Taškai diskusijoms:

Ką mes žinome ir ką norime suprasti apie supersunkių elementų sintezės problemą?

Ar elementų egzistavimui gamtoje yra ribų?

Kaip Visatoje įvyko elementų nukleosintezė?

Kas lemia galimą supersunkių elementų stabilumą?

Kiek ši problema yra esminė ir ar ji turi politinį aspektą?

Šiuolaikinės eksperimentinės technologijos galimybės ją išspręsti.

Kas yra neutroninė medžiaga? Ar galima jį tirti laboratorinėmis sąlygomis, o ne tik tiriant astrofizinius objektus, tokius kaip neutroninės žvaigždės ir pan.? Pasaulio mokslo tendencijos.

Ar visuomenei reikia nagrinėti minėtas esmines mokslo problemas? Ar tai lemia naujų idėjų atsiradimą naujų technologijų, energijos šaltinių, medicinos prietaisų ir kt.

Temos apžvalga

Yra žinoma, kad visi elementai nuo lengviausio (vandenilio) iki sunkiausio (urano) sudaro mus supantį pasaulį. Jie egzistuoja Žemėje. Tai reiškia, kad jų gyvenimo trukmė yra ilgesnė nei pačios Žemės amžius. Visi elementai po urano yra sunkesni už jį. Jie susidarė vieną kartą nukleosintezės metu, tačiau iki šių dienų neišliko. Šiandien jų galima gauti tik dirbtinai.

Atomo sąvoka yra gerai žinoma: branduolys, kuriame yra visa atomo masė ir jo teigiamas krūvis, ir elektronų orbitalės. Hipotetiškai jis gali egzistuoti iki atominių skaičių: 160 ir, galbūt, 170. Tačiau elementų egzistavimo riba nubrėžta daug anksčiau, o priežastis slypi paties branduolio nestabilume. Todėl elementų egzistavimo ribų klausimas turėtų būti sprendžiamas branduolinės fizikos srityje. Jei pažvelgsite į branduolius, kuriuose yra skirtingas protonų ir neutronų skaičius, stabilūs elementai randami tik iki švino ir bismuto. Tada (1 pav.) yra „mažas pusiasalis“, kuriame Žemėje randamas tik toris ir uranas. Iš to išplaukia, kad elementų egzistavimo ribų klausimas priklauso nuo branduolių stabilumo ir turėtų būti sprendžiamas branduolinės fizikos srityje.

Ryžiai. 1. Izotopų su atominiais skaičiais 70 Zi žemėlapis. Atomų stabilumą parodo spalvų tankis pagal tinkamą skalę. Pateikiamos teorinės hipotetinių supersunkių atomų pusėjimo trukmės prognozės 112 Zi ir 165 Zi regionams.

Kai tik pereiname už urano ribų, branduolių tarnavimo laikas smarkiai sumažėja. Sauranio elementų izotopai yra radioaktyvūs ir suyra alfa. Branduolių gyvavimo trukmė mažėja logaritmine skale. Ši logaritminė skalė rodo, kad nuo urano (92 elemento) iki 100 elemento branduolių stabilumas sumažėja daugiau nei 20 dydžių kategorijų.

Tiesą sakant, situacija pasirodė dar sudėtingesnė. Savaiminis dalijimasis - ketvirtasis radioaktyvumo tipas - aplenkia alfa skilimą 100-ojo elemento srityje, o vėliau branduolių tarnavimo laikas mažėja daug greičiau.

Savaiminį skilimą K. A. Petržakas ir G. N. Flerovas prieš 60 metų atrado kaip retą urano skilimo rūšį. Tai tampa pagrindiniu, kai kalbama apie sunkesnius elementus.

Savaiminio dalijimosi reiškinio paaiškinimą pateikė Nielsas Bohras 1939. Pasak N. Bohro, panašus procesas gali vykti, jei manysime, kad branduolinė medžiaga turi bestruktūrės medžiagos savybių, pavyzdžiui, įkrauto skysčio lašas. Jei lašas deformuojasi veikiamas elektrinių jėgų, tai jo potenciali energija padidėja iki tam tikros ribos, o tada negrįžtamai mažėja didėjant deformacijai, kol lašas yra padalintas į dvi dalis. Taigi ties urano branduoliu atsiras tam tikras barjeras, kuris saugo šį branduolį nuo skilimo 10 16 metų.

Jei nuo urano pereiname prie sunkesnio elemento, kurio branduolyje Kulono jėgos yra daug didesnės, barjeras sumažėja ir labai padidėja dalijimosi tikimybė. Galiausiai, toliau didėjant branduolio krūviui, pasieksime ribą, kai nebeliks jokios kliūties, t.y. kai net sferinė lašo forma pasirodys nestabili atsiskyrimui į dvi dalis.

Tai yra branduolio stabilumo riba. Remiantis Bohro ir Wheelerio skaičiavimais, šios ribos buvo tikimasi elementams, kurių atominis skaičius yra 104–106.

Visiškai netikėtas buvo 1962 metais Dubnos branduolinių reakcijų laboratorijoje atrastas kitas sunkiųjų branduolių, įskaitant uraną, pusinės eliminacijos laikas. Tai yra, tas pats branduolys gali turėti du to paties tipo skilimus su skirtingomis tikimybėmis arba du gyvenimus. Uranui vienas laikas yra 10 16 metų, kurį atrado Flerovas ir Pietrzak, o antrasis yra labai trumpas, tik 0,3 mikrosekundės. Esant dviem pusamžiams, reikia manyti, kad branduolys turi dvi būsenas, iš kurių vyksta dalijimasis. Tai jokiu būdu netelpa į lašo idėją.

Dvi būsenos gali egzistuoti tik tuo atveju, jei kūnas nėra amorfinis, o turi vidinę struktūrą.

Taigi branduolinė medžiaga nėra visiškas įkrauto skysčio lašo analogas

Lašas yra tam tikras branduolinės medžiagos aprašymo priartėjimas; šerdis turi vidinę struktūrą.

Branduolinės teorijos specialistai rimtai ėmėsi branduolinės struktūros klausimų; mūsų šalyje – V. M. Strutinskis, S. T. Beliajevas, V. V. Paškevičius ir kiti Jie išsprendė gana sudėtingą problemą – kaip paaiškinti, kad urano barjeras yra dvigubas ir kaip keičiasi branduolio struktūra jo deformacijos metu.

Ir tai buvo paaiškinta. Bet jei teoretikų rastas paaiškinimas teisingai atspindi branduolių savybes, tada, kai prieisime prie supersunkių elementų, vaizdas bus visiškai kitoks, nei buvo prognozuota skysčio lašui. Sunkiuose elementuose ši struktūra visiškai pasireikš ten, kur kritimas yra nenuoseklus, ir atsiras vadinamasis struktūrinis barjeras. Tai reiškia, kad šerdis gali gyventi labai ilgai.

Ši nebanali teorijos išvada iš esmės paskatino nuspėti hipotetinę supersunkių elementų, esančių toli nuo tų elementų, kurie yra žinomi ir su kuriais esame įpratę dirbti, stabilumo sritį.

Kai tik tai buvo nuspėjama, visos didžiausios pasaulio laboratorijos tiesiogine prasme suskubo eksperimentiškai patikrinti šią hipotezę. Tai buvo daroma JAV, Prancūzijoje, Vokietijoje. Tačiau visi eksperimentai davė neigiamų rezultatų.

Dubnos laboratorijoje per pastaruosius dvejus metus buvo atlikti naujų, sunkiausių elementų, kurių atominiai skaičiai 114 ir 116, sintezės eksperimentai buvo gauti naujų elementų, kurių branduoliuose yra didelis neutronų perteklius, atomus. Tik tokiu atveju galėtume priartėti prie hipotetinės „stabilumo salos“ ribų ir pastebėti supersunkių branduolių gyvenimo trukmės ilgėjimą.

Eksperimentų rezultatai leido daryti išvadą, kad „stabilumo sala“ tikrai egzistuoja.

Kokiais būdais galima gauti (sintezuoti) itin sunkius branduolius? Iš pradžių buvo naudojamas neutronų sintezės metodas, kai į branduolį suvaroma daug neutronų. Šiuo atveju natūralu pradinę pradinę medžiagą apšvitinti galingu neutronų srautu. Tam buvo naudojami vis galingesni reaktoriai. Tačiau reaktoriaus sintezės metodas išnaudojo save fermyje (elementas, kurio atominis skaičius 100), nes 258 masės fermio izotopas, kuris turėtų būti gautas sulaikant neutronus, gyvena tik 0,3 milisekundės. Visa nuoseklaus neutronų gaudymo grandinė nutrūko 20-ojo neutrono gaudymo etape. Čia reikia pereiti daugiau nei 60 žingsnių. Neutronų metodas nepasiteisino.

Amerikiečių mokslininkų bandymas panaudoti kitokį metodą – gauti supersunkius elementus branduoliniuose sprogimuose, tai yra, esant galingam impulsiniam neutronų srautui, galiausiai susidarė tas pats 100-ojo elemento izotopas, kurio masė yra 257.

Neutronų metodo beprasmiškumas paskatino idėją naudoti iš esmės kitokį supersunkių elementų sintezės metodą, kuris pradėjo vystytis šeštojo dešimtmečio viduryje - „sunkiojo branduolinio“ metodą. Jį sudaro du sunkūs branduoliai, susiduriantys vienas su kitu, tikintis, kad jie susijungs ir dėl to bus gautas visos masės branduolys. Kad tokia reakcija įvyktų, vienas iš branduolių turi būti pagreitintas iki maždaug 0,1 šviesos greičio. Šią funkciją atlieka greitintuvai. Tai, ką šiandien žinome apie antrojo šimto sunkiųjų elementų savybes, buvo gauta naudojant sunkiųjų jonų greitintuvus tokio tipo reakcijose.

