Синтез сверхтяжелых элементов реферат
Обновлено: 05.07.2024
28 ноября 2016 года Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) присвоил названия четырем сверхтяжелым элементам: нихонию (113 элемент периодической системы), московию (115 элемент), теннесину (117 элемент) и оганесону (118 элемент). Московий, теннесин и оганесон впервые были получены в Российской Федерации в коллаборации с американскими физиками. Вспоминаем наш материал, в котором N + 1 отвечал на самые распространенные вопросы о сверхтяжелых элементах.
Сверхтяжелые химические элементы с атомным номером больше 100 удается получить только в реакциях слияния в ускорителях заряженных частиц. В них тяжелое ядро-мишень обстреливают более легкими ядрами-снарядами. Ядра новых элементов возникают в случае точного попадания и слияния ядер снаряда и мишени.
Можно ли предсказать, сколько сверхтяжелых элементов еще можно будет открыть? Есть ли какое-то максимальное количество протонов, которое может быть в ядре и которое бы ограничивало массу элемента?
Все подобные предсказания основаны на современных моделях устойчивости атомных ядер. Исходя из самых наивных соображений кажется, что устойчивым может быть любое ядро, в котором кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами компенсируется силой связи между ними за счет сильного взаимодействия. Для этого, в любом случае, в ядре должно быть определенное количество незаряженных нейтронов, однако соотношение между количеством нейтронов и протонов — недостаточное условие для устойчивости атомных ядер. Здесь вступает в игру квантовая природа нуклонов: они обладают полуцелым спином и, как и электроны, стремятся собираться парами и формировать заполненные энергетические уровни.
Эти эффекты приводят к различию в устойчивости протонно-нейтронных систем относительно нескольких путей распада — спонтанного деления (которое происходит в результате квантово-механических эффектов и без внешнего возбуждения приводит к разделению на более легкие ядра и нейтроны), также α- и β-распада с испусканием α-частицы или электрона (или позитрона) соответственно. По отношению к каждому из каналов распада у каждого ядра есть свое время жизни. Так, при увеличении атомного номера элемента резко увеличивается вероятность спонтанного деления, что накладывает значительные ограничения на существование стабильных ядер сверхтяжелых элементов — все они должны быть неустойчивыми с довольно коротким периодом полураспада. Поэтому для всех элементов тяжелее свинца стабильных изотопов нет, все они радиоактивные.
Стоит, однако, отметить, что все эти предсказания основаны на моделях, которые хорошо работают для сравнительно небольших ядер, однако для сверхтяжелых элементов форма ядра, например, начинает довольно заметно отклоняться от сферической, что требует внесения поправок в эти модели.
Есть ли у сверхтяжелых элементов какое-то практическое применение? Или, возможно, оно появится в будущем?
На данный момент у сверхтяжелых элементов никакого практического применения нет. Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, их синтез — крайне сложный технологический процесс, занимающий довольно долгое время, в результате которого происходит образование совсем небольшого количества ядер. Во-вторых, из всех элементов с порядковым номером больше ста только фермий (100-й элемент) и менделевий (101-й) имеют сравнительно стабильные изотопы с периодом полураспада 100 и 50 суток соответственно. У остальных же сверхтяжелых элементов даже самые устойчивые из синтезированных изотопов распадаются в лучшем случае за несколько десятков часов, а чаще — за секунды или даже миллисекунды.
Поэтому пока процесс синтеза сверхтяжелых ядер представляет лишь фундаментальный интерес, связанный с изучением нуклон-нуклонного взаимодействия и взаимодействия между кварками. Свойства синтезированных изотопов помогают строить более точные теоретические модели, которые можно использовать не только для исследования ядер атомов на Земле, но и, например, при изучении нейтронных звезд, в ядре которых плотность нуклонов значительно превышает плотность в ядрах атомов.
Ученые ожидают, что в будущем у сверхтяжелых элементов могут появиться и какие-то практические применения, связанные, в частности, с разработкой сенсоров или радиографических методов в медицине или промышленности. Возможно, это будут и какие-то новые способы использования, которые невозможно предсказать сейчас, однако в ближайшие годы их точно ожидать не стоит, потому что для этого должны кардинальным образом измениться технологии их получения.
