Naujojo Pietų Velso universiteto (Australija) ir Mainco universiteto (Vokietija) mokslininkai teigia, kad vienoje iš neįprastiausių astronomams žinomų žvaigždžių yra cheminių elementų iš stabilumo salos. Tai elementai, esantys pačioje periodinės lentelės pabaigoje, juos išskiria nuo kaimynų kairėje jų ilgesniu tarnavimo laiku. Tyrimas buvo paskelbtas elektroninių preprintų bibliotekoje arXiv.org, aprašyti jo rezultatai ir stabilūs supersunkieji cheminiai elementai.
Žvaigždę HD 101065 1961 metais atrado lenkų ir australų astronomas Antoninas Przybylskis. Jis yra apie 400 šviesmečių nuo Žemės Kentauro žvaigždyne. Greičiausiai HD 101065 yra lengvesnis už Saulę ir yra pagrindinės sekos žvaigždė, submilžinas. Ypatinga Przybylskio žvaigždės savybė – itin mažas geležies ir nikelio kiekis atmosferoje. Tuo pačiu metu žvaigždėje gausu sunkiųjų elementų, įskaitant stroncį, cezią, torią, iterbį ir uraną.
Przybylskio žvaigždė yra vienintelė, kurioje aptinkami trumpaamžiai radioaktyvūs elementai – aktinidai, kurių atominis skaičius (protonų skaičius branduolyje) nuo 89 iki 103: aktinis, plutonis, americis ir einšteinas. HD 101065 yra panašus į HD 25354, tačiau americio ir curium buvimas jame yra abejotinas.
Supersunkių elementų susidarymo ant Przybylskio žvaigždės mechanizmas vis dar nėra visiškai aiškus. Buvo daroma prielaida, kad HD 101065 kartu su neutronine žvaigžde sudaro dvejetainę sistemą – dalelės iš antrosios krenta ant pirmosios, sukeldamos sunkiųjų elementų sintezės reakcijas. Ši hipotezė dar nepatvirtinta, nors gali būti, kad blankus palydovas yra maždaug tūkstančio astronominių vienetų atstumu nuo HD 101065.
Nuotrauka: N. Dautel / Globallookpress.com
HD 101065 labiausiai panašus į Ap žvaigždes, savotiškas A spektrinės klasės žvaigždes, kurių spektre yra sustiprintos retųjų žemių metalų linijos. Jie turi stiprų magnetinį lauką, sunkūs elementai patenka į jų atmosferą iš gelmių. HD 101065 nuo kitų Ap žvaigždžių skiriasi trumpalaikiais šviesos kreivės pokyčiais, todėl buvo galima įtraukti į atskirą RoAp žvaigždžių grupę (Rapidly oscilating Ap stars).
Tikėtina, kad mokslininkų bandymai HD 101065 pritaikyti esamai žvaigždžių klasifikacijai kada nors vainikuos sėkme. Nors Przybylskio žvaigždė laikoma viena neįprastiausių, tai leidžia įtarti, kad ji turi nemažai neįprastų savybių. Visų pirma, naujausiame darbe, skirtame HD 101065, Australijos ir Vokietijos mokslininkai manė, kad Przybylskio žvaigždėje gimsta cheminiai elementai, priklausantys stabilumo salai.
Mokslininkai rėmėsi branduolio ir jo plėtinių apvalkalo modeliu. Modelis atomo branduolio stabilumą sieja su apvalkalų energijos lygių užpildymu, kurie pagal analogiją su atomo elektroniniais apvalkalais sudaro branduolį. Kiekvienas neutronas ir protonas yra tam tikrame apvalkale (atstumas nuo atomo centro arba energijos lygio) ir nepriklausomai vienas nuo kito juda tam tikrame savaime nuosekliame lauke.
Manoma, kad kuo labiau užpildyti branduolio energijos lygiai, tuo stabilesnis izotopas. Modelis gerai paaiškina atomų branduolių, sukimų ir magnetinių momentų stabilumą, tačiau tinka tik nesužadintam arba lengviems ir vidutinio dydžio branduoliams.
Pagal apvalkalo modelį branduoliai su visiškai užpildytais energetiniais apvalkalais pasižymi dideliu stabilumu. Tokie elementai sudaro „stabilumo salą“. Jis prasideda izotopais, kurių serijos numeriai 114 ir 126, atitinkantys magiškuosius ir dvigubus magiškus skaičius.
Branduoliai, turintys magišką nukleonų skaičių (protonus ir neutronus), turi stipriausią surišimo energiją. Nuklidų lentelėje jie išdėstyti taip: horizontaliai iš kairės į dešinę didėjimo tvarka nurodomas protonų skaičius, o vertikaliai iš viršaus į apačią – neutronų skaičius. Dvigubai magiškas branduolys turi protonų ir neutronų skaičių, lygų tam tikram stebuklingam skaičiui.
Dubnoje gautų fleroviumo izotopų (114 elemento) pusinės eliminacijos laikas yra iki 2,7 sekundės. Remiantis teorija, turėtų egzistuoti flerovio-298 izotopas, turintis magišką neutronų skaičių N = 184, o gyvavimo trukmė apie dešimt milijonų metų. Tokio branduolio susintetinti dar nepavyko. Palyginimui, gretimų elementų, kurių protonų skaičius branduolyje yra 113 ir 115, pusinės eliminacijos laikas yra atitinkamai iki 19,6 sekundės (nihoniui-286) ir 0,156 sekundės (maskoviui-289).
Publikacijos arXiv.org autoriai mano, kad aktinidų buvimas HD 101065 atmosferoje rodo, kad ten yra ir cheminių elementų iš stabilumo salos. Šiuo atveju aktinidai yra stabilių supersunkių elementų skilimo produktas. Mokslininkai siūlo ieškoti HD 101065 spektruose nobelio, Lawrencium, nihonio ir flerovio pėdsakų ir aprašyti specifinius spektrus, kurie gali sukurti stabilius izotopus.
Šiuo metu nauji periodinės lentelės elementai sintetinami Rusijoje, JAV, Japonijoje ir Vokietijoje. Natūralioje Žemės aplinkoje transurano elementų nerasta. Žvaigždė HD 101065 gali pasiūlyti naujų galimybių išbandyti branduolinių fizikų teorijas, kurios rodo, kad egzistuoja stabilumo sala.
2016 m. lapkričio 28 d. Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) suteikė pavadinimus keturiems itin sunkiems elementams: nihoniui (periodinės lentelės 113 elementas), moskoviui (115 elementas), tenesinui (117 elementas) ir oganessonui (118 elementas). ). Moskoviumas, tenesinas ir oganessonas pirmą kartą buvo gauti Rusijos Federacijoje bendradarbiaujant su amerikiečių fizikais. Šios datos sukakties proga N+1 kartu su „Yandex Publishing House“ kviečiame įsivaizduoti save kaip alchemiką ir pabandyti dalelių greitintuve susintetinti vieną (ar kelis, priklausomai nuo sėkmės) itin sunkius elementus.
Itin sunkius cheminius elementus, kurių atominis skaičius didesnis nei 100, galima gauti tik vykstant sintezės reakcijai įkrautuose dalelių greitintuvuose. Juose į sunkią taikinio šerdį šaudoma lengvesnėmis sviedinių šerdimis. Naujų elementų branduoliai atsiranda tikslaus smūgio ir sviedinio bei taikinio branduolių susiliejimo atveju. Turite galimybę pasijusti alchemiku mėgėju ir sukurti naują elementą. Jūs turite sviedinio šerdis ir tikslines šerdis. Pasirinkite porą ir spustelėkite mygtuką „Įjungti greitintuvą“. Jei pasirinksite tinkamą porą, gausite supersunkų elementą, pamatysite jo irimo produktus ir sužinosite, kas ir kada jį susintetino realybėje.
Mes kartu su „Yandex Publishing“ taip pat paruošėme atsakymus į klausimus apie internete paplitusius itin sunkius elementus. Spustelėkite klausimą, kad pamatytumėte atsakymą.
Ar įmanoma nuspėti, kiek supersunkių elementų dar gali būti atrasta? Ar yra maksimalus protonų skaičius, kuris gali būti branduolyje, kuris apribotų elemento masę?
Visos tokios prognozės pagrįstos šiuolaikiniais atomų branduolių stabilumo modeliais. Remiantis naiviausiais samprotavimais, atrodo, kad bet kuris branduolys, kuriame Kulono atstūmimas tarp teigiamai įkrautų protonų yra kompensuojamas ryšio stiprumu tarp jų dėl stiprios sąveikos, gali būti stabilus. Tam bet kuriuo atveju branduolyje turi būti tam tikras skaičius neįkrautų neutronų, tačiau neutronų ir protonų skaičiaus santykis nėra pakankama sąlyga atomo branduolių stabilumui. Čia išryškėja kvantinė nukleonų prigimtis: jie turi pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi ir, kaip ir elektronai, linkę telktis poromis ir suformuoti užpildytus energijos lygius.
Dėl šių efektų atsiranda protonų-neutronų sistemų stabilumo skirtumai, palyginti su keliais skilimo keliais – savaiminis dalijimasis (kuris vyksta dėl kvantinio mechaninio poveikio ir be išorinio sužadinimo sukelia atskyrimą į lengvesnius branduolius ir neutronus), taip pat α- ir β-skilimas atitinkamai išspinduliuojant alfa dalelę arba elektroną (arba pozitroną). Kalbant apie kiekvieną skilimo kanalą, kiekvienas branduolys turi savo gyvavimo laiką. Taigi, padidėjus elemento atominiam skaičiui, savaiminio dalijimosi tikimybė smarkiai išauga, o tai nustato didelius apribojimus stabilių supersunkių elementų branduolių egzistavimui – visi jie turi būti nestabilūs, o pusinės eliminacijos laikas yra gana trumpas. Todėl visiems elementams, sunkesniems už šviną, nėra stabilių izotopų, jie visi yra radioaktyvūs.
Tačiau teorija numato, kad net tarp itin sunkių elementų gali būti izotopų, kurių gyvavimo laikas yra gana ilgas. Jie turi egzistuoti sistemoms su tinkamu protonų ir neutronų santykiu ir visiškai užpildytais protonų ir neutronų lygiais. Tačiau susintetinti tokių elementų kol kas nepavyko, o jei atrodo, kad artimiausiu metu pavyks patekti į artimiausią „stabilumo salą“ (kuri prognozuojama fleroviumo branduoliui su 184 neutronais), tai bus įmanoma. Rasti sunkesnius branduolius su kitu užpildytu apvalkalu tarp absoliučiai nestabilių sistemų yra daug sunkiau, jei ne neįmanoma.