Kokios yra transurano elementų savybės?

Jei 92 elementų uranas gyvena milijardą metų, tai sunkusis 112 elementų branduolys gyvena tik 0,1 milisekundės. Iš tiesų, padidinus atominį skaičių 20 vienetų, branduolio tarnavimo laikas sutrumpėja daugiau nei 10 20 kartų. Tačiau „stabilumo sala“ yra ten, kur branduoliuose yra žymiai daugiau neutronų. Todėl turime judėti link daugiau neutronų turinčių branduolių. Tai sunku pasiekti, nes stabiliuose nukliduose protonų skaičiaus ir neutronų skaičiaus santykis yra griežtai apibrėžtas. Buvo nuspręsta naudoti reakcijas, kuriose iš pradžių buvo nurodytas didelis neutronų perteklius tiek tikslinės medžiagos branduolyje, kuris gaminamas branduoliniame reaktoriuje, tiek sviedinio branduolyje, kuris šiuo atveju buvo pasirinktas kalcio-48 branduoliu. .

Kalcis-48 yra stabilus kalcio izotopas, elementas, kurio atominis skaičius yra 20. Kalcio gamtoje gausu. Tačiau kalcio izotopas, kurio masė yra 48, yra labai retas. Jo kiekis įprasto kalcio yra tik 0,18%. Išskirti jį nuo kalcio yra neįtikėtinai sudėtinga užduotis. Tačiau, jei galėtume pagreitinti kalcio-48 jonus, tada apšvitindami uraną, plutonį ar kurį patektume į brangų regioną, kuriame tikimasi stabilumo padidėjimo, ir ten turėtume pajusti staigų tarnavimo laiką. supersunkūs elementai.

Konkrečiame eksperimente buvo pasirinkta reakcija, kai kaip pradinė medžiaga buvo naudojamas plutonis (Z = 94), jo sunkiausias izotopas, kurio masė yra 244, o izotopas kalcio-48 buvo naudojamas kaip bombarduojantis jonas. Tikėjomės, kad šių branduolių sintezės reakcija sukels 114 elemento susidarymą, kuris turėtų būti stabilesnis, palyginti su anksčiau tyrinėtais elementais.

Norint atlikti tokį eksperimentą, reikėjo sukurti greitintuvą, kurio kalcio-48 pluošto galia būtų dešimtis kartų didesnė nei visų žinomų greitintuvų. Tuo pačiu metu jis turėjo suteikti didelį pagreitintų jonų intensyvumą ir vartoti kuo mažiau brangaus kalcio-48. Tam reikėjo ilgai ir intensyviai ieškoti problemos sprendimo. Galiausiai sprendimas buvo rastas ir per 5 metus toks greitintuvas buvo sukurtas Dubnoje. Esant labai mažam medžiagos suvartojimui (0,3 mg/val.), gautas kelių vienetų pluošto intensyvumas 10 12 jonų per sekundę. Dabar pavyko atlikti šimtą ir tūkstantį kartų jautresnį eksperimentą, nei anksčiau dubniečiai ir jų kolegos kitose šalyse per pastaruosius 25 metus darė.

Paties eksperimento esmė buvo tokia. Gavęs kalcio spindulį, plutonio taikinys yra apšvitinamas. Sunkųjį plutonio-244 izotopą parūpino Livermoro nacionalinė laboratorija (JAV). Jei dėl dviejų branduolių susiliejimo proceso susidaro naujo elemento atomai, jie turi išskristi iš taikinio ir kartu su spinduliu toliau judėti į priekį. Čia jie turi būti atskirti nuo kalcio-48 jonų ir kitų reakcijos produktų. Šią funkciją atlieka separatorius (2 pav.), kuriame yra skersinis elektrinis laukas. Kadangi branduolių greičiai yra skirtingi, spindulys patenka į kamštį, o sunkūs 114 elemento atatrankos branduoliai eina lenkta trajektorija ir galiausiai pasiekia detektorių. Detektorius atpažįsta sunkų branduolį ir užfiksuoja jo skilimą.

Ko tiksliai galime tikėtis toliau? Jei hipotezė yra teisinga, kad supersunkių elementų srityje yra „stabilumo sala“ ir šie branduoliai yra labai stabilūs, palyginti su savaiminiu skilimu, jie turėtų patirti kitą skilimo tipą - alfa skilimą.

Kitaip tariant, šios salos viršuje ir šalia jos esantys branduoliai, atsparūs savaiminiam dalijimuisi, turi būti alfa radioaktyvūs. Yra žinoma, kad alfa radioaktyvusis branduolys spontaniškai išskiria alfa dalelę (helio branduolį), susidedančią iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, į dukterinį branduolį. Pasirinktai reakcijai tai yra 114-ojo elemento perėjimas į 112-ą. 112-ojo elemento branduoliai taip pat turėtų patirti alfa skilimą ir virsti 110-ojo elemento branduoliais ir tt Tačiau vykstant nuosekliam alfa skilimui, mes vis labiau tolstame nuo stabilumo viršūnės ir galiausiai atsidursime jūroje nestabilumas, kai vyraujantis skilimo tipas bus savaiminis skilimas. Eksperimentuotojui tai labai ryškus vaizdas: dėl nuoseklių alfa skilimų, kurių kiekvienas detektoriuje palieka apie 10 MeV energiją, įvyksta dalijimasis, kurio metu iš karto išsiskiria apie 200 MeV energija. Šiuo metu skilimo grandinė baigiasi.

Tokią grandinę galima pastebėti, jei teorinė hipotezė yra teisinga. Iš tiesų, eksperimento, kuris tęsėsi nepertraukiamai tris mėnesius, metu mokslininkai pirmą kartą pastebėjo, ko jie laukia.

Ryžiai. 3a. Supersunkių atomų, kurių Z = 114 ir 116, skilimo grandinės, užfiksuotos branduolinėse reakcijose su 48 Ca jonais. Kiekvienam skilimui nurodomos energijos vertės, signalo atvykimo laikas ir jo padėties koordinatės detektoriaus paviršiuje, kurio plotas yra 50 cm².

Atatrankos branduoliui patekus į detektorių, kuris itin tiksliai matuoja jo energiją, greitį ir sustojimo koordinates, praėjus sekundei po sustojimo buvo aptikta 9,87 MeV energijos alfa dalelė. Įdomu tai, kad anksčiau susintetintame sunkiausiame branduolyje šis laikas užtruko tik vieną dešimtąją tūkstantąją sekundės dalį. Štai antras.

Tada, po 10,3 sekundės (taip pat ilgai), buvo išleista antroji alfa dalelė, kurios energija buvo 9,21 MeV, o po 14,5 sekundės įvyko savaiminis dalijimasis. Visa skilimo grandinė užtruko apie 0,5 minutės.

Antrasis įvykis buvo toks pat kaip ir pirmasis. Abu šie įvykiai sutampa vienas su kitu 13 parametrų. Todėl atsitiktinių signalų sutapimų tikimybė detektoriuje, imituojančiame tokį nykimą, yra tik 10−16.

Tame pačiame eksperimente buvo pastebėtas kitas įvykis, kuris buvo žymiai ilgesnis. Čia jau skilimas skaičiuojamas minutėmis ir dešimtimis minučių.

Jei nukrypstate į neutronų trūkumo branduolių sritį, savaiminis dalijimasis tampa vis labiau tikėtinas, kaip buvo atrasta (kai vietoj plutonio-244 taikinio buvo naudojamas lengvesnis izotopas plutonis-242). Tai tiksliai atkartoja scenarijų, kurį numato teorija, kad sala yra dešinėje, tarp neutronais prisodrintų branduolių.

Taigi, susintetinti 114 elemento izotopų branduoliai ir jų dukteriniai alfa skilimo produktai, nauji elementų 112 ir 110 izotopai jau patiria šių struktūrinių jėgų veikimą, suformuodami supersunkių elementų „stabilumo salą“. Ir nepaisant to, kad jie yra nemažu atstumu nuo salos viršūnės, vis dėlto jų laikas yra minutės ir dešimtys minučių (4 pav.). Tai padidina jų stabilumą maždaug 5 eilėmis, palyginti su tų pačių elementų izotopais, esančiais toli nuo salos sienos.

Dimitrovgrado atominių reaktorių mokslinio tyrimo instituto galingame reaktoriuje buvo gauta unikali medžiaga – kuriumas-248. 116 elemento skilimo grandinės stebėjimas būtų dar vienas elemento 114 gamybos įrodymas – pirmuoju atveju jis buvo gautas tiesiogiai apšvitinus plutonio taikinį; ta pati reakcija dėl sunkesnio tėvo lūžio.

Ryžiai. 4. Nuklidų žemėlapis, rodantis atomų, susintetintų branduolinėse reakcijose, veikiant pagreitintiems 48 Ca jonams, radioaktyvaus skilimo grandines. Topografinis fonas parodo struktūrinio poveikio atomo branduolyje stiprumą.

Toks eksperimentas buvo atliktas neseniai – ir čia mokslininkai šiek tiek rizikavo.

Jei reakcijos metu susidaro elementas 116, tai po jo alfa skilimo turėtų būti gautas elemento 114 branduolys; kitaip tariant, šiame eksperimente mokslininkai dar kartą (trečią kartą) be 116 elemento turėjo stebėti visą 114 elemento skilimo grandinę.

