Ученые из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Майнцского университета (Германия) предположили, что одна из самых необычных (среди известных астрономам) звезд содержит химические элементы из острова стабильности. Это элементы в самом конце таблицы Менделеева, от соседей слева их отличает большее время жизни. Исследование опубликовано в библиотеке электронных препринтов arXiv.org, о его результатах и стабильных сверхтяжелых химических элементах рассказывает .
Звезда HD 101065 открыта в 1961 году польско-австралийским астрономом Антонином Пшибыльским. Она находится на расстоянии около 400 световых лет от Земли в созвездии Центавра. Вероятнее всего, HD 101065 легче Солнца и представляет собой звезду главной последовательности, субгиганта. Особенность звезды Пшибыльского - крайне малое содержание в атмосфере железа и никеля. В то же время звезда богата тяжелыми элементами, в том числе стронцием, цезием, торием, иттербием и ураном.
Звезда Пшибыльского - единственная, в которой обнаружены короткоживущие радиоактивные элементы, актиноиды, с атомным номером (числом протонов в ядре) от 89 до 103: актиний, плутоний, америций и эйнштейний. На HD 101065 похожа HD 25354, но наличие там америция и кюрия вызывает сомнения.
Механизм образования сверхтяжелых элементов на звезде Пшибыльского до сих пор не вполне понятен . Предполагалось, что HD 101065 вместе с нейтронной звездой образует двойную систему - частицы со второй падают на первую, провоцируя реакции синтеза тяжелых элементов. Эта гипотеза пока не подтверждена, хотя не исключено, что на расстоянии около тысячи астрономических единиц от HD 101065 располагается тусклый спутник.
Фото: N. Dautel / Globallookpress.com
Сильнее всего HD 101065 похожа на Ap-звезды, пекулярные (peculiar) светила спектрального класса A, в чьем спектре усилены линии редкоземельных металлов. У них сильное магнитное поле, тяжелые элементы в их атмосферу поступают из недр. От остальных Ap-звезд HD 101065 отличается кратковременными изменениями в кривой блеска, что позволило включить ее в отдельную группу RoAp-звезд (Rapidly oscillating Ap stars).
Вероятно, попытки ученых вписать HD 101065 в существующую классификацию звезд когда-нибудь увенчаются успехом. Пока звезда Пшибыльского считается одной из самых необычных - это дает основания подозревать у нее ряд необычных свойств. В частности, в последней работе, посвященной HD 101065, австралийские и немецкие исследователи допустили, что в звезде Пшибыльского рождаются химические элементы, относящиеся к острову стабильности.
Ученые исходили из оболочечной модели ядра и ее расширений. Модель связывает устойчивость атомного ядра с заполнением энергетических уровней оболочек, которые, по аналогии с электронными оболочками атома, образуют ядро. Каждые нейтрон и протон находятся на определенной оболочке (расстоянии от центра атома или энергетическом уровне) и движутся независимо друг от друга в некотором самосогласованном поле.
Считается, что чем более заполнены энергетические уровни ядра, тем устойчивее изотоп. Модель хорошо объясняет устойчивость атомных ядер, спины и магнитные моменты, однако применима лишь к невозбужденным или легким и средним по массовому числу ядрам.
В соответствии с оболочечной моделью, ядра с целиком заполненными энергетическими оболочками характеризуются высокой стабильностью. Такие элементы и образуют «остров стабильности». Начинается он с изотопов с порядковыми номерами 114 и 126, соответствующими магическому и дважды магическому числам.
У ядер с магическим числом нуклонов (протонов и нейтронов) наиболее сильная энергия связи. В таблице нуклидов они размещены следующим образом: по горизонтали слева направо по возрастанию указано число протонов, а по вертикали сверху вниз - число нейтронов. У дважды магического ядра количество протонов и нейтронов равно какому-либо магическому числу.
Период полураспада изотопов флеровия (114-й элемент), полученных в Дубне, - до 2,7 секунды. Согласно теории, должен существовать изотоп флеровий-298 c магическим числом нейтронов N=184 и временем жизни порядка десяти миллионов лет. Синтезировать такое ядро пока не удалось. Для сравнения, период полураспада соседних элементов с числами протонов в ядре, равными 113 и 115, - до 19,6 секунды (для нихония-286) и 0,156 секунды (для московия-289) соответственно.
Авторы публикации на arXiv.org считают, что наличие в атмосфере HD 101065 актиноидов говорит в пользу того, что там же имеются и химические элементы из острова стабильности. Актиноиды в таком случае - продукт распада стабильных сверхтяжелых элементов. Ученые предлагают провести поиск в спектрах HD 101065 следов нобелия, лоуренсия, нихония, флеровия и описывают конкретные спектры, которые могут производить устойчивые изотопы.
В настоящее время новые элементы таблицы Менделеева синтезируются в России, США, Японии и Германии. На Земле трансурановые элементы в естественной среде не обнаружены. Звезда HD 101065, возможно, открывает новые возможности для проверки теорий физиков-ядерщиков, предполагающих существование острова стабильности.
28 ноября 2016 года Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) присвоил названия четырем сверхтяжелым элементам: нихонию (113 элемент периодической системы), московию (115 элемент), теннесину (117 элемент) и оганесону (118 элемент). Московий, теннесин и оганесон впервые были получены в Российской Федерации в коллаборации с американскими физиками. В годовщину этой даты N + 1 совместно с Издательством Яндекса предлагает вам представить себя алхимиком и попробовать синтезировать один (или несколько, как повезет) сверхтяжелых элементов на ускорителе элементарных частиц.
Сверхтяжелые химические элементы с атомным номером больше 100 удается получить только в реакциях слияния в ускорителях заряженных частиц. В них тяжелое ядро-мишень обстреливают более легкими ядрами-снарядами. Ядра новых элементов возникают в случае точного попадания и слияния ядер снаряда и мишени. У вас есть возможность почувствовать себя алхимиком-любителем и создать новый элемент. В вашем распоряжении есть ядра-снаряды и ядра-мишени. Выберите пару и нажмите кнопку «Включить ускоритель». Если выберете правильную пару, то получите сверхтяжелый элемент, увидите продукты его распада и узнаете, кем и когда он был синтезирован в реальности.
А еще мы совместно с Издательством Яндекса приготовили ответы на распространенные в интернете вопросы про сверхтяжелые элементы. Кликните на вопрос, чтобы увидеть ответ.
Можно ли предсказать, сколько сверхтяжелых элементов еще можно будет открыть? Есть ли какое-то максимальное количество протонов, которое может быть в ядре и которое бы ограничивало массу элемента?
Все подобные предсказания основаны на современных моделях устойчивости атомных ядер. Исходя из самых наивных соображений кажется, что устойчивым может быть любое ядро, в котором кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами компенсируется силой связи между ними за счет сильного взаимодействия. Для этого, в любом случае, в ядре должно быть определенное количество незаряженных нейтронов, однако соотношение между количеством нейтронов и протонов - недостаточное условие для устойчивости атомных ядер. Здесь вступает в игру квантовая природа нуклонов: они обладают полуцелым спином и, как и электроны, стремятся собираться парами и формировать заполненные энергетические уровни.
Эти эффекты приводят к различию в устойчивости протонно-нейтронных систем относительно нескольких путей распада - спонтанного деления (которое происходит в результате квантово-механических эффектов и без внешнего возбуждения приводит к разделению на более легкие ядра и нейтроны), также α- и β-распада с испусканием α-частицы или электрона (или позитрона) соответственно. По отношению к каждому из каналов распада у каждого ядра есть свое время жизни. Так, при увеличении атомного номера элемента резко увеличивается вероятность спонтанного деления, что накладывает значительные ограничения на существование стабильных ядер сверхтяжелых элементов - все они должны быть неустойчивыми с довольно коротким периодом полураспада. Поэтому для всех элементов тяжелее свинца стабильных изотопов нет, все они радиоактивные.
Тем не менее, теория предсказывает, что даже среди сверхтяжелых элементов могут быть изотопы с относительно большим временем жизни. Они должны существовать для систем с подходящим соотношением протонов и нейтронов и полностью заполненными протонными и нейтронными уровнями. Тем не менее, синтезировать такие элементы пока не удалось, и если до ближайшего «острова стабильности» (который предсказывается для ядра флеровия со 184 нейтронами) добраться в ближайшем будущем кажется возможным, то отыскать среди абсолютно неустойчивых систем более тяжелые ядра со следующей заполненной оболочкой будет значительно тяжелее, если не невозможно.
