60-ųjų pabaigoje daugelio teoretikų pastangomis – O. Bohr ir B. Motelson (Danija), S. Nilsson (Švedija), V.M. Strutinskis ir V.V. Paškevičius (SSRS), H. Myersas ir V. Svyatetskis (JAV), A. Sobičevskis ir kiti (Lenkija), W. Greineris ir kiti (Vokietija), R. Nixas ir P. Mölleris (JAV), J. Bergeris (Prancūzija). ) ir daugelis kitų sukūrė mikroskopinę atomų branduolių teoriją. Naujoji teorija visus minėtus prieštaravimus sujungė į darnią fizikinių dėsnių sistemą.
Kaip ir bet kuri teorija, ji turėjo tam tikrą nuspėjamąją galią, ypač numatant labai sunkių, vis dar nežinomų branduolių savybes. Paaiškėjo, kad stabilizuojantis branduolinių apvalkalų poveikis veiks daugiau nei nurodo branduolio lašelių modelis (t.y. Z > 106 srityje), sudarantis vadinamąjį. „stabilumo salos“ aplink magiškus skaičius Z=108, N=162 ir Z=114, N=184. Kaip matyti 2 pav., šiose „stabilumo salose“ esančių supersunkių branduolių tarnavimo laikas gali žymiai pailgėti. Tai ypač pasakytina apie sunkiausius, supersunkius elementus, kur uždarų apvalkalų Z=114 (galbūt 120) ir N=184 poveikis padidina pusėjimo trukmę iki dešimčių, šimtų tūkstančių, o gal ir milijonų metų, t.y. – 32–35 eilėmis daugiau nei nesant branduolinių sviedinių poveikio. Taigi, iškilo intriguojanti hipotezė apie galimą supersunkių elementų egzistavimą, gerokai praplečiančių materialaus pasaulio ribas. Tiesioginis teorinių prognozių išbandymas būtų supersunkių nuklidų sintezė ir jų skilimo savybių nustatymas. Todėl turėsime trumpai apsvarstyti pagrindinius klausimus, susijusius su dirbtine elementų sinteze.

2. Sunkiųjų elementų sintezės reakcijos

Elementai, sunkesni už Pm (Z=100), buvo susintetinti reakcijose su pagreitėjusiais sunkiaisiais jonais, kai į tikslinį branduolį įvedamas protonų ir neutronų kompleksas. Tačiau šio tipo reakcija skiriasi nuo ankstesnio atvejo. Užfiksavus neutroną, neturintį elektros krūvio, naujojo branduolio sužadinimo energija yra tik 6 - 8 MeV. Priešingai, kai tiksliniai branduoliai susilieja net su lengvais jonais, tokiais kaip helis (4 He) arba anglis (12 C), sunkieji branduoliai bus įkaitinti iki energijos E x = 20–40 MeV. Toliau didėjant sviedinio branduolio atominiam skaičiui, jam reikės perduoti vis daugiau energijos, kad įveiktų teigiamai įkrautų branduolių atstūmimo elektrines jėgas (Kulono reakcijos barjerą). Dėl šios aplinkybės padidėja junginio branduolio, susidariusio susiliejus dviem branduoliams - sviediniui ir taikiniui, sužadinimo energija (kaitinimas). Jo aušinimas (perėjimas į pagrindinę būseną E x = 0) įvyks dėl neutronų ir gama spindulių emisijos. Ir čia iškyla pirmoji kliūtis.

Įkaitęs sunkusis branduolys galės išspinduliuoti neutroną tik 1/100 atvejų, jis suskils į du fragmentus, nes branduolio energija yra žymiai didesnė už jo skilimo barjero aukštį. Nesunku suprasti, kad junginio branduolio sužadinimo energijos didinimas jam kenkia. Įkaitusio branduolio išlikimo tikimybė smarkiai sumažėja didėjant temperatūrai (arba energijai E x), nes didėja išgaravusių neutronų skaičius, su kuriais stipriai konkuruoja dalijimasis. Norint atvėsinti iki maždaug 40 MeV energijos įkaitintą branduolį, reikia išgarinti 4 ar 5 neutronus. Kiekvieną kartą dalijimasis konkuruos su neutrono emisija, dėl to išlikimo tikimybė bus tik (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10. Situaciją apsunkina tai, kad kylant šerdies temperatūrai mažėja kevalų stabilizuojantis poveikis, todėl mažėja skilimo barjero aukštis ir smarkiai padidėja šerdies skilimas. Abu šie veiksniai lemia itin mažą supersunkių nuklidų susidarymo tikimybę.

Pažengimas į sunkesnių nei 106 elementų regioną tapo įmanomas po to, kai 1974 m. buvo atrastas vadinamasis. šaltos sintezės reakcijos. Šiose reakcijose kaip tikslinė medžiaga naudojami „stebuklingi“ stabilių izotopų branduoliai - 208 Pb (Z = 82, N = 126) arba 209 Bi (Z = 83, N = 126), kuriuos bombarduoja sunkesni už argoną jonai ( Yu.Ts. Oganesyan, A.G. Demin ir kt.). Sintezės proceso metu didelė nukleonų surišimo energija „stebuklingame“ tiksliniame branduolyje lemia energijos sugėrimą dviejų sąveikaujančių branduolių persitvarkymo metu.
į sunkią bendros masės šerdį. Šis nukleonų „pakavimo“ energijos skirtumas sąveikaujančiuose branduoliuose ir galutiniame branduolyje iš esmės kompensuoja energiją, reikalingą norint įveikti aukštą Kulono barjerą reakcijai. Dėl to sunkiojo branduolio sužadinimo energija yra tik 12-20 MeV. Tam tikru mastu tokia reakcija yra panaši į „atvirkštinio dalijimosi“ procesą. Iš tiesų, jei urano branduolys dalijasi į du fragmentus, kai išsiskiria energija (jis naudojamas atominėse elektrinėse), tada atvirkštinėje reakcijoje, kai fragmentai susilieja, susidaręs urano branduolys bus beveik šaltas. Todėl, kai elementai sintetinami šaltosios sintezės reakcijose, sunkiajam branduoliui tereikia išmesti vieną ar du neutronus, kad patektų į pagrindinę būseną.
Masyvių branduolių šaltosios sintezės reakcijos buvo sėkmingai panaudotos 6 naujiems elementams, nuo 107 iki 112 (P. Armbrusteris, Z. Hofmannas, G. Münzenbergas ir kt.) susintetinti GSI nacionaliniame branduolinės fizikos centre Darmštate (Vokietija). Neseniai K. Morita ir kt. RIKEN nacionaliniame centre (Tokijas) pakartojo GSI eksperimentus su 110-112 elementų sinteze. Abi grupės ketina pereiti prie 113 ir 114 elementų naudodamos sunkesnius sviedinius. Tačiau bandymai susintetinti vis sunkesnius elementus šaltosios sintezės reakcijose yra susiję su dideliais sunkumais. Didėjant jonų atominiam krūviui, jų susiliejimo su tiksliniais branduoliais 208 Pb arba 209 Bi tikimybė labai sumažėja, nes padidėja Kulono atstūmimo jėgos, kurios, kaip žinoma, yra proporcingos branduolinių krūvių sandaugai. Iš elemento 104, kurį galima gauti reakcijoje 208 Pb + 50 Ti (Z 1 × Z 2 = 1804) į elementą 112 reakcijoje 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), susijungimo tikimybė sumažėja daugiau nei 10 4 kartus.

3 pav Sunkiųjų nuklidų žemėlapis. Branduolinės pusinės eliminacijos laikas pavaizduotas skirtingomis spalvomis (dešinioji skalė). Juodieji kvadratai yra stabilių elementų izotopai, randami žemės plutoje (T 1/2 ≥ 10 9 metai). Tamsiai mėlyna spalva yra „nestabilumo jūra“, kurioje branduoliai gyvena mažiau nei 10–6 sekundes. Geltonos linijos atitinka uždarus apvalkalus, nurodančius magiškus protonų ir neutronų skaičius. „Stabilumo salos“ po torio, urano ir transurano elementų „pusiasalio“ yra mikroskopinės branduolio teorijos prognozės. Du branduoliai, kurių Z = 112 ir 116, gauti skirtingose ​​branduolinėse reakcijose ir jų nuoseklaus skilimo metu, rodo, kaip arti galima priartėti prie „stabilumo salų“ dirbtinės supersunkių elementų sintezės metu.

Yra dar vienas apribojimas. Šaltosios sintezės reakcijose gauti junginiai turi palyginti nedaug neutronų. Aukščiau aptarto 112-ojo elemento susidarymo atveju galutiniame branduolyje, kurio Z = 112, yra tik 165 neutronai, o neutronų skaičiui N > 170 tikimasi stabilumo padidėjimo (žr. 3 pav.).

Branduolius su dideliu neutronų pertekliumi iš principo galima gauti, jei kaip taikiniai naudojami dirbtiniai elementai: plutonis (Z = 94), americis (Z = 95) arba kuršis (Z = 96), gaminamas branduoliniuose reaktoriuose, ir reti elementai. kaip sviedinio kalcio izotopas - 48 Ca. (žr. žemiau).

48 Ca atomo branduolyje yra 20 protonų ir 28 neutronai – abi vertės atitinka uždarus apvalkalus. Branduolių sintezės reakcijose su 48 Ca branduoliais veiks ir jų „stebuklinga“ struktūra (šį vaidmenį šaltosios sintezės reakcijose atliko magiškieji taikinio branduoliai - 208 Pb), dėl to supersunkių branduolių sužadinimo energija bus sumažinta. apie 30-35 MeV. Jų perėjimą į pagrindinę būseną lydės trys neutronai ir gama spinduliai. Galima tikėtis, kad esant tokiai sužadinimo energijai branduolinių apvalkalų poveikis vis dar yra įkaitintuose supersunkiuose branduoliuose, tai padidins jų išlikimą ir leis juos sintetinti savo eksperimentuose. Taip pat atkreipkite dėmesį, kad sąveikaujančių branduolių masių asimetrija (Z 1 × Z 2 ≤ 2000) sumažina jų Kulono atstūmimą ir taip padidina susijungimo tikimybę.

Nepaisant šių, atrodytų, akivaizdžių pranašumų, visi ankstesni bandymai sintetinti itin sunkius elementus reakcijose su 48 Ca jonais, atlikti įvairiose laboratorijose 1977–1985 m., žlugo. pasirodė esąs neveiksmingas. Tačiau pastaraisiais metais plėtojant eksperimentines technologijas ir, svarbiausia, mūsų laboratorijoje gaminami intensyvūs 48 Ca jonų pluoštai ant naujos kartos greitintuvų, leido eksperimento jautrumą padidinti beveik 1000 kartų. Šie pasiekimai buvo panaudoti naujam bandymui susintetinti itin sunkius elementus.

3 Numatomos savybės

Ką mes tikimės pamatyti eksperimente, jei sintezė bus sėkminga? Jei teorinė hipotezė yra teisinga, supersunkūs branduoliai bus stabilūs, palyginti su savaiminiu skilimu. Tada jie patirs kitą skilimo tipą: alfa skilimą (helio branduolio, susidedančio iš 2 protonų ir 2 neutronų, emisiją). Dėl šio proceso susidaro dukterinis branduolys, kuris yra 2 protonais ir 2 neutronais lengvesnis už pirminį branduolį. Jei dukterinis branduolys turi mažą savaiminio dalijimosi tikimybę, tai po antrojo alfa skilimo anūko branduolys dabar bus 4 protonais ir 4 neutronais lengvesnis už pradinį branduolį. Alfa skilimas tęsis tol, kol įvyks savaiminis skilimas (4 pav.).

Tai. tikimės išvysti ne vieną skilimą, o „radioaktyvią šeimą“ – gana ilgą laiką (branduoliniu mastu) einančių alfa skilimų grandinę, kuri konkuruoja su savaiminiu skilimu, bet galiausiai yra nutraukiama. Iš esmės toks irimo scenarijus jau rodo supersunkaus branduolio susidarymą.