Можно ли получить стабильные изотопы сверхтяжелых элементов, или все они будут только радиоактивными?
Стабильные изотопы элементов, расположенных в таблице Менделеева после свинца, сейчас неизвестны. Порядковый номер свинца в таблице Менделеева — 82-й. Это значит, что все элементы начиная с висмута будут так или иначе радиоактивными. Период полураспада этих элементов, однако, может варьироваться в очень широких пределах. Так, у наиболее устойчивого изотопа висмута, который раньше считался устойчивым, период полураспада составляет 2 × 1019 лет, что на несколько порядков больше возраста Вселенной.
У синтезированных на данный момент изотопов сверхтяжелых элементов (с порядковым номером в таблице элементов больше ста) период полураспада значительно меньше, чем у висмута, и варьируется от ста дней до долей миллисекунды. Все они тоже радиоактивны.
Возможно ли, хотя бы теоретически, обнаружить сверхтяжелые элементы в природе? Или хотя бы продукты их распада, которые бы доказывали, что такие элементы существовали?
Ни один из сверхтяжелых элементов обнаружен в природе не был (что неудивительно, учитывая, что у всех из них очень короткие периоды полураспада). Элемент с самым большим порядковым номером, который удалось найти на сегодняшний день в природе, — это уран с его 92 протонами в ядре.
В начале 1970-х годов сообщалось о нахождения в природных минералах элемента с порядковым номером 108 (позднее был синтезирован под названием хассий), около десяти лет назад говорили об обнаружении в образцах тория следов 122-го элемента, однако подтверждены эти факты не были.
На Земле условий, необходимых для синтеза устойчивых сверхтяжелых ядер, нет и никогда не было, однако считается, что близкие к подобным условиям могут достигаться при взрывах сверхновых. Температура при этом поднимается до значений, достаточных для запуска быстрого поглощения ядрами нейтронов (так называемого r-процесса). Пока достоверных подтверждений естественного образования элементов с порядковым номером больше 100 в таких процессах зафиксировано не было, однако проводятся исследования состава космических лучей на предмет наличия в них следов сверхтяжелых элементов. В частности, об обнаружении в метеоритном веществе частиц с атомными числами более 100 говорили в 2011 году. Эти данные, однако, также не были подтверждены.
30 декабря 2015 г. Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) окончательно утвердил факт открытия четырех новых химических элементов с атомными номерами 113, 115, 117 и 118. Теперь седьмой период таблицы Менделеева из шести элементов полностью укомплектован в соответствии с периодическим законом. Все шесть элементов седьмого периода — 113, 114, 115, 116, 117, 118 — были синтезированы в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) на ускорительном комплексе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова в сотрудничестве с физиками и химиками Национальных лабораторий США в Ливерморе, штат Калифорния, Ок-Ридже, штат Теннесси, и Университета Вандербильта.
Эксперименты проводились в Дубне (Московской области) под руководством и при непосредственном участии академика РАН Юрия Цолаковича Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований. Он рассказал нашему журналу, как шел поиск столь долгожданных элементов.
Один из фундаментальных научных вопросов — где находится граница материального мира, или сколько элементов может вместить таблица Менделеева?
Большой шаг в поисках ответа на этот вопрос был сделан нашим соотечественником Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Именно он первым попытался классифицировать все природные элементы и понял, что их химические свойства укладываются в некоторую закономерность, известную теперь как периодический закон Д.И. Менделеева.
Отметим, что когда Менделеев создавал свою периодическую систему, в его распоряжении было всего 63 элемента. И он, полагаю, тоже задумывался над тем, сколько их может быть сверх того. Этот вопрос и по сей день не потерял свою актуальность в современной науке.
В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил свою планетарную модель атома: положительно заряженное ядро, содержащее практически всю массу атома и весь положительный заряд, и электроны, которые двигаются на громадном расстоянии от этого ядра. Когда два года спустя великий Нильс Бор рассчитал, как выглядит простейший атом водорода (протон, вокруг которого вращается электрон), можно считать годом рождения ядерной физики. Дальше, как известно, она развивалась поистине бурными темпами.