Стоит, однако, отметить, что все эти предсказания основаны на моделях, которые хорошо работают для сравнительно небольших ядер, однако для сверхтяжелых элементов форма ядра, например, начинает довольно заметно отклоняться от сферической, что требует внесения поправок в эти модели.
Есть ли у сверхтяжелых элементов какое-то практическое применение? Или, возможно, оно появится в будущем?
На данный момент у сверхтяжелых элементов никакого практического применения нет. Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, их синтез - крайне сложный технологический процесс, занимающий довольно долгое время, в результате которого происходит образование совсем небольшого количества ядер. Во-вторых, из всех элементов с порядковым номером больше ста только фермий (100-й элемент) и менделевий (101-й) имеют сравнительно стабильные изотопы с периодом полураспада 100 и 50 суток соответственно. У остальных же сверхтяжелых элементов даже самые устойчивые из синтезированных изотопов распадаются в лучшем случае за несколько десятков часов, а чаще - за секунды или даже миллисекунды.
Поэтому пока процесс синтеза сверхтяжелых ядер представляет лишь фундаментальный интерес, связанный с изучением нуклон-нуклонного взаимодействия и взаимодействия между кварками. Свойства синтезированных изотопов помогают строить более точные теоретические модели, которые можно использовать не только для исследования ядер атомов на Земле, но и, например, при изучении нейтронных звезд, в ядре которых плотность нуклонов значительно превышает плотность в ядрах атомов.
Ученые ожидают, что в будущем у сверхтяжелых элементов могут появиться и какие-то практические применения, связанные, в частности, с разработкой сенсоров или радиографических методов в медицине или промышленности. Возможно, это будут и какие-то новые способы использования, которые невозможно предсказать сейчас, однако в ближайшие годы их точно ожидать не стоит, потому что для этого должны кардинальным образом измениться технологии их получения.
Можно ли получить стабильные изотопы сверхтяжелых элементов, или все они будут только радиоактивными?
Стабильные изотопы элементов, расположенных в таблице Менделеева после свинца, сейчас неизвестны. Порядковый номер свинца в таблице Менделеева - 82-й. Это значит, что все элементы начиная с висмута будут так или иначе радиоактивными. Период полураспада этих элементов, однако, может варьироваться в очень широких пределах. Так, у наиболее устойчивого изотопа висмута, который раньше считался устойчивым, период полураспада составляет 2 × 10 19 лет, что на несколько порядков больше возраста Вселенной.
У синтезированных на данный момент изотопов сверхтяжелых элементов (с порядковым номером в таблице элементов больше ста) период полураспада значительно меньше, чем у висмута, и варьируется от ста дней до долей миллисекунды. Все они тоже радиоактивны.
Однако, согласно теоретическим предсказаниям, для некоторых элементов с определенным числом протонов и нейтронов в ядре возможно значительное увеличение периода полураспада. Нужное количество нейтронов и протонов в ядре соответствует полностью заполненным нейтронным и протонным оболочкам и предположительно должно равняться 114 для протонов и 184 для нейтронов. Теоретически такая конфигурация должна приводить к увеличению периода полураспада от сотен микросекунд до 10 5 лет. Относительная устойчивость ядер с числом протонов и нейтронов, близким к этим значениям, позволяет предположить существование «острова стабильности» среди сверхтяжелых элементов. Тем не менее, подтвердить его существование экспериментально пока не удалось. Но даже столь значительное увеличение времени жизни ядер не сделает эти изотопы устойчивыми - они так и останутся радиоактивными.
Возможно ли, хотя бы теоретически, обнаружить сверхтяжелые элементы в природе? Или хотя бы продукты их распада, которые бы доказывали, что такие элементы существовали?
Ни один из сверхтяжелых элементов обнаружен в природе не был (что неудивительно, учитывая, что у всех из них очень короткие периоды полураспада). Элемент с самым большим порядковым номером, который удалось найти на сегодняшний день в природе, - это уран с его 92 протонами в ядре.
В начале 1970-х годов сообщалось о нахождения в природных минералах элемента с порядковым номером 108 (позднее был синтезирован под названием хассий), около десяти лет назад говорили об обнаружении в образцах тория следов 122-го элемента, однако подтверждены эти факты не были.
На Земле условий, необходимых для синтеза устойчивых сверхтяжелых ядер, нет и никогда не было, однако считается, что близкие к подобным условиям могут достигаться при взрывах сверхновых. Температура при этом поднимается до значений, достаточных для запуска быстрого поглощения ядрами нейтронов (так называемого r-процесса). Пока достоверных подтверждений естественного образования элементов с порядковым номером больше 100 в таких процессах зафиксировано не было, однако проводятся исследования состава космических лучей на предмет наличия в них следов сверхтяжелых элементов. В частности, об обнаружении в метеоритном веществе частиц с атомными числами более 100 говорили в 2011 году. Эти данные, однако, также не были подтверждены.
Откуда появилось выражение «трансфермиевые войны» и почему так часто возникает вопрос о первенстве той или иной группы в синтезе нового элемента?
Это выражение обычно используют для обозначения споров между США и СССР о приоритете при открытии элементов с порядковыми номерами 104,105 и 106, которые были были открыты в 60-х и 70-х годах XX века. Сам термин «трансфермиевые войны» (все эти элементы располагаются в таблице Менделеева как раз вслед за фермием) был впервые предложен в 1994 году. В Советском Союзе синтез проводился в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, в США - в Национальными лабораториями имени Лоуренса в Беркли и Ливерморе. Первые удачные попытки синтеза 104-го элемента сейчас датируются 1964 годом, 105-го элемента - 1970 годом, а 106-го - 1974-м.
Советская сторона считала, что именно в Дубне впервые удалось синтезировать 104-й и 105-й элементы, и использовала для них названия «курчатовий» и «нильсборий» соответственно. Американские ученые критиковали результаты советских экспериментов и доказывали, что первыми получили эти элементы физики в их лабораториях и назвали их «резерфордием» и «ганием» (в честь Эрнеста Резерфорда и Отто Гана соответственно). Однако из-за того, что значительная часть данных о синтезе была в то время закрыта, однозначно определить первенство той или иной группы было достаточно сложно.
Из-за этого процесс выяснения первенства растянулся на 30 лет и стал одним из элементов холодной войны. Лишь в 1994 году была собрана международная комиссия, которая рассмотрела известные данные и предложила свои варианты названий для элементов. Изначально некоторые из принятых решений вызывали споры, в частности о присвоении элементам имен в честь еще живущего человека (Гленна Сиборга), перенесении названия от одного элемента другому относительно начальных предложений (что вовлекло в споры третью сторону - немецкое Общество исследования тяжелых элементов, ученые которого синтезировали 107-й, 108-й и 109-й элементы).
В результате было найдено компромиссное решение, и в 1997 году произошло окончательное утверждение приоритетов и названий элементов. В частности, было решено не увековечивать имена Игоря Курчатова и Отто Гана, имеющих отношение к советскому и нацистскому ядерным проектам. 104-й и 106-й элемент сейчас используют названия, предложенные американской стороной (резерфордий и сиборгий), 105-й элемент - в признание заслуг советских ученых назвали дубнием, для 107-го, 108-го и 109-го элементов используют названия, предложенные немецкими учеными - борий, хассий и мейтнерий (лишь первый из них отличается от предложенного варианта - изначально его предлагали называть нильсборием). Сейчас благодаря открытости данных и прописанной процедуре присвоения элементам имен вопросы о приоритете решаются значительно проще.
Миниатюра из алхимической рукописи XVI века «Блеск Солнца»
Могут ли сверхтяжелые элементы рождаться при взрывах сверхновых? И можем ли мы это рождение зафиксировать?
Известно, что при вспышках сверхновых может происходить образование ядер очень тяжелых элементов, например урана или тория. Эти ядра образуются по механизму быстрого захвата нейтронов (так называемый r-процесс). Считается, что при взрыве сверхновой образуется достаточная температура - около четырех миллиардов градусов - для запуска этого процесса. Тем не менее, частота образования самых тяжелых ядер даже в таких условиях не очень высока. Считается также, что, кроме урана и тория, при взрыве сверхновых звезд возможно, например, образование калифорния (это 98-й элемент).
