El núcleo atómico es un sistema de nucleones formado por Z protones y N neutrones conectados por interacción nuclear. La energía de enlace de un núcleo atómico en el modelo de gota de líquido se describe mediante la fórmula de Bethe-Weizsäcker [3, 4]. Dependiendo de la vida útil y de la relación entre Z y N
Los núcleos atómicos se dividen en estables y radiactivos. El fenómeno de la radiactividad fue descubierto por A.A. Bequerel en 1896, quien descubrió la radiación hasta ahora desconocida emitida por las sales de uranio.
En 1898, Pierre y Marie Curie aislaron nuevos elementos, el radio Ra
( Z = 88) y polonio Po (Z = 84), que también tienen la propiedad de radiactividad.
E. Rutherford en 1898 demostró que la radiación de uranio tiene dos componentes: partículas α cargadas positivamente (4 núcleos de He) y partículas β cargadas negativamente (electrones) [6, 9]. En 1900, P. Willard descubrió la radiación γ del uranio.
Los núcleos estables se encuentran en el llamado valle de estabilidad (Fig. 1). La relación de N a Z a lo largo de la línea de estabilidad depende del número de masa A = N + Z:
N/Z = 0,98 + 0,015A 2/3. (1) . Arroz 1.Nueva Zelanda
diagrama de núcleos atómicos
−
Actualmente, se conocen alrededor de 3500 núcleos atómicos, el número de núcleos estables es de aproximadamente 300. A la izquierda del valle de estabilidad se encuentran los núcleos radiactivos que se desintegran como resultado de la desintegración β + y la captura electrónica. A medida que se aleja del valle de estabilidad hacia núcleos sobrecargados de protones, su vida media disminuye. Límite В р (N,Z) = 0 (В р (N,Z)
energía de separación de protones en el núcleo (N,Z))
limita la región de existencia de los núcleos a la izquierda.
−
Al pasar del valle de estabilidad hacia núcleos sobrecargados de neutrones, la vida media de los núcleos también disminuye. A la derecha, la región de existencia de los núcleos está limitada por la relación В n (N,Z) = 0 (В n (N,Z)
energía de separación de neutrones en el núcleo (N,2)).
Más allá de las fronteras
V p (norte, Z) =
= 0 y (B n (N,Z) 0 núcleos atómicos no pueden existir, ya que su desintegración ocurre dentro del tiempo nuclear característico
τ veneno = 10 -22 s.
La región de los núcleos con exceso de protones ha sido estudiada experimentalmente casi por completo hasta el límite B p (N,Z)
= 0. En esta área puede haber alrededor de 2500 − 3000 núcleos desconocidos para nosotros.
Académico G.N. Flerov:
El valor de la información obtenida al estudiar un isótopo ubicado lejos de la región de estabilidad es mucho mayor que lo que aprendemos al estudiar isótopos ubicados cerca de esta región. Este−un enfoque metodológico general que es utilizado tanto por físicos como por químicos,
−Estudiar las propiedades de la materia en condiciones extremas de su existencia. Isótopos alejados de la región (β -la estabilidad es limitante en el sentido de que en un caso, cuando hay pocos protones y el número de neutrones es relativamente grande, las fuerzas nucleares desempeñan el papel principal; en otro caso, cuando hay un exceso de protones, las fuerzas repulsivas de Coulomb juegan un papel muy importante, hasta el punto de que se hace posible la desintegración radiactiva de los núcleos con emisión de protones.
En este sentido, queda claro nuestro especial interés en estudiar los núcleos de los elementos transuránicos, donde las fuerzas de Coulomb son tan fuertes que superan las fuerzas nucleares de atracción. La barrera potencial que mantiene el núcleo en equilibrio en su conjunto casi desaparece y se divide en fragmentos. Al mismo tiempo, los efectos nucleares específicos asociados con la estructura interna del núcleo pueden ser extremadamente pronunciados. Es en esta región de elementos donde se descubrió un nuevo tipo de isomería nuclear.−isomería de la forma. Aquí también son posibles otros fenómenos interesantes, relacionados, por ejemplo, con la presencia de un segundo mínimo en la energía de deformación nuclear.
Informe al Comité Organizador de la Conferencia de la UNESCO,
dedicado al centenario de la creación de la tabla periódica.
También existen restricciones sobre la existencia de núcleos atómicos de elementos superpesados. No se han encontrado elementos con Z > 92 en condiciones naturales. Los cálculos que utilizan el modelo nuclear de gotas de líquido predicen la desaparición de la barrera de fisión para los núcleos con Z 2 /A ≈ 41 (aproximadamente 104 elementos). En el problema de la existencia de núcleos superpesados, conviene distinguir dos conjuntos de cuestiones.
- ¿Qué propiedades deberían tener los núcleos superpesados? ¿Habrá números mágicos en esta zona de Z y N? ¿Cuáles son los principales canales de desintegración y vidas medias de los núcleos superpesados?
- ¿Qué reacciones deberían usarse para sintetizar núcleos superpesados, tipos de núcleos de bombardeo, valores esperados de sección transversal, energías de excitación esperadas del núcleo compuesto y canales de desexcitación para los núcleos resultantes?
El problema de sintetizar elementos superpesados está estrechamente relacionado con el hecho de que los núcleos con Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (números mágicos) tienen una mayor estabilidad con respecto a varios tipos de desintegración radiactiva. Este fenómeno se explica en el marco del modelo de capas nucleares: los números mágicos corresponden a capas nucleares llenas [12, 13]. Naturalmente surge la pregunta sobre la existencia de los siguientes números mágicos en Z y N. En caso de que existan en el área de Nueva Zelanda. - diagramas de núcleos atómicos N > 150, Z > 101, Deben observarse núcleos superpesados con vidas medias aumentadas, es decir, debe haber una Isla de Estabilidad. Aplicación del método
Otros se desmoronaron y no sobrevivieron hasta el día de hoy. El uranio todavía se está descomponiendo: es un elemento radiactivo.
Todos los elementos después del uranio son más pesados que él. Se formaron una vez durante el proceso de nucleosíntesis (un proceso en el que los núcleos de elementos químicos pesados y complejos se forman a partir de núcleos atómicos más simples y livianos), pero no sobrevivieron hasta el día de hoy. Hoy en día sólo se pueden obtener de forma artificial.
El descubrimiento de los primeros elementos artificiales, neptunio y plutonio en 1940-1941, marcó el comienzo de una nueva dirección en la física y la química nucleares para estudiar las propiedades de los elementos transuránicos y su aplicación en muchos campos de la ciencia y la tecnología. Como resultado de muchos años de intenso trabajo, los físicos nucleares sintetizaron varios elementos nuevos.
Hay tres centros de investigación reconocidos internacionalmente para la síntesis de elementos pesados: en Dubna (Rusia), en Berkeley (EE.UU.) y en Darmstadt (Alemania). Todos los elementos nuevos, a partir del 93 (neptunio), se obtuvieron en estos laboratorios. Un nuevo elemento no se considera descubierto hasta que un grupo de investigadores obtenga resultados fiables del estudio de sus átomos y hasta que otro grupo (independiente) de científicos confirme estos resultados. Por tanto, las celdas distantes de la tabla periódica se llenan muy lentamente.
En 1940 - 1953, el profesor Glen Seaborg y sus colegas del Laboratorio Nacional de Radiación (Berkeley, EE. UU.) sintetizaron elementos artificiales con Z = 93 - 100. Se obtuvieron en reacciones de captura secuencial de neutrones por núcleos del isótopo de uranio - 235U en irradiación a largo plazo en potentes reactores nucleares. Todos los núcleos más pesados se obtuvieron en aceleradores de partículas cargadas, en los que chocan núcleos y partículas aceleradas a altas velocidades. Como resultado de las colisiones, se forman núcleos de elementos superpesados, que existen durante muy poco tiempo y luego se desintegran nuevamente. Gracias a los rastros de esta desintegración, se determina que la síntesis de un núcleo pesado fue exitosa.