Po 116 elemento skilimo išspinduliavus alfa dalelę, greitintuvas buvo išjungtas, o laboratorijoje išjungta visa maitinimo įranga, kad būtų sukurtos visiškai be fono sąlygos. Išties, sunkiam atatrankos branduoliui atskridus į detektorių, po 47 milisekundžių išskrido 10,56 MeV energijos alfa dalelė, kuri išjungė visą galingą įrangą. Po to visiškai ramiomis sąlygomis buvo stebima kitos alfa dalelės emisija, tada dar viena, o tada savaiminis dalijimasis.

Jei palyginsime skilimo grandinę išjungus akceleratorių su tuo, kas buvo pastebėta elementui 114, visi parametrai visiškai sutampa (3b pav.). Tai iš tikrųjų buvo 114-ojo elemento skilimas, todėl ankstesnė alfa dalelė priklauso 116-ajam. Tai įvyko 2000 metų liepos 19 dieną. 2001 metais eksperimentas buvo tęsiamas ir dėl to buvo susintetinti dar 2 116 elemento branduoliai.

Dabar galime palyginti teorijos prognozę ir eksperimento metu gautus rezultatus. 116-ojo elemento atveju, remiantis teorija, padidėjus neutronų skaičiui branduolyje nuo 166 iki 176, branduolio tarnavimo laikas turėjo pailgėti 5 dydžiais. Eksperimentas davė maždaug 6 dydžių eiles. 114-ojo elemento vaizdas atrodo taip pat. Neutronų skaičiui šiame branduolyje padidėjus nuo 164 iki 174, pusinės eliminacijos laikas pailgėja daugiau nei 6 dydžiais. 112 elementui 10 neutronų perteklius taip pat padidina branduolio stabilumą 5–6 dydžiais. Tas pats vaizdas būdingas 110 elemento izotopams.

Tai gerai sutampa su teorine hipoteze. Be to, eksperimentas rodo, kad itin sunkūs nuklidai šiame regione yra ilgesni nei tikėtasi iš teorijos.

Turėtumėte atkreipti dėmesį į „stabilumo salos“ viršūnę. Ši viršūnė gali būti milijonų metų senumo. Jis nepasiekia Žemės amžiaus, kuris yra 4,5 milijardo metų. Tačiau, jei atsižvelgsime į tai, kad eksperimente mes turime stabilumo perteklių, palyginti su apskaičiuotomis „stabilumo salos“ reikšmėmis, tada supersunkių elementų buvimas gamtoje, mūsų sistemoje ar kosmose. spindulių, t.y. kitose sistemose, negalima atmesti. Ten gali egzistuoti itin sunkūs elementai, kurių gyvavimo laikas bus skaičiuojamas milijonais metų.

Svarbi dar viena aplinkybė: dabar elementų lentelė pasipildė naujais 114 ir 116 elementais. Eksperimentai suteikė naują prasmę anksčiau žinomiems elementams 112, 110, 108, nes dėl neutronų padidėjimo jų tarnavimo laikas žymiai pailgėjo. Tai leidžia ištirti šių elementų chemines savybes. 112, 110 ir 108 elementai, kurie gyvena keletą minučių, tapo gana prieinami jų cheminėms savybėms tirti naudojant šiuolaikinius radiochemijos metodus. Galima atlikti eksperimentus, siekiant patikrinti pagrindinį Mendelejevo dėsnį dėl savybių suvienodinimo stulpeliuose. Kalbant apie itin sunkius elementus, turime daryti prielaidą, kad 112-asis elementas yra kadmio ir gyvsidabrio homologas; 114-asis elementas yra alavo, švino ir tt analogas. Kol kas tai tiesiog mūsų idėjų ekstrapoliacija į anksčiau nežinomus elementus. Pagrindinis elementų cheminių savybių periodiškumo įstatymas dabar gali būti išbandytas eksperimentiškai.

Stabilūs elementai baigiasi švinu ir bismutu. Šių atomų branduoliai yra stebuklingi, o tai lemia padidėjusią nukleonų surišimo energiją branduolyje. Po to seka radioaktyviųjų elementų sritis, tarp kurių stabiliausi yra toris ir uranas. Jų pusinės eliminacijos laikas yra panašus į mūsų planetos amžių. Judant link sunkesnių elementų, branduolių tarnavimo laikas smarkiai sumažėja. Radioaktyviųjų elementų pusiasalis turi aiškias ribas. Teorija numatė, kad po „pusiasalio“ atsiras „stabilumo salos“. Jie bus labai sunkių elementų, kurių branduoliai yra praturtinti neutronais, srityje.

Bandymai gauti šiuos branduolius galinguose neutronų srautuose buvo nesėkmingi. Kita vertus, reakcijose su sunkiaisiais jonais, pradedant nuo 50-ųjų, buvo galima susintetinti 12 dirbtinių elementų, kurių atominis skaičius didesnis nei 100. Tačiau šių elementų branduoliuose nebuvo įmanoma gauti neutronų pertekliaus, kuris leistų atsakyti į klausimą: pasaulis baigiasi „pusiasalio“ radioaktyviais branduoliais arba po jo atsiras dar sunkesnių elementų – supersunkių elementų „stabilumo sala“.

Naudodami kalcio-48 izotopo pagreitintų jonų pluoštus ir kaip taikinius pasirinkę dirbtinius elementus - sunkiuosius plutonio ir kurio izotopus, pagamintus galinguose reaktoriuose, mokslininkai sugebėjo priartėti tik prie šios hipotetinės „stabilumo salos“ ribų ir jau čia atrado žymiai padidina supersunkių elementų stabilumą. Eksperimentai tęsiasi, 118 elementas yra kitas.

Kas toliau? Pasiekta sėkmė davė pradžią naujiems atvirosios terra incognita plėtros planams. Visų pirma, norėčiau gauti supersunkių elementų (SHE) branduolius dideliais kiekiais. Žinoma, pats faktas atrasti naują elementą tik iš dviejų stebimų atomų yra įspūdingas, tačiau išsamesniam tyrimui reikalingas daug didesnis skaičius. Būtina sukurti iš esmės naujus, efektyvesnius eksperimentinius įrenginius. Projektavimo darbai truko šešis mėnesius, o laboratorija šiuo metu įgyvendina projektą, skirtą sukurti supersunkių atomų masės analizatorių (MASHA). Pasaulyje nėra tokios eksperimentinės sąrankos analogų. Pradėjus jį eksploatuoti, mokslininkai tikisi gauti dešimtis SHE atomų ir plačiau ištirti jų savybes. Taip pat įgyvendinamas projektas DRIB, kurio metu į vieną kompleksą sujungti du galingi greitintuvai, kurie leis pagreitinti radioaktyviųjų izotopų, ypač alavo-132, atomus. Tai suteiks iš esmės naujų galimybių SHE sintezei.

Minatomas įtraukė savo organizacijas į programą ir skyrė reikiamas lėšas (15 mln. rublių kasmet 4 metus). Mokslo ministerija skyrė specialią 1 milijono rublių dotaciją. Eksperimentų metu RAO EC gavo išskirtinę teisę tiekti elektrą galios greitintuvams. Amerikiečiai iš Livermoro plutonį-244 atsiuntė nemokamai. Maskvos srities gubernatorius B.V.Gromovas iš savo rezervo skyrė lėšų Jungtiniam branduolinių tyrimų institutui supersunkiųjų elementų tyrimams finansuoti (10 mln. rublių 2001 m. ir 15 mln. rublių 2002 m.). Neabejotina, kad Dubnoje ir kituose panašiuose Rusijos centruose sukaupti intelektiniai ir techniniai ištekliai turi būti panaudoti šiuolaikinių aukštųjų technologijų ir žinioms imlių procesų vystymui, kurie vien tik gali užtikrinti Rusijos produktų konkurencingumą pasaulinėje rinkoje. ateitis.

Bibliografija

Bohr N., Wheeler J. Branduolio dalijimosi mechanizmas//Phys. Rev. 1939. Nr.56.

Flerovas G. N., Petrzhak K. A. Savaiminis skilimas 238 U//Fiz. Rev. 1940. Nr.58; J. Phys. SSRS. 1940. Nr.3.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin A. V., Popeko A. G. ir kt. Supersunkiojo elemento 114 branduolių sintezė reakcijoje, kurią sukelia 48 Ca//Gamta. 1999. Nr.400.

Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V. ir kt. Supersunkių branduolių sintezė 48 Ca + 244 Pu reakcijoje//Fiz. Rev. Lett. 1999. Nr.83.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin A. V., Popeko A. G. ir kt. 292 116 irimo stebėjimas//Fiz. Rev. 2001. C 63. 011301/1–011301/2.

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) transuraninių 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, o neutronai N = 184, tai yra, kurio atominės masės 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 vadinamas „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.

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.

Mendelejevas manė, kad jo pateikto ryšio tarp elementų savybių ir atominės masės priežastis yra pačių atomų sudėtingumas.

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 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. g 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.– 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 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– į kiekvieno apvalkalo pokerius (orbitas). s-elektronai, antrasis gali turėti 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– į kiekvieno apvalkalo pokerius (orbitas). p- Ir

- 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 lygus protonų skaičių sumai Z = 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. + A ir neutronai

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 ( 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.= 82) ir neutronai ( A = 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 vykstant gamtoje esančių elementų branduolinės transformacijos reakcijoms.

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 p- arba 5 p-elektroniniai apvalkalai, atitinkamai, užpildžius išorinį 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.– į kiekvieno apvalkalo pokerius (orbitas). 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.