Для образования более тяжелых ядер в результате r-процесса необходим запуск термоядерной реакции - таким образом, например, на Земле удалось впервые синтезировать эйнштейний (99-й элемент) и фермий (100-й). Предполагается, что несколько термоядерных взрывов могут привести и к достижению острова стабильности в результате r-процесса. Однако сегодня принято считать, что при взрывах сверхновых такие условия не выполняются и элементы с порядковыми номерами более 100 не образуются. Тем не менее, следы стабильных сверхтяжелых элементов, которые могли образоваться при взрывах сверхновых, продолжают искать, например, в космических лучах и облученных ими метеоритах. Подтверждение же синтеза более легких элементов (например, урана или калифорния) проводят по спектроскопическим исследованиям продуктов их спонтанного деления.
Почему так часто реакции синтеза сверхтяжелых элементов оказываются неудачными, если по теоретическим расчетам они должны работать?
Сверхтяжелые ядра получают с помощью реакции слияния более легких ядер друг с другом. Для этого мишень из более тяжелых элементов бомбардируют ядрами более легких. Чтобы получить ядро с необходимым числом протонов и нейтронов, нужно правильно подобрать те ядра, которые используются в качестве мишеней и снарядов. Здесь может быть несколько проблем, снижающих вероятность образования нужного ядра и его обнаружения.
Во-первых, для образования нужного ядра необходимо преодолеть электростатический барьер - все-таки оба сталкиваемых ядра обладают довольно большим положительным зарядом (и до того, как на коротких расстояниях между протонами начнут действовать силы притяжения, нужно преодолеть дальнодействующее электростатическое отталкивание). Для этого тем ядрам, которыми бомбардируют мишень, необходимо изначально придать достаточно высокую энергию.
Для снижения этого барьера выгоднее использовать в качестве налетающих частиц ядра с довольно большим количеством протонов. Однако их выбор на сегодняшний день ограничен. Раньше для синтеза новых ядер мишени из тяжелых элементов, например свинца, плутония или урана, бомбардировали сравнительно легкими ядрами, например неоном-22 или кислородом-18. Позже для этих целей использовали различные изотопы более тяжелых элементов: железа-58, никеля-62, никеля-64 или цинка-70. Крайне важными стали продукты реакции различных мишеней с изотопом кальция-48.
Перспективными считаются реакции, в которых мишень из урана бомбардируют ионами из сверхтяжелых элементов - того же урана, калифорния, эйнштейния. Для повышения вероятности образования ядра нужно, чтобы налетающее ядро имело сравнительно небольшой момент импульса, а образующееся «компаунд-ядро» имело форму, близкую к сферической. Нарушение этих требований приводит к тому, что реакции не происходят. Однако даже при правильном подборе параметров процесс синтеза очень долог - облучение мишени в течение нескольких месяцев может привести к синтезу сотни нужных ядер.
Таким образом, ограниченный выбор изотопов, которые можно использовать в реакциях синтеза, сложная, с технической точки зрения, их реализация и длительное время протекание реакций значительно снижают вероятность синтеза нужных ядер - даже тех, которые, по теоретическим предсказаниям, должны оказаться устойчивыми.
Раньше считали, что центр «острова стабильности» должен находиться в районе 114 элемента, а где «остров стабильности» находится по современным представлениям? Может быть, его нет вообще?
Центр «острова стабильности», согласно оболочечной модели ядра, соответствует полностью заполненным протонной и нейтронной оболочкам - изотопу с порядковым номером 114 и массовым числом 298, то есть ядру, состоящему из 114 протонов и 184 нейтронов.
Некоторые ученые считают, что центр «острова стабильности» может соответствовать следующему протонному «магическому числу» и, таким образом, более устойчивым должен быть элемент с 120-м номером (а может быть, даже и со 126-м). Кроме того, из-за высокой вероятности α-распада центр стабильности может быть смещен относительно номера 114-го к 112-му и 110-му элементам.
Поскольку для образования относительно устойчивого ядра важно не только количество протонов в нем, но и количество нейтронов, пока синтезировать изотопы с нужным числом нуклонов из-за ограниченного выбора изотопов в эксперименте не удавалось. Потому необходимых данных для подтверждения существования «острова стабильности» нет. Однако те измерения, которые были проведены для менее устойчивых изотопов сверхтяжелых элементов, достаточно хорошо согласуются с данными теоретических моделей.
Тем не менее, стоит отметить, что положение «острова стабильности» определено в рамках концепции оболочечной модели ядра, которая при большом количестве нейтронов или протонов может работать не совсем точно. В частности, некоторые эффекты, связанные с взаимодействием кварков, для нейтрон-избыточных ядер с помощью нее объяснить не удается.
Каков срок жизни элементов в центре «острова стабильности»?
Согласно теоретическим предсказаниям, центру «острова стабильности» соответствует ядро, состоящее из 114 протонов и 184 нейтронов. Синтезировать такой тяжелый изотоп пока не удалось. Однако по данным теоретических моделей именно такое число нуклонов в ядре соответствует полностью заполненным энергетическим оболочкам.
Что касается периодов полураспада этих элементов, то при делении ядер стоит принимать во внимание три возможных процесса: спонтанное деление ядер, а также α- и β-распад. Так, период полураспада 298 114, согласно предсказаниям моделей, должен составлять примерно 10 16 лет относительно спонтанного деления, 10 лет - относительно α-распада и около 10 5 лет - относительно β-распада.
С учетом всех видов распада наиболее стабильным ядром оказывается ядро 298 110. По данным теории, период его полураспада должен составлять около 10 9 лет. Тем не менее, область стабильных ядер относительно широкая, и почти для всех ядер с четным числом протонов от 110 до 114 и четным числом нейтронов от 180 до 184 период полураспада превышает 1 год.
Пока эти числа - лишь результат теоретических расчетов. Самый тяжелый и самый устойчивый изотоп 114-го элемента (флеровия Fl), который на данный момент был получен экспериментально, - это 289 Fl. Период его полураспада составляет около 30 секунд. Период самого стабильного изотопа 110-го элемента (дармштадтий Ds) - около 10 секунд. Тем не менее, экспериментально полученные значения довольно хорошо согласуются с предсказаниями теоретических моделей, поэтому если удастся провести синтез нужных ядер с большим числом нейтронов, время их жизни может существенно увеличиться.
Десять лет назад ученые говорили , что может существовать второй «остров стабильности». Удалось ли его обнаружить?
Вообще, согласно современным теоретическим моделям, в обозримой области элементов может существовать не два, а даже больше «островов стабильности», которые будут соответствовать ядрам с полностью заполненными нейтронными и протонными оболочками, когда число нуклонов равняется так называемому «магическому числу». Сейчас элемент, который может быть «островом стабильности», соответствует изотопу, состоящему из 114 протонов и 184 нейтронов. Согласно современным оболочечным моделям ядра, следующие для протонов «магические числа» - это 126 и 164, а для нейтронов - 196, 228 и 272.
Про возможное существование относительно устойчивых ядер с 120 или 126 протонами говорят довольно давно, а десять лет назад говорили о возможном существовании «острова стабильности» в районе 164-го элемента. Тем не менее, если возможного исследования 120-го элемента в относительно близкой перспективе еще можно ожидать, то говорить об экспериментальном изучении 126-го, а тем более 164-го элемента не приходится. Для этого нужны новые ускорители тяжелых ядер, которые позволили бы работать с низкими концентрациями короткоживущих изотопов. На данный момент таких устройств нет.
Сейчас самый тяжелый элемент, синтез которого удалось подтвердить, - это оганесон с порядковым номером 118. Кроме того, стоит отметить, что применимость использованных теоретических моделей для таких тяжелых ядер тоже не доказана.
Можно ли рассматривать нейтронные звезды как гигантское атомное ядро? Если нет, то в чем принципиальное отличие?
Нет, нейтронная звезда, хоть и состоит преимущественно из протонов и нейтронов, на гигантское атомное ядро не очень похожа. На самом деле, звезда имеет довольно сложное строение - как минимум пять слоев с разными свойствами, и тяжелые атомные ядра входят в состав некоторых из них как один из важных компонентов. При этом во внешних слоях в нейтронной звезде присутствуют, например, и электроны. А во внутренних слоях - ближе к центру нейтронной звезды - очень много свободных нейтронов.