Los elementos más pesados que Z=100 se sintetizaron en reacciones con iones pesados acelerados, cuando se introduce un complejo de protones y neutrones en el núcleo objetivo. A partir de la década de 1960, comenzó la era de los aceleradores de partículas elementales, los ciclotrones, la era de la aceleración de iones pesados, cuando la síntesis de nuevos elementos comenzó a realizarse únicamente mediante la interacción de dos núcleos pesados. Sin embargo, a mediados de la década de 1970, era casi imposible estudiar las propiedades químicas de los elementos 104, 105, 106 y 107, ya que su vida útil (fracciones de microsegundo) no permitía una investigación química completa. Todos ellos fueron sintetizados en reacciones de fusión fría (la fusión fría de núcleos masivos se descubrió en 1974; libera uno o dos neutrones con energías relativamente bajas).
El elemento 104 se sintetizó por primera vez en Dubna en 1964. Lo recibió un grupo de científicos del Laboratorio de Reacciones Nucleares dirigido por Georgy Flerov. En 1969, el elemento fue obtenido por un grupo de científicos de la Universidad de Berkeley, California. En 1997, el elemento recibió el nombre de rutherfordio, símbolo Rf.
El elemento 105 fue sintetizado en 1970 por dos grupos independientes de investigadores en Dubna (URSS) y Berkeley (EE.UU.). Fue nombrado dubnio en honor a la ciudad de Dubna, donde se encuentra el Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares, donde se sintetizaron varios elementos químicos, símbolo Db.
El elemento 106 fue obtenido por primera vez en la URSS por Georgy Flerov y sus colegas en 1974, y casi simultáneamente fue sintetizado en Estados Unidos por Glen Seaborg y sus colegas. En 1997, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) aprobó el nombre seaborgio (en honor a Seaborg) para el elemento 106, símbolo Sg.
Las reacciones de fusión fría de núcleos masivos se han utilizado con éxito para sintetizar seis nuevos elementos, del 107 al 112, en el Centro Nacional de Física Nuclear GSI en Darmstadt, Alemania. Los primeros experimentos para obtener el elemento 107 fueron realizados en la URSS por Yuri Oganesyan y sus colegas en 1976. La primera información fiable sobre las propiedades nucleares del elemento 107 se obtuvo en Alemania en 1981 y 1989. En 1997, la IUPAC aprobó el nombre bohrium para el elemento 107 (en honor a Niels Bohr), símbolo Bh.
Los primeros experimentos para obtener el elemento 108 se llevaron a cabo en la URSS en 1983-1984. En Alemania se obtuvieron datos fiables sobre las propiedades nucleares del elemento 108 en 1984 y 1987. En 1997, la IUPAC aprobó el nombre Hassium (para la tierra de Hesse, Alemania), y el símbolo Hs, para el elemento 108.
El elemento 109 se obtuvo por primera vez en Alemania en 1982 y se confirmó en 1984. En 1994, la IUPAC aprobó el nombre meitnerio para el elemento 109 (después de Lise Meitner), símbolo monte.
El elemento 110 fue descubierto en 1994 en el Centro de Investigación de Iones Pesados de Darmstadt (Alemania) durante un experimento en el que se depositó sobre placas una aleación especial que contenía plomo y se bombardeó con isótopos de níquel. Darmstadtium lleva el nombre de la ciudad de Darmstadt (Alemania), donde fue descubierto. Símbolo Ds.
El elemento 111 también fue descubierto en Alemania y recibió el nombre de roentgenio (símbolo químico Rg) en honor al científico alemán Wilhelm-Conrad Roentgen.
El elemento 112 tiene el nombre de trabajo "ununbiy" (Uub), derivado de los números latinos "uno-uno-dos". Es un elemento transuránico que se obtiene bombardeando un objetivo de plomo con núcleos de zinc. Su vida media es de unos 34 segundos.
El ununbio se obtuvo por primera vez en febrero de 1996 en el acelerador de iones pesados de Darmstadt. Para obtener los átomos del nuevo elemento, el equipo de científicos utilizó iones de zinc con número atómico 30, que fueron acelerados a energías muy altas en un acelerador de 120 metros, después de lo cual alcanzaron un objetivo de plomo, cuyo número atómico es 82. Cuando los núcleos de zinc y plomo se fusionaron, se formó el núcleo de un nuevo elemento, cuyo número atómico es igual a la suma de los números atómicos de los componentes originales. En junio de 2009, la IUPAC reconoció oficialmente su existencia.
Los elementos más pesados, con números atómicos 112-116 y el elemento actualmente más pesado 118, fueron obtenidos por científicos rusos del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna en 2000-2008, pero todavía están esperando el reconocimiento oficial por parte de la IUPAC.
Actualmente, los físicos rusos del Laboratorio Flerov del Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares en Dubna están realizando un experimento sobre la síntesis del elemento 117, cuyo lugar en la tabla periódica entre los elementos 116 y 118 obtenidos anteriormente todavía está vacío.
Basándose en varios modelos teóricos, se calcularon las características de desintegración de los núcleos superpesados. Los resultados de uno de esos cálculos se muestran en la Fig. 4. Las vidas medias de núcleos pares-pares superpesados se dan en relación con la fisión espontánea (a), la desintegración α (b), la desintegración β (c) y para todos los procesos de desintegración posibles (d). El núcleo más estable con respecto a la fisión espontánea (Fig. 4a) es el núcleo con Z = 114 y N = 184. Para él, la vida media con respecto a la fisión espontánea es ~10·16 años. Para los isótopos del elemento 114, que se diferencian del más estable en 6-8 neutrones, las vidas medias disminuyen entre 10 y 15 órdenes de magnitud. Las vidas medias relativas a la desintegración α se muestran en la Fig. 4b. El núcleo más estable se encuentra en la región Z.< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.
Los núcleos estables con respecto a la desintegración β se muestran en la Fig. 4c con puntos oscuros. En la figura. 4d muestra las vidas medias completas. Para núcleos pares ubicados dentro del contorno central, son ~10 5 años. Así, después de tener en cuenta todos los tipos de desintegración, resulta que los núcleos en las proximidades de Z = 110 y N = 184 forman una "isla de estabilidad". El núcleo 294 110 tiene una vida media de unos 10 9 años. La diferencia entre el valor Z y el número mágico 114 predicho por el modelo de capa se debe a la competencia entre la fisión (en relación con la cual el núcleo con Z = 114 es más estable) y la desintegración α (en relación con la cual los núcleos con Z más bajo son estables). ). Para los núcleos pares e impares, las vidas medias aumentan con respecto a la desintegración α y la fisión espontánea, y disminuyen con respecto a la desintegración β. Cabe señalar que las estimaciones anteriores dependen en gran medida de los parámetros utilizados en los cálculos y sólo pueden considerarse como indicaciones de la posibilidad de la existencia de núcleos superpesados con vidas lo suficientemente largas como para su detección experimental.
Los resultados de otro cálculo de la forma de equilibrio de los núcleos superpesados y sus vidas medias se muestran en la Fig. 5, 11.11. En la figura. La Figura 11.10 muestra la dependencia de la energía de deformación en equilibrio del número de neutrones y protones para núcleos con Z = 104-120. La energía de deformación se define como la diferencia entre las energías de los núcleos en equilibrio y en forma esférica. De estos datos se desprende claramente que en la región Z = 114 y N = 184 debería haber núcleos que tengan forma esférica en el estado fundamental. Todos los núcleos superpesados descubiertos hasta la fecha (se muestran en la figura 5 como diamantes oscuros) están deformados. Los diamantes claros muestran núcleos que son estables con respecto a la desintegración β. Estos núcleos deben desintegrarse por desintegración α o fisión. El principal canal de desintegración debería ser la desintegración α.
Las vidas medias de los isótopos estables β pares-pares se muestran en la Fig. 6. Según estas predicciones, se esperan vidas medias para la mayoría de los núcleos mucho más largas que las observadas en los núcleos superpesados ya descubiertos (0,1-1 ms). Por ejemplo, para el núcleo 292110, se predice una vida útil de ~51 años.
