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 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 E. Rutherfordo, N. Bohro ir kitų mokslininkų darbuose buvo įrodyta sudėtinga atomo sandara. 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 lygus protonų skaičių sumai Z ir neutronai = Masinis skaičius + elemento atomas 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 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 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 ši perteklinė energija, kai nevyksta branduolio dalijimasis, išsklaido - spindulių (didelės energijos elektromagnetinės spinduliuotės) ir neutronų „išgaravimo“ 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 įrodyta, 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 kurio 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.

Pagal nusistovėjusią tradiciją 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.

Supersunkių elementų, sudarančių vadinamąją „stabilumo salą“, sintezė yra ambicingas šiuolaikinės fizikos uždavinys, kurį sprendžiant Rusijos mokslininkai lenkia visą pasaulį.

2011 m. birželio 3 d. ekspertų komisija, kurioje dalyvavo Tarptautinių grynosios ir taikomosios chemijos (IUPAC) ir fizikos sąjungų (IUPAP) specialistai, oficialiai pripažino 114 ir 116 periodinės lentelės elementų atradimą. Atradimo prioritetas buvo suteiktas fizikų grupei, kuriai vadovavo Rusijos mokslų akademijos akademikas Jurijus Oganesjanas iš Jungtinio branduolinių tyrimų instituto, padedant amerikiečių kolegoms iš Livermoro nacionalinės laboratorijos. Lorensas.

RAS akademikas Jurijus Oganesjanas, JINR Branduolinių reakcijų laboratorijos vadovas

Nauji elementai tapo sunkiausiais iš įtrauktų į periodinę lentelę ir gavo laikinus pavadinimus ununquidium ir unungexium, sudarytus iš lentelės serijos numerio. Rusijos fizikai pasiūlė elementus pavadinti „flerovium“ sovietinio branduolinio fiziko, branduolių dalijimosi ir naujų elementų sintezės specialisto Georgijaus Flerovo garbei, o Maskvos srities – „moskoviu“. Be 114 ir 116 elementų, JINR anksčiau buvo susintetinti cheminiai elementai, kurių serijos numeriai yra 104, 113, 115, 117 ir 118, o 105-asis lentelės elementas buvo suteiktas Dubnos fizikų indėlio į šiuolaikinį mokslą garbei. pavadinimas „Dubnium“.

Elementai, kurių gamtoje nėra

Šiuo metu visas mus supantis pasaulis susideda iš 83 cheminių elementų – nuo ​​vandenilio (Z=1, Z – protonų skaičius branduolyje) iki urano (Z=92), kurio gyvavimo laikas yra ilgesnis nei saulės energijos. sistema (4,5 mlrd. metų) . Sunkesni elementai, atsiradę nukleosintezės metu netrukus po Didžiojo sprogimo, jau suiro ir iki šių dienų neišliko. Uranas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra apie 4,5 x 10 8 metų, vis dar irsta ir radioaktyvus. Tačiau praėjusio amžiaus viduryje mokslininkai išmoko gauti gamtoje neegzistuojančių elementų. Tokio elemento pavyzdys – branduoliniuose reaktoriuose gaminamas plutonis (Z=94), kurio pagaminama šimtais tonų ir yra vienas galingiausių energijos šaltinių. Plutonio pusinės eliminacijos laikas yra žymiai trumpesnis nei urano, bet vis tiek pakankamai ilgas, kad būtų galima manyti, kad gali egzistuoti sunkesni cheminiai elementai. Atomo, kurį sudaro branduolys, turintis teigiamą krūvį ir tūrį, ir elektronų orbitalės, koncepcija rodo galimybę egzistuoti elementų, kurių atominis skaičius yra iki Z = 170. Tačiau iš tikrųjų dėl procesų, vykstančių pačioje šerdyje, nestabilumo sunkiųjų elementų egzistavimo riba nubrėžiama daug anksčiau. Gamtoje stabilūs dariniai (elementų branduoliai, susidedantys iš įvairaus protonų ir neutronų skaičiaus) susidaro tik iki švino ir bismuto, o po to seka mažas Žemėje randamas torio ir urano pusiasalis. Tačiau kai tik elemento serijos numeris viršija urano skaičių, jo tarnavimo laikas smarkiai sumažėja. Pavyzdžiui, 100 elemento branduolys yra 20 kartų mažiau stabilus nei urano branduolys, o ateityje šis nestabilumas tik stiprės dėl savaiminio branduolių dalijimosi.