Norint visiškai pamatyti numatomą stabilumo padidėjimą, reikia kuo arčiau priartėti prie uždarų apvalkalų Z = 114 ir N = 184. Tokių neutronų pertekliaus branduolius susintetinti branduolinėse reakcijose yra nepaprastai sunku, nes susiliejus stabilių elementų, kurie jau turi tam tikrą protonų ir neutronų santykį, neįmanoma patekti į dvigubai magišką branduolį 298 114. Todėl reakcijoje reikia stengtis panaudoti branduolius, kuriuose iš pradžių yra didžiausias įmanomas neutronų skaičius. Tai didžiąja dalimi lėmė ir pagreitintų 48 Ca jonų pasirinkimą kaip sviedinį. Kaip žinote, gamtoje yra daug kalcio. Jį sudaro 97% izotopo 40Ca, kurio branduolyje yra 20 protonų ir 20 neutronų. Bet jame yra 0,187% sunkiojo izotopo - 48 Ca (20 protonų ir 28 neutronų), kuriame yra 8 neutronų perteklius. Jo gamybos technologija yra labai daug darbo reikalaujanti ir brangi; vieno gramo sodrinto 48 Ca kaina yra apie 200 000 USD. Todėl, norėdami rasti kompromisinį sprendimą – išgauti maksimalų jonų pluošto intensyvumą su minimaliu šios egzotiškos medžiagos suvartojimu, turėjome gerokai pakeisti savo greitintuvo konstrukciją ir veikimo režimus.

4 pav
Teorinės prognozės apie supersunkių elementų, turinčių skirtingą protonų ir neutronų skaičių, skilimo tipus (pavaizduoti skirtingomis spalvomis) ir pusinės eliminacijos laiką. Kaip pavyzdys parodyta, kad 116-ojo elemento, kurio masė 293, izotopui, susidariusiame 248 St ir 48 Ca branduolių sintezės reakcijoje, tikimasi trijų iš eilės alfa skilimų, kurie baigiasi savaiminiu didžiojo skilimo. -110-ojo elemento anūkas, kurio masė 281. Kaip matyti 8 pav., yra būtent toks irimo scenarijus, grandinės pavidalu. α - α - α - SF, stebimas šiam branduoliui eksperimente. Lengvesnio branduolio skilimas yra 110-ojo elemento, kurio masė yra 271, izotopas, gautas branduolių 208 Pb + 64 Ni „šaltojo sintezės“ reakcijos metu 110.

Šiandien pasiekėme rekordinį spindulio intensyvumą – 8 × 10 12/s, su labai mažu 48 Ca izotopo suvartojimu – apie 0,5 miligramo per valandą. Kaip tikslinę medžiagą naudojame ilgaamžius prisodrintus dirbtinių elementų izotopus: Pu, Am, Cm ir Cf (Z = 94-96 ir 98), taip pat su maksimaliu neutronų kiekiu. Jie gaminami galinguose branduoliniuose reaktoriuose (Oak Ridge mieste, JAV ir Dimitrovgrade, Rusijoje), o vėliau praturtinami specialiuose įrenginiuose, masės separatoriuose Visos Rusijos Eksperimentinės fizikos tyrimų institute (Sarov). Elementų, kurių Z = 114 - 118, sintezei pasirinktos 48 Ca branduolių sintezės reakcijos su šių izotopų branduoliais.

Čia norėčiau padaryti šiek tiek nukrypimą.

Ne kiekviena laboratorija, net ir pirmaujantys branduoliniai centrai pasaulyje, turi tokių unikalių medžiagų ir tokiais kiekiais, kokius naudojame savo darbe. Bet jų gamybos technologijos buvo sukurtos mūsų šalyje ir jas kuria mūsų pramonė. Rusijos atominės energetikos ministras pasiūlė parengti naujų elementų sintezės darbų programą 5 metams ir skyrė specialią dotaciją šiems tyrimams atlikti. Kita vertus, dirbdami Jungtiniame branduolinių tyrimų institute plačiai bendradarbiaujame (ir konkuruojame) su pirmaujančiomis pasaulio laboratorijomis. Vykdydami supersunkių elementų sintezės tyrimus, daug metų glaudžiai bendradarbiaujame su Livermoro nacionaline laboratorija (JAV). Šis bendradarbiavimas ne tik sujungia mūsų pastangas, bet ir sukuria sąlygas, kuriomis eksperimentinius rezultatus apdoroja ir analizuoja nepriklausomai dvi grupės visuose eksperimento etapuose.
Per 5 darbo metus, ilgalaikio švitinimo metu, dozė apie 2 × 10 20 jonų (apie 16 miligramų 48 Ca, pagreitinta iki ~ 1/10 šviesos greičio, praėjo per tikslinius sluoksnius). Šiuose eksperimentuose buvo stebimas 112÷118 elementų (išskyrus 117 elementą) izotopų susidarymas ir gauti pirmieji rezultatai apie naujų supersunkių nuklidų skilimo savybes. Visų rezultatų pateikimas užimtų per daug vietos ir, kad skaitytojui nebūtų nuobodu, apsiribosime tik paskutinio 113 ir 115 elementų sintezės eksperimento aprašymu – visos kitos reakcijos buvo tiriamos panašiai. Tačiau prieš pradedant šią užduotį, patartina trumpai apibūdinti eksperimento sąranką ir paaiškinti pagrindinius mūsų įrenginio veikimo principus.

4. Eksperimento nustatymas

5 pav
Scheminis įrenginio, skirto atatrankos branduoliams atskirti sunkiųjų elementų sintezės eksperimentuose, vaizdas

Psichiškai visas detektoriaus paviršius gali būti pavaizduotas kaip apie 500 ląstelių (pikselių), kuriose aptinkamas skilimas. Tikimybė, kad du signalai atsitiktinai pateks į tą pačią vietą yra 1/500, trys signalai – 1/250000 ir t.t. Tai leidžia labai patikimai atrinkti iš daugybės radioaktyvių produktų labai retus genetiškai susijusius nuoseklius supersunkių branduolių skilimo įvykius, net jei jie susidaro itin mažais kiekiais (~1 atomas per mėnesį).

5. Eksperimento rezultatai

Norėdami parodyti instaliaciją „veikiant“, kaip pavyzdį plačiau aprašysime elemento 115 sintezės eksperimentus, susidariusius vykstant branduolių 243 Am(Z=95) + 48 Ca(Z=) sintezės reakcijai. 20) → 291 115.
Z nelyginio branduolio sintezė yra patraukli, nes nelyginio protono ar neutrono buvimas žymiai sumažina savaiminio dalijimosi tikimybę, o nuoseklių alfa perėjimų skaičius bus didesnis (ilgos grandinės) nei lyginio skilimo atveju. net branduoliai. Norint įveikti Kulono barjerą, 48 Ca jonų energija turi būti > 236 MeV. Kita vertus, įvykdžius šią sąlygą, jei spindulio energiją apribosime iki E = 248 MeV, tai junginio branduolio 291 115 šiluminė energija bus apie 39 MeV; jo aušinimas vyks išspinduliuojant 3 neutronus ir gama spindulius. Tada reakcijos produktas bus elemento, kurio neutronų skaičius N=173, izotopas 115. Išskridęs iš tikslinio sluoksnio, naujo elemento atomas praeis per separatorių, sukonfigūruotą jį perduoti ir pateks į detektorių. Tolesni įvykiai vystosi taip, kaip parodyta 6 pav. Praėjus 80 mikrosekundžių po atatrankos šerdies sustojimo priekiniame detektoriuje, duomenų rinkimo sistema gauna signalus apie jo atvykimo laiką, energiją ir koordinates (juostelės numerį ir vietą joje). Atminkite, kad ši informacija turi atributą „TOF“ (gauta iš skyriklio). Jei per 10 sekundžių iš tos pačios detektoriaus paviršiaus vietos atsiranda antras signalas, kurio energija yra didesnė nei 9,8 MeV, be „TOF“ ženklo (t. y. dėl implantuoto atomo skilimo), spindulys išjungiamas ir viskas toliau. skilimas registruojamas sąlygomis, kai beveik visiškai nėra fono. Kaip matyti viršutiniame 6 pav. grafike, už pirmųjų dviejų signalų – iš atatrankos branduolio ir pirmosios alfa dalelės – apie 20 s. išjungus spindulį, sekė dar 4 signalai, kurių padėtis ± 0,5 mm tikslumu sutapo su ankstesniais signalais. Per kitas 2,5 valandos detektorius tylėjo. Savaiminis dalijimasis toje pačioje juostoje ir toje pačioje padėtyje buvo užfiksuotas tik kitą dieną, po 28,7 valandos, dviejų signalų pavidalu iš dalijimosi fragmentų, kurių bendra energija buvo 206 MeV.
Tokios grandinės buvo registruojamos tris kartus. Visi jie turi vienodą išvaizdą (6 branduolių kartos radioaktyviojoje šeimoje) ir atitinka vienas kitą tiek alfa dalelių energija, tiek jų atsiradimo laiku, atsižvelgiant į eksponentinį branduolinio skilimo dėsnį. Jei pastebėtas poveikis, kaip ir tikėtasi, yra susijęs su 288 masės elemento 115 izotopo, susidarančio junginio branduolyje išgaravus 3 neutronams, skilimu, tada su 48 Ca jonų pluošto energijos padidėjimu tik 5 MeV, jis turėtų sumažėti 5-6 kartus. Iš tiesų, esant E = 253 MeV, jokio poveikio nebuvo. Bet čia buvo pastebėta kita, trumpesnė, skilimų grandinė, susidedanti iš keturių alfa dalelių (manome, kad jų taip pat buvo 5, bet paskutinė alfa dalelė išskrido pro atvirą langą), trunkanti vos 0,4 s. Nauja skilimo grandinė pasibaigė po 1,5 valandos savaiminiu skilimu. Akivaizdu, kad tai yra kito branduolio, greičiausiai gretimo 115-ojo elemento, kurio masė 287, skilimas, susidaręs sintezės reakcijoje, išskiriant 4 neutronus. Nelyginio-nelyginio izotopo Z=115, N=173 nuoseklaus skilimo grandinė pateikta 6 pav. apatiniame grafike, kuriame pavaizduoti supersunkių nuklidų, turinčių skirtingą protonų ir neutronų skaičių, skaičiuojamieji pusamžiai. kontūrinis žemėlapis. Taip pat rodomas kito, lengvesnio nelyginio 111-ojo elemento izotopo skilimas su neutronų skaičiumi N = 161, susintetintas reakcijoje 209 Bi+ 64 Ni Vokietijos laboratorijoje – GSI (Darmstadt), o paskui japonų – RIKEN ( Tokijas).

6 pav
Elemento 115 sintezės eksperimentas reakcijoje 48 Ca + 243 At.
Viršutiniame paveikslėlyje parodytas laikas, kada signalai pasirodo po atatrankos branduolio (R) implantavimo į detektorių. Signalai iš alfa dalelių registravimo žymimi raudonai, signalai iš savaiminio dalijimosi – žalia spalva. Pavyzdžiui, vienam iš trijų įvykių pateikiamos visų 7 signalų iš R → slopinimo grandinės padėties koordinatės (mm)α 1 → α 2 → α 3 → α 4 → α 5 → SF užfiksuota juostoje Nr. 4. Apatiniame paveikslėlyje pavaizduotos branduolių, kurių Z=111, N=161 ir Z=115, N=173, irimo grandinės. Kontūrinės linijos, nubrėžiančios skirtingo pusėjimo trukmės (skirtingo patamsėjimo laipsnio) branduolių sritis, yra mikroskopinės teorijos prognozės.

Visų pirma, reikia pažymėti, kad branduolinės pusinės eliminacijos laikas abiem atvejais gerai sutampa su teorinėmis prognozėmis. Nepaisant to, kad izotopą 288 115 iš neutronų apvalkalo N=184 pašalina 11 neutronų, 115 ir 113 elementų izotopų tarnavimo laikas yra gana ilgas (atitinkamai T 1/2 ~ 0,1 s ir 0,5 s).
Po penkių alfa skilimų susidaro elemento - dubniumo (Db) izotopas 105, kurio N = 163, kurio stabilumą lemia kitas uždaras apvalkalas N = 162. Šio apvalkalo galią demonstruoja didžiulis dviejų Db izotopų, vienas nuo kito besiskiriančių tik 8 neutronais, pusėjimo trukmės skirtumas. Dar kartą atkreipkime dėmesį, kad nesant struktūros (branduolinių apvalkalų), visi 105÷115 elementų izotopai turėtų savaime skilti per ~ 10 -19 s.

