Rezultati iskanja za \"stabilni elementi\". Zakon enotnosti v strukturi zasaditev - vodnik za

Super težki elementi na otoku stabilnosti

Teoretične in eksperimentalne študije stabilnosti jedra so sovjetskim fizikom dale razlog za revizijo prej uporabljenih metode za proizvodnjo težkih transuranov. V Dubni so se odločili za nove poti in cilje svinec in bizmut.

Jedro, tako kot atom kot celota, ima struktura lupine. Posebej stabilna so atomska jedra, ki vsebujejo 2-8-20-28-50-82-114-126-164 protonov (to so atomska jedra z enakim atomskim številom) in 2-8-20-28-50-82-126 - 184-196-228-272-318 nevtronov, zaradi popolne strukture njihovih lupin. Šele pred kratkim je bilo mogoče ta stališča potrditi z računalniškimi izračuni.

Ta nenavadna stabilnost mi je najprej padla v oči pri preučevanju razširjenosti nekaterih elementov v prostoru. Izotopi, ki imajo ta jedrska števila, se imenujejo magija. Izotop bizmuta 209Bi, ki ima 126 nevtronov, je tako čaroben nuklid. To vključuje tudi izotope kisik, kalcij, kositer. Dvakratna magija je: za helij - izotop 4 He (2 protona, 2 nevtrona), za kalcij - 48 Ca (20 protonov, 28 nevtronov), za svinec - 208 Pb (82 protonov, 126 nevtronov). Odlikuje jih prav posebna trdnost jedra.

Z uporabo ionskih virov novega tipa in močnejših pospeševalnikov težkih ionov - enot U-200 in U-300 so v Dubni kmalu začeli imeti tok težkih ionov z izjemno energijo. Da bi dosegli jedrsko fuzijo, so sovjetski fiziki na tarče iz svinca in bizmuta izstrelili kromove ione z energijo 280 MeV. Kaj bi se lahko zgodilo? V začetku leta 1974 so jedrski znanstveniki v Dubni zabeležili 50 primerov takšnih bombnih napadov, kar kaže na nastanek elementa 106, ki pa upade po 10 -2 s. Teh 50 atomskih jeder je nastalo po shemi:

208 Pb + 51 Cr = 259 X

Malo kasneje sta Ghiorso in Seaborg iz Laboratorija Lawrence Berkeley poročala, da sta sintetizirala izotop novega 106 -th, element z masnim številom 263 z obstreljevanjem kalifornija-249 s kisikovimi ioni v aparatu Super-HILAC.

Do konca leta 1976 je laboratorij za jedrsko reakcijo Dubna zaključil serijo poskusov sinteze elementa 107; služil kot izhodiščna snov za "alkimiste" Dubne čarobno"bizmut-209. Ob bombardiranju s kromovimi ioni z energijo 290 MeV se je spremenil v izotop 107 -th element:

209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 n

Element 107 spontano razpade z razpolovno dobo 0,002 s in oddaja tudi alfa delce.

Razpolovni dobi 0,01 in 0,002 s, ugotovljeni za 106. in 107. element, nas je vzbudil previdnost. Navsezadnje se je izkazalo, da so za nekaj velikostnih redov večje od predvidenih z računalniškimi izračuni. Morda je na 107. element že opazno vplivala bližina kasnejšega magičnega števila protonov in nevtronov - 114, ki povečuje stabilnost?
Če je temu tako, potem obstaja upanje, da bi dobili dolgožive izotope elementa 107, na primer z obstreljevanjem Berkeley neonski ioni. Izračuni so pokazali, da bi imel izotop, bogat z nevtroni, ki ga tvori ta reakcija, razpolovno dobo, ki presega 1 s. To bi omogočilo preučevanje kemijskih lastnosti elementa 107 - ekarenija.

Najdlje živi izotop prvega transuranija, element 93, neptunij-237, ima razpolovno dobo 2.100.000 let; najstabilnejši izotop elementa 100, fermij-257, traja le 97 dni. Začenši z elementom 104 razpolovne dobe so le delčki sekunde. Zato se je zdelo, da ni nobenega upanja za odkritje teh elementov. Zakaj so potrebne dodatne raziskave?

Albert Ghiorso, vodilni ameriški strokovnjak za transuranije, je nekoč spregovoril o tem: " Razlog za nadaljevanje iskanja nadaljnjih elementov je zgolj potešitev človeške radovednosti - kaj se dogaja za naslednjim vogalom ulice?»Vendar pa to seveda ni le znanstvena radovednost. Ghiorso je vseeno dal vedeti, kako pomembno je nadaljevanje takšnih temeljnih raziskav.

V 60. letih prejšnjega stoletja je postajala vse pomembnejša teorija magičnih jedrskih števil. V "morju nestabilnosti" so znanstveniki obupano poskušali najti rešilno " otok relativne stabilnosti", na katerem bi lahko trdno slonela noga atomskega raziskovalca. Čeprav ta otok še ni bil odkrit, so njegove "koordinate" znane: element 114, eca vodi, velja za središče velike regije stabilnosti. Izotop 298 elementa 114 je že dolgo predmet znanstvene razprave, ker je s 114 protoni in 184 nevtroni eno od tistih dvojno čarobnih atomskih jeder, za katera je napovedano, da bodo obstala dolgo časa. Vendar, kaj pomeni dolgoročni obstoj?

Predhodni izračuni kažejo: razpolovna doba s sproščanjem alfa delcev se giblje od 1 do 1000 let, v zvezi s spontano cepitvo pa od 10 8 do 10 16 let. Takšna nihanja, kot poudarjajo fiziki, so razložena s približkom "računalniške kemije". Zelo spodbudne razpolovne dobe so napovedane za naslednji otok stabilnosti - element 164, dvislead. Tudi izotop elementa 164 z masnim številom 482 je dvojno magičen: njegovo jedro tvori 164 protonov in 318 nevtronov.