Tačiau verta paminėti, kad visos šios prognozės yra pagrįstos modeliais, kurie gerai veikia santykinai mažiems branduoliams, tačiau ypač sunkiems elementams branduolio forma, pavyzdžiui, pradeda gana pastebimai skirtis nuo sferinės, todėl reikia atlikti pataisymus. šiems modeliams.
Ar itin sunkūs elementai turi praktinį panaudojimą? O gal tai atsiras ateityje?
Šiuo metu itin sunkūs elementai praktiškai nenaudojami. Taip yra dėl kelių priežasčių. Pirma, jų sintezė yra itin sudėtingas, gana ilgai trunkantis technologinis procesas, dėl kurio susidaro labai mažas branduolių skaičius. Antra, iš visų elementų, kurių atominis skaičius didesnis nei šimtas, tik fermis (100-asis elementas) ir mendeleviumas (101-asis) turi santykinai stabilius izotopus, kurių pusinės eliminacijos laikas yra atitinkamai 100 ir 50 dienų. Dėl likusių supersunkių elementų net stabiliausi susintetinti izotopai suyra geriausiu atveju per kelias dešimtis valandų, o dažniau – per sekundes ar net milisekundes.
Todėl kol kas supersunkių branduolių sintezės procesas yra esminis interesas, susijęs su nukleonų ir nukleonų sąveikos ir kvarkų sąveikos tyrimais. Sintetintų izotopų savybės padeda sukurti tikslesnius teorinius modelius, kurie gali būti naudojami ne tik tiriant Žemės atomų branduolius, bet ir, pavyzdžiui, tiriant neutronines žvaigždes, kurių šerdyje nukleonų tankis yra žymiai didesnis. nei tankis atomų branduoliuose.
Mokslininkai tikisi, kad ateityje itin sunkūs elementai gali turėti tam tikrą praktinį pritaikymą, ypač susijusį su jutiklių ar radiografinių metodų kūrimu medicinoje ar pramonėje. Galbūt tai bus kažkokie nauji panaudojimo būdai, kurių dabar nenuspėjama, bet jų tikrai nereikėtų tikėtis artimiausiais metais, nes tam turi kardinaliai pasikeisti jų gamybos technologijos.
Ar įmanoma gauti stabilių supersunkių elementų izotopų, ar jie visi bus tik radioaktyvūs?
Elementų, esančių periodinėje lentelėje po švino, stabilūs izotopai šiuo metu nežinomi. Švino eilės numeris periodinėje lentelėje yra 82-as. Tai reiškia, kad visi elementai, pradedant nuo bismuto, vienaip ar kitaip bus radioaktyvūs. Tačiau šių elementų pusinės eliminacijos laikas gali skirtis labai plačiose ribose. Taigi stabiliausio bismuto izotopas, kuris anksčiau buvo laikomas stabiliu, pusinės eliminacijos laikas yra 2 × 10 19 metų, o tai yra keliomis eilėmis didesnis už Visatos amžių.
Šiuo metu sintezuojamų supersunkių elementų izotopų (kurių serijos numeris elementų lentelėje didesnis nei šimtas) pusinės eliminacijos laikas yra žymiai trumpesnis nei bismuto ir svyruoja nuo šimto dienų iki milisekundės dalių. Visi jie taip pat yra radioaktyvūs.
Tačiau, remiantis teorinėmis prognozėmis, kai kuriems elementams, kurių branduolyje yra tam tikras protonų ir neutronų skaičius, galimas reikšmingas pusinės eliminacijos laikas. Reikalingas neutronų ir protonų skaičius branduolyje atitinka visiškai užpildytus neutronų ir protonų apvalkalus ir turėtų būti lygus 114 protonams ir 184 neutronams. Teoriškai dėl tokios konfigūracijos pusinės eliminacijos laikas turėtų pailgėti nuo šimtų mikrosekundžių iki 10 5 metų. Santykinis branduolių, kurių protonų ir neutronų skaičius yra artimas šioms vertėms, stabilumas rodo, kad tarp supersunkių elementų yra „stabilumo sala“. Tačiau eksperimentiškai patvirtinti jo egzistavimą kol kas nepavyko. Tačiau net ir toks žymus branduolių gyvavimo trukmės pailgėjimas nepadarys šių izotopų stabilių – jie išliks radioaktyvūs.
Ar įmanoma, bent jau teoriškai, gamtoje aptikti itin sunkius elementus? Ar bent jau jų skilimo produktai, kurie įrodytų, kad tokie elementai egzistavo?
Gamtoje nebuvo rastas nė vienas iš itin sunkių elementų (tai nenuostabu, turint omenyje, kad jų visų pusinės eliminacijos laikas yra labai trumpas). Elementas, kurio atominis skaičius yra didžiausias iki šiol gamtoje, yra uranas, kurio branduolyje yra 92 protonai.
Aštuntojo dešimtmečio pradžioje buvo pranešta apie elemento, kurio serijos numeris 108 (vėliau susintetintas pavadinimu hassium), buvimas natūraliuose mineraluose, torio mėginiuose buvo aptikta elemento 122 pėdsakų, tačiau šie faktai nepasitvirtino.
Žemėje sąlygų, būtinų stabilių supersunkių branduolių sintezei, nėra ir niekada nebuvo, tačiau manoma, kad supernovos sprogimo metu galima pasiekti artimas tokias sąlygas. Tokiu atveju temperatūra pakyla iki verčių, kurių pakanka, kad branduoliai greitai sugertų neutronus (vadinamasis r procesas). Iki šiol nebuvo užfiksuota jokių patikimų įrodymų, kad tokiuose procesuose natūraliai susiformavo elementai, kurių serijos numeris didesnis nei 100, tačiau atliekami kosminių spindulių sudėties tyrimai, siekiant nustatyti, ar juose yra supersunkių elementų pėdsakų. Visų pirma, dalelių, kurių atominis skaičius didesnis nei 100, atradimas meteorito medžiagoje buvo aptartas 2011 m. Tačiau šie duomenys taip pat nebuvo patvirtinti.
Iš kur kilo posakis „transfermium wars“ ir kodėl taip dažnai kyla klausimas apie vienos ar kitos grupės pirmenybę naujo elemento sintezėje?
Šis posakis paprastai vartojamas kalbant apie ginčus tarp JAV ir SSRS dėl pirmenybės atrandant elementus, kurių serijos numeriai 104, 105 ir 106, kurie buvo aptikti XX amžiaus 60-70-aisiais. Terminas „transfermio karai“ (visi šie elementai yra periodinėje lentelėje iškart po fermio) pirmą kartą buvo pasiūlytas 1994 m. Sovietų Sąjungoje sintezė buvo vykdoma Jungtiniame branduolinių tyrimų institute Dubnoje, JAV - Lawrence'o Berkeley ir Livermore nacionalinėse laboratorijose. Pirmieji sėkmingi bandymai susintetinti 104 elementą dabar datuojami 1964 m., 105 – 1970 m., o 106 – 1974 m.
Sovietinė pusė manė, kad būtent Dubnoje pirmą kartą buvo susintetinti 104-asis ir 105-asis elementai, ir vartojo jiems atitinkamai pavadinimus „kurchatovy“ ir „nielsborium“. Amerikiečių mokslininkai kritikavo sovietinių eksperimentų rezultatus ir teigė, kad jie pirmieji gavo šiuos fizikos elementus savo laboratorijose ir pavadino juos „rutherfordium“ ir „ganium“ (atitinkamai Ernesto Rutherfordo ir Otto Hahno garbei). Tačiau dėl to, kad didelė dalis sintezės duomenų tuo metu buvo uždara, buvo gana sunku vienareikšmiškai nustatyti vienos ar kitos grupės pirmumą.
Dėl šios priežasties pirmenybės nustatymo procesas truko 30 metų ir tapo vienu iš Šaltojo karo elementų. Tik 1994 metais buvo suburta tarptautinė komisija, kuri peržiūrėjo žinomus duomenis ir pasiūlė savo elementų pavadinimų variantus. Iš pradžių kai kurie priimti sprendimai buvo prieštaringi, visų pirma dėl elementų pavadinimo dar gyvo asmens garbei (Glenn Seaborg), vardo perkėlimas iš vieno elemento į kitą, atsižvelgiant į pradinius pasiūlymus (į kuriuos įtraukta trečioji šalis). ginčas – Vokietijos sunkiųjų elementų tyrimo draugija, kurios mokslininkai susintetino 107, 108 ir 109 elementus).
Dėl to buvo rastas kompromisinis sprendimas, o 1997 metais galutinai patvirtinti elementų prioritetai ir pavadinimai. Visų pirma, buvo nuspręsta neįamžinti Igorio Kurchatovo ir Otto Hahno vardų, kurie buvo susiję su sovietų ir nacių branduoliniais projektais. 104-asis ir 106-asis elementai dabar naudoja Amerikos pusės pasiūlytus pavadinimus (rutherfordium ir seaborgium), 105-asis elementas, pripažįstant sovietų mokslininkų nuopelnus, buvo vadinamas dubnium, 107-ajam, 108-ajam ir 109-ajam elementams naudojami pasiūlyti pavadinimai. vokiečių mokslininkų – bohrium, hassium ir meitnerium (tik pirmasis iš jų skiriasi nuo siūlomo varianto – iš pradžių buvo pasiūlyta jį vadinti nilsboriu). Dabar dėl duomenų atvirumo ir nustatytos elementų pavadinimų suteikimo tvarkos prioriteto klausimai išsprendžiami daug lengviau.
Miniatiūra iš XVI amžiaus alcheminio rankraščio „Saulės spindesys“
Ar supersunkūs elementai gali būti sukurti supernovos sprogimo metu? Ir ar galime įrašyti šį gimdymą?
Yra žinoma, kad supernovos sprogimai gali sukelti labai sunkių elementų, tokių kaip uranas ar toris, branduolius. Šiuos branduolius sudaro greito neutronų gaudymo mechanizmas (vadinamasis r procesas). Manoma, kad supernovos sprogimas sukuria pakankamai temperatūros – maždaug keturių milijardų laipsnių – šiam procesui pradėti. Tačiau sunkiausių branduolių susidarymo dažnis net ir tokiomis sąlygomis nėra labai didelis. Taip pat manoma, kad be urano ir torio, pavyzdžiui, sprogstant supernovoms, galimas ir kalifornio (tai 98-as elementas) susidarymas.
