Do kraja 60-ih godina, naporima mnogih teoretičara - O. Bohra i B. Motelsona (Danska), S. Nilssona (Švedska), V.M. Strutinsky i V.V. Pashkevich (SSSR), H. Myers i V. Svyatetsky (SAD), A. Sobichevsky i dr. (Poljska), W. Greiner i dr. (Njemačka), R. Nix i P. Möller (SAD), J. Berger (Francuska). ) i mnogi drugi stvorili su mikroskopsku teoriju atomskih jezgri. Nova je teorija sve navedene proturječnosti dovela u skladan sustav fizikalnih zakona.
Kao i svaka teorija, imala je određenu prediktivnu moć, posebice u predviđanju svojstava vrlo teških, još nepoznatih jezgri. Ispostavilo se da će stabilizirajući učinak nuklearnih ljuski djelovati izvan onih naznačenih kapljičnim modelom jezgre (tj. u području Z > 106) tvoreći tzv. “otoci stabilnosti” oko magičnih brojeva Z=108, N=162 i Z=114, N=184. Kao što se može vidjeti na slici 2, životni vijek superteških jezgri smještenih u tim "otocima stabilnosti" može se značajno povećati. To se posebno odnosi na najteže, superteške elemente, gdje učinak zatvorenih ljuski Z=114 (eventualno 120) i N=184 povećava vremena poluraspada na desetke, stotine tisuća, a možda i milijune godina, tj. - 32-35 redova veličine više nego u odsutnosti učinka nuklearnih granata. Tako se pojavila intrigantna hipoteza o mogućem postojanju superteških elemenata koji značajno proširuju granice materijalnog svijeta. Izravna provjera teorijskih predviđanja bila bi sinteza superteških nuklida i određivanje njihovih svojstava raspada. Stoga ćemo se morati ukratko osvrnuti na ključna pitanja povezana s umjetnom sintezom elemenata.

2. Reakcije sinteze teških elemenata

Elementi teži od Pm (Z=100) sintetizirani su u reakcijama s ubrzanim teškim ionima, kada se kompleks protona i neutrona uvodi u ciljnu jezgru. Ali ova vrsta reakcije razlikuje se od prethodnog slučaja. Kada se uhvati neutron koji nema električni naboj, energija pobude nove jezgre je samo 6 - 8 MeV. Nasuprot tome, kada se ciljne jezgre spoje čak i s lakim ionima kao što su helij (4 He) ili ugljik (12 C), teške jezgre će se zagrijati na energiju E x = 20 - 40 MeV. S daljnjim povećanjem atomskog broja projektilne jezgre, bit će potrebno prenositi sve više i više energije za prevladavanje električnih sila odbijanja pozitivno nabijenih jezgri (Coulombova reakcijska barijera). Ova okolnost dovodi do povećanja energije pobude (zagrijavanja) složene jezgre nastale nakon spajanja dviju jezgri - projektila i mete. Njegovo hlađenje (prijelaz u osnovno stanje E x = 0) dogodit će se emisijom neutrona i gama zraka. I tu se javlja prva prepreka.

Zagrijana teška jezgra moći će emitirati neutron samo u 1/100 slučajeva; u osnovi će se razdvojiti na dva fragmenta jer je energija jezgre znatno veća od visine njezine fisijske barijere. Lako je razumjeti da je povećanje energije pobude složene jezgre štetno za nju. Vjerojatnost preživljavanja zagrijane jezgre naglo pada s povećanjem temperature (ili energije E x) zbog povećanja broja isparenih neutrona, s kojima fisija snažno konkurira. Da bi se jezgra zagrijana na energiju od oko 40 MeV ohladila, potrebno je ispariti 4 ili 5 neutrona. Svaki put će se fisija natjecati s emisijom neutrona, zbog čega će vjerojatnost preživljavanja biti samo (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10. Situacija je komplicirana činjenicom da se s povećanjem temperature jezgre stabilizirajući učinak ljuski smanjuje, stoga se visina fisijske barijere smanjuje, a fisija jezgre naglo raste. Oba ova čimbenika dovode do iznimno niske vjerojatnosti nastanka superteških nuklida.

Napredovanje u područje elemenata težih od 106 postalo je moguće nakon otkrića 1974. godine tzv. reakcije hladne fuzije. U tim reakcijama kao ciljni materijal koriste se "čarobne" jezgre stabilnih izotopa - 208 Pb (Z = 82, N = 126) ili 209 Bi (Z = 83, N = 126), koje bombardiraju ioni teži od argona ( Yu.C. Oganesyan, A.G. Demin, itd.). Tijekom procesa fuzije, visoka energija vezanja nukleona u "čarobnoj" ciljnoj jezgri dovodi do apsorpcije energije tijekom preuređivanja dviju jezgri u interakciji
u tešku jezgru ukupne mase. Ova razlika u energijama "pakiranja" nukleona u jezgrama u interakciji iu konačnoj jezgri uvelike kompenzira energiju potrebnu za prevladavanje visoke Coulombove barijere za reakciju. Kao rezultat toga, teška jezgra ima energiju pobude od samo 12-20 MeV. U određenoj je mjeri takva reakcija slična procesu "obrnute fisije". Doista, ako se fisija jezgre urana na dva fragmenta dogodi uz oslobađanje energije (koristi se u nuklearnim elektranama), tada će u obrnutoj reakciji, kada se fragmenti spoje, nastala jezgra urana biti gotovo hladna. Stoga, kada se elementi sintetiziraju u reakcijama hladne fuzije, teška jezgra treba emitirati samo jedan ili dva neutrona da bi prešla u osnovno stanje.
Reakcije hladne fuzije masivnih jezgri uspješno su korištene za sintezu 6 novih elemenata, od 107 do 112 (P. Armbruster, Z. Hofmann, G. Münzenberg, itd.) u GSI Nacionalnom centru za nuklearnu fiziku u Darmstadtu (Njemačka). Nedavno su K. Morita i suradnici u Nacionalnom centru RIKEN (Tokio) ponovili GSI eksperimente o sintezi 110-112 elemenata. Obje skupine namjeravaju prijeći na elemente 113 i 114 koristeći teže projektile. Međutim, pokušaji sintetiziranja sve težih elemenata u reakcijama hladne fuzije povezani su s velikim poteškoćama. S povećanjem atomskog naboja iona, vjerojatnost njihove fuzije s ciljnim jezgrama 208 Pb ili 209 Bi znatno se smanjuje zbog povećanja Coulombovih odbojnih sila, koje su, kao što je poznato, proporcionalne umnošku nuklearnih naboja. Od elementa 104, koji se može dobiti u reakciji 208 Pb + 50 Ti (Z 1 × Z 2 = 1804) u element 112 u reakciji 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), vjerojatnost spajanja smanjuje se više od 10 4 puta.

Slika 3 Karta teških nuklida. Poluživoti jezgre predstavljeni su različitim bojama (desna ljestvica). Crni kvadrati su izotopi stabilnih elemenata koji se nalaze u zemljinoj kori (T 1/2 ≥ 109 godina). Tamnoplava boja je "more nestabilnosti", gdje jezgre žive manje od 10 -6 sekundi. Žute linije odgovaraju zatvorenim ljuskama koje označavaju magične brojeve protona i neutrona. “Otoci stabilnosti” nakon “poluotoka” elemenata torija, urana i transuranija predviđanja su mikroskopske teorije jezgre. Dvije jezgre sa Z = 112 i 116, dobivene u različitim nuklearnim reakcijama i njihovim sekvencijalnim raspadom, pokazuju koliko se može približiti “otocima stabilnosti” tijekom umjetne sinteze superteških elemenata.

Postoji još jedno ograničenje. Složene jezgre dobivene u reakcijama hladne fuzije imaju relativno mali broj neutrona. U gore navedenom slučaju formiranja 112. elementa konačna jezgra sa Z = 112 ima samo 165 neutrona, dok se povećanje stabilnosti očekuje za broj neutrona N > 170 (vidi sl. 3).

Jezgre s velikim viškom neutrona u načelu se mogu dobiti ako se kao mete koriste umjetni elementi: plutonij (Z=94), americij (Z=95) ili kurij (Z=96) proizvedeni u nuklearnim reaktorima, te rijetki elementi kao projektil izotop kalcija - 48 Ca. (Pogledaj ispod).

Jezgra atoma 48 Ca sadrži 20 protona i 28 neutrona - obje vrijednosti odgovaraju zatvorenim ljuskama. U fuzijskim reakcijama s jezgrama 48 Ca također će djelovati njihova "čarobna" struktura (tu su ulogu u reakcijama hladne fuzije odigrale čarobne jezgre mete - 208 Pb), zbog čega će energija pobude superteških jezgri biti oko 30 - 35 MeV. Njihov prijelaz u osnovno stanje bit će popraćen emisijom tri neutrona i gama zraka. Moglo bi se očekivati ​​da je pri ovoj energiji pobude učinak nuklearnih ljuski još uvijek prisutan u zagrijanim superteškim jezgrama, što će povećati njihov opstanak i omogućiti nam da ih sintetiziramo u našim eksperimentima. Imajte na umu i da asimetrija masa međusobno djelujućih jezgri (Z 1 × Z 2 ≤ 2000) smanjuje njihovo Coulombovo odbijanje i time povećava vjerojatnost spajanja.