„Stabilumo sala“

Savaiminio dalijimosi poveikį paaiškino Nielsas Bohras. Pagal jo teoriją šerdis yra įkrauto skysčio lašas, tai yra materija, kuri neturi savo vidinės struktūros. Kuo didesnis protonų skaičius branduolyje, tuo stipresnė Kulono jėgų įtaka, kurios veikiamas lašas deformuojasi ir dalijasi į dalis. Šis modelis numato elementų egzistavimo galimybę iki 104 - 106 serijos numerių. Tačiau šeštajame dešimtmetyje Jungtinio branduolinių tyrimų instituto Branduolinių reakcijų laboratorijoje buvo atlikta nemažai eksperimentų, tiriančių urano branduolių dalijimosi savybes, kurių rezultatų nepavyko paaiškinti naudojant Bohro teoriją. Paaiškėjo, kad branduolys nėra pilnas įkrauto skysčio lašo analogas, bet turi vidinį

struktūra. Be to, kuo sunkesnis branduolys, tuo ryškesnė šios struktūros įtaka, o irimo vaizdas atrodys visiškai kitaip, nei prognozuoja skysčio lašo modelis. Taip kilo hipotezė apie tam tikro stabilių supersunkių branduolių regiono egzistavimą, toli nuo šiandien žinomų elementų. Vietovė buvo pavadinta „stabilumo sala“, o jos egzistavimą nuspėjusios didžiausios JAV, Prancūzijos ir Vokietijos laboratorijos pradėjo eilę eksperimentų teorijai patvirtinti. Tačiau jų bandymai buvo nesėkmingi. Ir tik Dubnos ciklotrono eksperimentai, kurių metu buvo atrasti 114-asis ir 116-asis elementai, leidžia teigti, kad supersunkių branduolių stabilumo sritis tikrai egzistuoja.

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas sunkiųjų nuklidų žemėlapis. Branduolinės pusinės eliminacijos laikas pavaizduotas skirtingomis spalvomis (dešinioji skalė). Juodieji kvadratai – tai stabilių elementų izotopai, randami žemės plutoje (pusėjimo laikas daugiau nei 10 9 metai). Tamsiai mėlyna spalva yra „nestabilumo jūra“, kurioje branduoliai trunka mažiau nei 10–6 sekundes. „Stabilumo salos“ po torio, urano ir transurano elementų „pusiasalio“ yra mikroskopinės branduolinės teorijos prognozės. Du branduoliai, kurių atominiai numeriai 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.

Sunkiųjų nuklidų žemėlapis

Norint susintetinti stabilų sunkųjį branduolį, būtina į jį įvesti kuo daugiau neutronų, nes neutronai yra „klijai“, laikantys nukleonus branduolyje. Pirmoji idėja buvo apšvitinti tam tikrą pradinę medžiagą neutronų srautu iš reaktoriaus. Tačiau naudojant šį metodą mokslininkai sugebėjo susintetinti tik fermį – elementą, kurio atominis skaičius 100. Be to, vietoj reikalingų 60 neutronų į branduolį buvo įvesta tik 20 Amerikos mokslininkų bandymai susintetinti supersunkius elementus branduolinio sprogimo metu (iš esmės galingame impulsiniame neutronų sraute). iš jų eksperimentų buvo tas pats fermio izotopas. Nuo to momento pradėjo vystytis kitas sintezės būdas – dviejų sunkiųjų branduolių susidūrimas tikintis, kad jų susidūrimo rezultatas bus bendros masės branduolys. Norint atlikti eksperimentą, vieną iš branduolių reikia pagreitinti iki maždaug 0,1 šviesos greičio, naudojant sunkiųjų jonų greitintuvą. Visi šiandien gauti sunkieji branduoliai buvo susintetinti tokiu būdu. Kaip jau minėta, stabilumo sala yra neutronų pertekliaus supersunkių branduolių srityje, todėl taikinio ir pluošto branduoliuose taip pat turi būti neutronų perteklius. Pasirinkti tokius elementus yra gana sunku, nes beveik visi esami stabilūs nuklidai turi griežtai apibrėžtą protonų ir neutronų skaičiaus santykį.