Tačiau reikia pasakyti, kad didėjant atominiam skaičiui elementų tarnavimo laikas mažėja nereguliariai. Kitas numatomas supersunkių elementų stabilumo regionas, atsirandantis dėl uždarų neutronų ar protonų apvalkalų branduolyje, turėtų būti šalia dvigubai magiško branduolio, turinčio 164 protonus ir 308 neutronus. Galimybės atrasti tokius elementus dar nėra aiškios.

Taigi periodinės elementų lentelės ribos klausimas vis dar išlieka. Remiantis elektronų apvalkalų užpildymo didėjančiu elemento atominiu skaičiumi taisyklėmis, numatomame 8-ajame periodinės lentelės periode turėtų būti superaktinidinių elementų.. Dubnoje jie nusprendė pasukti naujais keliais ir nusitaikyti švino Ir bismutas.

Branduolys, kaip ir visas atomas, turi apvalkalo struktūra. Ypač stabilūs yra atomų branduoliai, kuriuose yra 2-8-20-28-50-82-114-126-164 protonai (tai yra, atominiai branduoliai su tuo pačiu atominiu numeriu) ir 2-8-20-28-50-82-126 - 184-196-228-272-318 neutronų, dėl pilnos jų apvalkalų struktūros. Tik neseniai šias nuomones pavyko patvirtinti kompiuteriniais skaičiavimais.

Šis neįprastas stabilumas patraukė mano dėmesį, visų pirma, tiriant tam tikrų elementų paplitimą erdvėje. Izotopai, turintys šiuos branduolinius skaičius, vadinami magija. Bismuto izotopas 209Bi, turintis 126 neutronus, yra toks stebuklingas nuklidas. Tai taip pat apima izotopus deguonies, kalcio, alavo. Du kartus magija: heliui - izotopas 4 He (2 protonai, 2 neutronai), kalciui - 48 Ca (20 protonų, 28 neutronai), švinui - 208 Pb (82 protonai, 126 neutronai). Jie išsiskiria labai ypatingu šerdies stiprumu.

Panaudojus naujo tipo jonų šaltinius ir galingesnius sunkiųjų jonų greitintuvus – Dubnoje buvo suporuoti U-200 ir U-300 agregatai, G. N. Flerovo ir Yu Ts sunkiųjų jonų srautas su nepaprasta energija. Kad pasiektų branduolių sintezę, sovietų fizikai į taikinius iš švino ir bismuto paleido chromo jonus, kurių energija buvo 280 MeV. Kas galėjo nutikti? 1974 m. pradžioje Dubnos atominės energetikos mokslininkai užfiksavo 50 tokio bombardavimo atvejų, o tai rodo 106 elemento susidarymas, kuris vis dėlto suyra po 10 -2 s. Šie 50 atomų branduolių buvo suformuoti pagal schemą:

208 Pb + 51 Cr = 259 X

Šiek tiek vėliau Ghiorso ir Seaborgas iš Lawrence Berkeley laboratorijos pranešė, kad jie susintetino naujos medžiagos izotopą. 106 -th, elementas, kurio masės numeris 263, bombarduojant kalifornį-249 deguonies jonais Super-HILAC aparate.

Iki 1976 m. pabaigos Dubnos branduolinių reakcijų laboratorija baigė 107 elemento sintezės eksperimentų seriją; buvo pradinė medžiaga Dubnos „alchemikams“ magiškas"Bismutas-209. Bombarduojamas chromo jonais, kurių energija buvo 290 MeV, jis virto izotopu 107 - elementas:

209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 n

107 elementas spontaniškai skyla, jo pusinės eliminacijos laikas yra 0,002 s, taip pat išskiria alfa daleles.

106 ir 107 elementų pusinės eliminacijos laikas yra 0,01 ir 0,002 s, todėl buvome atsargūs. Mat jos pasirodė keliomis eilėmis didesnės nei prognozuota kompiuteriniais skaičiavimais. Galbūt 107-asis elementas jau buvo pastebimai paveiktas tolesnio magiško protonų ir neutronų skaičiaus artumo - 114, padidinančio stabilumą?
Jei taip yra, tada buvo vilties gauti ilgaamžius 107-ojo elemento izotopus, pavyzdžiui, gliaudant. Berklis neoniniai jonai. Skaičiavimai parodė, kad šios reakcijos metu susidaręs neutronų turtingas izotopas pusinės eliminacijos laikas viršytų 1 s. Tai leistų ištirti 107 elemento chemines savybes - ekarenija.

Ilgiausiai gyvenančio pirmojo transurano izotopo, elemento 93, neptulio-237, pusinės eliminacijos laikas yra 2 100 000 metų; stabiliausias 100 elemento izotopas fermis-257 išsilaiko tik 97 dienas. Pradedant nuo 104 elemento pusinės eliminacijos laikas yra tik sekundės dalys. Todėl atrodė, kad visiškai nėra vilties atrasti šiuos elementus. Kodėl reikalingi tolesni tyrimai?

Albertas Ghiorso, pagrindinis JAV transuranų specialistas, kartą kalbėjo šiuo klausimu: Priežastis ir toliau ieškoti tolesnių elementų yra tiesiog patenkinti žmogaus smalsumą – kas vyksta kitame gatvės kampe?„Tačiau tai, žinoma, nėra tik mokslinis smalsumas, tačiau Ghiorso aiškiai parodė, kaip svarbu tęsti tokius fundamentinius tyrimus.

60-aisiais stebuklingų branduolinių skaičių teorija tapo vis svarbesnė. „Nestabilumo jūroje“ mokslininkai desperatiškai bandė rasti gelbėjimo būdą. santykinio stabilumo sala“, ant kurios galėtų tvirtai remtis atominio tyrinėtojo pėda. Nors ši sala dar neatrasta, jos „koordinatės“ žinomos: elementas 114, ekas veda, laikomas didelio stabilumo regiono centru. 114 elemento izotopas 298 ilgą laiką buvo ypatingas mokslinių diskusijų objektas, nes su 114 protonų ir 184 neutronais jis yra vienas iš tų dvigubai magiškų atomų branduolių, kurie, kaip prognozuojama, tęsis ilgą laiką. Tačiau ką reiškia ilgalaikis egzistavimas?

Preliminarūs skaičiavimai rodo: alfa dalelių pusinės eliminacijos laikas svyruoja nuo 1 iki 1000 metų, o spontaniško dalijimosi atveju - nuo 10 8 iki 10 16 metų. Tokie svyravimai, kaip nurodo fizikai, paaiškinami „kompiuterinės chemijos“ aproksimacija. Numatomas labai džiuginantis pusinės eliminacijos laikas kitai stabilumo salai – 164 elementui, dvislead. Elemento 164, kurio masės skaičius 482, izotopas taip pat yra dvigubai magiškas: jo branduolį sudaro 164 protonai ir 318 neutronų.

Mokslas yra įdomus ir paprastas magiški supersunkieji elementai pvz., 110 elemento izotopas-294 arba elemento 126 izotopas-310, kuriame yra 184 neutronai. Nuostabu, kaip tyrinėtojai gana rimtai žongliruoja šiais įsivaizduojamais elementais, tarsi jie jau egzistuoja. Iš kompiuterio išgaunama vis daugiau naujų duomenų ir dabar tikrai žinoma, kas savybės – branduolinės, kristalografinės ir cheminės – šie itin sunkūs elementai turi turėti. Specializuotoje literatūroje kaupiami tikslūs duomenys apie elementus, kuriuos žmonės galbūt atras po 50 metų.

Atominiai mokslininkai šiuo metu plaukioja nestabilumo jūroje ir laukia atradimų. Už jų buvo tvirta žemė: pusiasalis su natūraliais radioaktyviais elementais, pažymėtas torio ir urano kalvomis, ir toli siekiantis tvirtas gruntas su visais kitais elementais ir viršūnėmis. švinas, skarda Ir kalcio.
Drąsūs jūreiviai jau seniai buvo atviroje jūroje. Netikėtoje vietoje jie aptiko smėlyną: atviri elementai 106 ir 107 buvo stabilesni nei tikėtasi.

Pastaraisiais metais ilgą laiką plaukėme nestabilumo jūra, tvirtina G. N. Flerovas, ir staiga, paskutinę akimirką, pajutome žemę po kojomis. Atsitiktinis povandeninis uolas? Arba ilgai lauktos stabilumo salos smėlio krantas? Jei antrasis teisingas, mes turime realią galimybę kurti nauja periodinė stabilių supersunkių elementų sistema su nuostabiomis savybėmis.

Po to, kai tapo žinoma hipotezė apie stabilius elementus, esančius šalia serijos numerių 114, 126, 164, mokslininkai visame pasaulyje puolė į juos. super sunkus"atomai. Kai kuriuos iš jų, tariamai ilgą pusamžį, buvo tikimasi rasti Žemėje arba Kosmose, bent jau pėdsakų pavidalu. Juk kai atsirado mūsų Saulės sistema, šie elementai egzistavo kaip ir visi kiti .

Supersunkių elementų pėdsakai- Ką čia reikia suprasti? Dėl savo sugebėjimo spontaniškai suskilti į du branduolinius fragmentus, turinčius didelę masę ir energiją, šie transuranai aplinkinėje materijoje būtų palikę aiškius sunaikinimo pėdsakus.
Panašūs pėdsakai gali būti matomi mineraluose po mikroskopu, kai jie buvo išgraviruoti. Naudojant šį pėdsakų naikinimo metodą, dabar galima atsekti seniai mirusių elementų egzistavimą. Iš paliktų pėdsakų pločio galima įvertinti ir elemento eilinį skaičių – takelio plotis proporcingas branduolinio krūvio kvadratui.
Jie taip pat tikisi identifikuoti „gyvus“ itin sunkius elementus, remdamiesi tuo, kad jie pakartotinai skleidžia neutronus. Savaiminio dalijimosi proceso metu šie elementai išskiria iki 10 neutronų.