(cheminis eksperimentas)

Aukščiau aprašytame pavyzdyje ilgalaikio izotopo 268 Db, kuris užbaigia elemento 115 skilimo grandinę, savybės yra nepriklausomos.
Pagal periodinį įstatymą 105 elementas yra V eilutėje. Tai, kaip matyti 7 pav., yra cheminis niobio (Nb) ir tantalo (Ta) homologas ir cheminėmis savybėmis skiriasi nuo visų lengvesnių elementų – aktinidų (Z = 90÷103), atstovaujančių atskirą grupę D.I. Lentelė. Mendelejevas. Dėl ilgo pusinės eliminacijos periodo šis elemento 105 izotopas gali būti atskirtas nuo visų reakcijos produktų radiocheminis metodas po to matuojamas jo skilimas – savaiminis skilimas. Šis eksperimentas suteikia nepriklausomą galutinio branduolio (Z = 105) ir visų nuklidų, susidarančių 115 elemento alfa skilimo metu, atominį numerį.
Cheminiame eksperimente nereikia naudoti atatrankos branduolių separatoriaus. Reakcijos produktų atskyrimas pagal jų atominį skaičių atliekamas metodais, pagrįstais jų cheminių savybių skirtumais. Todėl čia buvo naudojama labiau supaprastinta technika. Iš taikinio išskridę reakcijos produktai buvo suvaromi į vario kolektorių, esantį palei jų judėjimo kelią iki 3-4 mikronų gylio. Po 20-30 valandų švitinimo kolekcija ištirpo. Iš tirpalo buvo išskirta dalis transaktinoidų – elementai Z > 104, o iš šios frakcijos – 5-osios serijos elementai – Db, kartu su jų cheminiais homologais Nb ir Ta. Pastarieji buvo pridėti kaip „žymekliai“ į tirpalą prieš cheminį atskyrimą. Tirpalo, kuriame yra Db, lašelis buvo nusodintas ant plono pagrindo, išdžiovintas ir dedamas tarp dviejų puslaidininkinių detektorių, kurie užfiksavo abu savaiminio dalijimosi fragmentus. Visas agregatas savo ruožtu buvo patalpintas į neutronų detektorių, kuris nustatė neutronų skaičių, kurį išskiria fragmentai dalijantis Db branduoliams.
2004 m. birželio mėn. buvo atlikta 12 identiškų eksperimentų (S. N. Dmitrijevas ir kiti), kuriuose užfiksuota 15 savaiminio Db dalijimosi įvykių. Savaiminio dalijimosi fragmentų Db kinetinė energija yra apie 235 MeV, o per kiekvieną dalijimosi įvykį išskiriama vidutiniškai apie 4 neutronus. Tokios savybės būdingos savaiminiam gana sunkaus branduolio skilimui. Prisiminkime, kad 238 U šios vertės yra atitinkamai maždaug 170 MeV ir 2 neutronai.
Cheminis eksperimentas patvirtina fizikinio eksperimento rezultatus: 115-ojo elemento branduoliai, susidarę reakcijoje 243 Am + 48 Ca dėl penkių iš eilės alfa skilimų: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 iš tikrųjų veda į susiformavo ilgaamžis savaime skilusis branduolys, kurio atominis skaičius 105. Šiuose eksperimentuose, kaip dukterinis elemento 115 alfa skilimo produktas, taip pat buvo susintetintas kitas, anksčiau nežinomas elementas, kurio atominis skaičius 113.

7 pav
Fizikiniai ir cheminiai eksperimentai 115-ojo elemento radioaktyviosioms savybėms tirti.
Reakcijoje 48 Ca + 243 At, naudojant fizinę sąranką, buvo parodyta, kad penkios iš eilės
izotopo 288 115 alfa skilimas lemia ilgaamžį 105-ojo elemento izotopą – 268 Db, kuris
spontaniškai skyla į dvi dalis. Cheminio eksperimento metu buvo nustatyta, kad branduolys, kurio atominis skaičius 105, vyksta savaiminiam skilimui.

6. Didysis paveikslas ir ateitis

Perspektyvos

Dabar užduotis yra išsamiau ištirti naujų elementų branduolinę ir atominę struktūrą, kuri yra labai problemiška, visų pirma dėl mažos norimų reakcijos produktų išeigos. Norint padidinti supersunkiųjų elementų atomų skaičių, būtina padidinti 48 Ca jonų pluošto intensyvumą ir padidinti fizikinių technikų efektyvumą. Ateinančiais metais planuojamas sunkiųjų jonų greitintuvo modernizavimas, panaudojant visus naujausius greitintuvų technologijos pasiekimus, leis jonų pluošto intensyvumą padidinti maždaug 5 kartus. Antrosios dalies sprendimas reikalauja radikalių eksperimentinės sąrankos pakeitimų; tai galima rasti kuriant naują eksperimentinę techniką, pagrįstą supersunkių elementų savybėmis.

8 pav
Sunkiųjų ir supersunkių elementų nuklidų žemėlapis.
Branduoliams ovalų viduje, atitinkantiems įvairias sintezės reakcijas (parodyta paveikslėlyje), pateikiami išskiriamų alfa dalelių pusinės eliminacijos laikas ir energijos (geltoni kvadratai). Duomenys pateikiami atskyrimo srities kontūriniame žemėlapyje, remiantis branduolinio apvalkalo poveikio indėliu į branduolio surišimo energiją. Jei branduolinės struktūros nebūtų, visas laukas būtų baltas. Kai jie tamsėja, lukštų poveikis didėja. Dvi gretimos zonos skiriasi tik 1 MeV. Tačiau to pakanka, kad žymiai padidėtų branduolių stabilumas, palyginti su savaiminiu dalijimusi, dėl ko nuklidai, esantys šalia „stebuklingo“ protonų ir neutronų skaičiaus, patiria daugiausia alfa skilimo. Kita vertus, 110 ir 112 elementų izotopuose neutronų skaičiaus padidėjimas 8 atominiais vienetais lemia, kad branduolių alfa skilimo periodai pailgėja daugiau nei 10 5 kartus.

Dabartinės instaliacijos - atatrankos branduolių kinematinis separatorius (5 pav.) veikimo principas pagrįstas skirtingų reakcijų tipų kinematinių charakteristikų skirtumu. Mus dominantys taikinių branduolių ir 48 Ca susiliejimo reakcijos produktai išskrenda iš taikinio į priekį, siauru kampiniu kūgiu ± 3 0, kurio kinetinė energija apie 40 MeV. Ribodami atatrankos branduolių trajektorijas, atsižvelgdami į šiuos parametrus, mes beveik visiškai sureguliuojame jonų pluoštą, 10 4 ÷ 10 6 koeficientu slopiname šalutinių reakcijos produktų foną ir į detektorių pristatome naujų elementų atomus. kurio efektyvumas yra maždaug 40% per 1 mikrosekundę. Kitaip tariant, reakcijos produktų atskyrimas vyksta „skraidydamas“.

8 pav. MASHA montavimas
Viršutiniame paveikslėlyje parodyta separatoriaus schema ir jo veikimo principas. Iš tikslinio sluoksnio išstumti atatrankos branduoliai sustabdomi grafito kolektoriuje kelių mikrometrų gylyje. Dėl aukštos kolektoriaus temperatūros jie difunduoja į jonų šaltinio kamerą, yra ištraukiami iš plazmos, pagreitinami elektrinio lauko ir, judėdami detektoriaus link, analizuojami pagal masę magnetiniais laukais. Šioje konstrukcijoje atomo masę galima nustatyti 1/3000 tikslumu. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas bendras diegimo vaizdas.

Tačiau norint išgauti didelį įrenginio selektyvumą, svarbu išsaugoti ir „neištepti“ kinematinių parametrų - atatrankos branduolių nukrypimo kampų ir energijos. Dėl šios priežasties būtina naudoti tikslinius sluoksnius, kurių storis ne didesnis kaip 0,3 mikrometro – maždaug tris kartus mažiau, nei reikia norint gauti efektyvų supersunkų tam tikros masės branduolį arba 5–6 kartus mažesnį, jei mes Kalbame apie dviejų tam tikro elemento izotopų, besiribojančių su masę, sintezę. Be to, norint gauti duomenis apie supersunkiojo elemento izotopų masės skaičius, būtina atlikti ilgą ir daug darbo reikalaujančią eksperimentų seriją – kartoti matavimus esant skirtingoms 48 Ca jonų pluošto energijoms.
Tuo pačiu metu, kaip matyti iš mūsų eksperimentų, susintetintų supersunkių elementų atomų pusinės eliminacijos laikas žymiai viršija kinematinės separatoriaus greitį. Todėl daugeliu atvejų nereikia atskirti reakcijos produktų per tokį trumpą laiką. Tada galima keisti įrengimo veikimo principą ir atskirti reakcijos produktus keliais etapais.
Naujo įrengimo schema parodyta 9 pav. Implantavus atatrankos branduolius į kolektorių, įkaitintą iki 2000 0 C temperatūros, atomai difunduoja į jonų šaltinio plazmą, plazmoje jonizuojasi iki krūvio q = 1 +, ištraukiami iš šaltinio elektriniu. specialaus profilio magnetiniuose laukuose atskiriami pagal masę ir galiausiai registruojami (pagal skilimo tipą) židinio plokštumoje esančiais detektoriais. Visa procedūra, remiantis skaičiavimais, gali užtrukti nuo dešimtųjų sekundės dalių iki kelių sekundžių, priklausomai nuo temperatūros sąlygų ir atskirtų atomų fizikinių ir cheminių savybių. Greitesnis už kinematinį separatorių, naujasis įrenginys yra MASHA (viso pavadinimo santrumpa Super sunkiųjų atomų masės analizatorius) - padidins veikimo efektyvumą maždaug 10 kartų ir kartu su skilimo savybėmis suteiks tiesioginį supersunkių branduolių masės matavimą.
Dėl dotacijos, kurią skyrė Maskvos srities gubernatorius B.V. Gromovas, norėdamas sukurti šią instaliaciją, buvo suprojektuotas ir pagamintas per trumpą laiką - per 2 metus, išlaikė bandymus ir yra paruoštas naudoti. Po akceleratoriaus rekonstrukcijos, sumontavus MASHA. Ženkliai išplėsime naujų nuklidų savybių tyrimus ir bandysime toliau žengti į sunkesnių elementų sritį.

(ieškokite itin sunkių elementų gamtoje)

Kita supersunkių elementų problemos pusė yra susijusi su ilgesnio gyvenimo nuklidų gamyba. Aukščiau aprašytais eksperimentais priartėjome tik prie „salos“ krašto, aptikome staigų pakilimą, bet dar toli nuo jos viršūnės, kur branduoliai gali gyventi tūkstančius, o gal net milijonus metų. Susintetintuose branduoliuose neturime pakankamai neutronų, kad galėtume priartėti prie N=184 apvalkalo. Šiandien tai nepasiekiama – nėra reakcijų, kurios leistų gauti tokius neutronų turinčius nuklidus. Galbūt tolimoje ateityje fizikai galės panaudoti intensyvius radioaktyviųjų jonų pluoštus, kurių neutronų skaičius bus didesnis nei 48 Ca branduoliuose. Tokie projektai dabar plačiai aptariami, kol kas neliečiant sąnaudų, reikalingų tokių spartėjančių gigantų sukūrimui.

Tačiau galite pabandyti pažvelgti į šią problemą kitu kampu.

Jei darysime prielaidą, kad ilgiausiai gyvenančių supersunkių branduolių pusinės eliminacijos laikas yra 10 5 ÷ 10 6 metai (nelabai prieštarauja teorijos prognozėms, kuri taip pat pateikia savo įverčius tam tikru tikslumu), tada gali būti, kad juos galima aptikti kosminiuose spinduliuose – elementų formavimosi kitose, jaunesnėse Visatos planetose, liudininkai. Jei darysime dar stipresnę prielaidą, kad „ilgaamžių“ pusinės eliminacijos laikas gali siekti dešimtis milijonų ar daugiau metų, tada jie galėtų būti Žemėje ir išgyventų labai mažais kiekiais nuo elementų susidarymo. Saulės sistema iki šių dienų.
Tarp galimų kandidatų pirmenybę teikiame 108 elemento (Hs) izotopams, kurių branduoliuose yra apie 180 neutronų. Cheminiai eksperimentai, atlikti su trumpaamžiu izotopu 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s), parodė, kad elementas 108, kaip ir tikėtasi, pagal periodinį dėsnį yra 76-ojo elemento – osmio (Os) – cheminis homologas.

