ЕСТЬ ЛИ ПРЕДЕЛ
ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ
Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА?

ОТКРЫТИЕ НОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

П роблема систематизации химических элементов привлекла к себе пристальное внимание в середине XIX в., когда стало ясно, что многообразие окружающих нас веществ является результатом разных сочетаний сравнительно малого числа химических элементов.

В хаосе элементов и их соединений великий русский химик Д.И.Менделеев первым навел порядок, создав свою периодическую таблицу элементов.

1 марта 1869 г. считается днем открытия периодического закона, когда Менделеев сообщил о нем научному сообществу. Известные в то время 63 элемента ученый разместил в своей таблице таким образом, что главные свойства этих элементов и их соединений менялись периодически по мере увеличения их атомной массы. Наблюдаемые изменения свойств элементов в горизонтальном и вертикальном направлениях таблицы следовали строгим правилам. Например, ярко выраженный у элементов Iа группы металлический (основный) характер с увеличением атомной массы убывал по горизонтали таблицы и возрастал по вертикали.

Опираясь на открытый закон, Менделеев предсказал свойства нескольких еще не открытых элементов и их место в периодической таблице. Уже в 1875 г. был открыт «экаалюминий» (галлий), еще через четыре года – «экабор» (скандий), а в 1886 г. – «экасилиций» (германий). В последующие годы таблица Менделеева служила и до сих пор служит ориентиром в поисках новых элементов и предвидении их свойств.

Однако ни сам Менделеев, ни его современники не могли ответить на вопрос, в чем причины периодичности свойств элементов, существует ли и где проходит граница периодической системы. Менделеев предчувствовал, что причина представленной им взаимосвязи между свойствами и атомной массой элементов кроется в сложности самих атомов.

Лишь спустя много лет после создания периодической системы химических элементов в работах Э.Резерфорда, Н.Бора и других ученых было доказано сложное строение атома. Последующие достижения атомной физики позволили решить многие неясные проблемы периодической системы химических элементов. Прежде всего оказалось, что место элемента в периодической таблице определяется не атомной массой, а зарядом ядра. Стала понятной природа периодичности химических свойств элементов и их соединений.

Атом стали рассматривать как систему, в центре которой находится положительно заряженное ядро, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны. При этом электроны группируются в околоядерном пространстве и движутся по определенным орбитам, входящим в электронные оболочки.

Все электроны атома принято обозначать с помощью чисел и букв. Согласно этому обозначению главные квантовые числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 относятся к электронным оболочкам, а буквы s , p , d , f , g – к подоболочкам (орбитам) каждой оболочки. Первая оболочка (считая от ядра) имеет только s -электроны, вторая может иметь s - и p - электроны, третья – s -, p - и d -электроны, четвертая – s -,
p -, d - и f - электроны и т.д.

Каждая оболочка может вместить вполне определенное число электронов: первая – 2, вторая – 8, третья – 18, четвертая и пятая – по 32. Этим определяется число элементов в периодах таблицы Менделеева. Химические свойства элементов обусловлены строением внешней и предвнешней электронных оболочек атомов, т.е. тем, сколько электронов они содержат.

Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц – протонов и электрически нейтральных частиц – нейтронов, часто называемых одним словом – нуклоны. Порядковый номер элемента (его место в периодической таблице) определяется числом протонов в ядре атома данного элемента. Массовое число А атома элемента равно сумме чисел протонов Z и нейтронов N в ядре: A = Z + N . Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов в ядре являются его изотопами.

Химические свойства разных изотопов одного и того же элемента не отличаются друг от друга, а ядерные – изменяются в широких пределах. Это проявляется прежде всего в стабильности (или нестабильности) изотопов, которая существенно зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в ядре. Легкие стабильные изотопы элементов обычно характеризуются равным числом протонов и нейтронов. С ростом заряда ядра, т. е. порядкового номера элемента в таблице, это соотношение меняется. У стабильных тяжелых ядер нейтронов почти в полтора раза больше, чем протонов.

Как и атомные электроны, нуклоны также образуют оболочки. С увеличением числа частиц в ядре последовательно заполняются протонные и нейтронные оболочки. Ядра с полностью заполненными оболочками являются самыми стабильными. Например, очень устойчивой ядерной структурой характеризуется изотоп свинца Pb-208, который имеет заполненные оболочки протонов (Z = 82) и нейтронов (N = 126).

Подобные заполненные ядерные оболочки аналогичны заполненным электронным оболочкам атомов инертных газов, представляющих отдельную группу в периодической таблице. Стабильные ядра атомов с полностью заполненными протонными или нейтронными оболочками содержат определенные «магические» числа протонов или нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 184. Таким образом, атомам элементов в целом, как и по химическим свойствам, присуща также периодичность и ядерных свойств. Среди разных сочетаний числа протонов и нейтронов в ядрах изотопов (четно-четных; четно-нечетных; нечетно-четных; нечетно-нечетных) именно ядра, содержащие четное число протонов и четное число нейтронов, отличаются наибольшей устойчивостью.

Природа сил, удерживающих в ядре протоны и нейтроны, пока недостаточно ясна. Полагают, что между нуклонами действуют очень большие гравитационные силы притяжения, которые способствуют увеличению стабильности ядер.

К середине тридцатых годов прошлого столетия периодическая таблица была разработана настолько, что показывала положение уже 92 элементов. Под порядковым номером 92 был уран – последний из найденных на Земле еще в 1789 г. естественных тяжелых элементов. Из 92 элементов таблицы только элементы с порядковыми номерами 43, 61, 85 и 87 в тридцатые годы не были точно установлены. Они были открыты и изучены позже. Редкоземельный элемент с атомным номером 61 – прометий – был обнаружен в малых количествах в рудах как продукт самопроизвольного распада урана. Анализ атомных ядер недостающих элементов показал, что все они радиоактивны, причем из-за коротких периодов их полураспада они не могут существовать на Земле в заметных концентрациях.

В связи с тем, что последним тяжелым элементом, найденным на Земле, был элемент с атомным номером 92, можно было бы предположить, что он и является естественным пределом периодической таблицы Менделеева. Однако достижения атомной физики указали путь, по которому оказалось возможным перешагнуть через поставленную природой границу периодической таблицы.

Элементы с бо льшими атомными номерами, чем у урана, называют трансурановыми. По своему происхождению эти элементы являются искусственными (синтетическими). Их получают путем ядерных реакций трансформации элементов, встречающихся в природе.

Первую попытку, хотя не совсем удачную, открыть трансурановую область периодической системы предпринял итальянский физик Энрико Ферми в Риме вскоре после того, как было доказано существование нейтронов. Но лишь в 1940–1941 гг. успеха в открытии первых двух трансурановых элементов, а именно нептуния (атомный номер 93) и плутония (атомный номер 94), добились американские ученые из Калифорнийского университета в Беркли.

В основе методов получения трансурановых элементов лежит несколько видов ядерных реакций.

Первый вид – нейтронный синтез. В этом методе в ядрах тяжелых атомов, облученных нейтронами, происходит превращение одного из нейтронов в протон. Реакция сопровождается так называемым электронным распадом ( – -распадом) – образованием и выбросом из ядра с огромной кинетической энергией отрицательно заряженной – -частицы (электрона). Реакция возможна при избытке в ядре нейтронов.

Противоположной реакцией является превращение протона в нейтрон с испусканием положительно заряженной + -частицы (позитрона). Подобный позитронный распад ( + -распад) наблюдается при недостатке в ядрах нейтронов и ведет к уменьшению заряда ядра, т.е. к уменьшению атомного номера элемента на единицу. Аналогичный эффект достигается, когда протон превращается в нейтрон за счет захвата ближайшего орбитального электрона.

Новые трансурановые элементы вначале были получены из урана по методу нейтронного синтеза в ядерных реакторах (как продукты взрыва ядерных бомб), а позже синтезированы с помощью ускорителей частиц – циклотронов.

Второй вид – реакции между ядрами атомов исходного элемента («мишени») и ядрами атомов легких элементов (изотопов водорода, гелия, азота, кислорода и других), используемых в качестве бомбардирующих частиц. Протоны в ядрах «мишени» и «снаряда» имеют положительный электрический заряд и испытывают сильное отталкивание при приближении друг к другу. Чтобы преодолеть силы отталкивания, образовать составное ядро, необходимо обеспечить атомы «снаряда» очень большой кинетической энергией. Такой огромной энергией бомбардирующие частицы запасаются в циклотронах. Образовавшееся промежуточное составное ядро обладает довольно большой избыточной энергией, которая должна быть высвобождена для стабилизации нового ядра. В случае тяжелых трансурановых элементов эта избыточная энергия, когда не происходит деления ядер, рассеивается путем испускания -лучей (высокоэнергетического электромагнитного излучения) и «испарения» нейтронов из возбужденных ядер. Ядра атомов нового элемента являются радиоактивными. Они стремятся достигнуть более высокой устойчивости путем изменения внутреннего строения через радиоактивный электронный – -распад либо -распад и самопроизвольное деление. Такие ядерные реакции присущи наиболее тяжелым атомам элементов с порядковыми номерами выше 98.

Реакция спонтанного, самопроизвольного деления ядер атомов радиоактивных элементов была открыта нашим соотечественником Г.Н.Флеровым и чехом К.А.Петржаком в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) в опытах с ураном-238. Увеличение порядкового номера приводит к быстрому уменьшению времени полураспада ядер атомов радиоактивных элементов.

В связи с этим фактом выдающийся американский ученый Г.Т.Сиборг, лауреат Нобелевской премии, участвовавший в открытии девяти трансурановых элементов, полагал, что открытие новых элементов, вероятно, закончится приблизительно на элементе с порядковым номером 110 (по свойствам аналогичном платине). Эта мысль о границе периодической таблицы была высказана в 60-е годы прошлого столетия с оговоркой: если не будут открыты новые методы синтеза элементов и существование пока неизвестных областей устойчивости самых тяжелых элементов. Некоторые из таких возможностей были выявлены.

Третий вид ядерных реакций синтеза новых элементов – реакции между высокоэнергетическими ионами со средней атомной массой (кальция, титана, хрома, никеля) в качестве бомбардирующих частиц и атомами стабильных элементов (свинца, висмута) в качестве «мишени» вместо тяжелых радиоактивных изотопов. Этот путь получения более тяжелых элементов был предложен в 1973 г. нашим ученым Ю.Ц.Оганесяном из ОИЯИ и успешно использован в других странах. Главное достоинство предложенного метода синтеза заключалось в образовании менее «горячих» составных ядер при слиянии ядер «снаряда» и «мишени». Высвобождение избыточной энергии составных ядер в этом случае происходило в результате «испарения» существенно меньшего числа нейтронов (одного или двух вместо четырех или пяти).

Необычная ядерная реакция между ионами редкого изотопа Са-48, ускоренными в циклотроне
У-400, и атомами актиноидного элемента кюрия Cm-248 с образованием элемента-114 («экасвинца») была открыта в Дубне в 1979 г. Было установлено, что в этой реакции образуется «холодное» ядро, не «испаряющее» ни одного нейтрона, а всю избыточную энергию уносит одна -частица. Это означает, что для синтеза новых элементов может быть реализован также четвертый вид ядерных реакций между ускоренными ионами атомов со средними массовыми числами и атомами тяжелых трансурановых элементов.

В развитии теории периодической системы химических элементов большую роль сыграло сопоставление химических свойств и строения электронных оболочек лантаноидов с порядковыми номерами 58–71 и актиноидов с порядковыми номерами 90–103. Было показано, что сходство химических свойств лантаноидов и актиноидов обусловлено подобием их электронных структур. Обе группы элементов являются примером внутреннего переходного ряда с последовательным заполнением 4f - или 5f -электронных оболочек соответственно после заполнения внешних s - и р -электронных орбиталей.