Norint, kad r proceso metu susidarytų sunkesni branduoliai, būtina pradėti termobranduolinę reakciją – taigi, pavyzdžiui, Žemėje buvo galima susintetinti einšteiną (99-asis elementas) ir fermį (100-asis). pirmą kartą. Daroma prielaida, kad dėl kelių termobranduolinių sprogimų dėl r proceso gali būti pasiekta stabilumo sala. Tačiau šiandien visuotinai priimta, kad supernovų sprogimo metu tokios sąlygos neįvykdomos ir nesusidaro elementai, kurių atominis skaičius didesnis nei 100. Nepaisant to, ir toliau ieškoma stabilių supersunkių elementų, galinčių susidaryti supernovos sprogimo metu, pėdsakų, pavyzdžiui, kosminiuose spinduliuose ir jų apšvitintuose meteorituose. Lengvesnių elementų (pavyzdžiui, urano ar kalifornio) sintezės patvirtinimas atliekamas spektroskopiniais jų savaiminio dalijimosi produktų tyrimais.
Kodėl supersunkių elementų sintezės reakcijos taip dažnai nepavyksta, kai, remiantis teoriniais skaičiavimais, jos turėtų veikti?
Itin sunkūs branduoliai susidaro susiliejus lengvesniems branduoliams tarpusavyje. Tam iš sunkesnių elementų pagamintas taikinys bombarduojamas lengvesnių branduoliais. Norėdami gauti branduolį su reikiamu protonų ir neutronų skaičiumi, turite teisingai pasirinkti tuos branduolius, kurie naudojami kaip taikiniai ir sviediniai. Čia gali kilti keletas problemų, kurios sumažina norimo branduolio susidarymo ir aptikimo tikimybę.
Pirma, norint suformuoti norimą branduolį, reikia įveikti elektrostatinį barjerą – juk abu susidūrę branduoliai turi gana didelį teigiamą krūvį (o prieš pradedant veikti patrauklioms jėgoms nedideliais atstumais tarp protonų, turi būti tolimojo elektrostatinės atstūmimo). būti įveiktam). Norėdami tai padaryti, tiems branduoliams, kuriais bombarduojamas taikinys, iš pradžių turi būti suteikta pakankamai didelė energija.
Norint sumažinti šį barjerą, kaip krintančios dalelės naudingiau naudoti branduolius su gana dideliu protonų skaičiumi. Tačiau šiuo metu jų pasirinkimas ribotas. Anksčiau, norint susintetinti naujus branduolius, taikiniai, pagaminti iš sunkiųjų elementų, tokių kaip švinas, plutonis ar uranas, buvo bombarduojami santykinai lengvais branduoliais, tokiais kaip neonas-22 arba deguonis-18. Vėliau šiems tikslams pradėti naudoti įvairūs sunkesnių elementų izotopai: geležis-58, nikelis-62, nikelis-64 ar cinkas-70. Itin svarbūs tapo įvairių taikinių reakcijos su kalcio-48 izotopu produktai.
Reakcijos, kurių metu urano taikinys bombarduojamas jonais iš supersunkių elementų – to paties urano, kalifornio, einšteino – laikomos perspektyviomis. Norint padidinti branduolio susidarymo tikimybę, būtina, kad krintančio branduolio kampinis momentas būtų palyginti mažas, o gautas „sudėtinis branduolys“ būtų artimos sferinės formos. Šių reikalavimų pažeidimas lemia tai, kad reakcijos nevyksta. Tačiau net ir teisingai parinkus parametrus, sintezės procesas yra labai ilgas – taikinio švitinimas kelis mėnesius gali sukelti šimtų norimų branduolių sintezę.
Taigi ribotas izotopų, kurie gali būti naudojami sintezės reakcijose, pasirinkimas, jų kompleksas, techniniu požiūriu, jų įgyvendinimas ir ilgas reakcijos laikas žymiai sumažina norimų branduolių sintezės tikimybę – net ir tų, kurie, anot teorinės prognozės, turėtų būti stabilios.
Anksčiau buvo manoma, kad „stabilumo salos“ centras turėtų būti 114 elemento regione, tačiau kur pagal šiuolaikines idėjas yra „stabilumo sala“? Gal jo visai nėra?
„Stabilumo salos“ centras pagal branduolio apvalkalo modelį atitinka visiškai užpildytus protonų ir neutronų apvalkalus - izotopą, kurio eilės numeris yra 114 ir masės skaičius 298, tai yra branduolį, kurį sudaro 114 protonų ir 184 neutronų.
Kai kurie mokslininkai mano, kad „stabilumo salos“ centras gali atitikti kitą protonų „stebuklingąjį skaičių“, todėl elemento numeris 120 (o gal net skaičius 126) turėtų būti stabilesnis. Be to, dėl didelės α skilimo tikimybės, stabilumo centras gali būti perkeltas iš skaičiaus 114 į 112 ir 110 elementus.
Kadangi santykinai stabiliam branduoliui susidaryti svarbus ne tik protonų skaičius jame, bet ir neutronų skaičius, iki šiol nepavyko susintetinti izotopų su reikiamu skaičiumi nukleonų dėl riboto izotopų pasirinkimo. eksperimente. Todėl nėra reikalingų duomenų, patvirtinančių „stabilumo salos“ egzistavimą. Tačiau tie matavimai, kurie buvo atlikti mažiau stabiliems supersunkių elementų izotopams, gana gerai sutampa su teorinių modelių duomenimis.
Tačiau verta paminėti, kad „stabilumo salos“ padėtis nustatoma pagal branduolio apvalkalo modelio koncepciją, kuri gali ne visai tiksliai veikti, kai yra daug neutronų ar protonų. Visų pirma, kai kurie efektai, susiję su kvarkų sąveika neutronų pertekliaus branduoliams, negali būti paaiškinti naudojant jį.
Kokia yra elementų, esančių „stabilumo salos“ centre, gyvenimo trukmė?
Remiantis teorinėmis prognozėmis, „stabilumo salos“ centras atitinka branduolį, susidedantį iš 114 protonų ir 184 neutronų. Tokio sunkaus izotopo susintetinti dar nepavyko. Tačiau, remiantis teoriniais modeliais, būtent toks nukleonų skaičius branduolyje atitinka visiškai užpildytus energetinius apvalkalus.
Kalbant apie šių elementų pusėjimo trukmę, kai vyksta branduolio dalijimasis, reikia atsižvelgti į tris galimus procesus: savaiminį branduolio dalijimąsi, taip pat α ir β skilimą. Taigi, 298 114 pusinės eliminacijos laikas, remiantis modelio prognozėmis, turėtų būti maždaug 10 16 metų, palyginti su savaiminiu skilimu, 10 metų, palyginti su α-skilimu, ir apie 10,5 metų, palyginti su β-skilimu.
Atsižvelgiant į visas skilimo rūšis, stabiliausias branduolys yra 298 110 branduolys. Remiantis teorija, jo pusinės eliminacijos laikas turėtų būti apie 10 9 metus. Tačiau stabilių branduolių sritis yra gana plati, o beveik visų branduolių, kuriuose yra lyginis protonų skaičius nuo 110 iki 114 ir lyginis neutronų skaičius nuo 180 iki 184, pusinės eliminacijos laikas yra ilgesnis nei 1 metai.
Kol kas šie skaičiai yra tik teorinių skaičiavimų rezultatas. Sunkiausias ir stabiliausias elemento 114 izotopas (flerovium Fl), kuris iki šiol buvo gautas eksperimentiniu būdu, yra 289 Fl. Jo pusinės eliminacijos laikas yra apie 30 sekundžių. Stabiliausio elemento 110 izotopo (darmstadtium Ds) periodas yra apie 10 sekundžių. Nepaisant to, eksperimentiškai gautos reikšmės gana gerai sutampa su teorinių modelių prognozėmis, todėl jei pavyks susintetinti norimus branduolius su dideliu skaičiumi neutronų, jų tarnavimo laikas gali gerokai pailgėti.
Prieš dešimt metų mokslininkai teigė, kad gali būti antroji „stabilumo sala“. Ar pavyko jį rasti?
Apskritai, pagal šiuolaikinius teorinius modelius, stebimoje elementų srityje gali egzistuoti ne dvi, o dar daugiau „stabilumo salų“, kurios atitiks branduolius su visiškai užpildytais neutronų ir protonų apvalkalais, kai nukleonų skaičius yra lygus. į vadinamąjį „stebuklingąjį skaičių“. Šiuo metu elementas, kuris gali būti „stabilumo sala“, atitinka izotopą, susidedantį iš 114 protonų ir 184 neutronų. Remiantis šiuolaikiniais branduolio apvalkalo modeliais, kiti protonų „stebuklingi skaičiai“ yra 126 ir 164, o neutronams - 196, 228 ir 272.
Apie galimą santykinai stabilių branduolių, turinčių 120 ar 126 protonus, egzistavimą buvo kalbama gana ilgą laiką, o prieš dešimt metų buvo kalbama apie galimą „stabilumo salos“ egzistavimą 164-ojo elemento regione. Tačiau jei dar galima tikėtis galimo 120-ojo elemento tyrimo santykinai netolimoje ateityje, tai apie eksperimentinį 126-ojo ir ypač 164-ojo elemento tyrimą kalbėti nereikia. Tam reikalingi nauji sunkiųjų branduolių greitintuvai, kurie leistų dirbti su mažomis trumpaamžių izotopų koncentracijomis. Šiuo metu tokių įrenginių nėra.
Šiuo metu sunkiausias elementas, kurio sintezė patvirtinta, yra oganessonas, kurio atominis skaičius 118. Be to, verta paminėti, kad tokiems sunkiems branduoliams naudojamų teorinių modelių pritaikomumas taip pat neįrodytas.
Ar į neutronines žvaigždes galima žiūrėti kaip į milžinišką atominį branduolį? Jei ne, koks esminis skirtumas?
Ne, neutroninė žvaigždė, nors ją daugiausia sudaro protonai ir neutronai, nėra labai panaši į milžinišką atominį branduolį. Tiesą sakant, žvaigždė turi gana sudėtingą struktūrą – mažiausiai penki sluoksniai su skirtingomis savybėmis, o sunkieji atomų branduoliai yra kai kurių iš jų dalis kaip vienas iš svarbių komponentų. Be to, išoriniuose neutroninės žvaigždės sluoksniuose yra, pavyzdžiui, elektronų. O vidiniuose sluoksniuose – arčiau neutroninės žvaigždės centro – yra daug laisvųjų neutronų.