Así, según cálculos microscópicos modernos, la estabilidad de los núcleos superpesados aumenta considerablemente a medida que se acercan al número mágico de neutrones N = 184. Hasta hace poco, el único isótopo de un elemento con Z = 112 era el isótopo 277 112, que tiene una mitad de vida útil de 0,24 ms. El isótopo más pesado 283112 se sintetizó en la reacción de fusión en frío 48 Ca + 238 U. Tiempo de irradiación 25 días. El número total de 48 iones Ca en el objetivo es 3,5·10 18. Se registraron dos casos que se interpretaron como fisión espontánea del isótopo resultante 283 112. La vida media de este nuevo isótopo se estimó en T 1/2 = 81 s. Por tanto, está claro que un aumento en el número de neutrones en el isótopo 283112 en comparación con el isótopo 277112 en 6 unidades aumenta la vida útil en 5 órdenes de magnitud.
En la figura. La Figura 7 muestra la vida útil medida de los isótopos de seaborgio Sg (Z = 106) en comparación con las predicciones de varios modelos teóricos. Cabe destacar la disminución de la vida útil del isótopo con N = 164 en casi un orden de magnitud en comparación con la vida útil del isótopo con N = 162.
La mayor aproximación a la isla de estabilidad se puede lograr en la reacción 76 Ge + 208 Pb. Se puede formar un núcleo superpesado, casi esférico, en una reacción de fusión seguida de la emisión de cuantos γ o de un solo neutrón. Según las estimaciones, el núcleo resultante 284 114 debería desintegrarse con la emisión de partículas α con una vida media de ~ 1 ms. Se puede obtener información adicional sobre la ocupación de la capa en la región N = 162 estudiando las desintegraciones α de los núcleos 271 108 y 267 106. Se predicen vidas medias de 1 min para estos núcleos. y 1 hora. Para los núcleos 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 se espera isomería, cuya razón es el llenado de subcapas con j = 1/2 y j = 13/2 en la región N = 162 para núcleos deformados en el suelo. estado.
En la figura. La Figura 8 muestra las funciones de excitación medidas experimentalmente para la reacción de formación de los elementos Rf (Z = 104) y Hs (Z = 108) para las reacciones de fusión de los iones incidentes 50 Ti y 56 Fe con un núcleo objetivo 208 Pb.
El núcleo compuesto resultante se enfría mediante la emisión de uno o dos neutrones. La información sobre las funciones de excitación de las reacciones de fusión de iones pesados es especialmente importante para la obtención de núcleos superpesados. En la reacción de fusión de iones pesados, es necesario equilibrar con precisión los efectos de las fuerzas de Coulomb y las fuerzas de tensión superficial. Si la energía del ion incidente no es lo suficientemente alta, entonces la distancia mínima de aproximación no será suficiente para la fusión del sistema nuclear binario. Si la energía de la partícula incidente es demasiado alta, entonces el sistema resultante tendrá una energía de excitación alta y lo más probable es que se desintegre en fragmentos. La fusión efectiva ocurre en un rango de energía bastante estrecho de partículas en colisión.
Las reacciones de fusión con emisión de un número mínimo de neutrones (1-2) son de particular interés, porque en núcleos superpesados sintetizados, es deseable tener la mayor relación N/Z posible. En la figura. La Figura 9 muestra el potencial de fusión de los núcleos en la reacción.
64 Ni + 208 Pb 272 110. Las estimaciones más simples muestran que la probabilidad del efecto túnel para la fusión nuclear es ~ 10 -21, que es significativamente menor que el valor observado de la sección transversal. Esto se puede explicar de la siguiente manera. A una distancia de 14 fm entre los centros de los núcleos, la energía cinética inicial de 236,2 MeV queda completamente compensada por el potencial de Coulomb. A esta distancia, solo están en contacto los nucleones ubicados en la superficie del núcleo. La energía de estos nucleones es baja. Por lo tanto, existe una alta probabilidad de que nucleones o pares de nucleones abandonen los orbitales de un núcleo y pasen a los estados libres del núcleo asociado. La transferencia de nucleones desde un núcleo incidente a un núcleo objetivo es especialmente atractiva en el caso de que se utilice como objetivo el isótopo doblemente mágico del plomo 208 Pb. En 208 Pb se llenan la subcapa de protones h 11/2 y las subcapas de neutrones h 9/2 e i 13/2. Inicialmente, la transferencia de protones es estimulada por fuerzas de atracción protón-protón y, después de llenar la subcapa h 9/2, por fuerzas de atracción protón-neutrón. De manera similar, los neutrones se mueven hacia la subcapa libre i 11/2, atraídos por neutrones de la subcapa ya llena i 13/2. Debido a la energía de emparejamiento y a los grandes momentos angulares orbitales, la transferencia de un par de nucleones es más probable que la transferencia de un solo nucleón. Después de la transferencia de dos protones de 64 Ni 208 Pb, la barrera de Coulomb disminuye en 14 MeV, lo que contribuye a un contacto más estrecho de los iones que interactúan y la continuación del proceso de transferencia de nucleones.
En las obras de [V.V. Volkov. Reacciones nucleares de transferencias inelásticas profundas. M. Energoizdat, 1982; V.V. Volkov. Izv. Academia de Ciencias de la URSS, serie física, 1986, vol. 1879] se estudió en detalle el mecanismo de la reacción de fusión. Se muestra que ya en la etapa de captura, se forma un sistema nuclear doble después de la disipación completa de la energía cinética de la partícula incidente y los nucleones de uno de los núcleos se transfieren gradualmente, capa por capa, al otro núcleo. Es decir, la estructura de capa de los núcleos juega un papel importante en la formación del núcleo compuesto. Basándose en este modelo, fue posible describir bastante bien la energía de excitación de los núcleos compuestos y la sección transversal para la formación de 102-112 elementos en reacciones de fusión fría.
En el Laboratorio de Reacciones Nucleares que lleva el nombre. G.N. Flerov (Dubna) sintetizó un elemento con Z = 114. La reacción se utilizó
La identificación del núcleo 289 114 se llevó a cabo mediante una cadena de desintegraciones α. Evaluación experimental de la vida media del isótopo 289 114 ~30 s. El resultado obtenido concuerda bien con los cálculos realizados anteriormente.
Al sintetizar el elemento 114 en la reacción 48 Cu + 244 Pu, el rendimiento máximo lo obtiene el canal con la evaporación de tres neutrones. En este caso, la energía de excitación del núcleo compuesto 289 114 fue de 35 MeV.
La secuencia teóricamente predicha de desintegraciones que ocurren con el núcleo 296 116 formado en la reacción se muestra en la Fig. 10.
 Arroz. 10. Esquema de desintegración nuclear 296 116 |
El núcleo 296 116 se enfría mediante la emisión de cuatro neutrones y se convierte en el isótopo 292 116, que luego, con una probabilidad del 5%, como resultado de dos capturas electrónicas sucesivas, se convierte en el isótopo 292 114. Como resultado de α -decaimiento (T 1/2 = 85 días), el isótopo 292 114 se convierte en el isótopo 288 112. La formación del isótopo 288 112 también se produce a través del canal
El núcleo final 288 112 resultante de ambas cadenas tiene una vida media de aproximadamente 1 hora y se desintegra por fisión espontánea. Con aproximadamente un 10% de probabilidad, como resultado de la desintegración α del isótopo 288 114, se puede formar el isótopo 284 112. Los períodos y canales de desintegración anteriores se obtuvieron mediante cálculo.
Al analizar las diversas posibilidades de formación de elementos superpesados en reacciones con iones pesados, se deben tener en cuenta las siguientes circunstancias.
- Es necesario crear un núcleo con una proporción suficientemente grande entre el número de neutrones y el número de protones. Por lo tanto, se deben elegir iones pesados con un N/Z grande como partícula incidente.
- Es necesario que el núcleo compuesto resultante tenga una energía de excitación baja y un momento angular pequeño, ya que de lo contrario la altura efectiva de la barrera de fisión disminuirá.
- Es necesario que el núcleo resultante tenga una forma cercana a la esférica, ya que incluso una ligera deformación conducirá a una rápida fisión del núcleo superpesado.