Элементы с порядковыми номерами в периодической таблице 110 и выше были названы сверхтяжелыми. Продвижение к открытию этих элементов становится все более трудным и долгим, т.к. недостаточно провести синтез нового элемента, нужно его идентифицировать и доказать, что новый элемент обладает лишь ему одному присущими свойствами. Трудности вызваны тем, что для изучения свойств новых элементов доступным оказывается небольшое число атомов. Время же, в течение которого можно изучать новый элемент до того, как произойдет радиоактивный распад, обычно очень невелико. В этих случаях, даже когда получен всего один атом нового элемента, для его обнаружения и предварительного изучения некоторых характеристик используют метод радиоактивных индикаторов.

Элемент-109 – мейтнерий – это последний элемент в периодической таблице, представленной в большинстве учебников по химии. Элемент-110, принадлежащий к той же группе периодической таблицы, что и платина, был впервые синтезирован в г. Дармштадт (Германия) в 1994 г. с помощью мощного ускорителя тяжелых ионов по реакции:

Время полураспада полученного изотопа крайне мало. В августе 2003 г. 42-я Генеральная ассамблея ИЮПАК и Совет ИЮПАК (Международный союз по чистой и прикладной химии) официально утвердили название и символ элемента-110: дармштадтий, Ds.

Там же, в Дармштадте, в 1994 г. впервые был получен элемент-111 путем воздействия пучка ионов изотопа 64 28 Ni на атомы 209 83 Bi в качестве «мишени». Своим решением в 2004 г. ИЮПАК признал открытие и одобрил предложение назвать элемент-111 рентгением, Rg, в честь выдающегося немецкого физика В.К.Рентгена, открывшего Х -лучи, которым он дал такое название из-за неопределенности их природы.

По информации, полученной из ОИЯИ, в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова осуществлен синтез элементов с порядковыми номерами 110–118 (за исключением элемента-117).

В результате синтеза по реакции:

в Дармштадте в 1996 г. получено несколько атомов нового элемента-112, распадающегося с выделением -частиц. Период полураспада этого изотопа составлял всего 240 микросекунд. Немного позже в ОИЯИ поиск новых изотопов элемента-112 провели, облучая атомы U-235 ионами Са-48.

В феврале 2004 г. в престижных научных журналах появились сообщения об открытии в ОИЯИ нашими учеными совместно с американскими исследователями из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) двух новых элементов с номерами 115 и 113. Этой группой ученых в экспериментах, проведенных в июле–августе 2003 г. на циклотроне У-400 с газонаполненным сепаратором, в реакции между атомами Am-243 и ионами изотопа Ca-48 были синтезированы 1 атом изотопа элемента-115 с массовым числом 287 и 3 атома с массовым числом 288. Все четыре атома элемента-115 быстро распадались с выделением -частиц и образованием изотопов элемента-113 с массовыми числами 282 и 284. Наиболее стабильный изотоп 284 113 имел период полураспада около 0,48 с. Он разрушался с эмиссией -частиц и превращался в изотоп рентгения 280 Rg.

В сентябре 2004 г. группа японских ученых из Физико-химического исследовательского института под руководством Косуки Морита (Kosuke Morita) заявила, что ими синтезирован элемент-113 по реакции:

При его распаде с выделением -частиц получен изотоп рентгения 274 Rg. Поскольку это первый искусственный элемент, полученный японскими учеными, они посчитали, что вправе сделать предложение назвать его «японием».

Выше уже отмечался необычный синтез изотопа элемента-114 с массовым числом 288 из кюрия. В 1999 г. появилось сообщение о получении в ОИЯИ этого же изотопа элемента-114 путем бомбардировки ионами Са-48 атомов плутония с массовым числом 244.

Было также заявлено об открытии элементов с порядковыми номерами 118 и 116 в результате длительных совместных исследований ядерных реакций изотопов калифорния Cf-249 и кюрия Сm-245 c пучком тяжелых ионов Са-48, проведенных российскими и американскими учеными в период 2002–2005 гг. в ОИЯИ. Элемент-118 замыкает 7-й период таблицы Менделеева, по своим свойствам является аналогом благородного газа радона. Элемент-116 должен обладать некоторыми свойствами, общими с полонием.

По сложившейся традиции открытие новых химических элементов и их идентификация должны быть подтверждены решением ИЮПАК, но право предложить названия элементам предоставляется первооткрывателям. Подобно карте Земли, периодическая таблица отразила названия территорий, стран, городов и научных центров, где были открыты и изучены элементы и их соединения, увековечила имена знаменитых ученых, внесших большой вклад в развитие периодической системы химических элементов. И не случайно элемент-101 назван именем Д.И.Менделеева.

Для ответа на вопрос, где может проходить граница периодической таблицы, в свое время была проведена оценка электростатических сил притяжения внутренних электронов атомов к положительно заряженному ядру. Чем больше порядковый номер элемента, тем сильнее сжимается электронная «шуба» вокруг ядра, тем сильнее притягиваются внутренние электроны к ядру. Должен наступить такой момент, когда электроны начнут захватываться ядром. В результате такого захвата и уменьшения заряда ядра существование очень тяжелых элементов становится невозможным. Подобная катастрофическая ситуация должна возникнуть при порядковом номере элемента, равном 170–180.

Эта гипотеза была опровергнута и показано, что нет ограничений для существования очень тяжелых элементов с точки зрения представлений о строении электронных оболочек. Ограничения возникают в результате неустойчивости самих ядер.

Однако надо сказать, что время жизни элементов уменьшается нерегулярно с ростом атомного номера. Следующая ожидаемая область устойчивости сверхтяжелых элементов, обусловленная появлением замкнутых нейтронных или протонных оболочек ядра, должна лежать в окрестности дважды магического ядра с 164 протонами и 308 нейтронами. Возможности открытия таких элементов пока не ясны.

Таким образом, вопрос о границе периодической таблицы элементов по-прежнему сохраняется. Исходя из правил заполнения электронных оболочек с увеличением атомного номера элемента, прогнозируемый 8-й период таблицы Менделеева должен содержать суперактиноидные элементы. Отводимое им место в периодической таблице Д.И.Менделеева соответствует III группе элементов, подобно уже известным редкоземельным и актиноидным трансурановым элементам.

Сначала статья о том, что такое "остров стабильности".

Остров стабильности: российские ядерщики лидируют в гонке

Синтез сверхтяжелых элементов, составляющих так называемых "остров стабильности", - амбициозная задача современной физики, в решении которой российские ученые опережают весь мир.

3 июня 2011 года экспертная комиссия, в которую вошли специалисты Международных союзов теоретической и прикладной химии (IUPAC) и физики (IUPAP), официально признала открытие 114-го и 116-го элементов таблицы Менделеева. Приоритет открытия отдан группе физиков под руководством академика РАН Юрия Оганесяна из Объединенного института ядерных исследований при содействии американских коллег из Ливероморской национальной лаборатории им. Лоуренса.

Академик РАН Юрий Оганесян, руководитель лаборатории ядерных реакций в ОИЯИ

Новые элементы стали самыми тяжелыми из тех, что включены в периодическую таблицу Менделеева, и получили временные названия унунквидия и унунгексия, образованные по порядковому номеру в таблице. Российские физики предложили назвать элементы "флеровием" в честь Георгия Флерова - советского физика-ядерщика, специалиста в области деления ядер и синтеза новых элементов, и "московием" в честь Московской области. Помимо 114-го и 116-го элементов в ОИЯИ ранее были синтезированы химические элементы с порядковыми номерами 104, 113, 115, 117 и 118. А 105-му элементу таблицы в честь признания вклада дубненских физиков в современную науку присвоено название "дубний".

Элементы, которых нет в природе

В настоящее время весь окружающий нас мир состоит из 83 химических элементов, от водорода (Z=1, Z — количество протонов в ядре) до урана (Z=92), время жизни которых больше времени жизни солнечной системы (4,5 миллиарда лет). Более тяжелые элементы, появившиеся во время нуклеосинтеза незадолго после Большого взрыва, уже распались и не дожили до наших дней. Уран, период полураспада которого составляет около 4,5×10 8 лет, еще распадется и радиоактивен. Однако в середине прошлого века исследователи научились получать элементы, которых нет в природе. В качестве примера такого элемента можно привести вырабатываемый в ядерных реакторах плутоний (Z=94), который производится сотнями тонн и является одним из мощнейших источников энергии. Период полураспада плутония существенно меньше, чем период полураспада урана, но все же достаточно велик, чтобы предположить возможность существования более тяжелых химических элементов. Концепция атома, состоящего из ядра, несущего в себе положительный заряд и основную массу, и электронных орбиталей, предполагает возможность существования элементов с порядковым номером до Z=170. Но на самом деле за счет нестабильности процессов, происходящих в самом ядре, граница существования тяжелых элементов намечается значительно раньше. В природе стабильные образования (ядра элементов, состоящие из разного числа протонов и нейтронов) встречаются только до свинца и висмута, затем следует небольшой полуостров, включающий в себя торий и уран, обнаруженные на Земле. Но как только порядковый номер элемента превышает номер урана, время его жизни резко уменьшается. Например, ядро 100-го элемента в 20 раз менее стабильно, чем ядро урана, а в дальнейшем эта нестабильность только усиливается из-за спонтанного деления ядер.

"Остров стабильности"

Эффект спонтанного деления был объяснен Нильсом Бором. Согласно его теории, ядро представляет собой каплю заряженной жидкости, то есть некую материю, не имеющую собственной внутренней структуры. Чем больше количество протонов в ядре, тем сильнее влияние кулоновских сил, под действием которых капля деформируется и делится на части. Такая модель предсказывает возможность существования элементов до 104-го - 106-го порядковых номеров. Однако в 60-х годах в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований был проведен ряд экспериментов по изучению свойств деления ядер урана, результаты которых невозможно было объяснить при помощи теории Бора. Оказалось, что ядро не является полным аналогом капли заряженной жидкости, а имеет внутреннюю

структуру. Причем чем тяжелее ядро, тем сильнее становится выражено влияние этой структуры, и картина распада будет выглядеть совсем не так, как прогнозирует модель капли жидкости. Так возникла гипотеза о существовании некой области стабильных сверхтяжелых ядер, далеких от известных сегодня элементов. Область получила название "острова стабильности", и после предсказания ее существования крупнейшие лаборатории США, Франции и Германии начали ряд экспериментов для подтверждения теории. Однако их попытки не увенчались успехом. И только эксперименты на дубненском циклотроне, результатом которых стало открытие 114-го и 116-го элементов, дают возможность утверждать, что область стабильности сверхтяжелых ядер действительно существует.

На рисунке ниже показана карта тяжелых нуклидов. Периоды полураспада ядер представлены различным цветом (правая шкала). Черные квадраты - изотопы стабильных элементов, обнаруженных в земной коре (время полураспада более 10 9 лет). Темно-синий цвет - "море нестабильности", где ядра живут менее 10 −6 секунды. "Острова стабильности", следующие за "полуостровом" тория, урана и трансурановых элементов - предсказания микроскопической теории ядра. Два ядра с атомными номерам 112 и 116, полученные в различных ядерных реакциях и их последовательный распад, показывают, насколько близко можно подойти к "островам стабильности" при искусственном синтезе сверхтяжелых элементов.

Карта тяжелых нуклидов

Для того чтобы синтезировать стабильное тяжелое ядро, необходимо внедрить в него как можно больше нейтронов, поскольку именно нейтроны являются тем "клеем", который удерживает нуклоны в составе ядра. Первой идеей стало облучение некого исходного вещества потоком нейтронов от реактора. Но с помощью этого метода ученые смогли синтезировать только фермий, элемент с 100-м атомным номером. Причем вместо необходимых 60 нейтронов, в ядро удалось внедрить только 20. Не увенчались успехом и попытки американских ученых синтезировать сверхтяжелые элементы в процессе ядерного взрыва (по сути, в мощном импульсном потоке нейтронов), результатом их экспериментов стал все тот же изотоп фермия. С этого момента начал развиваться другой способ синтеза - столкнуть два тяжелых ядра в надежде на то, что результатом их столкновения станет ядро суммарной массы. Для проведения эксперимента нужно одно из ядер разогнать до скорости, составляющей примерно 0,1 скорости света при помощи ускорителя тяжелых ионов. Все тяжелые ядра, полученные сегодня, были синтезированы именно таким образом. Как уже было отмечено, остров стабильности находится в области нейтроно-избыточных сверхтяжелых ядер, поэтому ядра мишени и пучка также должны содержать избыток нейтронов. Подобрать такие элементы довольно сложно, поскольку практически все существующие стабильные нуклиды имеют строго определенное отношение числа протонов и нейтронов.