114-ojo elemento sintezės eksperimente kaip taikinys buvo panaudotas sunkiausias plutonio izotopas, kurio atominė masė 244, pagamintas Livermoro nacionalinės laboratorijos (JAV) reaktoriuje, ir kalcis-48 kaip sviedinio šerdis. Kalcis-48 yra stabilus kalcio izotopas, kurio įprastame kalcyje yra tik 0,1%. Eksperimentuotojai tikėjosi, kad ši konfigūracija leis pajusti supersunkių elementų eksploatavimo trukmės ilgėjimo efektą. Eksperimentui atlikti buvo reikalingas greitintuvas su kalcio-48 spindulio galia, dešimtis kartų didesnė už visus žinomus greitintuvus. Per penkerius metus Dubnoje buvo sukurtas toks greitintuvas, kuris leido atlikti kelis šimtus kartų tikslesnius eksperimentus nei per pastaruosius 25 metus.

Eksperimentuotojai, gavę reikiamo intensyvumo kalcio spindulį, apšvitina plutonio taikinį. Jei dėl dviejų branduolių susiliejimo susidaro naujo elemento atomai, jie turi išskristi iš taikinio ir kartu su spinduliu toliau judėti į priekį. Tačiau jie turi būti atskirti nuo kalcio jonų ir kitų reakcijos produktų. Šią funkciją atlieka separatorius.

MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms) - įrenginys branduoliniam atskyrimui

Iš tikslinio sluoksnio išstumti atatrankos branduoliai sustoja 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. Detektoriaus užduotis – nustatyti, ar į jį pataikė sunkus branduolys, labai tiksliai registruoti jo energiją, greitį ir sustojimo vietą.

Separatoriaus veikimo schema

Norėdami patikrinti „stabilumo salos“ egzistavimo teoriją, mokslininkai stebėjo 114 elemento branduolio skilimo produktus. Jei teorija teisinga, tada susidarę 114 elemento branduoliai turėtų būti atsparūs savaiminiam dalijimuisi ir būti alfa radioaktyvūs, tai yra, skleisti alfa dalelę, susidedančią iš dviejų protonų ir dviejų neutronų. Reakcijai, kurioje dalyvauja 114-asis elementas, reikia stebėti perėjimą nuo 114-ojo į 112-ąjį. Tada 112-ojo branduoliai taip pat patiria alfa skilimą ir virsta 110-ojo branduoliais ir pan. Be to, naujojo elemento gyvavimo laikas turėtų būti keliomis eilėmis ilgesnis nei lengvesnių branduolių. Dubnos fizikai matė būtent tokius ilgaamžius įvykius, kurių egzistavimas buvo numatytas teoriškai. Tai yra tiesioginis požymis, kad elementas 114 jau patiria struktūrinių jėgų, kurios sudaro stabilumo salą supersunkiesiems elementams, veikimą.

