New South Wales Üniversitesi'nden (Avustralya) ve Mainz Üniversitesi'nden (Almanya) bilim adamları, gökbilimciler tarafından bilinen en sıra dışı yıldızlardan birinin kararlılık adasından gelen kimyasal elementler içerdiğini öne sürdüler. Bunlar periyodik tablonun en sonunda yer alan elementlerdir; daha uzun ömürleriyle soldaki komşularından ayrılırlar. Çalışma arXiv.org elektronik önbaskı kütüphanesinde yayınlandı; sonuçları ve kararlı süper ağır kimyasal elementler açıklanıyor.
HD 101065 yıldızı, 1961 yılında Polonyalı-Avustralyalı gökbilimci Antonin Przybylski tarafından keşfedildi. Erboğa takımyıldızında, Dünya'dan yaklaşık 400 ışıkyılı uzaklıkta yer almaktadır. Büyük olasılıkla, HD 101065 Güneş'ten daha hafiftir ve bir ana dizi yıldızı, bir alt devdir. Przybylski yıldızının özel bir özelliği, atmosferdeki son derece düşük demir ve nikel içeriğidir. Yıldız aynı zamanda stronsiyum, sezyum, toryum, iterbiyum ve uranyum gibi ağır elementler açısından da zengindir.
Przybylski'nin yıldızı, atom numarası (çekirdekteki proton sayısı) 89'dan 103'e kadar olan kısa ömürlü radyoaktif elementlerin, aktinitlerin keşfedildiği tek yıldızdır: aktinyum, plütonyum, amerikanyum ve aynştaynyum. HD 101065, HD 25354'e benzer, ancak burada amerikan ve küriyumun varlığı şüphelidir.
Przybylski'nin yıldızındaki süper ağır elementlerin oluşum mekanizması hala tam olarak belli değil. HD 101065'in bir nötron yıldızıyla birlikte ikili bir sistem oluşturduğu varsayılmıştır - ikinciden birinciye düşen parçacıklar, ağır elementlerin füzyon reaksiyonlarını tetikler. Bu hipotez henüz doğrulanmadı, ancak HD 101065'ten yaklaşık bin astronomik birim uzaklıkta sönük bir uydunun bulunması mümkün.
Fotoğraf: N. Dautel / Globallookpress.com
HD 101065, spektrumunda nadir toprak metallerinin çizgilerinin zenginleştirildiği A spektral sınıfının tuhaf yıldızları olan Ap yıldızlarına en çok benzer. Güçlü bir manyetik alana sahiptirler; ağır elementler atmosferlerine derinliklerden girer. HD 101065, ışık eğrisindeki kısa vadeli değişikliklerle diğer Ap yıldızlarından farklıdır; bu, onu ayrı bir RoAp yıldızları grubuna (Hızla salınan Ap yıldızları) dahil etmeyi mümkün kıldı.
Bilim adamlarının HD 101065'i mevcut yıldız sınıflandırmasına sığdırma girişimlerinin bir gün başarı ile taçlandırılması muhtemeldir. Przybylski'nin yıldızı en sıra dışı yıldızlardan biri olarak kabul edilse de, bu durum onun bir dizi olağandışı özelliğe sahip olduğundan şüphelenmek için neden veriyor. Özellikle HD 101065'e yönelik son çalışmada Avustralyalı ve Alman araştırmacılar, kararlılık adasına ait kimyasal elementlerin Przybylski yıldızında doğduğunu varsaydılar.
Bilim insanları çekirdeğin ve uzantılarının kabuk modelinden yola çıktılar. Model, atom çekirdeğinin kararlılığını, atomun elektron kabuklarına benzer şekilde çekirdeği oluşturan kabukların enerji seviyelerinin doldurulmasıyla ilişkilendirir. Her nötron ve proton belirli bir kabukta (atomun merkezinden veya enerji düzeyinden uzakta) bulunur ve kendi kendine tutarlı belirli bir alanda birbirlerinden bağımsız olarak hareket eder.
Çekirdeğin enerji seviyeleri ne kadar dolu olursa izotopun o kadar kararlı olduğuna inanılmaktadır. Model atom çekirdeğinin, spinlerin ve manyetik momentlerin kararlılığını iyi açıklamaktadır ancak yalnızca uyarılmamış veya hafif ve orta büyüklükteki çekirdeklere uygulanabilir.
Kabuk modeline göre, tamamen dolu enerji kabuklarına sahip çekirdekler, yüksek stabilite ile karakterize edilir. Bu tür unsurlar “istikrar adasını” oluşturur. Sihirli ve çift büyü sayılarına karşılık gelen 114 ve 126 seri numaralı izotoplarla başlar.
Sihirli sayıda nükleon (proton ve nötron) içeren çekirdekler en güçlü bağlanma enerjisine sahiptir. Nüklit tablosunda bunlar şu şekilde düzenlenir: yatay olarak soldan sağa doğru proton sayısı artan sırada gösterilir ve dikey olarak yukarıdan aşağıya nötron sayısı gösterilir. Çift sihirli bir çekirdek, bazı sihirli sayılara eşit sayıda proton ve nötron içerir.
Dubna'da elde edilen flerovyum izotoplarının (114. element) yarı ömrü 2,7 saniyeye kadardır. Teoriye göre, sihirli sayıda N = 184 nötron ve yaklaşık on milyon yıllık bir ömre sahip bir fleroviyum-298 izotopu bulunmalıdır. Böyle bir çekirdeğin sentezlenmesi henüz mümkün olmamıştır. Karşılaştırma için, çekirdekteki proton sayıları 113 ve 115'e eşit olan komşu elementlerin yarı ömrü sırasıyla 19,6 saniyeye (nihonyum-286 için) ve 0,156 saniyeye (moskoviyum-289 için) kadardır.
arXiv.org'daki yayının yazarları, HD 101065'in atmosferindeki aktinitlerin varlığının, burada stabilite adasından gelen kimyasal elementlerin de bulunduğunu gösterdiğine inanıyor. Bu durumda aktinititler, kararlı süper ağır elementlerin bozunmasının bir ürünüdür. Bilim insanları, HD 101065'in spektrumlarında nobelyum, lavrensiyum, nihonyum ve flerovyum izleri aramayı ve kararlı izotoplar üretebilecek spesifik spektrumları tanımlamayı öneriyor.
Şu anda Rusya, ABD, Japonya ve Almanya'da periyodik tablonun yeni unsurları sentezleniyor. Transuranyum elementleri Dünya'nın doğal ortamında bulunamamıştır. HD 101065 yıldızı, nükleer fizikçilerin bir istikrar adasının varlığını öne süren teorilerini test etmek için yeni fırsatlar sunabilir.
28 Kasım 2016'da, Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) dört süper ağır elemente isim atadı: nihonyum (periyodik tablonun 113. elementi), moskovyum (115. element), tennesin (117. element) ve oganesson (118. element) ). Moscovium, tennessine ve oganesson ilk olarak Rusya Federasyonu'nda Amerikalı fizikçilerin işbirliğiyle elde edildi. Bu tarihin yıldönümünde N+1 Yandex Yayınevi ile birlikte sizi bir simyacı olarak hayal etmeye ve bir parçacık hızlandırıcıda bir (veya şansınıza bağlı olarak birkaç) süper ağır elementi sentezlemeye davet ediyoruz.
Atom numarası 100'den büyük olan süper ağır kimyasal elementler ancak yüklü parçacık hızlandırıcılardaki füzyon reaksiyonları yoluyla elde edilebilir. İçlerinde, daha hafif mermi çekirdekleriyle ağır bir hedef çekirdeğe ateş ediliyor. Mermi ve hedef çekirdeklerin doğru bir şekilde vurulması ve füzyonu durumunda yeni elementlerin çekirdekleri ortaya çıkar. Amatör bir simyacı gibi hissetme ve yeni bir element yaratma fırsatına sahipsiniz. Mermi çekirdekleriniz ve hedef çekirdekleriniz emrinizde. Bir çift seçin ve “Hızlandırıcıyı Etkinleştir” düğmesine tıklayın. Doğru çifti seçerseniz, süper ağır bir element elde edecek, onun bozunma ürünlerini görecek ve gerçekte kim tarafından ve ne zaman sentezlendiğini öğreneceksiniz.
Ayrıca Yandex Yayıncılık ile birlikte internette yaygın olarak görülen süper ağır unsurlarla ilgili soruların yanıtlarını da hazırladık. Cevabı görmek için bir sorunun üzerine tıklayın.
Hala kaç tane süper ağır elementin keşfedilebileceğini tahmin etmek mümkün mü? Çekirdeğin içinde elementin kütlesini sınırlayacak maksimum sayıda proton var mıdır?
Bu tür tahminlerin tümü atom çekirdeğinin stabilitesine ilişkin modern modellere dayanmaktadır. En saf düşüncelere dayanarak, pozitif yüklü protonlar arasındaki Coulomb itmesinin güçlü etkileşim nedeniyle aralarındaki bağ gücüyle telafi edildiği herhangi bir çekirdeğin kararlı olabileceği görülüyor. Bunun için her durumda çekirdekte belirli sayıda yüksüz nötron bulunması gerekir, ancak nötron ve proton sayısı arasındaki oran atom çekirdeğinin kararlılığı için yeterli bir koşul değildir. Nükleonların kuantum doğası burada devreye giriyor: yarım tam sayı dönüşe sahipler ve elektronlar gibi çiftler halinde kümelenme ve dolu enerji seviyeleri oluşturma eğilimindeler.
Bu etkiler, proton-nötron sistemlerinin çeşitli bozunma yollarına göre stabilitesinde farklılıklara yol açar - kendiliğinden fisyon (kuantum mekaniksel etkilerin bir sonucu olarak ortaya çıkar ve harici uyarım olmadan, daha hafif çekirdeklere ve nötronlara ayrılmaya yol açar) ve ayrıca Sırasıyla bir alfa parçacığı veya elektronun (veya pozitron) emisyonu ile α- ve β-bozunması. Bozunma kanallarının her birine bağlı olarak, her çekirdeğin kendi ömrü vardır. Bu nedenle, bir elementin atom numarasındaki artışla birlikte, kendiliğinden fisyon olasılığı keskin bir şekilde artar, bu da süper ağır elementlerin kararlı çekirdeklerinin varlığına önemli kısıtlamalar getirir - bunların hepsi oldukça kısa bir yarı ömre sahip kararsız olmalıdır. Bu nedenle kurşundan daha ağır olan tüm elementlerin kararlı izotopları yoktur; bunların tümü radyoaktiftir.
Ancak teori, süper ağır elementler arasında bile nispeten uzun ömürlü izotopların bulunabileceğini öngörüyor. Proton ve nötron oranlarının uygun olduğu ve proton ve nötron seviyelerinin tamamen dolu olduğu sistemler için bunların mevcut olması gerekir. Ancak bu tür elementleri sentezlemek henüz mümkün olmadı ve yakın gelecekte en yakın “kararlılık adasına” (184 nötronlu flerovyum çekirdeği için tahmin edilen) ulaşmak mümkün görünüyorsa, o zaman mümkün olacak. kesinlikle kararsız sistemler arasında bir sonraki dolu kabuğa sahip daha ağır çekirdekleri bulmak imkansız olmasa da çok daha zordur.