В эксперименте по синтезу 114-го элемента в качестве мишени был использован самый тяжелый изотоп плутония с атомной массой 244, выработанный в реакторе Ливерморской национальной лаборатории (США) и кальций-48 в качестве ядра-снаряда. Кальций-48 - стабильный изотоп кальция, которого в обычном кальции содержится всего 0,1%. Экспериментаторы надеялись на то, что такая конфигурация позволит почувствовать эффект увеличения времени жизни сверхтяжелых элементов. Для проведения опыта требовался ускоритель с мощностью пучка кальция-48, превосходящей все известные ускорители в десятки раз. В течение пяти лет такой ускоритель был создан в Дубне, он дал возможность поставить эксперимент в несколько сот раз более точный, чем эксперименты в других странах на протяжении последних 25 лет.

Получив пучок кальция необходимой интенсивности, экспериментаторы облучают плутониевую мишень. Если в результате слияния двух ядер образуются атомы нового элемента, то они должны вылететь из мишени и вместе с пучком продолжить движение вперед. Но их надо отделить от ионов кальция и других продуктов реакции. Эту функцию выполняет сепаратор.

MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms) — установка для сепарации ядер

Ядра отдачи, вылетающие из мишенного слоя, останавливаются в графитовом сборнике на глубине несколько микрометров. Вследствие высокой температуры сборника они диффундируют в камеру ионного источника, вытягиваются из плазмы, ускоряются электрическим полем и анализируются по массе магнитными полями по ходу движения к детектору. В данной конструкции масса атома может быть определена с точностью 1/3000. Задача детектора - определить, что в него попало тяжелое ядро, зарегистрировать его энергию, скорость и место его остановки с высокой точностью.

Схема работы сепаратора

Для проверки теории существования "острова стабильности" ученные наблюдали за продуктами распада ядра 114-го элемента. Если теория справедлива, то получившиеся ядра 114-го элемента должны быть устойчивы к спонтанному делению, и быть альфа-радиоактивны, то есть испускать альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Для реакции с участием 114-го элемента должен наблюдаться переход 114-го в 112-й. Затем ядра 112-го также испытывают альфа-распад и переходят в ядра 110-го и так далее. Причем время жизни нового элемента должно быть на несколько порядков больше времени жизни более легких ядер. Именно такие долгоживущие события, существование которых было предсказано теоретически, и увидели дубненские физики. Это является прямым указанием на то, что 114-й элемент уже испытывает действие структурных сил, формирующих остров стабильности сверхтяжелых элементов.

Примеры цепочек распада 114-го и 116-го элементов

В опыте по синтезу 116-го элемента в качестве мишени использовали уникальное вещество - кюрий-248, полученный на мощном реакторе НИИ атомных реакторов в г. Димитровграде. В остальном эксперимент проходил по той же схеме, что и поиск 114-го элемента. Наблюдение цепочки распадов 116-го элемента стало еще одним доказательством существования 114-го элемента, на этот раз он был получен в результате распада более тяжелого "родителя". В случае со 116-м элементом экспериментальные данные также показали существенное увеличение времени жизни при увеличении количества нейтронов в ядре. То есть современная физика синтеза тяжелых элементов вплотную подошла к границе "острова стабильности". Кроме того, образовавшиеся вследствие распада 116-го элемента элементы с атомными номерами 108, 109 и 110 имеют время жизни, исчисляемое минутами, что даст возможность изучать химические свойства этих веществ методами современной радиохимии и экспериментально проверить фундаментальность закона Менделеева относительно периодичности химических свойств элементов в таблице. Применительно к тяжелым элементам можно предположить, что 112-й элемент обладает свойствами кадмия и ртути, а 114-й - олова, свинца и т.д. Вероятно, на вершине острова стабильности существуют сверхтяжелые элементы, время жизни которых составляет миллионы лет. Эта цифра не дотягивает до возраста Земли, но все же не исключено присутствие сверхтяжелых элементов в природе, в нашей Солнечной системе, либо в космических лучах, то есть в других системах нашей Галактики. Но пока эксперименты по поиску "природных" сверхтяжелых элементов не увенчались успехом.

В настоящее время в ОИЯИ идет подготовка эксперимента по поиску 119-го элемента таблицы Менделеева, а Лаборатория ядерных реакций является мировым лидером в области физики тяжелых ионов и синтеза сверхтяжелых элементов.

Анна Максимчук,
научный сотрудник ОИЯИ,
специально для R&D.CNews.ru

Интересно, конечно. Оказывается, что много ещё может быть открыто химических элементов и даже почти стабильных.

Возникает вопрос: а в чём практический смысл всего этого довольно дорогого мероприятия по поиску новых почти стабильных элементов?

Кажется так, что когда найдут способ производить эти элементы, тогда и будет видно.

Но кое-что просматривается уже и сейчас. Например, если кто смотрел фильм "Хищник", то у хищника есть устройство самоуничтожения в браслете на руке и взрыв довольно мощный получается. Так вот. Эти новые химические элементы подобны урану-235, но при этом критическая масса может исчисляться граммами (при этом 1 грамм этого вещества эквивалентен взрыву 10 тонн тротила -- неплохая такая бомбочка размером всего с пятикопеечную монету).

Так что уже есть большой смысл учёным трудиться в поте лица, а государству не скупиться на расходы.

К концу 60-х годов усилиями многих теоретиков - О. Бором и Б. Мотельсоном (Дания), С. Нильсоном (Швеция), В.М. Струтинским и В.В. Пашкевичем (СССР), Х. Майерсом и В. Святецким (США), А. Собичевским и др. (Польша), В. Грайнером и др. (Германия), Р. Никсом и П. Мёллером (США), Ж. Берже (Франция) и многими другими была создана микроскопическая теория атомных ядер. Новая теория привела все вышеуказанные противоречие в стройную систему физических закономерностей.
Как любая теория, она обладала определённой предсказательной силой, в частности, в предсказании свойств очень тяжёлых, ещё неизвестных ядер. Оказалось что стабилизирующий эффект ядерных оболочек будет работать и за пределами обозначенными капельной моделью ядра (т.е. в области Z > 106) образуя т.н. «острова стабильности» вокруг магических чисел Z=108, N=162 и Z=114, N=184. Как видно на рис.2 время жизни сверхтяжёлых ядер расположенных в этих «островах стабильности» может существенно возрастать. Особенно это относится к наиболее тяжёлым, сверхтяжёлым элементам, где эффект замкнутых оболочек Z=114 (возможно 120) и N=184 повышает периоды полураспада до десятков, сотен тысяч и, быть может, миллионов лет, т.е. - на 32-35 порядков больше чем в случае отсутствия эффекта ядерных оболочек. Так возникла интригующая гипотеза о возможном существовании сверхтяжёлых элементов значительно расширяющая границы материального мира. Прямой проверкой теоретических предсказаний явился бы синтез сверхтяжёлых нуклидов и определение их свойств распада. Поэтому нам придется кратко рассмотреть ключевые вопросы, связанные с искусственным синтезом элементов.

2. Реакции синтеза тяжёлых элементов

Элементы тяжелее Рт (Z=100) были синтезированы в реакциях с ускоренными тяжёлыми ионами, когда в ядро-мишень вносится комплекс протонов и нейтронов. Но этот тип реакции отличается от предыдущего случая. При захвате нейтрона, не обладающего электрическим зарядом, энергия возбуждения нового ядра составляет всего 6 - 8 МэВ. В отличие от этого, при слиянии ядер мишени даже с лёгкими ионами, такими как гелий (4 Не) или углерод (12 С), тяжёлые ядра будут нагреты до энергии Е х = 20 - 40 МэВ. С дальнейшим увеличением атомного номера ядра-снаряда ему необходимо будет сообщать всё большую энергию для преодоления электрических сил расталкивания положительно заряженных ядер (кулоновского барьера реакции). Это обстоятельство приводит к росту энергии возбуждения (нагреву) компаунд ядра образующегося после слияния двух ядер - снаряда и мишени. Его охлаждение (переход в основное состояние Е х =0) будет происходить посредством испускания нейтронов и гамма-лучей. И здесь возникает первое препятствие.

Нагретое тяжёлое ядро лишь в 1/100 доле случаев сможет испустить нейтрон, в основном оно будет делиться на два осколка т. к. энергия ядра существенно выше высоты его барьера деления. Легко понять, что увеличение энергии возбуждения компаунд ядра губительно для него. Вероятность выживания нагретого ядра резко падает с увеличением температуры (или энергии Е х) из-за увеличения числа испаряемых нейтронов, с которыми сильно конкурирует деление. Для того чтобы охладить ядро, нагретое до энергии около 40 МэВ, необходимо испарить 4 или 5 нейтронов. Каждый раз с испусканием нейтрона будет конкурировать деление, вследствие чего вероятность выживания будет всего (1/100) 4-5 =10 -8 —10 -10 . Ситуация осложняется тем, что с ростом температуры ядра уменьшается стабилизирующий эффект оболочек, следовательно уменьшается высота барьера деления и делимость ядра резко возрастает. Оба эти фактора приводят к исключительно малой вероятности образования сверхтяжёлых нуклидов.

Продвижение в область элементов тяжелее 106 стало возможным после открытия в 1974 г. т.н. реакций «холодного слияния». В этих реакциях в качестве мишенного материала используются "магические" ядра стабильных изотопов - 208 РЬ (Z=82, N=126) или 209 Bi (Z=83, N=126), которые бомбардируются ионами тяжелее аргона (Ю.Ц. Оганесян, А.Г. Дёмин и др.). В процессе слияния высокая энергия связи нуклонов в "магическом" ядре-мишени приводит к поглощению энергии при перестройке двух взаимодействующих ядер
в тяжёлое ядро суммарной массы. Эта разница в энергиях "упаковки" нуклонов во взаимодействующих ядрах и в конечном ядре компенсирует в значительной степени энергию необходимую для преодоления высокого кулоновского барьера реакции. В результате, тяжёлое ядро имеет энергию возбуждения всего 12-20 МэВ. В какой-то степени подобная реакция подобна процессу «обратного деления». Действительно, если деление ядра урана на два осколка происходит с выделением энергии, (она используется в атомных электростанциях), то в обратной реакции, при слиянии осколков, образующееся ядро урана будет почти холодным. Поэтому при синтезе элементов в реакциях холодного слияния тяжёлому ядру достаточно испустить всего один или два нейтрона, чтобы перейти в основное состояние.
Реакции холодного слияния массивных ядер были успешно использованы для синтеза 6 новых элементов, от 107 до 112-го (П. Армбрустер, З. Хофман, Г. Мюнценберг и др.) в Национальном ядерно-физическом центре GSI в Дармштадте (Германия). Недавно К. Морита и др. в Национальном центре RIKEN (Токио) повторили опыты GSI по синтезу 110-112 элементов. Обе группы намерены двигаться дальше, к элементу 113 и 114, используя более тяжёлые снаряды. Однако попытки синтеза всё более тяжёлых элементов в реакциях холодного слияния связаны с большими трудностями. С увеличением атомного заряда ионов вероятность их слияния с ядрами мишени 208 РЬ или 209 Bi сильно уменьшается из-за возрастания кулоновских сил отталкивания пропорциональных, как известно, произведению зарядов ядер. От элемента 104, который может быть получен в реакции 208 РЬ + 50 Тi (Z 1 × Z 2 = 1804) к элементу 112 в реакции 208 РЬ + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460), вероятность слияния уменьшается более чем в 10 4 раз.