Unatoč ovim naizgled očitim prednostima, svi dosadašnji pokušaji sinteze superteških elemenata u reakcijama s ionima 48 Ca, poduzeti u različitim laboratorijima 1977. - 1985., nisu uspjeli. pokazalo se neučinkovitim. No, razvojem eksperimentalne tehnologije posljednjih godina i prije svega proizvodnjom u našem laboratoriju intenzivnih snopova iona 48 Ca na akceleratorima nove generacije, omogućilo je povećanje osjetljivosti eksperimenta za gotovo 1000 puta. Ta su postignuća korištena u novom pokušaju sintetiziranja superteških elemenata.

3 Očekivana svojstva

Što očekujemo vidjeti u eksperimentu ako je sinteza uspješna? Ako je teorijska hipoteza točna, tada će superteške jezgre biti stabilne u odnosu na spontanu fisiju. Tada će doživjeti drugu vrstu raspada: alfa raspad (emisija jezgre helija koja se sastoji od 2 protona i 2 neutrona). Kao rezultat tog procesa nastaje jezgra kćer koja je 2 protona i 2 neutrona lakša od matične jezgre. Ako jezgra kćer ima malu vjerojatnost spontane fisije, tada će nakon drugog alfa raspada jezgra unuka sada biti 4 protona i 4 neutrona lakša od početne jezgre. Alfa raspadi će se nastaviti sve dok ne dođe do spontane fisije (slika 4).

Da. ne očekujemo vidjeti samo jedan raspad, već "radioaktivnu obitelj", lanac uzastopnih alfa raspada, prilično dugih vremenski (na nuklearnoj razini), koji se natječu sa spontanom fisijom, ali su u konačnici prekinuti. U principu, takav scenarij raspada već ukazuje na stvaranje superteške jezgre.

Da bi se u potpunosti sagledao očekivani porast stabilnosti, potrebno je približiti se što je moguće bliže zatvorenim ljuskama Z = 114 i N = 184. Takve jezgre s viškom neutrona izuzetno je teško sintetizirati u nuklearnim reakcijama, jer pri spajanju jezgri stabilni elementi koji već imaju određeni omjer protona i neutrona, nemoguće je doći do dvostruko čarobne jezgre 298 114. Stoga treba pokušati u reakciji koristiti jezgre koje u početku sadrže najveći mogući broj neutrona. To je u velikoj mjeri odredilo i izbor ubrzanih iona 48 Ca kao projektila. Kao što znate, u prirodi ima puno kalcija. Sastoji se 97% od izotopa 40 Ca, čija jezgra sadrži 20 protona i 20 neutrona. Ali sadrži 0,187% teškog izotopa - 48 Ca (20 protona i 28 neutrona) koji ima 8 neutrona u višku. Tehnologija njegove proizvodnje vrlo je radno intenzivna i skupa; cijena jednog grama obogaćenog 48 Ca je oko 200.000 dolara. Zbog toga smo morali značajno promijeniti dizajn i načine rada našeg akceleratora kako bismo pronašli kompromisno rješenje - kako bismo dobili maksimalni intenzitet ionskog snopa uz minimalnu potrošnju ovog egzotičnog materijala.

Slika 4
Teorijska predviđanja o vrstama raspada (prikazano različitim bojama na slici) i poluživotima izotopa superteških elemenata s različitim brojem protona i neutrona. Kao primjer je pokazano da se za izotop 116. elementa mase 293, nastao u reakciji fuzije jezgri 248 St i 48 Ca, očekuju tri uzastopna alfa raspada koji završavaju spontanom fisijom velikog -unuka jezgre 110. elementa mase 281. Kao što se može vidjeti na sl. 8 upravo je takav scenarij raspada, u obliku lanca α - α - α - SF, promatrano za ovu jezgru u eksperimentu. Raspad lakše jezgre je izotop 110. elementa mase 271 dobiven u reakciji "hladne fuzije" jezgri 208 Pb + 64 Ni. Njegovo vrijeme poluraspada je 10 4 puta manje od vremena poluraspada izotopa 281 110 .

Danas smo dosegli rekordnu jačinu snopa - 8 × 10 12 / s, uz vrlo nisku potrošnju izotopa 48 Ca - oko 0,5 miligrama / sat. Kao ciljni materijal koristimo dugovječne obogaćene izotope umjetnih elemenata: Pu, Am, Cm i Cf (Z = 94-96 i 98) također s maksimalnim sadržajem neutrona. Proizvode se u moćnim nuklearnim reaktorima (u Oak Ridgeu, SAD i Dimitrovgradu, Rusija), a zatim se obogaćuju u posebnim postrojenjima, separatorima mase na Sveruskom istraživačkom institutu za eksperimentalnu fiziku (Sarov). Fuzijske reakcije jezgri 48 Ca s jezgrama ovih izotopa odabrane su za sintezu elemenata sa Z = 114 - 118.

Ovdje bih želio napraviti jednu digresiju.

Nema svaki laboratorij, pa čak ni vodeći nuklearni centri u svijetu, tako jedinstvene materijale iu takvim količinama koje koristimo u svom radu. Ali tehnologije za njihovu proizvodnju su razvijene u našoj zemlji i razvija ih naša industrija. Ministar za atomsku energiju Rusije predložio je da razvijemo program rada na sintezi novih elemenata za 5 godina i dodijelio posebnu potporu za provedbu ovog istraživanja. S druge strane, radeći u Zajedničkom institutu za nuklearna istraživanja, naširoko surađujemo (i natječemo se) s vodećim svjetskim laboratorijima. U istraživanju sinteze superteških elemenata već dugi niz godina blisko surađujemo s Livermore National Laboratory (SAD). Ova suradnja ne samo da udružuje naše napore, već također stvara uvjete u kojima eksperimentalne rezultate obrađuju i analiziraju neovisno dvije grupe u svim fazama eksperimenta.
Tijekom 5 godina rada, tijekom dugotrajnog zračenja, doza od oko 2 × 10 20 iona (oko 16 miligrama 48 Ca, ubrzanih do ~ 1/10 brzine svjetlosti, prošlo je kroz ciljne slojeve). U tim pokusima uočeno je stvaranje izotopa 112÷118 elemenata (s izuzetkom 117. elementa) i dobiveni su prvi rezultati o svojstvima raspada novih superteških nuklida. Iznošenje svih rezultata zauzelo bi previše prostora i, da ne bismo dosadili čitatelju, ograničit ćemo se na opis samo posljednjeg eksperimenta sinteze 113 i 115 elemenata - sve ostale reakcije proučavane su na sličan način. Ali prije nego što se prihvatimo ovog zadatka, bilo bi poželjno da ukratko opišemo postavku eksperimenta i objasnimo osnovne principe rada naše instalacije.

4. Postavljanje pokusa

Slika 5
Shematski prikaz instalacije za odvajanje jezgri trzaja u eksperimentima sinteze teških elemenata

Mentalno se cijela površina detektora može prikazati kao oko 500 ćelija (piksela) u kojima se detektiraju raspadi. Vjerojatnost da će dva signala slučajno pasti na isto mjesto je 1/500, tri signala - 1/250000 itd. To omogućuje odabir, s velikom pouzdanošću, iz ogromnog broja radioaktivnih proizvoda vrlo rijetkih događaja genetski povezanih sekvencijalnih raspada superteških jezgri, čak i ako su formirani u iznimno malim količinama (~1 atom/mjesec).