Bununla birlikte, tüm bu tahminlerin nispeten küçük çekirdekler için iyi çalışan modellere dayandığını, ancak örneğin süper ağır elementler için çekirdeğin şeklinin küreselden oldukça belirgin bir şekilde sapmaya başladığını ve bunun da düzeltmelerin yapılmasını gerektirdiğini belirtmekte fayda var. bu modellere.
Süper ağır elemanların pratik kullanımları var mı? Ya da belki gelecekte ortaya çıkacak?
Şu anda süper ağır elemanların pratik bir kullanımı yok. Bunun birkaç nedeni var. Birincisi, sentezleri oldukça uzun süren, bunun sonucunda çok az sayıda çekirdeğin oluştuğu son derece karmaşık bir teknolojik süreçtir. İkincisi, atom numarası yüzden fazla olan tüm elementler arasında yalnızca fermiyum (100'üncü element) ve mendelevyum (101'inci), sırasıyla 100 ve 50 günlük yarı ömre sahip nispeten kararlı izotoplara sahiptir. Kalan süper ağır elementler için, sentezlenmiş en kararlı izotoplar bile en iyi ihtimalle birkaç on saat içinde, daha sıklıkla ise saniyeler, hatta milisaniyeler içinde bozunur.
Bu nedenle, şimdilik süper ağır çekirdeklerin sentez süreci, yalnızca nükleon-nükleon etkileşimi ve kuarklar arasındaki etkileşimin incelenmesiyle ilişkili temel ilgi alanıdır. Sentezlenen izotopların özellikleri, yalnızca Dünya'daki atomların çekirdeklerini incelemek için değil, aynı zamanda örneğin çekirdeğinde nükleon yoğunluğunun önemli ölçüde daha yüksek olduğu nötron yıldızlarını incelerken de kullanılabilecek daha doğru teorik modeller oluşturmaya yardımcı olur. atom çekirdeğindeki yoğunluktan daha fazladır.
Bilim adamları gelecekte süper ağır elementlerin, özellikle tıpta veya endüstride sensörlerin veya radyografik yöntemlerin geliştirilmesiyle ilgili bazı pratik uygulamalara sahip olabileceğini düşünüyor. Belki bunlar şu anda tahmin edilemeyen yeni kullanım yöntemleri olacaktır, ancak önümüzdeki yıllarda kesinlikle beklenmemesi gerekir, çünkü bunun için üretim teknolojilerinin kökten değişmesi gerekiyor.
Süper ağır elementlerin kararlı izotoplarını elde etmek mümkün mü, yoksa hepsi sadece radyoaktif mi olacak?
Periyodik tabloda kurşundan sonra yer alan elementlerin kararlı izotopları henüz bilinmemektedir. Periyodik tablodaki kurşunun seri numarası 82'dir. Bu, bizmutla başlayan tüm elementlerin şu veya bu şekilde radyoaktif olacağı anlamına gelir. Ancak bu elementlerin yarı ömürleri çok geniş sınırlar içerisinde değişebilir. Bu nedenle, bizmutun daha önce kararlı olduğu düşünülen en kararlı izotopunun yarı ömrü 2 × 1019 yıldır, bu da Evrenin yaşından birkaç kat daha büyüktür.
Şu anda sentezlenen süper ağır elementlerin izotopları (element tablosundaki seri numarası yüzden fazla olan) bizmutunkinden önemli ölçüde daha kısa bir yarı ömre sahiptir ve yüz günden bir milisaniyenin kesirlerine kadar değişir. Bunların hepsi aynı zamanda radyoaktiftir.
Ancak teorik tahminlere göre çekirdeğinde belirli sayıda proton ve nötron bulunan bazı elementlerin yarılanma ömründe ciddi bir artış mümkün. Çekirdekteki gerekli nötron ve proton sayısı, tamamen dolu nötron ve proton kabuklarına karşılık gelir ve muhtemelen protonlar için 114'e ve nötronlar için 184'e eşit olmalıdır. Teorik olarak böyle bir konfigürasyon, yarı ömrün yüzlerce mikrosaniyeden 105 yıla çıkmasına yol açmalıdır. Proton ve nötron sayılarının bu değerlere yakın olduğu çekirdeklerin göreceli kararlılığı, süper ağır elementler arasında bir “kararlılık adasının” varlığını akla getiriyor. Ancak varlığını deneysel olarak doğrulamak henüz mümkün olmadı. Ancak çekirdeklerin ömründeki bu kadar önemli bir artış bile bu izotopları kararlı hale getirmeyecek; radyoaktif kalacaklar.
Doğadaki süper ağır elementleri tespit etmek en azından teorik olarak mümkün mü? Ya da en azından bu tür elementlerin var olduğunu kanıtlayacak olan bozunma ürünleri?
Süper ağır elementlerin hiçbiri doğada bulunmadı (hepsinin çok kısa yarı ömürleri olduğu göz önüne alındığında bu şaşırtıcı değil). Doğada bugüne kadar bulunan en yüksek atom numarasına sahip element, çekirdeğinde 92 proton bulunan uranyumdur.
1970'lerin başında, doğal minerallerde 108 seri numaralı bir elementin (daha sonra hassium adı altında sentezlendi) varlığı bildirildi; yaklaşık on yıl önce toryum örneklerinde 122 elementinin izleri keşfedildi, ancak bu gerçekler doğrulanmadı.
Dünya'da, kararlı süper ağır çekirdeklerin sentezi için gerekli koşullar mevcut değildir ve hiçbir zaman da var olmamıştır, ancak süpernova patlamaları sırasında bu koşullara yakın koşulların elde edilebileceğine inanılmaktadır. Bu durumda sıcaklık, nötronların çekirdekler tarafından hızlı bir şekilde emilmesini tetiklemek için yeterli değerlere yükselir (sözde r-süreci). Şimdiye kadar, bu tür süreçlerde seri numarası 100'ün üzerinde olan elementlerin doğal oluşumuna dair güvenilir bir kanıt kaydedilmedi, ancak içlerinde süper ağır element izlerinin varlığını belirlemek için kozmik ışınların bileşimi üzerine çalışmalar yapılıyor. Özellikle 2011 yılında göktaşı maddesinde atom numarası 100'ün üzerinde olan parçacıkların keşfi tartışılmıştı. Ancak bu veriler de doğrulanmadı.
"Transfermiyum savaşları" ifadesi nereden geldi ve yeni bir unsurun sentezinde şu veya bu grubun önceliği sorunu neden bu kadar sık ortaya çıkıyor?
Bu ifade genellikle 20. yüzyılın 60'lı ve 70'li yıllarında keşfedilen 104, 105 ve 106 seri numaralı unsurların keşfinde ABD ile SSCB arasında öncelik konusundaki anlaşmazlıkları ifade etmek için kullanılır. “Transfermiyum savaşları” terimi (tüm bu elementler periyodik tabloda fermiyumdan hemen sonra yer almaktadır) ilk kez 1994 yılında önerilmiştir. Sovyetler Birliği'nde sentez, ABD'nin Dubna kentindeki Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'nde - Lawrence Berkeley ve Livermore Ulusal Laboratuvarlarında gerçekleştirildi. 104. elementi sentezlemeye yönelik ilk başarılı girişimler artık 1964'e, 105. elementten 1970'e ve 106. elementten 1974'e kadar uzanıyor.
Sovyet tarafı, 104. ve 105. elementlerin ilk kez Dubna'da sentezlendiğine inandı ve bunlar için sırasıyla "kurchatovy" ve "nielsborium" isimlerini kullandı. Amerikalı bilim adamları, Sovyet deneylerinin sonuçlarını eleştirdiler ve bu fizik unsurlarını laboratuvarlarında ilk elde edenlerin kendileri olduğunu savundular ve bunlara "rutherfordium" ve "ganium" (sırasıyla Ernest Rutherford ve Otto Hahn'ın onuruna) adını verdiler. Ancak o dönemde senteze ilişkin verilerin önemli bir kısmının kapalı olması nedeniyle, şu veya bu grubun önceliğini kesin olarak belirlemek oldukça zordu.
Bu nedenle öncelik belirleme süreci 30 yıl sürdü ve Soğuk Savaş'ın unsurlarından biri haline geldi. Ancak 1994 yılında, bilinen verileri gözden geçiren ve elementler için kendi isim çeşitlerini öneren uluslararası bir komisyon toplandı. Başlangıçta, alınan kararlardan bazıları tartışmalıydı; özellikle unsurların hala yaşayan bir kişinin (Glenn Seaborg) onuruna isimlendirilmesi, ilk tekliflerle ilgili olarak ismin bir unsurdan diğerine aktarılması (buna üçüncü bir tarafın dahil olması). tartışma - bilim adamlarının 107., 108. ve 109. elementleri sentezlediği Alman Ağır Elementler Araştırma Derneği).
Sonuç olarak uzlaşmacı bir çözüm bulundu ve 1997'de unsurların öncelikleri ve isimleri nihayet onaylandı. Özellikle Sovyet ve Nazi nükleer projeleriyle bağlantılı Igor Kurchatov ve Otto Hahn'ın isimlerinin yaşatılmamasına karar verildi. 104'üncü ve 106'ncı elementler artık Amerikan tarafının önerdiği isimleri kullanıyor (rutherfordium ve seaborgium), 105'inci element - Sovyet bilim adamlarının erdemleri nedeniyle dubnium olarak adlandırıldı; 107'nci, 108'inci ve 109'uncu elementler için önerilen isimleri kullanıyorlar Alman bilim adamları tarafından - bohrium, hassium ve meitnerium (bunlardan yalnızca ilki önerilen seçenekten farklıdır - başlangıçta buna nilsborium denmesi önerildi). Artık verilerin açıklığı ve öğelere ad atamak için öngörülen prosedür sayesinde, öncelikli konular çok daha kolay çözülüyor.
16. yüzyıl simya el yazması “Güneşin İhtişamı”ndan minyatür
Süpernova patlamalarında süper ağır elementler yaratılabilir mi? Peki bu doğumu kaydedebilir miyiz?
Süpernova patlamalarının uranyum veya toryum gibi çok ağır elementlerin çekirdeklerini üretebileceği biliniyor. Bu çekirdekler, hızlı nötron yakalama mekanizması (sözde r-süreci) tarafından oluşturulur. Bir süpernova patlamasının bu süreci tetiklemeye yetecek kadar sıcaklık (yaklaşık dört milyar derece) ürettiğine inanılıyor. Ancak bu koşullar altında bile en ağır çekirdeklerin oluşma sıklığı çok yüksek değildir. Ayrıca, süpernovaların patlaması sırasında uranyum ve toryuma ek olarak, örneğin kaliforniyumun (bu 98. elementtir) oluşumunun da mümkün olduğuna inanılmaktadır.