Un método muy prometedor para producir núcleos superpesados son reacciones como 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. En la figura. La Figura 11 muestra las secciones transversales estimadas para la formación de elementos transuránicos tras la irradiación de objetivos que consisten en 248 Cm, 249 Cf y 254 Es con iones 238 U acelerados. En estas reacciones ya se han obtenido los primeros resultados sobre las secciones transversales para la formación de elementos con Z > 100. Para aumentar los rendimientos de las reacciones en estudio, los espesores objetivo se eligieron de tal manera que los productos de la reacción permanecieran estables. el objetivo. Después de la irradiación, los elementos químicos individuales se separaron del objetivo. En las muestras obtenidas durante varios meses se registraron productos de desintegración α y fragmentos de fisión. Los datos obtenidos utilizando iones de uranio acelerados indican claramente un aumento en el rendimiento de elementos transuránicos pesados en comparación con los iones de bombardeo más ligeros. Este hecho es extremadamente importante para resolver el problema de la fusión de núcleos superpesados. A pesar de las dificultades que supone trabajar con objetivos adecuados, las previsiones de progreso hacia un Z alto parecen bastante optimistas.
Los avances en el campo de los núcleos superpesados en los últimos años han sido asombrosamente impresionantes. Sin embargo, hasta ahora todos los intentos de descubrir la isla de la estabilidad no han tenido éxito. La búsqueda de él continúa intensamente.
El trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Reacciones Nucleares (NLNR) que lleva su nombre. G.N. Flerov del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna (JINR) con éxito. Las propiedades del 117 y los elementos N 112-116 y 118 sintetizados previamente en Dubna son evidencia directa de la existencia de la llamada "isla de estabilidad" de elementos superpesados, predicha por los teóricos allá por los años 60 del siglo pasado y significativamente ampliando los límites de la tabla periódica. Los editores de Izvestia fueron informados sobre este singular experimento en marzo por el director del FLNR, el académico Yuri Oganesyan, pero no dio permiso para su publicación hasta ahora. El autor del descubrimiento, el académico Yuri Oganesyan, explicó al observador Piotr Obraztsov la esencia del experimento.
Izvestia: ¿A qué se debe el interés de los científicos por la síntesis de elementos superpesados, que existen desde un tiempo insignificantemente corto?
Yuri Oganesyan: Después del descubrimiento de los primeros elementos artificiales (neptunio y plutonio) en 1940-1941, la cuestión de los límites de la existencia de los elementos se volvió sumamente interesante para la ciencia fundamental de la estructura de la materia. A finales del siglo pasado se habían descubierto 17 elementos artificiales y se descubrió que su estabilidad nuclear disminuía drásticamente a medida que aumentaba el número atómico. Al pasar del elemento 92, el uranio, al elemento 102, el Nobelio, la vida media del núcleo disminuye en 16 órdenes de magnitud: de 4,5 mil millones de años a varios segundos. Por lo tanto, se creía que el avance hacia la región de elementos aún más pesados conduciría al límite de su existencia, marcando esencialmente el límite de la existencia del mundo material. Sin embargo, a mediados de los años 60, los teóricos plantearon inesperadamente una hipótesis sobre la posible existencia de núcleos atómicos superpesados. Según los cálculos, la vida útil de los núcleos con números atómicos entre 110 y 120 debería haber aumentado significativamente a medida que aumentaba el número de neutrones en ellos. Según las nuevas ideas, forman una gran "isla de estabilidad" de elementos superpesados, lo que amplía significativamente los límites de la tabla de elementos.
y: ¿Fue posible confirmar esto experimentalmente?
Oganesyan: En 1975-1996, físicos de Dubna, Darmstadt (GSI, Alemania), Tokio (RIKEN) y Berkeley (LBNL, EE.UU.) lograron estudiar estas reacciones y sintetizar seis nuevos elementos. Los elementos más pesados 109-112 se obtuvieron por primera vez en GSI y se repitieron en RIKEN. Pero las vidas medias de los núcleos más pesados producidos en estas reacciones fueron sólo de diez milésimas o incluso milésimas de segundo. La hipótesis sobre la existencia de elementos superpesados fue confirmada experimentalmente por primera vez en Dubná, durante una investigación realizada por nuestro grupo en colaboración con científicos del Laboratorio Nacional. Lawrence Livermore (Estados Unidos). Logramos cambiar radicalmente el enfoque de la síntesis de núcleos superpesados, por ejemplo, disparando a un objetivo hecho del elemento artificial berkelio (N 97) con un proyectil hecho de un isótopo de calcio extremadamente raro y costoso (N 20) con un masa de 48. Cuando los núcleos están fusionados, elemento N 117 (97 + 20 = 117). Los resultados superaron incluso las expectativas más optimistas. En 2000-2004, casi cinco años después, fue en reacciones de este tipo donde se sintetizaron por primera vez elementos superpesados con números atómicos 114, 116 y 118.
y: ¿Cuál fue exactamente el aporte científico de los científicos estadounidenses?
Oganesyan: En una reacción nuclear con un haz de calcio, el elemento 117 sólo se puede obtener utilizando un objetivo hecho del elemento artificial berkelio. La vida media de este isótopo es de sólo 320 días. Debido a su corta vida útil, la producción de berkelio en la cantidad necesaria (20-30 miligramos) debe realizarse en un reactor con una densidad de flujo de neutrones muy alta. Sólo el reactor de isótopos del Laboratorio Nacional de Estados Unidos en Oak Ridge puede encargarse de semejante tarea. Por cierto, fue en este laboratorio donde se produjo por primera vez el plutonio para la bomba atómica estadounidense. Dado que desde el momento de la producción de berkelio su cantidad se reduce a la mitad después de 320 días, fue necesario realizar todo el trabajo a un ritmo elevado. Y no sólo en los laboratorios, sino también en las estructuras oficiales de Rusia y Estados Unidos relacionadas con la certificación de material inusual, el transporte de un producto altamente radiactivo por tierra y aire, las medidas de seguridad, etc.
y: Digno de una historia de aventuras. ¿Qué pasó después?
Oganesyan: A principios de junio de 2009 el contenedor llegó a Moscú. A partir de esta sustancia se fabricó un objetivo en el Instituto de Investigación de Reactores Nucleares (Dimitrovgrad) en forma de una fina capa de berkelio (300 nanómetros) depositada sobre una fina lámina de titanio; En julio el objetivo fue entregado a Dubna. En ese momento, todo el trabajo preparatorio en FLNR se había completado y comenzó la irradiación continua del objetivo con un intenso haz de calcio. Ya en la primera irradiación del objetivo, que duró 70 días, tuvimos suerte: los detectores registraron cinco veces una imagen de la formación y desintegración de los núcleos del elemento 117. Como era de esperar, los núcleos de este elemento se transformaron en los núcleos del elemento 115, el elemento 115 se transformó en el elemento 113 y luego el elemento 113 se transformó en el elemento 111. Y el elemento 111 decayó con una vida media de 26 segundos. ¡A escala nuclear, este es un momento enorme! Ahora la tabla periódica se ha repuesto con otro de los elementos más pesados con número atómico 117.
y: Naturalmente, nuestros lectores estarán interesados en las aplicaciones prácticas que pueda tener su descubrimiento.
Oganesyan: Ahora, por supuesto, ninguno, porque sólo se han obtenido unos pocos átomos del elemento N 117. Desde un punto de vista fundamental, las ideas sobre nuestro mundo deberían cambiar mucho. Además, si se sintetizan elementos con una vida media enorme, entonces es posible que existan en la naturaleza y puedan "sobrevivir" hasta nuestros días desde la formación de la Tierra: 4.500 millones de años. Y estamos realizando experimentos para buscarlos; nuestra instalación está ubicada en lo más profundo de las montañas alpinas.
y: Una pregunta desde otro plano. ¿Por qué cree que los éxitos evidentes de la física nuclear de los últimos 20 años no han merecido el Premio Nobel?
Oganesyan: La física es grande. Al parecer, los miembros del Comité Nobel están más interesados en otras áreas de esta ciencia. Y realmente hay muchos científicos dignos. Por cierto, debo nombrar a los participantes en nuestro experimento: Laboratorio Nacional Oak Ridge (Prof. James Roberto), Universidad. Vanderbilt (Prof. Joseph Hamilton), Laboratorio Nacional. Lawrence Livermore (Dawn Shaughnessy), Instituto de Investigación de Reactores Nucleares, Dimitrovgrad (Mikhail Ryabinin) y el Laboratorio de Reacciones Nucleares de JINR (director Yuri Oganesyan).