Supersunkių elementų pėdsakų buvo ieškoma mangano mazgeliuose iš vandenyno gelmių, taip pat vandenyse, ištirpus ledynams poliarinėse jūrose. Rezultatų vis dar nėra. G. N. Flerovas su kolegomis apžiūrėjo senovinės XIV amžiaus vitrinos švininį stiklą, XIX amžiaus Leydeno stiklainį ir XVIII amžiaus švino krištolo vazą.
Iš pradžių buvo matyti keli savaiminio dalijimosi pėdsakai ekas veda- 114 elementas. Tačiau Dubnos mokslininkams pakartojus savo matavimus itin jautriu neutronų detektoriumi giliausioje Sovietų Sąjungos druskos kasykloje, teigiamo rezultato nesulaukė. Kosminė spinduliuotė, kuri, matyt, ir sukėlė pastebėtą efektą, negalėjo prasiskverbti iki tokio gylio.

1977 m. profesorius Flerovas pasiūlė, kad jis pagaliau atrado " naujo transurano signalai“ tyrinėdamas gilius Chelekeno pusiasalio terminius vandenis Kaspijos jūroje.
Tačiau praneštų atvejų skaičius buvo per mažas, kad būtų galima aiškiai klasifikuoti. Po metų Flerovo grupė užregistravo 150 spontaniškų padalinimų per mėnesį. Šie duomenys buvo gauti dirbant su jonų keitikliu, užpildytu nežinomu transuranu iš terminių vandenų. Flerovas apskaičiavo, kad esamo elemento, kurio jam dar nepavyko išskirti, pusėjimo trukmė yra milijardai metų.

Kiti tyrinėtojai pasuko skirtingais keliais. Profesorius Fowleris ir jo kolegos iš Bristolio universiteto ėmėsi eksperimentų su balionais dideliame aukštyje. Naudojant nedidelių kiekių branduolių detektorius, buvo identifikuota daugybė sričių, kuriose branduoliniai krūviai viršija 92, Anglijos mokslininkai manė, kad vienas iš pėdsakų rodė net 102...108 elementus. Vėliau jie padarė pakeitimą: nežinomo elemento serijos numeris 96 ( curium).

Kaip šios itin sunkios dalelės patenka į Žemės rutulio stratosferą? Iki šiol buvo iškeltos kelios teorijos. Anot jų, sunkieji atomai turėtų atsirasti supernovų sprogimų ar kitų astrofizinių procesų metu ir Žemę pasiekti kosminės spinduliuotės ar dulkių pavidalu – bet tik po 1000 – 1 000 000 metų. Šiuo metu šių kosminių telkinių ieškoma tiek atmosferoje, tiek giluminėse jūros nuosėdose.

Taigi, kosminėje spinduliuotėje galima rasti itin sunkių elementų? Tiesa, pasak amerikiečių mokslininkų, kurie 1975 metais ėmėsi „Skylab“ eksperimento, ši hipotezė nepasitvirtino. Kosminėje laboratorijoje, kuri skriejo aplink Žemę, buvo sumontuoti detektoriai, kurie sugeria sunkias daleles iš kosmoso; buvo tik atrasti žinomų elementų takeliai.
Mėnulio dulkės, sugrąžintos į Žemę po pirmojo nusileidimo į Mėnulį 1969 m., buvo ne mažiau kruopščiai ištirtos, ar nėra supersunkių elementų. Kai buvo rasta „ilgaamžių“ iki 0,025 mm dalelių pėdsakų, kai kurie tyrinėtojai manė, kad juos galima priskirti 110–119 elementams.

Panašūs rezultatai buvo gauti tiriant įvairiuose meteoritų mėginiuose esančią tauriųjų dujų ksenono izotopinę sudėtį. Fizikai išreiškė nuomonę, kad šį poveikį galima paaiškinti tik supersunkių elementų egzistavimu.
Sovietų mokslininkai Dubnoje, išanalizavę 20 kg Allende meteorito, 1969 metų rudenį nukritusio Meksikoje, per tris mėnesius trukusio stebėjimo sugebėjo aptikti kelis savaiminius skilimus.
Tačiau po to, kai buvo nustatyta, kad „natūralus“ plutonis-244, kuris kadaise buvo neatsiejama mūsų saulės sistemos dalis, palieka visiškai panašius pėdsakus, aiškinimas pradėtas vykdyti atidžiau.

Peteris Armbrusteris, Gottfriedas Münzerbergas

Subtilus kvantinis mechaninis poveikis stabilizuoja branduolius, kurie yra daug sunkesni nei gamtoje. Eksperimentuotojai turėjo peržiūrėti savo idėjas, kaip geriausiai susintetinti tokius itin sunkius elementus

Už Per pastaruosius 20 metų daugelyje pasaulio šalių fizikų dėmesį patraukė itin sunkiųjų elementų gavimo problema. Darmštate, Sunkiųjų jonų tyrimų institute (HIR), pasiekėme tam tikros sėkmės sintezuodami 107, 108 ir 109 elementų branduolius. Šie branduoliai yra už 106-ojo protono „slenksčio“, o tai žymi anksčiau egzistavusio protono ribą. sunkiųjų elementų gavimo ir identifikavimo metodai .

Eksperimentiniai branduolinių masių matavimai ir teorinė analizė rodo, kad šių naujų elementų stabilumą pirmiausia lemia jų protonų ir neutronų sistemų mikrostruktūra, o ne makroskopinės savybės, lemiančios lengvesnių branduolių stabilumą. Tačiau susidūrėme su problemomis, dėl kurių vis dar sunku pasiekti septintojo dešimtmečio pabaigoje užsibrėžtus tikslus, kai atrodė, kad elementai iki 114 yra pasiekiami. Įveikę šiuos sunkumus padarėme pažangą tyrinėdami branduolinę struktūrą ir branduolių sintezės reakcijų dinamiką.

Nukleosintezė nuėjo ilgą kelią nuo pirmųjų dienų, kai branduoliniuose reaktoriuose buvo gaminami gamtoje neegzistuojantys elementai. Fizikai naudojo vis sunkesnius pagreitintus jonus bombarduoti tikslinius atomus. Paskutinis šio vystymosi žingsnis buvo branduolių „šaltojo sintezės“ metodas, kai dalelių masės ir bombardavimo energija turi būti kruopščiai nustatomos, kad naujai susidariusių branduolių sužadinimas būtų minimalus.

Darbo metu teko peržiūrėti beveik visas pirmines idėjas apie supersunkių elementų sintezę: galimų susintetinti elementų branduoliai yra deformuoti, asferiški, kaip postuluota 1966 m. Sintezijai naudojome stabilią, plačiai paplitusią m. Gamta, sferiniai branduoliai ir pagreitinti jonai nustato vidutines mases, o ne dirbtinius sunkiausius radioaktyvius branduolius ir tinkamai parinktus šviesos pagreitintus jonus, kaip buvo manyta anksčiau. Sintezija turi vykti naudojant mažiausią įmanomą bombardavimo energiją – kiek įmanoma „minkštiau“, nenaudojant „žiaurios jėgos“ perteklinės sąveikos energijos pavidalu, kuri anksčiau, kaip buvo manoma, prisideda prie sintezės proceso.

Sintezės idėja transurano elementai (kurių atominis skaičius didesnis nei 92) atsirado 30-aisiais. 1934 m. Enrico Fermi bombardavo talį lėtais neutronais, kad po beta skilimo (neutrono skilimo į protoną ir elektroną) susidarytų švinas. Dėl neutronų gaudymo ir vėlesnio beta skilimo susidarė elementai, kurių atominiai skaičiai buvo vienu didesni nei pirminiai.

Nuo 1940 m. iki šeštojo dešimtmečio vidurio 93, 94, 99 ir 100 elementai buvo gaminami apšvitinant neutronais. Neatsitiktinai fermis, elementas 100, buvo paskutinis elementų, kuriuos buvo galima pagaminti neutronų gaudymo ir beta, serijoje. skilimas, kurį pasiūlė Fermi: nė vienas jo izotopas nevyksta beta skilimo. Per tą patį laikotarpį švitinimas alfa dalelėmis sukūrė elementus nuo 95 iki 98 ir 101. Šiame procese sunkusis branduolys sugeria du protonus ir du neutronus; šiuo atveju atominis skaičius iš karto padidėja dviem vienetais. Kaip ir visi sunkieji elementai, transuraniniai elementai turi daugiau neutronų nei protonų; pavyzdžiui, plutonis (94 elementas) turi 145 neutronus, kurių bendra masė yra 239; Ilgiausiai gyvenantis fermio izotopas turi 157 neutronus, kurių bendra masė yra 257.

Natūralus būdas gauti daugiau nei 100 elementų buvo laikomas sunkiausių elementų branduolių suliejimas su lengvųjų elementų branduoliais, kuriuose yra daugiau protonų ir neutronų nei helio. Yra iki 99 elementų, nes juos galima sintetinti makroskopiniais svoriais. Berklyje (JAV) ir Dubnoje (SSRS) buvo pastatyti greitintuvai, skirti gaminti sunkiuosius jonus, kurių energijos pakaktų nugalėti elektrostatinėms jėgoms, neleidžiančioms branduolių sintezei. Tarp 1958 ir 1974 m Šie sunkiųjų jonų greitintuvai leido susintetinti elementus nuo 102 iki 106. Šių elementų atradimo prioritetas, taigi ir teisė juos pavadinti, tebėra diskusijų objektas.