Znanost je zanimiva in preprosta magični supertežki elementi, kot je izotop-294 elementa 110 ali izotop-310 elementa 126, ki vsebuje 184 nevtronov. Neverjetno je, kako raziskovalci resno žonglirajo s temi namišljenimi elementi, kot da že obstajajo. Iz računalnika se črpa vedno več novih podatkov in zdaj se zagotovo ve, kakšni lastnosti – jedrske, kristalografske in kemične – morajo imeti ti supertežki elementi. V strokovni literaturi se zbirajo natančni podatki za elemente, ki jih bodo ljudje morda odkrili čez 50 let.

Atomski znanstveniki trenutno plujejo po morju nestabilnosti in čakajo na odkritja. Za njimi so bila trdna tla: polotok z naravnimi radioaktivnimi elementi, zaznamovani s hribi torija in urana, ter daljnosežna trdna tla z vsemi drugimi elementi in vrhovi svinec, kositer in kalcij.
Pogumni mornarji so že dolgo na odprtem morju. Na nepričakovanem mestu so našli pesek: odprta elementa 106 in 107 sta bila stabilnejša od pričakovanj.

V zadnjih letih smo dolgo pluli po morju nestabilnosti, trdi G. N. Flerov, in nenadoma smo v zadnjem trenutku začutili tla pod nogami. Naključna podvodna skala? Ali pesek dolgo pričakovanega otoka stabilnosti? Če je drugo pravilno, potem imamo resnično priložnost za ustvarjanje nov periodni sistem stabilnih super težkih elementov z neverjetnimi lastnostmi.

Potem ko je postala znana hipoteza o stabilnih elementih blizu serijskih številk 114, 126, 164, so se raziskovalci po vsem svetu lotili teh " super težka"atomi. Upali so, da bodo nekatere izmed njih z domnevno dolgimi razpolovnimi dobami našli na Zemlji ali v vesolju, vsaj v obliki sledi. Konec koncev, ko je naše Osončje nastalo, so ti elementi obstajali tako kot vsi drugi .

Sledi super težkih elementov- kaj je treba razumeti pod tem? Zaradi svoje zmožnosti spontane cepitve na dva jedrska fragmenta z veliko maso in energijo bi morali ti transurani pustiti razločne sledi uničenja v okoliški snovi.
Podobne sledi lahko opazimo v mineralih pod mikroskopom, potem ko so bili jedkani. S to metodo uničevanja sledi je zdaj mogoče izslediti obstoj že dolgo mrtvih elementov. Iz širine zaostalih sledi lahko ocenimo tudi vrstno številko elementa - širina sledi je sorazmerna s kvadratom jedrskega naboja.
Prav tako upajo, da bodo identificirali "žive" supertežke elemente na podlagi dejstva, da večkrat oddajajo nevtrone. Med procesom spontane cepitve ti elementi oddajajo do 10 nevtronov.

Sledi supertežkih elementov so iskali v manganovih nodulih iz globin oceana, pa tudi v vodah po taljenju ledenikov v polarnih morjih. Še vedno ni rezultatov. G. N. Flerov in njegovi sodelavci so pregledali svinčeno steklo starodavne vitrine iz 14. stoletja, lejdenski kozarec iz 19. stoletja in vazo iz svinčenega kristala iz 18. stoletja.
Sprva je kazalo več sledi spontane cepitve eca vodi- 114. element. Ko pa so znanstveniki iz Dubne ponovili svoje meritve z visoko občutljivim detektorjem nevtronov v najglobljem rudniku soli v Sovjetski zvezi, niso dobili pozitivnega rezultata. Kozmično sevanje, ki je očitno povzročilo opazovani učinek, ni moglo prodreti v takšno globino.

Leta 1977 je profesor Flerov predlagal, da je končno odkril " signali novega transuranija" med preučevanjem globokih termalnih voda polotoka Cheleken v Kaspijskem morju.
Vendar je bilo število prijavljenih primerov premajhno za jasno razvrstitev. Leto kasneje je Flerova skupina zabeležila 150 spontanih delitev na mesec. Ti podatki so bili pridobljeni med delom z ionskim izmenjevalnikom, napolnjenim z neznanim transuranijem iz termalnih voda. Flerov je razpolovno dobo prisotnega elementa, ki mu ga še ni uspelo izolirati, ocenil na milijarde let.

Drugi raziskovalci so ubrali drugačne poti. Profesor Fowler in njegovi kolegi z univerze v Bristolu so se lotili poskusov z baloni na visoki nadmorski višini. Z uporabo detektorjev majhnih količin jeder so identificirali številna področja z jedrskimi naboji, ki presegajo 92. Angleški raziskovalci so verjeli, da ena od sledi kaže celo na elemente 102...108. Kasneje so naredili spremembo: neznani element ima serijsko številko 96 ( curium).

Kako ti super težki delci pridejo v stratosfero sveta? Doslej je bilo predstavljenih več teorij. Po njihovem mnenju naj bi se težki atomi pojavili ob eksplozijah supernov ali drugih astrofizičnih procesih in dosegli Zemljo v obliki kozmičnega sevanja ali prahu – a šele po 1000 – 1.000.000 letih. Te kozmične usedline trenutno iščejo tako v ozračju kot v globokih morskih usedlinah.

Torej lahko super težke elemente najdemo v kozmičnem sevanju? Res je, po mnenju ameriških znanstvenikov, ki so leta 1975 izvedli eksperiment Skylab, ta hipoteza ni bila potrjena. V vesoljskem laboratoriju, ki je krožil okoli Zemlje, so namestili detektorje, ki absorbirajo težke delce iz vesolja; so šele odkrili sledi znanih elementov.
Lunarni prah, ki je bil prinešen na Zemljo po prvem pristanku na Luni leta 1969, ni bil nič manj natančno pregledan glede prisotnosti super težkih elementov. Ko so našli sledi "dolgoživih" delcev do 0,025 mm, so nekateri raziskovalci menili, da jih je mogoče pripisati elementom 110 - 119.