10 pav
Įrenginys, skirtas registruoti neutronų pliūpsnį, atsirandantį dėl savaiminio branduolių dalijimosi 108 elemento skilimo metu. (Požeminė laboratorija Modane, Prancūzijoje)

Tada metalinio osmio mėginyje 108 elemento Eka(Os) gali būti labai mažais kiekiais. Eka(Os) buvimą osmyje galima nustatyti pagal jo radioaktyvų skilimą. Galbūt supersunkios ilgaamžės patirs savaiminį skilimą arba spontaniškas dalijimasis įvyks po ankstesnių lengvesnės ir trumpesnio gyvenimo dukters alfa ar beta skilimų (radioaktyviosios transformacijos rūšis, kai vienas iš branduolio neutronų virsta protonu). arba anūko branduolys. Todėl pirmajame etape galima atlikti eksperimentą, skirtą užregistruoti retus savaiminio osmio mėginio dalijimosi įvykius. Tokiam eksperimentui ruošiamasi. Matavimai prasidės šių metų pabaigoje ir tęsis 1-1,5 metų. Supersunkaus branduolio skilimas bus aptiktas neutronų sprogimu, lydinčiu savaiminį skilimą. Siekiant apsaugoti instaliaciją nuo kosminių spindulių sukuriamo neutroninio fono, matavimai bus atliekami požeminėje laboratorijoje, esančioje po Alpėmis tunelio, jungiančio Prancūziją su Italija, viduryje, gylyje, atitinkančioje 4000 metrų vandens sluoksnį. lygiavertis.
Jei per matavimų metus pastebimas bent vienas savaiminio supersunkaus branduolio dalijimosi įvykis, tai atitiks 108 elemento koncentraciją Os mėginyje maždaug 5 × 10 -15 g/g, darant prielaidą, kad jo pusinės eliminacijos laikas yra 10 9 metai. Tokia maža reikšmė sudaro tik 10–16 urano koncentracijos žemės plutoje.
Nepaisant itin didelio eksperimento jautrumo, tikimybė aptikti reliktinius, itin sunkius nuklidus yra maža. Tačiau bet kokia mokslinė paieška visada turi mažą šansą... Poveikio nebuvimas duos viršutinę šimtamečio pusinės eliminacijos periodo ribą T 1/2 lygyje. ≤ 3× 107 metai. Ne toks įspūdingas, bet svarbus norint suprasti branduolių savybes naujame supersunkių elementų stabilumo regione.

AR YRA RIBA?
PERIODINĖ LENTELĖ
D.I.MENDELEJEVAS?

NAUJŲ ELEMENTŲ ATRASTI

P Cheminių elementų sisteminimo problema didelio dėmesio sulaukė XIX amžiaus viduryje, kai paaiškėjo, kad mus supančių medžiagų įvairovė yra skirtingų santykinai nedidelio skaičiaus cheminių elementų derinių rezultatas.

Elementų ir jų junginių chaose didysis rusų chemikas D.I.Mendelejevas pirmasis atkūrė tvarką, sukūręs savo periodinę elementų lentelę.

1869 m. kovo 1 d. laikoma periodinio įstatymo atradimo diena, kai Mendelejevas paskelbė jį mokslo bendruomenei. Mokslininkas 63 tuo metu žinomus elementus savo lentelėje išdėstė taip, kad didėjant atominei masei periodiškai keitėsi pagrindinės šių elementų ir jų junginių savybės. Stebėti elementų savybių pokyčiai horizontalia ir vertikalia lentelės kryptimis atitiko griežtas taisykles. Pavyzdžiui, metalinis (pagrindinis) požymis, aiškiai išreikštas Ia grupės elementuose, mažėjo didėjant atominei masei išilgai horizontalios lentelės ir padidėjo vertikaliai.

Remdamasis atrastu dėsniu, Mendelejevas numatė kelių dar neatrastų elementų savybes ir jų vietą periodinėje lentelėje. Jau 1875 m. buvo atrastas „ekaaliuminis“ (galis), po ketverių metų - „ekabor“ (skandis), o 1886 m. - „ekasilicon“ (germanis). Vėlesniais metais periodinė lentelė tarnavo ir tebeveikia kaip vadovas ieškant naujų elementų ir numatant jų savybes.

Tačiau nei pats Mendelejevas, nei jo amžininkai negalėjo atsakyti į klausimą, kokios yra elementų savybių periodiškumo priežastys, ar ir kur egzistuoja periodinės sistemos riba.

Tik praėjus daugeliui metų po periodinės cheminių elementų sistemos sukūrimo, sudėtinga atomo sandara buvo įrodyta E. Rutherfordo, N. Bohro ir kitų mokslininkų darbuose. Vėlesni atominės fizikos pasiekimai leido išspręsti daugybę neaiškių cheminių elementų periodinės lentelės problemų. Visų pirma paaiškėjo, kad elemento vietą periodinėje lentelėje lemia ne atominė masė, o branduolio krūvis.

Paaiškėjo elementų ir jų junginių cheminių savybių periodiškumo pobūdis.

Į atomą imta žiūrėti kaip į sistemą, kurios centre yra teigiamai įkrautas branduolys, o aplink jį sukasi neigiamo krūvio elektronai. Šiuo atveju elektronai grupuojami peribranduolinėje erdvėje ir juda tam tikromis orbitomis, patenkančiomis į elektronų apvalkalus. Visi atomo elektronai paprastai žymimi skaičiais ir raidėmis. Pagal šį žymėjimą pagrindiniai kvantiniai skaičiai 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 reiškia elektronų apvalkalus, o raidės, s, p, d, f g Visi atomo elektronai paprastai žymimi skaičiais ir raidėmis. Pagal šį žymėjimą pagrindiniai kvantiniai skaičiai 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 reiškia elektronų apvalkalus, o raidės– į kiekvieno apvalkalo pokerius (orbitas). Visi atomo elektronai paprastai žymimi skaičiais ir raidėmis. Pagal šį žymėjimą pagrindiniai kvantiniai skaičiai 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 reiškia elektronų apvalkalus, o raidės Pirmasis apvalkalas (skaičiuojant nuo šerdies) turi tik s-elektronai, antrasis gali turėti Visi atomo elektronai paprastai žymimi skaičiais ir raidėmis. Pagal šį žymėjimą pagrindiniai kvantiniai skaičiai 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 reiškia elektronų apvalkalus, o raidės-, s Pirmasis apvalkalas (skaičiuojant nuo šerdies) turi tik p- Ir Visi atomo elektronai paprastai žymimi skaičiais ir raidėmis. Pagal šį žymėjimą pagrindiniai kvantiniai skaičiai 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 reiškia elektronų apvalkalus, o raidės-,
s-, p Pirmasis apvalkalas (skaičiuojant nuo šerdies) turi tik d- elektronai, trečia -

-elektronai, ketvirta -

- elektronai ir kt. Kiekviename apvalkale gali tilpti labai konkretus elektronų skaičius: pirmasis - 2, antrasis - 8, trečias - 18, ketvirtas ir penktas - po 32 Tai lemia elementų skaičių periodinės lentelės perioduose. Elementų chemines savybes lemia atomų išorinio ir priešišorinio elektroninio apvalkalo sandara, t.y. kiek juose yra elektronų. Atomo branduolys susideda iš teigiamai įkrautų dalelių – protonų ir elektriškai neutralių dalelių – neutronų, dažnai vadinamų vienu žodžiu – nukleonais. Elemento atominis skaičius (jo vieta periodinėje lentelėje) nustatomas pagal protonų skaičių tam tikro elemento atomo branduolyje. Masinis skaičius A elemento atomas yra lygus protonų skaičių sumai Z ir neutronai = Masinis skaičius + elemento atomas yra lygus protonų skaičių sumai N

To paties elemento skirtingų izotopų cheminės savybės nesiskiria viena nuo kitos, tačiau branduolinės savybės labai skiriasi. Tai pirmiausia pasireiškia izotopų stabilumu (arba nestabilumu), kuris labai priklauso nuo protonų ir neutronų skaičiaus santykio branduolyje. Šviesai stabiliems elementų izotopams paprastai būdingas vienodas protonų ir neutronų skaičius. Didėjant branduoliniam krūviui, t.y. elemento serijos numeriui lentelėje, šis santykis keičiasi. Stabiliuose sunkiuosiuose branduoliuose neutronų yra beveik pusantro karto daugiau nei protonų.

Kaip ir atominiai elektronai, nukleonai taip pat sudaro apvalkalus. Didėjant dalelių skaičiui branduolyje, protonų ir neutronų apvalkalai iš eilės užpildomi. Branduoliai su visiškai užpildytais apvalkalais yra stabiliausi. Pavyzdžiui, labai stabiliai branduolinei struktūrai būdingas švino izotopas Pb-208, kuris užpildė protonų apvalkalus ( Masinis skaičius= 82) ir neutronai ( elemento atomas yra lygus protonų skaičių sumai = 126).

Tokie užpildyti branduoliniai apvalkalai yra panašūs į užpildytus tauriųjų dujų atomų elektronų apvalkalus, kurie periodinėje lentelėje yra atskira grupė. Stabiliuose atomų branduoliuose su visiškai užpildytais protonų ar neutronų apvalkalais yra tam tikri „stebuklingai“ protonų arba neutronų skaičiai: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 184. Taigi elementų atomai apskritai, taip pat cheminėms savybėms būdingas ir branduolinių savybių periodiškumas. Tarp skirtingų protonų ir neutronų skaičiaus izotopų branduoliuose derinių (lyginis-lyginis; lyginis-nelyginis; nelyginis-lyginis; nelyginis-nelyginis) tai yra branduoliai, kuriuose yra lyginis protonų skaičius ir lyginis neutronų skaičius. kurios pasižymi didžiausiu stabilumu.

Protonus ir neutronus branduolyje laikančių jėgų prigimtis dar nėra pakankamai aiški. Manoma, kad tarp nukleonų veikia labai stiprios gravitacinės traukos jėgos, kurios prisideda prie branduolių stabilumo didinimo.

KAM Praėjusio amžiaus trečiojo dešimtmečio viduryje periodinė lentelė buvo taip išvystyta, kad rodė 92 elementų padėtį. Serijos numeris 92 buvo uranas – paskutinis natūralus sunkusis elementas, rastas Žemėje 1789 m.

Iš 92 lentelės elementų trečiajame dešimtmetyje nebuvo tiksliai identifikuoti tik tie elementai, kurių eilės numeriai yra 43, 61, 85 ir 87. Jie buvo atrasti ir ištirti vėliau. Retųjų žemių elementas, kurio atominis numeris 61, prometis, nedideliais kiekiais buvo rastas rūdose kaip savaiminio urano skilimo produktas. Išanalizavus trūkstamų elementų atominius branduolius, paaiškėjo, kad jie visi yra radioaktyvūs, o dėl trumpo pusėjimo trukmės Žemėje negali egzistuoti pastebima koncentracija.

Atsižvelgiant į tai, kad paskutinis sunkusis elementas, rastas Žemėje, buvo elementas, kurio atominis skaičius yra 92, galima manyti, kad tai yra natūrali periodinės lentelės riba. Tačiau atominės fizikos pasiekimai nurodė kelią, kuriuo, kaip paaiškėjo, galima peržengti gamtos nustatytos periodinės lentelės ribą. Elementai su b O

atominiai skaičiai, didesni už urano, vadinami transuranu.

Šie elementai yra dirbtinės (sintetinės) kilmės. Jie gaunami gamtoje randamų elementų branduolinės transformacijos reakcijose.

Pirmąjį bandymą, nors ir ne visiškai sėkmingą, atrasti periodinės lentelės transurano sritį atliko italų fizikas Enrico Fermi Romoje netrukus po to, kai buvo įrodytas neutronų egzistavimas. Tačiau tik 1940–1941 m.

Priešinga reakcija yra protono pavertimas neutronu, išspinduliuojant teigiamai įkrautą + dalelę (pozitroną). Toks pozitronų skilimas (+ skilimas) stebimas, kai branduoliuose trūksta neutronų ir dėl to sumažėja branduolio krūvis, t.y. sumažinti elemento atominį skaičių vienu. Panašus efektas pasiekiamas, kai protonas paverčiamas neutronu, užfiksuojant netoliese esantį orbitos elektroną.

Nauji transurano elementai pirmiausia buvo gauti iš urano neutronų sintezės būdu branduoliniuose reaktoriuose (kaip branduolinių bombų sprogimo produktai), o vėliau susintetinti naudojant dalelių greitintuvus – ciklotronus.

Antrasis tipas yra reakcija tarp pradinio elemento ("taikinio") atomų branduolių ir lengvųjų elementų (vandenilio, helio, azoto, deguonies ir kitų izotopų), naudojamų kaip bombarduojančios dalelės, branduolių. „Taikinio“ ir „sviedinio“ branduoliuose esantys protonai turi teigiamą elektros krūvį ir, artėdami vienas prie kito, patiria stiprų atstūmimą. Norint įveikti atstumiančias jėgas ir suformuoti sudėtinį branduolį, būtina „sviedinio“ atomus aprūpinti labai didele kinetine energija.

Tokia milžiniška energija kaupiama ciklotronuose bombarduojant daleles. Susidaręs tarpinis junginio branduolys turi gana daug energijos pertekliaus, kurią reikia išleisti, kad stabilizuotųsi naujasis branduolys. Sunkiųjų transurano elementų atveju šis energijos perteklius, kai nevyksta branduolio dalijimasis, išsklaido spindulius (didelės energijos elektromagnetinę spinduliuotę) ir neutronų „išgaravimą“ iš sužadintų branduolių. Naujojo elemento atomų branduoliai yra radioaktyvūs. Jie siekia didesnio stabilumo, keisdami vidinę struktūrą radioaktyvaus elektronų skilimo ar skilimo ir savaiminio dalijimosi būdu. Tokios branduolinės reakcijos būdingos sunkiausiems elementų atomams, kurių atominis skaičius didesnis nei 98.