Nepaisant to, kad atomo branduolys yra kvantinė mechaninė sistema, turinti didžiausią neutronų ir protonų tankį Žemėje, neutroninėse žvaigždėse nukleonų tankis yra daug didesnis. Neutroninių žvaigždžių dydis siekia vos porą dešimčių kilometrų, o jų masė dažnai viršija Saulės masę, todėl arčiau žvaigždės centro jos tankis labai didelis – kelis kartus didesnis nei bet kuriame atomo branduolyje. Neutroninės žvaigždės šerdyje yra tik keli procentai elektronų ir protonų. Pačiame žvaigždės centre - vidinėje šerdyje - nukleonų tankis gali būti 10-15 kartų didesnis nei tankis atomų branduoliuose, tuo tarpu tiksli dalelių sudėtis, būsena ir sąveikos mechanizmai tokiose tankiose sistemose nėra patikimi. žinomas.
Daug neutronų turinčių branduolių tyrimai suteikia svarbios informacijos apie tai, kaip neutronai ir kvarkai gali sąveikauti neutroninės žvaigždės šerdyje, tačiau nukleonų būklė neutroninės žvaigždės centre bet kuriuo atveju labai skiriasi nuo to, ką galima pastebėti neutroninės žvaigždės centre. net ir sunkiausių elementų atominiai branduoliai.
Aleksandras Dubovas
Remiantis įvairiais teoriniais modeliais, buvo apskaičiuotos supersunkių branduolių skilimo charakteristikos. Vieno tokio skaičiavimo rezultatai parodyti fig. 4. Lyginių ir net supersunkių branduolių pusinės eliminacijos periodai pateikiami atsižvelgiant į savaiminį skilimą (a), α-skilimą (b), β-skilimą (c) ir visus galimus skilimo procesus (d). Stabiliausias branduolys savaiminio dalijimosi atžvilgiu (4a pav.) yra branduolys, kurio Z = 114 ir N = 184. Jo pusinės eliminacijos laikas savaiminio dalijimosi atžvilgiu yra ~10 16 metų. Elemento 114 izotopų, kurie nuo stabiliausio skiriasi 6-8 neutronais, pusinės eliminacijos laikas sumažėja 10-15 dydžių. Pusinės eliminacijos laikas, palyginti su α-skilimu, parodytas Fig. 4b. Stabiliausias branduolys yra Z regione< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.
Branduoliai, stabilūs β skilimo atžvilgiu, parodyti Fig. 4c su tamsiais taškais. Fig. 4d rodo visą pusėjimo trukmę. Lyginiams-lygiems branduoliams, esantiems centrinio kontūro viduje, jie yra ~10 5 metai. Taigi, įvertinus visus skilimo tipus, paaiškėja, kad branduoliai, esantys šalia Z = 110 ir N = 184, sudaro „stabilumo salą“. 294 110 branduolio pusinės eliminacijos laikas yra maždaug 10 9 metai. Skirtumas tarp Z reikšmės ir magiško skaičiaus 114, numatytų pagal apvalkalo modelį, atsiranda dėl konkurencijos tarp dalijimosi (kurio atžvilgiu branduolys, kurio Z = 114 yra stabiliausias) ir α skilimo (palyginti su kuriais branduoliai, kurių Z yra stabilūs ). Nelyginių ir nelyginių branduolių pusinės eliminacijos laikas didėja atsižvelgiant į α skilimą ir savaiminį skilimą, o sumažėja β skilimo atžvilgiu. Reikėtų pažymėti, kad aukščiau pateikti įverčiai labai priklauso nuo skaičiavimuose naudojamų parametrų ir gali būti laikomi tik požymiais, kad gali egzistuoti itin sunkių branduolių, kurių gyvavimo trukmė yra pakankamai ilga, kad būtų galima juos eksperimentiniu būdu aptikti.
Kito supersunkių branduolių pusiausvyros formos ir jų pusėjimo trukmės skaičiavimo rezultatai parodyti Fig. 5, 11.11 d. Fig. 11.10 paveiksle parodyta pusiausvyros deformacijos energijos priklausomybė nuo neutronų ir protonų skaičiaus branduoliams, kurių Z = 104-120. Deformacijos energija apibrėžiama kaip pusiausvyros ir sferinės formos branduolių energijų skirtumas. Iš šių duomenų aišku, kad Z = 114 ir N = 184 srityje turėtų būti branduoliai, kurie pagrindinėje būsenoje turi sferinę formą. Visi iki šiol atrasti supersunkūs branduoliai (5 pav. jie pavaizduoti kaip tamsūs deimantai) yra deformuoti. Lengvieji deimantai rodo branduolius, kurie yra stabilūs β skilimo atžvilgiu. Šie branduoliai turi irti α skilimo arba dalijimosi būdu. Pagrindinis skilimo kanalas turėtų būti α-skilimas.
Netolygių β stabilių izotopų pusinės eliminacijos laikas parodytas Fig. 6. Remiantis šiomis prognozėmis, daugumos branduolių pusinės eliminacijos laikas yra daug ilgesnis nei jau atrastų supersunkių branduolių (0,1-1 ms). Pavyzdžiui, 292110 branduolio tarnavimo laikas yra ~ 51 metai.
Taigi, remiantis šiuolaikiniais mikroskopiniais skaičiavimais, supersunkių branduolių stabilumas smarkiai padidėja, kai jie artėja prie magiško neutronų skaičiaus N = 184. Dar visai neseniai vienintelis elemento, kurio Z = 112 izotopas buvo izotopas 277 112, turintis pusę tarnavimo laikas 0,24 ms. Sunkesnis izotopas 283112 susintetintas šaltos sintezės reakcijoje 48 Ca + 238 U. Švitinimo laikas 25 dienos. Bendras 48 Ca jonų skaičius taikinyje yra 3,5 · 10 18. Užregistruoti du atvejai, kurie buvo interpretuoti kaip savaiminis gauto izotopo 283 112 dalijimasis. Šio naujo izotopo pusinės eliminacijos laikas buvo įvertintas T 1/2 = 81 s. Taigi akivaizdu, kad izotopo 283112 neutronų skaičiaus padidėjimas, palyginti su izotopu 277112, 6 vienetais, pailgina tarnavimo laiką 5 dydžiais.
Fig. 7 paveiksle parodyta išmatuota seaborgio izotopų Sg (Z = 106) gyvavimo trukmė, palyginti su įvairių teorinių modelių prognozėmis. Pažymėtina, kad izotopo, kurio N = 164, tarnavimo laikas sumažėjo beveik dydžiu, palyginti su izotopo, kurio N = 162, gyvavimo trukme.
Artimiausią priartėjimą prie stabilumo salos galima pasiekti reakcijoje 76 Ge + 208 Pb. Supersunkus beveik sferinis branduolys gali susidaryti sintezės reakcijoje, po kurios išspinduliuoja γ kvantai arba vienas neutronas. Remiantis skaičiavimais, gautas 284 114 branduolys turėtų suirti, išskirdamas α daleles, kurių pusinės eliminacijos laikas yra ~ 1 ms. Papildomos informacijos apie apvalkalo užimtumą regione N = 162 galima gauti ištyrus 271 108 ir 267 106 branduolių α skilimą. Šių branduolių pusinės eliminacijos laikas yra 1 min. ir 1 val. Branduoliams 263 106, 262 107, 205 108, 271 273 110 tikimasi izomerijos, kurios priežastis – žemėje deformuotų branduolių posluoksnių užpildymas j = 1/2 ir j = 13/2 srityje N = 162 valstybė.
Fig. 8 paveiksle pavaizduotos eksperimentiškai išmatuotos elementų Rf (Z = 104) ir Hs (Z = 108) formavimosi reakcijos žadinimo funkcijos krintančių jonų 50 Ti ir 56 Fe sintezės reakcijoms su tiksliniu branduoliu 208 Pb.
Susidaręs junginio branduolys atšaldomas išspinduliuojant vieną ar du neutronus. Informacija apie sunkiųjų jonų sintezės reakcijų sužadinimo funkcijas ypač svarbi norint gauti supersunkius branduolius. Sunkiųjų jonų sintezės reakcijoje būtina tiksliai subalansuoti Kulono jėgų ir paviršiaus įtempimo jėgų poveikį. Jei krintančio jono energija nėra pakankamai didelė, tada dvinarės branduolinės sistemos susijungimui minimalaus artėjimo atstumo nepakaks. Jei krintančios dalelės energija yra per didelė, susidariusi sistema turės didelę sužadinimo energiją ir greičiausiai suirs į fragmentus. Efektyvi sintezė vyksta gana siaurame susidūrusių dalelių energijos diapazone.
Ypatingą susidomėjimą kelia sintezės reakcijos, išmetančios minimalų neutronų skaičių (1–2), nes susintetintuose supersunkiuose branduoliuose pageidautina turėti kuo didesnį N/Z santykį. Fig. 9 paveiksle parodytas branduolių susiliejimo potencialas reakcijos metu
64 Ni + 208 Pb 272 110. Paprasčiausi įverčiai rodo, kad tunelio efekto tikimybė branduolių sintezei yra ~ 10 -21, o tai yra žymiai mažesnė už pastebėtą skerspjūvio reikšmę. Tai galima paaiškinti taip. 14 fm atstumu tarp branduolių centrų pradinę 236,2 MeV kinetinę energiją visiškai kompensuoja Kulono potencialas. Šiuo atstumu liečiasi tik branduolio paviršiuje esantys nukleonai. Šių nukleonų energija yra maža. Todėl yra didelė tikimybė, kad nukleonai ar nukleonų poros paliks viename branduolyje esančias orbitas ir pereis į laisvąsias partnerio branduolio būsenas. Nukleonų perkėlimas iš krintančio branduolio į tikslinį branduolį ypač patrauklus tuo atveju, kai kaip taikinys naudojamas dvigubai magiškas švino izotopas 208 Pb. 208 Pb yra užpildyti protonų poapvalkalai h 11/2 ir neutronų posluoksniai h 9/2 ir i 13/2. Iš pradžių protonų perdavimą skatina protonų-protonų traukos jėgos, o užpildžius h 9/2 posluoksnį - protonų-neutronų traukos jėgos. Panašiai neutronai juda į laisvąjį posluoksnį i 11/2, pritraukiami neutronų iš jau užpildyto posluoksnio i 13/2. Dėl poravimosi energijos ir didelių orbitos kampinių momentų poros nukleonų perdavimas yra labiau tikėtinas nei vieno nukleono. Perkėlus du protonus iš 64 Ni 208 Pb, Kulono barjeras sumažėja 14 MeV, o tai skatina glaudesnį sąveikaujančių jonų kontaktą ir nukleonų perdavimo proceso tęsimą.