Podobni rezultati so bili pridobljeni s študijami nepravilne izotopske sestave žlahtnega plina ksenona v različnih vzorcih meteoritov. Fiziki so izrazili mnenje, da je ta učinek mogoče razložiti le z obstojem supertežkih elementov.
Sovjetski znanstveniki v Dubni, ki so analizirali 20 kg meteorita Allende, ki je padel v Mehiki jeseni 1969, so lahko zaznali več spontanih fisij kot rezultat treh mesecev opazovanja.
Vendar, potem ko je bilo ugotovljeno, da je "naravno" plutonij-244, ki je bila nekoč sestavni del našega osončja pušča povsem podobne sledi, se je interpretacija začela izvajati natančneje.

Ob koncu drugega tisočletja je akademik Vitalij Lazarevič Ginzburg sestavil seznam tridesetih problemov fizike in astrofizike, ki so se mu zdeli najpomembnejši in zanimivi (glej »Znanost in življenje« št. 11, 1999). Na tem seznamu številka 13 označuje nalogo iskanja super težkih elementov. Potem, pred 12 leti, je akademik razočarano ugotovil, da "obstoj dolgoživih (govorimo o milijonih let) transuranovih jeder v kozmičnih žarkih še ni potrjen." Danes so odkrili sledi takšnih jeder. To daje upanje, da bomo končno odkrili Otok stabilnosti supertežkih jeder, katerega obstoj je nekoč napovedal jedrski fizik Georgij Nikolajevič Flerov.

Vprašanje, ali obstajajo elementi, težji od urana-92 (238 U je njegov stabilni izotop), je ostalo dolgo časa odprto, saj jih v naravi niso opazili. Veljalo je, da ni stabilnih elementov z atomskim številom, večjim od 180: močan pozitivni naboj jedra bi uničil notranje nivoje elektronov težkega atoma. Vendar je kmalu postalo jasno, da stabilnost elementa določa stabilnost njegovega jedra in ne lupine. Stabilna so jedra s sodim številom protonov Z in nevtronov N, med katerimi še posebej izstopajo jedra s tako imenovanim magičnim številom protonov ali nevtronov - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - npr. kositer, svinec. In najbolj stabilna so "dvojno čarobna jedra", v katerih je število nevtronov in protonov čarobno, recimo helija in kalcija. To je izotop svinca 208 Pb: ima Z = 82, N = 126. Stabilnost elementa je izjemno odvisna od razmerja števila protonov in nevtronov v njegovem jedru. Na primer, svinec s 126 nevtroni je stabilen, njegov drugi izotop, ki ima v jedru en nevtron več, pa razpade v več kot treh urah. Toda, je opozoril V. L. Ginzburg, teorija napoveduje, da naj bi določen element X s številom protonov Z = 114 in nevtronov N = 184, to je z masnim atomskim številom A = Z + N = 298, živel približno 100 milijonov let. .

Danes je veliko elementov umetno pridobljenih do vključno 118. - 254 Uuo. Je najtežja nekovina, domnevno inertni plin; njegova konvencionalna imena so ununoctium (nastane iz korenin latinskih številk - 1, 1, 8), eka-radon in moscovian Mw. Vsi elementi, ki jih je ustvaril človek, so nekoč obstajali na Zemlji, vendar so sčasoma propadli. Na primer, plutonij-94 ima 16 izotopov in samo 244 Pu ima razpolovno dobo T ½ = 7,6 10 7 let; neptunij-93 ima 12 izotopov in 237 Np T ½ = 2,14 10 6 let. Ti najdaljši razpolovni časi med vsemi izotopi teh elementov so veliko krajši od starosti Zemlje - (4,5–5,5) 10 9. Neznatne sledi neptunija, ki jih najdemo v uranovih rudah, so produkti jedrskih reakcij pod vplivom nevtronov iz kozmičnega sevanja in spontane cepitve urana, plutonij pa je posledica beta razpada neptunija-239.

Elemente, ki so med obstojem Zemlje izginili, pridobivamo na dva načina. Prvič, dodaten nevtron se lahko potisne v jedro težkega elementa. Tam je podvržen beta razpadu, pri čemer nastanejo proton, elektron in elektronski antinevtrino: n 0 → p + e – + v e. Jedrski naboj se bo povečal za eno - pojavil se bo nov element. Tako so pridobivali umetne elemente do fermija-100 (njegov izotop 257 Fm ima razpolovno dobo 100 let).

Še težji elementi nastajajo v pospeševalnikih, ki pospešujejo in trkajo jedra, na primer zlato (glej »Znanost in življenje« št. 6, 1997). Natanko tako so v laboratoriju za jedrske reakcije Skupnega inštituta za jedrske raziskave (JINR, Dubna) pridobili 117. in 118. element. Poleg tega teorija predvideva, da bi morala stabilna supertežka jedra obstajati daleč onkraj trenutno znanih težkih radioaktivnih elementov. Ruski fizik G. N. Flerov je sistem elementov upodobil kot simbolični arhipelag, kjer so stabilni elementi obdani z morjem kratkoživih izotopov, ki morda nikoli ne bodo odkriti. Na glavnem otoku arhipelaga so vrhovi najstabilnejših elementov - kalcija, kositra in svinca za ožino radioaktivnosti leži Otok težkih jeder z vrhovi urana, neptunija in plutonija. In še dlje stran bi moral obstajati skrivnostni otok stabilnosti super težkih elementov, podoben že omenjenemu - X-298.

Kljub vsem uspehom eksperimentalne in teoretične fizike ostaja odprto vprašanje: ali supertežki elementi obstajajo v naravi ali pa gre za čisto umetne, umetne snovi, podobne umetnim materialom – najlonu, najlonu, lavsanu – ki jih narava nikoli ni ustvarila?