Несмотря на то, что атомное ядро - квантово-механическая система с максимальной плотностью нейтронов и протонов на Земле, в нейтронных звездах плотность нуклонов значительно выше. Размер нейтронных звезд - всего пара десятков километров, а их масса часто превышает массу Солнца, поэтому ближе к центру звезды у нее очень высокая плотность - в несколько раз больше, чем в любом атомном ядре. В ядре нейтронной звезды лишь несколько процентов электронов и протонов, основную массу составляют нейтроны, которые находятся в состоянии ферми-жидкости. В самом центре звезды - во внутреннем ядре - плотность нуклонов может в 10–15 раз превышать плотность в атомных ядрах, при этом точный состав, состояние и механизмы взаимодействия частиц в таких плотных системах достоверно неизвестны.
Исследования нейтрон-избыточных ядер важную информацию, о том, каким образом нейтроны и кварки могут взаимодействовать в ядре нейтронной звезды, однако состояние нуклонов в центре нейтронной звезды в любом случае сильно отличается от того, которое можно наблюдать в атомных ядрах даже самых тяжелых элементов.
Александр Дубов
На основе различных теоретических моделей были рассчитаны распадные характеристики сверхтяжелых ядер. Результаты одного из таких расчетов показаны на рис. 4. Приведены периоды полураспада четно-четных сверхтяжелых ядер относительно спонтанного деления (а), α-распада (б), β-распада (в) и для всех возможных процессов распада (г). Наиболее устойчивым ядром по отношению к спонтанному делению (рис. 4а) является ядро с Z = 114 и N = 184. Для него период полураспада по отношению к спонтанному делению ~10 16 лет. Для изотопов 114-го элемента, отличающихся от наиболее устойчивого на 6-8 нейтронов, периоды полураспада уменьшаются на 10-15 порядков. Периоды полураспада по отношению к α-распаду приведены на рис. 4б. Наиболее устойчивое ядро расположено в области Z < 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.
Стабильные по отношению к β-распаду ядра показаны на рис. 4в темными точками. На рис. 4г приведены полные периоды полураспада. Для четно-четных ядер, расположенных внутри центрального контура, составляют ~10 5 лет. Таким образом, после учета всех типов распада оказывается, что ядра в окрестности Z = 110 и N = 184 образуют "остров стабильности". Ядро 294 110 имеет период полураспада около 10 9 лет. Отличие величины Z от предсказываемого оболочечной моделью магического числа 114 связано с конкуренцией между делением (относительно которого ядро с Z = 114 наиболее стабильно) и α-распадом (относительно которого устойчивы ядра с меньшими Z). У нечетно-четных и четно-нечетных ядер периоды полураспада по отношению к α-распаду и спонтанному делению увеличиваются, а по отношению к β-распаду уменьшаются. Следует отметить, что приведенные оценки сильно зависят от параметров, использованных в расчетах, и могут рассматриваться лишь как указания на возможность существования сверхтяжелых ядер, имеющих времена жизни достаточно большие для их экспериментального обнаружения.
Результаты еще одного расчета равновесной формы сверхтяжелых ядер и их периодов полураспада показаны на рис. 5, 11.11 . На рис. 11.10 показана зависимость энергии равновесной деформации от количества нейтронов и протонов для ядер с Z = 104-120. Энергия деформации определяется как разность энергий ядер в равновесной и сферической форме. Из этих данных видно, что в области Z = 114 и N = 184 должны располагаться ядра, имеющие в основном состоянии сферическую форму. Все обнаруженные на сегодня сверхтяжелые ядра (они показаны на рис. 5 темными ромбами) деформированы. Светлыми ромбами показаны ядра стабильные по отношению к β-распаду. Эти ядра должны распадаться в результате α-распада или деления. Основным каналом распада должен быть α-распад.
Периоды полураспада для четно-четных β-стабильных изотопов
показаны на рис. 6. Согласно этим предсказаниям для большинства ядер ожидаются
периоды полураспада гораздо большие, чем наблюдались для уже обнаруженных
сверхтяжелых ядер (0.1-1 мс). Так например, для ядра 292 110
предсказывается время жизни ~ 51 год.
Таким образом, согласно современным микроскопическим
расчетам, стабильность сверхтяжелых ядер резко возрастает по мере приближения к
магическому числу по нейтронам N = 184. До недавнего времени единственным
изотопом элемента с Z = 112 был изотоп 277 112, имеющий период
полураспада 0.24 мс. Более тяжелый изотоп 283 112 был синтезирован в
реакции холодного слияния 48 Ca + 238 U. Время облучения 25
дней. Полное число ионов 48 Ca на мишени - 3.5·10 18 .
Зарегистрированы два случая, которые были интерпретированы как спонтанное
деление образовавшегося изотопа 283 112. Для периода полураспада этого
нового изотопа получена оценка T 1/2 = 81 c. Таким образом видно, что
увеличение числа нейтронов в изотопе 283 112 по сравнению с изотопом
277 112 на 6 единиц увеличивает время жизни на 5 порядков.
На рис. 7 показано измеренное время жизни изотопов сиборгия Sg (Z = 106)
в сравнении с предсказаниями различных теоретических моделей . Обращает на себя внимание уменьшение почти на порядок времени жизни
изотопа с N = 164 по сравнению с временем жизни изотопа с N = 162.
Наибольшего приближения к острову стабильности можно достичь
в реакции 76 Ge + 208 Pb. Сверхтяжелое почти сферическое
ядро может образоваться в реакции слияния с последующим испусканием γ-квантов
или одного нейтрона. Согласно оценкам образующееся ядро 284 114 должно
распадаться с испусканием α-частиц с периодом полураспада ~ 1 мс. Дополнительную
информацию о заполненности оболочки в районе N = 162 можно получить, изучая
α-распады ядер 271 108 и 267 106. Для этих ядер
предсказываются периоды полураспада 1 мин. и 1 час. Для ядер 263 106,
262 107, 205 108, 271,273 110 ожидается проявление
изомерии, причиной которой является заполнение подоболочек с j = 1/2 и j = 13/2
в районе N = 162 для ядер деформированных в основном состоянии.
На рис. 8 показаны экспериментально измеренные функции
возбуждения реакции образования элементов Rf (Z = 104) и Hs (Z = 108)для реакций
слияния налетающих ионов 50 Ti и 56 Fe с ядром-мишенью
208 Pb.
Образовавшееся компаунд-ядро охлаждается испусканием одного или
двух нейтронов. Информация о функциях возбуждения реакций слияния тяжелых ионов
особенно важны для получения сверхтяжелых ядер. В реакции слияния тяжелых ионов
необходимо точно сбалансировать действие кулоновских сил и сил поверхностного
натяжения. Если энергия налетающего иона недостаточно большая, то расстояние
минимального сближения будет недостаточно для слияния двойной ядерной системы.
Если энергия налетающей частицы будет слишком большой, то образовавшаяся в
результате система будет иметь большую энергию возбуждения и с большой
вероятностью произойдет развал ее на фрагменты. Эффективно слияние происходит в
довольно узком диапазоне энергий сталкивающих частиц.
Реакции слияния с испусканием минимального числа нейтронов
(1-2) представляют особый интерес, т.к. в синтезируемых сверхтяжелых ядрах
желательно иметь максимально большое отношение N/Z. На рис. 9 показан потенциал
слияния для ядер в реакции
64 Ni + 208 Pb 272 110.
Простейшие оценки показывают, что вероятность туннельного эффекта для слияния
ядер составляет ~ 10 -21 , что существенно ниже наблюдаемой величины
сечения. Это можно объяснить следующим образом. На расстоянии 14 Фм между
центрами ядер первоначальная кинетическая энергия 236.2 МэВ полностью
компенсируется кулоновским потенциалом. На этом расстоянии находятся в контакте
только нуклоны, расположенные на поверхности ядра. Энергия этих нуклонов мала.
Следовательно существует высокая вероятность того, что нуклоны или пары нуклонов
покинут орбитали в одном ядре и переместятся на свободные состояния
ядра-партнера. Передача нуклонов от налетающего ядра ядру-мишени особенно
привлекательна в случае, когда в качестве мишени используется дважды магический
изотоп свинца 208 Pb. В 208 Pb заполнены протонная
подоболочка h 11/2 и нейтронные подоболочки h 9/2 и i 13/2 .
Вначале передача протонов стимулируется силами притяжения протон-протон, а после
заполнения подоболочки h 9/2 - силами притяжения протон-нейтрон.
Аналогично нейтроны перемещаются в свободную подоболочку i 11/2 ,
притягиваясь нейтронами из уже заполненной подоболочки i 13/2 . Из-за
энергии спаривания и больших орбитальных моментов передача пары нуклонов более
вероятна, чем передача одного нуклона. После передачи двух протонов от 64 Ni
208 Pb кулоновский барьер уменьшается на 14 МэВ, что способствует
более тесному контакту взаимодействующих ионов и продолжению процесса передачи
нуклонов.
