К концу 60-х годов усилиями многих теоретиков - О. Бором и Б. Мотельсоном (Дания), С. Нильсоном (Швеция), В.М. Струтинским и В.В. Пашкевичем (СССР), Х. Майерсом и В. Святецким (США), А. Собичевским и др. (Польша), В. Грайнером и др. (Германия), Р. Никсом и П. Мёллером (США), Ж. Берже (Франция) и многими другими была создана микроскопическая теория атомных ядер. Новая теория привела все вышеуказанные противоречие в стройную систему физических закономерностей.
Как любая теория, она обладала определённой предсказательной силой, в частности, в предсказании свойств очень тяжёлых, ещё неизвестных ядер. Оказалось что стабилизирующий эффект ядерных оболочек будет работать и за пределами обозначенными капельной моделью ядра (т.е. в области Z > 106) образуя т.н. «острова стабильности» вокруг магических чисел Z=108, N=162 и Z=114, N=184. Как видно на рис.2
время жизни сверхтяжёлых ядер расположенных в этих «островах стабильности» может существенно возрастать. Особенно это относится к наиболее тяжёлым, сверхтяжёлым элементам, где эффект замкнутых оболочек Z=114 (возможно 120) и N=184 повышает периоды полураспада до десятков, сотен тысяч и, быть может, миллионов лет, т.е. - на 32-35 порядков больше чем в случае отсутствия эффекта ядерных оболочек. Так возникла интригующая гипотеза о возможном существовании сверхтяжёлых элементов значительно расширяющая границы материального мира. Прямой проверкой теоретических предсказаний явился бы синтез сверхтяжёлых нуклидов и определение их свойств распада. Поэтому нам придется кратко рассмотреть ключевые вопросы, связанные с искусственным синтезом элементов.
2. Реакции синтеза тяжёлых элементов
Многие рукотворные элементы тяжелее урана были синтезированы в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами изотопа урана - 235 U в длительных облучениях на мощных ядерных реакторах. Большие периоды полураспада новых нуклидов позволяли отделять их от других побочных продуктов реакции радиохимическими методами с последующим измерением их свойств радиоактивного распада. Эти пионерские работы проф. Г. Сиборга и его коллег, проведенные в 1940 - 1953 гг. в Радиационной национальной лаборатории (Беркли, США) привели к открытию восьми искусственных элементов с Z = 93 -100, наиболее тяжёлый изотоп 257 Fm (Т 1/2 ~ 100 дней.). Дальнейшее продвижение в область более тяжёлых ядер было практически невозможно из-за исключительно короткого периода полураспада следующего изотопа - 258 Fm (T SF = 0.3 миллисекунды). Попытки обойти это ограничение в импульсных потоках нейтронов большой мощности возникающих при ядерном взрыве не дали желаемых результатов: по-прежнему наиболее тяжёлым ядром, был 257 Fm.Элементы тяжелее Рт (Z=100) были синтезированы в реакциях с ускоренными тяжёлыми ионами, когда в ядро-мишень вносится комплекс протонов и нейтронов. Но этот тип реакции отличается от предыдущего случая. При захвате нейтрона, не обладающего электрическим зарядом, энергия возбуждения нового ядра составляет всего 6 - 8 МэВ. В отличие от этого, при слиянии ядер мишени даже с лёгкими ионами, такими как гелий (4 Не) или углерод (12 С), тяжёлые ядра будут нагреты до энергии Е х = 20 - 40 МэВ. С дальнейшим увеличением атомного номера ядра-снаряда ему необходимо будет сообщать всё большую энергию для преодоления электрических сил расталкивания положительно заряженных ядер (кулоновского барьера реакции). Это обстоятельство приводит к росту энергии возбуждения (нагреву) компаунд ядра образующегося после слияния двух ядер - снаряда и мишени. Его охлаждение (переход в основное состояние Е х =0) будет происходить посредством испускания нейтронов и гамма-лучей. И здесь возникает первое препятствие.
Нагретое тяжёлое ядро лишь в 1/100 доле случаев сможет испустить нейтрон, в основном оно будет делиться на два осколка т. к. энергия ядра существенно выше высоты его барьера деления. Легко понять, что увеличение энергии возбуждения компаунд ядра губительно для него. Вероятность выживания нагретого ядра резко падает с увеличением температуры (или энергии Е х) из-за увеличения числа испаряемых нейтронов, с которыми сильно конкурирует деление. Для того чтобы охладить ядро, нагретое до энергии около 40 МэВ, необходимо испарить 4 или 5 нейтронов. Каждый раз с испусканием нейтрона будет конкурировать деление, вследствие чего вероятность выживания будет всего (1/100) 4-5 =10 -8 —10 -10 . Ситуация осложняется тем, что с ростом температуры ядра уменьшается стабилизирующий эффект оболочек, следовательно уменьшается высота барьера деления и делимость ядра резко возрастает. Оба эти фактора приводят к исключительно малой вероятности образования сверхтяжёлых нуклидов.
Продвижение в область элементов тяжелее 106 стало возможным после открытия в 1974 г. т.н. реакций «холодного слияния». В этих реакциях в качестве мишенного материала используются "магические" ядра стабильных изотопов - 208 РЬ (Z=82, N=126) или 209 Bi (Z=83, N=126), которые бомбардируются ионами тяжелее аргона (Ю.Ц. Оганесян, А.Г. Дёмин и др.). В процессе слияния высокая энергия связи нуклонов в "магическом" ядре-мишени приводит к поглощению энергии при перестройке двух взаимодействующих ядер
в тяжёлое ядро суммарной массы. Эта разница в энергиях "упаковки" нуклонов во взаимодействующих ядрах и в конечном ядре компенсирует в значительной степени энергию необходимую для преодоления высокого кулоновского барьера реакции. В результате, тяжёлое ядро имеет энергию возбуждения всего 12-20 МэВ. В какой-то степени подобная реакция подобна процессу «обратного деления». Действительно, если деление ядра урана на два осколка происходит с выделением энергии, (она используется в атомных электростанциях), то в обратной реакции, при слиянии осколков, образующееся ядро урана будет почти холодным. Поэтому при синтезе элементов в реакциях холодного слияния тяжёлому ядру достаточно испустить всего один или два нейтрона, чтобы перейти в основное состояние.
Реакции холодного слияния массивных ядер были успешно использованы для синтеза 6 новых элементов, от 107 до 112-го (П. Армбрустер, З. Хофман, Г. Мюнценберг и др.) в Национальном ядерно-физическом центре GSI в Дармштадте (Германия). Недавно К. Морита и др. в Национальном центре RIKEN (Токио) повторили опыты GSI по синтезу 110-112 элементов. Обе группы намерены двигаться дальше, к элементу 113 и 114, используя более тяжёлые снаряды. Однако попытки синтеза всё более тяжёлых элементов в реакциях холодного слияния связаны с большими трудностями. С увеличением атомного заряда ионов вероятность их слияния с ядрами мишени 208 РЬ или 209 Bi сильно уменьшается из-за возрастания кулоновских сил отталкивания пропорциональных, как известно, произведению зарядов ядер. От элемента 104, который может быть получен в реакции 208 РЬ + 50 Тi (Z 1 ×
Z 2 = 1804) к элементу 112 в реакции 208 РЬ + 70 Zn (Z 1 ×
Z 2 = 2460), вероятность слияния уменьшается более чем в 10 4 раз.
Рисунок 3 Карта тяжёлых нуклидов. Периоды полураспада ядер представлены различным цветом (правая шкала). Чёрные квадраты - изотопы стабильных элементов обнаруженных в земной коре (Т 1/2 ≥ 10 9 лет). Темно-синий цвет - «море нестабильности», где ядра живут менее 10 -6 секунды. Жёлтые линии соответствуют замкнутым оболочкам с указанием магических чисел протонов и нейтронов. «Острова стабильности» следующие за «полуостровом» тория, урана и трансурановых элементов -предсказания микроскопической теории ядра. Два ядра с Z = 112 и 116, полученные в различных ядерных реакциях и их последовательный распад, показывают насколько близко можно подойти к «островам стабильности» при искусственном синтезе сверхтяжёлых элементов.
Есть и другое ограничение. Компаунд ядра, полученные в реакциях холодного слияния, имеют относительно малое число нейтронов. В рассматриваемом выше случае образования 112-го элемента конечное ядро с Z = 112 имеет только 165 нейтронов, в то время как подъём стабильности ожидается для числа нейтронов N > 170 (см рис.3 ).
Ядра с большим избытком нейтронов могут быть в принципе получены, если в качестве мишеней использовать искусственные элементы: плутоний (Z=94), америций (Z=95) или кюрий (Z=96) нарабатываемые в ядерных реакторах, а в качестве снаряда - редкий изотоп кальция - 48 Са. (см. далее).
Ядро атома 48 Са содержит 20 протонов и 28 нейтронов - оба значения соответствуют замкнутым оболочкам. В реакциях слияния с ядрами 48 Са будет также работать их "магическая" структура (эту роль в реакциях холодного слияния играли магические ядра мишени - 208 РЬ), в результате чего энергия возбуждения сверхтяжёлых ядер будет около 30 - 35 МэВ. Их переход в основное состояние будет сопровождаться эмиссией трёх нейтронов и гамма лучей. Можно было ожидать что при этой энергии возбуждения эффект ядерных оболочек ещё присутствует в нагретых сверхтяжёлых ядрах, это повысит их выживаемость и позволит нам их синтезировать в наших экспериментах. Отметим также, что асимметрия масс взаимодействующих ядер (Z 1 × Z 2 ≤ 2000) уменьшает их кулоновское отталкивание и тем самым увеличивает вероятность слияния.
Несмотря на эти, казалось бы, очевидные преимущества, все предыдущие попытки синтеза сверхтяжёлых элементов в реакциях с ионами 48 Са, предпринятые в различных лабораториях в 1977 - 1985 гг. оказались не результативными. Однако развитие экспериментальной техники в последние годы и, прежде всего, получение в нашей лаборатории интенсивных пучков ионов 48 Са на ускорителях нового поколения, позволили увеличить чувствительность эксперимента почти в 1000 раз. Эти достижения были использованы в новой попытке синтеза сверхтяжёлых элементов.
3 Ожидаемые свойства
Что мы ожидаем увидеть в эксперименте в случае успешного синтеза? Если теоретическая гипотеза справедлива, то сверхтяжёлые ядра будут стабильны относительно спонтанного деления. Тогда они будут испытывать другой тип распада: альфа - распад (эмиссия ядра гелия состоящего из 2 протонов и 2 нейтронов). В результате этого процесса образуется дочернее ядро на 2 протона и 2 нейтрона легче материнского. Если у дочернего ядра вероятность спонтанного деления также мала, то после второго альфа - распада внучатое ядро теперь будет уже на 4 протона и 4 нейтрона легче начального ядра. Альфа - распады будут продолжаться до тех пор, пока не наступит спонтанное деление (рис.4 ).