V naravi obstajajo pogoji za nastanek takih elementov. Ustvarjajo se v globinah pulsarjev in med eksplozijami supernov. Nevtronski tokovi v njih dosežejo ogromno gostoto - 10 38 n 0 / m 2 in so sposobni generirati supertežka jedra. Po vesolju se razpršijo v toku medgalaktičnih kozmičnih žarkov, vendar je njihov delež izjemno majhen – le nekaj delcev na kvadratni meter na leto. Zato se je porodila ideja, da bi uporabili naravni detektor-shrambo kozmičnega sevanja, v katerem naj bi supertežka jedra pustila specifično, lahko prepoznavno sled. Meteoriti so uspešno služili kot takšni detektorji.

Meteorit - kos skale, ki ga je neka kozmična katastrofa iztrgala iz matičnega planeta - potuje skozi vesolje stotine milijonov let. Nenehno ga »kurijo« kozmični žarki, ki so sestavljeni iz 90 % vodikovih jeder (protonov), 7 % helijevih jeder (dva protona) in 1 % elektronov. Preostala 2 % sestavljajo drugi delci, ki lahko vključujejo supertežka jedra.

Raziskovalci Fizikalnega inštituta poimenovanega po. P. N. Lebedev (FIAN) in Inštitut za geokemijo in analitično kemijo poimenovan po. V.I. Vernadsky (GEOKHI RAS) preučujeta dva palasita - železo-nikljeve meteorite, prepredene z olivinom (skupina prosojnih mineralov, v katerih so Mg 2, (Mg, Fe) 2 in (Mn, Fe) 2 dodani silicijevemu dioksidu SiO 4 v različna razmerja; prozoren olivin se imenuje krizolit). Starost teh meteoritov je 185 in 300 milijonov let.

Težka jedra, ki letijo skozi kristal olivina, poškodujejo njegovo mrežo in v njej pustijo svoje sledi - sledi. Vidni postanejo po kemični obdelavi kristala – jedkanju. In ker je olivin prosojen, lahko te sledi opazujemo in preučujemo pod mikroskopom. Po debelini steze, njeni dolžini in obliki lahko ocenimo naboj in atomsko maso jedra. Raziskave močno otežuje dejstvo, da imajo kristali olivina dimenzije reda velikosti nekaj milimetrov, sled težkega delca pa je veliko daljša. Zato je treba velikost njegovega naboja presojati s posrednimi podatki - hitrostjo jedkanja, zmanjšanjem debeline sledi itd.

Delo za iskanje sledi supertežkih delcev z otoka stabilnosti so poimenovali "Projekt Olympia". V okviru tega projekta so bili pridobljeni podatki o približno šest tisoč jedrih z nabojem nad 55 in treh ultra težkih jedrih, katerih naboji ležijo v območju od 105 do 130. Vse značilnosti tirov teh jeder so bile pridobljene. merjena s kompleksom visoko natančne opreme, ustvarjene na Fizikalnem inštitutu Lebedev. Kompleks samodejno prepozna sledi, določi njihove geometrijske parametre in z ekstrapolacijo merilnih podatkov najde ocenjeno dolžino sledi, preden se ustavi v masivu olivina (ne pozabite, da je dejanska velikost njegovega kristala nekaj milimetrov).

Dobljeni eksperimentalni rezultati potrjujejo resničnost obstoja stabilnih super težkih elementov v naravi.

Pred stoletjem in pol, ko je Dmitrij Ivanovič Mendelejev odkril periodični zakon, je bilo znanih le 63 elementov. Razporejene v tabelo so jih zlahka razporedili v obdobja, od katerih se vsako odpre z aktivnimi alkalijskimi kovinami in konča (kot se je izkazalo kasneje) z inertnimi žlahtnimi plini. Od takrat se je periodni sistem skoraj podvojil in z vsako razširitvijo se je periodni zakon znova in znova potrdil. Rubidij spominja tudi na kalij in natrij, kakor je ksenon na kripton, argon pod ogljikom pa na silicij, ki mu je zelo podoben ... Danes je znano, da te lastnosti določa število elektronov, ki se vrtijo okoli atomskega jedra; .

Drug za drugim polnijo »energijske lupine« atoma, kot gledalci, ki zasedajo svoje sedeže po vrstnem redu v gledališču: tisti, ki bo zadnji, bo določil kemijske lastnosti celotnega elementa. Atom s popolnoma zapolnjeno zadnjo lupino (kot helij s svojima elektronoma) bo inerten; element z enim "dodatnim" elektronom (kot natrij) bo aktivno tvoril kemične vezi. Število negativno nabitih elektronov v orbitah je povezano s številom pozitivnih protonov v jedru atoma in število protonov je tisto, ki razlikuje različne elemente.

Toda v jedru istega elementa je lahko različno število nevtronov; ti nimajo naboja in ne vplivajo na kemijske lastnosti. Toda odvisno od števila nevtronov se lahko vodik izkaže za težjega od helija, masa litija pa lahko doseže sedem namesto "klasičnih" šestih atomskih enot. In če se danes seznam znanih elementov približuje 120, potem je število jeder (nuklidov) preseglo 3000. Večina jih je nestabilnih in čez nekaj časa razpadejo, pri čemer med radioaktivnim razpadom sproščajo »odvečne« delce. Še več nuklidov načeloma ne more obstajati in takoj razpade na koščke. Tako je celina stabilnih jeder obkrožena s celim morjem nestabilnih kombinacij nevtronov in protonov.

Morje nestabilnosti

Usoda jedra je odvisna od števila nevtronov in protonov v njem. Po lupinski teoriji zgradbe jedra, postavljeni že v petdesetih letih 20. stoletja, so delci v njem porazdeljeni po svojih energijskih nivojih na enak način kot elektroni, ki se vrtijo okoli jedra. Nekatera števila protonov in nevtronov dajejo posebej stabilne konfiguracije s popolnoma zapolnjenimi protonskimi ali nevtronskimi lupinami - 2, 8, 20, 28, 50, 82, pri nevtronih pa tudi 126 delcev. Ta števila se imenujejo "magična" števila in najbolj stabilna jedra vsebujejo "dvakrat magično" število delcev - na primer, svinec ima 82 protonov in 126 nevtronov ali dva v običajnem atomu helija, drugega najpogostejšega elementa. v vesolju.