Dėl šio fakto iškilus amerikiečių mokslininkas G. T. Seaborgas, Nobelio premijos laureatas, dalyvavęs atrandant devynis transurano elementus, manė, kad naujų elementų atradimas greičiausiai baigsis aplink elementą, kurio atominis skaičius yra 110 (savybėmis panašus į platiną. ). Ši mintis apie periodinės lentelės ribą buvo išreikšta praėjusio amžiaus 60-aisiais su išlyga: nebent bus atrasti nauji elementų sintezės metodai ir dar nežinomų sunkiausių elementų stabilumo regionų egzistavimas. Kai kurios iš šių galimybių buvo nustatytos.

Trečias branduolinių reakcijų tipas, skirtas naujų elementų sintezei, yra reakcija tarp didelės energijos jonų, kurių vidutinė atominė masė (kalcio, titano, chromo, nikelio), kaip bombarduojančių dalelių, ir stabilių elementų (švino, bismuto) atomų. taikinys“ vietoj sunkiųjų radioaktyvių izotopų. Tokį sunkesnių elementų gavimo būdą 1973 metais pasiūlė mūsų mokslininkas Yu.Ts. iš JINR ir buvo sėkmingai naudojamas kitose šalyse. Pagrindinis siūlomo sintezės metodo privalumas buvo mažiau „karštų“ junginių branduolių susidarymas susiliejus „sviediniams“ ir „taikiniams“. Šiuo atveju junginių branduolių energijos perteklius išsiskyrė „išgaravus“ žymiai mažesniam neutronų skaičiui (vienam ar dviem vietoj keturių ar penkių).

Neįprasta branduolinė reakcija tarp reto izotopo Ca-48 jonų, pagreitinta ciklotrone
1979 m. Dubnoje buvo aptiktas U-400, o aktinido elemento curium Cm-248 atomai, susidarant elementui-114 („eca-lead“). Nustatyta, kad šios reakcijos metu susidaro „šaltas“ branduolys, kuris „neišgarina“ nei vieno neutrono, o visą energijos perteklių nuneša viena dalelė. Tai reiškia, kad naujų elementų sintezei tai taip pat gali būti įgyvendinta ketvirtasis tipas branduolinės reakcijos tarp pagreitintų atomų, turinčių vidutinį masės skaičių, jonų ir sunkiųjų transuraninių elementų atomų.

IN Kuriant periodinės cheminių elementų sistemos teoriją, didelį vaidmenį suvaidino lantanidų, kurių eilės numeriai 58–71 ir aktinidų, kurių eilės numeriai 90–103, cheminių savybių ir struktūros palyginimas. Buvo parodyta, kad lantanidų ir aktinidų cheminių savybių panašumas yra dėl jų elektroninių struktūrų panašumo. Abi elementų grupės yra vidinės pereinamosios eilutės su nuosekliu užpildymu 4 pavyzdys d- arba 5 d-elektroniniai apvalkalai, atitinkamai, užpildžius išorinį Visi atomo elektronai paprastai žymimi skaičiais ir raidėmis. Pagal šį žymėjimą pagrindiniai kvantiniai skaičiai 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 reiškia elektronų apvalkalus, o raidės Pirmasis apvalkalas (skaičiuojant nuo šerdies) turi tik r- elektroninės orbitos.

Elementai, kurių periodinės lentelės numeriai yra 110 ir didesni, buvo vadinami supersunkiais. Šių elementų atradimo pažanga darosi vis sunkesnė ir užima daug laiko, nes... Neužtenka susintetinti naują elementą, reikia jį identifikuoti ir įrodyti, kad naujas elementas turi tik jam būdingų savybių. Sunkumų kyla dėl to, kad naujų elementų savybėms tirti yra nedidelis atomų skaičius. Laikas, per kurį galima ištirti naują elementą prieš radioaktyvųjį skilimą, paprastai yra labai trumpas. Tokiais atvejais, net ir gavus tik vieną naujo elemento atomą, jo aptikimui ir išankstiniam kai kurių charakteristikų ištyrimui naudojamas radioaktyviųjų atsekamųjų medžiagų metodas.

109 elementas, meitnerium, yra paskutinis periodinės lentelės elementas, pateiktas daugumoje chemijos vadovėlių. Elementas 110, priklausantis tai pačiai periodinės lentelės grupei kaip ir platina, pirmą kartą buvo susintetintas Darmštate (Vokietija) 1994 m., naudojant galingą sunkiųjų jonų greitintuvą pagal reakciją:

Gauto izotopo pusinės eliminacijos laikas yra labai trumpas. 2003 m. rugpjūčio mėn. 42-oji IUPAC Generalinė asamblėja ir IUPAC (Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga) taryba oficialiai patvirtino elemento-110 pavadinimą ir simbolį: darmstadtium, Ds.

Ten, Darmštate, 1994 m., elementas-111 pirmą kartą buvo gautas veikiant 64 28 Ni izotopų jonų pluoštą į 209 83 Bi atomus kaip „taikinį“. Savo sprendimu 2004 m. IUPAC pripažino atradimą ir patvirtino pasiūlymą pavadinti elementą-111 roentgenium, Rg, garbei iškilaus vokiečių fiziko W. K. Rentgeno, kuris atrado X

-spinduliai, kuriems jis davė tokį pavadinimą dėl jų prigimties neapibrėžtumo.

Remiantis informacija, gauta iš JINR, pavadintoje Branduolinių reakcijų laboratorijoje. G.N. Flerovas susintetino elementus su serijos numeriais 110–118 (išskyrus elementą-117).

Dėl sintezės pagal reakciją:

2004 m. vasario mėn. prestižiniuose mokslo žurnaluose pasirodė pranešimai apie tai, kad JINR mūsų mokslininkai kartu su amerikiečių mokslininkais iš Lawrence Berkeley nacionalinės laboratorijos (JAV) atrado du naujus elementus, kurių numeriai yra 115 ir 113. Ši mokslininkų grupė eksperimentuose, atliktuose m. 2003 m. liepos mėn. – 2003 m. rugpjūčio mėn. U-400 ciklotrone su dujomis užpildytu separatoriumi, vykstant reakcijai tarp Am-243 atomų ir Ca-48 izotopų jonų, 1 atomas elemento-115 izotopo, kurio masės skaičius yra 287 ir 3 buvo susintetinti atomai, kurių masės skaičius buvo 288. Visi keturi elemento -115 atomai greitai suskyla, išskirdami -daleles ir susidarė elemento-113 izotopai, kurių masės skaičiai 282 ir 284. Stabiliausio izotopo 284113 pusinės eliminacijos laikas buvo apie 284. 0,48 s. Jis subyrėjo išskirdamas -daleles ir virto rentgeno izotopu 280 Rg.

2004 m. rugsėjį japonų mokslininkų grupė iš Fizikinių ir cheminių tyrimų instituto, vadovaujama Kosuki Morita (Kosuke Morita) teigė, kad jie susintetino elementą-113 pagal reakciją:

Kai jis suyra, išsiskiriant dalelėms, gaunamas rentgeno izotopas 274 Rg. Kadangi tai pirmasis dirbtinis elementas, kurį gavo japonų mokslininkai, jie manė, kad turi teisę pasiūlyti jį pavadinti „Japonija“.

Neįprasta elemento 114 izotopo, kurio masės numeris 288, sintezė iš kuriumo jau buvo pažymėta aukščiau. 1999 m. pasirodė pranešimas apie to paties elemento-114 izotopo gamybą JINR, bombarduojant plutonio atomus, kurių masės skaičius yra 244, Ca-48 jonais.

Taip pat buvo paskelbta, kad elementai, kurių serijos numeriai 118 ir 116, buvo aptikti atlikus ilgalaikius bendrus Kalifornijos izotopų Cf-249 ir ​​Kurio izotopo Cm-245 branduolinių reakcijų tyrimus su sunkiųjų jonų Ca-48 pluoštu. Rusijos ir Amerikos mokslininkai 2002–2005 m. JINR. Elementas-118 uždaro 7-ąjį periodinės lentelės periodą savo savybėmis yra tauriųjų dujų radono analogas. Elementas-116 turėtų turėti tam tikrų savybių, panašių į polonį.

Tradiciškai naujų cheminių elementų atradimas ir jų identifikavimas turi būti patvirtintas IUPAC sprendimu, tačiau teisė siūlyti elementų pavadinimus paliekama atradėjams. Periodinėje lentelėje, kaip ir Žemės žemėlapyje, atsispindėjo teritorijų, šalių, miestų ir mokslo centrų, kuriuose buvo atrasti ir tyrinėjami elementai bei jų junginiai, pavadinimai, įamžinti žymių mokslininkų, prisidėjusių prie periodikos raidos, vardai. cheminių elementų sistema. Ir neatsitiktinai elementas-101 pavadintas D. I. Mendelejevo vardu.

Norint atsakyti į klausimą, kur gali būti periodinės lentelės riba, vienu metu buvo įvertintos elektrostatinės atomų vidinių elektronų traukos į teigiamai įkrautą branduolį jėgos. Kuo didesnis elemento atominis skaičius, tuo labiau suspaudžiamas aplink branduolį esantis elektronų „sluoksnis“, tuo stipriau vidiniai elektronai pritraukiami prie branduolio.

Turi ateiti momentas, kai elektronus pradės gaudyti branduolys. Dėl šio branduolinio krūvio gaudymo ir sumažinimo labai sunkių elementų egzistavimas tampa neįmanomas.

Panaši katastrofiška situacija turėtų susidaryti, kai elemento serijos numeris yra 170–180.

Ši hipotezė buvo paneigta ir parodyta, kad labai sunkių elementų egzistavimui nėra jokių apribojimų, žiūrint į idėjas apie elektroninių apvalkalų struktūrą. Apribojimai atsiranda dėl pačių branduolių nestabilumo.

Taip pat yra apribojimų, susijusių su atominių branduolių egzistavimu iš supersunkių elementų. Elementų, kurių Z > 92, natūraliomis sąlygomis nerasta. Skaičiavimai naudojant skysčio lašelių modelį numato dalijimosi barjero išnykimą branduoliams, kurių Z2/A ≈ 46 (apytiksliai 112 elementas). Supersunkių branduolių sintezės problemoje reikėtų išskirti dvi klausimų sritis.

1. Kokias savybes turėtų turėti itin sunkūs branduoliai? Ar šiame Z ir N regione bus stebuklingų skaičių. Kokie yra pagrindiniai supersunkių branduolių skilimo kanalai ir pusinės eliminacijos laikas?
2. Kokiomis reakcijomis reikia susintetinti supersunkius branduolius, bombarduojančių branduolių tipus, numatomas skerspjūvio vertes, numatomas junginio branduolio sužadinimo energijas ir sužadinimo kanalus?

Kadangi supersunkūs branduoliai susidaro dėl visiško tikslinio branduolio ir krintančios dalelės susiliejimo, būtina sukurti teorinius modelius, apibūdinančius dviejų susidūrusių branduolių susiliejimo į sudėtinį branduolį proceso dinamiką.
Supersunkių elementų sintezės problema yra glaudžiai susijusi su tuo, kad branduoliai, kurių Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (stebuklingi skaičiai), turi padidintą stabilumą įvairių radioaktyvaus skilimo būdų atžvilgiu. Šis reiškinys paaiškinamas apvalkalo modelio rėmuose - stebuklingi skaičiai atitinka užpildytus apvalkalus. Natūralu, kad kyla klausimas dėl šių magiškų skaičių Z ir N egzistavimo. Jei jie egzistuoja atomų branduolių N-Z diagramos srityje N > 150, Z > 101, reikėtų stebėti supersunkius branduolius, kurių pusinės eliminacijos laikas yra ilgesnis, t.y. turi būti Stabilumo sala. Darbe, remiantis skaičiavimais, atliktais naudojant Woods-Saxon potencialą, atsižvelgiant į sukimosi ir orbitos sąveiką, buvo parodyta, kad branduolių stabilumo padidėjimas turėtų būti tikėtinas branduoliui, kurio Z = 114, tai yra užpildytas protonų apvalkalas atitinka Z = 114, užpildytas neutronų apvalkalas atitinka skaičių N ~ 184. Uždaryti apvalkalai gali žymiai padidinti skilimo barjero aukštį ir atitinkamai pailginti branduolio tarnavimo laiką. Taigi, šiame branduolių regione (Z = 114, N ~ 184) turėtumėte ieškoti Stabilumo salos. Tas pats rezultatas buvo gautas savarankiškai.
Branduoliai, kurių Z = 101–109, buvo atrasti iki 1986 m. ir buvo pavadinti: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgium), 107). - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium) Atsižvelgiant į Dubnos tyrinėtojų nuopelnus atrandant daugybę sunkiųjų elementų izotopų (102-105), 1997 m. Grynosios ir taikomosios chemijos visuotinės asamblėjos sprendimu elementui su Z = 105 buvo suteiktas pavadinimas Dubnium (Db) Šis elementas anksčiau buvo vadinamas Ha (Hannium).

