σημειώστε ότι αυτές οι πληροφορίες έχουν το χαρακτηριστικό "TOF" (προήλθε από το διαχωριστικό). Εάν εντός 10 δευτερολέπτων ακολουθήσει ένα δεύτερο σήμα με ενέργεια μεγαλύτερη από 9,8 MeV από την ίδια θέση στην επιφάνεια του ανιχνευτή, χωρίς το σύμβολο «TOF» (δηλαδή από την αποσύνθεση του εμφυτευμένου ατόμου), η δέσμη απενεργοποιείται και όλα τα περαιτέρω η αποσύνθεση καταγράφεται σε συνθήκες σχεδόν πλήρους απουσίας υποβάθρου. Όπως φαίνεται στο πάνω γράφημα του Σχ. 6, πίσω από τα δύο πρώτα σήματα - από τον πυρήνα ανάκρουσης και το πρώτο σωματίδιο άλφα - για χρόνο περίπου 20 δευτερολέπτων. μετά την απενεργοποίηση της δέσμης, ακολούθησαν άλλα 4 σήματα, οι θέσεις των οποίων, με ακρίβεια ± 0,5 mm, συμπίπτουν με τα προηγούμενα σήματα. Τις επόμενες 2,5 ώρες ο ανιχνευτής ήταν αθόρυβος. Η αυθόρμητη σχάση στην ίδια λωρίδα και στην ίδια θέση καταγράφηκε μόλις την επόμενη μέρα, 28,7 ώρες αργότερα, με τη μορφή δύο σημάτων από θραύσματα σχάσης συνολικής ενέργειας 206 MeV.
Τέτοιες αλυσίδες καταχωρήθηκαν τρεις φορές. Έχουν όλα την ίδια εμφάνιση (6 γενιές πυρήνων στη ραδιενεργή οικογένεια) και είναι συνεπείς μεταξύ τους τόσο στην ενέργεια των σωματιδίων άλφα όσο και στον χρόνο εμφάνισής τους, λαμβάνοντας υπόψη τον εκθετικό νόμο της πυρηνικής διάσπασης. Εάν το παρατηρούμενο φαινόμενο σχετίζεται, όπως αναμένεται, με τη διάσπαση του ισοτόπου του στοιχείου 115 με μάζα 288, που σχηματίζεται μετά την εξάτμιση 3 νετρονίων από έναν σύνθετο πυρήνα, τότε με αύξηση της ενέργειας της δέσμης ιόντων Ca 48 κατά μόνο 5 MeV, θα πρέπει να μειωθεί κατά 5-6 φορές. Πράγματι, στο E = 253 MeV δεν υπήρξε κανένα αποτέλεσμα. Αλλά εδώ παρατηρήθηκε μια άλλη, μικρότερη, αλυσίδα διασπάσεων, αποτελούμενη από τέσσερα σωματίδια άλφα (πιστεύουμε ότι υπήρχαν και 5 από αυτά, αλλά το τελευταίο σωματίδιο άλφα πέταξε έξω από το ανοιχτό παράθυρο) διάρκειας μόνο 0,4 δευτερολέπτων. Η νέα αλυσίδα διασπάσεων έληξε μετά από 1,5 ώρα με αυθόρμητη σχάση. Προφανώς, πρόκειται για τη διάσπαση ενός άλλου πυρήνα, πιθανότατα του γειτονικού ισοτόπου του 115ου στοιχείου με μάζα 287, που σχηματίστηκε σε μια αντίδραση σύντηξης με την εκπομπή 4 νετρονίων. Η αλυσίδα των διαδοχικών διασπάσεων του περιττού-περιττού ισοτόπου Z=115, N=173 παρουσιάζεται στο κάτω γράφημα του Σχ. 6, το οποίο δείχνει τους υπολογισμένους χρόνους ημιζωής υπερβαρέων νουκλιδίων με διαφορετικούς αριθμούς πρωτονίων και νετρονίων με τη μορφή χάρτη περιγράμματος. Δείχνει επίσης τη διάσπαση ενός άλλου, ελαφρύτερου περιττού ισοτόπου του 111ου στοιχείου με τον αριθμό των νετρονίων N = 161 που συντέθηκαν στην αντίδραση 209 Bi+ 64 Ni στο Γερμανικό Εργαστήριο - GSI (Darmstadt) και στη συνέχεια στο Ιαπωνικό - RIKEN ( Τόκιο).

Εικόνα 6
Πείραμα για τη σύνθεση του στοιχείου 115 στην αντίδραση 48 Ca + 243 At.
Το επάνω σχήμα δείχνει τους χρόνους στους οποίους εμφανίζονται τα σήματα μετά την εμφύτευση ενός πυρήνα ανάκρουσης (R) στον ανιχνευτή. Τα σήματα από την καταγραφή των σωματιδίων άλφα σημειώνονται με κόκκινο χρώμα, τα σήματα από την αυθόρμητη σχάση σημειώνονται με πράσινο. Για παράδειγμα, για ένα από τα τρία συμβάντα δίνονται οι συντεταγμένες θέσης (σε mm) και των 7 σημάτων από την αλυσίδα αποσύνθεσης R →α 1 → α 2 → α 3 → α 4 →α 5 → SF καταγράφηκε στη λωρίδα Νο. 4. Το κάτω σχήμα δείχνει τις αλυσίδες διάσπασης των πυρήνων με Ζ=111, Ν=161 και Ζ=115, Ν=173. Οι γραμμές περιγράμματος που σκιαγραφούν περιοχές πυρήνων με διαφορετικούς χρόνους ημιζωής (διαφορετικοί βαθμοί σκοταδισμού) είναι προβλέψεις της μικροσκοπικής θεωρίας.

Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να σημειωθεί ότι οι πυρηνικοί χρόνοι ημιζωής και στις δύο περιπτώσεις συμφωνούν καλά με τις θεωρητικές προβλέψεις. Παρά το γεγονός ότι το ισότοπο 288 115 απομακρύνεται από το κέλυφος νετρονίων N=184 με 11 νετρόνια, τα ισότοπα 115 και 113 στοιχεία έχουν σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής (T 1/2 ~ 0,1 s και 0,5 s, αντίστοιχα).
Μετά από πέντε διασπάσεις άλφα, σχηματίζεται το ισότοπο 105 του στοιχείου - ντουβίνιο (Db) με N=163, η σταθερότητα του οποίου προσδιορίζεται από ένα άλλο κλειστό κέλυφος N=162. Η δύναμη αυτού του κελύφους αποδεικνύεται από την τεράστια διαφορά στους χρόνους ημιζωής δύο ισοτόπων Db που διαφέρουν μεταξύ τους μόνο κατά 8 νετρόνια. Ας σημειώσουμε, για άλλη μια φορά, ότι ελλείψει δομής (πυρηνικά κελύφη), όλα τα ισότοπα των 105÷115 στοιχείων θα έπρεπε να υποστούν αυθόρμητη σχάση σε χρόνο ~ 10 -19 s.

(χημικό πείραμα)

Στο παράδειγμα που περιγράφεται παραπάνω, οι ιδιότητες του μακρόβιου ισοτόπου 268 Db, το οποίο ολοκληρώνει την αλυσίδα διάσπασης του στοιχείου 115, παρουσιάζουν ανεξάρτητο ενδιαφέρον.
Σύμφωνα με τον Περιοδικό Νόμο, το στοιχείο 105 βρίσκεται στη σειρά V. Είναι, όπως φαίνεται στο Σχ. 7, ένα χημικό ομόλογο του νιοβίου (Nb) και του τανταλίου (Ta) και διαφέρει στις χημικές ιδιότητες από όλα τα ελαφρύτερα στοιχεία - ακτινίδες (Z = 90÷103) που αντιπροσωπεύουν μια ξεχωριστή ομάδα στο D.I. Τραπέζι. Μεντελέεφ. Λόγω της μεγάλης ημιζωής του, αυτό το ισότοπο του στοιχείου 105 μπορεί να διαχωριστεί από όλα τα προϊόντα αντίδρασης ραδιοχημική μέθοδοςακολουθούμενη από μέτρηση της αποσύνθεσής του - αυθόρμητη σχάση. Αυτό το πείραμα παρέχει μια ανεξάρτητη αναγνώριση του ατομικού αριθμού του τελικού πυρήνα (Z = 105) και όλων των νουκλεϊδίων που παράγονται στις διαδοχικές διασπάσεις άλφα του στοιχείου 115.
Σε ένα χημικό πείραμα δεν χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί διαχωριστής πυρήνων ανάκρουσης. Ο διαχωρισμός των προϊόντων αντίδρασης με τον ατομικό τους αριθμό πραγματοποιείται με μεθόδους που βασίζονται στη διαφορά στις χημικές τους ιδιότητες. Ως εκ τούτου, εδώ χρησιμοποιήθηκε μια πιο απλοποιημένη τεχνική. Τα προϊόντα αντίδρασης που πετούσαν έξω από τον στόχο οδηγήθηκαν σε έναν συλλέκτη χαλκού που βρίσκεται κατά μήκος της διαδρομής της κίνησής τους σε βάθος 3-4 μικρών. Μετά από 20-30 ώρες ακτινοβόλησης, η συλλογή διαλύθηκε. Από το διάλυμα απομονώθηκε ένα κλάσμα τρανσακτινοειδών - στοιχεία Z > 104 - και από αυτό το κλάσμα, στη συνέχεια τα στοιχεία της 5ης σειράς - Db, συνοδευόμενα από τα χημικά τους ομόλογα Nb και Ta. Τα τελευταία προστέθηκαν ως «δείκτες» στο διάλυμα πριν από τον χημικό διαχωρισμό. Ένα σταγονίδιο ενός διαλύματος που περιέχει Db εναποτέθηκε σε ένα λεπτό υπόστρωμα, ξηράνθηκε και στη συνέχεια τοποθετήθηκε μεταξύ δύο ανιχνευτών ημιαγωγών που κατέγραψαν και τα δύο θραύσματα αυθόρμητης σχάσης. Ολόκληρο το συγκρότημα τοποθετήθηκε, με τη σειρά του, σε έναν ανιχνευτή νετρονίων, ο οποίος καθόριζε τον αριθμό των νετρονίων που εκπέμπονταν από θραύσματα κατά τη διάσπαση των πυρήνων Db.
Τον Ιούνιο του 2004 πραγματοποιήθηκαν 12 πανομοιότυπα πειράματα (S.N. Dmitriev και άλλοι), στα οποία καταγράφηκαν 15 γεγονότα αυθόρμητης διαίρεσης του Db. Τα θραύσματα αυθόρμητης σχάσης Db έχουν κινητική ενέργεια περίπου 235 MeV, και κατά μέσο όρο εκπέμπονται περίπου 4 νετρόνια για κάθε γεγονός σχάσης. Τέτοια χαρακτηριστικά είναι εγγενή στην αυθόρμητη σχάση ενός αρκετά βαρύ πυρήνα. Ας θυμηθούμε ότι για 238 U αυτές οι τιμές είναι περίπου 170 MeV και 2 νετρόνια, αντίστοιχα.
Το χημικό πείραμα επιβεβαιώνει τα αποτελέσματα του φυσικού πειράματος: οι πυρήνες του 115ου στοιχείου που σχηματίστηκαν στην αντίδραση 243 Am + 48 Ca ως αποτέλεσμα διαδοχικών πέντε διασπάσεων άλφα: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 στην πραγματικότητα οδηγούν στην σχηματισμός ενός μακρόβιου αυθόρμητα σχάσιμου πυρήνα με ατομικό αριθμό 105. Σε αυτά τα πειράματα, ως θυγατρικό γινόμενο της διάσπασης άλφα του στοιχείου 115, συντέθηκε επίσης ένα άλλο, προηγουμένως άγνωστο στοιχείο με ατομικό αριθμό 113.