Kūriniuose [V.V. Volkovas. Giliųjų neelastinių pernašų branduolinės reakcijos. M. Energoizdatas, 1982; V.V. Volkovas. Izv. SSRS mokslų akademija, fizikinė serija, 1986, t. 50 p. 1879] buvo išsamiai ištirtas sintezės reakcijos mechanizmas. Parodyta, kad jau gaudymo stadijoje, visiškai išsklaidus krintančios dalelės kinetinę energiją, susidaro dviguba branduolinė sistema ir vieno iš branduolių nukleonai palaipsniui, apvalkalas po apvalkalo, perkeliami į kitą branduolį. Tai yra, branduolių apvalkalo struktūra vaidina svarbų vaidmenį formuojant junginio šerdį. Remiantis šiuo modeliu, buvo galima gana gerai apibūdinti junginių branduolių sužadinimo energiją ir skerspjūvį 102-112 elementų susidarymui šaltosios sintezės reakcijose.
vardu pavadintoje Branduolinių reakcijų laboratorijoje. G.N. Flerovas (Dubna) susintetino elementą, kurio Z = 114. Buvo panaudota reakcija
289 114 branduolio identifikavimas buvo atliktas naudojant α skilimo grandinę. Eksperimentinis izotopo pusinės eliminacijos laikas 289 114 ~30 s. Gautas rezultatas gerai sutampa su anksčiau atliktais skaičiavimais.
Sintetinant elementą 114 reakcijoje 48 Cu + 244 Pu, didžiausia išeiga gaunama kanale išgaruojant trims neutronams. Šiuo atveju junginio branduolio 289 114 sužadinimo energija buvo 35 MeV.
Teoriškai prognozuojama skilimo seka, vykstanti su reakcijoje susidariusiu 296 116 branduoliu, parodyta 10 pav.
 Ryžiai. 10. Branduolinio skilimo schema 296 116 |
Branduolys 296 116 atšaldomas keturių neutronų emisija ir virsta izotopu 292 116, kuris vėliau su 5% tikimybe dėl dviejų iš eilės elektroninių gaudymų virsta izotopu 292 114. Dėl α -skilimas (T 1/2 = 85 dienos), izotopas 292 114 virsta izotopu 288 112. Izotopas 288 112 taip pat susidaro per kanalą
Galutinio branduolio 288 112, susidarančio iš abiejų grandinių, pusinės eliminacijos laikas yra maždaug 1 valanda ir jis suyra savaiminio skilimo būdu. Apytiksliai 10% tikimybe dėl izotopo 288 114 skilimo 284 112 gali susidaryti aukščiau pateikti periodai ir skilimo kanalai.
Analizuojant įvairias supersunkių elementų susidarymo galimybes reakcijose su sunkiaisiais jonais, reikia atsižvelgti į šias aplinkybes.
- Būtina sukurti branduolį su pakankamai dideliu neutronų skaičiaus ir protonų skaičiaus santykiu. Todėl kaip krintančioji dalelė turi būti pasirinkti sunkieji jonai su dideliu N/Z.
- Būtina, kad gautas junginio branduolys turėtų mažą sužadinimo energiją ir mažą kampinį momentą, nes priešingu atveju sumažės efektyvusis dalijimosi barjero aukštis.
- Būtina, kad gautas branduolys būtų artimos sferinės formos, nes net ir nedidelė deformacija sukels greitą supersunkaus branduolio skilimą.
Labai perspektyvus supersunkių branduolių gamybos metodas yra tokios reakcijos kaip 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. Fig. 11 paveiksle parodytas apskaičiuotas transurano elementų susidarymo skerspjūvis apšvitinus taikinius, sudarytus iš 248 cm, 249 Cf ir 254 Es pagreitintais 238 U jonais. Šiose reakcijose jau gauti pirmieji elementų, kurių Z > 100, susidarymo skerspjūvių rezultatai taikinys. Po švitinimo atskiri cheminiai elementai buvo atskirti nuo taikinio. Per kelis mėnesius gautuose mėginiuose buvo užfiksuoti α skilimo produktai ir skilimo fragmentai. Duomenys, gauti naudojant pagreitintus urano jonus, aiškiai rodo, kad sunkiųjų transurano elementų išeiga, palyginti su lengvesniais bombarduojančiais jonais, yra didesnė. Šis faktas yra nepaprastai svarbus sprendžiant supersunkių branduolių sintezės problemą. Nepaisant sunkumų dirbant su tinkamais tikslais, pažangos link aukšto Z prognozės atrodo gana optimistiškos.
Pažanga supersunkių branduolių srityje pastaraisiais metais buvo stulbinančiai įspūdinga. Tačiau kol kas visi bandymai atrasti stabilumo salą nebuvo sėkmingi. Jo paieškos tęsiasi intensyviai.
A. Levinas
Pakeliui į stabilumo salą
Mokslininkai jau septynis dešimtmečius užsiima naujausia alchemijos amato versija ir joje daug pasisekė: oficialiai pripažintų dirbtinių elementų, kurių pavadinimus oficialiai patvirtino Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC), sąrašas, apima 19 pozicijų.
Jis prasideda 93-iuoju periodinės lentelės elementu, žinomu nuo 1940 m., neptūnu, o baigiasi 111-uoju elementu, rentgenu, pirmą kartą pagamintu 1994 m. 1996 ir 1998 metais buvo gauti elementai su numeriais 112 ir 114 Jie dar negavo galutinių pavadinimų, o jiems paskirti laikinieji iki IUPAC biuro sprendimo skamba siaubingai - ununbis ir ununquadium. 2004 m. pasirodė pranešimų apie 113-ojo ir 115-ojo elementų sintezę, iki šiol apdovanotų vienodai neištariamais pavadinimais. Tačiau jie turi savo logiką, tai tiesiog elementų serijos numeriai, užkoduoti naudojant lotyniškus vienženklių skaičių pavadinimus. Pavyzdžiui, ununbium reiškia „vienas-vienas-du“.
Praėjusį rudenį pasaulio spaudoje pasklido pranešimai apie absoliučiai patikimą kito supersunkaus elemento 118 gavimą. Šių rezultatų patikimumas buvo pabrėžtas neatsitiktinai. Faktas yra tas, kad pirmą kartą tokie pranešimai pasirodė daug anksčiau – 1999 m. birželio mėn. Tačiau vėliau Amerikos Lawrence'o Livermore'o laboratorijos darbuotojai, pateikę paraišką dėl šio atradimo, buvo priversti jo atsisakyti. Paaiškėjo, kad duomenis, kuriais remtasi, išgalvojo vienas iš eksperimentatorių, bulgaras Viktoras Ninovas. 2002 metais tai sukėlė nemenką skandalą. Tais pačiais metais Livermoro mokslininkai, vadovaujami Kentono Moody, kartu su Rusijos kolegomis Jungtiniame branduolinių tyrimų institute Dubnoje, vadovaujamame Jurijaus Oganesjano, atnaujino šias pastangas naudodami kitokią branduolinių reakcijų grandinę. Eksperimentai buvo baigti tik po trejų metų, o dabar jie leido pasiekti garantuotą 118-ojo elemento sintezę – tačiau tik trijų branduolių kiekiu. Šie rezultatai pateikti 2006 m. spalio 9 d. žurnale „Physical Review“ paskelbtame dokumente su dvidešimt rusų ir dešimčia amerikiečių parašų.
Apie itin sunkių dirbtinių elementų gamybos metodus ir bendrą Oganesyan’s bei Moody’s grupių darbą kalbėsime vėliau. Tuo tarpu pabandykime atsakyti į ne itin naivų klausimą: kodėl branduolio fizikai ir chemikai taip atkakliai sintetina vis naujus elementus su triženkliais skaičiais periodinėje lentelėje? Šiems darbams atlikti reikia sudėtingos ir brangios įrangos bei ilgų metų intensyvių tyrimų – bet koks galutinis rezultatas? Visiškai nenaudingi nestabilūs egzotiški branduoliai, kuriuos taip pat galima suskaičiuoti ant vienos rankos. Žinoma, specialistams įdomu tirti kiekvieną tokį branduolį vien dėl jo išskirtinumo ir naujumo mokslui – pavyzdžiui, ištirti jo radioaktyvius skilimus, energijos lygius ir geometrinę formą. Tokie atradimai kartais apdovanojami Nobelio premijomis, bet vis dėlto ar žaidimas vertas žvakės? Ką šie tyrimai žada, jei ne technologijas, tai bent fundamentiniam mokslui?
Šiek tiek elementariosios FIZIKOS
Visų pirma, prisiminkime, kad visų be išimties elementų, išskyrus vandenilį, branduoliai susideda iš dviejų tipų dalelių – teigiamai įkrautų protonų ir neutronų, kurie neturi elektros krūvio (vandenilio branduolys yra vienas protonas). Taigi visi branduoliai yra teigiamai įkrauti, o branduolio krūvį lemia jo protonų skaičius. Tas pats skaičius taip pat nustato elemento numerį periodinėje lentelėje. Iš pirmo žvilgsnio ši aplinkybė gali pasirodyti keista. Šios sistemos kūrėjas D. I. Mendelejevas elementus suskirstė pagal jų atominį svorį ir chemines savybes, o mokslas tuo metu neturėjo supratimo apie atomų branduolius (beje, 1869 m., kai jis atrado savo periodinį dėsnį, buvo tik 63 elementai. buvo žinomi). Dabar žinome (tačiau Dmitrijus Ivanovičius neturėjo laiko išsiaiškinti), kad cheminės savybės priklauso nuo atomo branduolį supančio elektronų debesies struktūros. Kaip žinoma, protono ir elektrono krūviai yra vienodi absoliučia reikšme ir priešingi pagal ženklą. Kadangi visas atomas yra elektriškai neutralus, elektronų skaičius yra tiksliai lygus protonų skaičiui – čia buvo atrasta norima jungtis. Cheminių savybių periodiškumas paaiškinamas tuo, kad elektronų debesis susideda iš atskirų „sluoksnių“ - apvalkalų. Cheminę sąveiką tarp atomų pirmiausia užtikrina išorinių apvalkalų elektronai. Užpildžius kiekvieną naują apvalkalą, susidariusių elementų cheminės savybės sudaro lygią seką, o tada korpuso talpa baigiasi ir pradeda pildytis kitas – taigi ir periodiškumas. Bet čia mes patenkame į atominės fizikos džiungles, ir šiandien tai mūsų nedomina, turėtume turėti laiko kalbėti apie branduolius.