R-sürecinin bir sonucu olarak daha ağır çekirdeklerin oluşması için, bir termonükleer reaksiyonun başlatılması gereklidir - bu nedenle, örneğin Dünya'da einsteinyum (99. element) ve fermiyumun (100. element) sentezlenmesi mümkün olmuştur. ilk kez. Birkaç termonükleer patlamanın, r-sürecinin bir sonucu olarak bir kararlılık adasının elde edilmesine yol açabileceği varsayılmaktadır. Ancak günümüzde süpernova patlamalarında bu koşulların sağlanamadığı ve atom numarası 100'ün üzerinde elementlerin oluşmadığı genel kabul görmektedir. Bununla birlikte, süpernova patlamaları sırasında oluşabilen kararlı süper ağır elementlerin izleri, örneğin kozmik ışınlarda ve bunların ışınladığı meteorlarda aranmaya devam ediliyor. Daha hafif elementlerin (örneğin uranyum veya kaliforniyum) sentezinin doğrulanması, kendiliğinden fisyon ürünlerinin spektroskopik çalışmaları ile gerçekleştirilir.
Süper ağır elementlerin sentez reaksiyonları, teorik hesaplamalara göre çalışması gerekirken neden bu kadar sıklıkla başarısız oluyor?
Süper ağır çekirdekler, daha hafif çekirdeklerin birbirleriyle füzyon reaksiyonuyla üretilir. Bunu yapmak için, daha ağır elementlerden oluşan bir hedef, daha hafif olanların çekirdekleriyle bombalanır. Gerekli sayıda proton ve nötron içeren bir çekirdek elde etmek için hedef ve mermi olarak kullanılan çekirdekleri doğru seçmeniz gerekir. Burada istenilen çekirdeğin oluşma ve tespit edilme olasılığını azaltan çeşitli sorunlar olabilir.
İlk olarak, istenen çekirdeği oluşturmak için, elektrostatik bariyerin üstesinden gelmek gerekir - sonuçta, çarpışan her iki çekirdek de oldukça büyük bir pozitif yüke sahiptir (ve çekici kuvvetler, protonlar arasındaki kısa mesafelerde etki etmeye başlamadan önce, uzun menzilli elektrostatik itme gerekir) üstesinden gelinebilir). Bunu yapmak için, hedefin bombardıman edildiği çekirdeklere başlangıçta yeterince yüksek bir enerji verilmelidir.
Bu engeli azaltmak için, gelen parçacıklar olarak oldukça fazla sayıda protona sahip çekirdeklerin kullanılması daha avantajlıdır. Ancak şu anda seçenekleri sınırlıdır. Daha önce, yeni çekirdeklerin sentezlenmesi için kurşun, plütonyum veya uranyum gibi ağır elementlerden oluşan hedefler, neon-22 veya oksijen-18 gibi nispeten hafif çekirdeklerle bombardıman ediliyordu. Daha sonra bu amaçlar için daha ağır elementlerin çeşitli izotopları kullanıldı: demir-58, nikel-62, nikel-64 veya çinko-70. Çeşitli hedeflerin kalsiyum-48 izotopuyla reaksiyon ürünleri son derece önemli hale geldi.
Bir uranyum hedefinin süper ağır elementlerden (aynı uranyum, kaliforniyum, ayştaynyum) gelen iyonlarla bombardıman edildiği reaksiyonlar umut verici kabul ediliyor. Çekirdek oluşma olasılığını arttırmak için, gelen çekirdeğin nispeten küçük bir açısal momentuma sahip olması ve ortaya çıkan "bileşik çekirdeğin" küresele yakın bir şekle sahip olması gerekir. Bu gerekliliklerin ihlali reaksiyonların oluşmamasına yol açar. Bununla birlikte, parametrelerin doğru seçilmesiyle bile sentez süreci çok uzundur; hedefin birkaç ay boyunca ışınlanması, arzu edilen yüzlerce çekirdeğin sentezine yol açabilir.
Bu nedenle, füzyon reaksiyonlarında kullanılabilecek izotopların sınırlı seçimi, teknik açıdan karmaşık uygulamaları ve uzun reaksiyon süreleri, istenen çekirdeklerin sentez olasılığını önemli ölçüde azaltır - hatta teorik tahminlere göre, istikrarlı olmalıdır.
Daha önce “istikrar adasının” merkezinin 114. element bölgesinde olması gerektiğine inanılıyordu, peki modern fikirlere göre “istikrar adası” nerede bulunuyor? Belki de hiç yoktur?
Çekirdeğin kabuk modeline göre "kararlılık adasının" merkezi, tamamen dolu proton ve nötron kabuklarına karşılık gelir - sıra numarası 114 ve kütle numarası 298 olan bir izotop, yani aşağıdakilerden oluşan bir çekirdek: 114 proton ve 184 nötron.
Bazı bilim adamları "kararlılık adası"nın merkezinin bir sonraki proton "sihirli numarasına" karşılık gelebileceğine ve dolayısıyla 120 numaralı elementin (ve hatta belki 126 numaralı elementin) daha kararlı olması gerektiğine inanıyor. Ayrıca α bozunması olasılığının yüksek olması nedeniyle kararlılık merkezi 114 sayısından 112. ve 110. elementlere kayabilir.
Nispeten kararlı bir çekirdeğin oluşması için sadece içindeki proton sayısı değil, nötron sayısı da önemli olduğundan, izotop seçiminin sınırlı olması nedeniyle gerekli sayıda nükleonla izotopların sentezlenmesi bugüne kadar mümkün olmamıştır. deneyde. Dolayısıyla bir “istikrar adası”nın varlığını doğrulayacak hiçbir veri mevcut değil. Bununla birlikte, süper ağır elementlerin daha az kararlı izotopları için yapılan ölçümler, teorik modellerin verileriyle oldukça iyi bir uyum içindedir.
Ancak şunu da belirtmekte fayda var ki, “kararlılık adası”nın konumu, çok sayıda nötron veya protonla tam olarak doğru çalışmayabilecek çekirdeğin kabuk modeli kavramı çerçevesinde belirleniyor. Özellikle, nötron fazlalığı olan çekirdekler için kuarkların etkileşimiyle ilişkili bazı etkiler, bu yöntem kullanılarak açıklanamaz.
“İstikrar adası”nın merkezindeki elementlerin ömrü ne kadardır?
Teorik tahminlere göre “kararlılık adasının” merkezi, 114 proton ve 184 nötrondan oluşan bir çekirdeğe karşılık geliyor. Bu kadar ağır bir izotopu sentezlemek henüz mümkün olmadı. Ancak teorik modellere göre çekirdekteki nükleonların tam olarak bu sayısı tamamen dolu enerji kabuklarına karşılık gelmektedir.
Bu elementlerin yarı ömürlerine gelince, nükleer fisyon meydana geldiğinde, üç olası süreç dikkate alınmalıdır: kendiliğinden nükleer fisyon ve ayrıca α- ve β-bozunması. Bu nedenle, model tahminlerine göre 298 114'ün yarı ömrü, kendiliğinden fisyona göre yaklaşık 10 16 yıl, α bozunmasına göre 10 yıl ve β bozunmasına göre yaklaşık 10 5 yıl olmalıdır.
Her türlü bozunma dikkate alındığında en kararlı çekirdeğin 298 110 çekirdeği olduğu ortaya çıkıyor. Teoriye göre yarı ömrü yaklaşık 10 9 yıl olmalıdır. Bununla birlikte, kararlı çekirdeklerin bölgesi nispeten geniştir ve 110'dan 114'e kadar çift sayıda proton ve 180'den 184'e kadar çift sayıda nötron içeren hemen hemen tüm çekirdeklerin yarı ömrü 1 yıldan fazladır.
Şu ana kadar bu rakamlar yalnızca teorik hesaplamaların sonucudur. 114 elementinin (flerovyum Fl) bugüne kadar deneysel olarak elde edilen en ağır ve en kararlı izotopu 289 Fl'dir. Yarı ömrü yaklaşık 30 saniyedir. 110. elementin en kararlı izotopunun (darmstadtium Ds) periyodu yaklaşık 10 saniyedir. Bununla birlikte deneysel olarak elde edilen değerler teorik modellerin tahminleriyle oldukça iyi uyum göstermektedir, bu nedenle istenilen çekirdeğin çok sayıda nötronla sentezlenmesi mümkünse ömürleri önemli ölçüde artabilir.
On yıl önce bilim insanları ikinci bir “istikrar adası”nın olabileceğini söylemişti. Onu bulmayı başardın mı?
Genel olarak, modern teorik modellere göre, elementlerin gözlemlenebilir bölgesinde, nükleon sayısı eşit olduğunda tamamen dolu nötron ve proton kabuklarına sahip çekirdeklere karşılık gelecek iki değil, hatta daha fazla "kararlılık adası" mevcut olabilir. sözde "sihirli sayı"ya. Şu anda "kararlılık adası" olabilecek bir element, 114 proton ve 184 nötrondan oluşan bir izotopa karşılık geliyor. Çekirdeğin modern kabuk modellerine göre, protonlar için bir sonraki “sihirli sayılar” 126 ve 164, nötronlar için ise 196, 228 ve 272'dir.
120 ya da 126 protonlu nispeten kararlı çekirdeklerin olası varlığı uzun süredir konuşuluyordu ve on yıl önce 164. element bölgesinde bir “kararlılık adasının” olası varlığından söz ediliyordu. Ancak 120'nci elementin nispeten yakın gelecekte olası bir çalışması hala beklenebilirse o zaman 126'ncı, özellikle de 164'üncü elementin deneysel çalışmasından bahsetmeye gerek yok. Bunun için, düşük konsantrasyonlarda kısa ömürlü izotoplarla çalışmaya izin verecek yeni ağır çekirdek hızlandırıcılarına ihtiyaç vardır. Şu anda böyle bir cihaz yok.
Şu anda sentezi doğrulanan en ağır element atom numarası 118 olan oganesson'dur. Ayrıca bu tür ağır çekirdekler için kullanılan teorik modellerin uygulanabilirliğinin de kanıtlanmadığını belirtmekte fayda var.
Nötron yıldızları dev bir atom çekirdeği olarak görülebilir mi? Değilse, temel fark nedir?
Hayır, bir nötron yıldızı, esas olarak protonlardan ve nötronlardan oluşmasına rağmen dev bir atom çekirdeğine pek benzemez. Aslında yıldız oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir - farklı özelliklere sahip en az beş katman ve ağır atom çekirdekleri, önemli bileşenlerden biri olarak bazılarının bir parçasıdır. Üstelik bir nötron yıldızının dış katmanlarında örneğin elektronlar bulunur. Ve nötron yıldızının merkezine daha yakın olan iç katmanlarda çok sayıda serbest nötron var.