Рисунок 3 Карта тяжёлых нуклидов. Периоды полураспада ядер представлены различным цветом (правая шкала). Чёрные квадраты - изотопы стабильных элементов обнаруженных в земной коре (Т 1/2 ≥ 10 9 лет). Темно-синий цвет - «море нестабильности», где ядра живут менее 10 -6 секунды. Жёлтые линии соответствуют замкнутым оболочкам с указанием магических чисел протонов и нейтронов. «Острова стабильности» следующие за «полуостровом» тория, урана и трансурановых элементов -предсказания микроскопической теории ядра. Два ядра с Z = 112 и 116, полученные в различных ядерных реакциях и их последовательный распад, показывают насколько близко можно подойти к «островам стабильности» при искусственном синтезе сверхтяжёлых элементов.

Есть и другое ограничение. Компаунд ядра, полученные в реакциях холодного слияния, имеют относительно малое число нейтронов. В рассматриваемом выше случае образования 112-го элемента конечное ядро с Z = 112 имеет только 165 нейтронов, в то время как подъём стабильности ожидается для числа нейтронов N > 170 (см рис.3 ).

Ядра с большим избытком нейтронов могут быть в принципе получены, если в качестве мишеней использовать искусственные элементы: плутоний (Z=94), америций (Z=95) или кюрий (Z=96) нарабатываемые в ядерных реакторах, а в качестве снаряда - редкий изотоп кальция - 48 Са. (см. далее).

Ядро атома 48 Са содержит 20 протонов и 28 нейтронов - оба значения соответствуют замкнутым оболочкам. В реакциях слияния с ядрами 48 Са будет также работать их "магическая" структура (эту роль в реакциях холодного слияния играли магические ядра мишени - 208 РЬ), в результате чего энергия возбуждения сверхтяжёлых ядер будет около 30 - 35 МэВ. Их переход в основное состояние будет сопровождаться эмиссией трёх нейтронов и гамма лучей. Можно было ожидать что при этой энергии возбуждения эффект ядерных оболочек ещё присутствует в нагретых сверхтяжёлых ядрах, это повысит их выживаемость и позволит нам их синтезировать в наших экспериментах. Отметим также, что асимметрия масс взаимодействующих ядер (Z 1 × Z 2 ≤ 2000) уменьшает их кулоновское отталкивание и тем самым увеличивает вероятность слияния.

Несмотря на эти, казалось бы, очевидные преимущества, все предыдущие попытки синтеза сверхтяжёлых элементов в реакциях с ионами 48 Са, предпринятые в различных лабораториях в 1977 - 1985 гг. оказались не результативными. Однако развитие экспериментальной техники в последние годы и, прежде всего, получение в нашей лаборатории интенсивных пучков ионов 48 Са на ускорителях нового поколения, позволили увеличить чувствительность эксперимента почти в 1000 раз. Эти достижения были использованы в новой попытке синтеза сверхтяжёлых элементов.

3 Ожидаемые свойства

Что мы ожидаем увидеть в эксперименте в случае успешного синтеза? Если теоретическая гипотеза справедлива, то сверхтяжёлые ядра будут стабильны относительно спонтанного деления. Тогда они будут испытывать другой тип распада: альфа - распад (эмиссия ядра гелия состоящего из 2 протонов и 2 нейтронов). В результате этого процесса образуется дочернее ядро на 2 протона и 2 нейтрона легче материнского. Если у дочернего ядра вероятность спонтанного деления также мала, то после второго альфа - распада внучатое ядро теперь будет уже на 4 протона и 4 нейтрона легче начального ядра. Альфа - распады будут продолжаться до тех пор, пока не наступит спонтанное деление (рис.4 ).

Т. о. мы ожидаем увидеть не один распад, а «радиоактивное семейство», цепочку последовательных альфа - распадов, достаточно длительных по времени (в ядерном масштабе), которые конкурируют но, в конечном итоге, прерываются спонтанным делением. В принципе такой сценарий распада уже свидетельствует об образовании сверхтяжёлого ядра.

Чтобы увидеть ожидаемый подъём стабильности в полной мере необходимо подойти как можно ближе к замкнутым оболочкам Z = 114 и N = 184. Синтезировать в ядерных реакциях столь нейтронно-избыточные ядра чрезвычайно трудно т. к. при слиянии ядер стабильных элементов, в которых уже имеется определённое соотношение протонов и нейтронов, невозможно добраться до дважды магического ядра 298 114. Поэтому нам необходимо попытаться использовать в реакции ядра, которые изначально содержат максимально возможное число нейтронов. Этим, в значительной степени, был также обусловлен выбор в качестве снаряда ускоренных ионов 48 Са. Кальция, как известно, в природе много. Он состоит на 97% из изотопа 40 Са, ядро которого содержит 20 протонов и 20 нейтронов. Но в нём содержится в количестве 0.187% тяжёлый изотоп - 48 Са (20 протонов и 28 нейтронов) который имеет 8 избыточных нейтронов. Технология его получения очень трудоёмкая и дорогостоящая; стоимость одного грамма обогащённого 48 Са -около $200,000. Поэтому пришлось изменить существенным образом конструкцию и режимы работы нашего ускорителя с тем, чтобы найти компромиссное решение - получить максимальную интенсивность пучка ионов при минимальном расходе этого экзотического материала.

Рисунок 4
Теоретические предсказания о типах распада (показаны разным цветом на рисунке) и периодах полураспада изотопов сверхтяжёлых элементов с различным числом протонов и нейтронов. В качестве примера показано, что для изотопа 116-го элемента с массой 293, образующегося в реакции слияния ядер 248 Ст и 48 Са, ожидаются три последовательных альфа - распада которые завершаются спонтанным делением правнучатого ядра 110-го элемента с массой 281. Как видно на Рис.8 именно такой сценарий распада, в виде цепочки α - α - α - SF, наблюдён для этого ядра в эксперименте. Распад более лёгкого ядра - изотопа 110-го элемента с массой 271 полученный в реакции «холодного слияния» ядер 208 Pb + 64 Ni .Его период полураспада в 10 4 раз меньше чем у изотопа 281 110.

Сегодня мы достигли рекордной интенсивности пучка - 8× 10 12 /с, при весьма низком расходе изотопа 48 Са - около 0.5 миллиграмма/час. В качестве мишенного материала мы используем долгоживущие обогащенные изотопы искусственных элементов: Pu, Am, Cm и Cf (Z = 94-96 и 98) также с максимальным содержанием нейтронов. Они производятся в мощных ядерных реакторах (в г. Ок-Ридже, США и в г. Димитровграде, Россия) и затем обогащаются на специальных установках, масс-сепараторах во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (г. Саров). Реакции слияния ядер 48 Са с ядрами этих изотопов были выбраны для синтеза элементов с Z = 114 - 118 .

Здесь я хотел бы сделать некоторое отступление.

Далеко не каждая лаборатория, даже ведущих ядерных центров мира, обладает столь уникальными материалами, и в таком количестве, которые мы используем в нашей работе. Но технологии их получения были разработаны в нашей стране и они нарабатываются нашей промышленностью. Министр атомной энергии России предложил нам разработать программу работ по синтезу новых элементов на 5 лет и выделил специальный грант на проведение этих исследований. С другой стороны, работая в Объединённом институте ядерных исследований, мы широко сотрудничаем (и конкурируем) с ведущими лабораториями мира. В исследованиях по синтезу сверхтяжёлых элементов мы плотно сотрудничаем на протяжении многих лет с Ливерморской национальной лабораторией (США). Это сотрудничество не только объединяет наши усилия, но и создаёт условия, при которых экспериментальные результаты обрабатываются и анализируются двумя группами независимым образом на всех этапах эксперимента.
За 5 лет работы, в течение длительных облучений, была набрана доза около 2× 10 20 ионов (около 16 миллиграмм 48 Са, ускоренного до ~ 1/10 скорости света, прошло через слои мишеней). В этих экспериментах наблюдалось образование изотопов 112÷118 элементов (за исключением 117-го элемента) и были получены первые результаты о свойствах распада новых сверхтяжёлых нуклидов. Представление всех результатов заняло бы слишком много места и, чтобы не утомлять читателя, мы ограничимся описанием лишь последнего эксперимента по синтезу 113 и 115 элементов - все остальные реакции были исследованы подобным образом. Но прежде чем приступить к этой задаче, целесообразно было бы кратко изложить постановку эксперимента и объяснить основные принципы работы нашей установки.

4. Постановка эксперимента

Рисунок 5
Схематический вид установки для сепарации ядер отдачи в экспериментах по синтезу тяжёлых элементов

Мысленно всю поверхность детектора можно представить в виде около 500 ячеек (пикселей), в которых детектируются распады. Вероятность того, что два сигнала попадут случайным образом в одно и тоже место составляет 1/500, три сигнала - 1/250000 и т.д. Это позволяет выбрать, с большой надежностью, из громадного количества радиоактивных продуктов очень редкие события генетически связанных последовательных распадов сверхтяжёлых ядер, даже если они образуются в исключительно малом количестве (~1 атом/месяц).

5. Экспериментальные результаты

Для того чтобы показать установку «в действии» опишем в качестве примера более подробно эксперименты по синтезу 115 элемента образующегося в реакции слияния ядер 243 Am(Z=95) + 48 Са(Z=20) → 291 115.
Синтез Z-нечётного ядра привлекателен тем, что наличие нечётного протона или нейтрона существенно понижает вероятность спонтанного деления и число последовательных альфа -переходов будет больше (длинные цепочки), чем в случае распада чётно-чётных ядер. Для преодоления кулоновского барьера ионы 48 Са должны иметь энергию Е > 236 MeV. С другой стороны, выполняя это условие, если ограничить энергию пучка величиной Е=248 MeV, то тепловая энергия компаунд ядра 291 115 будет около 39 MeV; его охлаждение произойдет посредством эмиссии 3-х нейтронов и гамма-лучей. Тогда продуктом реакции будет изотоп 115 элемента с числом нейтронов N=173. Вылетев из мишенного слоя, атом нового элемента, пройдёт через сепаратор настроенный на его пропускание и попадёт в детектор. Далее события развиваются так, как показано на рис.6 . Через 80 микросекунд после остановки ядра отдачи во фронтальном детекторе, в систему сбора данных поступают сигналы о его времени прихода, энергии и координатах (номер стрипа и позиция в нём). Отметим, что эта информация имеет признак "TOF" (пришел из сепаратора). Если в течение 10 секунд из того же места на поверхности детектора последует второй сигнал с энергией более 9.8 MeV, без признака "TOF" (т.е. от распада имплантированного атома) пучок отключается и весь дальнейший распад регистрируется в условиях практически полного отсутствия фона. Как видно на верхнем графике рис 6 , за первыми двумя сигналами - от ядра отдачи и первой альфа-частицы - за время около 20 с. после отключения пучка, последовало ещё 4 других сигнала, позиции которых, с точностью ± 0.5 мм, совпадает с предыдущими сигналами. В течение последующих 2.5 часов детектор молчал. Спонтанное деление в том же стрипе и в той же позиции было зарегистрировано лишь на следующий день, спустя 28.7 часов в виде двух сигналов от осколков деления с суммарной энергией 206 MeV.
Такие цепочки были зарегистрированы три раза. Они все имеют одинаковый вид (6 поколений ядер в радиоактивном семействе) и согласуются друг с другом как по энергии альфа - частиц так и по времени их появления, с учётом экспоненциального закона распада ядер. Если наблюдаемый эффект относится, как ожидалось, к распаду изотопа 115-го элемента с массой 288, образующегося после испарения компаунд ядром 3-х нейтронов, то при увеличении энергии пучка ионов 48 Са всего на 5 MeV он должен уменьшится в 5-6 раз. Действительно, при Е = 253 МэВ эффект отсутствовал. Но здесь была наблюдена другая, более короткая, цепочка распадов, состоящая из четырёх альфа - частиц (мы полагаем, что их тоже было 5, но последняя альфа частица вылетела в открытое окно) продолжительностью всего 0.4 с. Новая цепочка распадов закончилась через — 1.5 часа спонтанным делением. Очевидно, что это распад другого ядра, с большой вероятностью соседнего изотопа 115-го элемента с массой 287, образующегося в реакции слияния с испусканием 4-х нейтронов. Цепочка последовательных распадов нечётно-нечётного изотопа Z=115, N=173 представлена на нижнем графике рис.6 , где приведены в виде контурной карты расчётные периоды полураспада сверхтяжёлых нуклидов с различным числом протонов и нейтронов. Здесь показан также распад другого, более лёгкого нечётно-нечётного изотопа 111-го элемента с числом нейтронов N=161 синтезированного в реакции 209 Bi+ 64 Ni в немецкой Лаборатории - GSI (г. Дармштадт) и затем и в японской - RIKEN(Токио).