114 ir 116 elementų skilimo grandinių pavyzdžiai

116-ojo elemento sintezės eksperimente kaip taikinys buvo panaudota unikali medžiaga - kuriumas-248, gautas Dimitrovgrado branduolinių reaktorių mokslinio tyrimo instituto galingame reaktoriuje. Priešingu atveju eksperimentas buvo atliktas pagal tą patį modelį, kaip ir ieškant 114-ojo elemento. 116 elemento skilimo grandinės stebėjimas suteikė papildomų įrodymų apie elemento 114 egzistavimą, šį kartą jis buvo gautas dėl sunkesnio „tėvo“ irimo. 116 elemento atveju eksperimentiniai duomenys taip pat parodė reikšmingą tarnavimo laiko pailgėjimą, didėjant neutronų skaičiui branduolyje. Tai yra, šiuolaikinė sunkiųjų elementų sintezės fizika priartėjo prie „stabilumo salos“ ribos. Be to, elementų, kurių atominiai numeriai 108, 109 ir 110, susidarę dėl 116-ojo elemento skilimo, tarnavimo laikas yra minutės, todėl bus galima ištirti šių medžiagų chemines savybes naudojant šiuolaikinius radiochemijos metodus ir eksperimentiškai patikrinti Mendelejevo dėsnio dėl lentelės elementų cheminių savybių periodiškumo pagrindą. Kalbant apie sunkiuosius elementus, galima daryti prielaidą, kad 112-asis elementas pasižymi kadmio ir gyvsidabrio savybėmis, o 114-asis – alavo, švino ir kt. Tikėtina, kad stabilumo salos viršuje yra itin sunkūs elementai, kurių gyvavimo trukmė siekia milijonus metų. Ši figūra nepasiekia Žemės amžiaus, tačiau vis tiek gali būti, kad gamtoje, mūsų Saulės sistemoje arba kosminiuose spinduliuose, tai yra kitose mūsų Galaktikos sistemose, yra itin sunkių elementų. Tačiau iki šiol eksperimentai ieškant „natūralių“ itin sunkių elementų nebuvo sėkmingi.

Šiuo metu JINR ruošia eksperimentą 119-ojo periodinės lentelės elemento paieškai, o Branduolinių reakcijų laboratorija yra pasaulinė lyderė sunkiųjų jonų fizikos ir supersunkiųjų elementų sintezės srityje.

Anna Maksimchuk,
JINR tyrėjas,
ypač R&D.CNews.ru

Įdomu, žinoma. Pasirodo, galima atrasti daug daugiau cheminių elementų ir net beveik stabilių.

Kyla klausimas: kokia praktinė viso šio gana brangaus įsipareigojimo ieškoti naujų beveik stabilių elementų prasmė?

Atrodo, kad kai jie ras būdą, kaip pagaminti šiuos elementus, tada pamatysime.

Bet jau dabar kažkas matosi. Pavyzdžiui, jei kas nors žiūrėjo filmą „Plėšrūnė“, tai plėšrūnas ant rankos apyrankėje turi savaiminio susinaikinimo įtaisą ir sprogimas yra gana galingas. Taigi čia yra. Šie nauji cheminiai elementai yra panašūs į uraną-235, tačiau kritinę masę galima išmatuoti gramais (o 1 gramas šios medžiagos prilygsta 10 tonų trotilo sprogimui – tai gera bomba, kurios dydis prilygsta penkių kapeikų monetai. ).

Taigi mokslininkams labai prasminga dirbti, o valstybei negailėti išlaidų.

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. Taip kilo 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, reikės skirti vis daugiau energijos, kad būtų įveiktos teigiamai įkrautų branduolių atstūmimo elektrinės jėgos (Kulono reakcijos barjeras). 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 branduolį, įkaitintą iki maždaug 40 MeV energijos, 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 sunkaus 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 40 Ca, 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 pažymėti raudonai, signalai iš savaiminio dalijimosi – žalia spalva. Pavyzdžiui, vienam iš trijų įvykių pateikiamos visų 7 signalų iš R → skilimo 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 dalijimuisi.

6. Bendras vaizdas 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 mes kalbame apie dviejų tam tikro elemento izotopų sintezę, greta masės. 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 Itin 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 yra plačiai aptariami, kol kas neliečiant išlaidų, reikalingų tokių greitintuvų gigantams sukurti.

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 būti dešimtys milijonų ar daugiau metų, tada jie gali būti Žemėje ir išlikti labai nedideliais 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.