Zaporedna "kemična celina" elementov, najdenih na Zemlji, se konča s svincem. Sledi niz jeder, ki obstajajo veliko manj kot je starost našega planeta. V njegovih globinah se lahko ohranijo le v majhnih količinah, kot uran in torij, ali celo v sledovih, kot plutonij. Nemogoče ga je pridobiti iz kamnine, plutonij pa se proizvaja umetno, v reaktorjih, ki obstreljujejo uranovo tarčo z nevtroni. Na splošno sodobni fiziki obravnavajo atomska jedra kot gradbene dele, ki jih prisilijo, da pritrdijo posamezne nevtrone, protone ali celotna jedra. To omogoča pridobivanje vedno težjih nuklidov s prečkanjem ožine "Morje nestabilnosti".

Namen potovanja nakazuje ista lupinasta teorija zgradbe jedra. To je območje supertežkih elementov s primernim (in zelo velikim) številom nevtronov in protonov, legendarni »Otok stabilnosti«. Izračuni pravijo, da nekateri lokalni »prebivalci« morda ne bodo obstajali več delčke mikrosekund, ampak veliko redov velikosti dlje. "Do določenega približka jih lahko obravnavamo kot kapljice vode," nam je pojasnil akademik RAS Jurij Oganesjan. — Do svinca so jedra sferična in stabilna. Za njimi je polotok zmerno stabilnih jeder - kot sta torijev ali uranov -, ki ga razteza plitvina močno deformiranih jeder in se razbije v nestabilno morje ... Toda še dlje, onkraj ožine, je lahko novo območje sferičnih jeder, supertežkih in stabilnih elementov s številkami 114, 116 in naprej." Življenjska doba nekaterih elementov na "Otoku stabilnosti" lahko traja leta ali celo milijone let.

Otok stabilnosti

Transuranske elemente s svojimi deformiranimi jedri je mogoče ustvariti z obstreljevanjem tarč iz urana, torija ali plutonija z nevtroni. Če jih obstreljujete z lahkimi ioni, pospešenimi v pospeševalniku, lahko zaporedoma pridobite številne še težje elemente – a na neki točki bo prišla meja. "Če različne reakcije - dodajanje nevtronov, dodajanje ionov - obravnavamo kot različne "ladje", potem nam vse ne bodo pomagale pripluti do "Otoka stabilnosti," nadaljuje Jurij Oganesjan. — To bo zahtevalo večje "plovilo" in drugačno zasnovo. Tarča bi morala biti z nevtroni bogata težka jedra umetnih elementov, težjih od urana, in jih bi bilo treba bombardirati z velikimi, težkimi izotopi, ki vsebujejo veliko nevtronov, kot je kalcij-48.«

Na taki "ladji" bi lahko delala le velika mednarodna ekipa znanstvenikov. Inženirji in fiziki tovarne Elektrokhimpribor so iz naravnega kalcija izolirali izredno redek 48. izotop, ki ga tu vsebuje manj kot 0,2 %. Tarče iz urana, plutonija, americija, kurija, kalifornija so pripravili na Dimitrograd Research Institute of Atomic Reactors, v Livermore National Laboratory in v Oak Ridge National Laboratory v ZDA. No, ključne poskuse sinteze novih elementov je izvedel akademik Oganesjan na Skupnem inštitutu za jedrsko fiziko (JINR), v Laboratoriju za jedrske reakcije Flerov. "Naš pospeševalnik v Dubni je delal 6-7 tisoč ur na leto in pospešil ione kalcija-48 do približno 0,1 svetlobne hitrosti," pojasnjuje znanstvenik. »Ta energija je potrebna, da nekateri od njih, ko zadenejo tarčo, premagajo sile Coulombovega odbijanja in se združijo z jedri njegovih atomov. Na primer, element 92, uran, bo proizvedel jedro novega elementa s številko 112, plutonija 114 in kalifornija 118.«

"Iskanje novih supertežkih elementov nam omogoča, da odgovorimo na eno najpomembnejših vprašanj znanosti: kje je meja našega materialnega sveta?"

»Takšna jedra bi morala biti že precej stabilna in ne bodo takoj razpadla, ampak bodo postopoma oddajala alfa delce in helijeva jedra. In zelo dobri smo pri njihovem registriranju,« nadaljuje Oganesyan. Supertežko jedro bo izvrglo delec alfa in se spremenilo v dve atomski številki lažji element. Po drugi strani bo hčerinsko jedro izgubilo alfa delec in se spremenilo v "vnuka" - še štiri lažje in tako naprej, dokler se proces zaporednega alfa razpada ne konča z naključnim pojavom in takojšnjo spontano cepitvijo, smrtjo nestabilnega jedra v "morju nestabilnosti". Z uporabo te »rodoslovja« delcev alfa so Oganesyan in njegovi kolegi izsledili celotno zgodovino transformacije nuklidov, pridobljenih v pospeševalniku, in orisali bližnjo obalo »Otoka stabilnosti«. Po pol stoletja plovbe so na njej pristali prvi ljudje.