Εικόνα 7
Φυσικά και χημικά πειράματα για τη μελέτη των ραδιενεργών ιδιοτήτων του 115ου στοιχείου.
Στην αντίδραση 48 Ca + 243 At, χρησιμοποιώντας μια φυσική διάταξη φάνηκε ότι πέντε διαδοχικά
οι διασπάσεις άλφα του ισοτόπου 288 115 οδηγούν στο μακρόβιο ισότοπο του 105ου στοιχείου - 268 Db, το οποίο
χωρίζεται αυθόρμητα σε δύο θραύσματα. Σε ένα χημικό πείραμα, διαπιστώθηκε ότι ένας πυρήνας με ατομικό αριθμό 105 υφίσταται αυθόρμητη σχάση.

6. Η μεγάλη εικόνα και το μέλλον

Προοπτικές

Τώρα το καθήκον είναι να μελετήσουμε λεπτομερέστερα την πυρηνική και ατομική δομή των νέων στοιχείων, η οποία είναι πολύ προβληματική, κυρίως λόγω της χαμηλής απόδοσης των επιθυμητών προϊόντων αντίδρασης. Προκειμένου να αυξηθεί ο αριθμός των ατόμων των υπερβαρέων στοιχείων, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η ένταση της δέσμης ιόντων 48 Ca και να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα των φυσικών τεχνικών. Ο εκσυγχρονισμός του επιταχυντή βαρέων ιόντων, που προγραμματίζεται για τα επόμενα χρόνια, χρησιμοποιώντας όλα τα τελευταία επιτεύγματα στην τεχνολογία επιταχυντών, θα μας επιτρέψει να αυξήσουμε την ένταση της δέσμης ιόντων κατά περίπου 5 φορές. Η λύση στο δεύτερο μέρος απαιτεί μια ριζική αλλαγή στην πειραματική διάταξη. μπορεί να βρεθεί στη δημιουργία μιας νέας πειραματικής τεχνικής που βασίζεται στις ιδιότητες των υπερβαρέων στοιχείων.

Εικόνα 8
Χάρτης νουκλεϊδίων βαρέων και υπερβαρέων στοιχείων.
Για τους πυρήνες μέσα στα ωοειδή που αντιστοιχούν στις διάφορες αντιδράσεις σύντηξης (που φαίνονται στο σχήμα), δίνονται οι χρόνοι ημιζωής και οι ενέργειες των εκπεμπόμενων σωματιδίων άλφα (κίτρινα τετράγωνα). Τα δεδομένα παρουσιάζονται σε έναν χάρτη περιγράμματος της διαχωριστικής περιοχής με βάση τη συμβολή του φαινομένου του πυρηνικού κελύφους στην πυρηνική δεσμευτική ενέργεια. Ελλείψει πυρηνικής δομής, ολόκληρο το πεδίο θα ήταν λευκό. Καθώς σκουραίνουν, η επίδραση των κελυφών αυξάνεται. Δύο γειτονικές ζώνες διαφέρουν μόνο κατά 1 MeV. Αυτό, ωστόσο, είναι αρκετό για να αυξήσει σημαντικά τη σταθερότητα των πυρήνων σε σχέση με την αυθόρμητη σχάση, ως αποτέλεσμα της οποίας τα νουκλεΐδια που βρίσκονται κοντά στους «μαγικούς» αριθμούς πρωτονίων και νετρονίων βιώνουν κυρίως διάσπαση άλφα. Από την άλλη πλευρά, στα ισότοπα του 110ου και του 112ου στοιχείου, η αύξηση του αριθμού των νετρονίων κατά 8 ατομικές μονάδες οδηγεί σε αύξηση των περιόδων άλφα διάσπασης των πυρήνων κατά περισσότερες από 10 5 φορές.

Η αρχή λειτουργίας της τρέχουσας εγκατάστασης - ο κινηματικός διαχωριστής των πυρήνων ανάκρουσης (Εικ. 5) βασίζεται στη διαφορά στα κινηματικά χαρακτηριστικά διαφόρων τύπων αντιδράσεων. Τα προϊόντα της αντίδρασης σύντηξης πυρήνων στόχου και 48 Ca που μας ενδιαφέρουν πετούν έξω από τον στόχο προς την εμπρός κατεύθυνση, σε έναν στενό γωνιακό κώνο ± 3 0 με κινητική ενέργεια περίπου 40 MeV. Περιορίζοντας τις τροχιές των πυρήνων ανάκρουσης, λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις παραμέτρους, συντονίζουμε σχεδόν πλήρως τη δέσμη ιόντων, καταστέλλουμε το φόντο των παραπροϊόντων της αντίδρασης κατά συντελεστή 10 4 ÷ 10 6 και παραδίδουμε άτομα νέων στοιχείων στον ανιχνευτή με απόδοση περίπου 40% σε 1 μικροδευτερόλεπτο. Με άλλα λόγια, ο διαχωρισμός των προϊόντων της αντίδρασης γίνεται «εν πτήσει».

Εικόνα 8 Εγκατάσταση MASHA
Το επάνω σχήμα δείχνει ένα διάγραμμα του διαχωριστή και την αρχή της λειτουργίας του. Οι πυρήνες ανάκρουσης που εκτινάσσονται από το στρώμα στόχο σταματούν σε έναν συλλέκτη γραφίτη σε βάθος αρκετών μικρομέτρων. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του συλλέκτη, διαχέονται στον θάλαμο της πηγής ιόντων, ανασύρονται έξω από το πλάσμα, επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο και αναλύονται κατά μάζα με μαγνητικά πεδία καθώς κινούνται προς τον ανιχνευτή. Σε αυτό το σχέδιο, η μάζα ενός ατόμου μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια 1/3000. Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια γενική άποψη της εγκατάστασης.

Προκειμένου όμως να επιτευχθεί υψηλή επιλεκτικότητα της εγκατάστασης, είναι σημαντικό να διατηρηθούν και να μην «κηλιδωθούν» οι κινηματικές παραμέτρους - γωνίες αναχώρησης και ενέργειες των πυρήνων ανάκρουσης. Εξαιτίας αυτού, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν στρώματα στόχου με πάχος όχι μεγαλύτερο από 0,3 μικρόμετρα - περίπου τρεις φορές μικρότερο από αυτό που απαιτείται για να επιτευχθεί αποτελεσματική απόδοση ενός υπερβαρύ πυρήνα με δεδομένη μάζα ή 5-6 φορές λιγότερο εάν μιλούν για τη σύνθεση δύο ισοτόπων ενός δεδομένου στοιχείου γειτονικά σε μάζα. Επιπλέον, για να ληφθούν δεδομένα σχετικά με τον αριθμό μάζας των ισοτόπων ενός υπερβαρύ στοιχείου, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί μια μακρά και εντατική σειρά πειραμάτων - επαναλαμβανόμενες μετρήσεις σε διαφορετικές ενέργειες της δέσμης ιόντων Ca 48.
Ταυτόχρονα, όπως προκύπτει από τα πειράματά μας, τα συντιθέμενα άτομα υπερβαρέων στοιχείων έχουν χρόνο ημιζωής που υπερβαίνουν σημαντικά την ταχύτητα του κινηματικού διαχωριστή. Επομένως, σε πολλές περιπτώσεις, δεν υπάρχει ανάγκη διαχωρισμού των προϊόντων αντίδρασης σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα. Στη συνέχεια, μπορείτε να αλλάξετε την αρχή λειτουργίας της εγκατάστασης και να διαχωρίσετε τα προϊόντα αντίδρασης σε διάφορα στάδια.
Το διάγραμμα της νέας εγκατάστασης φαίνεται στο Σχ. 9. Μετά την εμφύτευση των πυρήνων ανάκρουσης σε έναν συλλέκτη που θερμαίνεται σε θερμοκρασία 2000 0 C, τα άτομα διαχέονται στο πλάσμα της πηγής ιόντων, ιονίζονται στο πλάσμα σε φορτίο q = 1 +, ανασύρονται από την πηγή με ένα ηλεκτρικό πεδίου, διαχωρίζονται κατά μάζα σε μαγνητικά πεδία ειδικού προφίλ και, τέλος, καταχωρούνται (κατά τύπο διάσπασης) από ανιχνευτές που βρίσκονται στο εστιακό επίπεδο. Η όλη διαδικασία μπορεί να πάρει, σύμφωνα με εκτιμήσεις, χρόνο από δέκατα του δευτερολέπτου έως αρκετά δευτερόλεπτα, ανάλογα με τις συνθήκες θερμοκρασίας και τις φυσικοχημικές ιδιότητες των διαχωρισμένων ατόμων. Κατώτερη σε ταχύτητα από τον κινηματικό διαχωριστή, η νέα εγκατάσταση είναι MASHA (συντομογραφία για το πλήρες όνομα Αναλυτής μάζας Super Heavy Atoms) - θα αυξήσει την απόδοση λειτουργίας κατά περίπου 10 φορές και θα παρέχει, μαζί με τις ιδιότητες διάσπασης, μια άμεση μέτρηση της μάζας των υπερβαρέων πυρήνων.
Χάρη σε μια επιχορήγηση που διατέθηκε από τον Κυβερνήτη της Περιφέρειας της Μόσχας B.V. Gromov για τη δημιουργία αυτής της εγκατάστασης, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε σε σύντομο χρονικό διάστημα - σε 2 χρόνια, πέρασε δοκιμές και είναι έτοιμο για λειτουργία. Μετά την ανακατασκευή του γκαζιού, με την εγκατάσταση του MASHA. Θα επεκτείνουμε σημαντικά την έρευνά μας στις ιδιότητες των νέων νουκλεϊδίων και θα προσπαθήσουμε να προχωρήσουμε περαιτέρω στην περιοχή των βαρύτερων στοιχείων.