Atom çekirdeğinin Dünya'daki maksimum nötron ve proton yoğunluğuna sahip kuantum mekaniksel bir sistem olmasına rağmen, nötron yıldızlarında nükleon yoğunluğu çok daha yüksektir. Nötron yıldızlarının boyutu yalnızca birkaç on kilometredir ve kütleleri çoğu zaman Güneş'in kütlesini aşar; yıldızın merkezine o kadar yakın ki, çok yüksek bir yoğunluğa sahiptir - herhangi bir atom çekirdeğinden birkaç kat daha fazla. Bir nötron yıldızının çekirdeği yalnızca yüzde birkaç elektron ve proton içerir; büyük kısmı Fermi sıvı halindeki nötronlardan oluşur. Yıldızın tam merkezinde - iç çekirdekte - nükleonların yoğunluğu atom çekirdeğindeki yoğunluktan 10-15 kat daha yüksek olabilir, ancak bu kadar yoğun sistemlerde parçacıkların tam bileşimi, durumu ve etkileşim mekanizmaları güvenilir değildir. bilinen.
Nötron bakımından zengin çekirdekler üzerine yapılan çalışmalar, nötronların ve kuarkların bir nötron yıldızının çekirdeğinde nasıl etkileşime girebileceği hakkında önemli bilgiler sağlar, ancak bir nötron yıldızının merkezindeki nükleonların durumu, her halükarda, nötron yıldızının merkezinde gözlemlenebilenden çok farklıdır. En ağır elementlerin bile atom çekirdekleri.
Alexander Dubov
Çeşitli teorik modellere dayanarak süper ağır çekirdeklerin bozunum özellikleri hesaplandı. Böyle bir hesaplamanın sonuçları Şekil 2'de gösterilmektedir. 4. Çift-çift süper ağır çekirdeklerin yarı ömürleri, kendiliğinden fisyona (a), α-bozunmasına (b), β-bozunmasına (c) ve tüm olası bozunma süreçlerine (d) göre verilmiştir. Kendiliğinden fisyona göre en kararlı çekirdek (Şekil 4a), Z = 114 ve N = 184'e sahip çekirdektir. Bunun için, kendiliğinden fisyona göre yarı ömrü ~10 16 yıldır. En kararlı olandan 6-8 nötron farklı olan 114. elementin izotoplarının yarı ömürleri 10-15 kat azalır. α-bozunmasına göre yarı ömürler Şekil 2'de gösterilmektedir. 4b. En kararlı çekirdek Z bölgesinde bulunur< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.
β-bozunmasına göre stabil olan çekirdekler, Şekil 2'de gösterilmektedir. 4c koyu noktalı. Şek. 4d tam yarı ömürleri gösterir. Merkezi konturun içinde yer alan çift-çift çekirdekler için bunlar ~10 5 yıldır. Böylece, tüm bozunum türleri hesaba katıldığında Z = 110 ve N = 184 civarındaki çekirdeklerin bir “kararlılık adası” oluşturduğu ortaya çıkıyor. 294 110 çekirdeğinin yarı ömrü yaklaşık 10 9 yıldır. Z değeri ile kabuk modeli tarafından tahmin edilen sihirli sayı 114 arasındaki fark, fisyon (Z = 114'e sahip çekirdeğin en kararlı olduğu çekirdek) ve α bozunması (daha düşük Z'ye sahip çekirdeklerin hangisine göre daha kararlı olduğu) arasındaki rekabetle ilişkilidir. stabil). Tek-çift ve çift-tek çekirdekler için yarı ömürler α-bozunumuna ve kendiliğinden fisyona göre artar ve β-bozunmasına göre azalır. Yukarıdaki tahminlerin büyük ölçüde hesaplamalarda kullanılan parametrelere bağlı olduğu ve yalnızca deneysel tespitleri için yeterince uzun ömürlere sahip süper ağır çekirdeklerin var olma olasılığının göstergeleri olarak değerlendirilebileceği belirtilmelidir.
Süper ağır çekirdeklerin denge şekline ve yarı ömürlerine ilişkin başka bir hesaplamanın sonuçları, Şekil 2'de gösterilmektedir. 5, 11.11. Şek. Şekil 11.10, Z = 104-120 olan çekirdekler için denge deformasyon enerjisinin nötron ve proton sayısına bağımlılığını göstermektedir. Deformasyon enerjisi, dengedeki ve küresel formdaki çekirdeklerin enerjileri arasındaki fark olarak tanımlanır. Bu verilerden Z = 114 ve N = 184 bölgesinde temel durumda küresel şekle sahip çekirdeklerin bulunması gerektiği açıktır. Bugüne kadar keşfedilen tüm süper ağır çekirdekler (Şekil 5'te koyu renkli elmaslar olarak gösterilmiştir) deforme olmuştur. Açık renkli elmaslar β-bozunumuna göre stabil olan çekirdekleri gösterir. Bu çekirdeklerin α bozunması veya fisyon yoluyla bozunması gerekir. Ana bozunma kanalı α-bozunması olmalıdır.
Çift-çift β-kararlı izotopların yarı ömürleri Şekil 2'de gösterilmektedir. 6. Bu tahminlere göre, çoğu çekirdeğin yarı ömrünün, halihazırda keşfedilen süper ağır çekirdekler için gözlemlenenlerden (0,1-1 ms) çok daha uzun olması bekleniyor. Örneğin 292110 çekirdeğinin ömrü ~51 yıl olarak tahmin edilmektedir.
Böylece, modern mikroskobik hesaplamalara göre, süper ağır çekirdeklerin kararlılığı, nötron sihirli sayısı N = 184'e yaklaştıkça keskin bir şekilde artar. Yakın zamana kadar, Z = 112 olan bir elementin tek izotopu, yarı yarıya sahip olan 277 112 izotopuydu. 0,24 ms'lik ömür. Daha ağır izotop 283112, 48 Ca + 238 U soğuk füzyon reaksiyonunda sentezlendi. Işınlama süresi 25 gün. Hedefteki 48 Ca iyonunun toplam sayısı 3,5·10 18'dir. Ortaya çıkan 283 112 izotopunun kendiliğinden bölünmesi olarak yorumlanan iki vaka kaydedildi. Bu yeni izotopun yarı ömrünün T 1/2 = 81 s olduğu tahmin edildi. Dolayısıyla, 283112 izotopundaki nötron sayısının 277112 izotopuna göre 6 birim artmasının, ömrünü 5 kat arttırdığı açıktır.
Şek. Şekil 7, çeşitli teorik modellerin tahminleriyle karşılaştırmalı olarak seaborgiyum izotopları Sg'nin (Z = 106) ölçülen ömrünü göstermektedir. Dikkate değer olan, N = 164 olan izotopun ömrünün, N = 162 olan izotopun ömrüne kıyasla neredeyse bir büyüklük sırası kadar azalmasıdır.
Kararlılık adasına en yakın yaklaşım 76 Ge + 208 Pb reaksiyonunda elde edilebilir. Süper ağır, neredeyse küresel bir çekirdek, γ kuantumunun veya tek bir nötronun emisyonunun takip ettiği bir füzyon reaksiyonunda oluşturulabilir. Tahminlere göre, ortaya çıkan 284 114 çekirdeğinin yarılanma ömrü ~1 ms olan α parçacıklarının emisyonu ile bozunması gerekiyor. Kabuğun N = 162 bölgesindeki doluluğu hakkında ek bilgi, 271 108 ve 267 106 numaralı çekirdeklerin α bozunumları incelenerek elde edilebilir. Bu çekirdekler için 1 dakikalık yarı ömürler tahmin edilir. ve 1 saat. 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 numaralı çekirdekler için izomerizm beklenmektedir, bunun nedeni zeminde deforme olmuş çekirdekler için N = 162 bölgesinde alt kabukların j = 1/2 ve j = 13/2 ile doldurulmasıdır. durum.
Şek. Şekil 8, gelen iyonlar 50 Ti ve 56 Fe'nin hedef çekirdek 208 Pb ile füzyon reaksiyonları için Rf (Z = 104) ve Hs (Z = 108) elemanlarının oluşumunun reaksiyonu için deneysel olarak ölçülen uyarma fonksiyonlarını göstermektedir.
Ortaya çıkan bileşik çekirdek, bir veya iki nötronun emisyonu ile soğutulur. Ağır iyon füzyon reaksiyonlarının uyarılma fonksiyonları hakkında bilgi, süper ağır çekirdeklerin elde edilmesi için özellikle önemlidir. Ağır iyonların füzyon reaksiyonunda Coulomb kuvvetlerinin ve yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkilerinin hassas bir şekilde dengelenmesi gerekmektedir. Gelen iyonun enerjisi yeterince yüksek değilse, ikili nükleer sistemin birleşmesi için minimum yaklaşma mesafesi yeterli olmayacaktır. Gelen parçacığın enerjisi çok yüksekse, ortaya çıkan sistem yüksek bir uyarılma enerjisine sahip olacak ve büyük olasılıkla parçalara ayrılacaktır. Etkili füzyon, çarpışan parçacıkların oldukça dar bir enerji aralığında meydana gelir.
Minimum sayıda nötronun (1-2) emisyonu ile gerçekleşen füzyon reaksiyonları özellikle ilgi çekicidir, çünkü Sentezlenen süper ağır çekirdeklerde mümkün olan en büyük N/Z oranına sahip olmak arzu edilir. Şek. Şekil 9 reaksiyondaki çekirdeklerin füzyon potansiyelini göstermektedir
64 Ni + 208 Pb 272 110. En basit tahminler, nükleer füzyon için tünelleme etkisinin olasılığının ~ 10 -21 olduğunu göstermektedir; bu, kesitte gözlemlenen değerden önemli ölçüde düşüktür. Bu şu şekilde açıklanabilir. Çekirdek merkezleri arasındaki 14 fm mesafede, 236,2 MeV'lik başlangıç kinetik enerjisi Coulomb potansiyeli tarafından tamamen telafi edilir. Bu mesafede yalnızca çekirdeğin yüzeyinde bulunan nükleonlar temas halindedir. Bu nükleonların enerjisi düşüktür. Bu nedenle, nükleonların veya nükleon çiftlerinin bir çekirdekteki yörüngeleri terk ederek ortak çekirdeğin serbest durumlarına geçme olasılığı yüksektir. Nükleonların gelen çekirdekten hedef çekirdeğe transferi, kurşun 208 Pb'nin çift sihirli izotopunun hedef olarak kullanılması durumunda özellikle ilgi çekicidir. 208 Pb'de proton alt kabuğu h 11/2 ve nötron alt kabuğu h 9/2 ve i 13/2 doludur. Başlangıçta protonların transferi, proton-proton çekici kuvvetleri tarafından ve h 9/2 alt kabuğunun doldurulmasından sonra proton-nötron çekici kuvvetleri tarafından uyarılır. Benzer şekilde nötronlar, önceden doldurulmuş i 13/2 alt kabuğundan gelen nötronlar tarafından çekilerek serbest i 11/2 alt kabuğuna doğru hareket eder. Eşleşme enerjisi ve büyük yörünge açısal momentleri nedeniyle, bir çift nükleonun transferi, tek bir nükleonun transferinden daha olasıdır. 64 Ni 208 Pb'den iki protonun transferinden sonra Coulomb bariyeri 14 MeV azalır, bu da etkileşen iyonların daha yakın temasını ve nükleon transfer sürecinin devamını destekler.