Nova zemlja

Že v prvem desetletju 21. stoletja so se v fuzijskih reakcijah aktinoidov s pospešenimi kalcijevimi ioni-48 atomi elementov s številkami od 113 do 118, ki ležijo na obali »Otoka stabilnosti« najbolj oddaljenega od »celine« , so bili sintetizirani. Njihova življenjska doba je že za rede velikosti daljša kot pri njihovih sosedih: na primer, element 114 ni shranjen za milisekunde, kot je 110., ampak za desetine in celo stotine sekund. "Takšne snovi so že na voljo za kemijo," pravi akademik Oganesyan. - To pomeni, da se vračamo na sam začetek potovanja in zdaj lahko preverimo, ali se pri njih upošteva Mendelejevljev periodični zakon. Ali bo element 112 analog živega srebra in kadmija, element 114 pa analog kositra in svinca? Prvi kemijski poskusi z izotopom 112. elementa (kopernicij) so pokazali, da očitno bodo. Kopernicijeva jedra, izvržena iz tarče med bombardiranjem, so znanstveniki usmerili v dolgo cev, ki je vsebovala 36 parnih detektorjev, delno prevlečenih z zlatom. Živo srebro zlahka tvori stabilne intermetalne spojine z zlatom (ta lastnost se uporablja v starodavni tehniki pozlate). Zato bi se moralo živo srebro in atomi blizu njega usedati na zlato površino že prvih detektorjev, radon in atomi blizu žlahtnih plinov pa lahko dosežejo konec cevi. Kopernicij je poslušno sledil periodičnemu zakonu in se izkazal za sorodnika živega srebra. Toda če je bilo živo srebro prva znana tekoča kovina, potem je lahko kopernicij prva plinasta: njegovo vrelišče je pod sobno temperaturo. Po mnenju Jurija Oganesijana je to le zbledel začetek in supertežki elementi z "Otoka stabilnosti" nam bodo odprli novo, svetlo in nenavadno področje kemije.

A za zdaj smo se zadržali ob vznožju otoka stabilnih elementov. Pričakuje se, da se lahko 120. in naslednja jedra izkažejo za resnično stabilna in bodo obstajala več let ali celo milijone let in tvorila stabilne spojine. Vendar pa jih ni več mogoče pridobiti z uporabo istega kalcija-48: ni dovolj dolgoživih elementov, ki bi se lahko združili s temi ioni, da bi dali jedra zahtevane mase. Tudi poskusi zamenjave ionov kalcija-48 z nečim težjim niso prinesli rezultatov. Zato so morski znanstveniki za nova iskanja dvignili glave in pobližje pogledali v nebo.

Prostor in tovarna

Prvotna sestava našega sveta ni bila zelo raznolika: v velikem poku se je pojavil le vodik z majhnimi primesmi helija - najlažji atom. Vsi ostali spoštovani udeleženci periodnega sistema so se pojavljali v reakcijah jedrske fuzije, v notranjosti zvezd in ob eksplozijah supernov. Nestabilni nuklidi so hitro razpadali, medtem ko so se stabilni nuklidi, kot sta kisik-16 ali železo-54, kopičili. Ni presenetljivo, da težkih nestabilnih elementov, kot sta americij ali kopernicij, v naravi ni mogoče najti.

A če res nekje obstaja »otok stabilnosti«, potem bi morali vsaj v majhnih količinah supertežke elemente najti po vsem prostranstvu vesolja, nekateri znanstveniki pa jih iščejo med delci kozmičnega žarka. Po mnenju akademika Oganesyana ta pristop še vedno ni tako zanesljiv kot dobro staro bombardiranje. "Resnično dolgoživa jedra na vrhu Stability Islanda vsebujejo nenavadno velike količine nevtronov," pravi znanstvenik. "Zato se je izkazalo, da je kalcij-48, bogat z nevtroni, tako uspešno jedro za bombardiranje ciljnih elementov, bogatih z nevtroni." Vendar pa so izotopi, težji od kalcija-48, nestabilni in možnosti, da se zlijejo v ultrastabilna jedra v naravnih razmerah, so izjemno majhne.«

Zato so se v laboratoriju v Dubni pri Moskvi obrnili k uporabi težjih jeder, čeprav ne tako uspešnih kot kalcijeva, za streljanje na umetne ciljne elemente. "Zdaj smo zaposleni z ustvarjanjem tako imenovane tovarne super težkih elementov," pravi akademik Oganesyan. — V njem bodo iste tarče obstreljene s titanovimi ali kromovimi jedri. Vsebujejo dva in štiri protone več kot kalcij, kar pomeni, da nam lahko dajo elemente z maso 120 ali več. Zanimivo bo videti, ali bodo še vedno na "otoku" ali pa bodo onkraj njega odprli novo ožino.

Delo je potekalo v Laboratoriju za jedrske reakcije (NLNR) poimenovano po. G.N. Flerov iz Skupnega inštituta za jedrske raziskave Dubna (JINR). Lastnosti 117. in elementov N 112-116 in 118, predhodno sintetiziranih v Dubni, so neposreden dokaz obstoja tako imenovanega "otoka stabilnosti" super težkih elementov, ki so ga teoretiki napovedali že v 60. letih prejšnjega stoletja in pomembno razširitev meja periodnega sistema. Urednike Izvestij je o edinstvenem eksperimentu že marca obvestil vodja FLNR, akademik Jurij Oganesjan, vendar je dovoljenje za objavo dal šele zdaj. Avtor odkritja, akademik Jurij Oganesjan, je opazovalcu Pjotru Obrazcovu povedal bistvo eksperimenta.

Izvestia: Kaj je povzročilo zanimanje znanstvenikov za sintezo super težkih elementov, ki obstajajo zanemarljivo kratek čas?

Jurij Oganesjan: Po odkritju prvih umetnih elementov - neptunija in plutonija - v letih 1940-1941 je vprašanje meja obstoja elementov postalo izjemno zanimivo za temeljno znanost o strukturi snovi. Do konca prejšnjega stoletja so odkrili 17 umetnih elementov in ugotovili, da se njihova jedrska stabilnost močno zmanjšuje z naraščanjem atomskega števila. Pri prehodu od 92. elementa - urana - do 102. elementa - Nobelija, se razpolovna doba jedra zmanjša za 16 vrst velikosti: s 4,5 milijarde let na nekaj sekund. Zato se je verjelo, da bo napredovanje v območje še težjih elementov vodilo do meje njihovega obstoja, ki v bistvu označuje mejo obstoja materialnega sveta. Vendar pa so sredi 60-ih teoretiki nepričakovano postavili hipotezo o možnem obstoju supertežkih atomskih jeder. Po izračunih naj bi se življenjska doba jeder z atomskimi številkami 110-120 močno povečala, ko se je povečalo število nevtronov v njih. Po novih idejah tvorijo ogromen "otok stabilnosti" super težkih elementov, kar bistveno razširi meje tabele elementov.
in: Ali je bilo to mogoče eksperimentalno potrditi?