Atomo branduoliai paprastai vadinami „nuklidais“, iš lotyniško branduolio – branduolys. Taigi bendras protonų ir neutronų pavadinimas - „nukleonai“. Branduoliai, turintys vienodą protonų skaičių, bet skirtingą neutronų skaičių, skiriasi savo mase, tačiau jų elektroniniai „drabužiai“ yra visiškai vienodi, Marie Curie. Tai reiškia, kad atomai, kurie skiriasi vienas nuo kito tik neutronų skaičiumi, chemiškai nesiskiria ir turi būti laikomi to paties elemento atmainomis. Tokie elementai vadinami izotopais (šį pavadinimą 1910 m. pasiūlė anglų radiochemikas Frederickas Soddy, kildavęs iš graikiškų žodžių isos – lygus, tapatus ir topos – vieta). Izotopai paprastai žymimi elemento pavadinimu arba cheminiu simboliu, kartu nurodant bendrą branduolinių nukleonų skaičių (šis rodiklis vadinamas „masės skaičiumi“).
Visi gamtoje esantys elementai turi kelis izotopus. Pavyzdžiui, vandenilis, be pagrindinės vieno protono versijos, turi sunkiąją versiją – deuterį ir supersunkią – tritį (istoriškai vandenilio izotopai turi savo pavadinimus). Deuterio branduolys susideda iš protono ir neutrono, o tričio branduolį sudaro protonas ir du neutronai. Antrasis periodinės lentelės elementas helis turi du natūralius izotopus: labai retą helio-3 (du protonai, vienas neutronas) ir daug dažniau pasitaikantį helio-4 (du protonai ir du neutronai). Grynai laboratorinės kilmės elementai taip pat, kaip taisyklė, sintetinami įvairiais izotopų variantais.
Ne visi atomų branduoliai yra stabilūs. Kai kurie iš jų gali spontaniškai išskirti daleles ir virsti kitais nuklidais. Šį reiškinį 1896 metais atrado prancūzų fizikas Antoine'as Henri Becquerel, kuris atrado, kad uranas skleidžia mokslui nežinomą skvarbią spinduliuotę. Po dvejų metų Fredericas Curie ir jo žmona Marie aptiko panašią torio spinduliuotę, o tada atrado du nestabilius elementus, dar neįtrauktus į periodinę lentelę – radį ir polonį. Marie Curie reiškinį, paslaptingą to meto mokslo požiūriu, pavadino radioaktyvumu. 1899 metais anglas Ernestas Rutherfordas atrado, kad uranas skleidžia dviejų tipų spinduliuotę, kurią pavadino alfa ir beta spinduliais. Po metų prancūzas Paulas Villardas pastebėjo trečiojo tipo spinduliuotę urane, kurį tas pats Rutherfordas pažymėjo trečiąja graikų abėcėlės raide - gama. Vėliau mokslininkai atrado kitų rūšių radioaktyvumą.
Ir alfa, ir gama spinduliuotė atsiranda dėl vidinių branduolio pertvarkymų. Alfa spinduliai yra tiesiog branduolių srautai iš pagrindinio helio izotopo helio-4. Kai radioaktyvusis nuklidas išspinduliuoja alfa dalelę, jo masės skaičius sumažėja keturiais, o krūvis sumažėja dviem. Dėl to elementas periodinėje lentelėje perkelia du langelius į kairę. Alfa skilimas iš tikrųjų yra ypatingas visos skilimų šeimos atvejis, dėl kurio branduolys persitvarko ir netenka nukleonų ar nukleonų grupių. Yra skilimų, kurių metu branduolys išskiria vieną protoną, vieną neutroną ar net masyvesnę nukleonų grupę nei alfa dalelė (tokios grupės vadinamos „sunkiais klasteriais“). Tačiau gama spinduliai yra nematerialūs – jie yra labai didelės energijos elektromagnetiniai kvantai. Taigi grynas gama skilimas, griežtai tariant, nėra radioaktyvumas, nes po jo branduolys lieka su tuo pačiu protonų ir neutronų skaičiumi, tik sumažėjusios energijos būsenoje.
Beta radioaktyvumą sukelia visiškai kitokio pobūdžio branduolinės transformacijos. Dalelės, kurias Rutherfordas vadino beta spinduliais, buvo tiesiog elektronai, o tai labai greitai paaiškėjo. Tik 1934 metais Enrico Fermi suprato, kad beta elektronai yra ne intrabranduolinių persitvarkymų, o abipusių nukleonų transformacijų rezultatas. Urano branduolio beta radioaktyvumas paaiškinamas tuo, kad vienas iš jo neutronų virsta protonu ir elektronu. Yra kitoks beta radioaktyvumas: protonas virsta pozitronu ir neutronu (skaitytojas pastebės, kad abiejų transformacijų metu išsaugomas bendras elektros krūvis). Beta skilimo metu taip pat išsiskiria itin lengvos ir itin prasiskverbiančios neutralios dalelės – neutrinai (tiksliau, pozitronų beta skilimas veda prie paties neutrino, o elektrono – antineutrino gimimo). Elektroninio beta skilimo metu branduolio krūvis padidėja vienu, o pozitronų skilimo metu, natūralu, tiek pat sumažėja.
Norėdami geriau suprasti beta skilimą, turime dar labiau pasinerti. Protonai ir neutronai buvo laikomi tikrai elementariomis dalelėmis tik iki praėjusio amžiaus 60-ųjų vidurio. Dabar tikrai žinome, kad abu jie susideda iš kvarkų tripletų – daug mažiau masyvių dalelių, turinčių teigiamus ar neigiamus krūvius. Neigiamo kvarko krūvis lygus trečdaliui elektrono, o teigiamo – dviem trečdaliams protono krūvio. Kvarkai yra glaudžiai suvirinti vienas prie kito dėl specialių bemasių dalelių – gliuonų – mainų ir tiesiog neegzistuoja laisvoje būsenoje. Taigi beta skilimas iš tikrųjų yra kvarkų transformacijos.
Branduolio viduje esančius nukleonus vėl jungia mainų jėgos, kurių nešėjai yra kitos dalelės, pionai (anksčiau jie buvo vadinami pi-mezonais). Šie ryšiai nėra beveik tokie stiprūs kaip kvarkų gliuono ryšys, todėl branduoliai gali irti. Intrabranduolinės jėgos nepriklauso nuo krūvio buvimo ar nebuvimo (taigi, visi nukleonai vienas su kitu reaguoja vienodai) ir turi labai trumpą veikimo diapazoną, maždaug 1,4x10-15 metrų. Atomų branduolių dydžiai priklauso nuo nukleonų skaičiaus, tačiau apskritai jie yra tos pačios eilės. Tarkime, sunkiausio gamtoje pasitaikančio nuklido urano-238 spindulys yra 7,4 x 10-15 metrų lengvesniems branduoliams;
FIZIKA rimčiau
Baigėme branduolinį švietimą, pereikime prie įdomesnių dalykų. Pirmiausia pateikiame keletą faktų, kurių paaiškinimas atveria kelią suprasti įvairius nuklidų sintezės mechanizmus.
1 faktas.
Žemėje buvo atrasti pirmieji 92 periodinės lentelės elementai – nuo vandenilio iki urano (nors helis pirmiausia buvo atrastas per Saulės spektrines linijas, o technecis, astatis, prometis ir francis buvo gauti dirbtiniu būdu, bet vėliau visi jie buvo atrasti antžeminėje planetoje. reikalas). Visi elementai su dideliu skaičiumi buvo gauti dirbtinai. Paprastai jie vadinami transuraniniais elementais, stovinčiais dešinėje nuo urano periodinėje lentelėje.
3 faktas.
Ryšys tarp branduolinių protonų ir neutronų skaičiaus jokiu būdu nėra savavališkas. Stabiliuose lengvuosiuose branduoliuose jų skaičiai yra vienodi arba beveik vienodi – tarkime, ličiui 3:3, anglies 6:6, kalciui 20:20. Tačiau didėjant atominiam skaičiui, neutronų skaičius auga greičiau ir sunkiausiuose branduoliuose protonų skaičių viršija maždaug 1,5 karto. Pavyzdžiui, stabilaus bismuto izotopo branduolį sudaro 83 protonai ir 126 neutronai (nestabilesnių yra 13, kuriuose neutronų skaičius svyruoja nuo 119 iki 132). Urano ir transurano atveju neutronų ir protonų santykis artėja prie 1,6.
2 faktas.
Visi elementai turi nestabilių izotopų, natūralių arba žmogaus sukurtų. Pavyzdžiui, deuteris yra stabilus, tačiau tritis vyksta beta skilimo metu (Beje, dabar žinoma apie du tūkstančius radioaktyvių nuklidų, kurių daugelis naudojami įvairiose technologijose, todėl gaminami pramoniniu mastu.) Tačiau tik pirmieji 83. elementai turi stabilius izotopus Periodinės lentelės – nuo vandenilio iki bismuto. Devyni sunkiausi gamtiniai elementai: polonis, astatinas, radonas, francis, radis, aktinis, toris, protaktinas ir uranas yra radioaktyvūs visais izotopiniais variantais. Visi be išimties transuranai taip pat yra nestabilūs.
Kaip paaiškinti šį modelį? Kodėl nėra anglies branduolių su, tarkime, 16 neutronų (šis elementas turi 13 izotopų, kurių neutronų skaičius yra nuo 2 iki 14, tačiau be pagrindinio izotopo anglies-12 stabilus yra tik anglis-13)? Kodėl visi nuklidai, turintys daugiau nei 83 protonus, yra nestabilūs?
Branduolinio stabilumo žemėlapis
Atominė masė didėja nuo žemėlapio viršaus iki apačios. Protonų skaičius didėja link apatinio dešiniojo kampo, neutronų skaičius - link apatinio kairiojo kampo. Žemiausias raudonas blokas yra 112-as elementas.
Branduolinės fizikos vadovėliuose galite rasti labai vaizdingą diagramą, vadinamą izotopų žemėlapiu arba branduolinio stabilumo slėniu. Neutronų skaičius brėžiamas išilgai jo horizontalios ašies, o protonų skaičius – išilgai vertikalios ašies. Kiekvienas izotopas atitinka tam tikrą tašką, tarkime, pagrindinį helio izotopą – tašką su koordinatėmis (2,2). Ši diagrama aiškiai parodo, kad visi iš tikrųjų egzistuojantys izotopai yra susitelkę gana siauroje juostoje. Iš pradžių jo pokrypis į x ašį yra maždaug 45 laipsniai, vėliau šiek tiek sumažėja. Stabilūs izotopai susitelkę juostelės centre, o linkę į tam tikrą skilimą – šonuose.