Ryžiai. 12.3. Izotopų Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112) skilimo grandinės.

Naujas supersunkių branduolių tyrimo etapas prasidėjo 1994 m., kai žymiai padidintas registravimo efektyvumas ir patobulinta supersunkių branduolių stebėjimo technika. Dėl to buvo atrasti izotopai Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) ir Cn (Z = 112).
Norint gauti itin sunkius branduolius, buvo naudojami pagreitinti 50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn ir 82 Se pluoštai. Izotopai 208 Pb ir 209 Bi buvo naudojami kaip taikiniai. vardu pavadintoje Branduolinių reakcijų laboratorijoje buvo susintetinti įvairūs 110 elemento izotopai. G.N. Flerovas naudojant reakciją 244 Pu(34 S,5n) 272 110 ir GSI (Darmstadt) reakcijoje 208 Pb(62 Ni,n) 269 110. Izotopai 269 Ds, 271 Ds, 272 Rg ir 277 Cn prie jų irimo grandinių (12.3 pav.).
Didelį vaidmenį supersunkių elementų gamyboje atlieka teoriniai modeliai, kurių pagalba apskaičiuojamos numatomos cheminių elementų charakteristikos ir reakcijos, kuriose jie gali susidaryti.
Remiantis įvairiais teoriniais modeliais, buvo apskaičiuotos supersunkių branduolių skilimo charakteristikos. Vieno tokio skaičiavimo rezultatai parodyti fig. 12.4. Net ir net labai sunkių branduolių pusinės eliminacijos laikas nurodomas atsižvelgiant į savaiminį skilimą (a), α-skilimą (b), β-skilimą (c) ir visus galimus skilimo procesus (d). Stabiliausias branduolys savaiminio dalijimosi atžvilgiu (12.4a pav.) yra branduolys, kurio Z = 114 ir N = 184. Jo pusėjimo trukmė savaiminio dalijimosi atžvilgiu yra ~10 16 metų. Elemento 114 izotopų, kurie nuo stabiliausio skiriasi 6-8 neutronais, pusinės eliminacijos laikas sumažėja
10-15 eilučių. Pusinės eliminacijos laikas, palyginti su α-skilimu, parodytas Fig. 12.5b. Stabiliausias branduolys yra regione Z = 114 ir N = 184 (T 1/2 = 10 15 metų).
Branduoliai, stabilūs β skilimo atžvilgiu, parodyti Fig. 12,4 V su tamsiais taškais. Fig. 12.4d paveiksle parodytas bendrasis pusinės eliminacijos laikas, kuris lygiems ir lygiems branduoliams, esantiems centrinio kontūro viduje, 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 yra palyginti su
α-skilimas ir savaiminis dalijimasis didėja, o β-skilimo atžvilgiu mažėja. 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.

Ryžiai. 12.4. Pusinės eliminacijos laikas, apskaičiuotas net ir net labai sunkiems branduoliams (skaičiai rodo pusinės eliminacijos periodus metais):
a – dėl savaiminio dalijimosi, b – α skilimo, c – elektroninio gaudymo ir β skilimo, d – visiems skilimo procesams

Kito supersunkių branduolių pusiausvyros formos ir jų pusėjimo trukmės skaičiavimo rezultatai parodyti Fig. 12.5, 12.6. Fig. 12.5 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 (12.5 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. 12.6. Remiantis šiomis prognozėmis, daugumos branduolių pusinės eliminacijos laikas yra daug ilgesnis nei jau atrastų supersunkių branduolių (0,1–1 ms). Pavyzdžiui, 292 Ds branduolio gyvenimo trukmė 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 Z = 112 Cn (kopernicis) izotopas buvo izotopas 277 Cn, pusinės eliminacijos laikas yra 0,24 ms. Sunkesnis izotopas 283 Cn susintetino šaltosios sintezės reakcijoje 48 Ca + 238 U. Švitinimo laikas buvo 25 dienos. Bendras 48 Ca jonų skaičius taikinyje yra 3,5 · 10 18. Buvo užfiksuoti du atvejai, kurie buvo interpretuoti kaip savaiminis susidariusio izotopo 283 Cn skilimas. Apskaičiuotas šio naujo izotopo pusinės eliminacijos laikas yra T 1/2 = 81 s. Taigi akivaizdu, kad neutronų skaičiaus padidėjimas 283 Cn izotope, palyginti su 277 Cn izotopu, 6 vienetais padidina tarnavimo laiką 5 dydžiais.
Fig. 12.7 paimti iš darbo, eksperimentiškai išmatuoti α skilimo periodai lyginami su teorinių skaičiavimų rezultatais remiantis skysčio lašo modeliu neatsižvelgiant į branduolių apvalkalo struktūrą. Matyti, kad visų sunkiųjų branduolių, išskyrus lengvuosius urano izotopus, apvalkalo poveikis daugumos branduolių pusinės eliminacijos periodą padidina 2–5 eilėmis. Branduolio apvalkalo struktūra turi dar didesnę įtaką santykinai savaiminio dalijimosi pusamžiams. Pu izotopų pusinės eliminacijos laikas pailgėja keliomis eilėmis ir padidėja 260 Sg izotopų.

Ryžiai. 12.7. Eksperimentiškai išmatuotas (● exp) ir teoriškai apskaičiuotas (○ Y) transurano elementų pusinės eliminacijos laikas, remiantis skysčio lašo modeliu, neatsižvelgiant į branduolio apvalkalo struktūrą. Viršutiniame paveikslėlyje parodytas α skilimo pusinės eliminacijos laikas, o apatiniame paveikslėlyje – savaiminio dalijimosi pusinės eliminacijos laikas.

Fig. 12.8 paveiksle parodyta išmatuota seaborgio izotopų Sg gyvavimo trukmė (Z = 106), 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 Hs ir 267 Sg branduolių α skilimą. Numatomas šių branduolių pusinės eliminacijos laikas 1 min. ir 1 val. Branduoliams 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271 273 Ds tikimasi izomerijos, kurios priežastis yra posluoksnių užpildymas j = 1/2 ir j = 13/2 srityje N = 162 branduoliams, deformuotiems pagrindo būsena.

Fig. 12.9 paveiksle pavaizduotos eksperimentiškai išmatuotos elementų Rf (Z = 104) ir Hs (Z = 108) susidarymo 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 yra 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.

12.10 pav. 64 Ni ir 208 Pb sintezės potencialų diagrama.

Ypatingą susidomėjimą kelia sintezės reakcijos, išmetančios minimalų neutronų skaičių (1–2), nes susintetintuose supersunkiuose branduoliuose pageidautina turėti kuo didesnį N/Z santykį. Fig. 12.10 paveiksle parodytas branduolių sintezės potencialas reakcijoje 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds. Paprasčiausi įverčiai rodo, kad branduolių sintezės tunelio efekto tikimybė yra ~10–21, o tai yra žymiai mažesnė už stebėtą skerspjūvio vertę. 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 elementų Z = 102–112 susidarymo skerspjūvį šaltosios sintezės reakcijose.
Taigi transurano elementų Z = 107–112 sintezės pažanga buvo susijusi su šaltosios sintezės reakcijų „atradimu“, kurių metu magiškieji izotopai 208 Pb ir 209 Bi buvo apšvitinti jonais, kurių Z = 22–30. Šaltosios sintezės reakcijoje susidaręs branduolys dėl vieno neutrono emisijos silpnai įkaista ir atvėsta. Taip pirmą kartą buvo gauti cheminių elementų, kurių Z = 107–112, izotopai. Šie cheminiai elementai buvo gauti 1978–1998 m. Vokietijoje specialiai pastatytame akceleratoriuje GSI tyrimų centre Darmštate. Tačiau tolesnė pažanga į sunkesnius branduolius naudojant šį metodą yra sudėtinga dėl padidėjusio potencialo barjero tarp susidūrusių branduolių. Todėl Dubnoje buvo įdiegtas kitas supersunkių branduolių gamybos būdas. Naudoti sunkiausi dirbtinai gautų cheminių elementų izotopai plutonis Pu (Z = 94), americis Am (Z = 95), kuriumas Cm (Z = 96), berkelis Bk (Z = 97) ir kalifornis Cf (Z = 98). kaip taikiniai. Pagreitintais jonais pasirinktas kalcio izotopas 48 Ca (Z = 20). Scheminis atatrankos branduolių separatoriaus ir detektoriaus vaizdas parodytas Fig. 12.11.

Ryžiai. 12.11. Scheminis atatrankos branduolių separatoriaus vaizdas, kuriame Dubnoje atliekami supersunkių elementų sintezės eksperimentai.

Atatrankos branduolių magnetinis separatorius sumažina reakcijos šalutinių produktų foną 10 5 – 10 7 kartus. Reakcijos produktai buvo užregistruoti naudojant padėties jautrų silicio detektorių. Buvo išmatuota atatrankos branduolių energija, koordinatės ir skrydžio laikas. Po sustojimo visi paskesni signalai iš aptiktų skilimo dalelių turi ateiti iš implantuoto branduolio sustojimo taško. Sukurta technika leido labai patikimai (≈ 100%) nustatyti ryšį tarp itin sunkaus branduolio, sustabdyto detektoriuje, ir jo skilimo produktų. Naudojant šią techniką, supersunkūs elementai su
Z = 110–118 (12.2 lentelė).
12.2 lentelėje pateiktos supersunkių cheminių elementų, kurių Z = 110–118, charakteristikos: masės skaičius A, m - izomerinės būsenos buvimas izotope, kurio masės skaičius A, sukinio paritetas JP, branduolio surišimo energija Est, savitoji surišimo energija ε, neutronų atskyrimo energijos B n ir protono B p, pusėjimo trukmę T 1/2 ir pagrindinius skilimo kanalus.
Cheminiai elementai Z > 112 dar neturi pavadinimų ir yra pateikti priimtuose tarptautiniuose žymėjimuose.

12.2 lentelė

Supersunkių cheminių elementų charakteristikos Z = 110–118

Fig. 12.12 paveiksle parodyti visi žinomi sunkiausi izotopai, kurių Z = 110–118, gauti sintezės reakcijose, nurodant eksperimentiškai išmatuotą pusinės eliminacijos laiką. Čia taip pat parodyta teoriškai prognozuojama stabilumo salos padėtis (Z = 114, N = 184).

Ryžiai. 12.12. N-Z elementų diagrama Z = 110-118.

Gauti rezultatai aiškiai rodo izotopų stabilumo padidėjimą, kai jie artėja prie dvigubai magiško branduolio (Z = 114, N = 184). Pridėjus 7–8 neutronus prie branduolių, kurių Z = 110 ir 112, pusinės eliminacijos laikas pailgėja nuo 2,8 as (Ds-267) iki ≈ 10 s (Ds-168, Ds 271). Pusinės eliminacijos laikas T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5 ms padidėja iki T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 min. Sunkiausiuose elementų Z = 110–112 izotopuose yra ≈ 170 neutronų, o tai dar toli nuo magiško skaičiaus N = 184. Visi sunkiausi izotopai, kurių Z > 111 ir N > 172, daugiausia dėl to suyra.
α skilimas, savaiminis skilimas – retesnis skilimas. Šie rezultatai gerai sutampa su teorinėmis prognozėmis.
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.
Sintezuojant elementą 114 reakcijoje 48 Cu + 244 Pu, didžiausias izotopų, kurių Z = 114, išeiga buvo pastebėta kanale išgaravus trims neutronams. Šiuo atveju junginio branduolio 289 114 sužadinimo energija buvo 35 MeV.
Teoriškai prognozuojama skilimo seka, vykstanti su 296 116 branduoliu, susidariusiu reakcijoje 248 Cm + 48 Ca → 296 116, parodyta 12.13 pav.

Ryžiai. 12.13. Branduolinio skilimo diagrama 296 116.

Izotopas 296 116 atšąla dėl keturių neutronų emisijos ir virsta izotopu 292 116, kuris vėliau, su 5% tikimybe, dėl dviejų iš eilės elektroninių gaudymų, virsta izotopu 292 114. α skilimo (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.
Fig. 12.14 paveiksle parodyta izotopo 288115 α skilimo grandinė, išmatuota atliekant eksperimentus Dubnoje. ER yra atatrankos branduolio, implantuoto į padėties jautrų silicio detektorių, energija. Galima pastebėti gerą α skilimo pusinės eliminacijos periodo ir energijos sutapimą trijuose eksperimentuose, o tai rodo supersunkių elementų identifikavimo metodo patikimumą naudojant α dalelių spektrų matavimus.