Людям свойственно стремление познать границы своего обитания, в том числе границы окружающего нас материального мира. Впоследствии оказалось, что планетарная модель атома Резерфорда — Бора достаточно устойчива и хорошо работает вплоть до атомных номеров 173-175. Но проблема в том, что задолго до достижения этих номеров перестает жить ядро атома. Поэтому вопрос, где же проходит граница, должен быть переадресован из атомной физики в ядерную физику.
Здесь следовало бы заметить, что атомная физика базируется на квантовой электродинамике — науке точной. Эта теория позволяет рассчитать огромную атомную станцию или маленький чип, и все будет работать абсолютно так, как это следует из фундаментальных законов электродинамики. В ядерной физике, к сожалению, до этого пока далеко. В ней до сих пор неизвестна природа ядерных сил, посредством которых в ядре взаимодействуют друг с другом протоны и нейтроны. Теория ядра находится еще в процессе создания. Однако если мы все-таки хотим определить границу существования ядер, нам надо понять или предположить, как выглядит ядро и каковы основные свойства ядерной материи.
Ядро — капля
Наш соотечественник Георгий Антонович Гамов, выпускник Ленинградского университета, работавший с известным ученым Абрамом Федоровичем Иоффе в Ленинградском физико-техническом институте, а затем всю последующую жизнь –в США, в 1928 г. высказал удивительное предположение о том, что ядро похоже на каплю заряженной жидкости. В конце 1920-х гг. уже было известно, что ядро имеет малый размер, высокую плотность, хорошо очерченные края, сферическую форму и оно несжимаемо. На самом деле очень похоже на каплю заряженной жидкости.
Но из теории Бора и Уилера следовало также, что уран и без дополнительной энергии может самопроизвольно (спонтанно) разделиться на две части. Спонтанное деление урана — очень редкий процесс, имеющий чисто квантово-механическую природу. Бор и Уилер предсказали гигантское время такого распада. Если на участке от критической деформации (вершины барьера деления) до момента разрыва на два осколка процесс деления занимает всего 10 -19 секунды, то здесь, согласно ожиданиям, требовалось более 10 20 лет. Возраст Вселенной меньше этого времени распада почти в миллион раз!
Четвертый вид радиоактивности
Я и сейчас не совсем понимаю, чем руководствовался Игорь Васильевич Курчатов, когда предложил двум молодым ученым — вчерашнему студенту Георгию Флерову и Константину Петржаку — заняться исследованием спонтанного деления урана. Он не верил Либби, не верил предсказаниям Бора и Уилера?
Но два молодых человека взялись за дело с большим энтузиазмом. И уже в скором времени обнаружили спонтанное деление урана.
Наши герои решили измерять в эксперименте не сопутствующее делению урана излучение (нейтроны), как делал Либби, а непосредственно регистрировать осколки деления. Осколки нужно было обнаружить на фоне 10 млн альфа-частиц. Многие отработанные и широко используемые к тому времени методы оказались непригодными. В качестве детектора осколков деления была выбрана пропорциональная ионизационная камера, для которой необходимо было создать специальный широкополосный усилитель с коэффициентом усиления примерно 2×10 6 . Усилитель, естественно, был ламповым, а камера со слоями урана общей площадью 1 тыс. см 2 (а затем и 6 тыс. см 2 ) была удивительно похожа на переменную емкость от старинного радиоприемника.
Измерения в ленинградском Физтехе проводились только ночью, чтобы не мешали трамваи, которые искрят и создают электрический фон. Молодые физики тренировали себя сидеть часами в темном помещении, всматриваясь в экран осциллографа, на котором была видна всегда мелкая рябь — сигналы от альфа-частиц урана. Но иногда в этом частоколе наблюдался всплеск, большой сигнал от осколков деления. Спонтанное деление! И такой сигнал приходил раз в полчаса, иногда в час. Они сидели часами и ждали, когда вновь появятся эти сигналы. И они появлялись…
Далее следует то, что написано в их отчете 1940 г.:
«Итак, можно утверждать, что установленный эффект спонтанных импульсов обусловлен актами деления урана. Такой процесс представляет новый вид радиоактивности, принципиально отличной от известных ранее видов радиоактивности с испусканием альфа и бета-частиц.