(αναζήτηση για υπερβαριά στοιχεία στη φύση)

Μια άλλη πλευρά του προβλήματος των υπερβαρέων στοιχείων σχετίζεται με την παραγωγή νουκλεϊδίων μεγαλύτερης διάρκειας ζωής. Στα πειράματα που περιγράφονται παραπάνω, πλησιάσαμε μόνο την άκρη του «νησί», ανακαλύψαμε μια απότομη άνοδο, αλλά είμαστε ακόμα μακριά από την κορυφή του, όπου οι πυρήνες μπορούν να ζήσουν για χιλιάδες και, ίσως, ακόμη και εκατομμύρια χρόνια. Δεν έχουμε αρκετά νετρόνια στους συντιθέμενους πυρήνες για να πλησιάσουμε πιο κοντά στο κέλυφος N=184. Σήμερα αυτό είναι ανέφικτο - δεν υπάρχουν αντιδράσεις που θα επέτρεπαν την απόκτηση τέτοιων νουκλεϊδίων πλούσια σε νετρόνια. Ίσως στο μακρινό μέλλον, οι φυσικοί θα μπορέσουν να χρησιμοποιήσουν έντονες δέσμες ραδιενεργών ιόντων, με αριθμό νετρονίων μεγαλύτερο από εκείνους των 48 πυρήνων Ca. Τέτοια έργα συζητούνται τώρα ευρέως, χωρίς ακόμη να αγγίζουν το κόστος που απαιτείται για τη δημιουργία τέτοιων επιταχυνόμενων γιγάντων.

Ωστόσο, μπορείτε να προσπαθήσετε να προσεγγίσετε αυτό το πρόβλημα από διαφορετική οπτική γωνία.

Αν υποθέσουμε ότι οι μακροβιότεροι υπερβαρείς πυρήνες έχουν χρόνο ημιζωής 10 5 ÷ 10 6 χρόνια (όχι πολύ σε αντίθεση με τις προβλέψεις της θεωρίας, η οποία επίσης κάνει τις εκτιμήσεις της με κάποια ακρίβεια), τότε είναι πιθανό ότι μπορούν να ανιχνευθούν σε κοσμικές ακτίνες - μάρτυρες των στοιχείων σχηματισμού σε άλλους, νεότερους πλανήτες του Σύμπαντος. Αν κάνουμε μια ακόμη πιο ισχυρή υπόθεση ότι ο χρόνος ημιζωής των «μακρόβιων» θα μπορούσε να είναι δεκάδες εκατομμύρια χρόνια ή περισσότερο, τότε θα μπορούσαν να είναι παρόντες στη Γη, επιζώντας σε πολύ μικρές ποσότητες από το σχηματισμό των στοιχείων στο το ηλιακό σύστημα μέχρι σήμερα.
Μεταξύ των πιθανών υποψηφίων, δίνουμε προτίμηση στα ισότοπα του στοιχείου 108 (Hs), των οποίων οι πυρήνες περιέχουν περίπου 180 νετρόνια. Χημικά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με το βραχύβιο ισότοπο 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s) έδειξαν ότι το στοιχείο 108, όπως αναμενόταν, σύμφωνα με τον Περιοδικό Νόμο, είναι χημικό ομόλογο του 76ου στοιχείου - όσμιο (Os).

Εικόνα 10
Εγκατάσταση καταγραφής έκρηξης νετρονίων από αυθόρμητη σχάση πυρήνων κατά τη διάσπαση του στοιχείου 108. (Υπόγειο εργαστήριο στο Modan, Γαλλία)

Στη συνέχεια, ένα δείγμα μεταλλικού οσμίου μπορεί να περιέχει το 108 στοιχείο Eka(Os) σε πολύ μικρές ποσότητες. Η παρουσία του Eka(Os) στο όσμιο μπορεί να προσδιοριστεί από τη ραδιενεργή διάσπασή του. Ίσως το υπερβαρύ μακρύ συκώτι να παρουσιάσει αυθόρμητη σχάση ή αυθόρμητη σχάση μετά από προηγούμενες διασπάσεις άλφα ή βήτα (ένας τύπος ραδιενεργού μετασχηματισμού στον οποίο ένα από τα νετρόνια του πυρήνα μετατρέπεται σε πρωτόνιο) μιας ελαφρύτερης και βραχύτερης κόρης ή εγγονός πυρήνας. Επομένως, στο πρώτο στάδιο, είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί ένα πείραμα για την καταγραφή σπάνιων γεγονότων αυθόρμητης σχάσης ενός δείγματος οσμίου. Ένα τέτοιο πείραμα ετοιμάζεται. Οι μετρήσεις θα ξεκινήσουν στο τέλος του τρέχοντος έτους και θα συνεχιστούν για 1-1,5 χρόνο. Η διάσπαση ενός υπερβαρύ πυρήνα θα ανιχνευθεί από την έκρηξη νετρονίων που συνοδεύει την αυθόρμητη σχάση. Προκειμένου να προστατευθεί η εγκατάσταση από το υπόβαθρο νετρονίων που δημιουργείται από τις κοσμικές ακτίνες, οι μετρήσεις θα πραγματοποιηθούν σε ένα υπόγειο εργαστήριο που βρίσκεται κάτω από τις Άλπεις στη μέση μιας σήραγγας που συνδέει τη Γαλλία με την Ιταλία σε βάθος που αντιστοιχεί σε στρώμα νερού 4000 μέτρων ισοδύναμος.
Εάν κατά τη διάρκεια ενός έτους μετρήσεων παρατηρηθεί τουλάχιστον ένα γεγονός αυθόρμητης σχάσης ενός υπερβαρύ πυρήνα, τότε αυτό θα αντιστοιχεί σε συγκέντρωση του στοιχείου 108 στο δείγμα Os περίπου 5 × 10 -15 g/g, με την προϋπόθεση ότι ο χρόνος ημιζωής του είναι 10 9 χρόνια. Μια τόσο μικρή τιμή είναι μόνο 10 -16 μέρος της συγκέντρωσης ουρανίου στο φλοιό της γης.
Παρά την εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία του πειράματος, οι πιθανότητες ανίχνευσης λειψάνων, υπερβαρέων νουκλεϊδίων είναι μικρές. Αλλά οποιαδήποτε επιστημονική αναζήτηση έχει πάντα μια μικρή πιθανότητα... Η απουσία επίδρασης θα δώσει ένα ανώτερο όριο στον χρόνο ημιζωής ενός αιωνόβιου στο επίπεδο Τ 1/2 ≤ 3× 10 7 χρόνια. Όχι τόσο εντυπωσιακό, αλλά σημαντικό για την κατανόηση των ιδιοτήτων των πυρήνων στη νέα περιοχή σταθερότητας υπερβαρέων στοιχείων.