5. Eksperimentalni rezultati

Kako bismo prikazali instalaciju “na djelu”, opisat ćemo, kao primjer, detaljnije eksperimente sinteze elementa 115 nastalog u reakciji fuzije jezgri 243 Am(Z=95) + 48 Ca(Z= 20) → 291 115.
Sinteza Z-neparne jezgre je atraktivna jer prisutnost neparnog protona ili neutrona značajno smanjuje vjerojatnost spontane fisije i broj uzastopnih alfa prijelaza bit će veći (dugi lanci) nego u slučaju raspada parnih jezgri. čak i jezgre. Da bi prevladali Coulombovu barijeru, ioni 48 Ca moraju imati energiju E > 236 MeV. S druge strane, ispunjavajući ovaj uvjet, ako ograničimo energiju snopa na E = 248 MeV, tada će toplinska energija složene jezgre 291 115 biti oko 39 MeV; njegovo hlađenje će se dogoditi putem emisije 3 neutrona i gama zraka. Tada će produkt reakcije biti izotop 115 elementa s brojem neutrona N=173. Nakon što je izletio iz ciljanog sloja, atom novog elementa proći će kroz separator konfiguriran za njegovo propuštanje i ući u detektor. Daljnji događaji se razvijaju kako je prikazano na slici 6. 80 mikrosekundi nakon što se jezgra trzaja zaustavi u prednjem detektoru, sustav za prikupljanje podataka prima signale o njenom vremenu dolaska, energiji i koordinatama (broj trake i položaj u njoj). Imajte na umu da ove informacije imaju atribut "TOF" (došao iz separatora). Ako unutar 10 sekundi uslijedi drugi signal s energijom većom od 9,8 MeV s istog mjesta na površini detektora, bez oznake “TOF” (tj. od raspada implantiranog atoma), snop se gasi i sve dalje raspad se bilježi u uvjetima gotovo potpunog odsustva pozadine. Kao što se može vidjeti na gornjem grafikonu na slici 6, iza prva dva signala - od povratne jezgre i prve alfa čestice - u vremenu od oko 20 s. nakon gašenja snopa uslijedila su 4 druga signala, čiji su se položaji, s točnošću od ± 0,5 mm, podudarali s prethodnim signalima. Tijekom sljedeća 2,5 sata detektor je bio tih. Spontana fisija u istoj traci i na istoj poziciji zabilježena je tek sljedeći dan, 28,7 sati kasnije, u obliku dva signala iz fisijskih fragmenata ukupne energije od 206 MeV.
Takvi su lanci registrirani tri puta. Svi imaju isti izgled (6 generacija jezgri u radioaktivnoj obitelji) i međusobno su konzistentni kako u energiji alfa čestica tako iu vremenu njihovog pojavljivanja, uzimajući u obzir eksponencijalni zakon nuklearnog raspada. Ako se promatrani učinak odnosi, kao što se i očekivalo, na raspad izotopa elementa 115 mase 288, koji nastaje nakon isparavanja 3 neutrona od strane složene jezgre, tada s povećanjem energije snopa iona 48 Ca za samo 5 MeV, trebao bi se smanjiti za 5-6 puta. Doista, pri E = 253 MeV nije bilo učinka. No, ovdje je uočen još jedan, kraći, lanac raspada koji se sastoji od četiri alfa čestice (vjerujemo da ih je bilo i 5, ali je zadnja alfa čestica izletjela kroz otvoreni prozor) u trajanju od samo 0,4 s. Novi lanac raspada završio je nakon 1,5 sata spontanom fisijom. Očito se radi o raspadu druge jezgre, najvjerojatnije susjednog izotopa 115. elementa mase 287, nastalog u reakciji fuzije uz emisiju 4 neutrona. Lanac uzastopnih raspada neparnog-neparnog izotopa Z=115, N=173 prikazan je na donjem grafikonu slike 6, koji prikazuje izračunata vremena poluraspada superteških nuklida s različitim brojem protona i neutrona u obliku konturna karta. Prikazuje i raspad drugog, lakšeg nepar-nepar izotopa 111. elementa s brojem neutrona N = 161 sintetiziranog u reakciji 209 Bi+ 64 Ni u njemačkom laboratoriju - GSI (Darmstadt) i potom u japanskom - RIKEN ( Tokio).

Slika 6
Pokus sinteze elementa 115 u reakciji 48 Ca + 243 At.
Gornja slika prikazuje vremena u kojima se pojavljuju signali nakon implantacije povratne jezgre (R) u detektor. Crvenom bojom označeni su signali registracije alfa čestica, zelenom signali spontane fisije. Kao primjer, za jedan od tri događaja dane su koordinate položaja (u mm) svih 7 signala iz lanca raspada R →α 1 → α 2 → α 3 → α 4 →α 5 → SF snimljeno u traci br. 4. Donja slika prikazuje lance raspada jezgri sa Z=111, N=161 i Z=115, N=173. Konturne linije koje ocrtavaju područja jezgri s različitim poluživotima (različitim stupnjevima zatamnjenja) predviđanja su mikroskopske teorije.

Prije svega, treba primijetiti da su nuklearni poluživoti u oba slučaja u dobrom skladu s teorijskim predviđanjima. Unatoč činjenici da je izotop 288 115 uklonjen iz neutronske ljuske N=184 za 11 neutrona, izotopi 115 i 113 elementi imaju relativno dug životni vijek (T 1/2 ~ 0,1 s odnosno 0,5 s).
Nakon pet alfa raspada nastaje izotop 105 elementa - dubnij (Db) s N=163, čiju stabilnost određuje još jedna zatvorena ljuska N=162. Moć ove ljuske pokazuje ogromna razlika u vremenu poluraspada dva Db izotopa koji se međusobno razlikuju za samo 8 neutrona. Napomenimo, još jednom, da bi u nedostatku strukture (nuklearne ljuske), svi izotopi 105÷115 elemenata morali doživjeti spontanu fisiju u vremenu od ~ 10 -19 s.

(kemijski pokus)

U gore opisanom primjeru, svojstva dugovječnog izotopa 268 Db, koji dovršava lanac raspada elementa 115, od neovisnog su interesa.
Prema periodičnom zakonu, element 105 nalazi se u redu V. On je, kao što se vidi na slici 7., kemijski homolog niobija (Nb) i tantala (Ta) te se po kemijskim svojstvima razlikuje od svih lakših elemenata - aktinoida (Z = 90÷103) koji predstavljaju zasebnu skupinu u D.I. Stol. Mendeljejev. Zbog svog dugog vremena poluraspada, ovaj izotop elementa 105 može se odvojiti od svih produkata reakcije radiokemijska metoda nakon čega slijedi mjerenje njegovog raspada – spontane fisije. Ovaj eksperiment omogućuje neovisnu identifikaciju atomskog broja konačne jezgre (Z = 105) i svih nuklida proizvedenih u uzastopnim alfa raspadima elementa 115.
U kemijskom eksperimentu nema potrebe za korištenjem separatora povratnih jezgri. Razdvajanje produkata reakcije prema njihovim atomskim brojevima provodi se metodama koje se temelje na razlici u njihovim kemijskim svojstvima. Stoga je ovdje korištena pojednostavljena tehnika. Reakcijski produkti koji su izletjeli iz mete bili su odbačeni u bakreni kolektor koji se nalazi duž putanje njihovog kretanja do dubine od 3-4 mikrona. Nakon 20-30 sati zračenja kolekcija se otopila. Iz otopine je izolirana frakcija transaktinoida - elementi Z > 104, a iz te frakcije elementi 5. niza - Db, te njihovi kemijski homolozi Nb i Ta. Potonji su dodani kao "markeri" u otopinu prije kemijskog odvajanja. Kapljica otopine koja je sadržavala Db nanesena je na tanku podlogu, osušena i zatim postavljena između dva poluvodička detektora koji su zabilježili oba fragmenta spontane fisije. Cijeli sklop je pak bio smješten u neutronski detektor, koji je određivao broj neutrona koje su emitirali fragmenti tijekom fisije jezgri Db.
U lipnju 2004. godine provedeno je 12 identičnih eksperimenata (S.N. Dmitriev i drugi), u kojima je zabilježeno 15 događaja spontane diobe Db. Fragmenti spontane fisije Db imaju kinetičku energiju od oko 235 MeV, a prosječno se emitiraju oko 4 neutrona za svaki događaj fisije. Takve karakteristike svojstvene su spontanoj fisiji prilično teške jezgre. Podsjetimo se da su za 238 U ove vrijednosti približno 170 MeV odnosno 2 neutrona.
Kemijski eksperiment potvrđuje rezultate fizičkog eksperimenta: jezgre 115. elementa nastale u reakciji 243 Am + 48 Ca kao rezultat uzastopnih pet alfa raspada: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 zapravo dovode do formiranje dugovječne spontano fisijske jezgre s atomskim brojem 105. U ovim eksperimentima, kao produkt kćeri alfa raspada elementa 115, sintetiziran je još jedan, prethodno nepoznati element s atomskim brojem 113.

Slika 7
Fizikalni i kemijski pokusi za proučavanje radioaktivnih svojstava 115. elementa.
U reakciji 48 Ca + 243 At, korištenjem fizičke postavke pokazano je da je pet uzastopnih
alfa raspadi izotopa 288 115 dovode do dugovječnog izotopa 105. elementa - 268 Db, koji
spontano se cijepa u dva fragmenta. U kemijskom eksperimentu utvrđeno je da jezgra s atomskim brojem 105 prolazi kroz spontanu fisiju.

6. Velika slika i budućnost

Izgledi

Sada je zadatak detaljnije proučiti nuklearnu i atomsku strukturu novih elemenata, što je vrlo problematično, prvenstveno zbog niskog prinosa željenih produkata reakcije. Da bi se povećao broj atoma superteških elemenata, potrebno je povećati intenzitet snopa iona 48 Ca i povećati učinkovitost fizikalnih tehnika. Modernizacija akceleratora teških iona, planirana u nadolazećim godinama, korištenjem svih najnovijih dostignuća akceleratorske tehnologije, omogućit će povećanje intenziteta snopa iona za približno 5 puta. Rješenje drugog dijela zahtijeva radikalnu promjenu eksperimentalne postavke; može se pronaći u stvaranju nove eksperimentalne tehnike temeljene na svojstvima superteških elemenata.

Slika 8
Karta nuklida teških i superteških elemenata.
Za jezgre unutar ovala koje odgovaraju različitim reakcijama fuzije (prikazane na slici), dani su poluživoti i energije emitiranih alfa čestica (žuti kvadratići). Podaci su prikazani na konturnoj karti područja razdvajanja na temelju doprinosa učinka nuklearne ljuske energiji vezanja jezgre. U nedostatku nuklearne strukture, cijelo bi polje bilo bijelo. Kako tamne, tako se povećava i učinak školjki. Dvije susjedne zone razlikuju se samo za 1 MeV. To je, međutim, dovoljno za značajno povećanje stabilnosti jezgri u odnosu na spontanu fisiju, zbog čega nuklidi koji se nalaze u blizini "magičnog" broja protona i neutrona doživljavaju pretežno alfa raspad. S druge strane, u izotopima 110. i 112. elementa povećanje broja neutrona za 8 atomskih jedinica dovodi do povećanja perioda alfa raspada jezgri za više od 10 5 puta.