Del editor. Temporalmente, el elemento N 117 se denominará en latín “uno-uno-siete”, es decir, ununseptum. El grupo del académico Yuri Oganesyan, autores del descubrimiento, tiene todo el derecho de dar un nombre real a este elemento, así como a los elementos N 114-116 y 118 descubiertos por ellos en la "Semana" del 26 de marzo. los lectores envíen sus propuestas para el nombre de “nuestros” elementos. Por ahora, sólo parece razonable “rizado” para uno de estos elementos. La competencia continúa.
También existen restricciones sobre la existencia de núcleos atómicos de elementos superpesados. No se han encontrado elementos con Z > 92 en condiciones naturales. Los cálculos que utilizan el modelo de gotas líquidas predicen la desaparición de la barrera de fisión para núcleos con Z2/A ≈ 46 (aproximadamente el elemento 112). En el problema de la síntesis de núcleos superpesados, conviene distinguir dos áreas de cuestiones.
- ¿Qué propiedades deberían tener los núcleos superpesados? ¿Habrá números mágicos en esta región de Z y N? ¿Cuáles son los principales canales de desintegración y vidas medias de los núcleos superpesados?
- ¿Qué reacciones deberían usarse para sintetizar núcleos superpesados, tipos de núcleos de bombardeo, valores esperados de sección transversal, energías de excitación esperadas del núcleo compuesto y canales de deexcitación?
Dado que la formación de núcleos superpesados se produce como resultado de la fusión completa del núcleo objetivo y la partícula incidente, es necesario crear modelos teóricos que describan la dinámica del proceso de fusión de dos núcleos en colisión en un núcleo compuesto.
El problema de sintetizar elementos superpesados está estrechamente relacionado con el hecho de que los núcleos con Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (números mágicos) tienen una mayor estabilidad con respecto a diversos modos de desintegración radiactiva. Este fenómeno se explica en el marco del modelo de conchas: los números mágicos corresponden a conchas llenas. Naturalmente, surge la pregunta sobre la existencia de los siguientes números mágicos en Z y N. Si existen en la región del diagrama N-Z de los núcleos atómicos N > 150, Z > 101, los núcleos superpesados deberían observarse con vidas medias aumentadas, es decir. debe haber una Isla de Estabilidad. En el trabajo, basándose en cálculos realizados utilizando el potencial de Woods-Saxon teniendo en cuenta la interacción espín-órbita, se demostró que se debe esperar un aumento en la estabilidad de los núcleos para un núcleo con Z = 114, es decir, el siguiente la capa de protones llena corresponde a Z = 114, la capa de neutrones llena corresponde al número N ~
184. Las capas cerradas pueden aumentar significativamente la altura de la barrera de fisión y, en consecuencia, aumentar la vida útil del núcleo. Así, en esta región de núcleos (Z = 114, N ~
184) debes buscar la Isla de la Estabilidad. El mismo resultado se obtuvo de forma independiente en el trabajo.
Los núcleos con Z = 101–109 fueron descubiertos antes de 1986 y recibieron nombres: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgio), 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium) Teniendo en cuenta los méritos de los investigadores de Dubna en el descubrimiento de un gran número de isótopos de elementos pesados (102-105), en 1997, por decisión de la Asamblea General de Química Pura y Aplicada se le asignó al elemento con Z = 105 el nombre de Dubnium (Db). Este elemento anteriormente se llamaba Ha (Hannium).
Arroz. 12.3. Cadenas de desintegración de los isótopos Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112).
Una nueva etapa en el estudio de los núcleos superpesados comenzó en 1994, cuando se incrementó significativamente la eficiencia del registro y se mejoró la técnica de observación de los núcleos superpesados. Como resultado, se descubrieron los isótopos Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) y Cn (Z = 112).
Para obtener núcleos superpesados se utilizaron haces acelerados de 50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn y 82 Se. Como objetivos se utilizaron los isótopos 208 Pb y 209 Bi. En el Laboratorio de Reacciones Nucleares que lleva su nombre se sintetizaron varios isótopos del elemento 110. G.N. Flerov utilizó la reacción 244 Pu(34 S,5n) 272 110 y en GSI (Darmstadt) en la reacción 208 Pb(62 Ni,n) 269 110. Los isótopos 269 Ds, 271 Ds, 272 Rg y 277 Cn se registraron según a sus cadenas de desintegración (Fig. 12.3).
Los modelos teóricos desempeñan un papel importante en la producción de elementos superpesados, con cuya ayuda se calculan las características esperadas de los elementos químicos y las reacciones en las que pueden formarse.
Basándose en varios modelos teóricos, se calcularon las características de desintegración de los núcleos superpesados. Los resultados de uno de esos cálculos se muestran en la Fig. 12.4. Las vidas medias de núcleos pares-pares superpesados se dan en relación con la fisión espontánea (a), la desintegración α (b), la desintegración β (c) y para todos los procesos de desintegración posibles (d). El núcleo más estable con respecto a la fisión espontánea (figura 12.4a) es el núcleo con Z = 114 y N = 184. Para él, la vida media con respecto a la fisión espontánea es ~10 ± 16 años. Para los isótopos del elemento 114 que difieren del más estable en 6-8 neutrones, las vidas medias disminuyen en
10-15 órdenes de magnitud. Las vidas medias relativas a la desintegración α se muestran en la Fig. 12.5b. El núcleo más estable se ubica en la región Z = 114 y N = 184 (T 1/2 = 10 15 años).
Los núcleos estables con respecto a la desintegración β se muestran en la Fig. 12,4v con puntos oscuros. En la figura. La figura 12.4d muestra las vidas medias totales, que para núcleos pares ubicados dentro del contorno central son ~10 5 años. Así, después de tener en cuenta todos los tipos de desintegración, resulta que los núcleos en las proximidades de Z = 110 y N = 184 forman una "isla de estabilidad". El núcleo 294 110 tiene una vida media de unos 10 9 años. La diferencia entre el valor Z y el número mágico 114 predicho por el modelo de capa se debe a la competencia entre la fisión (en relación con la cual el núcleo con Z = 114 es más estable) y la desintegración α (en relación con la cual los núcleos con Z más bajo son estables). ). Los núcleos pares e impares tienen vidas medias relativas a
La desintegración α y la fisión espontánea aumentan y, en relación con la desintegración β, disminuyen. Cabe señalar que las estimaciones anteriores dependen en gran medida de los parámetros utilizados en los cálculos y sólo pueden considerarse como indicaciones de la posibilidad de la existencia de núcleos superpesados con vidas lo suficientemente largas como para su detección experimental.
Arroz. 12.4. Vidas medias calculadas para núcleos superpesados pares (los números representan vidas medias en años):
a - con respecto a la fisión espontánea, b - desintegración α, c - captura electrónica y desintegración β, d - para todos los procesos de desintegración
Los resultados de otro cálculo de la forma de equilibrio de los núcleos superpesados y sus vidas medias se muestran en la Fig. 12.5, 12.6. En la figura. La Figura 12.5 muestra la dependencia de la energía de deformación en equilibrio del número de neutrones y protones para núcleos con Z = 104-120. La energía de deformación se define como la diferencia entre las energías de los núcleos en equilibrio y en forma esférica. De estos datos se desprende claramente que en la región Z = 114 y N = 184 debería haber núcleos que tengan forma esférica en el estado fundamental. Todos los núcleos superpesados descubiertos hasta la fecha (se muestran en la figura 12.5 como diamantes oscuros) están deformados. Los diamantes claros muestran núcleos que son estables con respecto a la desintegración β. Estos núcleos deben desintegrarse por desintegración α o fisión. El principal canal de desintegración debería ser la desintegración α.
Las vidas medias de los isótopos estables β pares-pares se muestran en la Fig. 12.6. Según estas predicciones, se esperan vidas medias para la mayoría de los núcleos mucho más largas que las observadas para los núcleos superpesados ya descubiertos (0,1 a 1 ms). Por ejemplo, para el núcleo 292 Ds, se predice una vida útil de ~51 años.