Ryžiai. 12.14. Izotopo 288115 nuoseklių α skilimų grandinė, išmatuota atliekant eksperimentus Dubnoje.

Reakcijoje susintetintas sunkiausias laboratorijoje pagamintas elementas, kurio Z = 118

48 Ca + 249 Cf → 294 118 + 3n.

Esant jonų energijai netoli Kulono barjero, buvo pastebėti trys 118 elemento susidarymo atvejai. 294 118 branduolių buvo implantuoti į silicio detektorių ir pastebėta nuoseklių α skilimų grandinė. 118 elemento susidarymo skerspjūvis buvo ~2 pikobarnai. Izotopo 293118 pusinės eliminacijos laikas yra 120 ms.
Fig. 12.15 paveiksle parodyta teoriškai apskaičiuota izotopo 293 118 nuoseklių α skilimų grandinė ir dukterinių branduolių, susidariusių dėl α skilimo, pusinės eliminacijos laikas.

Ryžiai. 12.15 val. Izotopo 293 118 nuoseklaus α skilimo grandinė.
Pateikti vidutiniai dukterinių branduolių, susidariusių dėl α skilimo, gyvenimo trukmės.

Analizuojant įvairias supersunkių elementų susidarymo galimybes reakcijose su sunkiaisiais jonais, reikia atsižvelgti į šias aplinkybes.

1. 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.
2. Būtina, kad gautas junginio branduolys turėtų mažą sužadinimo energiją ir mažą kampinį momentą, nes priešingu atveju sumažės efektyvusis dalijimosi barjero aukštis.
3. 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. 12.16 paveiksle pavaizduoti apskaičiuoti transurano elementų susidarymo skerspjūviai apšvitinant 248 Cm, 249 Cf ir 254 Es taikinius 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.

Ryžiai. 12.16. Transurano elementų susidarymo skerspjūvių įverčiai reaguojant 238 U su 248 Cm, 249 Cf ir 254 Es

Pažanga supersunkių branduolių srityje pastaraisiais metais buvo stulbinančiai įspūdinga. Tačiau visi bandymai atrasti Stabilumo salą iki šiol buvo nesėkmingi. Jo paieškos tęsiasi intensyviai.
Atominių branduolių apvalkalo struktūra vaidina svarbų vaidmenį didinant supersunkių branduolių stabilumą. Stebuklingi skaičiai Z ≈ 114 ir N ≈ 184, jei jie tikrai egzistuoja, gali žymiai padidinti atomų branduolių stabilumą. Taip pat svarbu, kad supersunkių branduolių irimas įvyks dėl α skilimo, o tai svarbu kuriant eksperimentinius metodus, skirtus naujų supersunkių branduolių aptikimui ir identifikavimui.

Darbas buvo atliktas pavadintoje Branduolinių reakcijų laboratorijoje (NLNR). G.N. Flerovas iš Dubnos Jungtinio branduolinių tyrimų instituto (JINR) sėkmingai. 117-ojo ir anksčiau Dubnoje susintetusių elementų N 112-116 ir 118 savybės yra tiesioginis vadinamosios supersunkių elementų „stabilumo salos“ egzistavimo įrodymas, kurį teoretikai numatė dar praėjusio amžiaus 60-aisiais ir reikšmingai. plečiant periodinės lentelės ribas. Apie unikalų eksperimentą „Izvestija“ redaktorius dar kovo mėnesį informavo FLNR vadovas akademikas Jurijus Oganesjanas, tačiau leidimą publikuoti jis davė tik dabar. Atradimo autorius akademikas Jurijus Oganesjanas stebėtojui Piotrui Obrazcovui pasakojo apie eksperimento esmę.

Izvestija: Kas sukėlė mokslininkų susidomėjimą supersunkių elementų, kurie egzistuoja nežymiai trumpą laiką, sinteze?

Jurijus Oganesjanas: 1940–1941 m. atradus pirmuosius dirbtinius elementus – neptūnį ir plutonią, elementų egzistavimo ribų klausimas tapo itin įdomus fundamentiniam materijos sandaros mokslui. Iki praėjusio amžiaus pabaigos buvo atrasta 17 dirbtinių elementų ir nustatyta, kad jų branduolinis stabilumas smarkiai sumažėjo didėjant atominiam skaičiui. Pereinant nuo 92-ojo elemento - urano - prie 102-ojo elemento - Nobelio, branduolio pusinės eliminacijos laikas sumažėja 16 dydžių: nuo 4,5 milijardo metų iki kelių sekundžių. Todėl buvo manoma, kad pažengimas į net sunkesnių elementų regioną prives prie jų egzistavimo ribos, iš esmės pažymėdamas materialaus pasaulio egzistavimo ribą. Tačiau šeštojo dešimtmečio viduryje teoretikai netikėtai iškėlė hipotezę apie galimą supersunkių atomų branduolių egzistavimą. Remiantis skaičiavimais, branduolių, kurių atominis skaičius 110-120, gyvavimo trukmė turėjo gerokai pailgėti, nes juose daugėjo neutronų. Pagal naujas idėjas jie sudaro didžiulę supersunkių elementų „stabilumo salą“, kuri žymiai išplečia elementų lentelės ribas.
ir: ar buvo įmanoma tai patvirtinti eksperimentiškai?

Oganesjanas: 1975–1996 m. fizikai iš Dubnos, Darmštato (GSI, Vokietija), Tokijo (RIKEN) ir Berklio (LBNL, JAV) sugebėjo ištirti šias reakcijas ir susintetinti šešis naujus elementus. Sunkiausi elementai 109-112 pirmą kartą buvo gauti GSI ir pakartoti RIKEN. Tačiau šių reakcijų metu susidarančių sunkiausių branduolių pusinės eliminacijos laikas buvo tik dešimt tūkstančių ar net tūkstantųjų sekundės dalių. Hipotezė apie supersunkių elementų egzistavimą pirmą kartą buvo eksperimentiškai patvirtinta Dubnoje, mūsų grupės, bendradarbiaujant su Nacionalinės laboratorijos mokslininkais, atliktais tyrimais. Lawrence'as Livermore'as (JAV). Mums pavyko radikaliai pakeisti požiūrį į supersunkių branduolių sintezę, pavyzdžiui, šaudant į taikinį iš dirbtinio elemento berkelio (N 97) sviedinio pluoštu iš itin reto ir brangaus kalcio izotopo (N 20) masė 48. Kai branduoliai susilieja, elementas N 117 (97 + 20 = 117). Rezultatai pranoko net pačius optimistiškiausius lūkesčius. 2000–2004 m., beveik per penkerius metus, būtent tokiose reakcijose pirmą kartą buvo susintetinti supersunkieji elementai, kurių atominiai numeriai yra 114, 116 ir 118.

ir: Koks buvo Amerikos mokslininkų mokslinis indėlis?

Oganesjanas: Branduolinėje reakcijoje su kalcio pluoštu elementą 117 galima gauti tik naudojant taikinį, pagamintą iš dirbtinio elemento berkelio. Šio izotopo pusinės eliminacijos laikas yra tik 320 dienų. Dėl trumpo tarnavimo laiko reikiamo kiekio (20-30 miligramų) berkelio gamyba turi būti vykdoma labai didelio neutronų srauto tankio reaktoriuje. Tik JAV nacionalinės laboratorijos Oak Ridge izotopinis reaktorius gali susidoroti su tokia užduotimi. Beje, būtent šioje laboratorijoje pirmą kartą buvo pagamintas plutonis Amerikos atominei bombai. Kadangi nuo berkelio gamybos momento po 320 dienų jo kiekis sumažėja perpus, teko visus darbus atlikti dideliu tempu. Ir ne tik laboratorijose, bet ir oficialiose Rusijos bei JAV struktūrose, susijusiose su neįprastos medžiagos sertifikavimu, labai radioaktyvaus produkto gabenimu sausumos ir oro transportu, saugos priemonėmis ir pan.

ir: vertas nuotykių istorijos. Kas atsitiko toliau?

Oganesjanas: 2009 m. birželio pradžioje konteineris atkeliavo į Maskvą. Iš šios medžiagos Branduolinių reaktorių tyrimų institute (Dimitrovgradas) buvo pagamintas taikinys – plonas berkelio sluoksnis (300 nanometrų), nusodintas ant plonos titano folijos; liepos mėnesį taikinys buvo pristatytas į Dubną. Iki to laiko visi parengiamieji darbai FLNR buvo baigti ir prasidėjo nuolatinis taikinio švitinimas intensyviu kalcio pluoštu. Jau pirmą kartą apšvitinant taikinį 70 dienų, mums pasisekė: detektoriai penkis kartus užfiksavo 117-ojo elemento branduolių susidarymo ir irimo vaizdą. Kaip ir tikėtasi, šio elemento branduoliai transformavosi į 115 elemento branduolius, 115 – į 113 elementą, o po to elementas 113 – į 111 elementą. O elementas 111 suskyla su 26 sekundžių pusinės eliminacijos periodu. Branduoliniu mastu tai didžiulis laikas! Dabar periodinė lentelė buvo papildyta dar vienu sunkiausių elementų atominiu numeriu 117.

ir: mūsų skaitytojams, žinoma, bus įdomu, koks jūsų atradimas gali būti praktiškai pritaikytas.

Oganesyanas: Dabar, žinoma, nė vieno, nes buvo gauti tik keli elemento N 117 atomai. Iš esmės idėjos apie mūsų pasaulį turėtų labai pasikeisti. Be to, jei susintetinami elementai, kurių pusinės eliminacijos laikas yra didžiulis, gali būti, kad jie egzistuoja gamtoje ir gali „išgyventi“ iki mūsų laikų nuo Žemės susiformavimo - 4,5 milijardo metų. Ir mes atliekame eksperimentus, norėdami jų ieškoti, mūsų instaliacija yra Alpių kalnų gelmėse.

ir: Klausimas iš kitos plotmės. Kodėl, jūsų manymu, už akivaizdžią sėkmę branduolinėje fizikoje per pastaruosius 20 metų nebuvo suteikta Nobelio premija?

Oganesyanas: Fizika yra didelė. Matyt, Nobelio komiteto nariai labiau domisi kitomis šio mokslo sritimis. O vertų mokslininkų tikrai yra daug. Beje, turiu įvardyti mūsų eksperimento dalyvius: Oak Ridge nacionalinė laboratorija (prof. James Roberto), universitetas. Vanderbiltas (prof. Josephas Hamiltonas), Nacionalinė laboratorija. Lawrence'as Livermore'as (Dawn Shaughnessy), Dimitrovgrado Branduolinių reaktorių tyrimų institutas (Michailas Ryabininas) ir JINR Branduolinių reakcijų laboratorija (vadovas Jurijus Oganesjanas).

Iš redaktoriaus. Laikinai elementas N 117 lotyniškai bus vadinamas „vienas-vienas-septyni“, tai yra ununseptium. Akademiko Jurijaus Oganesjano grupė – atradimo autoriai – turi visas teises suteikti tikrą vardą šiam elementui, taip pat jų atrastiems elementams N 114-116 ir 118 Kovo 26 d. „Savaitėje“ kvietėme skaitytojams pateikti savo pasiūlymus dėl „mūsų“ elementų pavadinimo. Kol kas tik vieno iš šių elementų „garbanotas“ atrodo pagrįstas. Varžybos tęsiasi.

Prieš pusantro šimtmečio, kai Dmitrijus Ivanovičius Mendelejevas atrado periodinį dėsnį, buvo žinomi tik 63 elementai. Sudėlioti į lentelę, jie buvo lengvai suskirstyti į periodus, kurių kiekvienas atsiveria aktyviais šarminiais metalais ir baigiasi (kaip vėliau paaiškėjo) inertinėmis tauriosiomis dujomis. Nuo to laiko periodinė lentelė išaugo beveik dvigubai, o su kiekvienu išplėtimu periodinis dėsnis buvo patvirtinamas vėl ir vėl. Rubidis taip pat primena kalį ir natrį, nes ksenonas yra kriptonas, o argonas žemiau anglies yra silicis, kuris daugeliu atžvilgių yra panašus į jį... Šiandien žinoma, kad šias savybes lemia aplink besisukančių elektronų skaičius; atomo branduolys.