Princip rada strujne instalacije - kinematičkog separatora povratnih jezgri (slika 5) temelji se na razlici kinematičkih karakteristika različitih vrsta reakcija. Produkti reakcije fuzije ciljnih jezgri i 48 Ca koji nas zanimaju izlijeću iz mete u smjeru prema naprijed, u uskom kutnom stošcu ± 3 0 s kinetičkom energijom od oko 40 MeV. Ograničavanjem trajektorija povratnih jezgri, uzimajući u obzir ove parametre, gotovo potpuno ugađamo ionsku zraku, potiskujemo pozadinu reakcijskih nusproizvoda za faktor od 10 4 ÷ 10 6 i isporučujemo atome novih elemenata detektoru s učinkovitošću od približno 40% u 1 mikrosekundi. Drugim riječima, odvajanje produkata reakcije događa se "u hodu".

Slika 8 MASHA instalacija
Gornja slika prikazuje dijagram separatora i princip njegovog rada. Jezgre trzaja izbačene iz ciljnog sloja zaustavljaju se u grafitnom kolektoru na dubini od nekoliko mikrometara. Zbog visoke temperature kolektora, oni difundiraju u komoru izvora iona, izvlače se iz plazme, ubrzavaju se električnim poljem i analiziraju po masi pomoću magnetskih polja dok se kreću prema detektoru. U ovom dizajnu, masa atoma može se odrediti s točnošću od 1/3000. Slika u nastavku prikazuje opći prikaz instalacije.

Ali kako bi se postigla visoka selektivnost instalacije, važno je sačuvati i ne "razmazati" kinematičke parametre - kutove odlaska i energije jezgri trzaja. Zbog toga je potrebno koristiti ciljne slojeve debljine ne veće od 0,3 mikrometra - otprilike tri puta manje od onoga što je potrebno za postizanje efektivnog prinosa superteške jezgre zadane mase ili 5-6 puta manje ako govore o sintezi dva izotopa danog elementa susjedna po masi. Osim toga, da bi se dobili podaci o masenim brojevima izotopa superteškog elementa, potrebno je provesti dugu i radno intenzivnu seriju eksperimenata - ponavljanje mjerenja pri različitim energijama snopa iona 48 Ca.
Istodobno, kao što proizlazi iz naših eksperimenata, sintetizirani atomi superteških elemenata imaju poluživote koji znatno premašuju brzinu kinematičkog separatora. Stoga u mnogim slučajevima nema potrebe za odvajanjem produkata reakcije u tako kratkom vremenu. Tada možete promijeniti princip rada instalacije i odvojiti produkte reakcije u nekoliko faza.
Dijagram nove instalacije prikazan je na sl. 9. Nakon implantacije povratnih jezgri u kolektor zagrijan na temperaturu od 2000 0 C, atomi difundiraju u plazmu ionskog izvora, ioniziraju se u plazmi do naboja q = 1 +, izvlače se iz izvora električnim polju, odvajaju se po masi u magnetskim poljima posebnog profila i, na kraju, registriraju (po vrsti raspada) detektori smješteni u žarišnoj ravnini. Cijeli postupak može trajati, prema procjenama, od desetinki sekunde do nekoliko sekundi, ovisno o temperaturnim uvjetima i fizikalno-kemijskim svojstvima izdvojenih atoma. Inferiorna u brzini od kinematičkog separatora, nova instalacija je MASHA (skraćenica za puni naziv Masovni analizator super teških atoma) - povećat će učinkovitost rada za oko 10 puta i omogućiti, uz svojstva raspada, izravno mjerenje mase superteških jezgri.
Zahvaljujući potpori koju je dodijelio guverner Moskovske regije B.V. Gromov za stvaranje ove instalacije, projektirana je i proizvedena u kratkom vremenu - u 2 godine, prošla je testove i spremna je za rad. Nakon rekonstrukcije akceleratora, uz ugradnju MASHA. Značajno ćemo proširiti istraživanja svojstava novih nuklida i pokušati ići dalje u područje težih elemenata.

(potraga za superteškim elementima u prirodi)

Druga strana problema superteških elemenata povezana je s proizvodnjom dugoživućih nuklida. U gore opisanim eksperimentima samo smo se približili rubu "otoka", otkrili strmo uzdizanje, ali smo još uvijek daleko od njegovog vrha, gdje jezgre mogu živjeti tisućama, a možda čak i milijunima godina. Nemamo dovoljno neutrona u sintetiziranim jezgrama da bismo se približili N=184 ljusci. Danas je to nedostižno - ne postoje reakcije koje bi omogućile dobivanje tako neutronima bogatih nuklida. Možda će u dalekoj budućnosti fizičari moći koristiti intenzivne zrake radioaktivnih iona, s brojem neutrona većim od broja jezgri 48 Ca. Sada se naširoko raspravlja o takvim projektima, ali se još ne dotiču troškovi potrebni za stvaranje takvih ubrzavajućih divova.

Međutim, ovom problemu možete pokušati pristupiti iz drugog kuta.

Ako pretpostavimo da najdugovječnije superteške jezgre imaju vrijeme poluraspada od 10 5 ÷ 10 6 godina (što nije u suprotnosti s predviđanjima teorije, koja također daje svoje procjene s određenom točnošću), tada je moguće da mogu se otkriti u kozmičkim zrakama - svjedocima formiranja elemenata na drugim, mlađim planetima Svemira. Ako napravimo još jaču pretpostavku da poluživoti "dugovječnih" mogu biti deseci milijuna godina ili više, onda bi oni mogli biti prisutni na Zemlji, preživjeti u vrlo malim količinama od formiranja elemenata u Sunčevog sustava do danas.
Među mogućim kandidatima prednost dajemo izotopima elementa 108 (Hs), čija jezgra sadrži oko 180 neutrona. Kemijski pokusi provedeni s kratkoživućim izotopom 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s) pokazali su da je element 108, očekivano, prema Periodnom zakonu, kemijski homolog 76. elementa - osmija (Os).

Slika 10
Instalacija za snimanje izbijanja neutrona iz spontane fisije jezgri tijekom raspada elementa 108. (Podzemni laboratorij u Modanu, Francuska)

Zatim uzorak metalnog osmija može sadržavati 108 element Eka(Os) u vrlo malim količinama. Prisutnost Eka(Os) u osmiju može se odrediti njegovim radioaktivnim raspadom. Možda će superteška duga jetra doživjeti spontanu fisiju ili će se spontana fisija dogoditi nakon prethodnih alfa ili beta raspada (vrsta radioaktivne transformacije u kojoj se jedan od neutrona jezgre pretvara u proton) lakše i kraće živuće kćeri ili jezgra unuka. Stoga je u prvoj fazi moguće provesti eksperiment kojim bi se registrirali rijetki slučajevi spontane fisije uzorka osmija. Takav eksperiment se priprema. Mjerenja će započeti krajem ove godine i trajat će 1-1,5 godinu. Raspad superteške jezgre detektirati će se izbijanjem neutrona koji prati spontanu fisiju. Kako bi se instalacija zaštitila od neutronske pozadine koju stvaraju kozmičke zrake, mjerenja će se provoditi u podzemnom laboratoriju smještenom ispod Alpa usred tunela koji povezuje Francusku s Italijom na dubini koja odgovara sloju vode od 4000 metara. ekvivalent.
Ako se tijekom godine dana mjerenja primijeti barem jedan slučaj spontane fisije superteške jezgre, tada će to odgovarati koncentraciji elementa 108 u Os uzorku od oko 5 × 10 -15 g/g, uz pretpostavku da mu je vrijeme poluraspada 10 9 godina. Tako mala vrijednost samo je 10 -16 dio koncentracije urana u zemljinoj kori.
Unatoč ultra-visokoj osjetljivosti eksperimenta, male su šanse za otkrivanje reliktnih, superteških nuklida. Ali svaka znanstvena potraga uvijek ima male šanse... Izostanak učinka dat će gornju granicu poluživota stogodišnjaka na razini T 1/2 ≤ 3× 10 7 godina. Ne tako impresivno, ali važno za razumijevanje svojstava jezgri u novom području stabilnosti superteških elemenata.