Расхождение между экспериментально наблюдаемым временем жизни урана и указанным Бором и Уилером объясняется тем, что формула прохождения частицы через барьер очень чувствительна к выбранной высоте и ширине барьера, а выбор этих величин в значительной мере произволен.
Далеко за ураном…
Очень быстро стало ясно, что это будет война не пехоты и кавалерии, а механизмов и техники. Было известно, что Германия пытается создать грозное оружие, использующее энергию деления урана, что в ядре урана аккумулирована огромная энергия и ее высвобождение несопоставимо ни с какими другими способами импульсной наработки энергии.
Ядерная физика привлекла тогда большое внимание воюющих правительств. В разработку вопроса были вложены огромные средства. Очень быстро, в 1943 г. в США и в 1946 у нас, были построены первые ядерные реакторы. В них начали нарабатывать плутоний — следующий за ураном, но уже искусственный элемент.
Таблица элементов, найденных в Земле, кончается 92-м элементом — ураном. Плутоний — 94-й, рукотворный. Тем не менее в ХХ в. этот искусственный элемент нарабатывали многими сотнями тонн на специальных установках не только для ядерного оружия, но и для энергетики — как источник нейтронов и для многих других целей.
В поисках причин этой ошибки появился другой изотоп америция — америций-244 с периодом спонтанного деления 0,9 миллисекунд. Потом выяснилось, что еще 33 изотопа трансурановых элементов имеют два, а иногда и три периода полураспада, один очень длинный, другой — существенно более короткий. Тот же изотоп урана-238 с периодом спонтанного деления, который Флеров и Петржак определили как 10 16 лет, имеет второй период полураспада, равный 0,3 микросекунды. Отличие составляет 30 порядков!
Два периода полураспада (или две различные вероятности одного и того же типа распада, в данном случае — спонтанного деления) могут быть только в случае наличия у ядра двух состояний, из которых происходит деление. Но это никаким образом не вписывается в представление о капле. Два состояния могут быть только в том случае, если тело не аморфное, а обладает внутренней структурой. Этот факт был, пожалуй, наиболее ярким примером того, что ядерное вещество не представляет собой полного аналога капли заряженной жидкости. Капельная аналогия — это некое приближение в описании свойств ядра. Более строгое описание требует учитывать его структурные особенности.
Первые экспедиции к тяжеловесам
Уже давно было замечено, что среди известных сегодня примерно 3тыс. ядер есть ядра, более связанные по сравнению с расчетом в модели жидкой капли, а есть другие — связанные слабее. Нас, естественно, интересуют первые, более связанные. Максимальный эффект повышенной стабильности наблюдается лишь при определенном, так называемом магическом, числе нейтронов или протонов в ядре. Среди обилия ядер есть и уникальные, дважды магические образования с магическим числом одновременно протонов и нейтронов. Таких ядер немного. К дважды магическим ядрам относятся: гелий (два протона, два нейтрона), кислород (восемь протонов, восемь нейтронов), кальций (20 протонов, 20 нейтронов; есть и другой, редкий изотоп — 20 протонов и 28 нейтронов), никель (28 протонов 28 и 50 нейтронов), олово (по 50 протонов, 50 и 82 нейтронов), свинец (82 протона и 126 нейтронов). Кстати, свинец-208 сохранился в Земле, потому что он имеет дважды магическую структуру. В отсутствие этой структуры он был бы менее связанным - радиоактивным и не дожил бы до наших дней с момента образования Земли (примерно 4,5 млрд лет тому назад).
Что же находится за фермием (элементом с атомным номером 100) — там, где по чистой капельной теории ничего быть не должно? Оказалось, что если отойти от фермия несколько дальше — к числу протонов 108 и числу нейтронов 162, то у ядер в этой области, согласно структурным эффектам, энергия связи может вновь возрасти. И ядро с числом протонов 108 и нейтронов 162 в принципе может существовать; его жизнь, по оценкам, составит несколько часов. А если уйти совсем далеко, к числу протонов 114 и огромному числу нейтронов 184, эта структурная поправка будет еще больше. Там будет примерно такая же ситуация, как с упомянутым ранее стабильным ядром — свинцом-208. Сверхтяжелые ядра могут существовать очень долго — не секунды, а часы, годы, тысячи, может быть, миллионы лет.