Así, según los cálculos microscópicos modernos, la estabilidad de los núcleos superpesados aumenta considerablemente a medida que se acercan al número mágico de neutrones N = 184. Hasta hace poco, el único isótopo del elemento Z = 112 Cn (copernicio) era el isótopo 277 Cn, que tiene una vida media de 0,24 ms. El isótopo más pesado, 283 Cn, se sintetizó en la reacción de fusión en frío 48 Ca + 238 U. El tiempo de irradiación fue de 25 días. El número total de 48 iones Ca en el objetivo es 3,5·10 18. Se registraron dos casos que se interpretaron como fisión espontánea del isótopo resultante 283 Cn. La vida media estimada de este nuevo isótopo es T 1/2 = 81 s. Por tanto, está claro que un aumento de 6 unidades en el número de neutrones en el isótopo 283 Cn en comparación con el isótopo 277 Cn aumenta la vida útil en 5 órdenes de magnitud.
En la figura. 12.7 tomado del trabajo, los períodos de desintegración α medidos experimentalmente se comparan con los resultados de cálculos teóricos basados en el modelo de gota de líquido sin tener en cuenta la estructura de capa de los núcleos. Se puede observar que para todos los núcleos pesados, con excepción de los isótopos ligeros de uranio, los efectos de capa aumentan la vida media entre 2 y 5 órdenes de magnitud para la mayoría de los núcleos. La estructura de la capa del núcleo tiene una influencia aún mayor en las vidas medias de la fisión relativamente espontánea. El aumento de la vida media de los isótopos de Pu es de varios órdenes de magnitud y aumenta para el isótopo de 260 Sg.
Arroz. 12.7. Vidas medias de elementos transuránicos medidas experimentalmente (● exp) y calculadas teóricamente (○ Y) basadas en el modelo de gota de líquido sin tener en cuenta la estructura de capa del núcleo. La imagen superior es la vida media de la desintegración α, la imagen inferior es la vida media de la fisión espontánea.
En la figura. La figura 12.8 muestra la vida útil medida de los isótopos de seaborgio Sg (Z = 106) en comparación con las predicciones de varios modelos teóricos. Cabe destacar la disminución de la vida útil del isótopo con N = 164 en casi un orden de magnitud en comparación con la vida útil del isótopo con N = 162.
La mayor aproximación a la isla de estabilidad se puede lograr en la reacción 76 Ge + 208 Pb. Se puede formar un núcleo superpesado, casi esférico, en una reacción de fusión seguida de la emisión de cuantos γ o de un solo neutrón. Según las estimaciones, el núcleo resultante 284 114 debería desintegrarse con la emisión de partículas α con una vida media de ~ 1 ms. Se puede obtener información adicional sobre la ocupación de la capa en la región N = 162 estudiando las desintegraciones α de los núcleos 271 Hs y 267 Sg. Para estos núcleos se predicen vidas medias de 1 min. y 1 hora. Para los núcleos 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271,273 Ds se espera isomería, cuya razón es el llenado de subcapas con j = 1/2 y j = 13/2 en la región N = 162 para núcleos deformados en la estado fundamental.
En la figura. La Figura 12.9 muestra las funciones de excitación medidas experimentalmente para la reacción de formación de los elementos Rf (Z = 104) y Hs (Z = 108) para las reacciones de fusión de los iones incidentes 50 Ti y 56 Fe con el núcleo objetivo 208 Pb.
El núcleo compuesto resultante se enfría mediante la emisión de uno o dos neutrones. La información sobre las funciones de excitación de las reacciones de fusión de iones pesados es especialmente importante para la obtención de núcleos superpesados. En la reacción de fusión de iones pesados, es necesario equilibrar con precisión los efectos de las fuerzas de Coulomb y las fuerzas de tensión superficial. Si la energía del ion incidente no es lo suficientemente alta, entonces la distancia mínima de aproximación no será suficiente para la fusión del sistema nuclear binario. Si la energía de la partícula incidente es demasiado alta, entonces el sistema resultante tendrá una energía de excitación alta y lo más probable es que se desintegre en fragmentos. La fusión efectiva ocurre en un rango de energía bastante estrecho de partículas en colisión.
Figura 12.10. Diagrama de potenciales para la fusión de 64 Ni y 208 Pb.
Las reacciones de fusión con la emisión de un número mínimo de neutrones (1-2) son de particular interés, porque en núcleos superpesados sintetizados, es deseable tener la mayor relación N/Z posible. En la figura. La figura 12.10 muestra el potencial de fusión de los núcleos en la reacción 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds. Las estimaciones más simples muestran que la probabilidad del efecto túnel para la fusión nuclear es de ~10-21, que es significativamente menor que el valor de la sección transversal observado. Esto se puede explicar de la siguiente manera. A una distancia de 14 fm entre los centros de los núcleos, la energía cinética inicial de 236,2 MeV queda completamente compensada por el potencial de Coulomb. A esta distancia, solo están en contacto los nucleones ubicados en la superficie del núcleo. La energía de estos nucleones es baja. Por lo tanto, existe una alta probabilidad de que nucleones o pares de nucleones abandonen los orbitales de un núcleo y pasen a los estados libres del núcleo asociado. La transferencia de nucleones desde un núcleo incidente a un núcleo objetivo es especialmente atractiva en el caso de que se utilice como objetivo el isótopo doblemente mágico del plomo 208 Pb. En 208 Pb se llenan la subcapa de protones h 11/2 y las subcapas de neutrones h 9/2 e i 13/2. Inicialmente, la transferencia de protones es estimulada por fuerzas de atracción protón-protón y, después de llenar la subcapa h 9/2, por fuerzas de atracción protón-neutrón. De manera similar, los neutrones se mueven hacia la subcapa libre i 11/2, atraídos por neutrones de la subcapa ya llena i 13/2. Debido a la energía de emparejamiento y a los grandes momentos angulares orbitales, la transferencia de un par de nucleones es más probable que la transferencia de un solo nucleón. Después de la transferencia de dos protones de 64 Ni 208 Pb, la barrera de Coulomb disminuye en 14 MeV, lo que contribuye a un contacto más estrecho de los iones que interactúan y la continuación del proceso de transferencia de nucleones.
En las obras de [V.V. Volkov. Reacciones nucleares de transferencias inelásticas profundas. M. Energoizdat, 1982; V.V. Volkov. Izv. Academia de Ciencias de la URSS, serie física, 1986, vol. 1879] se estudió en detalle el mecanismo de la reacción de fusión. Se muestra que ya en la etapa de captura, se forma un sistema nuclear doble después de la disipación completa de la energía cinética de la partícula incidente y los nucleones de uno de los núcleos se transfieren gradualmente, capa por capa, al otro núcleo. Es decir, la estructura de capa de los núcleos juega un papel importante en la formación del núcleo compuesto. Con base en este modelo, fue posible describir bastante bien la energía de excitación de núcleos compuestos y la sección transversal para la formación de elementos Z = 102-112 en reacciones de fusión fría.
Así, el progreso en la síntesis de los elementos transuránicos Z = 107-112 se asoció con el "descubrimiento" de reacciones de fusión fría en las que los isótopos mágicos 208 Pb y 209 Bi se irradiaban con iones con Z = 22-30. El núcleo formado en la reacción de fusión fría se calienta débilmente y se enfría como resultado de la emisión de un neutrón. Así se obtuvieron por primera vez isótopos de elementos químicos con Z = 107-112. Estos elementos químicos se obtuvieron en el período 1978-1998. en Alemania en un acelerador especialmente construido en el centro de investigación GSI en Darmstadt. Sin embargo, seguir avanzando hacia núcleos más pesados utilizando este método resulta difícil debido al aumento de la barrera potencial entre los núcleos en colisión. Por lo tanto, en Dubna se implementó otro método para producir núcleos superpesados. Se utilizaron los isótopos más pesados de los elementos químicos obtenidos artificialmente: plutonio Pu (Z = 94), americio Am (Z = 95), curio Cm (Z = 96), berkelio Bk (Z = 97) y californio Cf (Z = 98). como objetivos. Como ion acelerado se eligió el isótopo de calcio 48 Ca (Z = 20). En la figura 2 se muestra una vista esquemática del detector y separador de núcleos de retroceso. 12.11.
Arroz. 12.11. Vista esquemática del separador de núcleos de retroceso, donde se llevan a cabo experimentos sobre la síntesis de elementos superpesados en Dubna.