Т. о. мы ожидаем увидеть не один распад, а «радиоактивное семейство», цепочку последовательных альфа - распадов, достаточно длительных по времени (в ядерном масштабе), которые конкурируют но, в конечном итоге, прерываются спонтанным делением. В принципе такой сценарий распада уже свидетельствует об образовании сверхтяжёлого ядра.
Чтобы увидеть ожидаемый подъём стабильности в полной мере необходимо подойти как можно ближе к замкнутым оболочкам Z = 114 и N = 184. Синтезировать в ядерных реакциях столь нейтронно-избыточные ядра чрезвычайно трудно т. к. при слиянии ядер стабильных элементов, в которых уже имеется определённое соотношение протонов и нейтронов, невозможно добраться до дважды магического ядра 298 114. Поэтому нам необходимо попытаться использовать в реакции ядра, которые изначально содержат максимально возможное число нейтронов. Этим, в значительной степени, был также обусловлен выбор в качестве снаряда ускоренных ионов 48 Са. Кальция, как известно, в природе много. Он состоит на 97% из изотопа 40 Са, ядро которого содержит 20 протонов и 20 нейтронов. Но в нём содержится в количестве 0.187% тяжёлый изотоп - 48 Са (20 протонов и 28 нейтронов) который имеет 8 избыточных нейтронов. Технология его получения очень трудоёмкая и дорогостоящая; стоимость одного грамма обогащённого 48 Са -около $200,000. Поэтому пришлось изменить существенным образом конструкцию и режимы работы нашего ускорителя с тем, чтобы найти компромиссное решение - получить максимальную интенсивность пучка ионов при минимальном расходе этого экзотического материала.
Рисунок 4
Теоретические предсказания о типах распада (показаны разным цветом на рисунке) и периодах полураспада изотопов сверхтяжёлых элементов с различным числом протонов и нейтронов. В качестве примера показано, что для изотопа 116-го элемента с массой 293, образующегося в реакции слияния ядер 248 Ст и 48 Са, ожидаются три последовательных альфа - распада которые завершаются спонтанным делением правнучатого ядра 110-го элемента с массой 281. Как видно на Рис.8 именно такой сценарий распада, в виде цепочки α - α - α
- SF, наблюдён для этого ядра в эксперименте. Распад более лёгкого ядра - изотопа 110-го элемента с массой 271 полученный в реакции «холодного слияния» ядер 208 Pb + 64 Ni .Его период полураспада в 10 4 раз меньше чем у изотопа 281 110.
Сегодня мы достигли рекордной интенсивности пучка - 8×
10 12 /с, при весьма низком расходе изотопа 48 Са - около 0.5 миллиграмма/час. В качестве мишенного материала мы используем долгоживущие обогащенные изотопы искусственных элементов: Pu, Am, Cm и Cf (Z = 94-96 и 98) также с максимальным содержанием нейтронов. Они производятся в мощных ядерных реакторах (в г. Ок-Ридже, США и в г. Димитровграде, Россия) и затем обогащаются на специальных установках, масс-сепараторах во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (г. Саров). Реакции слияния ядер 48 Са с ядрами этих изотопов были выбраны для синтеза элементов с Z = 114 - 118 .
Здесь я хотел бы сделать некоторое отступление.
Далеко не каждая лаборатория, даже ведущих ядерных центров мира, обладает столь уникальными материалами, и в таком количестве, которые мы используем в нашей работе. Но технологии их получения были разработаны в нашей стране и они нарабатываются нашей промышленностью. Министр атомной энергии России предложил нам разработать программу работ по синтезу новых элементов на 5 лет и выделил специальный грант на проведение этих исследований. С другой стороны, работая в Объединённом институте ядерных исследований, мы широко сотрудничаем (и конкурируем) с ведущими лабораториями мира. В исследованиях по синтезу сверхтяжёлых элементов мы плотно сотрудничаем на протяжении многих лет с Ливерморской национальной лабораторией (США). Это сотрудничество не только объединяет наши усилия, но и создаёт условия, при которых экспериментальные результаты обрабатываются и анализируются двумя группами независимым образом на всех этапах эксперимента.
За 5 лет работы, в течение длительных облучений, была набрана доза около 2×
10 20 ионов (около 16 миллиграмм 48 Са, ускоренного до ~ 1/10 скорости света, прошло через слои мишеней). В этих экспериментах наблюдалось образование изотопов 112÷118 элементов (за исключением 117-го элемента) и были получены первые результаты о свойствах распада новых сверхтяжёлых нуклидов. Представление всех результатов заняло бы слишком много места и, чтобы не утомлять читателя, мы ограничимся описанием лишь последнего эксперимента по синтезу 113 и 115 элементов - все остальные реакции были исследованы подобным образом. Но прежде чем приступить к этой задаче, целесообразно было бы кратко изложить постановку эксперимента и объяснить основные принципы работы нашей установки.
4. Постановка эксперимента
Составное ядро, образующееся при слиянии ядер мишени и частицы, после испарения нейтронов, будет двигаться по направлению пучка ионов. Слой мишени выбирается достаточно тонким, для того чтобы тяжёлый атом отдачи мог вылететь из него и продолжить свое движение к детектору, удаленному от мишени на расстояние около 4 м. Между мишенью и детектором расположен газонаполненный сепаратор, предназначенный для подавления частиц пучка и побочных продуктов реакции.Принцип работы сепаратора (рис.5 ) основан на том, что атомы в газовой среде - в нашем случае в водороде, при давлении всего 10 -3 атм. - будут иметь различный ионный заряд в зависимости от их скорости. Это позволяет разделить их в магнитном поле «на лету» за время 10 -6 с. и направить в детектор. Атомы, прошедшие сепаратор имплантируются в чувствительный слой полупроводникового детектора, вырабатывая сигналы о времени прихода атома отдачи, его энергии и места имплантации (т.е. координат: х и у на рабочей поверхности детектора). Для этих целей детектор общей площадью около 50 см 2 выполнен в виде 12 "стрипов"- полос, напоминающих клавиша пианино - каждая из которых обладает продольной чувствительностью. Если ядро имплантированного атома будет испытывать альфа - распад, то вылетевшая альфа -частица (с ожидаемой энергией около 10 МэВ) зарегистрируется детектором с указанием всех ранее перечисленных параметров: времени, энергии и координат. Если после первого распада последует второй, то подобная информация будет получена и для второй альфа - частицы и т.д. пока не произойдёт спонтанное деление. Последний распад будет зарегистрирован в виде двух совпадающих по времени сигналов с большой амплитудой (Е 1 +Е 2 ~ 200 MeV). Для того чтобы повысить эффективность регистрации альфа - частиц и парных осколков деления фронтальный детектор окружён боковыми детекторами образуя «коробку» с открытой со стороны сепаратора стенкой. Перед детекторной сборкой расположены два тонких времяпролетных детектора измеряющие скорость ядер отдачи (т.н. TOF-детекторы, аббревиатура английских слов - time of flight ). Поэтому первый сигнал, возникающий от ядра отдачи, приходит с признаком TOF. Последующие сигналы от распада ядер не имеют этого признака.
Конечно, распады могут быть различной длительности, характеризуемые эмиссией одной или нескольких альфа - частиц с различными энергиями. Но если они принадлежат одному и тому же ядру и образуют радиоактивное семейство (материнское ядро - дочернее - внучатое и т.д.), то координаты всех сигналов - от ядра отдачи, альфа - частиц и осколков деления - должны совпадать по координате с точностью позиционного разрешения детектора. Наши детекторы, изготовленные фирмой Canberra Electronics, измеряют энергию альфа - частиц с точностью ~ 0.5% и имеют для каждого стрипа позиционное разрешение около 0.8 мм.
Рисунок 5
Схематический вид установки для сепарации ядер отдачи в экспериментах по синтезу тяжёлых элементов
Мысленно всю поверхность детектора можно представить в виде около 500 ячеек (пикселей), в которых детектируются распады. Вероятность того, что два сигнала попадут случайным образом в одно и тоже место составляет 1/500, три сигнала - 1/250000 и т.д. Это позволяет выбрать, с большой надежностью, из громадного количества радиоактивных продуктов очень редкие события генетически связанных последовательных распадов сверхтяжёлых ядер, даже если они образуются в исключительно малом количестве (~1 атом/месяц).
5. Экспериментальные результаты
(физический опыт)
Для того чтобы показать установку «в действии» опишем в качестве примера более подробно эксперименты по синтезу 115 элемента образующегося в реакции слияния ядер 243 Am(Z=95) + 48 Са(Z=20) → 291 115.
Синтез Z-нечётного ядра привлекателен тем, что наличие нечётного протона или нейтрона существенно понижает вероятность спонтанного деления и число последовательных альфа -переходов будет больше (длинные цепочки), чем в случае распада чётно-чётных ядер. Для преодоления кулоновского барьера ионы 48 Са должны иметь энергию Е > 236 MeV. С другой стороны, выполняя это условие, если ограничить энергию пучка величиной Е=248 MeV, то тепловая энергия компаунд ядра 291 115 будет около 39 MeV; его охлаждение произойдет посредством эмиссии 3-х нейтронов и гамма-лучей. Тогда продуктом реакции будет изотоп 115 элемента с числом нейтронов N=173. Вылетев из мишенного слоя, атом нового элемента, пройдёт через сепаратор настроенный на его пропускание и попадёт в детектор. Далее события развиваются так, как показано на рис.6
. Через 80 микросекунд после остановки ядра отдачи во фронтальном детекторе, в систему сбора данных поступают сигналы о его времени прихода, энергии и координатах (номер стрипа и позиция в нём). Отметим, что эта информация имеет признак "TOF" (пришел из сепаратора). Если в течение 10 секунд из того же места на поверхности детектора последует второй сигнал с энергией более 9.8 MeV, без признака "TOF" (т.е. от распада имплантированного атома) пучок отключается и весь дальнейший распад регистрируется в условиях практически полного отсутствия фона. Как видно на верхнем графике рис 6
, за первыми двумя сигналами - от ядра отдачи и первой альфа-частицы - за время около 20 с. после отключения пучка, последовало ещё 4 других сигнала, позиции которых, с точностью ± 0.5 мм, совпадает с предыдущими сигналами. В течение последующих 2.5 часов детектор молчал. Спонтанное деление в том же стрипе и в той же позиции было зарегистрировано лишь на следующий день, спустя 28.7 часов в виде двух сигналов от осколков деления с суммарной энергией 206 MeV.