Эти долгожители образуют целую область, ее часто называют островом стабильности гипотетических, очень тяжелых, сверхтяжелых элементов.
Новая теория была сформулирована в 1969 г., и все бросились ее проверять. Первый эксперимент, на который пригласили и меня, был проведен во Франции уже в 1970 г. Тогда у нас ничего не получилось. В отличие от своих французских коллег, я уже имел некий опыт — с середины 60-х занимался синтезом 104-го и 105-го элементов в Дубне и чувствовал, что задача получения сверхтяжелых ядер значительно труднее, что наших средств явно недостаточно для того, чтобы рассчитывать на успех. На самом деле этот эксперимент был только началом массированного наступления экспериментаторов.
С 1970 по 1985 г. во всех лабораториях мира — в Германии, Японии, Франции, Соединенных Штатах — шла интенсивная работа, нацеленная на синтез сверхтяжелых элементов. К сожалению, во всех этих экспериментах сверхтяжелые элементы обнаружить не удалось. В эти годы и наши попытки синтеза сверхтяжелых ядер в Дубне также оказались безрезультатными.
Причин неудачи всегда может быть две: либо не дотянулись (низкая чувствительность эксперимента), либо предмета поиска вообще нет (идея постановки данного эксперимента неверна). Однако когда одним и тем же делом занимаются многие лаборатории мира и у всех нулевой результат, кажется более вероятной вторая. К 1985 г. это привело к пессимистическому мнению о возможности синтеза гипотетических сверхтяжелых элементов.
Восемь дополнительных нейтронов
Реакция, которую мы предложили еще в 1974 г. и продемонстрировали в Дубне ее возможности для синтеза элементов тяжелее 106-го, была подхвачена в Германии, а затем и всеми другими национальными лабораториями мира: в США, Франции, Японии. Новые элементы с атомными номерами 107, 108, 109, 110, 111 и 112 были синтезированы в Германии именно этим методом, который использовался на протяжении 38 лет!
В левой части рисунка — тяжелейшие изотопы 110‑го, 111‑го и 112‑го элементов, полученные к 1998 г. в Центре по изучению тяжелых ионов (Дармштадт, Германия) в реакциях слияния ядер свинца и висмута с ускоренными ядрами никеля-64 и цинка-70. В правой стороне — результаты первого эксперимента по синтезу изотопов 114‑го и 116‑го элементов в реакциях слияния ядер плутония-244 и кюрия-248 с ускоренными ядрами кальция-48. Видно, что увеличение числа нейтронов в изотопах 110‑го и 112‑го элементов на восемь единиц ведет к повышению на пять порядков их периодов полураспада.
Наши исследования пришлись на 1990-е гг., и нетрудно представить, с какими сложностями мы столкнулись. Достояние, наработанное годами, которое мы имели, — прекрасный ускоритель, прецизионные установки, электронная аппаратура — для этой задачи не подходило. Все надо было делать заново.
Георгий Николаевич уже ушел из жизни, и я вступил в должность директора Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Решение было принято, и мы пошли по дороге отработки нового метода синтеза. Это была непростая задача. Как уже сказано выше, часто нас не устраивало то, что было достигнуто ранее большим трудом. В частности, расход того же кальция-48 в источнике ионов нашего ускорителя, в то время одного из лучших в мире, составлял 20 мг в час! При таком расходе дорогого вещества у нас не хватило бы никаких средств, чтобы вести работу на пучке ионов кальция-48 годами. Пришлось переходить на другую, для нас совершенно новую конструкцию ионного источника, работающего на другом принципе, и исследовать его в режимах получения рекордной интенсивности пучка при минимальном расходе исходного материала.
В наблюдаемых цепочках распада регистрируются координаты ядер в фокальном детекторе сепаратора, а также времена и энергии альфа-частиц и осколков деления (для цепочки из трех звеньев — 11 параметров). В этих условиях генетическая достоверность (последовательность распадов: материнское — дочернее — внучатое и т.д. ядро) и повторяемость результатов устанавливаются с высокой точностью.
Периодическая таблица химиче- ских элементов Д.И. Менделеева
Периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева.