Jie vienas po kito užpildo atomo „energinius apvalkalus“, kaip žiūrovai, eilės tvarka užimantys savo vietas teatre: tas, kuris bus paskutinis, nustatys viso elemento chemines savybes. Atomas su visiškai užpildytu paskutiniu apvalkalu (kaip helis su dviem elektronais) bus inertiškas; elementas su vienu „papildomu“ elektronu (pavyzdžiui, natris) aktyviai sudarys cheminius ryšius. Neigiamą krūvį turinčių elektronų skaičius orbitose yra susijęs su teigiamų protonų skaičiumi atomo branduolyje, o būtent protonų skaičius išskiria skirtingus elementus.

Tačiau to paties elemento branduolyje gali būti skirtingas neutronų skaičius, jie neturi jokio krūvio ir neturi įtakos cheminėms savybėms. Tačiau priklausomai nuo neutronų skaičiaus, vandenilis gali pasirodyti sunkesnis už helią, o ličio masė gali siekti septynis, o ne „klasikinius“ šešis atominius vienetus. O jei šiandien žinomų elementų sąrašas artėja prie 120, tai branduolių (nuklidų) skaičius perkopė 3000. Dauguma jų yra nestabilūs ir po kurio laiko suyra, radioaktyvaus skilimo metu išskirdami „papildomas“ daleles. Dar daugiau nuklidų iš principo negali egzistuoti, akimirksniu subyra į gabalus. Taigi, stabilių branduolių žemyną supa visa jūra nestabilių neutronų ir protonų derinių.

Nestabilumo jūra

Branduolio likimas priklauso nuo neutronų ir protonų skaičiaus jame. Remiantis šeštajame dešimtmetyje iškeltą branduolio sandaros apvalkalo teoriją, jame esančios dalelės tarp jų energijos lygių pasiskirsto taip pat, kaip aplink branduolį besisukantys elektronai. Kai kurie protonų ir neutronų skaičiai suteikia ypač stabilias konfigūracijas su visiškai užpildytais protonų arba neutronų apvalkalais - 2, 8, 20, 28, 50, 82, o neutronams taip pat yra 126 dalelės. Šie skaičiai vadinami „stebuklingais“ skaičiais, o stabiliausiuose branduoliuose yra „dvigubai magiškesnis“ dalelių skaičius – pavyzdžiui, 82 protonai ir 126 neutronai švino arba po du normaliame helio atome, antrame pagal gausumą. elementas visatoje.

Iš eilės Žemėje randamų elementų „cheminis žemynas“ baigiasi švinu. Po jo seka daugybė branduolių, kurie egzistuoja daug mažiau nei mūsų planetos amžius. Jo gelmėse jų galima išsaugoti tik nedideliais kiekiais, pavyzdžiui, uranu ir toriu, arba net nedideliais kiekiais, kaip plutonis. Jo neįmanoma išgauti iš uolienų, o plutonis gaminamas dirbtinai, reaktoriuose, bombarduojant urano taikinį neutronais. Apskritai šiuolaikiniai fizikai atomų branduolius traktuoja kaip konstrukcijos dalis, verčia juos prijungti atskirus neutronus, protonus ar ištisus branduolius. Tai leidžia gauti vis sunkesnius nuklidus kertant „Nestabilumo jūros“ sąsiaurį.

Kelionės tikslą sufleruoja ta pati branduolio sandaros apvalkalo teorija. Tai itin sunkiųjų elementų regionas, kuriame yra tinkamas (ir labai didelis) neutronų ir protonų skaičius, legendinė „Stabilumo sala“. Skaičiavimai rodo, kad kai kurie vietiniai „gyventojai“ gali nebeegzistuoti mikrosekundžių dalimis, o daugybe dydžių ilgiau. „Tam tikri apytiksliai jie gali būti laikomi vandens lašeliais“, – mums paaiškino RAS akademikas Jurijus Oganesjanas. — Iki švino branduoliai yra sferiniai ir stabilūs. Po jų seka vidutiniškai stabilių branduolių – tokių kaip toris ar uranas – pusiasalis, kurį ištempia labai deformuotų branduolių būrys ir išsiveržia į nestabilią jūrą... Tačiau dar toliau, už sąsiaurio, gali atsirasti naujas regionas. sferinių branduolių, supersunkių ir stabilių elementų, kurių numeriai yra 114, 116 ir toliau. Kai kurių elementų gyvavimo laikas „Stabilumo saloje“ gali trukti metus ar net milijonus metų.

Stabilumo sala

Transurano elementai su deformuotais branduoliais gali būti sukurti neutronais bombarduojant taikinius iš urano, torio ar plutonio. Bombarduodami juos lengvais jonais, pagreitintais greitintuve, galite paeiliui gauti daug dar sunkesnių elementų, tačiau tam tikru momentu riba ateis. „Jei skirtingas reakcijas – neutronų pridėjimą, jonų pridėjimą – laikysime skirtingais „laivais“, tada visos jos nepadės mums nuplaukti į „Stabilumo salą“, – tęsia Jurijus Oganesjanas. — Tam reikės didesnio „indo“ ir kitokio dizaino. Taikinys turėtų būti daug neutronų turintys sunkieji dirbtinių elementų branduoliai, sunkesni už uraną, ir jie turėtų būti bombarduojami dideliais, sunkiais izotopais, kuriuose yra daug neutronų, pavyzdžiui, kalcio-48.

Tokiame „laive“ galėjo dirbti tik didelė tarptautinė mokslininkų komanda. Elektrokhimpribor gamyklos inžinieriai ir fizikai iš natūralaus kalcio išskyrė itin retą 48-ąjį izotopą, kurio čia yra mažiau nei 0,2%. Taikiniai iš urano, plutonio, americio, kurio, kalifornio buvo paruošti Dimitrogrado atominių reaktorių tyrimų institute, Livermoro nacionalinėje laboratorijoje ir Oak Ridge nacionalinėje laboratorijoje JAV. Na, o pagrindinius naujų elementų sintezės eksperimentus atliko akademikas Oganesyanas Jungtiniame Branduolinės fizikos institute (JINR), Flerovo branduolinių reakcijų laboratorijoje. „Mūsų greitintuvas Dubnoje dirbdavo 6–7 tūkst. valandų per metus, pagreitindamas kalcio-48 jonus iki maždaug 0,1 šviesos greičio“, – aiškina mokslininkas. „Ši energija reikalinga tam, kad kai kurie iš jų, pataikę į taikinį, įveiktų Kulono atstūmimo jėgas ir susijungtų su jo atomų branduoliais. Pavyzdžiui, elementas 92, uranas, sukurs naujo elemento, kurio numeris 112, plutonio 114 ir kalifornio 118, branduolį.

„Naujų supersunkių elementų paieška leidžia atsakyti į vieną iš svarbiausių mokslo klausimų: kur yra mūsų materialaus pasaulio riba?

„Tokie branduoliai jau turėtų būti gana stabilūs ir iš karto nesuirs, o palaipsniui išskirs alfa daleles ir helio branduolius. Ir mes labai gerai juos registruojame“, – tęsia Oganesyanas. Itin sunkus branduolys išstums alfa dalelę, paversdamas dviem atominiais skaičiais lengvesnį elementą. Savo ruožtu dukterinis branduolys praras alfa dalelę ir pavirs „anūku“ - dar keturiais lengvesniais ir panašiai, kol nuoseklaus alfa skilimo procesas nesibaigs atsitiktiniu atsiradimu ir momentiniu savaiminiu skilimu, nestabilaus branduolio mirtimi. „Nestabilumo jūroje“. Naudodamas šią alfa dalelių „genealogiją“, Oganesjanas ir jo kolegos atsekė visą greitintuve gautų nuklidų transformacijos istoriją ir apibūdino artimą „Stabilumo salos“ krantą. Po pusę amžiaus trukusios kelionės jame išsilaipino pirmieji žmonės.

Nauja žemė

Jau pirmajame XXI amžiaus dešimtmetyje, vykstant aktinidų sintezės reakcijose su pagreitintais kalcio-48 jonais, elementų atomais, kurių skaičiai yra nuo 113 iki 118, gulintys ant „Stabilumo salos“ kranto toliausiai nuo „žemyno“ , buvo susintetinti. Jų tarnavimo laikas jau yra eilėmis ilgesnis nei kaimynų: pavyzdžiui, elementas 114 saugomas ne milisekundes, kaip 110-oji, o dešimtis ir net šimtus sekundžių. „Tokios medžiagos jau prieinamos chemijai“, – sako akademikas Oganesjanas. – Tai reiškia, kad grįžtame į pačią kelionės pradžią ir dabar galime pasitikrinti, ar jiems laikomasi Mendelejevo periodinio dėsnio. Ar elementas 112 bus gyvsidabrio ir kadmio, o elementas 114 – alavo ir švino analogas? Pirmieji cheminiai eksperimentai su 112-ojo elemento (kopernicio) izotopu parodė, kad, matyt, taip ir bus. Iš taikinio bombardavimo metu išmestus koperniko branduolius mokslininkai nukreipė į ilgą vamzdelį, kuriame buvo 36 suporuoti detektoriai, iš dalies padengti auksu. Gyvsidabris su auksu lengvai sudaro stabilius intermetalinius junginius (ši savybė naudojama senovinėje auksavimo technikoje). Todėl gyvsidabris ir šalia jo esantys atomai turėtų nusėsti ant pačių pirmųjų detektorių auksinio paviršiaus, o vamzdelio galą gali pasiekti radonas ir atomai, arti tauriųjų dujų. Paklusniai laikydamasis periodinio įstatymo, Kopernikas pasirodė esąs gyvsidabrio giminaitis. Bet jei gyvsidabris buvo pirmasis žinomas skystas metalas, tai kopernicis gali būti pirmasis dujinis metalas: jo virimo temperatūra yra žemesnė už kambario temperatūrą. Pasak Jurijaus Oganesjano, tai tik išblėsusi pradžia, o supersunkūs „Stabilumo salos“ elementai atvers mums naują, ryškią ir neįprastą chemijos sritį.

Tačiau kol kas užtrukome stabilių elementų salos papėdėje. Tikimasi, kad 120-asis ir vėlesni branduoliai gali pasirodyti tikrai stabilūs ir egzistuos daugelį metų ar net milijonus metų, sudarydami stabilius junginius. Tačiau naudojant tą patį kalcio-48 jų gauti nebeįmanoma: nėra pakankamai ilgaamžių elementų, kurie galėtų jungtis su šiais jonais, kad gautų reikiamos masės branduolius. Bandymai pakeisti kalcio-48 jonus kažkuo sunkesniais taip pat nedavė rezultatų. Todėl dėl naujų paieškų jūrų mokslininkai pakėlė galvas ir atidžiau pažvelgė į dangų.

Erdvė ir gamykla

Pradinė mūsų pasaulio sudėtis nebuvo labai įvairi: Didžiojo sprogimo metu atsirado tik vandenilis su mažomis helio priemaišomis – lengviausio iš atomų. Visi kiti gerbiami periodinės lentelės dalyviai pasirodė branduolių sintezės reakcijose, žvaigždžių viduje ir supernovos sprogimo metu. Nestabilūs nuklidai greitai suskyla, o stabilūs nuklidai, tokie kaip deguonis-16 ar geležis-54, kaupėsi. Nenuostabu, kad gamtoje negalima rasti sunkių nestabilių elementų, tokių kaip americis ar kopernicis.

Bet jei kažkur tikrai yra „Stabilumo sala“, tai supersunkių elementų turėtų būti bent nedideliais kiekiais visose Visatos platybėse, o kai kurie mokslininkai jų ieško tarp kosminių spindulių dalelių. Pasak akademiko Oganesyano, šis metodas vis dar nėra toks patikimas kaip senas geras bombardavimas. „Tikrai ilgaamžiuose branduoliuose Stabilumo salos viršuje yra neįprastai daug neutronų“, – sako mokslininkas. „Štai kodėl neutronais turtingas kalcis-48 pasirodė esąs toks sėkmingas branduolys bombarduojant neutronų turinčius tikslinius elementus. Tačiau izotopai, sunkesni už kalcį-48, yra nestabilūs, o tikimybė, kad jie susijungs ir susidarys itin stabilūs branduoliai natūraliomis sąlygomis, yra itin maža.

Todėl netoli Maskvos esančioje Dubnoje esančioje laboratorijoje apšaudant į dirbtinius taikinius elementus ėmė naudoti sunkesnius branduolius, nors ir ne tokius sėkmingus kaip kalcis. „Dabar esame užsiėmę kurdami vadinamąją ypač sunkiųjų elementų gamyklą“, – sako akademikas Oganesjanas. — Jame tie patys taikiniai bus bombarduojami titano arba chromo branduoliais. Juose yra dviem ir keturiais daugiau protonų nei kalcio, o tai reiškia, kad jie gali suteikti mums elementų, kurių masė yra 120 ar daugiau. Bus įdomu pamatyti, ar jie vis dar išliks „saloje“, ar už jos atvers naują sąsiaurį.