Taip sėkmingai Berklyje ir Dubnoje naudojami metodai buvo neveiksmingi norint gauti sunkesnius nei 100 elementų. Norint suprasti, kodėl taip sunku susintetinti itin sunkius elementus ir kodėl kai kurie iš jų gali būti ypač stabilūs, reikia suprasti, kaip branduoliai laikomi kartu kaip visuma arba subyra ir kaip balansuoja skirtingos jėgos. lemiantys jų stabilumą, keičiasi didėjant masei. Poveikis, kurio galima nepaisyti lengvesniems branduoliams, lemia visišką nestabilumą ir santykinai ilgą supersunkių branduolių tarnavimo laiką.

Visiems branduoliams ypač svarbi sąveika tarp stiprių branduolinių jėgų, pritraukiančių ir protonus, ir neutronus, ir elektrostatinių jėgų, kurios atstumia protonus. Kuo branduoliai sunkesni, tuo daugiau juose yra neutronų, o tai tam tikru mastu kompensuoja atstumiančių jėgų tarp protonų įtaką. Tačiau jungties stiprumas tarp nukleonų pasiekia aukščiausią tašką ties geležimi (26 protonai ir 30 neutronų), mažiau nei ketvirtadaliu periodinės lentelės kelio, o vėliau mažėja.

Bet kurio už geležį sunkesnio branduolio skilimą turi lydėti energijos išsiskyrimas, tačiau mažiau masyviems už šviną branduoliams suskaidyti energija yra tokia didelė, kad tokia reakcija gali būti atlikta tik ypatingomis sąlygomis. Kadangi už šviną sunkesni branduoliai gali pereiti į stabilesnę būseną, išskirdami net nedidelę savo nukleonų dalį, jie yra nestabilūs. Natūraliai susidarę torio ir urano izotopai skyla pirmiausia išskirdami alfa daleles. Tik urane ir sunkesniuose elementuose nesužadinti branduoliai gali spontaniškai dalytis.

Iš esmės, didėjant atominiam skaičiui (protonų skaičiui branduolyje), didėja atomų branduolių nestabilumas: jų pusinės eliminacijos laikas sumažėja nuo kelių tūkstančių metų iki milijonųjų sekundės dalių. Tačiau iš branduolio struktūros teorijos išplaukia, kad elementai, kurie yra tik šiek tiek sunkesni už gautus iki šiol, bus stabilesni, o ne mažiau.

Branduoliai su tam tikromis neutronų ir protonų kombinacijomis pasižymi ypač didele rišimo energija; helis-4, deguonis-16, kalcis-40, kalcis-48 ir švinas-208 yra labai stabilūs, palyginti su kaimyniniais elementais. Šios didelės vertės atsiranda dėl apvalkalo struktūros - apvalkalo, laikančio elektronus aplink branduolį, branduolinio ekvivalento. Nukleonų, kurie sudaro visiškai užpildytus (uždarus) apvalkalus, konfigūracijos yra ypač stabilios. Švino apvalkalo struktūra padidina branduolio surišimo energiją 11 milijonų elektronų voltų (MeV), palyginti su hipotetiniu branduolio lašeliu, neturinčiu struktūros ir turinčiu tiek pat neutronų ir protonų. Daugumos branduolių, kurių rišimosi energija yra iki 2 milijardų eV, toks padidėjimas yra palyginti nežymus. Tačiau sunkiausiems elementams, esantiems ant stabilumo ribos, „apvalkalo stabilizavimas“ gali skirtis tarp momentinio skilimo ir santykinai ilgo branduolių egzistavimo.

Branduoliai su uždarais neutronų ir protonų apvalkalais yra ypač stabilūs; po švino tokie apvalkalai atsiranda ties 114 protonų ir 184 neutronų. Apvalkalo teorijos sėkmė numatant lengvųjų branduolių surišimo energiją suteikė vilčių, kad branduoliai, kurių masė artima 298, gali būti taip stipriai stabilizuoti, kad, kaip ir uranas ir toris, galėtų sudaryti santykinai stabilių elementų sritį. Tokie apvalkalu stabilizuoti supersunkieji elementai, skirtingai nei elementai urano-torio srityje, turėtų būti nestabilūs kaip vienarūšiai branduolinės medžiagos lašai.

Pirmasis iš apvalkalo stabilizuotų supersunkių elementų 107, kurio savybės, pasak Fermi, atitiktų ekarenaciją, buvo identifikuotas Darmštate 1981 m., praėjus 47 metams po šios prognozės.

Tada mes gavome ir nustatėme elementus 108 ir 109. Jų surišimo energijų matavimai rodo, kad mes jau patekome į supersunkių elementų sritį. Šiuo metu tiriame apribojimus, kurie neleidžia gaminti dar sunkesnių elementų.

Sunkiųjų elementų sintezė sintezės reakcijose reikalaujama, kad eksperimentuotojas galėtų „nueiti tikslią liniją“ tarp tų bombardavimo metodų, kurių metu susiliejimas nevyksta, ir tų metodų, kurie veda į produkto branduolio skilimą, o ne paliekant jį santykinai stabilioje būsenoje. Naujai susidariusio branduolio įkaitimo sumažėjimas yra svarbiausia priežastis, dėl kurios pereita nuo sunkių taikinių bombardavimo santykinai lengvais jonais prie mažiau masyvių taikinių bombardavimo santykinai sunkesniais jonais (perėjimas inicijuotas Yu. Ts. Oganesyano ir jo bendradarbiai Jungtiniame branduolinių tyrimų institute Dubnoje).

Pavyzdžiui, švinui-208 arba bismutai-209 susiliejus su chromu-54 ar geležimi-58, naujojo branduolio sužadinimo energija yra apie 20 MeV. Tuo pačiu metu sunkiųjų aktinidų taikinių (kalifornio-249, berkelio-249 arba kurio-248) suliejimas su anglimi-12, azotu-15 arba deguonimi-18 sukelia apie 45 MeV sužadinimo energiją.

Branduolys, susidaręs naudojant šviesos jonus ir izaktinidinius taikinius, atvėsta, išskirdamas keturis neutronus. Priešingai, branduolys, suformuotas iš švino ar bismuto ir sunkesnių jonų, atvėsta, išskirdamas tik vieną neutroną. Kadangi tikimybė, kad branduolys atvės išskirdamas neutroną, yra tik keli procentai jo dalijimosi tikimybės, galutinė supersunkių branduolių išeiga žymiai sumažėja kiekvienoje neutronų emisijos kaskados stadijoje. Vieno neutrono relaksacijos mechanizmas kur kas tinkamesnis naujai susiformavusiam branduoliui išsaugoti.

Deja, šaltoji sintezė turi ir trūkumą: šiuo atveju elektrostatinės atstumiančios jėgos tarp dviejų branduolių labiau užkerta kelią jų susiliejimui. Kai susijungia du branduoliai, dalis jų kinetinės energijos paverčiama susidūrusių branduolių tarpinės sistemos sužadinimo energija, todėl negali būti panaudota sintezės barjerui įveikti, o tai savo ruožtu sumažina susiliejimo tikimybę. Šaltosios sintezės atveju, naudojant sunkesnius jonus, artėjant ir pravažiuojant sintezės barjerą paverčiama daugiau kinetinės energijos, o tikimybė įveikti šį barjerą sumažėja, palyginti su reakcijomis tarp lengvųjų jonų ir sunkiausių taikinių.

Jei šiems nuostoliams kompensuoti padidinama pradinė energija, padidės sužadinimo energija ir sumažės susidariusių branduolių skaičius. Dėl to tik 106-asis elementas parodo šaltojo sintezės metodo pranašumus.

Mes parodėme, kad didžiausi sunkiųjų elementų susidarymo skerspjūviai yra siaurame energijos diapazone – maždaug 5 MeB virš sintezės barjero.

Nors Supersunkių branduolių gamybos teorija pati savaime gali būti labai įdomi, tačiau praktiškai tai yra daug sunkesnė užduotis. Teoriniai skaičiavimai turi būti derinami su greitintuvo ir taikinio projektavimu, taip pat su detektorių sistemos, galinčios aptikti supersunkaus branduolio egzistavimą, kai tik jis susintetinamas, sukūrimu. Kai septintojo dešimtmečio pabaigoje fizikų ir chemikų vaizduotę patraukė idėja gauti supersunkius elementus, niekas Vokietijoje neturėjo patirties vykdant nukleosintezę. Pradedantiesiems šioje srityje atsivėrė daug durų. Iš ankstesnių eksperimentų Berklyje ir Dubnoje buvo galima daug pasimokyti, tačiau buvo aišku, kad kopijuojant šiuos tyrimus tolesnės pažangos nepavyks. Reikėjo sunkiųjų jonų greitintuvo, greito atskyrimo metodų naujiems elementams izoliuoti ir atitinkamų metodų jiems identifikuoti. Atsakymo į klausimą, kokios reakcijos turėtų lemti sėkmę, nebuvo.

1969 m. Vokietijos vyriausybė kartu su Heseno valstijos vyriausybe nusprendė finansuoti naujo sunkiųjų jonų tyrimų instituto (Heavy Ion Research Society, GE) Darmštate įkūrimą. Universalus linijinis greitintuvas (UNILAC), su kuriuo eksperimentai atliekami Gaia mieste, pradėjo veikti 1975 m.