Такие цепочки были зарегистрированы три раза. Они все имеют одинаковый вид (6 поколений ядер в радиоактивном семействе) и согласуются друг с другом как по энергии альфа - частиц так и по времени их появления, с учётом экспоненциального закона распада ядер. Если наблюдаемый эффект относится, как ожидалось, к распаду изотопа 115-го элемента с массой 288, образующегося после испарения компаунд ядром 3-х нейтронов, то при увеличении энергии пучка ионов 48 Са всего на 5 MeV он должен уменьшится в 5-6 раз. Действительно, при Е = 253 МэВ эффект отсутствовал. Но здесь была наблюдена другая, более короткая, цепочка распадов, состоящая из четырёх альфа - частиц (мы полагаем, что их тоже было 5, но последняя альфа частица вылетела в открытое окно) продолжительностью всего 0.4 с. Новая цепочка распадов закончилась через — 1.5 часа спонтанным делением. Очевидно, что это распад другого ядра, с большой вероятностью соседнего изотопа 115-го элемента с массой 287, образующегося в реакции слияния с испусканием 4-х нейтронов. Цепочка последовательных распадов нечётно-нечётного изотопа Z=115, N=173 представлена на нижнем графике рис.6
, где приведены в виде контурной карты расчётные периоды полураспада сверхтяжёлых нуклидов с различным числом протонов и нейтронов. Здесь показан также распад другого, более лёгкого нечётно-нечётного изотопа 111-го элемента с числом нейтронов N=161 синтезированного в реакции 209 Bi+ 64 Ni в немецкой Лаборатории - GSI (г. Дармштадт) и затем и в японской - RIKEN(Токио).
Рисунок 6
Эксперимент по синтезу 115 элемента в реакции 48 Са + 243 Ат.
На верхнем рисунке приведены времена появления сигналов после имплантации в детектор ядра отдачи (R). Красным цветом отмечены сигналы от регистрации альфа - частиц, зелёным - от спонтанного деления. В качестве примера, для одного из трёх событий приведены позиционные координаты (в мм) всех 7 сигналов от цепочки распада R →
α 1 → α
2 → α
3 → α
4 →α
5 → SF зарегистрированной в стрипе № 4. На нижнем рисунке показаны цепочки распадов ядер с Z=111, N=161 и Z=115, N=173. Контурные линии, очерчивающие области ядер с различными периодами полураспада (разная степень затемнения) - предсказания микроскопической теории.
Прежде всего, следует отметить, что периоды полураспада ядер в обоих случаях хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями. Несмотря на то, что изотоп 288 115 удалён от нейтронной оболочки N=184 на 11 нейтронов, изотопы 115 и 113 элементов обладают относительно большим временем жизни (Т 1/2 ~ 0.1 с и 0.5 с соответственно).
После пяти альфа - распадов образуется изотоп 105 элемента - дубния (Db) с N=163, стабильность которого определяется уже другой замкнутой оболочкой N=162. Силу действия этой оболочки демонстрирует огромная разница в периодах полураспада двух изотопов Db отличающихся друг от друга всего на 8 нейтронов. Отметим, ещё раз, что в отсутствии структуры (ядерных оболочек) все изотопы 105÷115 элементов должны были бы испытывать спонтанное деление за время ~ 10 -19 с.
(химический опыт)
В описанном выше примере свойства долгоживущего изотопа 268 Db замыкающего цепочку распада 115-го элемента представляют самостоятельный интерес.
Согласно Периодическому закону 105-ый элемент находится в V ряду. Он является, как видно на рис.7
, химическим гомологом ниобия (Nb) и тантала (Та) и отличается по химическим свойствам от всех, более лёгких элементов - актиноидов (Z = 90÷103) представляющих отдельную группу в Таблице Д.И. Менделеева. Благодаря большому периоду полураспада, данный изотоп 105-ого элемента может быть отделен от всех продуктов реакции радиохимическим методом
с последующим измерением его распада - спонтанного деления. Этот эксперимент даёт независимую идентификацию атомного номера конечного ядра (Z = 105) и всех нуклидов образующихся в последовательных альфа - распадах 115-го элемента.
В химическом эксперименте нет необходимости в использовании сепаратора ядер отдачи. Разделение продуктов реакции по их атомным номерам осуществляется методами, основанными на различии их химических свойств. Поэтому здесь использовалась более упрощенная методика. Продукты реакции, вылетающие из мишени, вбивались в медный сборник, расположенный на пути их движения, на глубину 3-4 микрон. После 20-30 часового облучения сборник растворялся. Из раствора выделялась фракция трансактиноидов - элементов Z > 104 - а из этой фракции, затем элементы 5-ого ряда - Db в сопровождении своих химических гомологов Nb и Та. Последние добавлялись в качестве "отметчиков" в раствор перед химическим разделением. Капелька раствора, содержащая Db, наносилась на тонкую подложку, высушивалась и помещалась затем между двумя полупроводниковыми детекторами, регистрирующими оба осколка спонтанного деления. Вся сборка помещалась в свою очередь в нейтронный детектор, определяющий число нейтронов испущенных осколками при делении ядер Db.
В июне 2004 г. было проведено 12 идентичных опытов (С. Н. Дмитриев и др.), в которых было зарегистрировано 15 событий спонтанного деления Db. Осколки спонтанного деления Db имеют кинетическую энергию около 235 МэВ, на каждый акт деления испускается в среднем около 4 нейтронов. Такие характеристики присущи спонтанному делению достаточно тяжёлого ядра. Напомним, что для 238 U эти величины составляют соответственно около 170 МэВ и 2 нейтрона.
Химический опыт подтверждает результаты физического эксперимента: образующиеся в реакции 243 Am + 48 Са ядра 115-го элемента в результате последовательных пяти альфа распадов: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 действительно приводят к образованию долгоживущего спонтанно-делящегося ядра с атомным номером 105. В этих экспериментах, как дочерний продукт альфа - распада 115-го элемента, был синтезирован также ещё один, ранее неизвестный элемент с атомным номером 113.
Рисунок 7
Физический и химический опыты по изучению радиоактивных свойств 115-го элемента.
В реакции 48 Са + 243 Ат, с помощью физической установки было показано, что пять последовательных
альфа - распадов изотопа 288 115 приводят к долгоживущему изотопу 105-го элемента - 268 Db, который
делится спонтанно на два осколка. В химическом эксперименте определено, что спонтанное деление испытывает ядро с атомным номером 105.
6. Общая картина и будущее
Полученные в реакции 243 Am+ 48 Са результаты не являются частным случаем. При синтезе Z-чётных нуклидов - изотопов 112, 114 и 116 элементов - мы наблюдали также длинные цепочки распадов, оканчивающиеся спонтанным делением ядер с Z =104-110, время жизни которых составляло от секунд до часов в зависимости от атомного номера и нейтронного состава ядра. К настоящему времени получены данные о свойствах распада 29 новых ядер с Z =104-118; они представлены на карте нуклидов (рис.8 ). Свойства тяжелейших ядер расположенных в области трансактиноидов, их тип распада, энергии и времена распадов находятся в хорошем согласии с предсказаниями современной теории. Гипотеза о существовании островов стабильности сверхтяжёлых ядер, значительно расширяющих мир элементов, кажется, впервые нашла экспериментальное подтверждение.Перспективы
Теперь задача состоит в более детальном изучении ядерной и атомной структуры новых элементов, что весьма проблематично, прежде всего, из-за малого выхода искомых продуктов реакции. Для того чтобы увеличить число атомов сверхтяжёлых элементов необходимо увеличить интенсивность пучка ионов 48 Са и повысить эффективность физических методик. Модернизация ускорителя тяжёлых ионов, намеченная на ближайшие годы, с использованием всех последних достижений ускорительной техники, позволит нам увеличить интенсивность пучка ионов примерно в 5 раз. Решение второй части требует кардинального изменения постановки опытов; оно может быть найдено в создании новой экспериментальной методики, исходя из свойств сверхтяжёлых элементов.
Рисунок 8
Карта нуклидов тяжелых и сверхтяжёлых элементов.
Для ядер внутри овалов, соответствующих различным реакциям синтеза (показаны на рисунке), приведены периоды полураспада и энергии испускаемых альфа-частиц (жёлтые квадраты). Данные представлены на контурной карте разделяющей области по вкладу эффекта ядерных оболочек в энергию связи ядра. В отсутствие ядерной структуры всё поле было бы белого цвета. По мере потемнения эффект оболочек растёт. Две соседние зоны отличаются на величину всего 1 МэВ. Этого, однако, достаточно для значительного увеличения стабильности ядер относительно спонтанного деления, в результате чего нуклиды расположенные вблизи «магических» чисел протонов и нейтронов испытывают преимущественно альфа - распад. С другой стороны, в изотопах 110-го и 112-го элементов увеличение числа нейтронов на 8 атомных единиц приводит к возрастанию периодов альфа - распада ядер более чем в 10 5 раз.
Принцип работы действующей установки - кинематического сепаратора ядер отдачи (рис.5 ) основан на отличии кинематических характеристик различного типа реакций. Интересующие нас продукты реакции слияния ядер мишени и 48 Са вылетают из мишени в переднем направлении, в узком угловом конусе ± 3 0 с кинетической энергией около 40 МэВ. Ограничивая траектории движения ядер отдачи с учётом этих параметров, мы практически полностью отстраиваемся от пучка ионов, подавляем фон побочных продуктов реакции в 10 4 ÷10 6 раз, и с эффективностью примерно 40% доставляем атомы новых элементов к детектору за время 1 микросекунду. Иными словами, сепарация продуктов реакции происходит «налету».
Рисунок 8 Установка MASHA
На верхнем рисунке приведена схема сепаратора и принцип его действия. Ядра отдачи, вылетающие из мишенного слоя, останавливаются в графитовом сборнике на глубине несколько микрометром. Вследствие высокой температуры сборника они диффундируют в камеру ионного источника, вытягиваются из плазмы, ускоряются электрическим полем и анализируются по массе магнитными полями по ходу движения к детектору. В данной конструкции масса атома может быть определена с точность 1/3000. На нижнем рисунке показан общий вид установки.
Но для того чтобы получить высокую селективность установки важно сохранить, «не размазать» кинематические параметры - углы вылета и энергии ядер отдачи. Из-за этого необходимо использовать мишенные слои толщиной не более 0.3 микрометра - примерно втрое меньшей, чем нужно для получения эффективного выхода сверхтяжёлого ядра с данной массой или в 5÷6 раз меньшей, если речь идёт о синтезе двух соседних по массе изотопов данного элемента. Кроме того, чтобы получить данные о массовых числах изотопов сверхтяжёлогоэлемента, необходимо проводить длительную и трудоёмкую серию опытов - повторять измерения при различных энергиях пучка ионов 48 Са.
Вместе с тем, как следует из наших опытов, синтезированные атомы сверхтяжёлых элементов имеют периоды полураспада, значительно превышающие быстродействие кинематического сепаратора. Поэтому, во многих случаях, нет необходимости в сепарации продуктов реакции за столь короткое время. Тогда можно изменить принцип действия установки и провести разделение продуктов реакции в несколько этапов.