Рисунок 6
Эксперимент по синтезу 115 элемента в реакции 48 Са + 243 Ат.
На верхнем рисунке приведены времена появления сигналов после имплантации в детектор ядра отдачи (R). Красным цветом отмечены сигналы от регистрации альфа - частиц, зелёным - от спонтанного деления. В качестве примера, для одного из трёх событий приведены позиционные координаты (в мм) всех 7 сигналов от цепочки распада R → α 1 → α 2 → α 3 → α 4 →α 5 → SF зарегистрированной в стрипе № 4. На нижнем рисунке показаны цепочки распадов ядер с Z=111, N=161 и Z=115, N=173. Контурные линии, очерчивающие области ядер с различными периодами полураспада (разная степень затемнения) - предсказания микроскопической теории.

Прежде всего, следует отметить, что периоды полураспада ядер в обоих случаях хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями. Несмотря на то, что изотоп 288 115 удалён от нейтронной оболочки N=184 на 11 нейтронов, изотопы 115 и 113 элементов обладают относительно большим временем жизни (Т 1/2 ~ 0.1 с и 0.5 с соответственно).
После пяти альфа - распадов образуется изотоп 105 элемента - дубния (Db) с N=163, стабильность которого определяется уже другой замкнутой оболочкой N=162. Силу действия этой оболочки демонстрирует огромная разница в периодах полураспада двух изотопов Db отличающихся друг от друга всего на 8 нейтронов. Отметим, ещё раз, что в отсутствии структуры (ядерных оболочек) все изотопы 105÷115 элементов должны были бы испытывать спонтанное деление за время ~ 10 -19 с.

(химический опыт)

В описанном выше примере свойства долгоживущего изотопа 268 Db замыкающего цепочку распада 115-го элемента представляют самостоятельный интерес.
Согласно Периодическому закону 105-ый элемент находится в V ряду. Он является, как видно на рис.7 , химическим гомологом ниобия (Nb) и тантала (Та) и отличается по химическим свойствам от всех, более лёгких элементов - актиноидов (Z = 90÷103) представляющих отдельную группу в Таблице Д.И. Менделеева. Благодаря большому периоду полураспада, данный изотоп 105-ого элемента может быть отделен от всех продуктов реакции радиохимическим методом с последующим измерением его распада - спонтанного деления. Этот эксперимент даёт независимую идентификацию атомного номера конечного ядра (Z = 105) и всех нуклидов образующихся в последовательных альфа - распадах 115-го элемента.
В химическом эксперименте нет необходимости в использовании сепаратора ядер отдачи. Разделение продуктов реакции по их атомным номерам осуществляется методами, основанными на различии их химических свойств. Поэтому здесь использовалась более упрощенная методика. Продукты реакции, вылетающие из мишени, вбивались в медный сборник, расположенный на пути их движения, на глубину 3-4 микрон. После 20-30 часового облучения сборник растворялся. Из раствора выделялась фракция трансактиноидов - элементов Z > 104 - а из этой фракции, затем элементы 5-ого ряда - Db в сопровождении своих химических гомологов Nb и Та. Последние добавлялись в качестве "отметчиков" в раствор перед химическим разделением. Капелька раствора, содержащая Db, наносилась на тонкую подложку, высушивалась и помещалась затем между двумя полупроводниковыми детекторами, регистрирующими оба осколка спонтанного деления. Вся сборка помещалась в свою очередь в нейтронный детектор, определяющий число нейтронов испущенных осколками при делении ядер Db.
В июне 2004 г. было проведено 12 идентичных опытов (С. Н. Дмитриев и др.), в которых было зарегистрировано 15 событий спонтанного деления Db. Осколки спонтанного деления Db имеют кинетическую энергию около 235 МэВ, на каждый акт деления испускается в среднем около 4 нейтронов. Такие характеристики присущи спонтанному делению достаточно тяжёлого ядра. Напомним, что для 238 U эти величины составляют соответственно около 170 МэВ и 2 нейтрона.
Химический опыт подтверждает результаты физического эксперимента: образующиеся в реакции 243 Am + 48 Са ядра 115-го элемента в результате последовательных пяти альфа распадов: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 действительно приводят к образованию долгоживущего спонтанно-делящегося ядра с атомным номером 105. В этих экспериментах, как дочерний продукт альфа - распада 115-го элемента, был синтезирован также ещё один, ранее неизвестный элемент с атомным номером 113.

Рисунок 7
Физический и химический опыты по изучению радиоактивных свойств 115-го элемента.
В реакции 48 Са + 243 Ат, с помощью физической установки было показано, что пять последовательных
альфа - распадов изотопа 288 115 приводят к долгоживущему изотопу 105-го элемента - 268 Db, который
делится спонтанно на два осколка. В химическом эксперименте определено, что спонтанное деление испытывает ядро с атомным номером 105.

6. Общая картина и будущее

Перспективы

Теперь задача состоит в более детальном изучении ядерной и атомной структуры новых элементов, что весьма проблематично, прежде всего, из-за малого выхода искомых продуктов реакции. Для того чтобы увеличить число атомов сверхтяжёлых элементов необходимо увеличить интенсивность пучка ионов 48 Са и повысить эффективность физических методик. Модернизация ускорителя тяжёлых ионов, намеченная на ближайшие годы, с использованием всех последних достижений ускорительной техники, позволит нам увеличить интенсивность пучка ионов примерно в 5 раз. Решение второй части требует кардинального изменения постановки опытов; оно может быть найдено в создании новой экспериментальной методики, исходя из свойств сверхтяжёлых элементов.

Рисунок 8
Карта нуклидов тяжелых и сверхтяжёлых элементов.
Для ядер внутри овалов, соответствующих различным реакциям синтеза (показаны на рисунке), приведены периоды полураспада и энергии испускаемых альфа-частиц (жёлтые квадраты). Данные представлены на контурной карте разделяющей области по вкладу эффекта ядерных оболочек в энергию связи ядра. В отсутствие ядерной структуры всё поле было бы белого цвета. По мере потемнения эффект оболочек растёт. Две соседние зоны отличаются на величину всего 1 МэВ. Этого, однако, достаточно для значительного увеличения стабильности ядер относительно спонтанного деления, в результате чего нуклиды расположенные вблизи «магических» чисел протонов и нейтронов испытывают преимущественно альфа - распад. С другой стороны, в изотопах 110-го и 112-го элементов увеличение числа нейтронов на 8 атомных единиц приводит к возрастанию периодов альфа - распада ядер более чем в 10 5 раз.

Принцип работы действующей установки - кинематического сепаратора ядер отдачи (рис.5 ) основан на отличии кинематических характеристик различного типа реакций. Интересующие нас продукты реакции слияния ядер мишени и 48 Са вылетают из мишени в переднем направлении, в узком угловом конусе ± 3 0 с кинетической энергией около 40 МэВ. Ограничивая траектории движения ядер отдачи с учётом этих параметров, мы практически полностью отстраиваемся от пучка ионов, подавляем фон побочных продуктов реакции в 10 4 ÷10 6 раз, и с эффективностью примерно 40% доставляем атомы новых элементов к детектору за время 1 микросекунду. Иными словами, сепарация продуктов реакции происходит «налету».

Рисунок 8 Установка MASHA
На верхнем рисунке приведена схема сепаратора и принцип его действия. Ядра отдачи, вылетающие из мишенного слоя, останавливаются в графитовом сборнике на глубине несколько микрометром. Вследствие высокой температуры сборника они диффундируют в камеру ионного источника, вытягиваются из плазмы, ускоряются электрическим полем и анализируются по массе магнитными полями по ходу движения к детектору. В данной конструкции масса атома может быть определена с точность 1/3000. На нижнем рисунке показан общий вид установки.

Но для того чтобы получить высокую селективность установки важно сохранить, «не размазать» кинематические параметры - углы вылета и энергии ядер отдачи. Из-за этого необходимо использовать мишенные слои толщиной не более 0.3 микрометра - примерно втрое меньшей, чем нужно для получения эффективного выхода сверхтяжёлого ядра с данной массой или в 5÷6 раз меньшей, если речь идёт о синтезе двух соседних по массе изотопов данного элемента. Кроме того, чтобы получить данные о массовых числах изотопов сверхтяжёлогоэлемента, необходимо проводить длительную и трудоёмкую серию опытов - повторять измерения при различных энергиях пучка ионов 48 Са.
Вместе с тем, как следует из наших опытов, синтезированные атомы сверхтяжёлых элементов имеют периоды полураспада, значительно превышающие быстродействие кинематического сепаратора. Поэтому, во многих случаях, нет необходимости в сепарации продуктов реакции за столь короткое время. Тогда можно изменить принцип действия установки и провести разделение продуктов реакции в несколько этапов.
Схема новой установки представлена на рис.9 . После имплантации ядер отдачи в нагретый до температуры 2000 0 С сборник атомы диффундируют в плазму ионного источника, ионизуются в плазме до заряда q = 1 + , вытягиваются из источника электрическим полем, сепарируются по массе в магнитных полях специального профиля и, наконец, регистрируются (по типу распада) детекторами, расположенными в фокальной плоскости. Вся процедура может занимать, по оценкам, время от десятых долей секунды до нескольких секунд в зависимости от температурных режимов и физико-химических свойств сепарируемых атомов. Уступая в быстродействии кинематическому сепаратору, новая установка - MASHA (аббревиатура от полного названия Маss Analyzer of Super Heavy Atoms ) - повысит эффективность работы примерно в 10 раз и даст, наряду со свойствами распада, прямое измерение массы сверхтяжёлых ядер.
Благодаря гранту, выделенному губернатором Московской области Б.В. Громовым для создания этой установки, она была спроектирована и изготовлена в короткий срок - за 2 года, прошла испытания и готова к работе. После реконструкции ускорителя, с установкой МАSНА. мы существенно расширим наши исследования свойств новых нуклидов и попытаемся пройти дальше, в область более тяжёлых элементов.

(поиск сверхтяжёлых элементов в природе)

Другая сторона проблемы сверхтяжёлых элементов связана с получением более долгоживущих нуклидов. В описанных выше экспериментах мы подошли лишь к краю «острова», обнаружили крутой подъём вверх, но далеки ещё от его вершины, где ядра могут жить тысячи и, быть может, даже миллионы лет. Нам не хватает нейтронов в синтезируемых ядрах, для того чтобы приблизится к оболочке N=184. Сегодня это недостижимо - нет таких реакций, которые позволили бы получать столь нейтронно-избыточные нуклиды. Возможно, в отдалённом будущем, физики смогут использовать интенсивные пучки радиоактивных ионов, с числом нейтронов большим, чем у ядер 48 Са. Такие проекты сейчас широко обсуждаются, пока не касаясь затрат необходимых для создания подобных ускорительных гигантов.

Однако можно попытаться подойти к этой задаче с другой стороны.