UNILAC gali pagreitinti visus jonus iki urano imtinai iki energijos, viršijančios Kulono barjerą. Nuo pat pradžių ši instaliacija buvo skirta sukurti kuo intensyvesnius jonų pluoštus. Ypatingos pastangos buvo dedamos siekiant užtikrinti, kad jonų energiją būtų galima sklandžiai pakeisti ir nustatyti tam tikru lygiu su gana geru atkuriamumu. Akseleratoriaus projektą iš pradžių kūrė K. Schmelzeris ir jo bendradarbiai Heidelberge. Šiuo atveju buvo atsižvelgta į jau sukauptą kitų mokslinių grupių patirtį: jonų šaltiniai buvo Dubnoje naudojamų šaltinių modifikacija, gaminant stipriai įkrautus jonus, o aukšto dažnio sistemoje buvo panaudota Berklyje sukurta Alvarez sistema. tiesinio greitintuvo.

Kai buvo sukurtas UNILAC, daugelis mokslininkų susidūrė su klausimu: koks yra geriausias greitintuvo naudojimo būdas? Kokios reakcijos ir kokie eksperimentiniai metodai turėtų būti naudojami? Pradiniu savo gyvavimo laikotarpiu UNILAC buvo naudojamas įvairiausioms idėjoms išbandyti, tačiau vienintelė sėkminga strategija buvo šaltoji sintezė kartu su atatrankos branduolių (sintezės produktų) transportavimu.

Kadangi Po plutonio atradimo 1941 m. buvo susintetinta apie 400 tonų šio elemento, o tai atitinka 10 30 atomų. Kita vertus, buvo gauti ir identifikuoti tik keli 109 elemento atomai. Kodėl sunkiausi elementai gaunami tokiais nykstingai mažais kiekiais? Atsakymas yra toks, kad plutoniui gaminti tonos neutronų bombarduoja kelių centimetrų ar didesnio storio urano-238 blokus, o UNILAC paspartina tik 100 mikrogramų geležies-58, kad bombarduotų kelių šimtų nanometrų storio švino-208 taikinį. Be to, neutronų gaudymo reakcijos, kuri gamina plutonį-239, skerspjūvis yra maždaug 10 trilijonų kartų didesnis nei sintezės reakcijos, kuri gamina elementą 109, skerspjūvis.

Sunkumai gaunant sunkesnius elementus yra tik dalis problemos. Susintetinti elementai, tokie kaip 109, suyra taip greitai, kad sintezė negali neatsilikti nuo skilimo. Sunkiausi elementai yra tokie trumpalaikiai, kad švitinimo pabaigoje visi susidarę atomai jau suiro. Todėl šie atomai turi būti aptikti ir identifikuoti jų gamybos proceso metu.

Elementų iki 106 gavimo ir registravimo metodai daugiausia buvo pagrįsti mechaninėmis priemonėmis, pernešančiomis susidariusius atomus iš reakcijos zonos į detektorius. Transportavimo laikas tarp reakcijos produktų susidarymo ir aptikimo buvo nustatomas pagal jų perdavimo dujų sraute greitį, difuzijos nuo kietų paviršių laiką arba besisukančių taikinių greitį. Tačiau šie metodai nebuvo pakankamai geri, kad būtų galima aptikti sunkesnius nei 106 elementus, o tai privertė nepriimtinus kompromisus tarp greičio ir aptikimo tikslumo, todėl naudojant greitesnius metodus buvo neįmanoma patikimai identifikuoti naujų izotopų.

Norėdami transportuoti gautus branduolius į detektorius, pasirinkome metodą, pagrįstą atatrankos greičiu, kurį reakcijos produktai įgyja iš sunkiųjų jonų. Sunkiajam jonui susidūrus su tiksliniu atomu ir su juo susiliejus, susidaręs branduolys juda pirminio jono judėjimo kryptimi maždaug kelių procentų šviesos greičio greičiu. Dėl to galima aptikti branduolius, kurių pusinės eliminacijos laikas yra iki 100 ns.

Nors atatrankos branduolių transportavimo technika leidžia aptikti ir identifikuoti labai trumpalaikius branduolius, aptikimo technika tampa sudėtingesnė. Iš reakcijos zonos dideliu greičiu palieka ne tik atskiri branduoliai, susidarę sintezės reakcijoje, bet ir trilijonai sunkiųjų jonų, taip pat tūkstančiai atomų, išmuštų iš taikinio. Norėdami atskirti supersunkius branduolius nuo liekamojo pluošto, sukūrėme specialų greičio filtrą - reakcijos produktų su sunkiaisiais jonais separatorių SHIP (Separator for Heavy-Ion Reaction Products), sukurtą kartu su Gieseno universiteto Antrojo fizikos instituto specialistais. Remiantis branduolių susidūrimo ir susiliejimo kinematika, galima iš anksto apskaičiuoti susiliejimo produktų atatrankos greitį. Todėl juos galima išskirti gana paprastai.

Greičio filtras susideda iš dviejų pakopų, kurių kiekviena apima elektrinį ir magnetinį lauką. Šie du laukai nukreipia įkrautas daleles priešingomis kryptimis; Tik tam tikrą greitį turinčiam branduoliui laukų įtaka yra atmetama ir ji toliau juda įrenginio vidurinėje plokštumoje. Toks tandeminis filtras 100 milijardų kartų sumažina pagreitintų jonų, patenkančių į aptikimo sritį, skaičių, o išmuštų tikslinių branduolių skaičių – 1000 kartų. Pašalinus beveik visas nepageidaujamas daleles iš pluošto, SHIP spektrometras leidžia praeiti daugiau nei 40 070 sintezės produktų. Už spektrometro esantys detektoriai fiksuoja pro spektrometrą einančių dalelių skilimo grandines, todėl galima vienareikšmiškai identifikuoti sintezės produktus.

Pirmasis aptikimo sistemos elementas yra skrydžio laiko įtaisas, leidžiantis trečią kartą matuoti dalelės greitį (pirmieji du matavimai būdingi greičio filtro principui). Praėjus šiam prietaisui, dalelė implantuojama į padėties atžvilgiu jautrius silicio paviršiaus barjerinius detektorius, kurie fiksuoja jos energiją ir smūgio vietą. Kadangi skrydžio laiko ir energijos derinys leidžia apytiksliai nustatyti dalelės masę, galima atskirti sintezės produktus nuo išsibarsčiusių jonų ir išmuštų taikinių branduolių.

Norint patikimai identifikuoti branduolį, vis dėlto būtina nustatyti ryšį tarp jo irimo ir radioaktyvių dukterinių produktų skilimo. Skilimo įvykiai, kuriuos sukelia tas pats branduolys, turi turėti tas pačias erdvines koordinates, o dukterinių branduolių tipas, energija ir pusinės eliminacijos laikas yra žinomi iš ankstesnių matavimų.

Nustačius tokius koreliuojamus skilimo įvykius, galima vienareikšmiškai identifikuoti kiekvieną sintezės produkto branduolį. Nors atsitiktinis branduolys, nusileidęs toje pačioje vietoje kaip ir dominantis sintezės produktas, gali suirti ir sukurti erdviniu ryšiu susietą signalą, mažai tikėtina, kad jo skilimo energija, pusinės eliminacijos laikas ir skilimo režimas atitiks tuos, kurių tikimasi sintezės produktui. Tokias irimo grandines stebėjome iki ketvirtos kartos; tikimybė, kad tokia koreliuojančių įvykių serija yra atsitiktinė, yra nuo 10 –15 iki 10 –18. Jei tiriamo izotopo sukelti koreliuojami įvykiai stebimi kartą per dieną, tai atsitiktinio įvykių, imituojančių keturias skilimo įvykių kartas, atsiradimo galima tikėtis 100 kartų ilgesniam nei Žemės amžius. Dėl to net vienas įvykis gali nedviprasmiškai parodyti tam tikro supersunkaus izotopo egzistavimą.

Tarp 1981 ir 1986 m kartu su kolegomis P. Hessbergeriu, Z. Hofmannu, M. Leino, W. Reisdorfu ir K.-H. Schmidt, mes panaudojome UNILAC, SHIP ir jų aptikimo sistemą 107-109 elementų sintezei ir identifikavimui. 107 ir 108 su masės skaičiais atitinkamai 261 ir 264.

1981 m. mes gavome elemento 107 izotopą, kurio masės skaičius yra 262, bombarduodami bismutą 209 chromo-54 jonais. 107 elemento nelyginiam izotopui (kuris turi nelyginį protonų ir neutronų skaičių) nustatėme penkias alfa dalelių energijas, kurios leidžia suprasti branduolinės energijos lygius; taip pat galime pranešti, kad šis izotopas turi izomerą (ilgalaikę sužadintą būseną).

109 elementas buvo identifikuotas remiantis vienos skilimo grandinės stebėjimu, aptikta 1982 m. rugpjūčio 29 d. 16:10 reakcijoje tarp geležies-58 ir bismuto-209. 266 109 branduolys egzistavo 5 ms, kol išskleidė alfa dalelę, kurios energija buvo 11,1 MeV; susidaręs 107-ojo elemento branduolys po 22 ms subyrėjo į 105-ąjį elementą; 105-asis elementas suskilo į 104-ąjį elementą, po kurio sekė 12,9, savaime skilus jo branduoliui. Iš šio vienintelio įvykio buvo įmanoma, nors ir ribotu tikslumu, nustatyti skilimo energiją, pusėjimo trukmę ir reakcijos skerspjūvį. Dar dvi skilimo grandinės buvo pastebėtos 1988 m. pradžioje, praėjus šešeriems metams po 100-ojo elemento identifikavimo. Jie patvirtino 1982 metais užfiksuoto įvykio interpretaciją.