Čia ir kyla painiava. Akivaizdu, kad branduoliai negali susidėti vien iš protonų – juos suplėšytų elektrinės atstūmimo jėgos. Tačiau atrodo, kad neutronai padidina tarpprotonų atstumus ir taip susilpnina šį atstūmimą. O branduolinės jėgos, jungiančios nukleonus branduolyje, kaip jau minėta, vienodai veikia ir protonus, ir neutronus. Atrodytų, kuo daugiau neutronų branduolyje, tuo jis stabilesnis. Ir jei taip nėra, tai kodėl?
Čia yra paaiškinimas „po ranka“. Branduolinė medžiaga paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams. Abiejų tipų nukleonai turi pusės sveikojo skaičiaus sukinį, todėl jiems, kaip ir visoms kitoms tokioms dalelėms (fermionams), galioja Pauli principas, draudžiantis tiems patiems fermionams užimti tą pačią kvantinę būseną. Tai reiškia, kad tam tikro tipo fermionų skaičius tam tikroje būsenoje gali būti išreikštas tik dviem skaičiais – 0 (būsena neužimta) ir 1 (būsena užpildyta).
Kvantinėje mechanikoje, skirtingai nei klasikinėje mechanikoje, visos būsenos yra atskiros. Branduolys nesuyra, nes jame esančius nukleonus sutraukia branduolinės jėgos. Tai galima įsivaizduoti naudojant šį paveikslėlį – dalelės sėdi šulinyje ir negali tiesiog iš ten iššokti. Fizikai taip pat naudoja šį modelį, vadindami šulinį potencialiu šuliniu. Protonai ir neutronai nėra tas pats, todėl jie yra dviejose duobėse, o ne vienoje. Tiek protonų, tiek neutronų šuliniuose yra energijos lygių rinkinys, kurį gali užimti į jį patenkančios dalelės. Kiekvienos skylės gylis priklauso nuo vidutinės jėgos sąveikos tarp jos kalinių.
Dabar atminkite, kad protonai atstumia vienas kitą, o neutronai – ne. Vadinasi, protonai suvirinami mažiau sandariai nei neutronai, todėl jų potencialo šulinys nėra toks gilus. Lengviesiems branduoliams šis skirtumas yra mažas, bet didėja didėjant branduolio krūviui. Tačiau abiejų šulinių aukščiausių netuščiųjų lygių energijos turi sutapti. Jei viršutinis užpildytų neutronų lygis būtų aukštesnis už viršutinį protonų lygį, branduolys galėtų sumažinti savo bendrą energiją, „priversdamas“ jį užimantį neutroną patirti beta skilimą ir virsti protonu. Ir jei toks virsmas būtų energetiškai palankus, tai įvyktų laikui bėgant, o branduolys pasirodytų nestabilus. Ta pati pabaiga įvyktų, jei koks nors protonas išdrįstų viršyti savo energijos skalę.
Taigi mes radome paaiškinimą. Jei protonų ir neutronų šulinių gylis yra beveik vienodas, o tai būdinga lengviesiems branduoliams, tada protonų ir neutronų skaičius taip pat yra maždaug vienodas. Judant periodine lentele, protonų skaičius didėja, o jų potencialo šulinio gylis vis labiau atsilieka nuo neutronų šulinio gylio. Todėl sunkiuosiuose branduoliuose neutronų turi būti daugiau nei protonų. Bet jei šis skirtumas dirbtinai padaromas per didelis (tarkim, branduolį bombarduojant lėtaisiais neutronais, kurie nesuskaido jo į fragmentus, o tiesiog „prilimpa“), neutronų lygis labai pakils virš protonų lygio, o branduolys suirti. Ši schema, žinoma, yra labai supaprastinta, tačiau iš esmės ji yra teisinga.
Eikime toliau. Kadangi didėjant atominiam skaičiui, neutronų skaičius laipsniškai viršija protonus, o tai mažina branduolių stabilumą, visi sunkieji nuklidai turi būti radioaktyvūs. Tai tikrai tiesa, nekartosime savo 2 fakto. Be to, atrodo, kad turime teisę manyti, kad sunkesni nuklidai taps vis mažiau stabilūs, kitaip tariant, jų gyvenimo trukmė nuolat mažės. Ši išvada atrodo visiškai logiška, tačiau ji neteisinga.
BANDYMA SALA
Pradėkime nuo to, kad aukščiau aprašyta schema neatsižvelgia į daug. Pavyzdžiui, yra vadinamasis nukleonų poravimosi efektas. Tai susideda iš to, kad du protonai arba du neutronai gali sudaryti glaudžią sąjungą, sudarydami pusiau autotominę būseną su nuliniu kampiniu impulsu branduolio viduje. Tokių porų nariai stipriau traukia vienas kitą, o tai padidina viso branduolio stabilumą. Štai kodėl, jei kiti dalykai yra vienodi, branduoliai, turintys lyginį protonų ir neutronų skaičių, pasižymi didžiausiu stabilumu, o nelyginiais skaičiais – mažiausiai. Branduolio stabilumas taip pat priklauso nuo daugelio kitų aplinkybių, per daug ypatingų, kad jas būtų galima čia aptarti.
Bet tai net nėra pagrindinis dalykas. Branduolys nėra tik vienalytė nukleonų sankaupa, net jei jie yra suporuoti. Daugybė eksperimentų jau seniai įtikino fizikus, kad branduolys greičiausiai turi sluoksniuotą struktūrą. Pagal šį modelį branduolių viduje yra protonų ir neutronų apvalkalai, kurie yra šiek tiek panašūs į atomų elektronų apvalkalus. Branduoliai su visiškai užpildytais apvalkalais yra ypač atsparūs savaiminėms transformacijoms. Neutronų ir protonų skaičius, atitinkantis visiškai užpildytus apvalkalus, vadinamas magija. Kai kurie iš šių skaičių patikimai nustatomi eksperimentuose – pavyzdžiui, 2, 8 ir 20.
Ir čia prasideda linksmybės. Shell modeliai leidžia apskaičiuoti stebuklingus supersunkių branduolių skaičius – nors ir be visiškos garantijos. Bet kokiu atveju yra pagrindo tikėtis, kad neutrono skaičius 184 pasirodys magija. Jis gali atitikti protonų skaičius 114, 120 ir 126, o pastarieji vėlgi turi būti stebuklingi. Todėl galime daryti prielaidą, kad 114, 120 ir 126 elementų izotopai, kurių kiekvienas turi po 184 neutronus, gyvens daug ilgiau nei jų kaimynai. Ypatingos viltys dedamos į paskutinį izotopą, nes jis pasirodo dvigubai magiškas. Pagal pirmoje dalyje aptartą pavadinimų suteikimo tvarką jis turėtų būti vadinamas unbiheksiu-310.
Taigi, galime tikėtis, kad vis dar yra neatrastų supersunkių nuklidų, kurie gyvena labai ilgai, bent jau pagal savo artimiausios aplinkos standartus. Fizikai šią hipotetinę šeimą vadina „stabilumo sala“. Hipotezę apie jo egzistavimą pirmasis išreiškė puikus amerikiečių branduolinis fizikas (arba, jei norite, branduolinis chemikas) Glenas Seaborgas, 1951 m. Nobelio premijos laureatas. Jis buvo komandų, kurios sukūrė visus devynis elementus nuo 94 (plutonis) iki 102 (nobelijus), taip pat elementą 106, pavadintą seaborgiu jo garbei, lyderis arba pagrindinis narys.
Dabar galime atsakyti į klausimą, kuris baigia pirmąjį skyrių. Supersunkių elementų sintezė, be kita ko, branduolinius fizikus žingsnis po žingsnio priartina prie jų Šventojo Gralio – branduolinio stabilumo salos. Niekas negali tiksliai pasakyti, ar šis tikslas yra pasiekiamas, tačiau brangios salos atradimas būtų didžiulė sėkmė mokslui.
Elementas 114 jau sukurtas – tai unikvadiumas. Dabar jis buvo susintetintas penkiomis izotopinėmis versijomis, kurių neutronų skaičius yra nuo 171 iki 175. Kaip matote, iki 184 neutronų dar toli. Tačiau stabiliausių ununquadium izotopų pusinės eliminacijos laikas yra kiek mažiau nei 3 sekundės. 113-ajam elementui šis skaičius yra apie pusę sekundės, 115-ajam - mažiau nei dešimtadalis. Tai džiugina.
U-400 greitintuvas Jungtiniame branduolinių tyrimų institute (Dubna),
ant kurio buvo gautas 118-as elementas
118 D. SINTEZĖ
Visi dirbtiniai elementai nuo 93 iki 100 buvo | pirmą kartą gautas [švitinant branduolius | neutronai arba deuterio branduoliai] (deuteronai). Laboratorijoje tai ne visada atsitikdavo. 99 ir 100 elementai – einšteinas ir fermis – pirmą kartą buvo nustatyti radiochemiškai analizuojant medžiagos mėginius, paimtus Ramiojo vandenyno Enewetako atolo srityje, kur 1952 m. lapkričio 1 d. amerikiečiai susprogdino dešimties megatonų termobranduolinį aparatą. įkrauti "Mike". Jo apvalkalas buvo pagamintas iš urano-238. Per sprogimą urano branduoliai sugebėjo sugerti iki penkiolikos neutronų, o vėliau patyrė beta skilimo grandines, dėl kurių galiausiai susiformavo šių dviejų elementų izotopai. Beje, kai kurie iš jų gyvena gana ilgai – pavyzdžiui, einšteino-254 pusinės eliminacijos laikas yra 480 dienų.
Transfermio elementai, kurių skaičius didesnis nei 100, sintetinami bombarduojant masyvius, bet ne per greitai irstančius nuklidus specialiuose greitintuvuose pagreitintais sunkiaisiais jonais. Tarp geriausių tokio tipo mašinų pasaulyje yra U-400 ir U-400M ciklotronai, priklausantys Jungtinio branduolinių tyrimų instituto G. M. Flerovo Branduolinių reakcijų laboratorijai. 118-asis elementas ununoktis buvo susintetintas U-400 greitintuvu. Periodinėje lentelėje jis yra tiksliai žemiau radono, todėl turi būti inertinės dujos.