[V.V. Volkov. Derin elastik olmayan transferlerin nükleer reaksiyonları. M. Energoizdat, 1982; V.V. Volkov. İzv. SSCB Bilimler Akademisi, fiziksel seri, 1986, cilt 50 s. 1879] füzyon reaksiyonunun mekanizması ayrıntılı olarak incelenmiştir. Zaten yakalama aşamasında, gelen parçacığın kinetik enerjisinin tamamen dağılmasından sonra çift nükleer sistemin oluştuğu ve çekirdeklerden birinin nükleonlarının yavaş yavaş kabuk kabuk diğer çekirdeğe aktarıldığı gösterilmiştir. Yani çekirdeğin kabuk yapısı bileşik çekirdeğin oluşumunda önemli rol oynar. Bu modele dayanarak, bileşik çekirdeklerin uyarılma enerjisini ve soğuk füzyon reaksiyonlarında 102-112 elementin oluşumu için kesiti oldukça iyi tanımlamak mümkündü.
Adını taşıyan Nükleer Reaksiyonlar Laboratuvarı'nda. G.N. Flerov (Dubna), Z = 114 olan bir elementi sentezledi. Reaksiyon kullanıldı
289 114 çekirdeğinin tanımlanması, bir α bozunum zinciri kullanılarak gerçekleştirildi. İzotop 289 114 ~30 s'nin yarı ömrünün deneysel değerlendirmesi. Elde edilen sonuç daha önce yapılan hesaplamalarla iyi bir uyum içindedir.
48 Cu + 244 Pu reaksiyonunda element 114'ü sentezlerken, üç nötronun buharlaşmasıyla kanaldan maksimum verim elde edilir. Bu durumda bileşik çekirdeği 289 114'ün uyarılma enerjisi 35 MeV idi.
Reaksiyonda oluşan 296 116 çekirdeği ile meydana gelen teorik olarak tahmin edilen bozunma dizisi, Şekil 10'da gösterilmektedir.
 Pirinç. 10. Nükleer bozunma şeması 296 116 |
296 116 çekirdeği dört nötronun emisyonu ile soğutulur ve 292 116 izotopuna dönüşür ve bu daha sonra% 5 olasılıkla art arda iki e-yakalama sonucunda 292 114 izotopuna dönüşür. -bozunma (T 1/2 = 85 gün), 292 114 izotopu 288 112 izotopuna dönüşür. 288 112 izotopunun oluşumu da kanal yoluyla gerçekleşir.
Her iki zincirden kaynaklanan son çekirdek (288 112) yaklaşık 1 saatlik bir yarı ömre sahiptir ve kendiliğinden fisyonla bozunur. Yaklaşık %10 olasılıkla 288 114 izotopunun α bozunması sonucu 284 112 izotopu oluşabilmektedir. Yukarıdaki periyotlar ve bozunma kanalları hesaplanarak elde edilmiştir.
Ağır iyonlarla reaksiyonlarda süper ağır elementlerin oluşumuna ilişkin çeşitli olasılıklar analiz edilirken aşağıdaki koşullar dikkate alınmalıdır.
- Nötron sayısının proton sayısına yeterince büyük bir oranına sahip bir çekirdek oluşturmak gereklidir. Bu nedenle, büyük N/Z'ye sahip ağır iyonlar gelen parçacık olarak seçilmelidir.
- Ortaya çıkan bileşik çekirdeğin düşük bir uyarılma enerjisine ve küçük bir açısal momentuma sahip olması gerekir, aksi takdirde fisyon bariyerinin etkin yüksekliği azalacaktır.
- Ortaya çıkan çekirdeğin küresele yakın bir şekle sahip olması gerekir, çünkü hafif bir deformasyon bile süper ağır çekirdeğin hızlı bölünmesine yol açacaktır.
Süper ağır çekirdeklerin üretilmesi için çok umut verici bir yöntem, 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es gibi reaksiyonlardır. Şek. Şekil 11, hızlandırılmış 238 U iyonları ile 248 Cm, 249 Cf ve 254 Es'den oluşan hedeflerin ışınlanması üzerine uranyum ötesi elementlerin oluşumuna ilişkin tahmini kesitleri göstermektedir. Bu reaksiyonlarda, Z > 100 olan elementlerin oluşumuna ilişkin kesitlere ilişkin ilk sonuçlar halihazırda elde edilmiştir. Çalışma kapsamındaki reaksiyonların verimini arttırmak için hedef kalınlıklar, reaksiyon ürünleri aynı seviyede kalacak şekilde seçilmiştir. hedef. Işınlamanın ardından bireysel kimyasal elementler hedeften ayrıldı. Birkaç ay boyunca elde edilen numunelerde α-bozunma ürünleri ve fisyon parçaları kaydedildi. Hızlandırılmış uranyum iyonları kullanılarak elde edilen veriler, hafif bombardıman iyonlarıyla karşılaştırıldığında ağır uranyum ötesi elementlerin veriminde bir artış olduğunu açıkça göstermektedir. Bu gerçek, süper ağır çekirdeklerin füzyon sorununu çözmek için son derece önemlidir. Uygun hedeflerle çalışmanın zorluklarına rağmen, yüksek Z'ye doğru ilerlemeye ilişkin tahminler oldukça iyimser görünüyor.
Son yıllarda süper ağır çekirdekler alanında kaydedilen ilerlemeler şaşırtıcı derecede etkileyici olmuştur. Ancak şu ana kadar istikrar adasını keşfetmeye yönelik tüm girişimler başarılı olmadı. Onu arama çalışmaları yoğun bir şekilde devam ediyor.
A. Levin
İstikrar adasına giden yolda
Bilim adamları yetmiş yıldır simya sanatının en yeni versiyonuyla ilgileniyorlar ve bunda çok başarılılar: isimleri Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) tarafından resmi olarak onaylanan, resmi olarak tanınan yapay elementlerin listesi, 19 pozisyon içerir.
Periyodik Tablonun 1940'tan beri bilinen 93. elementi olan neptunyum ile açılır ve ilk olarak 1994 yılında üretilen 111. element olan röntgenyum ile biter. 1996 ve 1998'de 112 ve 114 numaralı unsurlar alındı. Henüz nihai adlarını almadılar ve IUPAC Bürosu'nun kararına kadar kendilerine atanan geçici adlar kulağa korkunç geliyor - ununbium ve ununquadium. 2004 yılında, şimdiye kadar eşit derecede telaffuz edilemeyen isimlerle donatılmış 113. ve 115. elementlerin sentezi hakkında raporlar ortaya çıktı. Bununla birlikte, kendi mantıkları vardır; bunlar, tek basamaklı sayıların Latince adları kullanılarak kodlanmış, basit bir şekilde elementlerin seri numaralarıdır. Örneğin, ununbium "bir-bir-iki" anlamına gelir.
Geçen sonbaharda, dünya basınında başka bir süper ağır element olan 118'in kesinlikle güvenilir bir şekilde alındığına dair raporlar yayıldı. Bu sonuçların güvenilirliğinin vurgulanması tesadüf değildi. Gerçek şu ki, bu tür duyurular ilk kez çok daha erken ortaya çıktı - Haziran 1999'da. Ancak daha sonra bu keşif için başvuruda bulunan Amerikan Lawrence Livermore Laboratuvarı çalışanları bundan vazgeçmek zorunda kaldı. Dayandığı verilerin deneycilerden biri olan Bulgar Viktor Ninov tarafından uydurulduğu ortaya çıktı. 2002'de bu durum büyük bir skandala neden oldu. Aynı yıl, Kenton Moody liderliğindeki Livermore bilim adamları, Yuri Oganesyan liderliğindeki Dubna'daki Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'ndeki Rus meslektaşlarıyla birlikte, farklı bir nükleer reaksiyon zinciri kullanarak bu çabalara devam ettiler. Deneyler yalnızca üç yıl sonra tamamlandı ve şimdi 118. elementin garantili sentezine yol açtılar - ancak yalnızca üç çekirdek miktarında. Bu sonuçlar, 9 Ekim 2006'da Physical Review dergisinde yayınlanan, yirmi Rus ve on Amerikalı imzalı bir makalede sunuldu.
Süper ağır yapay unsurların üretim yöntemlerinden ve Oganesyan ve Moody's gruplarının ortak çalışmalarından daha sonra bahsedeceğiz. Bu arada, pek de saf olmayan bir soruyu yanıtlamaya çalışalım: Nükleer fizikçiler ve kimyagerler neden Periyodik Tablodaki üç basamaklı sayılarla giderek daha fazla yeni elementi bu kadar ısrarla sentezliyorlar? Bu çalışmalar karmaşık ve pahalı ekipmanlar ve uzun yıllar süren yoğun araştırmalar gerektirir; ancak sonuç nedir? Bir yandan da sayılabilecek tamamen işe yaramaz dengesiz egzotik çekirdekler. Tabii ki, uzmanların bu tür çekirdeklerin her birini, bilim için benzersizliği ve yeniliği nedeniyle incelemesi ilginçtir - örneğin, radyoaktif bozunumlarını, enerji seviyelerini ve geometrik şeklini incelemek. Bu tür keşiflere bazen Nobel Ödülleri veriliyor ama yine de oyun muma değer mi? Bu çalışmalar teknoloji olmasa da en azından temel bilim açısından ne vaat ediyor?
KÜÇÜK TEMEL FİZİK
Her şeyden önce, hidrojen hariç istisnasız tüm elementlerin çekirdeklerinin iki tür parçacıktan oluştuğunu hatırlayalım: pozitif yüklü protonlar ve elektrik yükü taşımayan nötronlar (hidrojen çekirdeği tek bir protondur). Yani tüm çekirdekler pozitif yüklüdür ve bir çekirdeğin yükü protonların sayısına göre belirlenir. Aynı sayı aynı zamanda Periyodik Tablodaki elementin sayısını da belirler. İlk bakışta bu durum tuhaf görünebilir. Bu sistemin yaratıcısı D.I. Mendeleev elementleri atom ağırlıklarına ve kimyasal özelliklerine göre sıraladı ve o zamanlar bilimin atom çekirdeği hakkında hiçbir fikri yoktu (bu arada, 1869'da periyodik yasasını keşfettiğinde sadece 63 element vardı) biliniyordu). Artık kimyasal özelliklerin atom çekirdeğini çevreleyen elektron bulutunun yapısına bağlı olduğunu biliyoruz (ancak Dmitry Ivanovich'in bunu öğrenecek zamanı yoktu). Bilindiği gibi proton ve elektronun yükleri mutlak değerde eşit ve zıt işaretlidir. Atom bir bütün olarak elektriksel olarak nötr olduğundan, elektron sayısı proton sayısına tam olarak eşittir; arzu edilen bağın keşfedildiği yer burasıdır. Kimyasal özelliklerin periyodikliği, elektron bulutunun ayrı “katmanlardan” - kabuklardan oluşmasıyla açıklanmaktadır. Atomlar arasındaki kimyasal etkileşimler öncelikle dış kabuklardaki elektronlar tarafından sağlanır. Her yeni kabuk dolduğunda, ortaya çıkan elementlerin kimyasal özellikleri düzgün bir seri oluşturur ve ardından kabuğun kapasitesi biter ve bir sonraki kabuk dolmaya başlar - dolayısıyla periyodiklik. Ama burada atom fiziği ormanına giriyoruz ve bu bizi bugün ilgilendirmiyor; çekirdekler hakkında konuşacak zamanımız olmalı.