В работах [В.В. Волков. Ядерные реакции глубоконеупругих
передач. М. Энергоиздат, 1982; В.В. Волков. Изв. АН СССР серия физич., 1986 т.
50 с. 1879] был детально исследован механизм реакции слияния. Показано, что уже
на стадии захвата формируется двойная ядерная система после полной диссипации
кинетической энергии налетающей частицы и нуклоны одного из ядер постепенно
оболочка за оболочкой передаются другому ядру. То есть оболочечная структура
ядер играет существенную роль в образовании компаунд-ядра. На основе этой модели
удалось достаточно хорошо описать энергию возбуждения составных ядер и сечение
образования 102-112 элементов в реакциях холодного синтеза.
В Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Дубна)
синтезирован элемент с Z = 114. Была использована реакция
Идентификация ядра 289 114 проводилась по
цепочке α-распадов. Экспериментальная оценка периода полураспада изотопа
289 114 ~30 с. Полученный результат находится в хорошем согласии с ранее
выполненными расчетами .
При синтезе 114 элемента в реакции 48 Cu + 244 Pu
максимальный выход дает канал с испарением трех нейтронов. При этом энергии
возбуждения составного ядра 289 114 была 35 МэВ.
Теоретически предсказываемая последовательность распадов,
происходящих с ядром 296 116, образующемся в реакции ,
приведена на рис.10.
 Рис. 10. Схема распада ядра 296 116 |
Ядро 296 116 охлаждается испусканием четырех нейтронов и превращается в изотоп 292 116, который далее с 5% -ой вероятностью в результате двух последовательных e-захватов превращается в изотоп 292 114. В результате α-распада (T 1/2 = 85 дней) изотоп 292 114 превращается в изотоп 288 112. Образование изотопа 288 112 происходит и по каналу
Конечное ядро 288 112, образующееся в результате
обеих цепочек, имеет период полураспада около 1 часа и распадается в результате
спонтанного деления. Примерно с 10%-ой вероятностью в результате α-распада
изотопа 288 114 может образовываться изотоп 284 112.
Приведенные выше периоды и каналы распада получены расчетным путем.
Анализируя различные возможности образования сверхтяжелых
элементов в реакциях с тяжелыми ионами нужно учитывать следующие обстоятельства.
- Необходимо создать ядро с достаточно большим отношением числа нейтронов к числу протонов. Поэтому в качестве налетающей частицы надо выбирать тяжелые ионы, имеющие большое N/Z.
- Необходимо, чтобы образующееся компаунд-ядро имело малую энергию возбуждения и небольшую величину момента количества движения, так как в противном случае будет снижаться эффективная высота барьера деления.
- Необходимо, чтобы образующееся ядро имело форму близкую к сферической, так как даже небольшая деформация будет приводить к быстрому делению сверхтяжелого ядра.
Весьма перспективным методом получения сверхтяжелых ядер являются реакции типа 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На рис. 11 приведены оценочные сечения образования трансурановых элементов при облучении ускоренными ионами 238 U мишеней из 248 Cm, 249 Cf и 254 Es. В этих реакциях уже получены первые результаты по сечениям образования элементов с Z > 100. Для увеличения выходов исследуемых реакций толщины мишеней выбирались таким образом, чтобы продукты реакции оставались в мишени. После облучения из мишени сепарировались отдельные химические элементы. В полученных образцах в течение нескольких месяцев регистрировались продукты α-распада и осколки деления. Данные, полученные с помощью ускоренных ионов урана, ясно указывают на увеличение выхода тяжелых трансурановых элементов по сравнениюю с более легкими бомбардирующими ионами. Этот факт чрезвычайно важен для решения проблемы синтеза сверхтяжелых ядер. Несмотря на трудности работы с соответствующими мишенями прогнозы продвижения к большим Z выглядят довольно оптимистично.
Продвижение в область сверхтяжелых ядер в последние годы оказалось ошеломляюще впечатляющим. Однако, пока все попытки обнаружить остров стабильности не увенчались успехом. Поиск его интенсивно продолжается.
А. Левин
На пути к острову стабильности
Ученые занимаются новейшей версией алхимического промысла уже семь десятков лет и немало в ней преуспели: список официально признанных искусственных элементов, имена которых формально утверждены Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), включает 19 позиций.
Он открывается известным с 1940 года 93-м элементом Периодической системы - нептунием и заканчивается 111-м - рентгением, впервые изготовленным в 1994 году. В 1996 и 1998 годах были получены элементы с номерами 112 и 114. Окончательных имен они еще не обрели, а временные, закрепленные за ними до решения бюро ИЮПАК, звучат ужасно - унунбий и унунквадий. В 2004 году появились сообщения о синтезе 113-го и 115-го элементов, пока что наделенных столь же труднопроизносимыми названиями. Впрочем, в них есть своя логика, это просто порядковые номера элементов, закодированные с помощью латинских названий однозначных чисел. Например, унунбий (ununbium) расшифровывается как «один-один-два».
Прошлой осенью мировую прессу облетели сообщения об абсолютно достоверном получении еще одного сверхтяжелого элемента, 118-го. Надежность этих результатов подчеркивалась отнюдь не случайно. Дело в том, что впервые такие анонсы появились гораздо раньше - в июне 1999 года. Однако позднее сотрудники американской Ливерморской лаборатории имени Лоуренса, выступившие с заявкой на это открытие, были вынуждены от нее отказаться. Выяснилось, что данные, на которых она базировалась, были сфабрикованы одним из экспериментаторов, болгарином Виктором Ниновым. В 2002 году это вызвало немалый скандал. В том же году ученые из Ливермора во главе с Кентоном Муди вместе с российскими коллегами из Объединенного института ядерных исследований в Дубне, возглавляемыми Юрием Оганесяном, возобновили эти попытки, используя другую цепочку ядерных реакций. Эксперименты были завершены лишь через три года, и вот они-то привели уже к гарантированному синтезу 118-го элемента - правда, в количестве всего лишь трех ядер. Эти результаты представлены в статье с двадцатью российскими и десятью американскими подписями, которая 9 октября 2006 года появилась в журнале Physical Review С.
О методах получения сверхтяжелых искусственных элементов и о совместной работе групп Оганесяна и Муди поговорим позже. А пока что попробуем ответить на не столь уж наивный вопрос: почему ядерные физики и химики с таким упорством ведут синтез все новых и новых элементов с трехзначными номерами в Периодической системе? Эти работы требуют сложного и дорогого оборудования и многих лет интенсивных исследований - а что в итоге? Совершенно бесполезные нестабильные экзотические ядра, которые к тому же можно пересчитать по пальцам. Конечно, специалистам интересно заниматься каждым таким ядром просто в силу его уникальности и новизны для науки - скажем, изучать его радиоактивные распады, энергетические уровни и геометрическую форму. За такие открытия подчас дают Нобелевские премии, но все же - стоит ли игра свеч? Что обещают эти исследования если не технологии, то хотя бы фундаментальной науке?
НЕМНОГО ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ФИЗИКИ
Прежде всего напомним, что ядра всех без исключения элементов, кроме водорода,
сложены из частиц двух видов - положительно заряженных протонов и не несущих электрического
заряда нейтронов (ядро водорода - это единичный протон). Так что все ядра заряжены
положительно, причем заряд ядра определяется числом его протонов. Это же число
задает и номер элемента в Периодической системе. С первого взгляда это обстоятельство
может показаться странным. Создатель этой системы Д. И. Менделеев упорядочивал
элементы на основе их атомных весов и химических свойств, а об атомных ядрах наука
тогда вообще не подозревала (к слову, в 1869 году, когда он открыл свой периодический
закон, было известно всего лишь 63 элемента). Сейчас мы знаем (а Дмитрий Иванович
узнать не успел), что химические свойства зависят от структуры электронного облака,
окружающего атомное ядро. Как известно, заряды протона и электрона равны по абсолютной
величине и обратны по знаку. Поскольку атом в целом электронейтрален, число электронов
в точности равно числу протонов - вот искомая связь и обнаружена. Периодичность
химических свойств объясняется тем, что электронное облако состоит из отдельных
«слоев» - оболочек. Химические взаимодействия между атомами в первую очередь обеспечиваются
электронами внешних оболочек. По мере заполнения каждой новой оболочки химические
свойства получающихся элементов образуют плавный ряд, а затем емкость оболочки
кончается, и начинает заполняться следующая - отсюда и периодичность. Но тут уж
мы вступаем в дебри атомной физики, а она нас сегодня не интересует, нам бы успеть
поговорить о ядрах.