Naujojo Pietų Velso universiteto (Australija) ir Mainco universiteto (Vokietija) mokslininkai teigia, kad vienoje iš neįprastiausių astronomams žinomų žvaigždžių yra cheminių elementų iš stabilumo salos. Tai elementai, esantys pačioje periodinės lentelės pabaigoje, juos išskiria nuo kaimynų kairėje jų ilgesniu tarnavimo laiku. Tyrimas buvo paskelbtas elektroninių preprintų bibliotekoje arXiv.org, aprašyti jo rezultatai ir stabilūs supersunkieji cheminiai elementai.

Žvaigždę HD 101065 1961 metais atrado lenkų ir australų astronomas Antoninas Przybylskis. Jis yra apie 400 šviesmečių nuo Žemės Kentauro žvaigždyne. Greičiausiai HD 101065 yra lengvesnis už Saulę ir yra pagrindinės sekos žvaigždė, submilžinas. Ypatinga Przybylskio žvaigždės savybė – itin mažas geležies ir nikelio kiekis atmosferoje. Tuo pačiu metu žvaigždėje gausu sunkiųjų elementų, įskaitant stroncį, cezią, torią, iterbį ir uraną.

Przybylskio žvaigždė yra vienintelė, kurioje aptinkami trumpaamžiai radioaktyvūs elementai – aktinidai, kurių atominis skaičius (protonų skaičius branduolyje) nuo 89 iki 103: aktinis, plutonis, americis ir einšteinas. HD 101065 yra panašus į HD 25354, tačiau americio ir curium buvimas jame yra abejotinas.

Supersunkių elementų susidarymo ant Przybylskio žvaigždės mechanizmas vis dar nėra visiškai aiškus. Buvo daroma prielaida, kad HD 101065 kartu su neutronine žvaigžde sudaro dvejetainę sistemą – dalelės iš antrosios krenta ant pirmosios, sukeldamos sunkiųjų elementų sintezės reakcijas. Ši hipotezė dar nepatvirtinta, nors gali būti, kad blankus palydovas yra maždaug tūkstančio astronominių vienetų atstumu nuo HD 101065.

Nuotrauka: N. Dautel / Globallookpress.com

HD 101065 labiausiai panašus į Ap žvaigždes, savotiškas A spektrinės klasės žvaigždes, kurių spektre yra sustiprintos retųjų žemių metalų linijos. Jie turi stiprų magnetinį lauką, sunkūs elementai patenka į jų atmosferą iš gelmių. HD 101065 nuo kitų Ap žvaigždžių skiriasi trumpalaikiais šviesos kreivės pokyčiais, todėl buvo galima įtraukti į atskirą RoAp žvaigždžių grupę (Rapidly oscilating Ap stars).

Tikėtina, kad mokslininkų bandymai HD 101065 pritaikyti esamai žvaigždžių klasifikacijai kada nors vainikuos sėkme. Nors Przybylskio žvaigždė laikoma viena neįprastiausių, tai leidžia įtarti, kad ji turi nemažai neįprastų savybių. Visų pirma, naujausiame darbe, skirtame HD 101065, Australijos ir Vokietijos mokslininkai manė, kad Przybylskio žvaigždėje gimsta cheminiai elementai, priklausantys stabilumo salai.

Mokslininkai rėmėsi branduolio ir jo tęsinių apvalkalo modeliu. Modelis atomo branduolio stabilumą sieja su apvalkalų energijos lygių užpildymu, kurie pagal analogiją su atomo elektroniniais apvalkalais sudaro branduolį. Kiekvienas neutronas ir protonas yra tam tikrame apvalkale (atstumas nuo atomo centro arba energijos lygio) ir nepriklausomai vienas nuo kito juda tam tikrame savaime nuosekliame lauke.