1984 metais Reakcijoje tarp geležies-58 ir švino-208 nustatėme tris izotopo 265108 skilimo grandines. Du nustatyti elementų 107 ir 109 izotopai yra nelyginiai ir mažai tikėtina, kad jie dalytųsi, tačiau 108 elemento izotopas turi lyginį protonų skaičių ir nelyginį neutronų skaičių. Nors nelyginiai izotopai daug labiau dalijasi, izotopas 265108 taip pat patiria alfa skilimą.

Ypač įdomu tai, kad nė vienas elementų 107–109 izotopas neskilsta savaime, o lyginiai izotopai 265104, 260106 ir 264108 turi maždaug tokį patį stabilumą, palyginti su savaiminiu skilimu.

Maždaug pastovus stabilumo lygis rodo, kaip apvalkalą stabilizuojantis poveikis konkuruoja su bendru stabilumo sumažėjimu, kai didėja branduolinė masė.

Už 104 ir 105 elementų yra nedidelė „sala“ iš branduolių, kurie, išskirdami alfa daleles, suyra, sudarydami žinomus lengvesnių elementų izotopus. Tokie alfa skilimo įvykiai leidžia nustatyti šių supersunkių elementų surišimo energiją. Jei žinoma dukterinio branduolio surišimo energija, tai kiekviename etape pirminio branduolio rišimosi energija gali būti apskaičiuojama pagal alfa skilimo energiją. Jei žinoma galutinio produkto surišimo energija, tada per alfa skilimo įvykių grandinę galima pasiekti pradinio grandinės branduolio rišimo energijas. Kadangi užfiksuotas 108 ir 100 elementų (kiekvienu atveju po vieną įvykį) ir 106 elemento skilimas (per kelis įvykius), galima atkurti grandinę 264 108 260 106 256 104 252 102. Šių branduolių surišimo energijos yra atitinkamai 120, 106 ir 94 MeV.

Visiems izotopams nuo urano-232 iki 264 108, kurie yra surišti alfa skilimo procese, apvalkalo korekcija iki surišimo energijos palaipsniui didėja; atitinkamos vertės padidėja nuo 1-2 iki 6-7 MeV. Tiesą sakant, visi elementai nuo urano iki 108 elemento turi vienodai aukštas dalijimosi barjeras – apie 6 MeV. Skirtingai nuo urano, kuris vis dar yra stabilus kaip branduolinis lašelis, 100 ir 108 elementų stabilumas yra visiškai dėl jų daugelio dalelių fermionų sistemų kvantinės mechaninės struktūros. Naujausi teoriniai darbai numato dalijimosi kliūtis, kurios atitinka mūsų matavimus.

Elemento gyvavimo trukmė, palyginti su skilimu, daugiausia priklauso nuo dalijimosi barjero aukščio ir pločio. Korpuso pataisymai padidina 106 ir 108 elementų tarnavimo laiką 15 dydžių kategorijų. Pagal logaritminę skalę stebimas gyvavimo laikas yra intervalo tarp vidinio branduolio laiko (apie 10–21 s nesurištos nukleonų sistemos irimo) ir Visatos amžiaus (10 18 s) viduryje. Nauji elementai yra nestabilūs tik lyginant su žmogaus gyvenimo trukme (2·10 9 s). Kad atitiktų šios skalės stabilumą, tarnavimo laikas turi pailgėti 12 dydžių kategorijų. Tačiau branduolinė fizika nėra pagrįsta žmogaus laiko skalėmis.

Atrado mūsų Alfa radioaktyviųjų izotopų „sala“ yra tiesioginė jų stabilizavimosi dėl apvalkalo poveikio pasekmė. Taigi sferinių supersunkių branduolių stabilizavimas šalia elemento 114, prognozuotas 60-ųjų pabaigoje, prasideda daug anksčiau nei tikėtasi ir palaipsniui didėja. Siauroje nestabilumo srityje už švino, tarp 83 ir 90 elementų, apvalkalo poveikis susilpnėja. Tačiau intervale tarp 92 ir 114 elementų apvalkalo korekcijos reikšmė lėtai ir monotoniškai didėja.

Netgi šalia supersunkių branduolių „salos“ stabilizavimas vyksta dėl fermioninių sistemų kvantinės mechaninės struktūros, o „žemyninėje dalyje“ branduolių stabilizavimas vyksta dėl makroskopinių skysčio-lašelių savybių. Elementų 107 109 branduoliai yra „užtvankoje“ tarp „salos“ ir „žemyninės dalies“, todėl naujus izotopus galima priskirti tiek „salai“, tiek „žemynui“. Bet kokiu atveju – kaip ir itin sunkūs elementai – jie buvo pastebėti tik dėl korpuso pagrindinių būsenų stabilizavimo.

Iš naujausių teorinių prognozių dėl apvalkalo pataisų iki surišimo energijos išplaukia, kad tarp 106 ir 126 elementų turėtų būti maždaug 400 supersunkių branduolių sritis su skilimo barjerais, viršijančiais 4 MeV. Visų šių izotopų pusinės eliminacijos laikas turi būti ilgesnis nei 1 μs; Jei juos galima susintetinti, tada juos galima aptikti naudojant esamus metodus. Manoma, kad ypač stabilios sritys yra šalia izotopų 273109 ir 291115. Kai neutronų skaičius yra apie 166, pagrindinės būsenos deformacija pasikeičia. Izotopai, turintys mažiau neutronų, deformuojasi, o sunkesni izotopai yra sferiniai.

Už Per pastaruosius 20 metų visi bandymai gauti izotopų netoli numatomo stabilumo centro – 298 114 branduolio – buvo nesėkmingi. Šių supersunkių izotopų nebuvo įmanoma aptikti nei sintezės reakcijose, nei kitose reakcijose, kuriose dalyvauja sunkiųjų jonų. Nepaisant to, pagrindinė mintis apie apvalkalo stabilizuotų nukleonų sistemų egzistavimo galimybę, be stabilių branduolinių lašelių, patvirtinama aukščiau aprašytais eksperimentais. Teoriškai vis dar yra priežasčių tikėti ekstrapoliacija į net sunkesnius elementus.

Dabar kyla įdomus klausimas: kas galiausiai trukdo sukurti šiuos „trapius“ objektus? Kai kurie svarbūs paaiškinimai buvo gauti atlikus mūsų intensyvius sintezės reakcijų tyrimus. Korpuso stabilizuotas branduolys, sferinis pagrindinėje būsenoje, gali būti sunaikintas net esant 15 MeV sužadinimo energijai, tai eksperimentiškai įrodė K.-H. Schmidtas dar 1979 m., o deformuoti branduoliai gali būti išsaugoti esant žadinimo energijai iki 40 MeV. Net reakcijoje tarp kalcio-48 ir kurio-248 (tinkamiausia reakcija), sužadinimo energija yra apie 30 MeV. Iš to išplaukia, kad supersunkius elementus galima gauti tik su deformuotais branduoliais. Tačiau iki šiol tokie bandymai buvo sėkmingi tik elementams, kurių atominis skaičius mažesnis nei 110.

Kaip minėta anksčiau, dviejų branduolių susiliejimą, dėl kurio susidaro ypač sunkus branduolys, nuo pat pradžių apsunkina poreikis įveikti sintezės barjerą. Tam tikram produkto branduoliui šis barjeras yra minimalus, kai sunkiausius taikinius bombarduoja lengviausi įmanomi jonai. Nepaisant šio pranašumo, šis asimetriškiausias derinys turi trūkumą, nes maksimalus gaminio šerdies įkaitimas, dėl kurio atsiranda didelių dalijimosi nuostolių deaktyvavimo proceso metu. Kuo mažiau asimetriškas derinys, tuo mažesni nuostoliai aušinimo stadijoje. Geriausias kompromisas tarp mažų nuostolių paskutiniame etape ir didelės susidarymo tikimybės pradiniame etape yra simetriškesni deriniai su tiksliniais branduoliais arti švino.

Švino ir bismuto naudojimas kaip taikiniai suteikia dvigubą apvalkalo efekto naudą šiuose branduoliuose: dėl stipraus šių branduolių sujungimo su dvigubai uždarais apvalkalais sumažėja daugiau nei 10 MeV į produkto branduolį perduodama energija ir atitinkamai sumažėja nuostoliai dėl dalijimosi. Be to, tikimybė įveikti sintezės barjerą padidėja, jei reakcijoje naudojami sferiniai, labai surišti ir santykinai standūs branduoliai. Čia vėl atsiranda stiprus švino apvalkalo poveikis, bet šį kartą proceso dinamikoje.

Dabar pradedame suprasti, kodėl bus labai sunku gauti net sunkesnių elementų. Tik sintezės reakcijos partnerių, turinčių uždarus apvalkalus, apvalkalo korekcijų derinys, apvalkalo efektai dinamikoje ir padidėjęs sužadintų deformuotų supersunkių branduolių stabilumas leido susintetinti kelis lengviausių supersunkių elementų izotopus. Turėjome išplėsti pradinį klausimą apie apvalkalo stabilizuotų branduolių egzistavimą, įtraukiant apvalkalo korekcijų poveikį visuose reakcijos etapuose. Kuriant šiuos sudėtingus ir trapius objektus ypač svarbu į jungimo procesą įvesti jau egzistuojančią tvarką, išvengiant nereikalingo netvarkos.

Kaip gauti šiuos itin sunkius elementus? 110 ir 111 elementams bus galima taikyti metodus, kuriuos sukūrėme reakcijose tarp nikelio-62 ir švino-208 arba bismuto-209. Susiformavus šiems elementams, norint juos aptikti, prireiks ne tiek iš esmės naujų žinių, kiek praturtinto izotopo poreikių tenkinimo ir kantrybės išmokti valdyti savo įrangą ir atlikti eksperimentus kelis mėnesius.