El separador magnético de núcleos de retroceso reduce la formación de subproductos de reacción entre 10 5 y 10 7 veces. Los productos de reacción se registraron utilizando un detector de silicio sensible a la posición. Se midieron la energía, las coordenadas y el tiempo de vuelo de los núcleos de retroceso. Después de la parada, todas las señales posteriores de las partículas de desintegración detectadas deben originarse en el punto de parada del núcleo implantado. La técnica creada permitió establecer con un alto grado de confiabilidad (≈ 100%) una conexión entre un núcleo superpesado detenido en el detector y sus productos de desintegración. Usando esta técnica, elementos superpesados con
Z = 110-118 (Tabla 12.2).
La tabla 12.2 muestra las características de los elementos químicos superpesados con Z = 110–118: número de masa A, m - presencia de un estado isomérico en un isótopo con número de masa A, paridad de espín JP, energía de enlace nuclear Est, energía de enlace específica ε, energías de separación de neutrones B n y protones B p , vida media T 1/2 y los principales canales de desintegración.
Los elementos químicos Z > 112 aún no tienen nombre y se dan en notaciones internacionales aceptadas.
Tabla 12.2
Características de los elementos químicos superpesados Z = 110–118
| XX-A-m | J.P. | Peso granos, MeV |
calle este, MeV |
ε, MeV |
mil millones, MeV |
pb, MeV |
T 1/2 | Modos de decadencia |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Z = 110 − darmstadtio | ||||||||
| ds-267 | 248787.19 | 1934.5 | 7.2 | 0.7 | 2,8 CA | α≈100% | ||
| ds-268 | 0 + | 249718.08 | 1943.2 | 7.3 | 8.7 | 1.3 | 100 ac | α ≈ |
| ds-269 | 250650.86 | 1950.0 | 7.2 | 6.8 | 1.3 | 179 ac | alfa 100% | |
| ds-270 | 0 + | 251581.97 | 1958.4 | 7.3 | 8.5 | 0,10 ms | α ≈100%, SF< 0.20% | |
| Ds-270-m | 251583.07 | 1957.3 | 7.2 | 6,0 ms | α >70%, TI ≤ 30% | |||
| ds-271 | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 6.8 | 2.2 | 1,63 ms | α≈100% | |
| ds-271-m | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 69 ms | ¿IT?, α >0% | |||
| ds-272 | 0 + | 253446.46 | 1973.1 | 7.3 | 7.8 | 2.5 | 1 segundo | SF |
| ds-273 | 254380.32 | 1978.8 | 7.2 | 5.7 | 2.5 | 0,17 ms | α≈100% | |
| ds-274 | 0 + | 255312.45 | 1986.2 | 7.2 | 7.4 | 3.0 | 2 segundos | α?, ¿SF? |
| ds-275 | 256246.44 | 1991.8 | 7.2 | 5.6 | 2.9 | 2 segundos | α? | |
| ds-276 | 0 + | 257178.73 | 1999.1 | 7.2 | 7.3 | 3.2 | 5 segundos | SF?, α? |
| ds-277 | 258112.63 | 2004.7 | 7.2 | 5.7 | 3.1 | 5 segundos | α? | |
| ds-278 | 0 + | 259044.92 | 2012.0 | 7.2 | 7.3 | 10 segundos | SF?, α? |
|
| ds-279 | 259978.62 | 2017.9 | 7.2 | 5.9 | 0,18 segundos | SF ≈90%, α≈10% |
||
| ds-281 | 261844.60 | 2031.0 | 7.2 | 9,6 segundos | SF ≈100% | |||
| Z =111 − roentgenio | ||||||||
| rg-272 | 253452.75 | 1965.5 | 7.2 | 0.2 | 3,8 ms | α≈100% | ||
| rg-273 | 254384.34 | 1973.5 | 7.2 | 8.0 | 0.4 | 5 ms | α? | |
| rg-274 | 255317.74 | 1979.6 | 7.2 | 6.2 | 0.9 | 6,4 ms | α≈100% | |
| Rg-275 | 256249.53 | 1987.4 | 7.2 | 7.8 | 1.2 | 10 ms | α? | |
| Rg-276 | 257183.22 | 1993.3 | 7.2 | 5.9 | 1.5 | 100 ms | SF?, α? |
|
| rg-277 | 258115.72 | 2000.4 | 7.2 | 7.1 | 1.3 | 1 segundo | α?, ¿SF? |
|
| Rg-278 | 259049.11 | 2006.5 | 7.2 | 6.2 | 1.8 | 4,2 ms | α ≈100%, SF |
|
| rg-279 | 259981.41 | 2013.8 | 7.2 | 7.3 | 1.8 | 0,17 segundos | α≈100% | |
| rg-280 | 260914.80 | 2020.0 | 7.2 | 6.2 | 2.1 | 3,6 segundos | α≈100% | |
| rg-281 | 261847.09 | 2027.2 | 7.2 | 7.3 | 1 metro | α?, SF? | ||
| rg-282 | 262780.59 | 2033.3 | 7.2 | 6.1 | 2.3 | 4 metros | SF?, α? | |
| rg-283 | 263712.98 | 2040.5 | 7.2 | 7.2 | 10 metros | SF?, α? | ||
| Z = 112 − copernicio | ||||||||
| Cn-277 | 258119.32 | 1995.5 | 7.2 | 2.2 | 0,69 ms | α≈100% | ||
| cn-278 | 0 + | 259051.20 | 2003.1 | 7.2 | 7.7 | 2.8 | 10 ms | SF?, α? |
| CN-279 | 259984.69 | 2009.2 | 7.2 | 6.1 | 2.7 | 0,1 s | SF?, α? | |
| CN-280 | 0 + | 260916.69 | 2016.8 | 7.2 | 7.6 | 3.0 | 1 segundo | α?, SF? |
| Cn-282 | 0 + | 262782.18 | 2030.4 | 7.2 | 3.2 | 0,50 ms | SF ≈100% | |
| Cn-283 | 263715.57 | 2036.6 | 7.2 | 6.2 | 3.3 | 4,0 segundos | α ≥90%, SF ≤10% | |
| cn-284 | 0 + | 264647.66 | 2044.1 | 7.2 | 7.5 | 3.6 | 101 ms | SF ≈100% |
| CN-285 | 265580.76 | 2050.5 | 7.2 | 6.5 | 34 segundos | α≈100% | ||
| Z=113 | ||||||||
| Uut-278 | 0,24 ms | alfa 100% | ||||||
| Uut-283 | 263719.46 | 2031.4 | 7.2 | 1.0 | 100 ms | alfa 100% | ||
| Uut-284 | 264652.45 | 2038.0 | 7.2 | 6.6 | 1.4 | 0,48 segundos | α≈100% | |
| Uut-285 | 265584.55 | 2045.5 | 7.2 | 7.5 | 1.4 | 2 metros | α?, SF? | |
| Uut-286 | 266517.64 | 2051.9 | 7.2 | 6.5 | 1.4 | 5 metros | α?, SF? | |
| Uut-287 | 267449.64 | 2059.5 | 7.2 | 7.6 | 20 metros | α?, SF? | ||
| Z=114 | ||||||||
| Uuq-286 | 0 + | 266520.33 | 2048.0 | 7.2 | 2.5 | 0,16 segundos | SF ≈60%, α ≈40% | |
| Uuq-287 | 267453.42 | 2054.4 | 7.2 | 6.5 | 2.5 | 0,51 segundos | α≈100% | |
| Uuq-288 | 0 + | 268385.02 | 2062.4 | 7.2 | 8.0 | 2.9 | 0,80 s | α≈100% |
| Uuq-289 | 269317.91 | 2069.1 | 7.2 | 6.7 | 2,7 segundos | α≈100% | ||
| Z=115 | ||||||||
| Uup-287 | 267458.11 | 2048.4 | 7.1 | 0.5 | 32 ms | alfa 100% | ||
| Uup-288 | 268390.81 | 2055.3 | 7.1 | 6.9 | 0.9 | 87 ms | alfa 100% | |
| Uup-289 | 269322.50 | 2063.2 | 7.1 | 7.9 | 0.8 | 10 segundos | SF?, α? | |
| Uup-290 | 270255.30 | 2070.0 | 7.1 | 6.8 | 0.9 | 10 segundos | SF?, α? | |
| Uup-291 | 271187.09 | 2077.7 | 7.1 | 7.8 | 1 metro | α?, SF? | ||
| Z=116 | ||||||||
| Uuh-290 | 0 + | 270258.98 | 2065.0 | 7.1 | 1.8 | 15 ms | α≈100% | |
| Uuh-291 | 271191.78 | 2071.7 | 7.1 | 6.8 | 1.8 | 6,3 ms | alfa 100% | |
| Uuh-292 | 0 + | 272123.07 | 2080.0 | 7.1 | 8.3 | 2.3 | 18 ms | α≈100% |
| Uuh-293 | 53 ms | α≈100% | ||||||
| Z=117 | ||||||||
| Us-291 | 271197.37 | 2064.9 | 7.1 | -0.1 | 10 ms | SF?, α? | ||
| Us-292 | 272129.76 | 2072.0 | 7.1 | 7.2 | 0.3 | 50 ms | SF?, α? | |
| Z=118 | ||||||||
| Uuo-294 | 0 + | 1,8 ms | α≈100% | |||||
En la figura. La figura 12.12 muestra todos los isótopos más pesados conocidos con Z = 110-118 obtenidos en reacciones de síntesis, lo que indica la vida media medida experimentalmente. Aquí también se muestra la posición teóricamente prevista de la isla de estabilidad (Z = 114, N = 184).