Атомные ядра принято называть «нуклидами», от латинского nucleus - ядро. Отсюда же общее название для протонов и нейтронов - «нуклоны». Ядра с одинаковым числом протонов, но разным - нейтронов отличаются по массе, однако их электронные «одежды» совершенно Мария Кюри одинаковы. Это означает, что атомы, отличающиеся друг от друга только числом нейтронов, химически неразличимы, и их надо считать разновидностями одного и того же элемента. Такие элементы называют изотопами (это название в 1910 году предложил английский радиохимик Фредерик Содди, который произвел его от греческих слов isos - равный, одинаковый и topos - место). Изотопы принято обозначать названием или химическим символом элемента, сопровождающимся обозначением общего количества ядерных нуклонов (этот показатель называют «массовым числом»).
Все встречающиеся в природе элементы имеют по несколько изотопов. Скажем, у водорода помимо основной однопротонной версии имеется тяжелая - дейтерий и сверхтяжелая - тритий (исторически сложилось так, что изотопы водорода имеют собственные названия). Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, трития - из протона и двух нейтронов. Второй по счету элемент Периодической системы, гелий, имеет два природных изотопа: весьма редкий гелий-3 (два протона, один нейтрон) и куда более распространенный гелий-4 (два протона и два нейтрона). Элементы чисто лабораторного происхождения тоже, как правило, синтезируют в разных изотопных вариантах.
Отнюдь не все атомные ядра стабильны. Некоторые из них могут самопроизвольно испускать частицы и превращаться в другие нуклиды. Это явление в 1896 году открыл французский физик Антуан Анри Беккерель, который обнаружил, что уран испускает неизвестное науке проникающее излучение. Два года спустя Фредерик Кюри и его жена Мария выявили аналогичное излучение у тория, а затем открыли два нестабильных элемента, еще не вошедших в Периодическую систему - радий и полоний. Мария Кюри назвала загадочный с точки зрения тогдашней науки феномен радиоактивностью. В 1899 году англичанин Эрнест Резерфорд обнаружил, что уран испускает два вида радиации, которые он наименовал альфа- и бета-лучами. Еще через год француз Поль Виллар заметил у урана излучение третьего типа, которое тот же Резерфорд обозначил третьей буквой греческой алфавита - гамма. Позднее ученые открыли и другие виды радиоактивности.
Как альфа-, так и гамма-излучение возникает в результате внутренних перестроек ядра. Альфа-лучи - это просто потоки ядер основного изотопа гелия, гелия-4. Когда радиоактивный нуклид испускает альфа-частицу, его массовое число уменьшается на четыре единицы, а заряд - на две. В результате элемент сдвигается в таблице Менделеева на две клетки влево. Альфа-распад фактически является частным случаем целого семейства распадов, в результате которых ядро перестраивается и теряет нуклоны или группы нуклонов. Существуют распады, при которых ядро испускает единичный протон, или единичный нейтрон, или даже более массивную группу нуклонов, нежели альфа-частица (такие группы называют «тяжелыми кластерами»). А вот гамма-лучи невещественны - это электромагнитные кванты очень высокой энергии. Так что чистый гамма-распад - это, строго говоря, вообще не радиоактивность, поскольку и после него остается ядро с тем же количеством протонов и нейтронов, только находящееся в состоянии со сниженной энергией.
Бета-радиоактивность вызвана ядерными превращениями совершенно иного рода. Частицы, которые Резерфорд назвал бета-лучами, были попросту электронами, что выяснилось очень быстро, Это обстоятельство долго озадачивало ученых, поскольку все попытки найти электроны внутри ядер ни к чему не приводили. Лишь в 1934 году Энрико Ферми догадался, что бета-электроны - результат не внутриядерных перестроек, а взаимных превращений нуклонов. Бета-радиоактивность уранового ядра объясняется тем, что один из его нейтронов превращается в протон и электрон. Бывает бета-радиоактивность иного рода: протон превращается в позитрон и нейтрон (читатель заметит, что при обоих превращениях суммарный электрический заряд сохраняется). При бета-распаде также испускаются сверхлегкие и сверхпроникающие нейтральные частицы - нейтрино (точнее, позитронный бета-распад приводит к рождению собственно нейтрино, а электронный - антинейтрино). При электронном бета-распаде заряд ядра увеличивается на единицу, при позитронном, естественно, на столько же уменьшается.
Для более полного понимания бета-распада приходится копнуть еще глубже. Протоны и нейтроны считались истинно элементарными частицами лишь до середины 60-х годов прошлого века. Сейчас мы точно знаем, что те и другие состоят из троек кварков - куда менее массивных частиц, несущих положительные или отрицательные заряды. Заряд отрицательного кварка равен одной трети заряда электрона, а положительного - двум третям заряда протона. Кварки тесно спаяны друг с другом благодаря обмену особыми безмассовыми частицами - глюонами - ив свободном состоянии попросту не существуют. Так что бета-распады - это на самом деле превращения кварков.
Нуклоны внутри ядра связаны опять-таки обменными силами, переносчиками которых служат другие частицы, пионы (раньше их называли пи-мезонами). Эти связи далеко не так прочны, как глюонное склеивание кварков, именно поэтому ядра и могут распадаться. Внутриядерные силы не зависят от наличия или отсутствия заряда (следовательно, все нуклоyы реагируют друг с другом одинаково) и обладают очень коротким радиусом действия, примерно 1,4x10-15 метра. Размеры атомных ядер зависят от числа нуклонов, но в общем такого же порядка. Скажем, радиус самого тяжелого из встречающихся в природе нуклидов, урана-238, равен 7,4x10-15 метра, у более легких ядер он меньше.
ФИЗИКА ПОСЕРЬЕЗНЕЙ
С ядерным ликбезом мы покончили, перейдем к более интересным вещам. Вот для начала
несколько фактов, объяснение которых открывает путь к пониманию различных механизмов
нуклидного синтеза.
Факт 1.
На Земле обнаружены первые 92 элемента Периодической системы - от водорода до
урана (правда, гелий был сначала открыт по спектральным линиям на Солнце, а технеций,
астат, прометий и франций - получены искусственно, но позднее все они были обнаружены
в земном веществе). Все элементы с большими номерами были получены искусственно,
Их принято называть трансурановыми, стоящими в Периодической системе справа от
урана.
Факт 3.
Соотношение между числами внутриядерных протонов и нейтронов отнюдь не произвольно.
В стабильных легких ядрах их числа одинаковы или почти одинаковы - скажем, у лития
3:3, у углерода 6:6, у кальция 20:20. Но с ростом атомного номера число нейтронов
растет быстрее и в самых тяжелых ядрах превышает число протонов примерно в 1,5
раза. Например, ядро стабильного изотопа висмута сложено из 83 протонов и 126
нейтронов (есть еще 13 нестабильных, у которых количество нейтронов варьирует
от 119 до 132). У урана и транс-уранов отношение между нейтронами и протонами
приближается к 1,6.
Факт 2.
Все элементы имеют нестабильные изотопы, встречающиеся в природе или искусственные.
Например, дейтерий стабилен, а вот тритий претерпевает бета-распад, (К слову,
сейчас известно около двух тысяч радиоактивных нуклидов, многие из которых применяются
в различных технологиях и потому выпускаются в промышленных масштабах.) А вот
стабильные изотопы есть только у первых 83 элементов таблицы Менделеева - от водорода
до висмута. Девять самых тяжелых природных элементов: полоний, астат, радон, франций,
радий, актиний, торий, протактиний и уран - радиоактивны во всех своих изотопных
вариантах. Все без исключения трансураны также нестабильны.
Как объяснить эту закономерность? Почему не бывает ядер углерода, скажем, с 16 нейтронами (этот элемент имеет 13 изотопов с числом нейтронов от 2 до 14, однако, помимо основного изотопа, уг-лерода-12, стабилен только углерод-13)? Почему нестабильны все нуклиды с числом протонов свыше 83?
Карта стабильности атомных ядер
Атомная масса возрастает от верхней части карты к нижней. Число протонов увеличивается к нижнему правому углу, число нейтронов – к нижнему левому. Самый нижний красный блок – 112-й элемент.