Oganesyan: V letih 1975-1996 je fizikom iz Dubne, Darmstadta (GSI, Nemčija), Tokia (RIKEN) in Berkeleyja (LBNL, ZDA) uspelo preučiti te reakcije in sintetizirati šest novih elementov. Najtežji elementi 109-112 so bili prvič pridobljeni na GSI in ponovljeni na RIKEN. Toda razpolovne dobe najtežjih jeder, ki nastanejo v teh reakcijah, so bile le desettisočinke ali celo tisočinke sekunde. Hipoteza o obstoju supertežkih elementov je bila prvič eksperimentalno potrjena v Dubni, v raziskavi naše skupine v sodelovanju z znanstveniki Nacionalnega laboratorija. Lawrence Livermore (ZDA). Uspelo nam je korenito spremeniti pristop k sintezi supertežkih jeder, na primer s streljanjem na tarčo iz umetnega elementa berkelija (N 97) s snopom izstrelka iz izjemno redkega in dragega izotopa kalcija (N 20) z maso 48. Ko se jedra zlijejo, element N 117 (97 + 20 = 117). Rezultati so presegli tudi najbolj optimistična pričakovanja. V letih 2000-2004, skoraj v petih letih, so bili v takih reakcijah prvič sintetizirani super težki elementi z atomskimi številkami 114, 116 in 118.

in: Kakšen je bil pravzaprav znanstveni prispevek ameriških znanstvenikov?

Oganesyan: V jedrski reakciji s kalcijevim žarkom je mogoče element 117 pridobiti le z uporabo tarče iz umetnega elementa berkelija. Razpolovna doba tega izotopa je le 320 dni. Zaradi kratke življenjske dobe mora biti proizvodnja berkelija v zahtevani količini (20-30 miligramov) izvedena v reaktorju z zelo visoko gostoto nevtronskega toka. Le izotopski reaktor v ameriškem nacionalnem laboratoriju v Oak Ridgeu je kos takšni nalogi. Mimogrede, v tem laboratoriju so prvič izdelali plutonij za ameriško atomsko bombo. Ker se od trenutka proizvodnje berkelija njegova količina po 320 dneh zmanjša za polovico, je bilo potrebno vsa dela izvajati z visoko hitrostjo. In ne samo v laboratorijih, ampak tudi v uradnih strukturah v Rusiji in ZDA, povezanih s certificiranjem nenavadnega materiala, prevozom visoko radioaktivnega izdelka po kopnem in zraku, varnostnimi ukrepi itd.

in: Vredno pustolovske zgodbe. Kaj se je zgodilo potem?

Oganesyan: V začetku junija 2009 je kontejner prispel v Moskvo. Iz te snovi so na Raziskovalnem inštitutu za jedrske reaktorje (Dimitrovgrad) izdelali tarčo v obliki tanke plasti berkelija (300 nanometrov), nanesene na tanko titanovo folijo; julija je bila tarča dostavljena v Dubno. Do takrat so bila vsa pripravljalna dela v FLNR končana in začelo se je neprekinjeno obsevanje tarče z intenzivnim kalcijevim žarkom. Že pri prvem obsevanju tarče za 70 dni smo imeli srečo: detektorji so kar petkrat zabeležili nastanek in razpad jeder 117. elementa. Kot je bilo pričakovano, so se jedra tega elementa preoblikovala v jedra elementa 115, element 115 v element 113 in nato element 113 v element 111. In element 111 je razpadel z razpolovno dobo 26 sekund. V jedrskem merilu je to ogromen čas! Zdaj je bil periodični sistem dopolnjen s še enim najtežjim elementom z atomsko številko 117.

in: Naše bralce bo seveda zanimalo, kakšne praktične aplikacije ima lahko vaše odkritje.

Oganesyan: Zdaj seveda nič, ker je bilo pridobljenih le nekaj atomov elementa N 117. S temeljnega vidika bi se morale predstave o našem svetu zdaj močno spremeniti. Poleg tega, če se sintetizirajo elementi z ogromno razpolovno dobo, potem je možno, da obstajajo v naravi in ​​bi lahko "preživeli" do našega časa od nastanka Zemlje - 4,5 milijarde let. In izvajamo poskuse za njihovo iskanje; naša instalacija se nahaja v globinah alpskih gora.

in: vprašanje z drugega nivoja. Zakaj po vašem mnenju očitni uspehi v jedrski fiziki v zadnjih 20 letih niso bili nagrajeni z Nobelovo nagrado?

Oganesyan: Fizika je velika stvar. Očitno člane Nobelovega odbora bolj zanimajo druga področja te znanosti. In res je veliko vrednih znanstvenikov. Mimogrede, moram imenovati udeležence našega eksperimenta: Nacionalni laboratorij Oak Ridge (prof. James Roberto), Univerza. Vanderbilt (prof. Joseph Hamilton), Nacionalni laboratorij. Lawrence Livermore (Dawn Shaughnessy), Raziskovalni inštitut za jedrske reaktorje, Dimitrovgrad (Mikhail Rjabinin) in Laboratorij za jedrske reakcije JINR (vodja Jurij Oganesjan).

Od urednika. Začasno se bo element N 117 v latinščini imenoval "ena-ena-sedem", to je ununseptij. Skupina akademika Jurija Oganesjana - avtorji odkritja - ima vso pravico dati pravo ime temu elementu, pa tudi elementoma N 114-116 in 118, ki so jih odkrili. V "Tednu" od 26. marca smo bralce povabili k podajo svoje predloge za ime »naših« elementov. Zaenkrat se zdi smiselno samo "skodrano" za enega od teh elementov. Tekmovanje se nadaljuje.