Arroz. 12.12. Diagrama N-Z de elementos Z = 110-118.
Los resultados obtenidos indican claramente un aumento de la estabilidad de los isótopos a medida que se acercan al núcleo doblemente mágico (Z = 114, N = 184). Agregar de 7 a 8 neutrones a los núcleos con Z = 110 y 112 aumenta la vida media de 2,8 como (Ds-267) a ≈ 10 s (Ds-168, Ds 271). La vida media T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5 ms aumenta a T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 min. Los isótopos más pesados de los elementos Z = 110–112 contienen ≈ 170 neutrones, lo que aún está lejos del número mágico N = 184. Todos los isótopos más pesados con Z > 111 y N > 172 se desintegran principalmente como resultado de ello.
Desintegración α, fisión espontánea: una desintegración más rara. Estos resultados concuerdan bastante con las predicciones teóricas.
En el Laboratorio de Reacciones Nucleares que lleva el nombre. G.N. Flerov (Dubna) sintetizó un elemento con Z = 114. La reacción se utilizó
La identificación del núcleo 289 114 se llevó a cabo mediante una cadena de desintegraciones α. Evaluación experimental de la vida media del isótopo 289 114 ~30 s. El resultado obtenido concuerda bien con los cálculos realizados anteriormente.
Durante la síntesis del elemento 114 en la reacción 48 Cu + 244 Pu, el rendimiento máximo de isótopos con Z = 114 se observó en el canal con la evaporación de tres neutrones. En este caso, la energía de excitación del núcleo compuesto 289 114 fue de 35 MeV.
La secuencia teóricamente predicha de desintegraciones que ocurren con el núcleo 296 116 formado en la reacción 248 Cm + 48 Ca → 296 116 se muestra en la figura 12.13.
Arroz. 12.13. Diagrama de desintegración nuclear 296 116.
El isótopo 296 116 se enfría como resultado de la emisión de cuatro neutrones y se convierte en el isótopo 292 116, que luego, con una probabilidad del 5%, como resultado de dos capturas electrónicas consecutivas se convierte en el isótopo 292 114. Como resultado de desintegración α (T 1/2 = 85 días ) el isótopo 292 114 se convierte en el isótopo 288 112. La formación del isótopo 288 112 también ocurre a través del canal
El núcleo final 288 112 resultante de ambas cadenas tiene una vida media de aproximadamente 1 hora y se desintegra por fisión espontánea. Con aproximadamente un 10% de probabilidad, como resultado de la desintegración α del isótopo 288 114, se puede formar el isótopo 284 112. Los períodos y canales de desintegración anteriores se obtuvieron mediante cálculo.
En la figura. La Figura 12.14 muestra una cadena de sucesivas desintegraciones α del isótopo 288115, medidas en experimentos en Dubna. ER es la energía del núcleo de retroceso implantado en un detector de silicio sensible a la posición. Se puede observar una buena concordancia en las vidas medias y energías de las desintegraciones α en los tres experimentos, lo que indica la confiabilidad del método para identificar elementos superpesados mediante mediciones de los espectros de partículas α.
Arroz. 12.14. Cadena de desintegraciones α sucesivas del isótopo 288115, medida en experimentos en Dubna.
En la reacción se sintetizó el elemento más pesado producido en laboratorio con Z = 118.
48 Ca + 249 Cf → 294 118 + 3n.
En energías iónicas cercanas a la barrera de Coulomb, se observaron tres casos de formación del elemento 118. Se implantaron 294.118 núcleos en un detector de silicio y se observó una cadena de desintegraciones α sucesivas. La sección transversal para la formación del elemento 118 fue de ~2 picobarns. La vida media del isótopo 293118 es de 120 ms.
En la figura. La Figura 12.15 muestra una cadena calculada teóricamente de sucesivas desintegraciones α del isótopo 293 118 y muestra las vidas medias de los núcleos hijos formados como resultado de las desintegraciones α.
Arroz. 12.15. Una cadena de sucesivas desintegraciones α del isótopo 293 118.
Se dan las vidas medias de los núcleos hijos formados como resultado de las desintegraciones α.
Al analizar las diversas posibilidades de formación de elementos superpesados en reacciones con iones pesados, se deben tener en cuenta las siguientes circunstancias.
- Es necesario crear un núcleo con una proporción suficientemente grande entre el número de neutrones y el número de protones. Por lo tanto, se deben elegir iones pesados con un N/Z grande como partícula incidente.
- Es necesario que el núcleo compuesto resultante tenga una energía de excitación baja y un momento angular pequeño, ya que de lo contrario la altura efectiva de la barrera de fisión disminuirá.
- Es necesario que el núcleo resultante tenga una forma cercana a la esférica, ya que incluso una ligera deformación conducirá a una rápida fisión del núcleo superpesado.
Un método muy prometedor para producir núcleos superpesados son reacciones como 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. En la figura. La Figura 12.16 muestra las secciones transversales estimadas para la formación de elementos transuránicos durante la irradiación de objetivos de 248 Cm, 249 Cf y 254 Es con iones de 238 U acelerados. En estas reacciones ya se han obtenido los primeros resultados sobre las secciones transversales para la formación de elementos con Z > 100. Para aumentar los rendimientos de las reacciones en estudio, los espesores objetivo se eligieron de tal manera que los productos de la reacción permanecieran estables. el objetivo. Después de la irradiación, los elementos químicos individuales se separaron del objetivo. En las muestras obtenidas durante varios meses se registraron productos de desintegración α y fragmentos de fisión. Los datos obtenidos utilizando iones de uranio acelerados indican claramente un aumento en el rendimiento de elementos transuránicos pesados en comparación con los iones de bombardeo más ligeros. Este hecho es extremadamente importante para resolver el problema de la fusión de núcleos superpesados. A pesar de las dificultades que supone trabajar con objetivos adecuados, las previsiones de progreso hacia un Z alto parecen bastante optimistas.
Arroz. 12.16. Estimaciones de las secciones transversales para la formación de elementos transuránicos en las reacciones de 238 U con 248 Cm, 249 Cf y 254 Es.
Los avances en el campo de los núcleos superpesados en los últimos años han sido asombrosamente impresionantes. Sin embargo, hasta ahora todos los intentos de descubrir la Isla de la Estabilidad han fracasado. La búsqueda de él continúa intensamente.
La estructura de capa de los núcleos atómicos juega un papel importante en el aumento de la estabilidad de los núcleos superpesados. Los números mágicos Z ≈ 114 y N ≈ 184, si realmente existen, pueden conducir a un aumento significativo de la estabilidad de los núcleos atómicos. También es significativo que la desintegración de los núcleos superpesados se producirá como resultado de la desintegración α, lo cual es importante para el desarrollo de métodos experimentales para detectar e identificar nuevos núcleos superpesados.