Синтез элементов 113–118 заполняет седьмой период таблицы (желтые квадраты). Продуктами распада ядер этих элементов становятся также новые ядра — изотопы 104–112‑го элементов с большим избытком нейтронов (квадраты с зеленым контуром).
Первые пришельцы с острова стабильности
Сейчас и в будущем
Фундаментальная часть нашей работы заключается в подтверждении теоретических предсказаний о существовании сверхтяжелых элементов. В том, что далеко от известной области ядер вследствие ядерной структуры проявляются новые магические числа протонов и нейтронов, которые формируют остров (острова) стабильности сверхтяжелых элементов. Сам факт существования сверхтяжелых ядер существенно смещает пределы масс ядер и атомов. Таблица Д.И. Менделеева содержит сегодня 118 элементов, заполняющих ее семь рядов. Вполне возможно заполнение восьмого ряда.
Карты атомных ядер. На рисунке показаны все известные к настоящему времени ядра изотопов с атомными номерами более 103. В овале расположены ядра, синтезированные в реакциях с кальцием-48.
Существенное преимущество ядер, расположенных на острове стабильности, — их относительно большое время жизни по отношению к ядрам более легких элементов. Это дает возможность исследовать электронную структуру сверхтяжелого атома, особенно последнего электрона, ответственного за химические свойства данного элемента. Раньше, когда периоды полураспадов более легких ядер исчислялись миллисекундами, мы такой возможности были лишены. Теперь, с использованием современной экспрессной химической аппаратурой, начаты химические исследования 112-го, 113-го и 114-го элементов, их химического поведения по отношению к легким гомологам: ртути, таллию и свинцу (см.: Скерри Э. Таблица Менделеева: век недолог? // ВМН, № 7–8, 2014).
Вполне естественно, что открытие сверхтяжелых элементов породило много вопросов. Где граница масс ядер, последний ли этот остров или могут существовать еще более тяжелые элементы? Могли ли образоваться сверхтяжелые элементы в Солнечной системе, когда шло образование всех элементов вплоть до урана? Как будут вписываться элементы-тяжеловесы в периодическую систему Д.И. Менделеева? И это далеко не все вопросы.
С вводом нового комплекса будет реализована новая программа исследований. В основных очертаниях она была разработана нами в прошлом году. Эксперименты, которые ведутся сегодня на пучке ионов кальция-48, нацелены сейчас и в ближайшем будущем на проверку ряда подходов, которые будут реализованы на новом комплексе.
Самый стабильный изотоп ниония (113 протонов) имеет период полураспада почти восемь секунд, в то время как у оганессона всего 0,7 миллисекунды
В настоящее время две глобальные цели лежат почти в пределах досягаемости экспериментов ученых.
Одна из них — добавить восьмую строку таблицы Менделеева. До сих пор исследователи создавали все элементы в первых семи периодах — от водорода (один протон) до оганессона (118 протонов). Таким образом, синтез более тяжелых элементов откроет новую.
Например, самый стабильный изотоп ниония (113 протонов) имеет период полураспада почти восемь секунд, в то время как у оганессона всего 0,7 миллисекунды.
Чтобы реализовать эти цели, экспериментаторы должны определить, как максимизировать свои шансы на создание сверхтяжелых ядер, поскольку, по оценкам, синтез одного атома займет более трех месяцев. Для этого им необходимо знать силу отталкивания, которую испытывают два ядра, когда они сближаются друг с другом благодаря силе притяжения ядерного потенциала.
И вот теперь Тайки Танака из Центра ускорительной науки RIKEN Nishina и его коллеги измерили это отталкивание, столкнув маленькие ядра (неон, магний и кальций) с крупными (кюрий и уран) и измерив, как они рассеялись.
Они обнаружили, что на отталкивающий барьер чаще всего влияет деформация более крупного ядра, которое имеет форму мяча для регби.
Сравнение с функциями возбуждения для производства известных сверхтяжелых элементов показывает, что запуск меньшего ядра таким образом, что оно приближается к стороне деформированного более крупного ядра, будет наиболее эффективной стратегией для создания новых сверхтяжелых ядер.
Если эта тенденция сохраняется для более тяжелых ядер, то оптимальную энергию меньшего ядра можно определить, просто измерив отталкивающий барьер большего ядра, что занимает всего около суток.