Znanstveniki z Univerze v Novem Južnem Walesu (Avstralija) in Univerze v Mainzu (Nemčija) so domnevali, da ena najbolj nenavadnih zvezd, poznanih astronomom, vsebuje kemične elemente z otoka stabilnosti. To so elementi na samem koncu periodnega sistema; od svojih sosedov na levi se razlikujejo po daljši življenjski dobi. Študija je bila objavljena v knjižnici elektronskih preprintov arXiv.org; njeni rezultati in stabilni supertežki kemični elementi so opisani.

Zvezdo HD 101065 je leta 1961 odkril poljsko-avstralski astronom Antonin Przybylski. Nahaja se približno 400 svetlobnih let od Zemlje v ozvezdju Kentaver. Najverjetneje je HD 101065 lažja od Sonca in je zvezda glavnega zaporedja, subgiant. Posebnost zvezde Przybylskega je izjemno nizka vsebnost železa in niklja v ozračju. Hkrati je zvezda bogata s težkimi elementi, vključno s stroncijem, cezijem, torijem, iterbijem in uranom.

Zvezda Przybylskega je edina, v kateri so odkriti kratkoživi radioaktivni elementi, aktinidi, z atomskim številom (številom protonov v jedru) od 89 do 103: aktinij, plutonij, americij in einsteinij. HD 101065 je podoben HD 25354, vendar je prisotnost americija in kurija tam vprašljiva.

Mehanizem nastanka super težkih elementov na zvezdi Przybylskega še vedno ni povsem jasen. Predpostavljeno je bilo, da HD 101065 skupaj z nevtronsko zvezdo tvori binarni sistem - delci iz drugega padejo na prvega in izzovejo fuzijske reakcije težkih elementov. Ta hipoteza še ni potrjena, čeprav je možno, da se zatemnjen satelit nahaja na razdalji približno tisoč astronomskih enot od HD 101065.

Foto: N. Dautel / Globallookpress.com

HD 101065 je najbolj podobna zvezdam Ap, pekularnim zvezdam spektralnega razreda A, v katerih spektru so poudarjene črte redkih zemeljskih kovin. Imajo močno magnetno polje, težki elementi vstopajo v njihovo atmosfero iz globin. HD 101065 se od drugih zvezd Ap razlikuje po kratkotrajnih spremembah svetlobne krivulje, zaradi česar jo je mogoče vključiti v ločeno skupino zvezd RoAp (hitro nihajoče zvezde Ap).

Verjetno bodo poskusi znanstvenikov, da HD 101065 uvrstijo v obstoječo klasifikacijo zvezd, nekega dne okronani z uspehom. Medtem ko zvezda Przybylskega velja za eno najbolj nenavadnih, to daje razlog za sum, da ima številne nenavadne lastnosti. Zlasti v zadnjem delu o HD 101065 so avstralski in nemški raziskovalci domnevali, da se kemični elementi, ki pripadajo otoku stabilnosti, rodijo v zvezdi Przybylskega.

Znanstveniki so izhajali iz modela lupine jedra in njegovih razširitev. Model povezuje stabilnost atomskega jedra s polnjenjem energijskih nivojev lupin, ki po analogiji z elektronskimi lupinami atoma tvorijo jedro. Vsak nevtron in proton se nahajata v določeni lupini (oddaljenost od središča atoma ali energijske ravni) in se gibljeta neodvisno drug od drugega v določenem samoskladnem polju.

Verjame se, da bolj kot so napolnjene energijske ravni jedra, bolj stabilen je izotop. Model dobro razloži stabilnost atomskih jeder, spinov in magnetnih momentov, vendar je uporaben samo za nevzbujena ali lahka in srednje velika jedra.

V skladu z lupinskim modelom je za jedra s popolnoma zapolnjenimi energijskimi lupinami značilna visoka stabilnost. Takšni elementi tvorijo "otok stabilnosti". Začne se z izotopi z zaporedno številko 114 in 126, ki ustrezata magičnemu in dvojnemu magičnemu številu.

Najmočnejšo vezno energijo imajo jedra z magičnim številom nukleonov (protoni in nevtroni). V tabeli nuklidov so razporejeni na naslednji način: vodoravno od leve proti desni v naraščajočem vrstnem redu je navedeno število protonov, navpično od zgoraj navzdol pa število nevtronov. Dvojno magično jedro ima število protonov in nevtronov, ki je enako nekemu magičnemu številu.

Razpolovna doba izotopov fleroviuma (114. element), pridobljenih v Dubni, je do 2,7 sekunde. Po teoriji naj bi obstajal izotop flerovium-298 z magičnim številom nevtronov N = 184 in življenjsko dobo približno deset milijonov let. Takšnega jedra še ni bilo mogoče sintetizirati. Za primerjavo, razpolovni čas sosednjih elementov s številom protonov v jedru, enakim 113 in 115, je do 19,6 sekunde (za nihonij-286) oziroma 0,156 sekunde (za moskovij-289).

Avtorji objave na arXiv.org menijo, da prisotnost aktinidov v atmosferi HD 101065 nakazuje, da so tam tudi kemični elementi z otoka stabilnosti. Aktinidi so v tem primeru produkt razpada stabilnih super težkih elementov. Znanstveniki predlagajo iskanje v spektrih HD 101065 za sledove nobelija, lavrencija, nihonija in flerovija ter opisujejo posebne spektre, ki lahko proizvajajo stabilne izotope.

Trenutno nove elemente periodnega sistema sintetizirajo v Rusiji, ZDA, na Japonskem in v Nemčiji. Transuranovih elementov v naravnem okolju na Zemlji ni bilo. Zvezda HD 101065 lahko ponudi nove priložnosti za testiranje teorij jedrskih fizikov, ki kažejo na obstoj otoka stabilnosti.