Схема новой установки представлена на рис.9
. После имплантации ядер отдачи в нагретый до температуры 2000 0 С сборник атомы диффундируют в плазму ионного источника, ионизуются в плазме до заряда q = 1 + , вытягиваются из источника электрическим полем, сепарируются по массе в магнитных полях специального профиля и, наконец, регистрируются (по типу распада) детекторами, расположенными в фокальной плоскости. Вся процедура может занимать, по оценкам, время от десятых долей секунды до нескольких секунд в зависимости от температурных режимов и физико-химических свойств сепарируемых атомов. Уступая в быстродействии кинематическому сепаратору, новая установка - MASHA (аббревиатура от полного названия Маss Analyzer of Super Heavy Atoms
) - повысит эффективность работы примерно в 10 раз и даст, наряду со свойствами распада, прямое измерение массы сверхтяжёлых ядер.
Благодаря гранту, выделенному губернатором Московской области Б.В. Громовым для создания этой установки, она была спроектирована и изготовлена в короткий срок - за 2 года, прошла испытания и готова к работе. После реконструкции ускорителя, с установкой МАSНА. мы существенно расширим наши исследования свойств новых нуклидов и попытаемся пройти дальше, в область более тяжёлых элементов.
(поиск сверхтяжёлых элементов в природе)
Другая сторона проблемы сверхтяжёлых элементов связана с получением более долгоживущих нуклидов. В описанных выше экспериментах мы подошли лишь к краю «острова», обнаружили крутой подъём вверх, но далеки ещё от его вершины, где ядра могут жить тысячи и, быть может, даже миллионы лет. Нам не хватает нейтронов в синтезируемых ядрах, для того чтобы приблизится к оболочке N=184. Сегодня это недостижимо - нет таких реакций, которые позволили бы получать столь нейтронно-избыточные нуклиды. Возможно, в отдалённом будущем, физики смогут использовать интенсивные пучки радиоактивных ионов, с числом нейтронов большим, чем у ядер 48 Са. Такие проекты сейчас широко обсуждаются, пока не касаясь затрат необходимых для создания подобных ускорительных гигантов.
Однако можно попытаться подойти к этой задаче с другой стороны.
Если предположить, что наиболее долгоживущие сверхтяжёлые ядра имеет период полураспада 10 5 ÷ 10 6 лет (не сильно расходится с предсказаниями теории, которая свои оценки делает также с определённой точностью), то не исключено, что они могут быть обнаружены в космических лучах - свидетелях образования элементов на других, более молодых планетах Вселенной. Если сделать ещё более сильное предположение о том, что период полураспада «долгожителей» может составлять десятки миллионов лет или более, то они могли бы присутствовать в Земле, сохранившись в очень малых количествах от момента образования элементов в Солнечной системе до наших дней.
Среди возможных кандидатов мы отдаём предпочтение изотопам 108-го элемента (Нs)ядра которых содержат около 180 нейтронов. Химические опыты, проведенные с короткоживущим изотопом 269 Нs (Т 1/2 ~ 9 с) показали, что 108 элемент, как и ожидалось, согласно Периодическому закону, является химическим гомологом 76-го элемента - осмия (Оs).
Рисунок 10
Установка для регистрации вспышки нейтронов от спонтанного деления ядер при распаде 108 элемента. (Подземная лаборатория в г. Модан, Франция)
Тогда образец металлического осмия, может содержать в очень малых количествах 108 элемент Ека(Оs). Присутствие Ека(Оs) в осмии можно определить по его радиоактивному распаду. Возможно, сверхтяжёлый долгожитель будет испытывать спонтанное деление, либо спонтанное деление наступит после предшествующих альфа или бета - распадов (вид радиоактивного превращения, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон) более легкого и более короткоживущего дочернего или внучатого ядра. Поэтому, на первом этапе, можно поставить эксперимент по регистрации редких событий спонтанного деления осмиевого образца. Такой эксперимент подготавливается. Измерения начнутся в конце этого года, и будут продолжаться 1-1.5 лет. Распад сверхтяжёлого ядра будет регистрироваться по нейтронной вспышке сопровождающей спонтанное деление. Для того чтобы защитить установку от фона нейтронов, возникающего под действием космических лучей, измерения будут проводиться в подземной лаборатории расположенной под Альпами в середине тоннеля соединяющего Францию с Италией на глубине соответствующей 4000-метровому слою водного эквивалента.
Если в течение года измерений будет наблюдено хотя бы одно событие спонтанного деления сверхтяжёлого ядра, то это будет соответствовать концентрации 108 элемента в Оs-образце около 5×
10 -15 г/гр., в предположении, что его период полураспада равен 10 9 лет. Столь малая величина составляет всего 10 -16 часть от концентрации урана в земной коре.
Несмотря на сверхвысокую чувствительность эксперимента, шансы обнаружить реликтовые, сверхтяжёлые нуклиды малы. Но любой научный поиск всегда имеет малый шанс... Отсутствия эффекта даст верхнюю границу периода полураспада долгожителя на уровне Т 1/2 ≤
3×
10 7 лет. Не столь впечатлительно, но важно для понимания свойств ядер в новой области стабильности сверхтяжёлых элементов.
На исходе второго тысячелетия академик Виталий Лазаревич Гинзбург составил список из тридцати проблем физики и астрофизики, которые он считал наиболее важными и интересными (см. «Наука и жизнь» № 11, 1999 г.). В этом списке под № 13 указана задача отыскания сверхтяжёлых элементов. Тогда, 12 лет назад, академик с огорчением отметил, что «существование в космических лучах долгоживущих (речь идёт о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждено не было». Сегодня следы таких ядер обнаружены. Это даёт надежду открыть наконец остров Стабильности сверхтяжёлых ядер, существование которого предсказал когда-то физик-ядерщик Георгий Николаевич Флёров.
Вопрос, существуют ли элементы тяжелее урана-92 (238 U - его стабильный изотоп), долгое время оставался открытым, так как в природе они не наблюдались. Считалось, что стабильных элементов с атомным номером больше 180 нет: мощный положительный заряд ядра разрушит внутренние уровни электронов тяжёлого атома. Однако довольно скоро выяснилось, что стабильность элемента определяется устойчивостью его ядра, а не оболочки. Стабильны ядра с чётным числом протонов Z и нейтронов N, среди которых особенно выделяются ядра с так называемым магическим числом протонов или нейтронов - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - это, например, олово, свинец. И наиболее стабильны «дважды магические ядра», у которых число и нейтронов, и протонов - магическое, скажем, гелий и кальций. Таков изотоп свинца 208 Pb: у него Z = 82, N = 126. Устойчивость элемента чрезвычайно сильно зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в его ядре. Например, свинец со 126-ю нейтронами стабилен, а другой его изотоп, в ядре которого на один нейтрон больше, распадается за три с лишним часа. Но, отмечал В. Л. Гинзбург, теория предсказывает, что некий элемент Х с числом протонов Z = 114 и нейтронов N = 184, то есть с массовым атомным числом А = Z + N = 298, должен жить примерно 100 миллионов лет.
Сегодня искусственно получено множество элементов вплоть до 118-го включительно - 254 Uuo. Это самый тяжёлый неметалл, предположительно - инертный газ; его условные названия унуноктий (оно образовано из корней латинских числительных - 1, 1, 8), эка-радон и московий Mw. Все искусственные элементы когда-то существовали на Земле, но с течением времени распались. Например, плутоний-94 имеет 16 изотопов, и только у 244 Pu период полураспада Т ½ = 7,6·10 7 лет; у нептуния-93 12 изотопов и у 237 Np Т ½ = 2,14·10 6 лет. Эти самые длительные периоды полураспада среди всех изотопов данных элементов гораздо меньше возраста Земли - (4,5–5,5)·10 9 . Ничтожные следы нептуния, которые находят в урановых рудах, - продукты ядерных реакций под действием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана, а плутония - следствие бета-распада нептуния-239.
Элементы, пропавшие за время существования Земли, получают двумя способами. Во-первых, в ядро тяжёлого элемента можно вогнать лишний нейтрон. Там он претерпевает бета-распад, образуя протон, электрон и электронное антинейтрино: n 0 → p + e – + v e . Заряд ядра увеличится на единицу - возникнет новый элемент. Так получали искусственные элементы вплоть до фермия-100 (его изотоп 257 Fm имеет период полураспада 100 лет).
Ещё более тяжёлые элементы создают в ускорителях, которые разгоняют и сталкивают ядра, например золота (см. «Наука и жизнь» № 6, 1997 г.). Именно так в лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и получили 117-й и 118-й элементы. Причём теория предсказывает, что далеко за пределами известных ныне тяжёлых радиоактивных элементов должны существовать стабильные сверхтяжёлые ядра. Российский физик Г. Н. Флёров изобразил систему элементов в виде символического архипелага, где стабильные элементы окружены морем короткоживущих изотопов, которые, возможно, так никогда и не будут обнаружены. На главном острове архипелага высятся пики наиболее стабильных элементов - Кальция, Олова и Свинца, за проливом Радиоактивности лежит остров Тяжёлых ядер с пиками Урана, Нептуния и Плутония. А ещё дальше должен располагаться таинственный остров Стабильности сверхтяжёлых элементов, подобных уже упомянутому - Х-298.
Несмотря на все успехи экспериментальной и теоретической физики, остаётся открытым вопрос: существуют ли в природе сверхтяжёлые элементы, или же они - чисто искусственные, рукотворные вещества, подобные синтетическим материалам - капрону, нейлону, лавсану, - природой никогда не создававшимся?
Условия для образования таких элементов в природе есть. Они создаются в недрах пульсаров и при взрывах сверхновых звёзд. Потоки нейтронов в них достигают огромной плотности - 10 38 n 0 /м 2 и способны порождать сверхтяжёлые ядра. Они разлетаются в космосе в потоке межгалактических космических лучей, но их доля чрезвычайно мала - всего несколько частиц на квадратный метр в год. Поэтому возникла мысль использовать природный детектор-накопитель космического излучения, в котором сверхтяжёлые ядра должны оставить специфический, легко узнаваемый след. Такими детекторами с успехом послужили метеориты.
Метеорит - кусок породы, вырванный какой-то космической катастрофой из материнской планеты, - путешествует в космосе сотни миллионов лет. Его непрерывно «обстреливают» космические лучи, которые на 90% состоят из ядер водорода (протонов), на 7% - из ядер гелия (двух протонов) и на 1% - из электронов. На оставшиеся 2% приходятся другие частицы, среди которых могут быть и сверхтяжёлые ядра.
Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) изучают два палласита - железоникелиевые метеориты с вкраплениями оливина (группа полупрозрачных минералов, в которых к двуокиси кремния SiO 4 присоединены в разных пропорциях Mg 2 , (Mg, Fe) 2 и (Mn, Fe) 2 ; прозрачный оливин называется хризолитом). Возраст этих метеоритов - 185 и 300 миллионов лет.