Atom çekirdeklerine genellikle Latince çekirdek - çekirdekten "nüklitler" denir. Bu nedenle proton ve nötronların ortak adı “nükleonlardır”. Proton sayıları aynı, ancak nötron sayıları farklı olan çekirdeklerin kütleleri farklıdır, ancak elektronik "kıyafetleri" tamamen aynıdır, Marie Curie. Bu, birbirinden yalnızca nötron sayısı açısından farklı olan atomların kimyasal olarak ayırt edilemez olduğu ve aynı elementin çeşitleri olarak kabul edilmesi gerektiği anlamına gelir. Bu tür elementlere izotoplar denir (bu isim, 1910 yılında, onu Yunanca isos - eşit, özdeş ve topos - yer kelimelerinden türeten İngiliz radyokimyacı Frederick Soddy tarafından önerilmiştir). İzotoplar genellikle elementin adı veya kimyasal sembolü ile birlikte nükleer nükleonların toplam sayısının belirtilmesiyle belirtilir (bu göstergeye "kütle numarası" denir).
Doğal olarak oluşan tüm elementlerin birden fazla izotopu vardır. Örneğin, hidrojenin ana tek protonlu versiyonuna ek olarak ağır bir versiyonu da vardır - döteryum ve süper ağır versiyonu - trityum (tarihsel olarak hidrojen izotoplarının kendi isimleri vardır). Döteryum çekirdeği bir proton ve bir nötrondan oluşur ve trityum çekirdeği bir proton ve iki nötrondan oluşur. Periyodik Tablonun ikinci elementi olan helyumun iki doğal izotopu vardır: çok nadir bulunan helyum-3 (iki proton, bir nötron) ve çok daha yaygın olan helyum-4 (iki proton ve iki nötron). Tamamen laboratuvar kökenli elementler de kural olarak farklı izotopik varyantlarda sentezlenir.
Tüm atom çekirdekleri kararlı değildir. Bazıları kendiliğinden parçacıklar yayabilir ve diğer nüklidlere dönüşebilir. Bu fenomen, 1896 yılında uranyumun bilim tarafından bilinmeyen nüfuz edici radyasyon yaydığını keşfeden Fransız fizikçi Antoine Henri Becquerel tarafından keşfedildi. İki yıl sonra Frederic Curie ve eşi Marie, toryumdan benzer bir radyasyon tespit ettiler ve ardından Periyodik Tabloya henüz dahil edilmeyen iki kararsız elementi keşfettiler: radyum ve polonyum. Marie Curie, o zamanın bilimi açısından gizemli olan bu fenomeni radyoaktivite olarak adlandırdı. 1899'da İngiliz Ernest Rutherford, uranyumun alfa ve beta ışınları adını verdiği iki tür radyasyon yaydığını keşfetti. Bir yıl sonra, Fransız Paul Villard, aynı Rutherford'un Yunan alfabesinin üçüncü harfi olan gama ile tanımladığı uranyumdaki üçüncü tip radyasyonu fark etti. Daha sonra bilim adamları diğer radyoaktivite türlerini keşfettiler.
Hem alfa hem de gama radyasyonu, çekirdeğin iç yeniden düzenlemelerinin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Alfa ışınları, helyumun ana izotopu olan helyum-4'ten gelen çekirdek akışlarıdır. Radyoaktif bir nüklid bir alfa parçacığı yaydığında kütle numarası dört, yükü ise iki azalır. Sonuç olarak element periyodik tabloda iki hücreyi sola kaydırır. Alfa bozunması aslında bütün bir bozunma ailesinin özel bir durumudur; bunun sonucunda çekirdek kendini yeniden düzenler ve nükleonları veya nükleon gruplarını kaybeder. Bir çekirdeğin tek bir proton veya tek bir nötron ya da hatta bir alfa parçacığından daha büyük bir nükleon grubu yaydığı bozunmalar vardır (bu tür gruplara "ağır kümeler" adı verilir). Ancak gama ışınları önemsizdir; onlar çok yüksek enerjiye sahip elektromanyetik kuantumlardır. Yani saf gama bozunması, kesinlikle radyoaktivite değildir, çünkü ondan sonra çekirdek, aynı sayıda proton ve nötronla, yalnızca azaltılmış enerjiye sahip bir durumda kalır.
Beta radyoaktivitesine tamamen farklı türden nükleer dönüşümler neden olur. Rutherford'un beta ışınları olarak adlandırdığı parçacıkların basit elektronlar olduğu çok çabuk anlaşıldı. Bu durum bilim adamlarını uzun süre şaşırttı çünkü çekirdeklerin içindeki elektronları bulmaya yönelik tüm girişimler hiçbir sonuç vermedi. Enrico Fermi ancak 1934'te beta elektronlarının çekirdek içi yeniden düzenlemelerin değil, nükleonların karşılıklı dönüşümlerinin sonucu olduğunu fark etti. Uranyum çekirdeğinin beta radyoaktivitesi, nötronlarından birinin bir protona ve bir elektrona dönüşmesiyle açıklanmaktadır. Farklı türde bir beta radyoaktivitesi vardır: Bir proton bir pozitrona ve bir nötrona dönüşür (okuyucu her iki dönüşüm sırasında da toplam elektrik yükünün korunduğunu fark edecektir). Beta bozunması sırasında, ultra hafif ve süper nüfuz eden nötr parçacıklar - nötrinolar - da yayılır (daha kesin olarak, pozitron beta bozunması, nötrinoların kendisinin ve elektron - antinötrinoların doğuşuna yol açar). Elektronik beta bozunması sırasında çekirdeğin yükü bir artar ve pozitron bozunması sırasında doğal olarak aynı miktarda azalır.
Beta bozunumunu daha iyi anlamak için daha da derine inmemiz gerekiyor. Protonlar ve nötronlar, yalnızca geçen yüzyılın 60'lı yılların ortalarına kadar gerçek anlamda temel parçacıklar olarak kabul edildi. Artık her ikisinin de üçlü kuarklardan oluştuğunu kesin olarak biliyoruz; pozitif veya negatif yükler taşıyan çok daha az kütleli parçacıklar. Negatif kuarkın yükü elektronun yükünün üçte birine, pozitif kuarkın yükü ise protonun yükünün üçte ikisine eşittir. Kuarklar, özel kütlesiz parçacıkların (gluonlar) değişimi nedeniyle birbirine yakından kaynaklanır ve serbest halde mevcut değildir. Yani beta bozunmaları aslında kuarkların dönüşümleridir.
Çekirdeğin içindeki nükleonlar, taşıyıcıları diğer parçacıklar olan pionlar (daha önce pi-mezonlar olarak adlandırılıyordu) olan değişim kuvvetleriyle yeniden bağlanır. Bu bağlar kuarkların gluon bağları kadar güçlü değildir, bu nedenle çekirdekler bozunabilir. Çekirdek içi kuvvetler yükün varlığına veya yokluğuna bağlı değildir (bu nedenle tüm nükleonlar birbirleriyle aynı şekilde reaksiyona girer) ve yaklaşık 1,4x10-15 metre gibi çok kısa bir etki aralığına sahiptir. Atom çekirdeğinin boyutları nükleon sayısına bağlıdır, ancak genel olarak aynı düzendedirler. Diyelim ki doğal olarak oluşan en ağır çekirdek olan uranyum-238'in yarıçapı 7,4 x 10-15 metredir; daha hafif çekirdekler için ise daha küçüktür.
FİZİK DAHA CİDDİ
Nükleer eğitim bitti, daha ilginç konulara geçelim. Başlangıç olarak, açıklaması çeşitli nüklid sentezi mekanizmalarını anlamanın yolunu açan birkaç gerçek var.
Gerçek 1.
Periyodik Tablonun ilk 92 elementi Dünya'da keşfedildi - hidrojenden uranyuma kadar (her ne kadar helyum ilk olarak Güneş'teki spektral çizgiler aracılığıyla keşfedilmiş olsa da ve teknesyum, astatin, prometyum ve fransiyum yapay olarak elde edilmiş olsa da, daha sonra hepsi karasal olarak keşfedildi) konu). Sayıları yüksek olan tüm elementler yapay olarak elde edilmiştir. Bunlara genellikle Periyodik Tabloda uranyumun sağında yer alan uranyum ötesi elementler denir.
Gerçek 3.
Çekirdek içi proton ve nötron sayıları arasındaki ilişki hiçbir şekilde keyfi değildir. Kararlı hafif çekirdeklerde sayıları aynı veya hemen hemen aynıdır; örneğin lityum için 3:3, karbon için 6:6, kalsiyum için 20:20. Ancak atom numarası arttıkça nötron sayısı daha hızlı artar ve en ağır çekirdeklerde proton sayısını yaklaşık 1,5 kat aşar. Örneğin, bizmutun kararlı izotopunun çekirdeği 83 proton ve 126 nötrondan oluşur (nötron sayısının 119 ila 132 arasında değiştiği 13 kararsız daha vardır). Uranyum ve trans-uranyum için nötronlar ve protonlar arasındaki oran 1,6'ya yaklaşıyor.
Gerçek 2.
Tüm elementlerin doğal olarak oluşan veya insan yapımı kararsız izotopları vardır. Örneğin, döteryum stabildir, ancak trityum beta bozunmasına uğrar (Bu arada, çoğu çeşitli teknolojilerde kullanılan ve bu nedenle endüstriyel ölçekte üretilen yaklaşık iki bin radyoaktif nüklid bilinmektedir.) Ancak yalnızca ilk 83'ü. elementlerin kararlı izotopları vardır Periyodik tablolar - hidrojenden bizmut'a kadar. Dokuz en ağır doğal element: polonyum, astatin, radon, francium, radyum, aktinyum, toryum, protaktinyum ve uranyum, tüm izotopik varyantlarında radyoaktiftir. İstisnasız tüm transuranlar da kararsızdır.
Bu modeli nasıl açıklayabiliriz? Neden örneğin 16 nötronlu karbon çekirdeği yok (bu elementin nötron sayısı 2'den 14'e kadar olan 13 izotopu vardır, ancak ana izotop karbon-12'ye ek olarak yalnızca karbon-13 stabildir)? Neden 83'ten fazla protona sahip tüm nüklidler kararsızdır?
Nükleer stabilite haritası
Haritanın üst kısmından aşağıya doğru atom kütlesi artar. Proton sayısı sağ alt köşeye doğru artar, nötron sayısı sol alt köşeye doğru artar. En alttaki kırmızı blok 112. elementtir.
Nükleer fizik ders kitaplarında izotop haritası veya nükleer stabilite vadisi adı verilen çok görsel bir diyagram bulabilirsiniz. Nötron sayısı yatay eksen boyunca, proton sayısı ise dikey eksen boyunca çizilmiştir. Her izotop belirli bir noktaya, örneğin helyumun ana izotopuna - koordinatları olan bir noktaya (2,2) karşılık gelir. Bu diyagram, gerçekte var olan tüm izotopların oldukça dar bir bantta yoğunlaştığını açıkça göstermektedir. İlk başta x eksenine olan eğimi yaklaşık 45 derece oluyor, sonra biraz azalıyor. Kararlı izotoplar şeridin merkezinde yoğunlaşmıştır ve belirli bozunmalara eğilimli olanlar yanlarda yoğunlaşmıştır.