Rezultati pretraživanja za \"stabilni elementi\". O superteškim elementima Superteški elementi na otoku stabilnosti Teorijska i eksperimentalna studija stabilnosti jezgre dala je sovjetskim fizičarima razlog za reviziju prethodno korištenih metode za proizvodnju teških transuranija. U Dubni su odlučili krenuti novim putevima i ciljati voditi I bizmut. Jezgra, kao i atom u cjelini, ima struktura ljuske. Osobito su stabilne atomske jezgre koje sadrže 2-8-20-28-50-82-114-126-164 protona (tj. atomske jezgre s istim atomskim brojem) i 2-8-20-28-50-82-126 - 184-196-228-272-318 neutrona, zbog kompletne strukture njihovih ljuski. Tek nedavno je bilo moguće računalnim izračunima potvrditi te stavove. Ova neobična stabilnost zapela mi je za oko prije svega pri proučavanju rasprostranjenosti pojedinih elemenata u prostoru. Izotopi, posjedovanje ovih nuklearnih brojeva naziva se magijom. Izotop bizmuta 209Bi, koji ima 126 neutrona, takav je čarobni nuklid. Ovo također uključuje izotope kisik, kalcij, kositar. Dvostruka magija je: za helij - izotop 4 He (2 protona, 2 neutrona), za kalcij - 48 Ca (20 protona, 28 neutrona), za olovo - 208 Pb (82 protona, 126 neutrona). Odlikuje ih vrlo posebna čvrstoća jezgre. Koristeći ionske izvore novog tipa i snažnije akceleratore teških iona - jedinice U-200 i U-300 uparene su u Dubni, skupina G. N. Flerova i Yu. Ts. Oganesyana ubrzo je počela protok teških iona s izuzetnom energijom. Kako bi postigli nuklearnu fuziju, sovjetski fizičari ispalili su ione kroma s energijom od 280 MeV na mete napravljene od olova i bizmuta. Što se moglo dogoditi? Početkom 1974. nuklearni znanstvenici u Dubni zabilježili su 50 slučajeva takvog bombardiranja, što ukazuje formiranje elementa 106, koji se, međutim, raspada nakon 10 -2 s. Tih 50 atomskih jezgri nastalo je prema shemi: 208 Pb + 51 Cr = 259 X Nešto kasnije, Ghiorso i Seaborg iz Laboratorija Lawrence Berkeley izvijestili su da su sintetizirali izotop novog 106 -th, element masenog broja 263 bombardiranjem kalifornija-249 ionima kisika u aparatu Super-HILAC. Koje će ime imati novi element? Ostavimo li po strani dosadašnje razlike, obje grupe na Berkeleyju i Dubni, koje su se natjecale u znanstvenom natjecanju, ovoga su puta postigle konsenzus. Prerano je govoriti o imenima, rekao je Oganesyan. A Ghiorso je dodao da je odlučeno da se suzdrže od bilo kakvih prijedloga oko imena 106. elementa dok se situacija ne razjasni. Do kraja 1976. laboratorij za nuklearne reakcije u Dubni dovršio je seriju eksperimenata na sintezi elementa 107; poslužio je kao polazna tvar za "alkemičare" iz Dubne. čarobni"bizmut-209. Kada je bombardiran ionima kroma s energijom od 290 MeV, pretvorio se u izotop 107 -ti element: 209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 n Element 107 se spontano raspada s vremenom poluraspada od 0,002 s i također emitira alfa čestice. Poluživoti od 0,01 i 0,002 s pronađeni za 106. i 107. element učinili su nas opreznima. Na kraju krajeva, pokazalo se da su nekoliko redova veličine veći od predviđenih računalnim izračunima. Možda je 107. element već bio pod primjetnim utjecajem blizine naknadnog magičnog broja protona i neutrona - 114, povećavajući stabilnost? Ako je to tako, onda je postojala nada da će se dobiti dugovječni izotopi elementa 107, na primjer, granatiranjem Berkeley neonski ioni. Izračuni su pokazali da bi izotop bogat neutronima nastao ovom reakcijom imao poluživot veći od 1 s. To bi omogućilo proučavanje kemijskih svojstava elementa 107 - ekarenija. Najdugovječniji izotop prvog transuranija, element 93, neptunij-237, ima vrijeme poluraspada od 2.100.000 godina; najstabilniji izotop elementa 100, fermij-257, traje samo 97 dana. Počevši od elementa 104 poluživoti su samo djelići sekunde. Stoga se činilo da nema apsolutno nikakve nade za otkrivanje ovih elemenata. Zašto su potrebna daljnja istraživanja? Albert Ghiorso, vodeći američki stručnjak za transuranije, jednom je rekao u tom smislu: " Razlog za nastavak potrage za daljnjim elementima je jednostavno zadovoljenje ljudske znatiželje - što se događa iza sljedećeg ugla ulice?"Međutim, ovo, naravno, nije samo znanstvena znatiželja. Ghiorso je ipak jasno dao do znanja koliko je važno nastaviti takva fundamentalna istraživanja. U 60-ima je teorija magičnih nuklearnih brojeva postala sve važnija. U "moru nestabilnosti" znanstvenici su očajnički pokušavali pronaći spasonosno " otok relativne stabilnosti", na kojem bi mogla čvrsto počivati ​​noga atomskog istraživača. Iako ovaj otok još nije otkriven, poznate su njegove "koordinate": element 114, ekas dovesti, smatra se središtem velike regije stabilnosti. Izotop 298 elementa 114 već je dugo predmet znanstvene rasprave jer je, sa 114 protona i 184 neutrona, jedna od onih dvostruko magičnih atomskih jezgri za koje se predviđa da će trajati dugo vremena. Međutim, što znači dugoročno postojanje? Preliminarni proračuni pokazuju: vrijeme poluraspada s oslobađanjem alfa čestica kreće se od 1 do 1000 godina, au odnosu na spontanu fisiju - od 10 8 do 10 16 godina. Takve fluktuacije, kako ističu fizičari, objašnjavaju se aproksimacijom "kompjutorske kemije". Vrlo ohrabrujući poluživoti predviđeni su za sljedeći otok stabilnosti - element 164, dvislead. Izotop elementa 164 s masenim brojem 482 također je dvostruko magičan: njegovu jezgru čini 164 protona i 318 neutrona. Znanost je zanimljiva i jednostavna čarobni superteški elementi, kao što je izotop-294 elementa 110 ili izotop-310 elementa 126, koji sadrži 184 neutrona. Nevjerojatno je kako istraživači prilično ozbiljno žongliraju tim imaginarnim elementima, kao da već postoje. Iz računala se izvlači sve više novih podataka i sada se definitivno zna što svojstva - nuklearna, kristalografska i kemijska - ti superteški elementi moraju imati. U stručnoj literaturi gomilaju se precizni podaci za elemente koje će ljudi možda otkriti za 50 godina. Atomski znanstvenici trenutno plove morem nestabilnosti, čekajući otkrića. Iza njih je bilo čvrsto tlo: poluotok s prirodnim radioaktivnim elementima, obilježen brdima torija i urana, i dalekosežno čvrsto tlo sa svim ostalim elementima i vrhovima olovo, kositar I kalcij. Hrabri pomorci već su dugo na pučini. Na neočekivanom mjestu pronašli su sprud: otvoreni elementi 106 i 107 bili su stabilniji od očekivanog. Posljednjih godina dugo smo plovili po moru nestabilnosti, tvrdi G. N. Flerov, i odjednom, u posljednjem trenutku, osjetili smo tlo pod nogama. Slučajni podvodni kamen? Ili sprud dugo očekivanog otoka stabilnosti? Ako je drugo točno, onda imamo pravu priliku za stvaranje novi periodni sustav stabilnih superteških elemenata s nevjerojatnim svojstvima. Nakon što je postala poznata hipoteza o stabilnim elementima u blizini serijskih brojeva 114, 126, 164, istraživači diljem svijeta bacili su se na ove " super teška"atomi. Nadalo se da će neki od njih, s vjerojatno dugim poluživotom, biti pronađeni na Zemlji ili u svemiru, barem u obliku tragova. Uostalom, kada je nastao naš Sunčev sustav, ti su elementi postojali kao i svi ostali . Tragovi superteških elemenata- što pod tim treba razumjeti? Kao rezultat njihove sposobnosti spontane fisije u dva nuklearna fragmenta s velikom masom i energijom, ti bi transurani morali ostaviti jasne tragove razaranja u okolnoj materiji. Slični tragovi mogu se vidjeti u mineralima pod mikroskopom nakon što su urezani. Koristeći ovu metodu uništavanja tragova, sada je moguće pratiti postojanje davno mrtvih elemenata. Po širini ostavljenih tragova može se procijeniti i redni broj elementa - širina traga proporcionalna je kvadratu nuklearnog naboja. Također se nadaju da će identificirati "žive" superteške elemente na temelju činjenice da opetovano emitiraju neutrone. Tijekom procesa spontane fisije ovi elementi emitiraju do 10 neutrona. Tragovi superteških elemenata traženi su u kvržicama mangana iz dubina oceana, kao i u vodama nakon otapanja ledenjaka u polarnim morima. Još uvijek nema rezultata. G. N. Flerov i njegovi kolege ispitivali su olovno staklo antičke vitrine iz 14. stoljeća, lejdensku posudu iz 19. stoljeća i vazu od olovnog kristala iz 18. stoljeća. Isprva je ukazivalo nekoliko tragova spontane fisije ekas dovesti- 114. element. Međutim, kada su znanstvenici iz Dubne ponovili svoja mjerenja s vrlo osjetljivim detektorom