Αποτελέσματα αναζήτησης για \"σταθερά στοιχεία\". Περί υπερβαρέων στοιχείων Υπερβαριά στοιχεία στο νησί της σταθερότητας Η θεωρητική και πειραματική μελέτη της σταθερότητας του πυρήνα έδωσε στους Σοβιετικούς φυσικούς έναν λόγο να αναθεωρήσουν τα προηγούμενα μέθοδοι για την παραγωγή βαρέων υπερουρανίων. Στη Ντούμπνα αποφάσισαν να τραβήξουν νέους δρόμους και να στοχοποιήσουν οδηγωΚαι βισμούθιο. Ο πυρήνας, όπως και το άτομο στο σύνολό του, έχει δομή κελύφους. Ιδιαίτερα σταθεροί είναι οι ατομικοί πυρήνες που περιέχουν 2-8-20-28-50-82-114-126-164 πρωτόνια (δηλαδή ατομικούς πυρήνες με τον ίδιο ατομικό αριθμό) και 2-8-20-28-50-82-126 - 184-196-228-272-318 νετρόνια, λόγω της πλήρους δομής των κελυφών τους. Μόλις πρόσφατα κατέστη δυνατή η επιβεβαίωση αυτών των προβολών με υπολογισμούς υπολογιστή. Αυτή η ασυνήθιστη σταθερότητα τράβηξε το μάτι μου, πρώτα απ 'όλα, όταν μελετούσα την επικράτηση ορισμένων στοιχείων στο διάστημα. Ισότοπα, που κατέχουν αυτούς τους πυρηνικούς αριθμούς ονομάζονται μαγικά. Το ισότοπο βισμούθιου 209Bi, το οποίο έχει 126 νετρόνια, είναι ένα τέτοιο μαγικό νουκλίδιο. Αυτό περιλαμβάνει επίσης ισότοπα οξυγόνο, ασβέστιο, κασσίτερο. Δύο φορές μαγικά είναι: για το ήλιο - το ισότοπο 4 He (2 πρωτόνια, 2 νετρόνια), για το ασβέστιο - 48 Ca (20 πρωτόνια, 28 νετρόνια), για τον μόλυβδο - 208 Pb (82 πρωτόνια, 126 νετρόνια). Διακρίνονται από μια πολύ ιδιαίτερη δύναμη πυρήνα. Χρησιμοποιώντας πηγές ιόντων νέου τύπου και πιο ισχυρούς επιταχυντές βαρέων ιόντων - οι μονάδες U-200 και U-300 συνδυάστηκαν στη Ντούμπνα, η ομάδα των G. N. Flerov και Yu. Ts. Oganesyan άρχισε σύντομα να έχει ροή βαρέων ιόντωνμε απίστευτη ενέργεια. Για να επιτύχουν την πυρηνική σύντηξη, οι Σοβιετικοί φυσικοί εκτόξευσαν ιόντα χρωμίου με ενέργεια 280 MeV σε στόχους κατασκευασμένους από μόλυβδο και βισμούθιο. Τι θα μπορούσε να έχει συμβεί; Στις αρχές του 1974, πυρηνικοί επιστήμονες στη Ντούμπνα κατέγραψαν 50 περιπτώσεις τέτοιων βομβαρδισμών, υποδεικνύοντας σχηματισμός του στοιχείου 106, το οποίο όμως διασπάται μετά από 10 -2 s. Αυτοί οι 50 ατομικοί πυρήνες σχηματίστηκαν σύμφωνα με το σχήμα: 208 Pb + 51 Cr = 259 X Λίγο αργότερα, οι Ghiorso και Seaborg του εργαστηρίου Lawrence Berkeley ανέφεραν ότι είχαν συνθέσει ένα ισότοπο ενός νέου 106 -ο, στοιχείο με αριθμό μάζας 263 βομβαρδίζοντας το californium-249 με ιόντα οξυγόνου στη συσκευή Super-HILAC. Τι όνομα θα έχει το νέο στοιχείο;Παραμερίζοντας τις προηγούμενες διαφορές, και οι δύο ομάδες στο Berkeley και στο Dubna, που διαγωνίστηκαν σε έναν επιστημονικό διαγωνισμό, αυτή τη φορά κατέληξαν σε συναίνεση. Είναι πολύ νωρίς για να μιλήσουμε για ονόματα, είπε ο Oganesyan. Και ο Γκιόρσο πρόσθεσε ότι αποφασίστηκε να απέχει από οποιεσδήποτε προτάσεις για το όνομα του 106ου στοιχείου μέχρι να ξεκαθαρίσει η κατάσταση. Μέχρι το τέλος του 1976, το εργαστήριο πυρηνικής αντίδρασης Dubna ολοκλήρωσε μια σειρά πειραμάτων για τη σύνθεση του στοιχείου 107. χρησίμευσε ως αρχική ουσία για τους «αλχημιστές» της Ντούμπνα μαγικός"βισμούθιο-209. Όταν βομβαρδίστηκε με ιόντα χρωμίου με ενέργεια 290 MeV, μετατράπηκε σε ισότοπο 107 -ο στοιχείο: 209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 n Το στοιχείο 107 διασπάται αυθόρμητα με χρόνο ημιζωής 0,002 s και εκπέμπει επίσης σωματίδια άλφα. Οι χρόνοι ημιζωής των 0,01 και 0,002 s που βρέθηκαν για το 106ο και το 107ο στοιχείο μας έκαναν επιφυλακτικούς. Άλλωστε, αποδείχτηκε ότι ήταν αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από ό,τι προβλεπόταν από υπολογισμούς υπολογιστών. Ίσως το 107ο στοιχείο είχε ήδη επηρεαστεί αισθητά από την εγγύτητα του επόμενου μαγικού αριθμού πρωτονίων και νετρονίων - 114, αυξάνοντας τη σταθερότητα; Αν ισχύει κάτι τέτοιο, τότε υπήρχε ελπίδα να ληφθούν μακρόβια ισότοπα του στοιχείου 107, για παράδειγμα, με βομβαρδισμό Μπέρκλεϋιόντα νέον. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι το πλούσιο σε νετρόνια ισότοπο που σχηματίστηκε από αυτή την αντίδραση θα είχε χρόνο ημιζωής άνω του 1 δευτερολέπτου. Αυτό θα επέτρεπε τη μελέτη των χημικών ιδιοτήτων του στοιχείου 107 - ecarenia. Το μακροβιότερο ισότοπο του πρώτου υπερουρανίου, το στοιχείο 93, το νεπτούνιο-237, έχει χρόνο ημιζωής 2.100.000 χρόνια. το πιο σταθερό ισότοπο του στοιχείου 100, το φερμιο-257, διαρκεί μόνο 97 ημέρες. Ξεκινώντας από το στοιχείο 104 ημιζωέςείναι μόνο κλάσματα του δευτερολέπτου. Ως εκ τούτου, φαινόταν να μην υπάρχει καμία απολύτως ελπίδα για την ανακάλυψη αυτών των στοιχείων. Γιατί χρειάζεται περαιτέρω έρευνα; Ο Albert Ghiorso, κορυφαίος Αμερικανός ειδικός στα υπερουράνια, μίλησε κάποτε σχετικά: " Ο λόγος για τη συνέχιση της αναζήτησης περαιτέρω στοιχείων είναι απλώς για να ικανοποιηθεί η ανθρώπινη περιέργεια - τι συμβαίνει στην επόμενη γωνία του δρόμου;"Ωστόσο, αυτό, φυσικά, δεν είναι απλώς επιστημονική περιέργεια. Ο Ghiorso κατέστησε σαφές πόσο σημαντικό είναι να συνεχιστεί μια τέτοια θεμελιώδης έρευνα. Στη δεκαετία του '60, η θεωρία των μαγικών πυρηνικών αριθμών έγινε όλο και πιο σημαντική. Στη «θάλασσα της αστάθειας» οι επιστήμονες προσπάθησαν απεγνωσμένα να βρουν ένα σωτήριο» νησί σχετικής σταθερότητας", πάνω στο οποίο θα μπορούσε να στηριχτεί σταθερά το πόδι ενός ατομικού εξερευνητή. Αν και αυτό το νησί δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη, οι "συντεταγμένες" του είναι γνωστές: στοιχείο 114, εκας μολύβδου, θεωρείται το κέντρο μιας μεγάλης περιοχής σταθερότητας. Το ισότοπο 298 του στοιχείου 114 αποτελεί εδώ και καιρό ένα ιδιαίτερο θέμα επιστημονικής συζήτησης επειδή, με 114 πρωτόνια και 184 νετρόνια, είναι ένας από αυτούς τους διπλά μαγικούς ατομικούς πυρήνες που προβλέπεται να διαρκέσει για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, τι σημαίνει μακροχρόνια ύπαρξη; Οι προκαταρκτικοί υπολογισμοί δείχνουν: ο χρόνος ημιζωής με την απελευθέρωση σωματιδίων άλφα κυμαίνεται από 1 έως 1000 χρόνια και σε σχέση με την αυθόρμητη σχάση - από 10 8 έως 10 16 χρόνια. Τέτοιες διακυμάνσεις, όπως επισημαίνουν οι φυσικοί, εξηγούνται από την προσέγγιση της «χημείας του υπολογιστή». Προβλέπονται πολύ ενθαρρυντικοί χρόνοι ημιζωής για το επόμενο νησί σταθερότητας - στοιχείο 164, παραπλανώ. Το ισότοπο του στοιχείου 164 με αριθμό μάζας 482 είναι επίσης διπλά μαγικό: ο πυρήνας του σχηματίζεται από 164 πρωτόνια και 318 νετρόνια. Η επιστήμη είναι ενδιαφέρουσα και απλή μαγικά υπερβαριά στοιχεία, όπως το ισότοπο-294 του στοιχείου 110 ή το ισότοπο-310 του στοιχείου 126, που περιέχει 184 νετρόνια. Είναι εκπληκτικό πώς οι ερευνητές ταχυδακτυλουργούν πολύ σοβαρά αυτά τα φανταστικά στοιχεία, σαν να υπάρχουν ήδη. Όλο και περισσότερα νέα δεδομένα εξάγονται από τον υπολογιστή και είναι πλέον σίγουρα γνωστό τι ιδιότητες - πυρηνικές, κρυσταλλογραφικές και χημικές - αυτά τα υπερβαριά στοιχεία πρέπει να έχουν. Η εξειδικευμένη βιβλιογραφία συγκεντρώνει ακριβή δεδομένα για στοιχεία που ίσως οι άνθρωποι θα ανακαλύψουν σε 50 χρόνια. Επί του παρόντος, οι ατομικοί επιστήμονες πλέουν σε μια θάλασσα αστάθειας, αναμένοντας ανακαλύψεις. Πίσω τους υπήρχε στέρεο έδαφος: μια χερσόνησος με φυσικά ραδιενεργά στοιχεία, χαρακτηρισμένη από λόφους θορίου και ουρανίου, και ένα εκτεταμένο συμπαγές έδαφος με όλα τα άλλα στοιχεία και κορυφές μόλυβδος, κασσίτεροςΚαι ασβέστιο. Οι γενναίοι ναυτικοί βρίσκονται στην ανοιχτή θάλασσα εδώ και πολύ καιρό. Σε ένα απροσδόκητο μέρος, βρήκαν μια αμμουδιά: τα ανοιχτά στοιχεία 106 και 107 ήταν πιο σταθερά από το αναμενόμενο. Τα τελευταία χρόνια, πλέουμε για πολύ καιρό σε μια θάλασσα αστάθειας, υποστηρίζει ο G. N. Flerov, και ξαφνικά, την τελευταία στιγμή, νιώσαμε το έδαφος κάτω από τα πόδια μας. Τυχαίος υποβρύχιος βράχος; Ή μια αμμουδιά ενός πολυαναμενόμενου νησιού σταθερότητας; Εάν το δεύτερο είναι σωστό, τότε έχουμε μια πραγματική ευκαιρία να δημιουργήσουμε ένα νέο περιοδικό σύστημα σταθερών υπερβαρέων στοιχείωνμε καταπληκτικές ιδιότητες. Αφού έγινε γνωστή η υπόθεση σχετικά με σταθερά στοιχεία κοντά στους σειριακούς αριθμούς 114, 126, 164, ερευνητές σε όλο τον κόσμο επιτέθηκαν σε αυτά " σούπερ βαρύ"άτομα. Μερικά από αυτά, με πιθανώς μεγάλους χρόνους ημιζωής, ελπίζαμε να βρεθούν στη Γη ή στο Διάστημα, τουλάχιστον με τη μορφή ιχνών. Εξάλλου, όταν προέκυψε το ηλιακό μας σύστημα, αυτά τα στοιχεία υπήρχαν όπως όλα τα άλλα . Ίχνη υπερβαρέων στοιχείων- τι πρέπει να γίνει κατανοητό από αυτό; Ως αποτέλεσμα της ικανότητάς τους να διασπώνται αυθόρμητα σε δύο πυρηνικά θραύσματα με μεγάλη μάζα και ενέργεια, αυτά τα υπερουράνια θα έπρεπε να αφήσουν διακριτά ίχνη καταστροφής στη γύρω ύλη. Παρόμοια ίχνη μπορούν να φανούν σε ορυκτά στο μικροσκόπιο αφού έχουν χαραχθεί. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο ιχνών καταστροφής, είναι πλέον δυνατό να εντοπιστεί η ύπαρξη στοιχείων που έχουν πεθάνει από καιρό. Από το πλάτος των ιχνών που αφήνονται, μπορεί κανείς να υπολογίσει και τον τακτικό αριθμό του στοιχείου - το πλάτος της διαδρομής είναι ανάλογο με το τετράγωνο του πυρηνικού φορτίου. Ελπίζουν επίσης να εντοπίσουν «ζωντανά» υπερβαριά στοιχεία με βάση το γεγονός ότι εκπέμπουν επανειλημμένα νετρόνια. Κατά τη διαδικασία της αυθόρμητης σχάσης, αυτά τα στοιχεία εκπέμπουν έως και 10 νετρόνια. Ίχνη υπερβαρέων στοιχείων αναζητήθηκαν σε οζίδια μαγγανίου από τα βάθη του ωκεανού, καθώς και σε νερά μετά το λιώσιμο των παγετώνων στις πολικές θάλασσες. Ακόμα κανένα αποτέλεσμα. Ο G. N. Flerov και οι συνεργάτες του εξέτασαν το μολύβδινο ποτήρι μιας αρχαίας βιτρίνας του 14ου αιώνα, ένα βάζο Leyden του 19ου αιώνα και ένα μολύβδινο κρύσταλλο αγγείο του 18ου αιώνα. Αρχικά, έδειξαν πολλά ίχνη αυθόρμητης σχάσης εκας μολύβδου- 114ο στοιχείο. Ωστόσο, όταν οι επιστήμονες της Dubna επανέλαβαν τις μετρήσεις τους με έναν εξαιρετικά ευαίσθητο ανιχνευτή νετρονίων στο βαθύτερο αλατωρυχείο της Σοβιετικής Ένωσης, δεν έλαβαν θετικό αποτέλεσμα. Η κοσμική ακτινοβολία, που προφανώς προκάλεσε το παρατηρούμενο φαινόμενο, δεν μπορούσε να διεισδύσει σε τέτοιο βάθος. Το 1977, ο καθηγητής Flerov πρότεινε ότι είχε επιτέλους ανακαλύψει " σήματα νέου υπερουρανίου" ενώ μελετούσε τα βαθιά ιαματικά νερά της χερσονήσου Cheleken στην Κασπία Θάλασσα. Ωστόσο, ο αριθμός των περιπτώσεων που αναφέρθηκαν ήταν πολύ μικρός για μια σαφή ανάθεση. Ένα χρόνο αργότερα, η ομάδα του Flerov κατέγραψε 150 αυθόρμητα τμήματα το μήνα. Αυτά τα δεδομένα ελήφθησαν κατά την εργασία με έναν ιονανταλλάκτη γεμάτο με άγνωστο υπερουράνιο από ιαματικά νερά. Ο Flerov εκτίμησε ότι ο χρόνος ημιζωής του στοιχείου που υπήρχε, τον οποίο δεν είχε ακόμη καταφέρει να απομονώσει, ήταν δισεκατομμύρια χρόνια. Άλλοι ερευνητές ακολούθησαν διαφορετικούς δρόμους. Ο καθηγητής Φάουλερ και οι συνεργάτες του από το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ ανέλαβαν πειράματα με μπαλόνια σε μεγάλο υψόμετρο. Χρησιμοποιώντας ανιχνευτές μικρών ποσοτήτων πυρήνων, εντοπίστηκαν πολυάριθμες περιοχές με πυρηνικά φορτία άνω των 92. Άγγλοι ερευνητές πίστευαν ότι ένα από τα ίχνη έδειχνε ακόμη και τα στοιχεία 102...108. Αργότερα έκαναν μια τροποποίηση: το άγνωστο στοιχείο έχει αύξοντα αριθμό 96 ( κούριο). Πώς αυτά τα υπερβαριά σωματίδια εισέρχονται στη στρατόσφαιρα του πλανήτη; Μέχρι στιγμής έχουν διατυπωθεί αρκετές θεωρίες. Σύμφωνα με αυτούς, τα βαριά άτομα θα πρέπει να εμφανίζονται κατά τη διάρκεια εκρήξεων σουπερνόβα ή άλλων αστροφυσικών διεργασιών και να φτάσουν στη Γη με τη μορφή κοσμικής ακτινοβολίας ή σκόνης - αλλά μόνο μετά από 1000 - 1.000.000 χρόνια. Αυτά τα κοσμικά κοιτάσματα αναζητούνται επί του παρόντος τόσο στην ατμόσφαιρα όσο και σε βαθιά θαλάσσια ιζήματα. Άρα, υπερβαριά στοιχεία μπορούν να βρεθούν στην κοσμική ακτινοβολία; Είναι αλήθεια ότι σύμφωνα με τους Αμερικανούς επιστήμονες που ανέλαβαν το πείραμα Skylab το 1975, αυτή η υπόθεση δεν επιβεβαιώθηκε. Σε ένα διαστημικό εργαστήριο που περιφερόταν γύρω από τη Γη, εγκαταστάθηκαν ανιχνευτές που απορροφούν βαριά σωματίδια από το διάστημα. ανακαλύφθηκαν μόνο ίχνη γνωστών στοιχείων. Η σεληνιακή σκόνη που ήρθε στη Γη μετά την πρώτη σεληνιακή προσγείωση το 1969 εξετάστηκε όχι λιγότερο προσεκτικά για την παρουσία υπερβαρέων στοιχείων. Όταν βρέθηκαν ίχνη σωματιδίων «μακράς διάρκειας» έως 0,025 mm, ορισμένοι ερευνητές πίστεψαν ότι θα μπορούσαν να αποδοθούν στα στοιχεία 110 - 119. Παρόμοια αποτελέσματα προέκυψαν από μελέτες της ανώμαλης ισοτοπικής σύνθεσης του ευγενούς αερίου ξένου που περιέχεται σε διάφορα δείγματα μετεωριτών. Οι φυσικοί έχουν εκφράσει την άποψη ότι αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί μόνο από την ύπαρξη υπερβαρέων στοιχείων. Σοβιετικοί επιστήμονες στη Ντούμπνα, οι οποίοι ανέλυσαν 20 κιλά μετεωρίτη Αλιέντε, ο οποίος έπεσε στο Μεξικό το φθινόπωρο του 1969, κατάφεραν να ανιχνεύσουν αρκετές αυθόρμητες σχάσεις ως αποτέλεσμα τριών μηνών παρατήρησης. Ωστόσο, αφού διαπιστώθηκε ότι «φυσικό» πλουτώνιο-244, που κάποτε ήταν αναπόσπαστο μέρος του ηλιακού μας συστήματος, αφήνει εντελώς παρόμοια ίχνη, η ερμηνεία άρχισε να γίνεται πιο προσεκτικά. Πριν από ενάμιση αιώνα, όταν ο Ντμίτρι Ιβάνοβιτς Μεντελέεφ ανακάλυψε τον Περιοδικό Νόμο, ήταν γνωστά μόνο 63 στοιχεία. Τακτοποιημένα σε πίνακα, απλώνονταν εύκολα σε περιόδους, καθεμία από τις οποίες ανοίγει με ενεργά αλκαλικά μέταλλα και τελειώνει (όπως αποδείχθηκε αργότερα) με αδρανή ευγενή αέρια. Από τότε, ο περιοδικός πίνακας έχει σχεδόν διπλασιαστεί σε μέγεθος και με κάθε επέκταση ο Περιοδικός Νόμος επιβεβαιώνεται ξανά και ξανά. Το ρουβίδιο θυμίζει επίσης κάλιο και νάτριο, καθώς το ξένο είναι από κρυπτό και αργό· κάτω από τον άνθρακα βρίσκεται πυρίτιο, που μοιάζει πολύ με αυτό... Σήμερα είναι γνωστό ότι αυτές οι ιδιότητες καθορίζονται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα . Γεμίζουν τα «ενεργειακά κελύφη» του ατόμου το ένα μετά το άλλο, όπως οι θεατές που καταλαμβάνουν τις θέσεις τους με τη σειρά σε ένα θέατρο: αυτός που είναι τελευταίος θα καθορίσει τις χημικές ιδιότητες ολόκληρου του στοιχείου. Ένα άτομο με ένα τελείως γεμάτο τελευταίο κέλυφος (όπως το ήλιο με τα δύο ηλεκτρόνια του) θα είναι αδρανές. ένα στοιχείο με ένα «επιπλέον» ηλεκτρόνιο πάνω του (όπως το νάτριο) θα σχηματίσει ενεργά χημικούς δεσμούς. Ο αριθμός των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων σε τροχιές σχετίζεται με τον αριθμό των θετικών πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου και είναι ο αριθμός των πρωτονίων που διακρίνει διαφορετικά στοιχεία. Αλλά μπορεί να υπάρχουν διαφορετικοί αριθμοί νετρονίων στον πυρήνα του ίδιου στοιχείου· δεν έχουν φορτίο και δεν επηρεάζουν τις χημικές ιδιότητες. Αλλά ανάλογα με τον αριθμό των νετρονίων, το υδρογόνο μπορεί να αποδειχθεί βαρύτερο από το ήλιο και η μάζα του λιθίου μπορεί να φτάσει τις επτά αντί για τις «κλασικές» έξι ατομικές μονάδες. Και αν ο κατάλογος των γνωστών στοιχείων σήμερα πλησιάζει τα 120, τότε ο αριθμός των πυρήνων (νουκλεΐδια) έχει ξεπεράσει τους 3000. Οι περισσότεροι από αυτούς είναι ασταθείς και μετά από κάποιο χρονικό διάστημα αποσυντίθενται, απελευθερώνοντας «έξτρα» σωματίδια κατά τη διάρκεια της ραδιενεργής διάσπασης. Ακόμη περισσότερα νουκλεΐδια δεν μπορούν να υπάρξουν κατ' αρχήν, καταρρέοντας αμέσως σε κομμάτια. Έτσι, μια ήπειρος σταθερών πυρήνων περιβάλλεται από μια ολόκληρη θάλασσα ασταθών συνδυασμών νετρονίων και πρωτονίων. Θάλασσα της αστάθειας Η τύχη του πυρήνα εξαρτάται από τον αριθμό των νετρονίων και των πρωτονίων σε αυτόν. Σύμφωνα με τη θεωρία του κελύφους της δομής του πυρήνα, που παρουσιάστηκε στη δεκαετία του 1950, τα σωματίδια σε αυτόν κατανέμονται μεταξύ των ενεργειακών τους επιπέδων με τον ίδιο τρόπο όπως τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Ορισμένοι αριθμοί πρωτονίων και νετρονίων δίνουν ιδιαίτερα σταθερές διαμορφώσεις με πλήρως γεμάτα κελύφη πρωτονίων ή νετρονίων - 2, 8, 20, 28, 50, 82, και για τα νετρόνια υπάρχουν επίσης 126 σωματίδια. Αυτοί οι αριθμοί ονομάζονται «μαγικοί» αριθμοί και οι πιο σταθεροί πυρήνες περιέχουν «διπλάσιους μαγικούς» αριθμούς σωματιδίων—για παράδειγμα, ο μόλυβδος έχει 82 πρωτόνια και 126 νετρόνια, ή δύο το καθένα σε ένα κανονικό άτομο ηλίου, το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Η