Karışıklık da burada ortaya çıkıyor. Çekirdeklerin yalnızca protonlardan oluşamayacağı açıktır; elektriksel itme kuvvetleri tarafından parçalanırlar. Ancak nötronların protonlar arası mesafeyi arttırdığı ve dolayısıyla bu itmeyi zayıflattığı görülüyor. Ve daha önce de belirtildiği gibi, çekirdekteki nükleonları birleştiren nükleer kuvvetler, hem protonlara hem de nötronlara eşit şekilde etki eder. Görünüşe göre çekirdekte ne kadar çok nötron varsa, o kadar kararlı olur. Ve eğer durum böyle değilse, o zaman neden?
İşte “parmaklarınızın ucunda” bir açıklama. Nükleer madde kuantum mekaniğinin kanunlarına uyar. Her iki tipteki nükleonlar yarım tamsayılı bir dönüşe sahiptir ve bu nedenle, bu tür diğer tüm parçacıklar (fermiyonlar) gibi, aynı fermiyonların aynı kuantum durumunu işgal etmesini yasaklayan Pauli ilkesine tabidirler. Bu, belirli bir durumdaki belirli bir türdeki fermiyon sayısının yalnızca iki sayıyla ifade edilebileceği anlamına gelir: 0 (işgal edilmeyen durum) ve 1 (dolu durum).
Kuantum mekaniğinde klasik mekaniğin aksine tüm durumlar ayrıktır. Çekirdek, içindeki nükleonların nükleer kuvvetler tarafından birbirine çekilmesi nedeniyle parçalanmaz. Bu, bu resimle görsel olarak temsil edilebilir - parçacıklar bir kuyunun içinde durur ve oradan öylece atlayamazlar. Fizikçiler de bu modeli kullanarak bir kuyuyu potansiyel kuyu olarak adlandırırlar. Protonlar ve nötronlar aynı değildir, dolayısıyla bir değil iki çukurda bulunurlar. Hem proton hem de nötron kuyularında, içine düşen parçacıkların işgal edebileceği bir dizi enerji seviyesi vardır. Her deliğin derinliği mahkumlar arasındaki ortalama kuvvet etkileşimine bağlıdır.
Şimdi protonların birbirini ittiğini, ancak nötronların birbirini itmediğini unutmayın. Sonuç olarak, protonlar nötronlara göre daha az sıkı bir şekilde kaynaklanmıştır, dolayısıyla potansiyel kuyuları o kadar derin değildir. Hafif çekirdekler için bu fark küçüktür ancak nükleer yük arttıkça artar. Ancak her iki kuyudaki boş olmayan en yüksek seviyelerin enerjileri çakışmalıdır. Üst dolu nötron seviyesi üst proton seviyesinden daha yüksek olsaydı, çekirdek toplam enerjisini azaltabilir ve onu işgal eden nötronu beta bozunmasına uğrayıp bir protona dönüşmeye "zorlayabilir". Ve eğer böyle bir dönüşüm enerji açısından uygunsa, bu zamanla gerçekleşecek ve çekirdeğin kararsız olduğu ortaya çıkacaktır. Herhangi bir proton enerji ölçeğini aşmaya cesaret ederse aynı son yaşanacaktır.
Böylece bir açıklama bulduk. Proton ve nötron kuyularının derinlikleri neredeyse eşitse, bu hafif çekirdekler için tipiktir, o zaman proton ve nötron sayıları da yaklaşık olarak aynı olur. Periyodik tablo boyunca ilerledikçe protonların sayısı artar ve potansiyel kuyularının derinliği, nötron kuyusunun derinliğinin giderek daha da gerisine düşer. Bu nedenle ağır çekirdeklerin protonlardan daha fazla nötron içermesi gerekir. Ancak bu farkı yapay olarak çok büyük hale getirirseniz (örneğin, çekirdeği, onu parçalara ayırmayan, yalnızca "yapışan" yavaş nötronlarla bombardıman ederek), nötron seviyesi proton seviyesinin oldukça üzerine çıkacak ve çekirdek, parçalanmak. Bu şema elbette son derece basitleştirilmiştir, ancak prensipte doğrudur.
Devam edelim. Atom numarası arttıkça, nötronların sayısı protonlara göre artan bir şekilde arttığından ve bu da çekirdeklerin stabilitesini azalttığından, tüm ağır nüklidlerin radyoaktif olması gerekir. Bu gerçekten doğrudur, Gerçek 2'yi tekrar etmeyeceğiz. Üstelik daha ağır nüklidlerin giderek daha az kararlı hale geleceğini, başka bir deyişle yaşam beklentilerinin sürekli azalacağını varsayma hakkımız var gibi görünüyor. Bu sonuç kesinlikle mantıklı görünüyor, ancak yanlış.
DEĞERLİ ADA
Yukarıda açıklanan şemanın pek fazla hesaba katılmadığı gerçeğiyle başlayalım. Örneğin, nükleon eşleştirme etkisi denilen olay var. Bu, iki protonun veya iki nötronun yakın bir birliğe girerek çekirdeğin içinde sıfır açısal momentuma sahip yarı-otomatik bir durum oluşturabilmesinden oluşur. Bu tür çiftlerin üyeleri birbirlerine daha güçlü bir şekilde çekilir, bu da tüm çekirdeğin stabilitesini artırır. Bu nedenle, diğer koşullar eşit olduğunda, çift sayıda proton ve nötron içeren çekirdekler en büyük kararlılığı, tek sayılı çekirdekler ise en az kararlılığı gösterir. Çekirdeklerin kararlılığı aynı zamanda burada tartışılamayacak kadar özel olan bir takım başka koşullara da bağlıdır.
Ama asıl mesele bu bile değil. Bir çekirdek, eşleştirilmiş olsalar bile yalnızca nükleonların homojen bir birikimi değildir. Çok sayıda deney uzun süredir fizikçileri çekirdeğin büyük olasılıkla katmanlı bir yapıya sahip olduğuna ikna etti. Bu modele göre çekirdeklerin içinde atomların elektron kabuklarına benzeyen proton ve nötron kabukları bulunur. Tamamen dolu kabuklara sahip çekirdekler, kendiliğinden dönüşümlere karşı özellikle dirençlidir. Tamamen dolu kabuklara karşılık gelen nötron ve proton sayılarına sihir denir. Bu sayıların bazıları deneylerle güvenilir bir şekilde belirlendi; örneğin 2, 8 ve 20.
Ve eğlencenin başladığı yer burasıdır. Kabuk modelleri, süper ağır çekirdeklerin sihirli sayılarını hesaplamayı mümkün kılar; ancak tam bir garanti vermez. Her halükarda, 184 numaralı nötron sayısının sihirli olmasını beklemek için her türlü neden var. 114, 120 ve 126 numaralı protonlara karşılık gelebilir ve ikincisi yine büyülü olmalıdır. Sonuç olarak, her biri 184 nötron içeren 114, 120 ve 126 numaralı elementlerin izotoplarının komşularına göre çok daha uzun süre yaşayacağını varsayabiliriz. İki kat büyülü olduğu ortaya çıktığı için son izotopa özel umutlar bağlanıyor. İlk bölümde tartışılan adlandırma kuralına göre unbihexium-310 olarak adlandırılmalıdır.
Dolayısıyla, en azından yakın çevrelerinin standartlarına göre çok uzun süre yaşayan, hâlâ keşfedilmemiş süper ağır nüklidlerin bulunduğunu umabiliriz. Fizikçiler bu varsayımsal aileye "istikrar adası" adını veriyor. Varlığına ilişkin hipotez ilk kez 1951'de Nobel ödüllü Amerikalı nükleer fizikçi (ya da tercih ederseniz nükleer kimyager) Glenn Seaborg tarafından dile getirildi. 94'ten (plütonyum) 102'ye (nobelyum) kadar dokuz elementin tamamını ve ayrıca onun onuruna seaborgium adını veren 106. elementi yaratan ekiplerin lideri veya kilit üyesiydi.
Artık ilk bölümü sonlandıran soruyu cevaplayabiliriz. Süper ağır elementlerin sentezi, diğer şeylerin yanı sıra, nükleer fizikçileri, nükleer istikrar adası olan Kutsal Kase'ye adım adım yaklaştırıyor. Hiç kimse bu hedefe ulaşılabilir olup olmadığını kesin olarak söyleyemez, ancak değerli adanın keşfi bilim açısından büyük bir başarı olacaktır.
Element 114 zaten yaratıldı - bu ununkuadyumdur. Şimdi nötron sayısı 171'den 175'e kadar olan beş izotopik versiyonda sentezlendi. Gördüğünüz gibi 184 nötron hala çok uzakta. Bununla birlikte, ununkuadyumun en kararlı izotoplarının yarı ömrü 3 saniyenin biraz altındadır. 113'üncü element için bu rakam yaklaşık yarım saniyedir, 115'inci element için ise onda birden azdır. Bu cesaret verici.
Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'ndeki (Dubna) U-400 hızlandırıcı,
118. elementin elde edildiği yer
118'İN SENTEZİ
93'üncüden 100'üncüye kadar tüm yapay unsurlar | ilk kez [çekirdeklerin ışınlanmasıyla | nötronlar veya döteryum çekirdekleri] (döteronlar). Bu her zaman laboratuvarda olmuyordu. Element 99 ve 100 - aynştaynyum ve fermiyum - ilk olarak Pasifik Okyanusu'ndaki Enewetak atolünde toplanan madde örneklerinin radyokimyasal analizi sırasında tanımlandı; burada 1 Kasım 1952'de Amerikalılar on megatonluk bir termonükleer bombayı patlattı. "Mike"ı suçla. Kabuğu uranyum-238'den yapılmıştır. Patlama sırasında, uranyum çekirdekleri on beşe kadar nötronu absorbe etmeyi başardı ve ardından beta bozunma zincirlerine maruz kaldı, bu da sonuçta bu iki elementin izotoplarının oluşumuna yol açtı. Bu arada, bazıları oldukça uzun yaşıyor; örneğin, Einsteinium-254'ün yarı ömrü 480 gün.
Sayıları 100'den büyük olan transfermiyum elementleri, özel hızlandırıcılarda hızlandırılan ağır iyonlarla büyük fakat çok hızlı olmayan bozunan nüklidlerin bombardıman edilmesiyle sentezlenir. Dünyadaki bu türden en iyi makineler arasında, Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'nün G. M. Flerov Nükleer Reaksiyon Laboratuvarı'na ait U-400 ve U-400M siklotronları bulunmaktadır. 118. element olan ununoktiyum, U-400 hızlandırıcısında sentezlendi. Periyodik tabloda radonun tam altında bulunur ve bu nedenle soy gaz olmalıdır.