neutrona u najdubljem rudniku soli u Sovjetskom Savezu, nisu dobili pozitivan rezultat. Kozmičko zračenje, koje je očito uzrokovalo promatrani učinak, nije moglo prodrijeti do takve dubine. Godine 1977. profesor Flerov je rekao da je konačno otkrio " signale novog transuranija" dok je proučavao duboke termalne vode poluotoka Cheleken u Kaspijskom jezeru. Međutim, broj prijavljenih slučajeva bio je premalen za jasnu raspodjelu. Godinu dana kasnije, Flerovljeva grupa zabilježila je 150 spontanih podjela mjesečno. Ovi su podaci dobiveni tijekom rada s ionskim izmjenjivačem ispunjenim nepoznatim transuranijem iz termalnih voda. Flerov je procijenio poluživot prisutnog elementa, koji još nije uspio izolirati, na milijarde godina. Drugi su istraživači krenuli drugačijim putovima. Profesor Fowler i njegovi kolege sa Sveučilišta u Bristolu poduzeli su pokuse s balonima na velikim visinama. Pomoću detektora malih količina jezgri identificirana su brojna područja s nuklearnim nabojem većim od 92. Engleski istraživači su vjerovali da jedan od tragova čak ukazuje na elemente 102...108. Kasnije su napravili izmjenu: nepoznati element ima serijski broj 96 ( curium). Kako te superteške čestice dospijevaju u stratosferu globusa? Do sada je izneseno nekoliko teorija. Po njima bi se teški atomi trebali pojaviti tijekom eksplozija supernove ili drugih astrofizičkih procesa i dospjeti do Zemlje u obliku kozmičkog zračenja ili prašine – ali tek nakon 1000 – 1.000.000 godina. Te kozmičke naslage trenutno se traže iu atmosferi iu dubokim morskim sedimentima. Dakle, superteški elementi se mogu naći u kozmičkom zračenju? Istina, prema američkim znanstvenicima koji su poduzeli eksperiment Skylab 1975. godine, ova hipoteza nije potvrđena. U svemirskom laboratoriju koji je kružio oko Zemlje postavljeni su detektori koji apsorbiraju teške čestice iz svemira; tek su otkriveni staze poznatih elemenata. Mjesečeva prašina donesena na Zemlju nakon prvog slijetanja na Mjesec 1969. nije ništa manje pažljivo ispitana na prisustvo superteških elemenata. Kada su pronađeni tragovi "dugovječnih" čestica do 0,025 mm, neki su istraživači vjerovali da se mogu pripisati elementima 110 - 119. Slični rezultati dobiveni su proučavanjem anomalnog izotopskog sastava plemenitog plina ksenona sadržanog u različitim uzorcima meteorita. Fizičari su izrazili mišljenje da se ovaj učinak može objasniti samo postojanjem superteških elemenata. Sovjetski znanstvenici u Dubni, koji su analizirali 20 kg meteorita Allende, koji je pao u Meksiku u jesen 1969., uspjeli su otkriti nekoliko spontanih fisija kao rezultat tromjesečnog promatranja. Međutim, nakon što je utvrđeno da je "prirodno" plutonij-244, koji je nekoć bio sastavni dio našeg sunčevog sustava, ostavlja potpuno slične tragove, interpretacija se počela provoditi pažljivije. Prije stoljeće i pol, kada je Dmitrij Ivanovič Mendeljejev otkrio periodični zakon, bila su poznata samo 63 elementa. Raspoređeni u tablici, lako su se rasporedili u razdoblja, od kojih se svaki otvara aktivnim alkalijskim metalima, a završava (kako se kasnije pokazalo) inertnim plemenitim plinovima. Od tada se periodni sustav gotovo udvostručio, a sa svakim proširenjem periodni zakon se uvijek iznova potvrđuje. Rubidij također podsjeća na kalij i natrij, kao ksenon na kripton i argon, ispod ugljika je silicij, koji mu je dosta sličan... Danas se zna da su ta svojstva određena brojem elektrona koji rotiraju oko atomske jezgre. . Oni jedan za drugim pune “energetske ljuske” atoma, poput gledatelja koji redom zauzimaju svoja mjesta u kazalištu: onaj tko je zadnji odredit će kemijska svojstva cijelog elementa. Atom s potpuno ispunjenom posljednjom ljuskom (poput helija sa svoja dva elektrona) bit će inertan; element s jednim "ekstra" elektronom na sebi (poput natrija) aktivno će tvoriti kemijske veze. Broj negativno nabijenih elektrona u orbitama povezan je s brojem pozitivnih protona u jezgri atoma, a to je broj protona koji razlikuje različite elemente. Ali u jezgri istog elementa može biti različit broj neutrona, oni nemaju naboj i ne utječu na kemijska svojstva. Ali ovisno o broju neutrona, vodik se može pokazati težim od helija, a masa litija može doseći sedam umjesto "klasičnih" šest atomskih jedinica. A ako se popis danas poznatih elemenata približava broju od 120, onda je broj jezgri (nuklida) premašio 3000. Većina njih je nestabilna i nakon nekog vremena se raspadaju, oslobađajući "suvišne" čestice tijekom radioaktivnog raspada. Čak i više nuklida ne može postojati u načelu, odmah se raspada na komade. Dakle, kontinent stabilnih jezgri okružen je cijelim morem nestabilnih kombinacija neutrona i protona. More nestabilnosti Sudbina jezgre ovisi o broju neutrona i protona u njoj. Prema teoriji ljuske o strukturi jezgre, postavljenoj još 1950-ih, čestice u njoj su raspoređene među svojim energetskim razinama na isti način kao elektroni koji rotiraju oko jezgre. Neki brojevi protona i neutrona daju posebno stabilne konfiguracije s potpuno ispunjenim protonskim ili neutronskim ljuskama - 2, 8, 20, 28, 50, 82, a kod neutrona postoji i 126 čestica. Ti se brojevi nazivaju "magični" brojevi, a najstabilnije jezgre sadrže "dvostruko magični" broj čestica - na primjer, olovo ima 82 protona i 126 neutrona, ili dva u normalnom atomu helija, drugog najzastupljenijeg elementa u svemiru. Uzastopni "Kemijski kontinent" elemenata koji se nalaze na Zemlji završava olovom. Slijedi niz jezgri koje postoje mnogo manje od starosti našeg planeta. U njegovim dubinama mogu se sačuvati samo u malim količinama, poput urana i torija, ili čak u tragovima, poput plutonija. Nemoguće ga je izdvojiti iz stijene, a plutonij se proizvodi umjetno, u reaktorima, bombardiranjem uranove mete neutronima. Općenito, suvremeni fizičari tretiraju atomske jezgre kao građevinske dijelove, prisiljavajući ih na spajanje pojedinačnih neutrona, protona ili cijelih jezgri. To omogućuje dobivanje sve težih nuklida prelaskom tjesnaca "Mora nestabilnosti". Svrha putovanja sugerira ista teorija ljuske o strukturi jezgre. Ovo je područje superteških elemenata s odgovarajućim (i vrlo velikim) brojem neutrona i protona, legendarni “Otok stabilnosti”. Izračuni govore da neki od lokalnih "stanovnika" možda više ne postoje za djeliće mikrosekundi, već za mnogo redova veličine duže. "U određenoj mjeri mogu se smatrati kapljicama vode", objasnio nam je akademik RAS-a Jurij Oganesjan. — Jezgre su do olova sferične i stabilne. Nakon njih je poluotok umjereno stabilnih jezgri - poput torija ili urana - koji se proteže plićakom visoko deformiranih jezgri i razbija u nestabilno more... Ali još dalje, iza tjesnaca, možda postoji novo područje sferičnih jezgri, superteških i stabilnih elemenata s brojevima 114, 116 i dalje." Životni vijek nekih elemenata na "Otoku stabilnosti" može trajati godinama, pa čak i milijunima godina. Otok stabilnosti Transuranski elementi sa svojim deformiranim jezgrama mogu se stvoriti bombardiranjem neutronima meta napravljenih od urana, torija ili plutonija. Bombardirajući ih lakim ionima ubrzanim u akceleratoru, možete sukcesivno dobiti niz još težih elemenata - ali u jednom trenutku će doći granica. "Ako različite reakcije - dodavanje neutrona, dodavanje iona - smatramo različitim "brodovima", onda nam sve one neće pomoći da plovimo do "Otoka stabilnosti", nastavlja Yuri Oganesyan. — Za to će biti potrebna veća "posuda" i drugačiji dizajn. Meta bi morale biti teške jezgre bogate neutronima umjetnih elemenata težih od urana, i morale bi biti bombardirane velikim, teškim izotopima koji sadrže mnogo neutrona, kao što je kalcij-48.” Na takvom "brodu" mogao bi raditi samo veliki međunarodni tim znanstvenika. Inženjeri i fizičari tvornice Elektrokhimpribor izolirali su iz prirodnog kalcija iznimno rijedak 48. izotop koji se ovdje nalazi u količini manjoj od 0,2%. Mete od urana, plutonija, americija, kurija, kalifornija pripremljene su u Dimitrograd Research Institute of Atomic Reactors, u Livermore National Laboratory i Oak Ridge National Laboratory u SAD-u. Pa, ključne pokuse na sintezi novih elemenata izveo je akademik Oganesyan na Zajedničkom institutu za nuklearnu fiziku (JINR), u Laboratoriju za nuklearne reakcije Flerov. “Naš akcelerator u Dubni radio je 6-7 tisuća sati godišnje, ubrzavajući ione