Тяжёлые ядра, пролетая сквозь кристалл оливина, повреждают его решётку, оставляя в ней свои следы - треки. Они становятся видны после химической обработки кристалла - травления. А поскольку оливин полупрозрачен, треки эти можно наблюдать и изучать в микроскоп. По толщине трека, его длине и форме можно судить о заряде и атомной массе ядра. Исследования сильно осложняет то, что кристаллы оливина имеют размеры порядка нескольких миллиметров, а трек тяжёлой частицы гораздо длиннее. Поэтому о величине её заряда приходится судить по косвенным данным - скорости травления, уменьшению толщины трека и пр.
Работы по отысканию следов сверхтяжёлых частиц с острова стабильности назвали «Проект Олимпия». В рамках этого проекта получены сведения примерно о шести тысячах ядер с зарядом более 55 и трёх ультратяжёлых ядрах, заряды которых лежат в интервале от 105 до 130. Все характеристики треков этих ядер измерены комплексом высокоточной аппаратуры, созданным в ФИАНе. Комплекс в автоматическом режиме распознаёт треки, определяет их геометрические параметры и, экстраполируя данные измерений, находит предположительную длину трека до его остановки в массиве оливина (напомним, что реальный размер его кристалла - несколько миллиметров).
Полученные экспериментальные результаты подтверждают реальность существования в природе стабильных сверхтяжёлых элементов.
Ограничения на существование атомных ядер есть и со стороны сверхтяжелых элементов. Элементы с Z > 92 в естественных условиях не обнаружены. Расчеты по жидкокапельной модели предсказывают исчезновение барьера деления для ядер с Z2/A ≈ 46 (примерно 112 элемент). В проблеме синтеза сверхтяжелых ядер следует выделить два круга вопросов.
- Какими свойствами должны обладать сверхтяжелые ядра? Будут ли существовать магические числа в этой области Z и N. Каковы основные каналы распада и периоды полураспада сверхтяжелых ядер?
- Какие реакции следует использовать для синтеза сверхтяжелых ядер, типы бомбардирующих ядер, ожидаемые величины сечений, ожидаемые энергии возбуждения компаунд-ядра и каналы снятия возбуждения?
Так как образование сверхтяжелых ядер происходит в результате полного слияния
ядра мишени и налетающей частицы необходимо создание теоретических моделей,
описывающих динамику процесса слияния двух сталкивающихся ядер в компаунд-ядро.
Проблема синтеза сверхтяжелых элементов тесно связана с тем фактом, что ядра с
Z,N = 8, 20, 28, 50, 82,
N = 126
(магические числа) обладают повышенной стабильностью по отношению к различным
модам радиоактивного распада. Это явление объясняется в рамках оболочечной
модели − магические числа соответствуют заполненным оболочкам. Естественно
возникает вопрос о существовании следующих магических чисел по
Z
и N. В случае, если они
существуют в области N-Z-диаграммы атомных ядер N > 150,
Z > 101,
должны наблюдаться сверхтяжелые ядра, имеющие повышенные периоды полураспада,
т.е. должен существовать Остров Стабильности. В работе на основе расчетов, выполненных с
использованием потенциала Вудса-Саксона с учетом спин-орбитального
взаимодействия, было показано, что повышение стабильности ядер следует ожидать
для ядра с Z = 114, то есть
следующая заполненная протонная оболочка соответствует Z = 114, заполненная нейтронная
оболочка соответствует числу N ~
184.
Замкнутые оболочки могут существенно увеличить высоту барьера деления и
соответственно увеличить время жизни ядра. Таким образом в этой области ядер (Z = 114,
N ~
184)
следует искать Остров Стабильности. Этот же результат был независимо получен в
работе .
Ядра с Z = 101–109 были открыты до 1986 года и получили названия: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103
- Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium),
108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium). Учитывая заслуги исследователей из
Дубны в открытии большого числа изотопов тяжелых элементов (102-105), в 1997
году решением Генеральной Ассамблеи чистой и прикладной химии элементу с Z = 105
было присвоено имя Dubnium (Db). Этот элемент ранее назывался Ha (Hannium).
Рис. 12.3. Цепочки распадов изотопов Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112).
Новый этап в исследовании сверхтяжелых ядер начался в 1994 году, когда была
существенно повышена эффективность регистрации и усовершенствована методика
наблюдения сверхтяжелых ядер. Как результат были обнаружены изотопы Ds (Z = 110),
Rg
(Z = 111)
и Cn
(Z = 112)
.
Для получения сверхтяжелых ядер использовались ускоренные пучки
50 Ti,
51 V,
58 Fe,
62 Ni,
64 Ni,
70 Zn и
82 Se. В качестве мишеней применялись изотопы
208 Pb и 209
Bi. Различные изотопы 110 элемента были синтезированы в Лаборатории ядерных
реакций им. Г.Н. Флерова с помощью реакции
244 Pu(34 S,5n) 272 110
и в GSI (Дармштадт) в реакции 208 Pb(62 Ni,n) 269 110.
Изотопы 269 Ds,
271 Ds,
272 Rg
и
277 Cn
регистрировались по их цепочкам распада (рис. 12.3).
Большую роль в получении сверхтяжелых элементов играют теоретические модели, с
помощью которых рассчитываются ожидаемые характеристики химических элементов,
реакции, в которых они могут образовываться.
На
основе различных теоретических моделей были рассчитаны распадные характеристики
сверхтяжелых ядер. Результаты одного из таких расчетов показаны на рис. 12.4.
Приведены периоды полураспада четно-четных сверхтяжелых ядер относительно
спонтанного деления (а), α-распада
(б), β-распада
(в) и для всех возможных процессов распада (г). Наиболее устойчивым ядром по
отношению к спонтанному делению (рис. 12.4а) является ядро с Z = 114 и N = 184.
Для него период полураспада по отношению к спонтанному делению ~10 16
лет. Для изотопов 114-го элемента, отличающихся от наиболее устойчивого на 6-8
нейтронов, периоды полураспада уменьшаются на
10-15 порядков. Периоды
полураспада по отношению к α-распаду
приведены на рис. 12.5б. Наиболее устойчивое ядро расположено в области Z = 114
и N = 184 (T 1/2 = 10 15
лет).
Стабильные по отношению к β-распаду
ядра показаны на рис. 12.4в темными точками. На рис. 12.4г приведены полные
периоды полураспада, которые для четно-четных ядер, расположенных внутри
центрального контура, составляют ~10 5
лет. Таким образом, после учета всех типов распада оказывается, что ядра в
окрестности Z = 110 и N = 184 образуют «остров стабильности». Ядро
294 110 имеет период полураспада около 10 9
лет. Отличие величины Z от предсказываемого оболочечной моделью магического
числа 114 связано с конкуренцией между делением (относительно которого ядро с Z = 114
наиболее стабильно) и α-распадом
(относительно которого устойчивы ядра с меньшими Z). У нечетно-четных и
четно-нечетных ядер периоды полураспада по отношению к
α-распаду
и спонтанному делению увеличиваются, а по отношению к β-распаду
уменьшаются. Следует отметить, что приведенные оценки сильно зависят от
параметров, использованных в расчетах, и могут рассматриваться лишь как указания
на возможность существования сверхтяжелых ядер, имеющих времена жизни достаточно
большие для их экспериментального обнаружения.
Рис. 12.4. Периоды полураспада, вычисленные для четно-четных сверхтяжелых ядер
(числа обозначают периоды полураспада в годах):
а − относительно спонтанного деления, б − α-распада,
в − е-захвата и β-распада, г − для всех процессов распада
Результаты еще одного расчета равновесной формы сверхтяжелых ядер и их периодов полураспада показаны на рис. 12.5, 12.6 . На рис. 12.5 показана зависимость энергии равновесной деформации от количества нейтронов и протонов для ядер с Z = 104-120. Энергия деформации определяется как разность энергий ядер в равновесной и сферической форме. Из этих данных видно, что в области Z = 114 и N = 184 должны располагаться ядра, имеющие в основном состоянии сферическую форму. Все обнаруженные на сегодня сверхтяжелые ядра (они показаны на рис. 12.5 темными ромбами) деформированы. Светлыми ромбами показаны ядра стабильные по отношению к β-распаду. Эти ядра должны распадаться в результате α-распада или деления. Основным каналом распада должен быть α-распад.
Периоды полураспада для четно-четных β-стабильных
изотопов показаны на рис. 12.6. Согласно этим предсказаниям для большинства ядер
ожидаются периоды полураспада гораздо большие, чем наблюдались для уже
обнаруженных сверхтяжелых ядер (0.1–1 мс). Так например, для ядра
292 Ds
предсказывается время жизни ~ 51 год.
Таким образом, согласно современным микроскопическим расчетам, стабильность
сверхтяжелых ядер резко возрастает по мере приближения к магическому числу по
нейтронам N = 184. До недавнего
времени единственным изотопом элемента Z = 112
Cn
(коперниций) был изотоп 277 Cn,
имеющий период полураспада 0.24 мс. Более тяжелый изотоп
283 Cn
был синтезирован в реакции холодного слияния 48 Ca + 238 U.
Время облучения 25 дней.
Полное число ионов 48 Ca на
мишени − 3.5·10 18 .
Зарегистрированы два случая, которые были интерпретированы как спонтанное
деление образовавшегося изотопа 283 Cn.
Для периода полураспада этого нового изотопа получена оценка T 1/2 = 81
c. Таким образом, видно, что увеличение числа нейтронов в изотопе
283 Cn
по сравнению с изотопом 277 Cn
на 6 единиц увеличивает время жизни на 5 порядков.
На
рис. 12.7 взятом из работы экспериментально измеренные периоды α-распада
сравниваются с результатами теоретических расчетов на основе модели жидкой капли
без учета оболочечной структуры ядер. Видно, что для всех тяжелых ядер, за
исключением лёгких изотопов урана, оболочечные эффекты увеличивают период
полураспада на 2–5 порядков для большинства ядер. Ещё более сильное влияние
оболочечная структура ядра оказывает на периоды полураспада относительно
спонтанного деления. Увеличение периода полураспада для изотопов Pu составляет
несколько порядков и увеличивается для изотопа 260 Sg.
Рис. 12.7. Экспериментально измеренные (● exp) и теоретически рассчитанные (○ Y) периоды полураспада трансурановых элементов на основе модели жидкой капли без учета оболочечной структуры ядра. Верхний рисунок − периоды полураспада для α-распада, нижний рисунок − периоды полураспада для спонтанного деления.
На
рис. 12.8 показано измеренное время жизни изотопов сиборгия Sg (Z = 106) в
сравнении с предсказаниями различных теоретических моделей . Обращает на себя внимание уменьшение почти
на порядок времени жизни изотопа с N = 164 по сравнению с временем жизни изотопа
с N = 162.
Наибольшего приближения к острову стабильности можно достичь в реакции
76 Ge + 208 Pb.
Сверхтяжелое почти сферическое ядро может образоваться в реакции слияния с
последующим испусканием γ-квантов
или одного нейтрона. Согласно оценкам образующееся ядро
284 114 должно распадаться с испусканием α-частиц
с периодом полураспада ~ 1 мс. Дополнительную информацию о заполненности
оболочки в районе N = 162 можно получить, изучая α-распады
ядер 271 Hs
и 267 Sg. Для этих ядер
предсказываются периоды полураспада 1 мин. и 1 час. Для ядер
263 Sg,
262 Bh,
205 Hs,
271,273 Ds
ожидается проявление изомерии, причиной которой является заполнение подоболочек
с j = 1/2 и j = 13/2 в районе N = 162 для ядер деформированных в основном
состоянии.