В учебниках ядерной физики можно найти очень наглядную диаграмму, которую называют картой изотопов или долиной ядерной стабильности. По ее горизонтальной оси отложено число нейтронов, по вертикальной - протонов. Каждому изотопу соответствует определенная точка, скажем, основному изотопу гелия - точка с координатами (2,2). На этой диаграмме хорошо видно, что все реально существующие изотопы сосредоточены на довольно узкой полосе. Сначала ее наклон к оси абсцисс составляет примерно 45 градусов, затем он несколько уменьшается. В центре полосы концентрируются стабильные изотопы, а по бокам - склонные к тем или иным распадам.
Тут-то и возникает неясность. Понятно, что ядра не могут состоять из одних протонов - их разрывали бы силы электрического отталкивания. Но нейтроны вроде бы должны увеличивать межпротонные дистанции и тем самым это отталкивание ослаблять. А ядерные силы, которые объединяют нуклоны в ядре, как уже говорилось, действуют одинаково и на протоны, и на нейтроны. Казалось бы, чем больше в ядре нейтронов, тем оно стабильней. И если это не так, то почему?
Вот объяснение «на пальцах». Ядерная материя подчиняется законам квантовой механики. Нуклоны обоих видов имеют полуцелый спин, а потому, как и все прочие такие частицы (фермионы), подчиняются принципу Паули, который запрещает одинаковым фермионам занимать одно и то же квантовое состояние. Это означает, что количество фермионов данного вида в определенном состоянии может выражаться лишь двумя числами - 0 (состояние не занято) и 1 (состояние заполнено).
В квантовой механике, в отличие от классической, все состояния дискретны. Ядро не разваливается потому, что нуклоны в нем стянуты воедино ядерными силами. Это можно наглядно представить такой картинкой - частицы сидят в колодце и просто так оттуда выскочить не могут. Физики тоже пользуются этой моделью, называя колодец потенциальной ямой. Протоны и нейтроны не одинаковы, поэтому рассаживаются в двух ямах, а не в одной. И в протонной, и в нейтронной яме имеется набор уровней энергии, которые могут занимать провалившиеся в нее частицы. Глубина каждой ямы зависит от усредненного силового взаимодействия между ее пленниками.
Теперь вспомним, что протоны взаимно отталкиваются, а нейтроны - нет. Следовательно, протоны спаяны слабее, нежели нейтроны, поэтому их потенциальная яма не так глубока. Для легких ядер это различие невелико, однако оно нарастает по мере увеличения заряда ядра. А вот энергии самых верхних непустых уровней в обеих ямах должны совпадать. Если бы верхний заполненный нейтронный уровень был выше верхнего протонного, ядро могло бы снизить свою суммарную энергию, «вынудив» занимающий его нейтрон претерпеть бета-распад и превратиться в протон. А коль скоро такое превращение было бы энергетически выгодным, оно бы со временем случилось, ядро оказалось бы нестабильным. Тот же самый финал имел бы место, если бы какой-то протон посмел превысить свой энергетический масштаб.
Вот мы и нашли объяснение. Если протонная и нейтронная ямы обладают почти равной глубиной, что характерно для легких ядер, то числа протонов и нейтронов тоже оказываются примерно одинаковыми. По мере движения вдоль таблицы Менделеева число протонов нарастает, и глубина их потенциальной ямы все более отстает от глубины нейтронного колодца. Поэтому тяжелые ядра должны иметь в своем составе больше нейтронов, нежели протонов. А вот если искусственно сделать эту разницу слишком большой (скажем, бомбардируя ядро медленными нейтронами, которые не разбивают его на осколки, а просто «приклеиваются), нейтронный уровень сильно поднимется над протонным, и ядро распадется. Эта схема, конечно, предельно упрощена, но в принципе правильна.
Пойдем дальше. Коль скоро по мере увеличения атомного номера наблюдается прогрессирующее превышение числа нейтронов над протонами, которое снижает стабильность ядер, все тяжелые нуклиды обязаны быть радиоактивными. Это и в самом деле так, не будем повторять наш Факт 2. Более того, вроде бы мы вправе предположить, что тяжелеющие нуклиды будут становиться все менее стабильными, иначе говоря, продолжительность их жизни будет постоянно снижаться. Этот вывод выглядит абсолютно логичным, но он неверен.
ЗАВЕТНЫЙ ОСТРОВ
Начнем с того, что описанная выше схема многого не учитывает. Например, имеется
так называемый эффект нуклонного спаривания. Он состоит в том, что два протона
или два нейтрона могут вступить в тесный союз, образовав внутри ядра полуавтотомное
состояние с нулевым угловым моментом. Члены таких пар сильнее притягиваются друг
к другу, что повышает устойчивость всего ядра. Именно поэтому при прочих равных
условиях наибольшую стабильность проявляют ядра с четными числами протонов и нейтронов,
а наименьшую - с нечетными. Стабильность ядер зависит и от ряда других обстоятельств,
слишком специальных, чтобы их здесь обсуждать.
Но главное даже не в этом. Ядро - это не просто гомогенное скопление нуклонов, хотя бы и спаренных. Многочисленные эксперименты уже давно убедили физиков, что ядро, скорее всего, обладает слоистой структурой. Согласно этой модели, внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, которые в чем-то похожи на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особенно устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих полностью заполненным оболочкам, называются магическими. Некоторые из таких чисел надежно определены в экспериментах - это, например, 2, 8 и 20.
И вот здесь-то начинается самое интересное. Оболочечные модели позволяют вычислять магические числа сверхтяжелых ядер - правда, без полной гарантии. Во всяком случае есть все основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Следовательно, можно предполагать, что изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей. Особые надежды возлагаются на последний изотоп, поскольку он оказывается дважды магическим. Согласно наимено-вочной конвенции, о которой говорилось в первом разделе, его надо называть унбигексий-310.
Итак, можно надеяться, что существуют еще не открытые сверхтяжелые нуклиды, которые
живут очень долго, во всяком случае, по меркам своего ближайшего окружения. Физики
называют это гипотетическое семейство «островом стабильности». Гипотезу о его
существовании впервые высказал замечательный американский физик-ядерщик (или,
если угодно, химик-ядерщик) Гленн Сиборг, Нобелевский лауреат 1951 года. Он был
руководителем или ключевым членом команд, создавших все девять элементов от 94-го
(плутоний) до 102-го (нобелий), а также 106-й элемент, названный в его честь сиборгием.
Теперь можно ответить и на вопрос, которым заканчивается первый раздел. Синтез
сверхтяжелых элементов, помимо всего прочего, шаг за шагом приближает физиков-ядерщиков
к их святому Граалю - острову ядерной стабильности. Никто не может с уверенностью
сказать, достижима ли эта цель, однако открытие заветного острова стало бы великим
успехом науки.
114 элемент уже создан – это унунквадий. Сейчас он синтезирован в пяти изотопных версиях с числом нейтронов от 171 до 175. Как видим, до 184 нейтронов еще далеко. Однако самые стабильные изотопы унунквадия имеют период полураспада чуть меньше 3 секунд. Для 113-го элемента этот показатель составляет около половины секунды, для 115-го – менее одной десятой. Это обнадеживает.
Ускоритель У-400 в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна),
на котором был получен 118-й элемент
СИНТЕЗ 118-ГО
Все искусственные элементы с 93-го до сотого были | впервые получены [ при облучении
ядер | нейтронами или ядрами дейтерия ] (дейтонами). Это не 1 всегда происходило
в лаборатории. Элементы 99 и 100 - эйнштейний и фермий - были впервые идентифицированы
при радиохимическом анализе проб вещества, собранных в районе тихоокеанского атолла
Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный
заряд «Майк». Его оболочка была изготовлена из урана-238. Во время взрыва урановые
ядра успевали поглотить до пятнадцати нейтронов, а затем претерпевали цепочки
бета-распадов, которые в конечном счете и приводили к образованию изотопов этих
двух элементов. Кстати, некоторые из них живут довольно долго - так, период полураспада
эйнштейния-254 составляет 480 суток.
Трансфермиевые элементы с номерами более 100 синтезируются посредством бомбардировки
массивных, но не слишком быстро распадающихся нуклидов тяжелыми ионами, разогнанными
в специальных ускорителях. Среди лучших в мире машин этого рода - циклотроны У-400
и У-400М, принадлежащие Лаборатории ядерных реакций имени Г. М. Флерова Объединенного
института ядерных исследований. На ускорителе У-400 и был синтезирован 118-й элемент,
унуноктий. В таблице Менделеева он расположен в точности под радоном и, значит,
должен быть благородным газом.