Если предположить, что наиболее долгоживущие сверхтяжёлые ядра имеет период полураспада 10 5 ÷ 10 6 лет (не сильно расходится с предсказаниями теории, которая свои оценки делает также с определённой точностью), то не исключено, что они могут быть обнаружены в космических лучах - свидетелях образования элементов на других, более молодых планетах Вселенной. Если сделать ещё более сильное предположение о том, что период полураспада «долгожителей» может составлять десятки миллионов лет или более, то они могли бы присутствовать в Земле, сохранившись в очень малых количествах от момента образования элементов в Солнечной системе до наших дней.
Среди возможных кандидатов мы отдаём предпочтение изотопам 108-го элемента (Нs)ядра которых содержат около 180 нейтронов. Химические опыты, проведенные с короткоживущим изотопом 269 Нs (Т 1/2 ~ 9 с) показали, что 108 элемент, как и ожидалось, согласно Периодическому закону, является химическим гомологом 76-го элемента - осмия (Оs).

Рисунок 10
Установка для регистрации вспышки нейтронов от спонтанного деления ядер при распаде 108 элемента. (Подземная лаборатория в г. Модан, Франция)

Тогда образец металлического осмия, может содержать в очень малых количествах 108 элемент Ека(Оs). Присутствие Ека(Оs) в осмии можно определить по его радиоактивному распаду. Возможно, сверхтяжёлый долгожитель будет испытывать спонтанное деление, либо спонтанное деление наступит после предшествующих альфа или бета - распадов (вид радиоактивного превращения, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон) более легкого и более короткоживущего дочернего или внучатого ядра. Поэтому, на первом этапе, можно поставить эксперимент по регистрации редких событий спонтанного деления осмиевого образца. Такой эксперимент подготавливается. Измерения начнутся в конце этого года, и будут продолжаться 1-1.5 лет. Распад сверхтяжёлого ядра будет регистрироваться по нейтронной вспышке сопровождающей спонтанное деление. Для того чтобы защитить установку от фона нейтронов, возникающего под действием космических лучей, измерения будут проводиться в подземной лаборатории расположенной под Альпами в середине тоннеля соединяющего Францию с Италией на глубине соответствующей 4000-метровому слою водного эквивалента.
Если в течение года измерений будет наблюдено хотя бы одно событие спонтанного деления сверхтяжёлого ядра, то это будет соответствовать концентрации 108 элемента в Оs-образце около 5× 10 -15 г/гр., в предположении, что его период полураспада равен 10 9 лет. Столь малая величина составляет всего 10 -16 часть от концентрации урана в земной коре.
Несмотря на сверхвысокую чувствительность эксперимента, шансы обнаружить реликтовые, сверхтяжёлые нуклиды малы. Но любой научный поиск всегда имеет малый шанс... Отсутствия эффекта даст верхнюю границу периода полураспада долгожителя на уровне Т 1/2 ≤ 3× 10 7 лет. Не столь впечатлительно, но важно для понимания свойств ядер в новой области стабильности сверхтяжёлых элементов.

Ученые из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Майнцского университета (Германия) предположили, что одна из самых необычных (среди известных астрономам) звезд содержит химические элементы из острова стабильности. Это элементы в самом конце таблицы Менделеева, от соседей слева их отличает большее время жизни. Исследование опубликовано в библиотеке электронных препринтов arXiv.org, о его результатах и стабильных сверхтяжелых химических элементах рассказывает .

Звезда HD 101065 открыта в 1961 году польско-австралийским астрономом Антонином Пшибыльским. Она находится на расстоянии около 400 световых лет от Земли в созвездии Центавра. Вероятнее всего, HD 101065 легче Солнца и представляет собой звезду главной последовательности, субгиганта. Особенность звезды Пшибыльского - крайне малое содержание в атмосфере железа и никеля. В то же время звезда богата тяжелыми элементами, в том числе стронцием, цезием, торием, иттербием и ураном.

Звезда Пшибыльского - единственная, в которой обнаружены короткоживущие радиоактивные элементы, актиноиды, с атомным номером (числом протонов в ядре) от 89 до 103: актиний, плутоний, америций и эйнштейний. На HD 101065 похожа HD 25354, но наличие там америция и кюрия вызывает сомнения.

Механизм образования сверхтяжелых элементов на звезде Пшибыльского до сих пор не вполне понятен . Предполагалось, что HD 101065 вместе с нейтронной звездой образует двойную систему - частицы со второй падают на первую, провоцируя реакции синтеза тяжелых элементов. Эта гипотеза пока не подтверждена, хотя не исключено, что на расстоянии около тысячи астрономических единиц от HD 101065 располагается тусклый спутник.

Фото: N. Dautel / Globallookpress.com

Сильнее всего HD 101065 похожа на Ap-звезды, пекулярные (peculiar) светила спектрального класса A, в чьем спектре усилены линии редкоземельных металлов. У них сильное магнитное поле, тяжелые элементы в их атмосферу поступают из недр. От остальных Ap-звезд HD 101065 отличается кратковременными изменениями в кривой блеска, что позволило включить ее в отдельную группу RoAp-звезд (Rapidly oscillating Ap stars).

Вероятно, попытки ученых вписать HD 101065 в существующую классификацию звезд когда-нибудь увенчаются успехом. Пока звезда Пшибыльского считается одной из самых необычных - это дает основания подозревать у нее ряд необычных свойств. В частности, в последней работе, посвященной HD 101065, австралийские и немецкие исследователи допустили, что в звезде Пшибыльского рождаются химические элементы, относящиеся к острову стабильности.

Ученые исходили из оболочечной модели ядра и ее расширений. Модель связывает устойчивость атомного ядра с заполнением энергетических уровней оболочек, которые, по аналогии с электронными оболочками атома, образуют ядро. Каждые нейтрон и протон находятся на определенной оболочке (расстоянии от центра атома или энергетическом уровне) и движутся независимо друг от друга в некотором самосогласованном поле.

Считается, что чем более заполнены энергетические уровни ядра, тем устойчивее изотоп. Модель хорошо объясняет устойчивость атомных ядер, спины и магнитные моменты, однако применима лишь к невозбужденным или легким и средним по массовому числу ядрам.

В соответствии с оболочечной моделью, ядра с целиком заполненными энергетическими оболочками характеризуются высокой стабильностью. Такие элементы и образуют «остров стабильности». Начинается он с изотопов с порядковыми номерами 114 и 126, соответствующими магическому и дважды магическому числам.

У ядер с магическим числом нуклонов (протонов и нейтронов) наиболее сильная энергия связи. В таблице нуклидов они размещены следующим образом: по горизонтали слева направо по возрастанию указано число протонов, а по вертикали сверху вниз - число нейтронов. У дважды магического ядра количество протонов и нейтронов равно какому-либо магическому числу.

Период полураспада изотопов флеровия (114-й элемент), полученных в Дубне, - до 2,7 секунды. Согласно теории, должен существовать изотоп флеровий-298 c магическим числом нейтронов N=184 и временем жизни порядка десяти миллионов лет. Синтезировать такое ядро пока не удалось. Для сравнения, период полураспада соседних элементов с числами протонов в ядре, равными 113 и 115, - до 19,6 секунды (для нихония-286) и 0,156 секунды (для московия-289) соответственно.

Авторы публикации на arXiv.org считают, что наличие в атмосфере HD 101065 актиноидов говорит в пользу того, что там же имеются и химические элементы из острова стабильности. Актиноиды в таком случае - продукт распада стабильных сверхтяжелых элементов. Ученые предлагают провести поиск в спектрах HD 101065 следов нобелия, лоуренсия, нихония, флеровия и описывают конкретные спектры, которые могут производить устойчивые изотопы.

В настоящее время новые элементы таблицы Менделеева синтезируются в России, США, Японии и Германии. На Земле трансурановые элементы в естественной среде не обнаружены. Звезда HD 101065, возможно, открывает новые возможности для проверки теорий физиков-ядерщиков, предполагающих существование острова стабильности.

Петер Армбрустер, Готфрид Мюнцерберг

Тонкие квантовомеханические эффекты стабилизируют ядра, которые намного тяжелее ядер, существующих в природе. Экспериментаторам пришлось пересматривать представления о том, как лучше синтезировать такие сверхтяжелые элементы

В течение последних 20 лет во многих странах мира внимание физиков привлекала проблема получения сверхтяжелых элементов. В Дармштадте в Институте исследований с тяжелыми ионами (ГСИ) нам удалось добиться определенных успехов, синтезировав ядра элементов 107, 108 и 109. Эти ядра находятся за «порогом» 106-го протона, который отмечает предел для существовавших ранее методов получения и идентификации тяжелых элементов.

Экспериментальные измерения масс ядер и теоретический анализ показывают, что стабильность этих новых элементов обусловлена прежде всего микроструктурой их протонных и нейтронных систем, а не макроскопическими свойствами, определяющими стабильность более легких ядер. Однако мы столкнулись с проблемами, которые до сих пор затрудняют достижение целей, поставленных в конце 60-хгодов, когда казалось, что элементы вплоть до 114-го находятся в пределах досягаемости. Преодолевая эти трудности, мы продвинулись В изучении ядерной структуры и динамики реакций слияния ядер.

Нуклеосинтез прошел долгий путь от раннего периода, когда элементы, которые не существуют в природе, получали в ядерных реакторах. Физики применяли все более тяжелые ускоренные ионы для бомбардировки атомов мишени. Последним этапом в этом развитии стал метод «холодного слияния» ядер, в котором массы частиц и энергия бомбардировки должны быть тщательно определены, чтобы возбуждение вновь образующихся ядер было минимальным.

В процессе нашей работы почти все первоначальные представления о синтезе сверхтяжелых элементов пришлось пересмотреть: ядра элементов, которые можно синтезировать, являются деформированными, анесферическими, как это постулировалось в 1966 г. Для слияния мы использовали стабильные, широко распространенные в природе, сферические ядра и ускоренные ионы средних масс вместо искусственных наиболее тяжелых радиоактивных ядер и соответственноподобранных легких ускоренных ионов, как предполагалось ранее. Слияние должно происходить при возможно более низкой энергии бомбардировки - как можно «мягче», без применения «грубой силы» в виде избыточной энергии взаимодействия, которая, как полагали ранее, способствует процессу слияния.

Идея синтеза трансурановых элементов (с атомным номером более 92) возникла в 30-х годах. В 1934 г. Энрико Ферми бомбардировал таллий медленными нейтронами, чтобы после бета-распада (распад нейтрона на протон и электрон) получить свинец. В результате захвата нейтронов и последующего бета-распада образовывались элементы с атомными номерами, на единицу превышавшими исходные.

В период между 1940 г. и серединой 50-х годов путем нейтронного облучения были получены элементы 93, 94, 99 и 100. Фермий, элемент 100, неслучайно оказался последним в серии элементов, которые можно было получить методом нейтронного захвата и бета-распада, предложенным Ферми: ни один из его изотопов не испытывает бета-распад. В течение того же периода при облучении альфа-частицами были получены элементы от 95 до 98 и 101-й. В этом процессе тяжелое ядро поглощает два протона и два нейтрона; при этом атомный номер увеличивается сразу на две единицы. Подобно всем тяжелым элементам, трансурановые элементы содержат больше нейтронов, чем протонов; например, плутоний (элемент 94) содержит 145 нейтронов при полной массе 239; наиболее долгоживущий изотоп фермия имеет 157 нейтронов при полной массе 257.

Естественным способом получения элементов выше 100-го считалось слияние ядер наиболее тяжелых элементов с ядрами легких элементов, содержащих больше протонов и нейтронов, чем гелий. Элементы вплоть до 99-го доступны, поскольку их можно синтезировать в весовых макроскопических количествах. В Беркли (США)и Дубне (СССР) были построены ускорители для получения тяжелых ионов с энергией, достаточной для преодоления препятствующих слиянию ядер электростатических сил. В период между 1958 и 1974 гг. эти ускорители тяжелых ионов позволили синтезировать элементы от 102 до 106. Приоритет открытия этих элементов и, следовательно, право их наименования остаются до сих пор предметом дискуссий.