Manoma, kad kuo labiau užpildyti branduolio energijos lygiai, tuo stabilesnis izotopas. Modelis gerai paaiškina atomų branduolių, sukimų ir magnetinių momentų stabilumą, tačiau tinka tik nesužadintam arba lengviems ir vidutinio dydžio branduoliams.

Pagal apvalkalo modelį branduoliai su visiškai užpildytais energetiniais apvalkalais pasižymi dideliu stabilumu. Tokie elementai sudaro „stabilumo salą“. Jis prasideda izotopais, kurių serijos numeriai yra 114 ir 126, atitinkantys magiškus ir dvigubus magiškus skaičius.

Branduoliai, turintys magišką nukleonų skaičių (protonus ir neutronus), turi stipriausią surišimo energiją. Nuklidų lentelėje jie išdėstyti taip: horizontaliai iš kairės į dešinę didėjimo tvarka nurodomas protonų skaičius, o vertikaliai iš viršaus į apačią – neutronų skaičius. Dvigubai magiškas branduolys turi protonų ir neutronų skaičių, lygų tam tikram stebuklingam skaičiui.

Dubnoje gautų fleroviumo izotopų (114 elemento) pusinės eliminacijos laikas yra iki 2,7 sekundės. Remiantis teorija, turėtų egzistuoti flerovio-298 izotopas, turintis magišką neutronų skaičių N = 184, o gyvavimo trukmė apie dešimt milijonų metų. Tokio branduolio susintetinti dar nepavyko. Palyginimui, gretimų elementų, kurių protonų skaičius branduolyje yra 113 ir 115, pusinės eliminacijos laikas yra atitinkamai iki 19,6 sekundės (nihoniui-286) ir 0,156 sekundės (maskoviui-289).

Publikacijos arXiv.org autoriai mano, kad aktinidų buvimas HD 101065 atmosferoje rodo, kad ten yra ir cheminių elementų iš stabilumo salos. Šiuo atveju aktinidai yra stabilių supersunkių elementų skilimo produktas. Mokslininkai siūlo ieškoti HD 101065 spektruose nobelio, Lawrencium, nihonio ir flerovio pėdsakų ir aprašyti specifinius spektrus, kurie gali sukurti stabilius izotopus.

Šiuo metu nauji periodinės lentelės elementai sintetinami Rusijoje, JAV, Japonijoje ir Vokietijoje. Natūralioje Žemės aplinkoje transurano elementų nerasta. Žvaigždė HD 101065 gali pasiūlyti naujų galimybių išbandyti branduolinių fizikų teorijas, kurios rodo, kad egzistuoja stabilumo sala.

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 lėtaisiais 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, transurano 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 susintetinti makroskopiniais kiekiais. 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 ryšio 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 branduolinės struktūros teorijos išplaukia, kad elementai, kurie yra tik šiek tiek sunkesni už iki šiol gautus, 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 konfigūracijos, kurios sudaro visiškai užpildytus (uždarus) apvalkalus, 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 ties stabilumo riba „apvalkalo stabilizavimas“ gali lemti skirtumą 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 gaminti itin sunkius 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. Į klausimą, kokios konkrečios reakcijos turėtų lemti sėkmę, atsakymo 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 tikrame lygyje 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 suteikia apytikslį dalelės masės įvertinimą, sintezės produktus galima atskirti nuo išsibarsčiusių jonų ir išmuštų tikslinių 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 susijusį signalą, mažai tikėtina, kad jo skilimo energija, pusinės eliminacijos laikas ir skilimo režimas bus tokie, kokių 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 aiškiai 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, tai per alfa skilimo veiksmų grandinę galima pasiekti pradinio grandinės branduolio surišimo 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 jų pagrindinių būsenų apvalkalo 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 iš mūsų intensyvių sintezės reakcijų tyrimų. 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 sužadinimo energijai iki 40 MeV. Net kalcio-48 ir curium-248 reakcijoje (geriausia turima 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, šio labiausiai asimetriško derinio trūkumas yra maksimalus gaminio šerdies įkaitimas, o tai lemia didelius dalijimosi nuostolius sužadinimo 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.