kalcija-48 do približno 0,1 brzine svjetlosti”, objašnjava znanstvenik. “Ta je energija potrebna kako bi neki od njih, pogađajući metu, svladali sile Coulombovog odbijanja i spojili se s jezgrama svojih atoma. Na primjer, element 92, uran, proizvest će jezgru novog elementa pod brojem 112, plutonija 114 i kalifornija 118.” "Potraga za novim superteškim elementima omogućuje nam da odgovorimo na jedno od najvažnijih pitanja znanosti: gdje leži granica našeg materijalnog svijeta?" “Takve bi jezgre već trebale biti prilično stabilne i neće se odmah raspasti, već će postupno emitirati alfa čestice i jezgre helija. I vrlo smo dobri u njihovom registriranju,” nastavlja Oganesyan. Superteška jezgra će izbaciti alfa česticu, pretvarajući se u element lakši za dva atomska broja. Zauzvrat, kćerka jezgra će izgubiti alfa česticu i pretvoriti se u "unuka" - još četiri lakša, i tako dalje, sve dok proces sekvencijalnog alfa raspada ne završi nasumičnim pojavljivanjem i trenutnom spontanom fisijom, smrću nestabilne jezgre u “moru nestabilnosti”. Koristeći ovu "genealogiju" alfa čestica, Oganesyan i njegovi kolege pratili su cijelu povijest transformacije nuklida dobivenih u akceleratoru i ocrtali bližu obalu "Otoka stabilnosti". Nakon pola stoljeća plovidbe na njega su se iskrcali prvi ljudi. Nova zemlja Već u prvom desetljeću 21. stoljeća, u fuzijskim reakcijama aktinida s ubrzanim ionima kalcija-48, atomi elemenata s brojevima od 113 do 118, koji leže na obali “Otoka stabilnosti” najudaljenijem od “kopna” , sintetizirani su. Njihov životni vijek već je nekoliko redova veličine duži od životnog vijeka njihovih susjeda: na primjer, element 114 nije pohranjen na milisekunde, poput 110., već na desetke, pa čak i stotine sekundi. "Takve tvari su već dostupne za kemiju", kaže akademik Oganesyan. - To znači da se vraćamo na sam početak putovanja i sada možemo provjeriti poštuje li se za njih Mendeljejevljev periodični zakon. Hoće li element 112 biti analog žive i kadmija, a element 114 analog kositra i olova? Prvi kemijski pokusi s izotopom 112. elementa (kopernicij) pokazali su da, po svemu sudeći, hoće. Kopernicijeve jezgre izbačene iz mete tijekom bombardiranja znanstvenici su usmjerili u dugačku cijev koja sadrži 36 parnih detektora, djelomično obloženih zlatom. Živa lako stvara stabilne intermetalne spojeve sa zlatom (ovo se svojstvo koristi u drevnoj tehnici pozlate). Dakle, živa i njoj bliski atomi trebali bi se taložiti na zlatnoj površini već prvih detektora, a radon i atomi bliski plemenitim plinovima mogu doći do kraja cijevi. Poslušno slijedeći periodični zakon, kopernicij se pokazao srodnikom žive. Ali ako je živa bila prvi poznati tekući metal, onda bi kopernicij mogao biti prvi plinoviti: njegovo vrelište je ispod sobne temperature. Prema Juriju Oganesjanu, ovo je samo izblijedjeli početak, a superteški elementi s "Otoka stabilnosti" otvorit će nam novo, svijetlo i neobično područje kemije. Ali za sada smo se zadržali u podnožju otoka stabilnih elemenata. Očekuje se da bi se 120. i naredne jezgre mogle pokazati doista stabilnima i da će postojati mnogo godina, ili čak milijune godina, tvoreći stabilne spojeve. Međutim, više ih nije moguće dobiti pomoću istog kalcija-48: nema dovoljno dugovječnih elemenata koji bi se mogli kombinirati s tim ionima da daju jezgre potrebne mase. Pokušaji da se ioni kalcija-48 zamijene nečim težim također nisu dali rezultate. Stoga su za nove potrage morski znanstvenici podigli glave i bolje pogledali nebo. Prostor i tvornica Izvorni sastav našeg svijeta nije bio vrlo raznolik: u Velikom prasku pojavio se samo vodik s malim primjesama helija - najlakšeg atoma. Svi ostali uvaženi sudionici periodnog sustava pojavili su se u reakcijama nuklearne fuzije, u unutrašnjosti zvijezda i tijekom eksplozija supernova. Nestabilni nuklidi brzo su se raspadali, dok su se stabilni nuklidi, poput kisika-16 ili željeza-54, nakupljali. Nije iznenađujuće da se teški nestabilni elementi kao što su americij ili kopernicij ne mogu naći u prirodi. Ali ako negdje doista postoji “Otok stabilnosti”, onda bi se barem u malim količinama superteški elementi trebali naći diljem prostranstva Svemira, a neki znanstvenici ih traže među česticama kozmičkih zraka. Prema akademiku Oganesyanu, ovaj pristup još uvijek nije tako pouzdan kao dobro staro bombardiranje. “Uistinu dugovječne jezgre na vrhu Otoka stabilnosti sadrže neobično velike količine neutrona”, kaže znanstvenik. "Zato se pokazalo da je kalcij-48 bogat neutronima tako uspješna jezgra za bombardiranje ciljanih elemenata bogatih neutronima." Međutim, izotopi teži od kalcija-48 su nestabilni, a šanse da se spoje u ultrastabilne jezgre u prirodnim uvjetima su izuzetno niske.” Stoga se laboratorij u Dubni blizu Moskve okrenuo korištenju težih jezgri, iako ne tako uspješnih kao kalcijeva, za gađanje umjetnih elemenata mete. "Sada smo zauzeti stvaranjem takozvane tvornice superteških elemenata", kaže akademik Oganesyan. — U njemu će iste mete biti bombardirane jezgrama titana ili kroma. Sadrže dva i četiri protona više od kalcija, što znači da nam mogu dati elemente s masama od 120 ili više. Bit će zanimljivo vidjeti hoće li i dalje biti na “otoku” ili će otvoriti novi tjesnac iza njega.”	Na energiji iona kriptona u blizini Coulombove barijere uočena su tri slučaja nastanka elementa 118. 293 118 jezgri implantirano je u silicijski detektor i promatran je lanac od šest uzastopnih α-raspada koji je završavao u izotopu 269 Sg. Poprečni presjek za formiranje elementa 118 bio je ~2 pikobarna. Vrijeme poluraspada izotopa 293118 je 120 ms. Na sl. Slika 3 prikazuje lanac uzastopnih α-raspada izotopa 293 118 i prikazuje poluživote jezgri kćeri nastalih kao rezultat α-raspada. Na temelju različitih teorijskih modela izračunate su karakteristike raspada superteških jezgri. Rezultati jednog takvog proračuna prikazani su na sl. 4. Poluživoti parnih-parnih superteških jezgri dati su u odnosu na spontanu fisiju (a), α-raspad (b), β-raspad (c) i za sve moguće procese raspada (d). Najstabilnija jezgra u odnosu na spontanu fisiju (slika 4a) je jezgra sa Z = 114 i N = 184. Za nju je vrijeme poluraspada u odnosu na spontanu fisiju ~10 16 godina. Za izotope elementa 114, koji se od najstabilnijeg razlikuju za 6-8 neutrona, poluživoti se smanjuju za 10-15 redova veličine. Poluživoti u odnosu na α-raspad prikazani su na slici. 4b. Najstabilnija jezgra nalazi se u Z regiji< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет. Jezgre stabilne u odnosu na β-raspad prikazane su na sl. 4c s tamnim točkicama. Na sl. 4d prikazuje potpune poluživote. Za parne-parne jezgre smještene unutar središnje konture, one su ~10 5 godina. Dakle, nakon uzimanja u obzir svih vrsta raspada, ispada da jezgre u blizini Z = 110 i N = 184 tvore "otok stabilnosti". Jezgra 294 110 ima poluživot od oko 10 9 godina. Razlika između Z vrijednosti i magičnog broja 114 predviđenog modelom ljuske je zbog natjecanja između fisije (u odnosu na to koja je jezgra sa Z = 114 najstabilnija) i α-raspada (u odnosu na to koje su jezgre s nižim Z stabilne ). Za nepar-par i par-nepar jezgre poluživoti se povećavaju s obzirom na α-raspad i spontanu fisiju, a smanjuju s obzirom na β-raspad. Treba napomenuti da gornje procjene jako ovise o parametrima korištenim u izračunima i mogu se smatrati samo pokazateljima mogućnosti postojanja superteških jezgri s životnim vijekom dovoljno dugim za njihovu eksperimentalnu detekciju. Rezultati drugog proračuna ravnotežnog oblika superteških jezgri i njihovih vremena poluraspada prikazani su na slici. 5, 11.11. Na sl. Na slici 11.10 prikazana je ovisnost ravnotežne energije deformacije o broju neutrona i protona za jezgre sa Z = 104-120. Energija deformacije definirana je kao razlika između energija jezgri u ravnoteži i sfernog oblika. Iz ovih podataka jasno je da bi u području Z = 114 i N = 184 trebale postojati jezgre koje u osnovnom stanju imaju sferni oblik. Sve do danas otkrivene superteške jezgre (prikazane su na slici 5 kao tamni dijamanti) su deformirane. Svijetli dijamanti pokazuju jezgre koje su stabilne u odnosu na β-raspad. Te se jezgre moraju raspasti α raspadom ili fisijom. Glavni kanal raspada trebao bi biti α-raspad. Poluživoti za parne-parne β-stabilne izotope prikazani su na slici. 