Методы, столь успешно применявшиеся в Беркли и Дубне, оказались неэффективными для получения элементов тяжелее 100-го. Чтобы понять, почему так трудно синтезировать сверхтяжелые элементы и почему некоторые из них могут быть особенно стабильны, необходимо выяснить, как ядра сохраняются как единое целое или же разваливаются и как баланс различных сил. определяющий их стабильность, изменяется с увеличением массы. Эффекты, которыми для более легких ядер можно пренебречь, определяют различие между полной нестабильностью и относительно большими временами жизни сверхтяжелых ядер.

Особенно важным для всех ядер является взаимосвязь сильных ядерных сил, притягивающих как протоны, так и нейтроны, и электростатических сил, отталкивающих протоны. Чем тяжелее ядра, тем больше в них нейтронов, что в некоторой степени компенсирует влияние сил отталкивания между протонами. Тем не менее сила связи между нуклонами достигает максимума у железа (26 протонов и 30 нейтронов), что соответствует менее четверти пути по периодической таблице, а затем она уменьшается.

Расщепление любого ядра тяжелее железа должно сопровождаться выделением энергии, однако энергия, необходимая для расщепления менее массивных ядер, чем свинец, так велика, что такую реакцию можно осуществлять только в особых условиях. Поскольку ядра тяжелее свинца, могут переходить в более устойчивое состояние, испуская даже небольшую часть своих нуклонов, они нестабильны. Существующие в природе изотопы тория и урана распадаются в основном путем испускания альфа-частиц. Только у урана и более тяжелых элементов невозбужденные ядра могут испытывать спонтанное деление.

В основном с ростом атомного номера (число протонов в ядре) нестабильность атомных ядер увеличивается: периоды их полураспада уменьшаются от нескольких тысяч лет до миллионных долей секунды. Однако из теории строения ядра следует, что элементы, лишь немного тяжелее полученных к настоящему времени, будут не менее, а более стабильны.

Ядра с определенными комбинациями нейтронов и протонов имеют особенно большую энергию связи; гелий-4, кислород-16, кальций-40, кальций-48 и свинец-208 очень стабильны по сравнению с соседними элементами. Эти большие значения обусловлены оболочечной структурой - ядерным эквивалентом оболочек, на которых находятся электроны вокруг ядра. Конфигурации нуклонов, образующие полностью заполненные (замкнутые) оболочки, особенно стабильны. Для свинца оболочечная структура способствует увеличению энергии связи ядра на 11 млн. электронвольт (МэВ) по сравнению с гипотетической ядерной каплей, лишенной структуры и имеющей то же число нейтронов и протонов. Для большинства ядер с энергиями связи до 2 млрд. эВ такое увеличение сравнительно несущественно. Однако для наиболее тяжелых элементов, находящихся на границе стабильности, «оболочечная стабилизация» может приводить к различию между мгновенным распадом и относительно длительным существованием ядер.

Ядра с замкнутыми нейтронными и протонными оболочками особенно стабильны; после свинца такие оболочки появляются при 114 протонах и 184 нейтронах. Успехи теории оболочек в предсказании энергий связи для легких ядер породили надежду, что ядра с массой, близкой к 298, могут быть настолько сильно стабилизированы, что, подобно урану и торию, могут образовать область относительно стабильных элементов. Такие оболочечно-стабилизированные сверхтяжелые элементы в отличие от элементов в области урана-тория должны быть нестабильны как однородные капли ядерного вещества.

Первый из оболочечно-стабилизированных сверхтяжелых элементов, 107-й,свойства которого, как предположил Ферми, должны соответствовать экарению, был идентифицирован в Дармштадте в 1981 г., спустя 47 лет после этого предсказания.

Затем нами были получены и идентифицированы элементы 108 и 109. Измерения их энергий связи показывают, что мы уже вступили в область сверхтяжелых элементов. В настоящее время мы исследуем ограничения, препятствующие получению еще более тяжелых элементов.

Синтез тяжелых элементов в реакциях слияния требует от экспериментатора умения «пройти по тонкой грани» между теми методами бомбардировки, в которых слияния не происходит, и теми методами, которые приводят к делению ядра-продукта, вместо того чтобы оставить его в относительно стабильном состоянии. Снижение нагрева вновь образовавшегося ядра представляет собой наиболее важную причину перехода от бомбардировки тяжелых мишеней сравнительно легкими ионами к бомбардировке менее массивных мишеней относительно более тяжелыми ионами (перехода, начатого Ю.Ц. Оганесяном и его сотрудниками из Объединенного института ядерных исследований в Дубне).

Например, при слиянии свинца-208 или висмута-209 с хромом-54 или железом-58 энергия возбуждения нового ядра составляет около 20 МэВ. В то же время слияние тяжелых актиноидных мишеней (калифорния-249, берклия-249 или кюрия-248) с углеродом-12, азотом-15 или кислородом-18 приводит к энергии возбуждения около 45 МэВ.

Ядро, образованное с использованием легких ионов и мишеней изактиноидов, остывает, испуская четыре нейтрона. В отличие от этого ядро, образованное из свинца или висмута и более тяжелых ионов, остывает, испуская только один нейтрон. Поскольку вероятность того, что ядро охладится, испустив нейтрон, составляет всего несколько процентов вероятности его деления, конечный выход сверхтяжелых ядер значительно снижается на каждой ступени каскада эмиссии нейтронов. Механизм однонейтронной релаксации намного более пригоден для сохранения вновь образованного ядра.

К сожалению, холодное слияние имеет также и недостаток: в данном случае электростатические силы отталкивания между двумя ядрами в большей степени препятствуют их слиянию. Когда два ядра сближаются, часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения промежуточной системы сталкивающихся ядер и, следовательно, не может быть использована для преодоления барьера слияния, что в свою очередь снижает вероятность слияния. В случае холодного слияния с использованием более тяжелых ионов в процессе сближения и прохождения барьера слияния преобразуется больше кинетической энергии и вероятность преодоления этого барьера снижается по сравнению с реакциями между легкими ионами и наиболее тяжелыми мишенями.

Если для компенсации этих потерь увеличивать начальную энергию, энергия возбуждения возрастет и число образующихся ядер уменьшится. В результате только за 106-м элементом проявляются преимущества метода холодного слияния.

Нами было показано, что максимальные сечения реакций образования тяжелых элементов находятся в узком энергетическом диапазоне - примерно на 5 МэБ выше барьера слияния.

В то время как теория получения сверхтяжелых ядер может быть весьма интересна сама по себе, на практике это гораздо более сложная задача. Теоретические расчеты должны сочетаться с конструированием ускорителя и мишени, а также с разработкой системы детекторов, которая сможет зарегистрировать существование сверхтяжелого ядра сразу же, как оно будет синтезировано. Когда в конце 60-х годов идея получения сверхтяжелых элементов завладела воображением физиков и химиков, никто в ФРГ не имел опыта проведения нуклеосинтеза. Для начинающих в этой области было открыто много «дверей». Можно было многому научиться на основе экспериментов, проведенных ранее в Беркли и Дубне, однако было ясно, что дальнейшего прогресса нельзя достигнуть путем копирования этих исследований. Были необходимы ускоритель тяжелых ионов, экспрессные методы разделения для выделения новых элементов и соответствующая техника их идентификации. Не было ответа и на вопрос о том, какие именно реакции должны привести к успеху.

В 1969 г. правительство ФРГ совместно с правительством земли Гессен решило финансировать создание нового института для исследований с тяжелыми ионами (Общество исследований с тяжелыми ионами, геи) в Дармштадте. Универсальный линейный ускоритель (УНИЛАК), на котором ведутся эксперименты в геи, начал работать в 1975 г.

УНИЛАК может ускорять все ионы до урана включительно до энергий, превышающих кулоновский барьер. С самого начала эта установка предназначалась для получения возможно более интенсивных ионных пучков. Особые усилия были направлены на то, чтобы можно было плавно изменять энергию ионов и устанавливать ее на заданном уровне с достаточно хорошей воспроизводимостью. Первоначально проект ускорителя разрабатывался К. Шмельцером и его сотрудниками в Гейдельберге. При этом учитывался уже накопленный опыт других научных групп: ионные источники представляли собой модификацию источников, использовавшихся в Дубне для получения высокозарядных ионов, а разработанная в Беркли система Альвареца была использована в высокочастотной системе линейного ускорителя.

Когда УНИЛАК был построен, перед многими учеными был поставлен вопрос: как лучше всего использовать ускоритель? Какие реакции и какие экспериментальные методы должны применяться? В начальный период своего существования УНИЛАК использовался для проверки самых разнообразных идей, однако успешной оказалась единственная стратегия - холодное слияние в сочетании с транспортировкой ядер отдачи (продуктов слияния).

Со времени открытия в 1941 г. плутония было синтезировано около 400 т этого элемента, что соответствует 10 30 атомов. С другой стороны, было получено и идентифицировaно всего несколько атомов 109-го элемента. Почему наиболее тяжелые элементы получают в таких исчезающе малых количествах? Ответ заключается в следующем: для производства плутония тонны нейтронов бомбардируют блоки урана-238 толщиной несколько сантиметров или более, а на УНИЛАКе ускоряется всего 100 мкг железа-58 для бомбардировки мишени из свинца-208 толщиной несколько сотен нанометров. Кроме того, поперечное сечение реакции нейтронного захвата, в которой образуется плутоний-239, приблизительно в 10 триллионов раз больше поперечного сечения реакции слияния, в которой образуется 109-й элемент.

Трудности при получении более тяжелых элементов составляют только часть проблемы. Будучи синтезированными, такие элементы, как 109-й, распадаются столь быстро, что синтез «не поспевает» за распадом. Наиболее тяжелые элементы настолько короткоживущи, что к концу облучения все образовавшиеся атомы уже распадаются. Поэтому эти атомы следует детектировать и идентифицировать в процессе их получения.

Методы получения и регистрации элементов вплоть до 106-го основывались главным образом на механических средствах транспортировки образующихся атомов из зоны реакции к детекторам. Время транспортировки между образованием и детектированием продуктов реакций определялось скоростями их переноса в потоке газа, временем их диффузии из твердых поверхностей или скоростью вращающихся мишеней. Эти методы, однако, были недостаточно хороши для регистрации элементов тяжелее 106-го, вынуждая идти на неприемлемый выбор, между скоростью и точностью детектирования, так что, используя более быстрые методы, оказалось невозможно надежно идентифицировать новые изотопы.

Для транспортировки образующихся ядер к детекторам мы выбрали методику, основанную на использовании скорости отдачи, которую продукты реакции приобретают от тяжелых ионов. Когда тяжелый ион сталкивается с атомом мишени и сливается с ним, образовавшееся ядро движется по направлению первоначального движения иона со скоростью, составляющей около нескольких процентов скорости света. В результате можно детектировать ядра с периодами полураспада до 100 нс.

Хотя методика транспортировки ядер отдачи позволяет детектировать и идентифицировать очень короткоживущие ядра, техника детектирования становится при этом более сложной. Из зоны реакции с высокой скоростью выходят не только отдельные ядра, образовавшиеся в реакции слияния, но и триллионы тяжелых ионов, а также тысячи атомов, выбитых из мишени. Чтобы отделить сверхтяжелые ядра от остаточного пучка, мы построили специальный фильтр скоростей - сепаратор продуктов реакций с тяжелыми ионами SHIP (Separator for Heavy-Ion Reaction Products), разработанный совместно со специалистами Второго физического института Университета в Гиссене. На основе кинематики столкновения и слияния ядер скорость отдачи продуктов слияния можно рассчитать заранее. Следовательно, их можно выделить относительно прямым способом.

Фильтр скоростей состоит из двух ступеней, каждая из которых включает как электрическое, так и магнитное поля. Эти два поля отклоняют заряженные частицы в противоположных направлениях; только для ядра, имеющего определенную скорость, влияние полей взаимно исключается, и оно продолжает движение в медианной плоскости установки. Такой фильтр-тандем уменьшает число ускоренных ионов, попадающих в область детектирования в 100 млрд. раз а число выбитых ядер мишенн - в 1000 раз. Исключая из пучка почти полностью все нежелательные частицы, спектрометр SHIP пропускает более 40070 продуктов слияния. Детекторы, расположенные за спектрометром, регистрируют цепочки распада частиц, прошедших через спектрометр, что позволяет однозначно идентифицировать продукты слияния.