На
рис. 12.9 показаны экспериментально измеренные функции возбуждения реакции
образования элементов Rf (Z = 104) и Hs (Z = 108)для реакций слияния налетающих
ионов 50 Ti и
56 Fe с ядром-мишенью 208 Pb.
Образовавшееся компаунд-ядро охлаждается испусканием одного или двух нейтронов.
Информация о функциях возбуждения реакций слияния тяжелых ионов особенно важны
для получения сверхтяжелых ядер. В реакции слияния тяжелых ионов необходимо
точно сбалансировать действие кулоновских сил и сил поверхностного натяжения.
Если энергия налетающего иона недостаточно большая, то расстояние минимального
сближения будет недостаточно для слияния двойной ядерной системы. Если энергия
налетающей частицы будет слишком большой, то образовавшаяся в результате система
будет иметь большую энергию возбуждения и с большой вероятностью произойдет
развал ее на фрагменты. Эффективно слияние происходит в довольно узком диапазоне
энергий сталкивающих частиц.
Рис.12.10. Схема потенциалов при слиянии 64 Ni
и 208 Pb.
Реакции слияния с испусканием минимального числа нейтронов (1–2) представляют
особый интерес, т.к. в синтезируемых сверхтяжелых ядрах желательно иметь
максимально большое отношение N/Z. На рис. 12.10 показан потенциал слияния для
ядер в реакции 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds.
Простейшие оценки показывают, что вероятность туннельного эффекта для слияния
ядер составляет ~ 10 –21 , что
существенно ниже наблюдаемой величины сечения. Это можно объяснить следующим
образом. На расстоянии 14 Фм между центрами ядер первоначальная кинетическая
энергия 236.2 МэВ полностью компенсируется кулоновским потенциалом. На этом
расстоянии находятся в контакте только нуклоны, расположенные на поверхности
ядра. Энергия этих нуклонов мала. Следовательно существует высокая вероятность
того, что нуклоны или пары нуклонов покинут орбитали в одном ядре и переместятся
на свободные состояния ядра-партнера. Передача нуклонов от налетающего ядра
ядру-мишени особенно привлекательна в случае, когда в качестве мишени
используется дважды магический изотоп свинца
208 Pb. В
208 Pb заполнены протонная подоболочка h 11/2
и нейтронные подоболочки h 9/2
и i 13/2 . Вначале передача
протонов стимулируется силами притяжения протон-протон, а после заполнения
подоболочки h 9/2
- силами притяжения протон-нейтрон. Аналогично нейтроны перемещаются в свободную
подоболочку i 11/2 ,
притягиваясь нейтронами из уже заполненной подоболочки i 13/2 .
Из-за энергии спаривания и больших орбитальных моментов передача пары нуклонов
более вероятна, чем передача одного нуклона. После передачи двух протонов от
64 Ni
208 Pb кулоновский барьер
уменьшается на 14 МэВ, что способствует более тесному контакту взаимодействующих
ионов и продолжению процесса передачи нуклонов.
В
работах [В.В. Волков. Ядерные реакции глубоконеупругих передач. М. Энергоиздат,
1982; В.В. Волков. Изв. АН СССР серия физич., 1986 т. 50 с. 1879] был детально
исследован механизм реакции слияния. Показано, что уже на стадии захвата
формируется двойная ядерная система после полной диссипации кинетической энергии
налетающей частицы и нуклоны одного из ядер постепенно оболочка за оболочкой
передаются другому ядру. То есть оболочечная структура ядер играет существенную
роль в образовании компаунд-ядра. На основе этой модели удалось достаточно
хорошо описать энергию возбуждения составных ядер и сечение образования
элементов Z = 102–112
в реакциях холодного синтеза.
Таким образом, прогресс в синтезе трансурановых элементов Z = 107–112
был связан с «открытием» реакций холодного синтеза, в которых магические изотопы
208 Pb и 209 Bi
облучались ионами с Z = 22–30.
Образующееся в реакции холодного синтеза ядро нагрето слабо и охлаждается в
результате испускания одного нейтрона. Так впервые были получены изотопы
химических элементов с Z = 107–112.
Эти химические элементы были получены в период 1978–1998 гг. в Германии на
специально построенном ускорителе исследовательского центра GSI в Дармштадте.
Однако, дальнейшее продвижение − к более тяжелым ядрам − таким методом
оказывается затруднительным из-за роста величины потенциального барьера между
сталкивающимися ядрами. Поэтому в Дубне был реализован другой метод получения
сверхтяжелых ядер. В качестве мишеней использовались наиболее тяжелые изотопы
искусственно полученных химических элементов плутония Pu (Z = 94),
америция Am (Z = 95),
кюрия Cm (Z = 96),
берклия Bk (Z = 97)
и калифорния Cf
(Z = 98).
В качестве ускоренных ионов был выбран изотоп кальция
48 Ca (Z = 20).
Схематический вид сепаратора и детектора ядер отдачи показан на рис. 12.11.
Рис. 12.11. Схематический вид сепаратора ядер отдачи, на котором проводятся
эксперименты по синтезу сверхтяжелых элементов в Дубне.
Магнитный сепаратор ядер отдачи уменьшает фон побочных продуктов реакции в 10 5 –10 7
раз. Регистрация продуктов реакции осуществлялась с помощью
позиционно-чувствительного кремниевого детектора. Измерялись энергия, координаты
и время пролета ядер отдачи. После остановки все последующие сигналы от
регистрируемых частиц распада должны исходить из точки остановки
имплантированного ядра. Созданная методика позволяла с высокой степенью
надёжности (≈ 100%)
установить связь между остановившимся в детекторе сверхтяжелым ядром и
продуктами его распада. С помощью такой методики были надёжно идентифицированы
сверхтяжелые элементы с
Z = 110–118
(табл. 12.2).
В
таблице 12.2 приведены характеристики сверхтяжелых химических элементов с Z =
110–118: массовое число A,
m − наличие изомерного состояния
в изотопе с массовым числом A,
спин-четность J P ,
энергия связи ядра E св,
удельная энергия связи ε,
энергии отделения нейтрона
B n
и протона B p ,
период полураспада
T 1/2
и основные каналы распада.
Химические элементы Z > 112
пока не имеют названий и приводятся в принятых международных обозначениях.
Таблица 12.2
Характеристики сверхтяжелых химических элементов Z = 110–118
| XX-A-m | J P | Масса ядра, MэВ |
E св, MэВ |
ε, MэВ |
B n , MэВ |
B p , MэВ |
T 1/2 | Моды распада |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Z = 110 − дармштадтий | ||||||||
| Ds-267 | 248787.19 | 1934.5 | 7.2 | 0.7 | 2.8 ас | α ≈100% | ||
| Ds-268 | 0 + | 249718.08 | 1943.2 | 7.3 | 8.7 | 1.3 | 100 ас | α ≈ |
| Ds-269 | 250650.86 | 1950.0 | 7.2 | 6.8 | 1.3 | 179 ас | α 100% | |
| Ds-270 | 0 + | 251581.97 | 1958.4 | 7.3 | 8.5 | 0.10 мс | α ≈100%, SF < 0.20% | |
| Ds-270-m | 251583.07 | 1957.3 | 7.2 | 6.0 мс | α >70%, IT ≤ 30% | |||
| Ds-271 | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 6.8 | 2.2 | 1.63 мс | α ≈100% | |
| Ds-271-m | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 69 мс | IT?, α >0% | |||
| Ds-272 | 0 + | 253446.46 | 1973.1 | 7.3 | 7.8 | 2.5 | 1 с | SF |
| Ds-273 | 254380.32 | 1978.8 | 7.2 | 5.7 | 2.5 | 0.17 мс | α ≈100% | |
| Ds-274 | 0 + | 255312.45 | 1986.2 | 7.2 | 7.4 | 3.0 | 2 с | α?, SF? |
| Ds-275 | 256246.44 | 1991.8 | 7.2 | 5.6 | 2.9 | 2 с | α? | |
| Ds-276 | 0 + | 257178.73 | 1999.1 | 7.2 | 7.3 | 3.2 | 5 с | SF?, α? |
| Ds-277 | 258112.63 | 2004.7 | 7.2 | 5.7 | 3.1 | 5 с | α? | |
| Ds-278 | 0 + | 259044.92 | 2012.0 | 7.2 | 7.3 | 10 с | SF?, α? |
|
| Ds-279 | 259978.62 | 2017.9 | 7.2 | 5.9 | 0.18 с | SF
≈90%, α ≈10% |
||
| Ds-281 | 261844.60 | 2031.0 | 7.2 | 9.6 с | SF ≈100% | |||
| Z =111 − рентгений | ||||||||
| Rg-272 | 253452.75 | 1965.5 | 7.2 | 0.2 | 3.8 мс | α ≈100% | ||
| Rg-273 | 254384.34 | 1973.5 | 7.2 | 8.0 | 0.4 | 5 мс | α? | |
| Rg-274 | 255317.74 | 1979.6 | 7.2 | 6.2 | 0.9 | 6.4 мс | α ≈100% | |
| Rg-275 | 256249.53 | 1987.4 | 7.2 | 7.8 | 1.2 | 10 мс | α? | |
| Rg-276 | 257183.22 | 1993.3 | 7.2 | 5.9 | 1.5 | 100 мс | SF?, α? |
|
| Rg-277 | 258115.72 | 2000.4 | 7.2 | 7.1 | 1.3 | 1 с | α?, SF? |
|
| Rg-278 | 259049.11 | 2006.5 | 7.2 | 6.2 | 1.8 | 4.2 мс | α
≈100%, SF |
|
| Rg-279 | 259981.41 | 2013.8 | 7.2 | 7.3 | 1.8 | 0.17 с | α ≈100% | |
| Rg-280 | 260914.80 | 2020.0 | 7.2 | 6.2 | 2.1 | 3.6 с | α ≈100% | |
| Rg-281 | 261847.09 | 2027.2 | 7.2 | 7.3 | 1 м | α?, SF? | ||
| Rg-282 | 262780.59 | 2033.3 | 7.2 | 6.1 | 2.3 | 4 м | SF?, α? | |
| Rg-283 | 263712.98 | 2040.5 | 7.2 | 7.2 | 10 м | SF?, α? | ||
| Z = 112 − коперниций | ||||||||
| Cn-277 | 258119.32 | 1995.5 | 7.2 | 2.2 | 0.69 мс | α ≈100% | ||
| Cn-278 | 0 + | 259051.20 | 2003.1 | 7.2 | 7.7 | 2.8 | 10 мс | SF?, α? |
| Cn -279 | 259984.69 | 2009.2 | 7.2 | 6.1 | 2.7 | 0.1 с | SF?, α? | |
| Cn -280 | 0 + | 260916.69 | 2016.8 | 7.2 | 7.6 | 3.0 | 1 с | α?, SF? |
| Cn -282 | 0 + | 262782.18 | 2030.4 | 7.2 | 3.2 | 0.50 мс | SF ≈100% | |
| Cn -283 | 263715.57 | 2036.6 | 7.2 | 6.2 | 3.3 | 4.0 с | α ≥90%, SF ≤10% | |
| Cn -284 | 0 + | 264647.66 | 2044.1 | 7.2 | 7.5 | 3.6 | 101 мс | SF ≈100% |