6. Prema ovim predviđanjima, poluživoti se očekuju za većinu jezgri mnogo dulji od onih opaženih za već otkrivene superteške jezgre (0,1-1 ms). Na primjer, za jezgru 292110 predviđen je životni vijek od ~51 godinu. Dakle, prema suvremenim mikroskopskim izračunima, stabilnost superteških jezgri naglo raste kako se približavaju neutronskom magičnom broju N = 184. Donedavno je jedini izotop elementa sa Z = 112 bio izotop 277 112, koji ima polu- životni vijek od 0,24 ms. Teži izotop 283112 sintetiziran je reakcijom hladne fuzije 48 Ca + 238 U. Vrijeme ozračivanja 25 dana. Ukupan broj 48 Ca iona na meti je 3,5·10 18. Zabilježena su dva slučaja koja su protumačena kao spontana fisija nastalog izotopa 283 112. Vrijeme poluraspada ovog novog izotopa procijenjeno je na T 1/2 = 81 s. Dakle, jasno je da povećanje broja neutrona u izotopu 283112 u usporedbi s izotopom 277112 za 6 jedinica povećava životni vijek za 5 redova veličine. Na sl. Slika 7 prikazuje izmjereni životni vijek izotopa seaborgija Sg (Z = 106) u usporedbi s predviđanjima različitih teorijskih modela. Značajno je smanjenje životnog vijeka izotopa s N = 164 za gotovo jedan red veličine u usporedbi s životnim vijekom izotopa s N = 162. Najbliži pristup otoku stabilnosti može se postići u reakciji 76 Ge + 208 Pb. Superteška gotovo sferna jezgra može nastati u fuzijskoj reakciji praćenoj emisijom γ kvanta ili jednog neutrona. Prema procjenama, nastala jezgra 284 114 trebala bi se raspasti uz emisiju α čestica s vremenom poluraspada od ~ 1 ms. Dodatne informacije o popunjenosti ljuske u području N = 162 mogu se dobiti proučavanjem α-raspada jezgri 271 108 i 267 106. Za ove jezgre predviđena su vremena poluraspada od 1 min. i 1 sat. Za jezgre 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 očekuje se izomerija, čemu je razlog popunjavanje podljuski s j = 1/2 i j = 13/2 u području N = 162 za jezgre deformirane u tlu država. Na sl. Slika 8 prikazuje eksperimentalno izmjerene ekscitacijske funkcije za reakciju stvaranja elemenata Rf (Z = 104) i Hs (Z = 108) za reakcije fuzije upadnih iona 50 Ti i 56 Fe s ciljnom jezgrom 208 Pb. Rezultirajuća složena jezgra se hladi emisijom jednog ili dva neutrona. Informacije o ekscitacijskim funkcijama reakcija fuzije teških iona posebno su važne za dobivanje superteških jezgri. U reakciji fuzije teških iona potrebno je precizno uravnotežiti učinke Coulombovih sila i sila površinske napetosti. Ako energija upadnog iona nije dovoljno visoka, tada minimalna udaljenost približavanja neće biti dovoljna za spajanje binarnog nuklearnog sustava. Ako je energija upadne čestice prevelika, tada će rezultirajući sustav imati visoku energiju pobude i najvjerojatnije će se raspasti na fragmente. Učinkovita fuzija događa se u prilično uskom energetskom rasponu čestica koje se sudaraju. Od posebnog su interesa reakcije fuzije s emisijom minimalnog broja neutrona (1-2), jer kod sintetiziranih superteških jezgri poželjno je imati što veći omjer N/Z. Na sl. Slika 9 prikazuje potencijal fuzije za jezgre u reakciji 64 Ni + 208 Pb 272 110. Najjednostavnije procjene pokazuju da je vjerojatnost efekta tuneliranja za nuklearnu fuziju ~ 10 -21, što je znatno niže od promatrane vrijednosti presjeka. To se može objasniti na sljedeći način. Na udaljenosti od 14 fm između središta jezgri, početna kinetička energija od 236,2 MeV potpuno je kompenzirana Coulombovim potencijalom. Na toj udaljenosti u kontaktu su samo nukleoni koji se nalaze na površini jezgre. Energija ovih nukleona je niska. Stoga postoji velika vjerojatnost da će nukleoni ili parovi nukleona napustiti orbitale u jednoj jezgri i prijeći u slobodna stanja partnerske jezgre. Prijenos nukleona iz upadne jezgre u ciljnu jezgru posebno je atraktivan u slučaju kada se kao meta koristi dvostruko magični izotop olova 208 Pb. U 208 Pb popunjena je protonska podljuska h 11/2 i neutronska podljuska h 9/2 i i 13/2. U početku je prijenos protona potaknut proton-protonskim privlačnim silama, a nakon popunjavanja h 9/2 podljuske - proton-neutronskim privlačnim silama. Slično, neutroni se kreću u slobodnu podljusku i 11/2, privučeni neutronima iz već ispunjene podljuske i 13/2. Zbog energije sparivanja i velikih orbitalnih kutnih momenata, prijenos para nukleona vjerojatniji je od prijenosa jednog nukleona. Nakon prijenosa dva protona iz 64 Ni 208 Pb, Coulombova barijera se smanjuje za 14 MeV, što potiče bliži kontakt iona koji međusobno djeluju i nastavak procesa prijenosa nukleona. U radovima [V.V. Volkov. Nuklearne reakcije dubokih neelasticnih prijenosa. M. Energoizdat, 1982.; V.V. Volkov. Izv. Akademija znanosti SSSR-a, fizička serija, 1986., svezak 50 str. 1879] mehanizam fuzijske reakcije je detaljno proučavan. Pokazano je da se već u fazi zahvata formira dvostruki nuklearni sustav nakon što se kinetička energija upadne čestice potpuno rasprši i nukleoni jedne od jezgri postupno, ljusku po ljusku, prelaze na drugu jezgru. To jest, struktura ljuske jezgri igra značajnu ulogu u formiranju složene jezgre. Na temelju ovog modela bilo je moguće prilično dobro opisati energiju pobude složenih jezgri i presjek za stvaranje 102-112 elemenata u reakcijama hladne fuzije. U Laboratoriju za nuklearne reakcije nazvan. G.N. Flerov (Dubna) sintetizirao je element sa Z = 114. Korištena je reakcija Identifikacija jezgre 289 114 provedena je pomoću lanca α raspada. Eksperimentalna procjena vremena poluraspada izotopa 289 114 ~30 s. Dobiveni rezultat se dobro slaže s prethodno izvedenim proračunima. Kod sintetiziranja elementa 114 u reakciji 48 Cu + 244 Pu, maksimalni prinos postiže kanal s isparavanjem tri neutrona. U ovom slučaju, energija pobude složene jezgre 289 114 bila je 35 MeV. Teoretski predviđeni slijed raspada koji se događa s jezgrom 296 116 formiranom u reakciji prikazan je na slici 10. Riža. 10. Shema nuklearnog raspada 296 116 Jezgra 296 116 se emisijom četiri neutrona hladi i pretvara u izotop 292 116, koji zatim, s 5% vjerojatnosti, kao rezultat dva uzastopna e-hvatanja prelazi u izotop 292 114. Kao rezultat α -raspadom (T 1/2 = 85 dana), izotop 292 114 prelazi u izotop 288 112. Stvaranje izotopa 288 112 također se događa kroz kanal Konačna jezgra 288 112 koja nastaje iz oba lanca ima poluživot od oko 1 sat i raspada se spontanom fisijom. S približno 10% vjerojatnosti, kao rezultat α-raspada izotopa 288 114, može nastati izotop 284 112. Navedeni periodi i kanali raspada dobiveni su proračunom. Pri analizi različitih mogućnosti nastanka superteških elemenata u reakcijama s teškim ionima moraju se uzeti u obzir sljedeće okolnosti. Potrebno je stvoriti jezgru s dovoljno velikim omjerom broja neutrona prema broju protona. Stoga se teški ioni s velikim N/Z moraju odabrati kao upadne čestice. Potrebno je da dobivena složena jezgra ima nisku energiju pobude i mali kutni moment, jer će se u suprotnom efektivna visina fisijske barijere smanjiti. Potrebno je da dobivena jezgra ima oblik blizak sferičnom, jer će čak i mala deformacija dovesti do brze fisije superteške jezgre. Vrlo obećavajuća metoda za proizvodnju superteških jezgri su reakcije kao što su 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. Na sl. Na slici 11 prikazani su procijenjeni presjeci stvaranja transuranijevih elemenata pri ozračivanju meta koje se sastoje od 248 Cm, 249 Cf i 254 Es ubrzanim ionima 238 U. U tim reakcijama već su dobiveni prvi rezultati o poprečnim presjecima za stvaranje elemenata sa Z > 100. Da bi se povećali prinosi reakcija koje se proučavaju, ciljne debljine su odabrane na takav način da produkti reakcije ostaju u cilj. Nakon ozračivanja pojedini kemijski elementi su odvojeni od mete. Produkti α-raspada i fisijski fragmenti zabilježeni su u uzorcima dobivenim tijekom nekoliko mjeseci. Podaci dobiveni korištenjem ubrzanih iona urana jasno ukazuju na povećanje prinosa teških transuranijevih elemenata u usporedbi s lakšim ionima za bombardiranje. Ova činjenica je iznimno važna za rješavanje problema fuzije superteških jezgri. Unatoč poteškoćama u radu s odgovarajućim ciljevima, prognoze za napredak prema visokom Z izgledaju prilično optimistično. Napredak u području superteških jezgri posljednjih godina bio je zapanjujuće impresivan. Međutim, dosad svi pokušaji otkrivanja otoka stabilnosti nisu urodili plodom. Potraga za njim se intenzivno nastavlja.