Первым элементом детектирующей системы является время-пролетное устройство, которое позволяет измерить скорость частицы в третий раз (первые два измерения заложены в принципе действия фильтра скоростей). После прохождения этого устройства частица имплантируется в позиционно-чувствительные кремниевые поверхностно-барьерные детекторы, которые регистрируют ее энергию и место попадания. Поскольку комбинация времени пролета и энергии дает возможность приблизительно определить массу частицы, можно отличать продукты слияния от рассеянных ионов и выбитых ядер мишени.

Для надежной идентификации ядра необходимо тем не менее установить корреляцию его распада с распадом его радиоактивных дочерних продуктов. Акты распада, обусловленные одним и тем же ядром, должны иметь одинаковые пространственные координаты, а тип, энергия и период полураспада дочерних ядер известны из предшествующих измерений.

Устанавливая такие коррелированные акты распада, можно однозначно идентифицировать каждое ядро-продукт слияния. Хотя случайное ядро, попавшее в одно и то же место с исследуемым продуктом слияния, может испытывать распад и вызвать пространственно коррелированный сигнал, весьма маловероятно, чтобы его энергия распада, период полураспада и тип распада совпали с ожидаемыми для продукта слияния. Мы наблюдали такие цепочки распада вплоть до четвертого поколения; вероятность того, что подобные серии коррелированных событий случайны, составляет от 10 –15 до 10 –18 . Если коррелированные события, обусловленные исследуемым изотопом, наблюдаются раз в сутки, то случайного появления событий, имитирующих четыре поколения актов распада, можно ждать в течение времени, в 100 раз превышающего возраст Земли. В результате даже одиночное событие может однозначно указывать на существование данного сверхтяжелого изотопа.

В период между 1981 и 1986 гг. совместно с нашими коллегами П. Хессбергером, З. Хофманом, М. Лейно, В. Райсдорфом и К.-Х. Шмидтом мы использовали УНИЛАК, SHIP и его систему детектирования для синтеза и идентификации элементов 107 109. В этих экспериментах было синтезировано 14 изотопов элементов 104 109 (пять из которых были известны ранее), а также еще два изотопа 107-го и 108-го элементов с массовыми числами 261 и 264 соответственно.

В 1981 г. нами был получен изотоп 107-го элемента с массовым числом 262 путем бомбардировки висмута 209 ионами хрома-54. Для нечетно-нечетного изотопа 107-го элемента (имеющего нечетное число и протонов, и нейтронов) мы установили пять значений энергии альфа-частиц, что дает представление об энергетических ядерных уровнях; мы можем сообщить также, что этот изотоп имеет изомер (долгоживущее возбужденное состояние).

109-й элемент был идентифицирован на основе наблюдения единственной цепочки распада, зарегистрированной в 16 ч 10 мин 29 августа 1982 г. в реакции между железом-58 и висмутом-209. Ядро 266 109 существовало 5 мс, прежде чем испустить альфачастицу с энергией 11,1 МэВ; образовавшееся при этом ядро 107-го элемента распалось на 105-й элемент через 22 мс; 105-й элемент распался на 104-й элемент с последовавшим через 12,9 с спонтанным делением его ядра. Из этого единственного события можно было, хотя и с ограниченной точностью, определить энергию распада, период полураспада и поперечное сечение реакции. Еще две цепочки распада наблюдались в начале 1988 г. - через шесть лет после идентификации 100-го элемента. Они подтвердили интерпретацию события, зарегистрированного в 1982 г.

В 1984г. мы идентифицировали три цепочки распада изотопа 265 108 в реакции между железом-58 и свинцом-208. Два идентифицированных изотопа 107-го и 109-го элементов являются нечетно-нечетными и вероятность их деления сильно снижена, однако изотоп 108-го элемента имеет четное число протонов и нечетное число нейтронов. Хотя у четно-нечетных изотопов вероятность деления значительно выше, изотоп 265 108 также испытывает альфа-распад.

Особенно интересно, что ни один из изотопов элементов 107–109 не делится спонтанно, а все четно-четные изотопы 265 104, 260 106 и 264 108 имеют примерно одинаковую стабильность относительно спонтанного деления.

Приблизительно постоянный уровень стабильности показывает, как стабилизирующие обол очечные эффекты конкурируют с общим падением стабильности при увеличении массы ядер.

За 104-м и 105-м элементами находится небольшой «остров» ядер, которые при испускании альфа-частиц распадаются с образованием известных изотопов более легких элементов. Такие акты альфа-распада позволяют определить энергию связи этих сверхтяжелых элементов. Если энергия связи дочернего ядра известна, то на каждой стадии по энергии альфа-распада можно рассчитать энергию связи материнского ядра. Если известна энергия связи конечного продукта, то по цепочке актов альфа-распада можно прийти в энергии-связи начального ядра цепочки. Поскольку был зарегистрирован распад 108-го и 100-го элементов (по одному событию в каждом случае) и 106-го элемента (по нескольким событиям), можно реконструировать цепочку 264 108 260 106 256 104 252 102. Энергии связи этих ядер составляют 120, 106 и 94 МэВ соответственно.

Оболочечная поправка к энергии связи постепенно растет у всех изотопов от урана-232 до 264 108, которые связаны процессом альфа-распада; соответствующие значения увеличиваются от 1-2 до 6-7 МэВ. Фактически все элементы от урана до 108-го элемента имеют одинаково высокие барьеры деления - около 6 МэВ. В отличие от урана, еще стабильного, как ядерная капля, стабильность 100-го и 108-го элементов полностью обусловлена квантовомеханической структурой их многочастичных фермионных систем. В последних теоретических работах предсказываются барьеры деления, которые согласуются с нашими измерениями.

Время жизни элемента относительно деления определяется в основном высотой и шириной барьера деления. Оболочечные поправки увеличивают времена жизни 106-го и 108-го элементов на 15 порядков величины. На логарифмической шкале наблюдаемые времена жизни находятся в середине диапазона между собственным ядерным временем (примерно 10 –21 с для распада несвязанной нуклонной системы) и возрастом Вселенной (10 18 с). Новые элементы нестабильны только по сравнению с продолжительностью человеческой жизни (2·10 9 с). Чтобы соответствовать стабильности по этой шкале, времена жизни должны возрасти на 12 порядков величины. Однако ядерная физика не базируется на человеческом масштабе времени.

Обнаруженный нами «остров» альфа-радиоактивных изотопов является прямым следствием их стабилизации благодаря оболочечным эффектам. Таким образом, предсказанная в конце 60-х годов стабилизация сферических сверхтяжелых ядер вблизи 114-го элемента начинается намного раньше, чем ожидалось, и постепенно нарастает. В узкой области нестабильности за свинцом, между элементами 83 и 90, оболочечные эффекты ослабляются. Однако в интервале между 92-м и 114-м элементами величина оболочечной поправки медленно и монотонно возрастает.

Даже в окрестностях «острова» сверхтяжелых ядер происходит стабилизация вследствие квантовомеханической структуры фермионных систем, в то время как на «материке» стабилизация ядер обусловлена макроскопическими жидкокапельными свойствами. Ядра элементов 107 109 находятся на «дамбе» между «островом» и «материком», поэтому новые изотопы можно отнести и к «острову», и к «материку». В любом случае - подобно сверхтяжелым элементам - их удалось наблюдать только благодаря оболочечной стабилизации их основных состояний.

Из последних теоретических предсказаний для оболочечных поправок к энергиям связи следует, что между элементами 106 и 126 должна быть область примерно из 400 сверхтяжелых ядер, имеющих барьеры деления свыше 4 МэВ. Все эти изотопы должны иметь периоды полураспада более 1 мкс; если их удастся синтезировать, то детектировать их можно будет существующими методами. Особенно стабильные области предполагаются вблизи изотопов 273 109 и 291 115.При числе нейтронов около 166 деформация основного состояния изменяется. Изотопы с меньшим числом нейтронов деформированы, в то время как более тяжелые изотопы имеют сферическую форму.

В течение последних 20 лет все попытки получить изотопы вблизи ожидаемого центра стабильности - ядра 298 114 - оказались безуспешными. Зарегистрировать эти сверхтяжелые изотопы не удалось ни в реакциях слияния, ни в любых других реакциях с участием тяжелых ионов. Тем не менее основная идея о возможности существования оболочечно-стабилизированных нуклонных систем, кроме стабильных ядерных капель, подтверждена экспериментами, описанными выше. Теоретически же сохраняются все основания верить в экстраполяцию к еще более тяжелым элементам.

Теперь возникает интересный вопрос: что в конечном счете препятствует созданию этих «хрупких» объектов? Некоторые важные разъяснения удалось получить в наших интенсивных исследованиях реакций слияния. Оболочечно-стабилизированное ядро, сферическое в основном состоянии, может быть разрушено даже при столь малой энергии возбуждения, как 15 МэВ, это было экспериментально продемонстрировано К.-Х. Шмидтом еще в 1979 г., в то время как деформированные ядра могут сохраняться при энергии возбуждения до 40 МэВ. Даже в реакции между кальцием-48 и кюрием-248 (наиболее подходящей из доступных реакций) энергия возбуждения составляет около 30 МэВ. Отсюда следует, что можно получить сверхтяжелые элементы только с деформированными ядрами. Однако до настоящего времени такие попытки были успешными лишь для элементов с атомными номерами меньше 110.

Как отмечалось ранее, слияние двух ядер, приводящее к образованию сверхтяжелого ядра, с самого начала осложняется необходимостью преодолеть барьер слияния. Для данного ядра-продукта этот барьер минимален, когда наиболее тяжелые мишени бомбардируются по возможности более легкими ионами. Несмотря на это преимущество, такая наиболее асимметричная комбинация имеет недостаток, заключающийся в максимальном нагреве ядра-продукта, что приводит к большим потерям вследствие деления в процессе девозбуждения. Чем менее асимметрична комбинация, тем меньше потери на стадии охлаждения. Наилучший компромисс между малыми потерями на конечной стадии и большой вероятностью образования на начальной представляют собой более симметричные комбинации с ядрами мишени вблизи свинца.

Применение свинца и висмута в качестве мишеней дает двойную пользу от обол очечного эффекта в этих ядрах: сильная связь в этих ядрах с их дважды замкнутыми оболочками приводит к уменьшению более чем на 10 МэВ энергии, передаваемой ядрупродукту, и соответствующему уменьшению потерь из-за деления. Кроме того, вероятность преодолеть барьер слияния увеличивается, если в реакции используются сферические, сильно связанные и относительно жесткие ядра. Здесь снова проявляются сильные оболочечные эффекты у свинца, однако на этот раз в динамике процесса.

Теперь мы начинаем понимать, почему будет очень трудно получить еще более тяжелые элементы. Только сочетание оболочечных поправок у партнеров реакции слияния, имеющих замкнутые оболочки, оболочечных эффектов в динамике и повышенной устойчивости возбужденных деформированных сверхтяжелых ядер позволило нам синтезировать несколько изотопов наиболее легких из сверхтяжелых элементов. Мы должны были распространить первоначальный вопрос о существовании оболочечно-стабилизированных ядер на эффект оболочечных поправок на всех стадиях реакции. Особенно важно при создании этих сложных и «хрупких» объектов ввести уже существующий порядок в процесс слияния, избежав ненужного беспорядка.

Как получить следующие сверхтяжелые элементы? Для 110-го и 111-го элементов можно будет применить разработанные нами методы в реакциях между никелем-62 и свинцом-208 или висмутом-209. Если только эти элементы образуются, для их детектирования потребуются не столько принципиально новые знания, сколько обеспечение потребностей в обогащенном изотопе и терпение для того, чтобы научиться владеть нашей аппаратурой и проводить эксперименты в течение нескольких месяцев.