Tačiau dar per anksti kalbėti apie ununoktiumo cheminių savybių tyrimą. 2002 metais buvo gautas tik vienas jo izotopo branduolys, kurio atominė masė yra 294 (118 protonų, 176 neutronai), o dar du 2005 m. Jie gyveno neilgai – apie milisekundę. Jie buvo pagaminti bombarduojant kalifornio-249 taikinį pagreitintais kalcio-48 jonais. Bendras kalcio „kulkų“ skaičius buvo 2x1019! Taigi ununoktinio generatoriaus našumas yra itin mažas. Tačiau tai yra tipiška situacija. Bet paskelbti rezultatai laikomi gana patikimais, paklaidos tikimybė neviršija tūkstantosios procento dalies.
Ununoktiumo branduoliai patyrė daugybę alfa skilimų, paeiliui virsdami 116-ojo, 114-ojo ir 112-ojo elementų izotopais. Pastarasis, jau minėtas ununbis, gyvena labai trumpai ir yra padalintas į sunkius, maždaug tokios pat masės fragmentus.
Tai kol kas visa istorija. 2007 metais tie patys eksperimentuotojai tikisi pagaminti 120 elemento branduolius, bombarduodami plutonio taikinį geležies jonais. Stabilumo salos puolimas tęsiasi.
Kas naujo mokslo ir technologijų srityje, 2007 m. Nr. 1
Antrojo tūkstantmečio pabaigoje akademikas Vitalijus Lazarevičius Ginzburgas sudarė trisdešimties fizikos ir astrofizikos problemų, kurias laikė svarbiausiomis ir įdomiausiomis, sąrašą (žr. „Mokslas ir gyvenimas“, 1999 m. Nr. 11). Šiame sąraše skaičius 13 nurodo užduotį surasti itin sunkius elementus. Tada, prieš 12 metų, akademikas su nusivylimu pažymėjo, kad „ilgai gyvenančių (kalbame apie milijonus metų) transurano branduolių egzistavimas kosminiuose spinduliuose dar nepatvirtintas“. Šiandien buvo aptikta tokių branduolių pėdsakų. Tai suteikia vilties pagaliau atrasti supersunkių branduolių stabilumo salą, kurios egzistavimą kadaise numatė branduolinis fizikas Georgijus Nikolajevičius Flerovas.
Klausimas, ar yra elementų, sunkesnių už uraną-92 (238 U yra stabilus jo izotopas), liko atviras ilgą laiką, nes gamtoje jų nebuvo pastebėta. Buvo manoma, kad nėra stabilių elementų, kurių atominis skaičius būtų didesnis nei 180: galingas teigiamas branduolio krūvis sunaikins sunkaus atomo elektronų vidinius lygius. Tačiau netrukus paaiškėjo, kad elemento stabilumą lemia jo šerdies, o ne apvalkalo stabilumas. Branduoliai, turintys lyginį protonų skaičių Z ir neutronus N, yra stabilūs, tarp kurių ypač ryškūs branduoliai, turintys vadinamąjį magišką protonų arba neutronų skaičių – 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 – pvz. skarda, švinas. O stabiliausi yra „dvigubai magiški branduoliai“, kuriuose tiek neutronų, tiek protonų skaičius yra magiškas, tarkime, helio ir kalcio. Tai švino izotopas 208 Pb: jo Z = 82, N = 126. Elemento stabilumas labai priklauso nuo protonų ir neutronų skaičiaus santykio jo branduolyje. Pavyzdžiui, švinas su 126 neutronais yra stabilus, tačiau kitas jo izotopas, kurio branduolyje yra dar vienu neutronu, suyra per daugiau nei tris valandas. Tačiau, pažymėjo V. L. Ginzburgas, teorija numato, kad tam tikras elementas X, kurio protonų skaičius Z = 114 ir neutronai N = 184, tai yra, kurio masės atominis skaičius A = Z + N = 298, turėtų gyventi maždaug 100 milijonų metų. .
Šiandien daug elementų buvo dirbtinai gauta iki 118-ojo – 254 Uuo imtinai. Tai sunkiausias nemetalas, tikriausiai inertinės dujos; sutartiniai jo pavadinimai yra ununoctium (susidaro iš lotyniškų skaitmenų šaknų – 1, 1, 8), eka-radonas ir moskoviškas Mw. Visi žmogaus sukurti elementai kažkada egzistavo Žemėje, tačiau laikui bėgant sunyko. Pavyzdžiui, plutonis-94 turi 16 izotopų, o tik 244 Pu pusinės eliminacijos laikas T ½ = 7,6 10 7 metai; neptūnas-93 turi 12 izotopų ir 237 Np T ½ = 2,14 10 6 metai. Šie ilgiausi pusamžiai tarp visų šių elementų izotopų yra daug mažesni nei Žemės amžius – (4,5–5,5) 10 9. Nereikšmingi neptūno pėdsakai, randami urano rūdose, yra branduolinių reakcijų, vykstančių neutronams iš kosminės spinduliuotės ir savaiminio urano dalijimosi, produktai, o plutonis yra neptūno-239 beta skilimo pasekmė.
Elementai, kurie išnyko per Žemės egzistavimą, gaunami dviem būdais. Pirma, į sunkaus elemento branduolį galima įvaryti papildomą neutroną. Ten vyksta beta skilimas, sudarydamas protoną, elektroną ir elektronų antineutriną: n 0 → p + e – + v e. Branduolinis krūvis padidės vienu – atsiras naujas elementas. Taip buvo gauti dirbtiniai elementai iki fermio-100 (jo izotopo 257 Fm pusinės eliminacijos laikas yra 100 metų).
Dar sunkesni elementai sukuriami greitintuvuose, kurie pagreitina ir susiduria su branduoliais, pavyzdžiui, auksas (žr. „Mokslas ir gyvenimas“ Nr. 6, 1997). Būtent taip Jungtinio branduolinių tyrimų instituto (JINR, Dubna) branduolinių reakcijų laboratorijoje buvo gauti 117-asis ir 118-asis elementai. Be to, teorija numato, kad stabilūs supersunkieji branduoliai turėtų egzistuoti toli už šiuo metu žinomų sunkiųjų radioaktyvių elementų. Rusų fizikas G. N. Flerovas elementų sistemą pavaizdavo kaip simbolinį archipelagą, kuriame stabilius elementus supa trumpaamžių izotopų jūra, kurios galbūt niekada nebus atrasta. Pagrindinėje salyno saloje yra stabiliausių elementų - kalcio, alavo ir švino - viršūnės už Radioaktyvumo sąsiaurio yra sunkiųjų branduolių sala su urano, neptūno ir plutonio viršūnėmis. O dar toliau turėtų būti paslaptinga supersunkių elementų Stabilumo sala, panaši į jau minėtą – X-298.
Nepaisant visų eksperimentinės ir teorinės fizikos sėkmių, klausimas lieka atviras: ar gamtoje egzistuoja supersunkieji elementai, ar tai yra grynai dirbtinės, žmogaus sukurtos medžiagos, panašios į sintetines medžiagas – nailoną, nailoną, lavsaną – niekada nesukurtos gamtos?
Tokiems elementams susidaryti gamtoje yra sąlygos. Jie susidaro pulsarų gelmėse ir supernovų sprogimų metu. Neutronų srautai juose pasiekia didžiulį tankį – 10 38 n 0 / m 2 ir gali generuoti supersunkius branduolius. Jie išsisklaido erdvėje tarpgalaktinių kosminių spindulių sraute, tačiau jų dalis itin maža – vos kelios dalelės kvadratiniame metre per metus. Todėl kilo mintis panaudoti natūralų kosminės spinduliuotės detektorių-saugyklą, kurioje supersunkūs branduoliai turėtų palikti specifinį, lengvai atpažįstamą pėdsaką. Meteoritai sėkmingai tarnavo kaip tokie detektoriai.
Meteoritas – uolos gabalas, kurį iš motinos planetos išplėšė kokia nors kosminė katastrofa, kosmosu keliauja šimtus milijonų metų. Jį nuolat „šauna“ kosminiai spinduliai, kuriuos sudaro 90% vandenilio branduolių (protonų), 7% helio branduolių (du protonai) ir 1% elektronų. Likę 2% sudaro kitos dalelės, kuriose gali būti supersunkių branduolių.
Vardo fizinio instituto mokslininkai. P. N. Lebedevas (FIAN) ir pavadintas Geochemijos ir analitinės chemijos institutas. V.I. Vernadskis (GEOKHI RAS) tiria du palazitus – geležies ir nikelio meteoritus, susimaišius su olivinu (permatomų mineralų grupė, kurioje į silicio dioksidą SiO 4 pridedama Mg 2, (Mg, Fe) 2 ir (Mn, Fe) 2. skirtingos proporcijos ; skaidrus olivinas vadinamas chrizolitu). Šių meteoritų amžius yra 185 ir 300 milijonų metų.
Sunkūs branduoliai, skrisdami pro olivino kristalą, pažeidžia jo gardelę, palikdami joje savo pėdsakus – pėdsakus. Jie tampa matomi po cheminio kristalo apdorojimo – ėsdinimo. Kadangi olivinas yra permatomas, šiuos pėdsakus galima stebėti ir tirti mikroskopu. Pagal trasos storį, ilgį ir formą galima spręsti apie branduolio krūvį ir atominę masę. Tyrimus labai apsunkina tai, kad olivino kristalai yra kelių milimetrų dydžio, o sunkiosios dalelės pėdsakas yra daug ilgesnis. Todėl apie jo krūvio dydį reikia spręsti pagal netiesioginius duomenis – ėsdinimo greitį, vėžės storio sumažėjimą ir kt.
Darbas, skirtas surasti supersunkių dalelių pėdsakus iš stabilumo salos, buvo pavadintas „Olympia projektu“. Vykdant šį projektą buvo gauta informacija apie maždaug šešis tūkstančius branduolių, kurių krūvis didesnis nei 55, ir tris itin sunkius branduolius, kurių krūviai svyruoja nuo 105 iki 130. Visos šių branduolių pėdsakų charakteristikos buvo nustatytos. išmatuotas Lebedevo fiziniame institute sukurtu didelio tikslumo įrangos kompleksu. Kompleksas automatiškai atpažįsta takelius, nustato jų geometrinius parametrus ir, ekstrapoliuodamas matavimo duomenis, suranda numatomą takelio ilgį, kol jis sustoja olivino masyve (atminkite, kad tikrasis jo kristalo dydis yra keli milimetrai).
Gauti eksperimentiniai rezultatai patvirtina stabilių supersunkių elementų egzistavimo gamtoje realumą.