διαδοχική «Χημική Ήπειρος» των στοιχείων που βρέθηκαν στη Γη τελειώνει με μόλυβδο. Ακολουθεί μια σειρά από πυρήνες που υπάρχουν πολύ λιγότερο από την ηλικία του πλανήτη μας. Στα βάθη του μπορούν να διατηρηθούν μόνο σε μικρές ποσότητες, όπως το ουράνιο και το θόριο, ή ακόμα και σε ίχνη, όπως το πλουτώνιο. Είναι αδύνατο να εξαχθεί από το βράχο και το πλουτώνιο παράγεται τεχνητά, σε αντιδραστήρες, βομβαρδίζοντας έναν στόχο ουρανίου με νετρόνια. Γενικά, οι σύγχρονοι φυσικοί αντιμετωπίζουν τους ατομικούς πυρήνες ως κατασκευαστικά μέρη, αναγκάζοντάς τους να προσκολλούν μεμονωμένα νετρόνια, πρωτόνια ή ολόκληρους πυρήνες. Αυτό καθιστά δυνατή την απόκτηση ολοένα και βαρύτερων νουκλεϊδίων διασχίζοντας το στενό της «Θάλασσας της Αστάθειας». Ο σκοπός του ταξιδιού προτείνεται από την ίδια θεωρία του κελύφους της δομής του πυρήνα. Αυτή είναι η περιοχή των υπερβαρέων στοιχείων με κατάλληλο (και πολύ μεγάλο) αριθμό νετρονίων και πρωτονίων, το θρυλικό «Νησί της Σταθερότητας». Οι υπολογισμοί λένε ότι ορισμένοι από τους τοπικούς «κατοίκους» μπορεί να μην υπάρχουν πλέον για κλάσματα μικροδευτερόλεπτων, αλλά για πολλές τάξεις μεγέθους περισσότερο. «Σε μια ορισμένη προσέγγιση, μπορούν να θεωρηθούν ως σταγόνες νερού», μας εξήγησε ο ακαδημαϊκός της RAS Yuri Oganesyan. — Μέχρι το μόλυβδο, οι πυρήνες είναι σφαιρικοί και σταθεροί. Ακολουθεί μια χερσόνησος από μέτρια σταθερούς πυρήνες - όπως το θόριο ή το ουράνιο - που απλώνεται από ένα κοπάδι εξαιρετικά παραμορφωμένων πυρήνων και διασπάται σε μια ασταθή θάλασσα... Αλλά ακόμα πιο πέρα, πέρα ​​από το στενό, μπορεί να υπάρχει μια νέα περιοχή από σφαιρικούς πυρήνες, υπερβαριά και σταθερά στοιχεία με αριθμούς 114, 116 και παραπέρα». Η διάρκεια ζωής ορισμένων στοιχείων στο «Νησί της Σταθερότητας» μπορεί να διαρκέσει χρόνια, ή ακόμα και εκατομμύρια χρόνια. Νησί της Σταθερότητας Τα υπερουρανικά στοιχεία με τους παραμορφωμένους πυρήνες τους μπορούν να δημιουργηθούν βομβαρδίζοντας στόχους από ουράνιο, θόριο ή πλουτώνιο με νετρόνια. Βομβαρδίζοντάς τα με ιόντα φωτός που επιταχύνονται σε έναν επιταχυντή, μπορείτε να αποκτήσετε διαδοχικά έναν αριθμό ακόμη βαρύτερων στοιχείων - αλλά κάποια στιγμή το όριο θα έρθει. «Αν θεωρήσουμε διαφορετικές αντιδράσεις -την προσθήκη νετρονίων, την προσθήκη ιόντων- ως διαφορετικά «πλοία», τότε όλες δεν θα μας βοηθήσουν να πλεύσουμε στο «Νησί της Σταθερότητας», συνεχίζει ο Γιούρι Ογκανεσγιάν. — Αυτό θα απαιτήσει μεγαλύτερο «σκάφος» και διαφορετικό σχέδιο. Ο στόχος θα πρέπει να είναι πλούσιοι σε νετρόνια βαρείς πυρήνες από τεχνητά στοιχεία βαρύτερα από το ουράνιο και θα πρέπει να βομβαρδιστούν με μεγάλα, βαριά ισότοπα που περιέχουν πολλά νετρόνια, όπως το ασβέστιο-48». Μόνο μια μεγάλη διεθνής ομάδα επιστημόνων θα μπορούσε να εργαστεί σε ένα τέτοιο «πλοίο». Μηχανικοί και φυσικοί στο εργοστάσιο Elektrokhimpribor απομόνωσαν από φυσικό ασβέστιο το εξαιρετικά σπάνιο 48ο ισότοπο, το οποίο περιέχεται εδώ σε ποσότητα μικρότερη από 0,2%. Στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Ατομικών Αντιδραστήρων Dimitrograd, στο Εθνικό Εργαστήριο Livermore και στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στις ΗΠΑ προετοιμάστηκαν στόχοι από ουράνιο, πλουτώνιο, αμερίκιο, κούριο, καλιφόρνιο. Λοιπόν, βασικά πειράματα για τη σύνθεση νέων στοιχείων πραγματοποιήθηκαν από τον ακαδημαϊκό Oganesyan στο Joint Institute of Nuclear Physics (JINR), στο Flerov Laboratory of Nuclear Reactions. «Ο επιταχυντής μας στη Ντούμπνα δούλευε 6-7 χιλιάδες ώρες το χρόνο, επιταχύνοντας τα ιόντα ασβεστίου-48 σε περίπου 0,1 την ταχύτητα του φωτός», εξηγεί ο επιστήμονας. «Αυτή η ενέργεια είναι απαραίτητη ώστε μερικά από αυτά, χτυπώντας το στόχο, να ξεπεράσουν τις δυνάμεις της απώθησης του Κουλόμπ και να συγχωνευθούν με τους πυρήνες των ατόμων του. Για παράδειγμα, το στοιχείο 92, το ουράνιο, θα παράγει τον πυρήνα ενός νέου στοιχείου με αριθμό 112, το πλουτώνιο 114 και το καλιφόρνιο 118. «Η αναζήτηση νέων υπερβαρέων στοιχείων μας επιτρέπει να απαντήσουμε σε ένα από τα πιο σημαντικά ερωτήματα της επιστήμης: πού βρίσκονται τα σύνορα του υλικού μας κόσμου;» «Τέτοιοι πυρήνες θα πρέπει να είναι ήδη αρκετά σταθεροί και δεν θα διασπώνται αμέσως, αλλά σταδιακά θα εκπέμπουν σωματίδια άλφα και πυρήνες ηλίου. Και είμαστε πολύ καλοί στην εγγραφή τους», συνεχίζει ο Oganesyan. Ο υπερβαρύς πυρήνας θα εκτοξεύσει ένα σωματίδιο άλφα, μετατρέποντας σε ένα στοιχείο δύο ατομικούς αριθμούς ελαφρύτερο. Με τη σειρά του, ο θυγατρικός πυρήνας θα χάσει ένα σωματίδιο άλφα και θα μετατραπεί σε ένα "εγγόνι" - άλλα τέσσερα ελαφρύτερα και ούτω καθεξής, έως ότου η διαδικασία της διαδοχικής αποσύνθεσης άλφα τελειώσει με την τυχαία εμφάνιση και τη στιγμιαία αυθόρμητη σχάση, τον θάνατο του ασταθούς πυρήνα στη «Θάλασσα της Αστάθειας». Χρησιμοποιώντας αυτή τη «γενεαλογία» των σωματιδίων άλφα, ο Oganesyan και οι συνεργάτες του εντόπισαν ολόκληρη την ιστορία του μετασχηματισμού των νουκλεϊδίων που ελήφθησαν στον επιταχυντή και σκιαγράφησαν την κοντινή ακτή του «Νησί της Σταθερότητας». Μετά από μισό αιώνα ταξιδιού, οι πρώτοι άνθρωποι προσγειώθηκαν σε αυτό. Νέα γη Ήδη από την πρώτη δεκαετία του 21ου αιώνα, στις αντιδράσεις σύντηξης ακτινιδών με επιταχυνόμενα ιόντα ασβεστίου-48, άτομα στοιχείων με αριθμούς από 113 έως 118, που βρίσκονται στην ακτή του «Νησιού της Σταθερότητας» πιο μακριά από την «ηπειρωτική χώρα». , συντέθηκαν. Η διάρκεια ζωής τους είναι ήδη τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή των γειτόνων τους: για παράδειγμα, το στοιχείο 114 αποθηκεύεται όχι για χιλιοστά του δευτερολέπτου, όπως το 110ο, αλλά για δεκάδες, ακόμη και εκατοντάδες δευτερόλεπτα. «Τέτοιες ουσίες είναι ήδη διαθέσιμες για τη χημεία», λέει ο ακαδημαϊκός Oganesyan. - Αυτό σημαίνει ότι επιστρέφουμε στην αρχή του ταξιδιού και τώρα μπορούμε να ελέγξουμε αν τηρείται ο Περιοδικός Νόμος του Mendeleev για αυτούς. Το στοιχείο 112 θα είναι ανάλογο υδραργύρου και καδμίου και το στοιχείο 114 ανάλογο κασσίτερου και μολύβδου; Τα πρώτα χημικά πειράματα με το ισότοπο του 112ου στοιχείου (κοπερνίκιο) έδειξαν ότι, προφανώς, θα το κάνουν. Οι πυρήνες κοπερνικίου που εκτοξεύτηκαν από τον στόχο κατά τη διάρκεια του βομβαρδισμού κατευθύνθηκαν από τους επιστήμονες σε έναν μακρύ σωλήνα που περιείχε 36 ζευγαρωμένους ανιχνευτές, μερικώς επικαλυμμένους με χρυσό. Ο υδράργυρος σχηματίζει εύκολα σταθερές διαμεταλλικές ενώσεις με τον χρυσό (αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται στην αρχαία τεχνική της επιχρύσωσης). Επομένως, ο υδράργυρος και τα άτομα που βρίσκονται κοντά του θα πρέπει να εγκατασταθούν στην επιφάνεια του χρυσού των πρώτων ανιχνευτών και το ραδόνιο και τα άτομα κοντά σε ευγενή αέρια μπορούν να φτάσουν στο τέλος του σωλήνα. Ακολουθώντας τον Περιοδικό Νόμο, το Κοπερνίκιο αποδείχθηκε συγγενής του υδραργύρου. Αλλά αν ο υδράργυρος ήταν το πρώτο γνωστό υγρό μέταλλο, τότε το κοπερνίκιο μπορεί να είναι το πρώτο αέριο: το σημείο βρασμού του είναι κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου. Σύμφωνα με τον Yuri Oganesyan, αυτή είναι μόνο μια ξεθωριασμένη αρχή και τα υπερβαριά στοιχεία από το «Νησί της Σταθερότητας» θα ανοίξουν μια νέα, φωτεινή και ασυνήθιστη περιοχή χημείας για εμάς. Προς το παρόν όμως μείναμε στους πρόποδες του νησιού των σταθερών στοιχείων. Αναμένεται ότι ο 120ος και οι επόμενοι πυρήνες μπορεί να αποδειχθούν πραγματικά σταθεροί και θα υπάρχουν για πολλά χρόνια, ή ακόμα και εκατομμύρια χρόνια, σχηματίζοντας σταθερές ενώσεις. Ωστόσο, δεν είναι πλέον δυνατή η λήψη τους χρησιμοποιώντας το ίδιο ασβέστιο-48: δεν υπάρχουν αρκετά μακρόβια στοιχεία που θα μπορούσαν να συνδυαστούν με αυτά τα ιόντα για να δώσουν πυρήνες της απαιτούμενης μάζας. Οι προσπάθειες αντικατάστασης ιόντων ασβεστίου-48 με κάτι πιο βαρύ δεν έχουν επίσης αποφέρει αποτελέσματα. Ως εκ τούτου, για νέες αναζητήσεις, οι επιστήμονες της θάλασσας σήκωσαν το κεφάλι τους και έριξαν μια πιο προσεκτική ματιά στους ουρανούς. Χώρος και εργοστάσιο Η αρχική σύνθεση του κόσμου μας δεν ήταν πολύ διαφορετική: στη Μεγάλη Έκρηξη, εμφανίστηκε μόνο το υδρογόνο με μικρές προσμίξεις ηλίου - το ελαφρύτερο από τα άτομα. Όλοι οι άλλοι σεβαστοί συμμετέχοντες στον περιοδικό πίνακα εμφανίστηκαν σε αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης, στο εσωτερικό των άστρων και κατά τη διάρκεια εκρήξεων σουπερνόβα. Τα ασταθή νουκλίδια γρήγορα αποσυντέθηκαν, ενώ σταθερά νουκλίδια, όπως το οξυγόνο-16 ή ο σίδηρος-54, συσσωρεύτηκαν. Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι βαριά ασταθή στοιχεία όπως το αμερίκιο ή το κοπερνίκιο δεν μπορούν να βρεθούν στη φύση. Αλλά αν όντως υπάρχει κάπου ένα «Νησί της Σταθερότητας», τότε τουλάχιστον σε μικρές ποσότητες θα πρέπει να βρεθούν υπερβαριά στοιχεία σε όλη την απεραντοσύνη του Σύμπαντος και ορισμένοι επιστήμονες τα αναζητούν ανάμεσα σε σωματίδια κοσμικής ακτίνας. Σύμφωνα με τον ακαδημαϊκό Oganesyan, αυτή η προσέγγιση δεν είναι ακόμα τόσο αξιόπιστη όσο οι παλιοί καλοί βομβαρδισμοί. «Οι πραγματικά μακρόβιοι πυρήνες στην κορυφή του νησιού Σταθερότητας περιέχουν ασυνήθιστα μεγάλες ποσότητες νετρονίων», λέει ο επιστήμονας. «Γι’ αυτό το πλούσιο σε νετρόνια ασβέστιο-48 αποδείχθηκε ένας τόσο επιτυχημένος πυρήνας για τον βομβαρδισμό στοιχείων-στόχων πλούσιων σε νετρόνια». Ωστόσο, τα ισότοπα βαρύτερα από το ασβέστιο-48 είναι ασταθή και οι πιθανότητες σύντηξής τους για να σχηματίσουν εξαιρετικά σταθερούς πυρήνες υπό φυσικές συνθήκες είναι εξαιρετικά μικρές». Ως εκ τούτου, το εργαστήριο στη Ντούμπνα κοντά στη Μόσχα στράφηκε στη χρήση βαρύτερων πυρήνων, αν και όχι τόσο επιτυχημένων όσο το ασβέστιο, για πυροδότηση τεχνητών στοιχείων στόχων. «Είμαστε τώρα απασχολημένοι με τη δημιουργία του λεγόμενου Factory of Superheavy Elements», λέει ο ακαδημαϊκός Oganesyan. — Σε αυτό, οι ίδιοι στόχοι θα βομβαρδιστούν με πυρήνες τιτανίου ή χρωμίου. Περιέχουν δύο και τέσσερα περισσότερα πρωτόνια από το ασβέστιο, που σημαίνει ότι μπορούν να μας δώσουν στοιχεία με μάζες 120 και άνω. Θα είναι ενδιαφέρον να δούμε αν θα είναι ακόμα στο «νησί» ή αν θα ανοίξουν ένα νέο στενό πέρα ​​από αυτό».	Στην ενέργεια των ιόντων κρυπτών κοντά στο φράγμα Coulomb, παρατηρήθηκαν τρεις περιπτώσεις σχηματισμού του στοιχείου 118. 293.118 πυρήνες εμφυτεύθηκαν σε ανιχνευτή πυριτίου και παρατηρήθηκε μια αλυσίδα έξι διαδοχικών α-διασπάσεων, που κατέληγαν στο ισότοπο 269 Sg. Η διατομή για το σχηματισμό του στοιχείου 118 ήταν ~2 picobarns. Ο χρόνος ημιζωής του ισοτόπου 293118 είναι 120 ms. Στο Σχ. Το Σχήμα 3 δείχνει μια αλυσίδα διαδοχικών α-διασπάσεων του ισοτόπου 293 118 και δείχνει τους χρόνους ημιζωής των θυγατρικών πυρήνων που σχηματίστηκαν ως αποτέλεσμα των α-διασπάσεων. Με βάση διάφορα θεωρητικά μοντέλα, υπολογίστηκαν τα χαρακτηριστικά διάσπασης των υπερβαρέων πυρήνων. Τα αποτελέσματα ενός τέτοιου υπολογισμού φαίνονται στο Σχ. 4. Οι χρόνοι ημιζωής των ακόμη και υπερβαρέων πυρήνων δίνονται σε σχέση με την αυθόρμητη σχάση (α), την α-διάσπαση (β), τη β-διάσπαση (γ) και για όλες τις πιθανές διεργασίες διάσπασης (δ). Ο πιο σταθερός πυρήνας σε σχέση με την αυθόρμητη σχάση (Εικ. 4α) είναι ο πυρήνας με Z = 114 και N = 184. Για αυτόν, ο χρόνος ημιζωής σε σχέση με την αυθόρμητη σχάση είναι ~10 16 χρόνια. Για τα ισότοπα του στοιχείου 114, τα οποία διαφέρουν από τα πιο σταθερά κατά 6-8 νετρόνια, οι χρόνοι ημιζωής μειώνονται κατά 10-15 τάξεις μεγέθους. Οι χρόνοι ημιζωής σε σχέση με την α-διάσπαση φαίνονται στο Σχήμα. 4β. Ο πιο σταθερός πυρήνας βρίσκεται στην περιοχή Ζ< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет. Οι σταθεροί πυρήνες σε σχέση με τη β-διάσπαση φαίνονται στο Σχ. 4c με σκούρες κουκκίδες. Στο Σχ. Το 4d δείχνει τους πλήρεις χρόνους ημιζωής. Για άρτιους πυρήνες που βρίσκονται μέσα στο κεντρικό περίγραμμα, είναι ~10 5 έτη. Έτσι, αφού ληφθούν υπόψη όλοι οι τύποι αποσύνθεσης, αποδεικνύεται ότι οι πυρήνες στην περιοχή των Z = 110 και N = 184 σχηματίζουν ένα «νησί σταθερότητας». Ο πυρήνας 294 110 έχει χρόνο ημιζωής περίπου 10 9 χρόνια. Η διαφορά μεταξύ της τιμής Z και του μαγικού αριθμού 114 που προβλέπεται από το μοντέλο του κελύφους οφείλεται στον ανταγωνισμό μεταξύ της σχάσης (σε σχέση με τον οποίο ο πυρήνας με Z = 114 είναι πιο σταθερός) και της α-διάσπασης (σε σχέση με τους οποίους πυρήνες με χαμηλότερο Z είναι σταθεροί ). Για τους περιττούς-ζυγούς και άρτιους πυρήνες, οι χρόνοι ημιζωής αυξάνονται σε σχέση με την α-διάσπαση και την αυθόρμητη σχάση και μειώνονται σε σχέση με τη β-διάσπαση. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι παραπάνω εκτιμήσεις εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται στους υπολογισμούς και μπορούν να θεωρηθούν μόνο ως ενδείξεις της πιθανότητας ύπαρξης υπερβαρέων πυρήνων με διάρκεια ζωής αρκετά μεγάλη για την πειραματική ανίχνευση τους. Τα αποτελέσματα ενός άλλου υπολογισμού του σχήματος ισορροπίας των υπερβαρέων πυρήνων και του χρόνου ημιζωής τους φαίνονται στο Σχ. 5, 11.11. Στο Σχ. Το σχήμα 11.10 δείχνει την εξάρτηση της ενέργειας παραμόρφωσης ισορροπίας από τον αριθμό των νετρονίων και των πρωτονίων για πυρήνες με Z = 104-120. Η ενέργεια παραμόρφωσης ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ των ενεργειών των πυρήνων σε ισορροπία και σφαιρική μορφή. Από αυτά τα δεδομένα είναι σαφές ότι στην περιοχή Z = 114 και N = 184 θα πρέπει να υπάρχουν πυρήνες που έχουν σφαιρικό σχήμα στη θεμελιώδη κατάσταση. Όλοι οι υπερβαρείς πυρήνες που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα (φαίνονται στο Σχ. 5 ως σκούρα διαμάντια) παραμορφώνονται. Τα ελαφριά διαμάντια εμφανίζουν πυρήνες που είναι σταθεροί σε σχέση με τη β-διάσπαση. Αυτοί οι πυρήνες πρέπει να διασπαστούν με διάσπαση ή σχάση α. Το κύριο κανάλι αποσύνθεσης πρέπει να είναι α-διάσπαση. Οι χρόνοι ημιζωής για άρτια β-σταθερά ισότοπα φαίνονται στο Σχήμα. 6. Σύμφωνα με αυτές τις προβλέψεις, οι χρόνοι ημιζωής αναμένονται για τους περισσότερους πυρήνες πολύ μεγαλύτεροι από εκείνους που παρατηρήθηκαν για τους ήδη ανακαλυφθέντες υπερβαρείς πυρήνες (0,1-1 ms). Για παράδειγμα, για τον πυρήνα 292110, προβλέπεται διάρκεια ζωής ~51 ετών. Έτσι, σύμφωνα με σύγχρονους μικροσκοπικούς υπολογισμούς, η σταθερότητα των υπερβαρέων πυρήνων αυξάνεται απότομα καθώς πλησιάζουν τον μαγικό αριθμό νετρονίων N = 184. Μέχρι πρόσφατα, το μόνο ισότοπο ενός στοιχείου με Z = 112 ήταν το ισότοπο 277 112, το οποίο έχει μισό διάρκεια ζωής 0,24 ms. Το βαρύτερο ισότοπο 283112 συντέθηκε στην αντίδραση ψυχρής σύντηξης 48 Ca + 238 U. Χρόνος ακτινοβόλησης 25 ημέρες. Ο συνολικός αριθμός 48 ιόντων Ca στον στόχο είναι 3,5·10 18. Καταγράφηκαν δύο περιπτώσεις που ερμηνεύτηκαν ως αυθόρμητη σχάση του προκύπτοντος ισοτόπου 283 112. Ο χρόνος ημιζωής αυτού του νέου ισοτόπου υπολογίστηκε σε T 1/2 = 81 s. Έτσι, είναι σαφές ότι μια αύξηση του αριθμού των νετρονίων στο ισότοπο 283112 σε σύγκριση με το ισότοπο 277112 κατά 6 μονάδες αυξάνει τη διάρκεια ζωής κατά 5 τάξεις μεγέθους. Στο Σχ. Το Σχήμα 7 δείχνει τη μετρούμενη διάρκεια ζωής των ισοτόπων θαλάσσιου βοργίου Sg (Z = 106) σε σύγκριση με τις προβλέψεις διαφόρων θεωρητικών μοντέλων. Αξιοσημείωτη είναι η μείωση της διάρκειας ζωής του ισοτόπου με N = 164 κατά σχεδόν μια τάξη μεγέθους σε σύγκριση με τη διάρκεια ζωής του ισοτόπου με N = 162. Η πλησιέστερη προσέγγιση στο νησί της σταθερότητας μπορεί να επιτευχθεί στην αντίδραση 76 Ge + 208 Pb. Ένας υπερβαρύς σχεδόν σφαιρικός πυρήνας μπορεί να σχηματιστεί σε μια αντίδραση σύντηξης που ακολουθείται από την εκπομπή γ κβαντών ή ενός μόνο νετρονίου. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, ο προκύπτων πυρήνας 284 114 θα πρέπει να διασπαστεί με την εκπομπή σωματιδίων α με χρόνο ημιζωής ~ 1 ms. Πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με την κατοχή του κελύφους στην περιοχή N = 162 μπορούν να ληφθούν μελετώντας τις α-διασπάσεις των πυρήνων 271 108 και 267 106. Προβλέπονται χρόνοι ημιζωής 1 λεπτό για αυτούς τους πυρήνες. και 1 ώρα. Για τους πυρήνες 263 106, 262 107, 205 108, 271.273 110 αναμένεται ισομέρεια, ο λόγος για τον οποίο είναι η πλήρωση υποκελυφών με j = 1/2 και j = 13/2 στην περιοχή N = 162 για παραμορφωμένους πυρήνες στο έδαφος κατάσταση. Στο Σχ. Το Σχήμα 8 δείχνει τις πειραματικά μετρημένες συναρτήσεις διέγερσης για την αντίδραση σχηματισμού των στοιχείων Rf (Z = 104) και Hs (Z = 108) για τις αντιδράσεις σύντηξης προσπίπτοντων ιόντων 50 Ti και 56 Fe με πυρήνα στόχο 208 Pb. Ο πυρήνας της ένωσης που προκύπτει ψύχεται με την εκπομπή ενός ή δύο νετρονίων. Οι πληροφορίες σχετικά με τις λειτουργίες διέγερσης των αντιδράσεων σύντηξης βαρέων ιόντων είναι ιδιαίτερα σημαντικές για τη λήψη υπερβαρέων πυρήνων. Στην αντίδραση σύντηξης βαρέων ιόντων, είναι απαραίτητο να εξισορροπηθούν με ακρίβεια τα αποτελέσματα των δυνάμεων Coulomb και οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης. Εάν η ενέργεια του προσπίπτοντος ιόντος δεν είναι αρκετά υψηλή, τότε η ελάχιστη απόσταση προσέγγισης δεν θα είναι επαρκής για τη συγχώνευση του δυαδικού πυρηνικού συστήματος. Εάν η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου είναι πολύ υψηλή, τότε το προκύπτον σύστημα θα έχει υψηλή ενέργεια διέγερσης και πιθανότατα θα αποσυντεθεί σε θραύσματα. Η αποτελεσματική σύντηξη συμβαίνει σε ένα μάλλον στενό εύρος ενέργειας συγκρουόμενων σωματιδίων. Οι αντιδράσεις σύντηξης με την εκπομπή ενός ελάχιστου αριθμού νετρονίων (1-2) παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, επειδή σε συντιθέμενους υπερβαρείς πυρήνες, είναι επιθυμητό να υπάρχει η μεγαλύτερη δυνατή αναλογία N/Z. Στο Σχ. Το Σχήμα 9 δείχνει το δυναμικό σύντηξης για πυρήνες στην αντίδραση 64 Ni + 208 Pb 272 110. Οι απλούστερες εκτιμήσεις δείχνουν ότι η πιθανότητα του φαινομένου της σήραγγας για την πυρηνική σύντηξη είναι ~ 10 -21, που είναι σημαντικά χαμηλότερη από την παρατηρούμενη τιμή της διατομής. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί ως εξής. Σε απόσταση 14 fm μεταξύ των κέντρων των πυρήνων, η αρχική κινητική ενέργεια των 236,2 MeV αντισταθμίζεται πλήρως από το δυναμικό Coulomb. Σε αυτή την απόσταση, μόνο τα νουκλεόνια που βρίσκονται στην επιφάνεια του πυρήνα βρίσκονται σε επαφή. Η ενέργεια αυτών των νουκλεονίων είναι χαμηλή. Επομένως, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα νουκλεόνια ή ζεύγη νουκλεονίων να αφήσουν τα τροχιακά σε έναν πυρήνα και να μετακινηθούν στις ελεύθερες καταστάσεις του συνεργαζόμενου πυρήνα. Η μεταφορά νουκλεονίων από έναν προσπίπτοντα πυρήνα σε έναν πυρήνα στόχο είναι ιδιαίτερα ελκυστική στην περίπτωση που χρησιμοποιείται ως στόχος το διπλά μαγικό ισότοπο μολύβδου 208 Pb. Στο 208 Pb γεμίζονται το υποκέλυφος πρωτονίου h 11/2 και το υποκέλυφος νετρονίων h 9/2 και i 13/2. Αρχικά, η μεταφορά πρωτονίων διεγείρεται από ελκτικές δυνάμεις πρωτονίου-πρωτονίου και αφού γεμίσει το υποκέλυφος h 9/2 - από ελκτικές δυνάμεις πρωτονίου-νετρονίου. Ομοίως, τα νετρόνια κινούνται στο ελεύθερο υποκέλυφος i 11/2, έλκονται από νετρόνια από το ήδη γεμάτο υποκέλυφος i 13/2. Λόγω της ενέργειας ζευγαρώματος και των μεγάλων τροχιακών γωνιακών ροπών, η μεταφορά ενός ζεύγους νουκλεονίων είναι πιο πιθανή από τη μεταφορά ενός μεμονωμένου νουκλεονίου. Μετά τη μεταφορά δύο πρωτονίων από 64 Ni 208 Pb, το φράγμα Coulomb μειώνεται κατά 14 MeV, γεγονός που προάγει τη στενότερη επαφή των ιόντων που αλληλεπιδρούν και τη συνέχιση της διαδικασίας μεταφοράς νουκλεονίων. Στα έργα του [V.V. Volkov. Πυρηνικές αντιδράσεις βαθιών ανελαστικών μεταφορών. M. Energoizdat, 1982; V.V. Volkov. Izv. Ακαδημία Επιστημών της ΕΣΣΔ, φυσική σειρά, 1986, τ. 50 σελ. 1879] ο μηχανισμός της αντίδρασης σύντηξης μελετήθηκε λεπτομερώς. Αποδεικνύεται ότι ήδη στο στάδιο της σύλληψης, ένα διπλό πυρηνικό σύστημα σχηματίζεται μετά την πλήρη διάχυση της κινητικής ενέργειας του προσπίπτοντος σωματιδίου και τα νουκλεόνια ενός από τους πυρήνες μεταφέρονται σταδιακά, κέλυφος με κέλυφος, στον άλλο πυρήνα. Δηλαδή, η δομή του κελύφους των πυρήνων παίζει σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό του σύνθετου πυρήνα. Με βάση αυτό το μοντέλο, ήταν δυνατό να περιγραφεί αρκετά καλά η ενέργεια διέγερσης των σύνθετων πυρήνων και η διατομή για το σχηματισμό 102-112 στοιχείων σε αντιδράσεις ψυχρής σύντηξης. Στο Εργαστήριο Πυρηνικών Αντιδράσεων που πήρε το όνομά του. Γ.Ν. Ο Flerov (Dubna) συνέθεσε ένα στοιχείο με Ζ = 114. Η αντίδραση χρησιμοποιήθηκε Η αναγνώριση του πυρήνα 289 114 πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια αλυσίδα διασπάσεων α. Πειραματική εκτίμηση του χρόνου ημιζωής του ισοτόπου 289 114 ~30 s. Το ληφθέν αποτέλεσμα είναι σε καλή συμφωνία με τους υπολογισμούς που έγιναν στο παρελθόν. Όταν συντίθεται το στοιχείο 114 στην αντίδραση 48 Cu + 244 Pu, η μέγιστη απόδοση λαμβάνεται από το κανάλι με την εξάτμιση τριών νετρονίων. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια διέγερσης του σύνθετου πυρήνα 289 114 ήταν 35 MeV. Η θεωρητικά προβλεπόμενη αλληλουχία διασπάσεων που συμβαίνουν με τον πυρήνα 296 116 που σχηματίζεται στην αντίδραση φαίνεται στο Σχ. 10. Ρύζι. 10. Σχέδιο πυρηνικής διάσπασης 296 116 Ο πυρήνας 296 116 ψύχεται με την εκπομπή τεσσάρων νετρονίων και μετατρέπεται στο ισότοπο 292 116, το οποίο στη συνέχεια, με πιθανότητα 5%, ως αποτέλεσμα δύο διαδοχικών e-captures μετατρέπεται στο ισότοπο 292 114. Ως αποτέλεσμα του α -διάσπαση (T 1/2 = 85 ημέρες), το ισότοπο 292 114 μετατρέπεται στο ισότοπο 288 112. Ο σχηματισμός του ισοτόπου 288 112 συμβαίνει επίσης μέσω του καναλιού Ο τελικός πυρήνας 288 112 που προκύπτει και από τις δύο αλυσίδες έχει χρόνο ημιζωής περίπου 1 ώρα και διασπάται με αυθόρμητη σχάση. Με πιθανότητα 10% περίπου, ως αποτέλεσμα της α-διάσπασης του ισοτόπου 288 114, μπορεί να σχηματιστεί το ισότοπο 284 112. Οι παραπάνω περίοδοι και τα κανάλια διάσπασης προέκυψαν με υπολογισμό. Κατά την ανάλυση των διαφόρων δυνατοτήτων σχηματισμού υπερβαρέων στοιχείων σε αντιδράσεις με βαριά ιόντα, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι ακόλουθες περιστάσεις. Είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένας πυρήνας με αρκετά μεγάλο λόγο του αριθμού των νετρονίων προς τον αριθμό των πρωτονίων. Επομένως, ως προσπίπτοντα σωματίδια πρέπει να επιλέγονται βαρέα ιόντα με μεγάλο N/Z. Είναι απαραίτητο ο προκύπτων σύνθετος πυρήνας να έχει χαμηλή ενέργεια διέγερσης και μικρή γωνιακή ορμή, γιατί διαφορετικά το πραγματικό ύψος του φράγματος σχάσης θα μειωθεί. Είναι απαραίτητο ο πυρήνας που προκύπτει να έχει σχήμα κοντά στο σφαιρικό, καθώς ακόμη και μια ελαφρά παραμόρφωση θα οδηγήσει σε ταχεία σχάση του υπερβαρύ πυρήνα. Μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος για την παραγωγή υπερβαρέων πυρήνων είναι αντιδράσεις όπως 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. Στο Σχ. Το σχήμα 11 δείχνει τις εκτιμώμενες διατομές για το σχηματισμό στοιχείων υπερουρανίου κατά την ακτινοβόληση στόχων που αποτελούνται από 248 Cm, 249 Cf και 254 Es με επιταχυνόμενα ιόντα 238 U. Σε αυτές τις αντιδράσεις έχουν ήδη ληφθεί τα πρώτα αποτελέσματα στις διατομές για το σχηματισμό στοιχείων με Ζ > 100. Για να αυξηθούν οι αποδόσεις των υπό μελέτη αντιδράσεων, επιλέχθηκαν τα στοχευόμενα πάχη με τέτοιο τρόπο ώστε τα προϊόντα της αντίδρασης να παραμείνουν σε ο ΣΤΟΧΟΣ. Μετά την ακτινοβόληση, μεμονωμένα χημικά στοιχεία διαχωρίστηκαν από τον στόχο. Τα προϊόντα αποσύνθεσης α και τα θραύσματα σχάσης καταγράφηκαν στα δείγματα που ελήφθησαν σε διάστημα αρκετών μηνών. Τα δεδομένα που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας επιταχυνόμενα ιόντα ουρανίου υποδεικνύουν σαφώς αύξηση της απόδοσης βαρέων στοιχείων υπερουρανίου σε σύγκριση με ελαφρύτερα ιόντα βομβαρδισμού. Το γεγονός αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για την επίλυση του προβλήματος της σύντηξης υπερβαρέων πυρήνων. Παρά τις δυσκολίες εργασίας με κατάλληλους στόχους, οι προβλέψεις για πρόοδο προς το υψηλό Z φαίνονται αρκετά αισιόδοξες. Οι εξελίξεις στον τομέα των υπερβαρέων πυρήνων τα τελευταία χρόνια είναι εκπληκτικά εντυπωσιακές. Ωστόσο, μέχρι στιγμής όλες οι προσπάθειες για την ανακάλυψη του νησιού της σταθερότητας δεν έχουν πετύχει. Οι έρευνες για τον εντοπισμό του συνεχίζονται εντατικά.