| Cn -285 | 265580.76 | 2050.5 | 7.2 | 6.5 | 34 с | α ≈100% | ||
| Z = 113 | ||||||||
| Uut-278 | 0.24 мс | α 100% | ||||||
| Uut-283 | 263719.46 | 2031.4 | 7.2 | 1.0 | 100 мс | α 100% | ||
| Uut-284 | 264652.45 | 2038.0 | 7.2 | 6.6 | 1.4 | 0.48 с | α ≈100% | |
| Uut-285 | 265584.55 | 2045.5 | 7.2 | 7.5 | 1.4 | 2 м | α?, SF? | |
| Uut-286 | 266517.64 | 2051.9 | 7.2 | 6.5 | 1.4 | 5 м | α?, SF? | |
| Uut-287 | 267449.64 | 2059.5 | 7.2 | 7.6 | 20 м | α?, SF? | ||
| Z = 114 | ||||||||
| Uuq-286 | 0 + | 266520.33 | 2048.0 | 7.2 | 2.5 | 0.16 с | SF ≈60%, α ≈40% | |
| Uuq-287 | 267453.42 | 2054.4 | 7.2 | 6.5 | 2.5 | 0.51 с | α ≈100% | |
| Uuq-288 | 0 + | 268385.02 | 2062.4 | 7.2 | 8.0 | 2.9 | 0.80 с | α ≈100% |
| Uuq-289 | 269317.91 | 2069.1 | 7.2 | 6.7 | 2.7 с | α ≈100% | ||
| Z = 115 | ||||||||
| Uup-287 | 267458.11 | 2048.4 | 7.1 | 0.5 | 32 мс | α 100% | ||
| Uup-288 | 268390.81 | 2055.3 | 7.1 | 6.9 | 0.9 | 87 мс | α 100% | |
| Uup-289 | 269322.50 | 2063.2 | 7.1 | 7.9 | 0.8 | 10 с | SF?, α? | |
| Uup-290 | 270255.30 | 2070.0 | 7.1 | 6.8 | 0.9 | 10 с | SF?, α? | |
| Uup-291 | 271187.09 | 2077.7 | 7.1 | 7.8 | 1 м | α?, SF? | ||
| Z = 116 | ||||||||
| Uuh-290 | 0 + | 270258.98 | 2065.0 | 7.1 | 1.8 | 15 мс | α ≈100% | |
| Uuh-291 | 271191.78 | 2071.7 | 7.1 | 6.8 | 1.8 | 6.3 мс | α 100% | |
| Uuh-292 | 0 + | 272123.07 | 2080.0 | 7.1 | 8.3 | 2.3 | 18 мс | α ≈100% |
| Uuh-293 | 53 мс | α ≈100% | ||||||
| Z = 117 | ||||||||
| Uus-291 | 271197.37 | 2064.9 | 7.1 | -0.1 | 10 мс | SF?, α? | ||
| Uus-292 | 272129.76 | 2072.0 | 7.1 | 7.2 | 0.3 | 50 мс | SF?, α? | |
| Z = 118 | ||||||||
| Uuo-294 | 0 + | 1.8 мс | α ≈100% | |||||
На рис. 12.12 показаны все известные наиболее тяжелые изотопы с Z = 110–118, полученные в реакциях синтеза с указанием экспериментально измеренного периода полураспада. Здесь же показано теоретически предсказанное положение острова стабильности (Z = 114, N = 184).
Рис. 12.12. N-Z-диаграмма
элементов Z = 110–118.
Полученные результаты однозначно указывают на рост стабильности изотопов при
приближении к дважды магическому ядру (Z = 114,
N = 184).
Добавление к ядрам с Z = 110
и 112 7–8 нейтронов увеличивает период полураспада от 2.8 ас (Ds-267)
до ≈ 10 с (Ds-168, Ds 271). Период полураспада T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5
мс увеличивается до T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 мин. Наиболее тяжелые изотопы элементов
Z = 110–112
содержат ≈ 170 нейтронов,
что ещё далеко от магического числа N = 184.
Все наиболее тяжелые изотопы с Z > 111
и
N > 172
распадаются преимущественно в результате
α-распада,
спонтанное деление – более редкий распад. Эти результаты находятся в хорошем
согласии с теоретическими предсказаниями.
В
Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Дубна) синтезирован элемент с
Z = 114. Была использована реакция
Идентификация ядра 289 114
проводилась по цепочке α-распадов.
Экспериментальная оценка периода полураспада изотопа
289 114 ~30 с. Полученный результат находится в хорошем
согласии с ранее выполненными расчетами .
При синтезе 114 элемента в реакции 48 Cu + 244 Pu
максимальный выход изотопов с
Z = 114
наблюдался в канале с испарением трех нейтронов. При этом энергии возбуждения
составного ядра 289 114 была
35 МэВ.
Теоретически предсказываемая последовательность распадов, происходящих с ядром
296 116, образующемся в
реакции
248 Cm + 48 Ca → 296 116,
приведена на рис.12.13
Рис. 12.13. Схема распада ядра 296 116.
Изотоп 296 116 охлаждается в результате испускания четырех нейтронов и превращается в изотоп 292 116, который далее с 5% -ой вероятностью в результате двух последовательных e-захватов превращается в изотоп 292 114. В результате α-распада (T 1/2 = 85 дней) изотоп 292 114 превращается в изотоп 288 112. Образование изотопа 288 112 происходит и по каналу
Конечное ядро 288 112,
образующееся в результате обеих цепочек, имеет период полураспада около 1 часа и
распадается в результате спонтанного деления. Примерно с 10%-ой вероятностью в
результате α-распада
изотопа 288 114 может
образовываться изотоп 284 112.
Приведенные выше периоды и каналы распада получены расчетным путем.
На
рис. 12.14 приведена цепочка последовательных α-распадов
изотопа 288 115,
измеренная в экспериментах в Дубне. ER
− энергия ядра отдачи, имплантированного в позиционно-чувствительный кремниевый
детектор. Можно отметить хорошее совпадение в периодах полураспада и энергиях α-распадов
в трёх экспериментах, что свидетельствует о надёжности метода идентификации
сверхтяжелых элементов с помощью измерений спектров α-частиц.
Рис. 12.14. Цепочка
последовательных α-распадов
изотопа 288 115,
измеренная в экспериментах в Дубне.
Самый тяжелый, полученный в лабораторных условиях элемент с Z = 118, был синтезирован в реакции
48 Ca + 249 Cf → 294 118 + 3n.
При энергии ионов вблизи кулоновского барьера наблюдалось три случая образования
118 элемента. Ядра 294 118
имплантировались в кремниевый детектор и наблюдалась цепочка последовательных α-распадов.
Сечение образования 118 элемента составляло ~2 пикобарна. Период полураспада
изотопа 293 118 равен 120 мс.
На
рис. 12.15 показана теоретически рассчитанная цепочка последовательных α-распадов
изотопа 293 118 и приведены
периоды полураспада дочерних ядер, образующихся в результате α-распадов.
Рис. 12.15. Цепочка последовательных α-распадов
изотопа 293 118.
Приведены средние времена жизни дочерних ядер, образующихся в результате α-распадов.
Анализируя различные возможности образования сверхтяжелых элементов в реакциях с тяжелыми ионами нужно учитывать следующие обстоятельства.
- Необходимо создать ядро с достаточно большим отношением числа нейтронов к числу протонов. Поэтому в качестве налетающей частицы надо выбирать тяжелые ионы, имеющие большое N/Z.
- Необходимо, чтобы образующееся компаунд-ядро имело малую энергию возбуждения и небольшую величину момента количества движения, так как в противном случае будет снижаться эффективная высота барьера деления.
- Необходимо, чтобы образующееся ядро имело форму близкую к сферической, так как даже небольшая деформация будет приводить к быстрому делению сверхтяжелого ядра.
Весьма перспективным методом получения сверхтяжелых ядер являются реакции типа 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. На рис. 12.16 приведены оценочные сечения образования трансурановых элементов при облучении ускоренными ионами 238 U мишеней из 248 Cm, 249 Cf и 254 Es. В этих реакциях уже получены первые результаты по сечениям образования элементов с Z > 100. Для увеличения выходов исследуемых реакций толщины мишеней выбирались таким образом, чтобы продукты реакции оставались в мишени. После облучения из мишени сепарировались отдельные химические элементы. В полученных образцах в течение нескольких месяцев регистрировались продукты α-распада и осколки деления. Данные, полученные с помощью ускоренных ионов урана, ясно указывают на увеличение выхода тяжелых трансурановых элементов по сравнению с более легкими бомбардирующими ионами. Этот факт чрезвычайно важен для решения проблемы синтеза сверхтяжелых ядер. Несмотря на трудности работы с соответствующими мишенями прогнозы продвижения к большим Z выглядят довольно оптимистично.
Рис. 12.16. Оценки сечений образования трансурановых элементов в реакциях
238 U с
248 Cm,
249 Cf и 254 Es
Продвижение в область сверхтяжелых ядер в последние годы оказалось ошеломляюще
впечатляющим. Однако все попытки обнаружить Остров Стабильности пока не
увенчались успехом. Поиск его интенсивно продолжается.
Оболочечная структура атомных ядер играет существенную роль в повышении
стабильности сверхтяжелых ядер. Магические числа Z ≈ 114
и
N ≈ 184,
если они действительно существуют, могут привести к значительному повышению
стабильности атомных ядер. Существенным является также то, что распад
сверхтяжелых ядер будет происходить в результате α-распада,
что важно для разработки экспериментальных методов детектирования и
идентификации новых сверхтяжелых ядер.
Работы велись в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) им. Г.Н. Флёрова дубненского Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) успешно. Свойства 117-го и ранее синтезированных в Дубне элементов N 112-116 и 118 являются прямым доказательством существования так называемого "острова стабильности" сверхтяжелых элементов, предсказанного теоретиками еще в 60-е годы прошлого века и значительно расширяющего пределы таблицы Менделеева. Редакции "Известий" об уникальном эксперименте еще в марте сообщил руководитель ЛЯР академик Юрий Оганесян, но разрешение на публикацию дал только сейчас. О сути эксперимента обозревателю Петру Образцову рассказал автор открытия академик Юрий Оганесян.
известия: Чем вызван интерес ученых к синтезу сверхтяжелых элементов, которые и существуют-то ничтожно малое время?
юрий оганесян: После открытия в 1940-1941 годах первых искусственных элементов - нептуния и плутония - вопрос о пределах существования элементов стал исключительно интересным для фундаментальной науки о строении материи. К концу прошлого века были открыто 17 искусственных элементов и обнаружено, что их ядерная стабильность резко уменьшается с увеличением атомного номера. При переходе от 92-го элемента - урана - к 102-му элементу - нобелию период полураспада ядра уменьшается на 16 порядков: от 4,5 млрд лет до нескольких секунд. Поэтому считалось, что продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования, по существу обозначит границу существования материального мира. Однако в середине 60-х годов теоретиками неожиданно была выдвинута гипотеза о возможном существовании сверхтяжелых атомных ядер. По расчетам, время жизни ядер с атомными номерами 110-120 должно было существенно возрастать по мере увеличения в них числа нейтронов. Согласно новым представлениям они образуют обширный "остров стабильности" сверхтяжелых элементов, что существенно расширяет границы таблицы элементов.
и: Удалось ли это подтвердить экспериментально?
оганесян: В 1975-1996 годах физикам Дубны, Дармштадта (GSI, Германия), Токио (RIKEN) и Беркли (LBNL, США) удалось исследовать эти реакции и синтезировать шесть новых элементов. Наиболее тяжелые элементы 109-112 были получены впервые в GSI и повторены в RIKEN. Но периоды полураспада наиболее тяжелых ядер, полученных в этих реакциях, составляли всего лишь десятитысячные или даже тысячные доли секунды. Гипотеза о существовании сверхтяжелых элементов впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, в исследованиях, проводимых нашей группой в сотрудничестве с учеными из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе (США). Нам удалось кардинально изменить подход к синтезу сверхтяжелых ядер, например, путем обстреливания мишени из искусственного элемента берклия (N 97) пучком снаряда из исключительно редкого и дорогого изотопа кальция (N 20) с массой 48. При слиянии ядер получается элемент N 117 (97 + 20 = 117). Результаты превзошли даже самые оптимистичные ожидания. В 2000-2004 годах, практически в течение пяти лет, именно в таких реакциях впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118.
и: А какой именно научный вклад внесли американские ученые?
оганесян: В ядерной реакции с пучком кальция 117-й элемент может быть получен только с использованием мишени из искусственного элемента берклия. Период полураспада этого изотопа составляет всего 320 дней. Из-за короткого времени жизни наработку берклия в требуемом количестве (20-30 миллиграммов) необходимо вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов. Такая задача по плечу только изотопному реактору Национальной лаборатории США в Ок-Ридже. Кстати, именно в этой лаборатории был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы. Поскольку с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней, необходимо было все работы вести в высоком темпе. И не только в лабораториях, но и в официальных структурах России и США, связанных с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и так далее.
и: Достойно приключенческой повести. А что было дальше?
оганесян: В начале июня 2009 года контейнер прибыл в Москву. Из этого вещества в НИИ атомных реакторов (г. Димитровград) была изготовлена мишень в виде тончайшего слоя берклия (300 нанометров), нанесенного на тонкую титановую фольгу; в июле мишень была доставлена в Дубну. К этому моменту в ЛЯР все подготовительные работы были завершены, и началось непрерывное облучение мишени интенсивным пучком кальция. Уже в первом облучении мишени продолжительностью 70 дней нам сопутствовала удача: детекторы пять раз зарегистрировали картину образования и распада ядер 117-го элемента. Как и ожидалось, ядра этого элемента трансформировались в ядра 115-го элемента, 115-й элемент превращался в 113-й, а затем 113-й элемент переходил в 111-й. А 111-й элемент распадался с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе это огромное время! Теперь таблица Менделеева пополнилась еще одним из самых тяжелых элементов с атомным номером 117.
и: Наших читателей, естественно, заинтересует, какое практическое применение может иметь ваше открытие.
оганесян: Сейчас, конечно, никакого, ведь получено всего несколько атомов элемента N 117. С фундаментальной точки зрения представления о нашем мире теперь должны сильно измениться. Более того, если синтезируются элементы с огромным периодом полураспада, то не исключено, что они существуют и в природе и могли "дожить" до нашего времени с момента образования Земли - 4,5 млрд лет. И эксперименты по их поиску нами ведутся, в глубине Альпийских гор стоит наша установка.
и: Вопрос из другой плоскости. Как вы считаете, почему очевидные успехи в ядерной физике за последние лет 20 так и не были отмечены Нобелевскими премиями?
оганесян: Физика - большая. Видимо, для членов Нобелевского комитета более интересны другие области этой науки. А достойных ученых действительно немало. Кстати, должен назвать участников нашего эксперимента: Национальная лаборатория в Ок-Ридже (проф. Джеймс Роберто), Университет им. Вандербильта (проф. Джозеф Гамильтон), Национальная лаборатория им. Лоуренса в Ливерморе (Доун Шонесси), НИИ атомных реакторов, г. Димитровград (Михаил Рябинин) и Лаборатория ядерных реакций ОИЯИ (руководитель Юрий Оганесян).
От редакции. Временно элемент N 117 получит название "один-один-семь" по-латыни, то есть унунсептий. Группа академика Юрия Оганесяна - авторы открытия - имеет полное право дать настоящее имя этому элементу, а также открытым ими элементам N 114-116 и 118. В "Неделе" от 26 марта мы предложили читателям представить свои предложения по наименованию "наших" элементов. Пока разумным представляется только "курчатовий" для одного из этих элементов. Конкурс продолжается.
Атомное ядро это система нуклонов, состоящая из Z протонов и N нейтронов, связанных ядерным взаимодействием. Энергия связи атомного ядра в жидко-капельной модели описывается формулой Бете-Вайцзеккера [3, 4 ]. В зависимости от времени жизни и соотношения между
Z и N
атомные ядра делятся на стабильные и радиоактивные. Явление радиоактивности было открыто
А.А. Бекерелем в 1896 г., который обнаружил неизвестное ранее излучение, которое испускали соли урана .
В 1898 г. Пьер и Мария Кюри выделили новые элементы, радий Ra
(Z = 88) и полоний Po (Z = 84) , также обладающие свойством радиоактивности.
Э. Резерфорд в 1898 г. показал, что излучение урана имеет две компоненты: положительно заряженные α-частицы (ядра 4 He) и отрицательно заряженные β-частицы (электроны) [6, 9 ]. В 1900 году
П. Виллардом было открыто γ-излучение урана .
Стабильные ядра расположены в так называемой долине стабильности (рис. 1). Отношение
N к Z вдоль линии стабильности зависит от масового числа А = N +
Z:
N/Z = 0.98 + 0.015А 2/3 . (1)
Рис. 1. NZ диаграмма атомных ядер
В настоящее время известно около 3500 атомных ядер, число стабильных ядер около 300. Слева от долины стабильности располагаются радиоактивные ядра, распадающиеся в результате β + -распада
и е-захвата. При удалении от долины стабильности в сторону ядер, перегруженных протонами, уменьшается их период полураспада. Граница В р (N,Z) = 0 (В р (N,Z)
−
энергия отделения протона в ядре (N,Z))
ограничивает область существования ядер слева.
При продвижении от долины стабильности в сторону ядер, перегруженных нейтронами, также происходит уменьшение периода полураспада ядер. Справа область существования ядер ограничена соотношением В n (N,Z) = 0 (В n (N,Z)
−
энергия отделения нейтрона в ядре (N,2)).
Вне границ
В р (N,Z)
= 0 и (В n (N,Z) =
0 атомные ядра существовать не могут, так как их распад происходит за характерное ядерное время
τ яд = 10 -22 с.
Область ядер с протонным избытком экспериментально изучена практически полностью вплоть до границы В р (N,Z)
= 0. Что касается ядер с избытком нейтронов, то (за исключением легких ядер) область экспериментально обнаруженных ядер лежит довольно далеко от границы В n (N,Z)
= 0. В этой области может располагаться еще около 2500 − 3000 неизвестных нам ядер.
Академик Г.Н. Флеров:
Ценность информации, полученной из исследования изотопа, находящегося далеко от области стабильности, значительно больше того, что мы узнаем, изучая изотопы, находящеся вблизи этой области. Это
− общий методологический подход, который используется и физиками, и химиками,
− изучать свойства вещества в экстремальных условиях его существования. Изотопы, далекие от области (β-стабильности, являются предельными в том отношении, что в одном случае, когда протонов мало и число нейтронов относительно велико, основную роль играют ядерные силы; в другом случае, когда имеется избыток протонов, весьма существенную роль играют кулоновские силы отталкивания, вплоть до того, что становится возможным радиоактивный распад ядер с испусканием протонов.
В связи с этим становится понятным наш особый интерес к изучению ядер трансурановых элементов, где кулоновские силы настолько велики, что преодолевают ядерные силы притяжения. Почти исчезает потенциальный барьер, удерживающий в равновесии ядро как целое, и оно делится на осколки. В то же время специфические ядерные эффекты, связанные с внутренней структурой ядра, могут быть выражены чрезвычайно сильно. Именно в этой области элементов открыт новый вид ядерной изомерии
− изомерия формы. Здесь же возможен ряд других интересных явлений, связанных, например, с наличием второго минимума в энергии деформации ядра.
Доклад в Оргкомитет конференции ЮНЕСКО,
посвященный 100-летию создания таблицы Менделеева .
Ограничения на существование атомных ядер есть и со стороны сверхтяжелых элементов. Элементы с Z > 92 в естественных условиях не обнаружены. Расчеты по жидкокапельной модели ядра предсказывают исчезновение барьера деления для ядер с Z 2 /А ≈ 41 (примерно 104 элемент) . В проблеме существования сверхтяжелых ядер следует выделить два круга вопросов.
- Какими свойствами должны обладать сверхтяжелые ядра? Будут ли существовать магические числа в этой области Z и N? Каковы основные каналы распада и периоды полураспада сверхтяжелых ядер?
- Какие реакции следует использовать для синтеза сверхтяжелых ядер, типы бомбардирующих ядер, ожидаемые величины сечений, ожидаемые энергии возбуждения составного ядра и каналы снятия возбуждения образующихся ядер?
Проблема синтеза сверхтяжелых элементов тесно связана с тем фактом, что ядра с Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (магические числа) обладают повышенной стабильностью по отношению к различным типам радиоактивного распада. Это явление объясняется в рамках модели ядерных оболочек − магические числа соответствуют заполненным ядерным оболочкам [12, 13 ]. Естественно возникает вопрос о существовании следующих магических чисел по Z и N. В случае, если они существуют в области NZ- диаграммы атомных ядер N > 150, Z > 101, должны наблюдаться сверхтяжелые ядра, имеющие повышенные периоды полураспада, т.е. должен существовать Остров Стабильности. Применение метода