Впрочем, об исследовании химических свойств унуноктия говорить еще рано. В 2002
году было получено лишь одно ядро его изотопа с атомным весом 294 (118 протонов,
176 нейтронов), в 2005-м - еще два. Жили они недолго - около миллисекунды. Их
изготовили посредством бомбардировки мишени из калифор-ния-249 ускоренными ионами
кальция-48. Общее число кальциевых «пулек» составило 2x1019! Так что производительность
унуноктиевого генератора крайне мала. Впрочем, это типичная ситуация. Зато объявленные
результаты считаются вполне надежными, вероятность ошибки не превышает тысячной
доли процента.
Ядра унуноктия претерпевали серию альфа-распадов, последовательно превращаясь в изотопы 116-го, 114-го и 112-го элементов. Последний, уже упоминавшийся унунбий, живет очень недолго и делится на тяжелые осколки примерно одинаковой массы.
Вот пока что и вся история. В 2007 году те же экспериментаторы надеются изготовить
ядра 120-го элемента, бомбардируя плутониевую мишень ионами железа. Штурм острова
стабильности продолжается.
Что нового в науке и технике, № 1, 2007
На исходе второго тысячелетия академик Виталий Лазаревич Гинзбург составил список из тридцати проблем физики и астрофизики, которые он считал наиболее важными и интересными (см. «Наука и жизнь» № 11, 1999 г.). В этом списке под № 13 указана задача отыскания сверхтяжёлых элементов. Тогда, 12 лет назад, академик с огорчением отметил, что «существование в космических лучах долгоживущих (речь идёт о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждено не было». Сегодня следы таких ядер обнаружены. Это даёт надежду открыть наконец остров Стабильности сверхтяжёлых ядер, существование которого предсказал когда-то физик-ядерщик Георгий Николаевич Флёров.
Вопрос, существуют ли элементы тяжелее урана-92 (238 U - его стабильный изотоп), долгое время оставался открытым, так как в природе они не наблюдались. Считалось, что стабильных элементов с атомным номером больше 180 нет: мощный положительный заряд ядра разрушит внутренние уровни электронов тяжёлого атома. Однако довольно скоро выяснилось, что стабильность элемента определяется устойчивостью его ядра, а не оболочки. Стабильны ядра с чётным числом протонов Z и нейтронов N, среди которых особенно выделяются ядра с так называемым магическим числом протонов или нейтронов - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - это, например, олово, свинец. И наиболее стабильны «дважды магические ядра», у которых число и нейтронов, и протонов - магическое, скажем, гелий и кальций. Таков изотоп свинца 208 Pb: у него Z = 82, N = 126. Устойчивость элемента чрезвычайно сильно зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в его ядре. Например, свинец со 126-ю нейтронами стабилен, а другой его изотоп, в ядре которого на один нейтрон больше, распадается за три с лишним часа. Но, отмечал В. Л. Гинзбург, теория предсказывает, что некий элемент Х с числом протонов Z = 114 и нейтронов N = 184, то есть с массовым атомным числом А = Z + N = 298, должен жить примерно 100 миллионов лет.
Сегодня искусственно получено множество элементов вплоть до 118-го включительно - 254 Uuo. Это самый тяжёлый неметалл, предположительно - инертный газ; его условные названия унуноктий (оно образовано из корней латинских числительных - 1, 1, 8), эка-радон и московий Mw. Все искусственные элементы когда-то существовали на Земле, но с течением времени распались. Например, плутоний-94 имеет 16 изотопов, и только у 244 Pu период полураспада Т ½ = 7,6·10 7 лет; у нептуния-93 12 изотопов и у 237 Np Т ½ = 2,14·10 6 лет. Эти самые длительные периоды полураспада среди всех изотопов данных элементов гораздо меньше возраста Земли - (4,5–5,5)·10 9 . Ничтожные следы нептуния, которые находят в урановых рудах, - продукты ядерных реакций под действием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана, а плутония - следствие бета-распада нептуния-239.
Элементы, пропавшие за время существования Земли, получают двумя способами. Во-первых, в ядро тяжёлого элемента можно вогнать лишний нейтрон. Там он претерпевает бета-распад, образуя протон, электрон и электронное антинейтрино: n 0 → p + e – + v e . Заряд ядра увеличится на единицу - возникнет новый элемент. Так получали искусственные элементы вплоть до фермия-100 (его изотоп 257 Fm имеет период полураспада 100 лет).
Ещё более тяжёлые элементы создают в ускорителях, которые разгоняют и сталкивают ядра, например золота (см. «Наука и жизнь» № 6, 1997 г.). Именно так в лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и получили 117-й и 118-й элементы. Причём теория предсказывает, что далеко за пределами известных ныне тяжёлых радиоактивных элементов должны существовать стабильные сверхтяжёлые ядра. Российский физик Г. Н. Флёров изобразил систему элементов в виде символического архипелага, где стабильные элементы окружены морем короткоживущих изотопов, которые, возможно, так никогда и не будут обнаружены. На главном острове архипелага высятся пики наиболее стабильных элементов - Кальция, Олова и Свинца, за проливом Радиоактивности лежит остров Тяжёлых ядер с пиками Урана, Нептуния и Плутония. А ещё дальше должен располагаться таинственный остров Стабильности сверхтяжёлых элементов, подобных уже упомянутому - Х-298.
Несмотря на все успехи экспериментальной и теоретической физики, остаётся открытым вопрос: существуют ли в природе сверхтяжёлые элементы, или же они - чисто искусственные, рукотворные вещества, подобные синтетическим материалам - капрону, нейлону, лавсану, - природой никогда не создававшимся?
Условия для образования таких элементов в природе есть. Они создаются в недрах пульсаров и при взрывах сверхновых звёзд. Потоки нейтронов в них достигают огромной плотности - 10 38 n 0 /м 2 и способны порождать сверхтяжёлые ядра. Они разлетаются в космосе в потоке межгалактических космических лучей, но их доля чрезвычайно мала - всего несколько частиц на квадратный метр в год. Поэтому возникла мысль использовать природный детектор-накопитель космического излучения, в котором сверхтяжёлые ядра должны оставить специфический, легко узнаваемый след. Такими детекторами с успехом послужили метеориты.
Метеорит - кусок породы, вырванный какой-то космической катастрофой из материнской планеты, - путешествует в космосе сотни миллионов лет. Его непрерывно «обстреливают» космические лучи, которые на 90% состоят из ядер водорода (протонов), на 7% - из ядер гелия (двух протонов) и на 1% - из электронов. На оставшиеся 2% приходятся другие частицы, среди которых могут быть и сверхтяжёлые ядра.
Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) изучают два палласита - железоникелиевые метеориты с вкраплениями оливина (группа полупрозрачных минералов, в которых к двуокиси кремния SiO 4 присоединены в разных пропорциях Mg 2 , (Mg, Fe) 2 и (Mn, Fe) 2 ; прозрачный оливин называется хризолитом). Возраст этих метеоритов - 185 и 300 миллионов лет.
Тяжёлые ядра, пролетая сквозь кристалл оливина, повреждают его решётку, оставляя в ней свои следы - треки. Они становятся видны после химической обработки кристалла - травления. А поскольку оливин полупрозрачен, треки эти можно наблюдать и изучать в микроскоп. По толщине трека, его длине и форме можно судить о заряде и атомной массе ядра. Исследования сильно осложняет то, что кристаллы оливина имеют размеры порядка нескольких миллиметров, а трек тяжёлой частицы гораздо длиннее. Поэтому о величине её заряда приходится судить по косвенным данным - скорости травления, уменьшению толщины трека и пр.
Работы по отысканию следов сверхтяжёлых частиц с острова стабильности назвали «Проект Олимпия». В рамках этого проекта получены сведения примерно о шести тысячах ядер с зарядом более 55 и трёх ультратяжёлых ядрах, заряды которых лежат в интервале от 105 до 130. Все характеристики треков этих ядер измерены комплексом высокоточной аппаратуры, созданным в ФИАНе. Комплекс в автоматическом режиме распознаёт треки, определяет их геометрические параметры и, экстраполируя данные измерений, находит предположительную длину трека до его остановки в массиве оливина (напомним, что реальный размер его кристалла - несколько миллиметров).
Полученные экспериментальные результаты подтверждают реальность существования в природе стабильных сверхтяжёлых элементов.