Ученые планируют использовать эти знания для создания новых сверхтяжелых элементов.
T. Tanaka et al. Study of Quasielastic Barrier Distributions as a Step towards the Synthesis of Superheavy Elements with Hot Fusion Reactions, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.052502
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА СВЕРХТЯЖЁЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В марте 2011 г. исполнилось 100 лет с момента выступления Эрнста Резерфорда на заседании Манчестерского философского общества, где он впервые объявил о том, что внутри атома находится очень малое по размеру, но чрезвычайно плотное образование (ядро), которое несёт практически всю массу атома и его положительный заряд. Отрицательно заряженные электроны с массой примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода движутся вокруг ядра на большом расстоянии подобно планетам Солнечной системы вокруг Солнца. По словам очевидцев, слушатели ему не очень поверили, но он и не настаивал. Однако все исследования на протяжении прошлого века только подтверждали это великое предвидение Резерфорда, которое открывало первую страницу ядерной физики.
Учёных в первую очередь интересуют пределы существования атомов химических элементов, в частности пределы их масс и размеров. Согласно квантовой электродинамике, атом может достигать весьма внушительных размеров. Если предположить, что положительный заряд, в поле которого движутся электроны (их движение описывается уравнением Дирака), имеет ядро точечного размера, то нестабильность, или разрушение упомянутой выше планетарной конструкции атома Резерфорда, наступает лишь при атомном номере Z = 137. С учётом конечного размера ядра предел отодвигается ещё дальше — к атомным номерам Z = 174—176. Однако предел существования атомов наступает заметно раньше из-за нестабильности самого ядра.
ОГАНЕСЯН Юрий Цолакович -академик, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ).
Ядра, как известно, состоят из нуклонов: положительно заряженных протонов и нейтронов, близких по массе к протонам, но нейтральных частиц. Их массы в сумме с протонами образуют массу ядра. Предельная масса ядра будет определяться максимальным числом нуклонов, при котором энергия связи ядра остаётся положительной. Показанные на рисунке 1 ядра с различным числом протонов и нейтронов имеют различную энергию связи и, как следствие этого, разное время жизни. В физике это время исчисляют в периодах полураспада — интервалах времени, за которое число ядер уменьшится вдвое. Самым тёмным цветом отмечены стабильные ядра, которые сохранились с момента образования элементов (нуклеосинтеза), произошедшего в Солнечной системе около 4.5 млрд. лет тому назад. Последним из стабильных элементов является висмут 209В1 (Т1/2 > 1019 лет), ядро которого состоит из 83 протонов и 126 нейтронов. За 209В1 следуют нестабильные элементы — полоний (Ро), астат (А^, радон (Ил), которые имеют периоды полураспада от дней до микросекунд. Затем стабильность ядер вновь возрастает: 90-й и 92-й элементы — торий 232ТИ (Т1/2 = 1010 лет) и уран 238и (4.5 х 109 лет) содержатся в земной коре в немалых количествах. Уран завершает ряд природных элементов. Все элементы тяжелее урана получены искусственным путём в ядерных реакциях различного типа.
В области трансурановых элементов наблюдается резкое уменьшение стабильности ядер с ростом их атомного номера. Количественно это выглядит следующим образом: добавление к урану 10 протонов, то есть увеличение Z от 92 до 102, приводит к уменьшению периода полураспада, в данном случае, 102-го элемента (N0) в 1016 раз. Оба ядра, урана и нобелия, испытывают альфа-распад — спонтанную эмиссию ядра гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов (4Не). Именно вероятность этого типа распада для указанных ядер отличается на 16 порядков. Ещё более сильное уменьшение периода полураспада ожидается для другого типа распада — самопроизвольного (спонтанного) деления ядра на две части. Здесь различие составляет 23 порядка. Простая экстраполяция в область более тяжёлых ядер
Остров стабильности 184
Континент 126 83-
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Число нейтронов
Рис. 1. Карта нуклидов в области тяжёлых ядер Чёрные квадраты — изотопы стабильных элементов (наиболее тяжёлый из них — висмут-209). За ураном-238 расположены искусственные элементы. Их периоды полураспада соответствуют разной степени затемнения (верхняя шкала). Новые ядерные оболочки в области гипотетических сверхтяжёлых элементов с "магическими атомными числами" Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184 предсказаны макро-мик-роскопической теорией ядра
показывает, что граница существования ядер будет определяться спонтанным делением. Когда период полураспада ядра составит менее 10-14 с,
Рис. 2. Расчёт потенциальной энергии ядра при различных его деформациях
а — в модели "жидкой капли"; б — в макро-микроскопиче-ской модели с учётом структурных поправок. Пунктирная кривая — барьер деления сверхтяжёлого ядра с X = 108, N = 162
ядро разделится раньше, чем "обрастёт" электронами, и атом, как описанная выше планетарная система, просто не успеет образоваться. Согласно простым экстраполяциям, подобная ситуация возникнет уже для ядер с атомными номерами 106—108.