Ancak ununoktiyumun kimyasal özelliklerinin incelenmesi hakkında konuşmak için henüz çok erken. 2002 yılında, atom ağırlığı 294 (118 proton, 176 nötron) olan izotopunun yalnızca bir çekirdeği elde edildi ve 2005 yılında iki tane daha elde edildi. Uzun yaşamadılar - yaklaşık bir milisaniye. Kaliforniyum-249 hedefinin hızlandırılmış kalsiyum-48 iyonlarıyla bombardıman edilmesiyle yapıldılar. Toplam kalsiyum “kurşunları” sayısı 2x1019'du! Yani ununoktiyum jeneratörünün üretkenliği son derece düşüktür. Ancak bu tipik bir durumdur. Ancak açıklanan sonuçlar oldukça güvenilir kabul ediliyor, hata olasılığı yüzde binde birini geçmiyor.
Ununoktiyum çekirdekleri bir dizi alfa bozunumuna uğradı ve sırasıyla 116., 114. ve 112. elementlerin izotoplarına dönüştü. Daha önce bahsedilen ununbiyum, çok kısa yaşar ve yaklaşık olarak aynı kütleye sahip ağır parçalara ayrılır.
Şimdilik tüm hikaye bu. 2007 yılında aynı deneyciler, plütonyum hedefini demir iyonlarıyla bombalayarak 120. elementin çekirdeklerini üretmeyi umuyorlar. İstikrar adasına saldırı sürüyor.
Bilim ve teknolojide yenilikler, Sayı 1, 2007
İkinci binyılın sonunda akademisyen Vitaly Lazarevich Ginzburg, fizik ve astrofizikte en önemli ve ilginç olduğunu düşündüğü otuz problemin bir listesini derledi (bkz. “Bilim ve Yaşam” No. 11, 1999). Bu listede 13 sayısı süper ağır elementlerin bulunması görevini belirtmektedir. Daha sonra, 12 yıl önce akademisyen, hayal kırıklığıyla, "kozmik ışınlarda uzun ömürlü (milyonlarca yıldan bahsediyoruz) uranyum ötesi çekirdeklerin varlığının henüz doğrulanmadığını" kaydetti. Bugün bu tür çekirdeklerin izleri keşfedildi. Bu, bir zamanlar nükleer fizikçi Georgy Nikolaevich Flerov tarafından varlığı tahmin edilen süper ağır çekirdeklerin Kararlılık Adası'nın nihayet keşfedilmesi umudunu veriyor.
Uranyum-92'den (238 U, onun kararlı izotopudur) daha ağır elementlerin olup olmadığı sorusu, doğada gözlemlenmediği için uzun süre açık kaldı. Atom numarası 180'den büyük olan kararlı elementlerin bulunmadığına inanılıyordu: Çekirdeğin güçlü pozitif yükü, ağır bir atomun elektronlarının iç seviyelerini yok edecekti. Ancak çok geçmeden bir elementin stabilitesinin kabuğun değil çekirdeğin stabilitesi tarafından belirlendiği anlaşıldı. Çift sayıda proton Z ve nötron N içeren çekirdekler kararlıdır; bunların arasında sihirli sayıda proton veya nötron denilen çekirdekler - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - özellikle öne çıkar - örneğin, kalay, kurşun. Ve en kararlı olanı, hem nötronların hem de protonların sayısının sihirli, örneğin helyum ve kalsiyum olduğu "çifte sihirli çekirdekler" dir. Bu kurşun izotop 208 Pb'dir: Z = 82, N = 126'ya sahiptir. Elementin stabilitesi son derece çekirdeğindeki proton ve nötron sayısının oranına bağlıdır. Örneğin 126 nötronlu kurşun stabildir, ancak çekirdeğinde bir nötron daha bulunan diğer izotopu üç saatten fazla bir sürede bozunur. Ancak V.L. Ginzburg, teorinin, proton sayısı Z = 114 ve nötron sayısı N = 184 olan, yani atom numarası A = Z + N = 298 olan belirli bir X elementinin yaklaşık 100 milyon yıl yaşaması gerektiğini öngördüğünü belirtti. .
Günümüzde 118. - 254 Uuo'ya kadar birçok element yapay olarak elde edilmiştir. Bu, metal olmayanların en ağırıdır, muhtemelen bir inert gazdır; geleneksel isimleri ununoctium (Latin rakamları - 1, 1, 8'in köklerinden oluşur), eka-radon ve moscovian Mw'dir. Tüm insan yapımı elementler bir zamanlar Dünya'da mevcuttu, ancak zamanla çürümüşlerdir. Örneğin, plütonyum-94'ün 16 izotopu vardır ve yalnızca 244 Pu'nun yarı ömrü T ½ = 7,6 10 7 yıldır; neptunyum-93'ün 12 izotopu vardır ve 237 Np T ½ = 2,14 10 6 yıldır. Bu elementlerin tüm izotopları arasındaki en uzun yarı ömürler, Dünya'nın yaşından çok daha azdır - (4,5–5,5) 10 9. Uranyum cevherlerinde bulunan önemsiz neptunyum izleri, kozmik radyasyondan kaynaklanan nötronların etkisi ve uranyumun kendiliğinden fisyonunun etkisi altındaki nükleer reaksiyonların ürünleridir ve plütonyum, neptunyum-239'un beta bozunmasının bir sonucudur.
Dünyanın varlığı sırasında kaybolan elementler iki şekilde elde edilir. İlk olarak, ağır bir elementin çekirdeğine fazladan bir nötron sürülebilir. Orada beta bozunmasına uğrayarak bir proton, bir elektron ve bir elektron antinötrino oluşturur: n 0 → p + e – + v e. Nükleer yük bir kat artacak - yeni bir element ortaya çıkacak. Fermiyum-100'e kadar yapay elementler bu şekilde elde edildi (izotopu 257 Fm, 100 yıllık bir yarı ömre sahiptir).
Hızlandırıcılarda çekirdekleri hızlandıran ve çarpıştıran daha ağır elementler bile yaratılır, örneğin altın (bkz. “Bilim ve Yaşam” No. 6, 1997). Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'nün (JINR, Dubna) nükleer reaksiyon laboratuvarında 117. ve 118. elementler tam olarak bu şekilde elde edildi. Üstelik teori, kararlı süper ağır çekirdeklerin şu anda bilinen ağır radyoaktif elementlerin çok ötesinde var olması gerektiğini öngörüyor. Rus fizikçi G. N. Flerov, elementler sistemini, kararlı elementlerin asla keşfedilemeyecek kısa ömürlü izotoplardan oluşan bir denizle çevrelendiği sembolik bir takımada olarak tasvir etti. Takımadaların ana adasında en kararlı elementlerin zirveleri vardır - Kalsiyum, Kalay ve Kurşun; Radyoaktivite Boğazı'nın ötesinde Uranyum, Neptunyum ve Plütonyum zirvelerine sahip Ağır Çekirdek Adası uzanır. Ve daha da uzakta, daha önce bahsedilen X-298'e benzer şekilde, süper ağır elementlerden oluşan gizemli bir Kararlılık adası bulunmalıdır.
Deneysel ve teorik fiziğin tüm başarılarına rağmen, soru açık kalıyor: Doğada süper ağır elementler var mı, yoksa bunlar tamamen yapay, insan yapımı, sentetik malzemelere benzer - naylon, naylon, lavsan - asla doğa tarafından yaratılmamış mı?
Doğada bu tür elementlerin oluşması için koşullar vardır. Pulsarların derinliklerinde ve süpernova patlamaları sırasında oluşurlar. İçlerindeki nötron akıları büyük bir yoğunluğa ulaşır - 10 38 n 0 / m2 ve süper ağır çekirdekler üretebilir. Galaksiler arası kozmik ışınlar halinde uzaya dağılırlar, ancak payları son derece küçüktür; yılda metrekare başına yalnızca birkaç parçacık. Bu nedenle, süper ağır çekirdeklerin belirli, kolayca tanınabilir bir iz bırakması gereken doğal bir kozmik radyasyon dedektörü depolaması kullanma fikri ortaya çıktı. Meteoritler bu tür dedektörler olarak başarılı bir şekilde hizmet vermiştir.
Kozmik bir felaket nedeniyle ana gezegeninden koparılan bir kaya parçası olan bir göktaşı, yüz milyonlarca yıl boyunca uzayda yolculuk eder. %90'ı hidrojen çekirdeği (proton), %7'si helyum çekirdeği (iki proton) ve %1'i elektrondan oluşan kozmik ışınlar tarafından sürekli olarak "ateşlenir". Geriye kalan %2, süper ağır çekirdekleri içerebilecek diğer parçacıklardan oluşur.
Adını Fizik Enstitüsünden araştırmacılar aldı. P. N. Lebedev (FIAN) ve Jeokimya ve Analitik Kimya Enstitüsü adını almıştır. V.I. Vernadsky (GEOKHI RAS) iki pallasit üzerinde çalışıyor - olivin ile serpiştirilmiş demir-nikel göktaşları (içinde Mg2, (Mg, Fe) 2 ve (Mn, Fe) 2'nin silikon dioksit Si04'e eklendiği bir grup yarı saydam mineral. farklı oranlarda; şeffaf olivin krizolit olarak adlandırılır). Bu göktaşlarının yaşı 185 ve 300 milyon yıldır.
Bir olivin kristalinin içinden uçan ağır çekirdekler, kafesine zarar vererek izlerini içinde bırakır. Kristal aşındırma işleminin kimyasal işleminden sonra görünür hale gelirler. Olivin yarı saydam olduğundan bu izler mikroskop altında gözlemlenebilir ve incelenebilir. Yolun kalınlığına, uzunluğuna ve şekline bakılarak çekirdeğin yükü ve atom kütlesi değerlendirilebilir. Olivin kristallerinin birkaç milimetrelik boyutlara sahip olması ve ağır bir parçacığın izinin çok daha uzun olması araştırmayı oldukça karmaşık hale getiriyor. Bu nedenle, yükünün büyüklüğü dolaylı verilerle - aşındırma hızı, iz kalınlığındaki azalma vb. - değerlendirilmelidir.
Kararlılık adasından gelen süper ağır parçacıkların izlerini bulma çalışmasına "Olympia Projesi" adı verildi. Bu proje kapsamında, yükü 55'ten fazla olan yaklaşık altı bin çekirdek ve yükleri 105 ile 130 arasında değişen üç ultra ağır çekirdek hakkında bilgi elde edildi. Bu çekirdeklerin izlerinin tüm özellikleri belirlendi. Lebedev Fizik Enstitüsü'nde oluşturulan yüksek hassasiyetli ekipmanlardan oluşan bir kompleks tarafından ölçülmüştür. Kompleks, izleri otomatik olarak tanır, geometrik parametrelerini belirler ve ölçüm verilerini tahmin ederek, olivin masifinde durmadan önce yolun tahmini uzunluğunu bulur (kristalinin gerçek boyutunun birkaç milimetre olduğunu unutmayın).
Elde edilen deneysel sonuçlar, doğada kararlı süper ağır elementlerin varlığının gerçekliğini doğrulamaktadır.