Подобный конец существования атомных ядер был предсказан ещё в 1939 г. Н. Бором и Дж.А. Уиллером задолго до того, как люди начали получать искусственные элементы. Их работа появилась непосредственно после открытия О. Га-ном и Ф. Штрассманом в 1939 г. деления урана под действием нейтронов. Затем последовало открытие спонтанного деления урана К.А. Петржа-ком и Г.Н. Флёровым в 1940 г. Деление тяжёлого ядра моделировалось Н. Бором и Дж. Уиллером подобно процессу разделения капли заряженной жидкости на две части примерно равной массы (капельная модель ядра, предложенная Г. Гамо-вым еще в 1929 г.). Макроскопическое, и в этом смысле классическое, описание коллективного движения частиц ядра, подобного капле заряженной жидкости, независимо и примерно в то же время было сделано в работах Я. В. Френкеля в 1939-1940 гг.
Спустя многие годы, когда были созданы ядерные реакторы, с помощью которых появилась возможность синтеза искусственных элементов вплоть до фермия (X = 100), предсказания капельной модели деления, казалось, полностью подтвердились.
Но в 1962 г. в нашей лаборатории в Дубне был обнаружен неожиданный эффект, вызвавший большие сомнения в справедливости чисто капельной аналогии деления ядер. Экспериментально было обнаружено, что хорошо известное в то время ядро 95-го элемента — америция 242Ат (Т^ ~ 1014 лет) — может испытывать спонтанное деление с двумя сильно отличающимися по величине периодами полураспада: ранее известным — 1014 лет и новым — 0.014 с. В последующем как в ОИЯИ, так и во многих других лабораториях мира подобное явление было обнаружено ещё у 31 ядра с Z = 92—97. Определенно в этих ядрах деление происходит из двух состояний — основного и изомерного (рис. 2, б).
Подобная картина совершенно не совместима с поведением капли заряженной жидкости, в процессе деформации которой не может возникать промежуточных (изомерных) состояний. Помимо указанных противоречий во многих экспериментах с протонами, альфа-частицами и более тяжёлыми ионами наблюдались и другие расхождения с предсказаниями капельной модели.
Это не было неожиданным. Капельная теория описывала макроскопические свойства ядер, их массы и размеры, предполагая постоянную плотность ядерной материи и отсутствие её внутренней структуры. На самом деле, в свойствах ядер проявляется их внутренняя структура, которая, как следует ниже, играет значительную роль при определении границ существования ядер.
Действительно, было давно замечено, что при определённом "магическом" количестве протонов и/или нейтронов в ядре заметно повышается энергия связи и, следовательно, стабильность ядра. В последующем это наблюдение было объяснено в обол очечной модели ядра М. Гепперт-Майер и Х. Йенсена (1949 г.). Но всегда предполагалось, что при большой деформации структура ядра будет исчезать и процесс деления при достижении больших деформаций можно, вполне обоснованно, по-прежнему рассматривать в рамках капельной модели. На самом деле, как следовало из дальнейших исследований, с ростом деформации ядра ядерная структура не исчезает, а видоизменяется, продолжая играть существенную роль в делении ядра. Расчёт полной энергии ядра в процессе деформации с учётом его структуры, выполненный В.М. Струтинским в 1969 г., объяснил наблюдаемый в эксперименте высокий барьер деления "дважды магическо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
Читайте также: