Сверхтяжелые элементы экзотические ядра. О сверхтяжелых элементах. Тонкие квантовомеханические эффекты стабилизируют ядра, которые намного тяжелее ядер, существующих в природе. Экспериментаторам пришлось пересматривать представления о том, как лучше синте

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. В годовщину этой даты N + 1 совместно с Издательством Яндекса предлагает вам представить себя алхимиком и попробовать синтезировать один (или несколько, как повезет) сверхтяжелых элементов на ускорителе элементарных частиц.

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. У вас есть возможность почувствовать себя алхимиком-любителем и создать новый элемент. В вашем распоряжении есть ядра-снаряды и ядра-мишени. Выберите пару и нажмите кнопку «Включить ускоритель». Если выберете правильную пару, то получите сверхтяжелый элемент, увидите продукты его распада и узнаете, кем и когда он был синтезирован в реальности.

А еще мы совместно с Издательством Яндекса приготовили ответы на распространенные в интернете вопросы про сверхтяжелые элементы. Кликните на вопрос, чтобы увидеть ответ.

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.

Тем не менее, теория предсказывает, что даже среди сверхтяжелых элементов могут быть изотопы с относительно большим временем жизни. Они должны существовать для систем с подходящим соотношением протонов и нейтронов и полностью заполненными протонными и нейтронными уровнями. Тем не менее, синтезировать такие элементы пока не удалось, и если до ближайшего «острова стабильности» (который предсказывается для ядра флеровия со 184 нейтронами) добраться в ближайшем будущем кажется возможным, то отыскать среди абсолютно неустойчивых систем более тяжелые ядра со следующей заполненной оболочкой будет значительно тяжелее, если не невозможно.

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 × 10 19 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.

Однако, согласно теоретическим предсказаниям, для некоторых элементов с определенным числом протонов и нейтронов в ядре возможно значительное увеличение периода полураспада. Нужное количество нейтронов и протонов в ядре соответствует полностью заполненным нейтронным и протонным оболочкам и предположительно должно равняться 114 для протонов и 184 для нейтронов. Теоретически такая конфигурация должна приводить к увеличению периода полураспада от сотен микросекунд до 10 5 лет. Относительная устойчивость ядер с числом протонов и нейтронов, близким к этим значениям, позволяет предположить существование «острова стабильности» среди сверхтяжелых элементов. Тем не менее, подтвердить его существование экспериментально пока не удалось. Но даже столь значительное увеличение времени жизни ядер не сделает эти изотопы устойчивыми - они так и останутся радиоактивными.

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.

Откуда появилось выражение «трансфермиевые войны» и почему так часто возникает вопрос о первенстве той или иной группы в синтезе нового элемента?

Это выражение обычно используют для обозначения споров между США и СССР о приоритете при открытии элементов с порядковыми номерами 104,105 и 106, которые были были открыты в 60-х и 70-х годах XX века. Сам термин «трансфермиевые войны» (все эти элементы располагаются в таблице Менделеева как раз вслед за фермием) был впервые предложен в 1994 году. В Советском Союзе синтез проводился в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, в США - в Национальными лабораториями имени Лоуренса в Беркли и Ливерморе. Первые удачные попытки синтеза 104-го элемента сейчас датируются 1964 годом, 105-го элемента - 1970 годом, а 106-го - 1974-м.

Советская сторона считала, что именно в Дубне впервые удалось синтезировать 104-й и 105-й элементы, и использовала для них названия «курчатовий» и «нильсборий» соответственно. Американские ученые критиковали результаты советских экспериментов и доказывали, что первыми получили эти элементы физики в их лабораториях и назвали их «резерфордием» и «ганием» (в честь Эрнеста Резерфорда и Отто Гана соответственно). Однако из-за того, что значительная часть данных о синтезе была в то время закрыта, однозначно определить первенство той или иной группы было достаточно сложно.

Из-за этого процесс выяснения первенства растянулся на 30 лет и стал одним из элементов холодной войны. Лишь в 1994 году была собрана международная комиссия, которая рассмотрела известные данные и предложила свои варианты названий для элементов. Изначально некоторые из принятых решений вызывали споры, в частности о присвоении элементам имен в честь еще живущего человека (Гленна Сиборга), перенесении названия от одного элемента другому относительно начальных предложений (что вовлекло в споры третью сторону - немецкое Общество исследования тяжелых элементов, ученые которого синтезировали 107-й, 108-й и 109-й элементы).

В результате было найдено компромиссное решение, и в 1997 году произошло окончательное утверждение приоритетов и названий элементов. В частности, было решено не увековечивать имена Игоря Курчатова и Отто Гана, имеющих отношение к советскому и нацистскому ядерным проектам. 104-й и 106-й элемент сейчас используют названия, предложенные американской стороной (резерфордий и сиборгий), 105-й элемент - в признание заслуг советских ученых назвали дубнием, для 107-го, 108-го и 109-го элементов используют названия, предложенные немецкими учеными - борий, хассий и мейтнерий (лишь первый из них отличается от предложенного варианта - изначально его предлагали называть нильсборием). Сейчас благодаря открытости данных и прописанной процедуре присвоения элементам имен вопросы о приоритете решаются значительно проще.

Миниатюра из алхимической рукописи XVI века «Блеск Солнца»

Могут ли сверхтяжелые элементы рождаться при взрывах сверхновых? И можем ли мы это рождение зафиксировать?

Известно, что при вспышках сверхновых может происходить образование ядер очень тяжелых элементов, например урана или тория. Эти ядра образуются по механизму быстрого захвата нейтронов (так называемый r-процесс). Считается, что при взрыве сверхновой образуется достаточная температура - около четырех миллиардов градусов - для запуска этого процесса. Тем не менее, частота образования самых тяжелых ядер даже в таких условиях не очень высока. Считается также, что, кроме урана и тория, при взрыве сверхновых звезд возможно, например, образование калифорния (это 98-й элемент).

Для образования более тяжелых ядер в результате r-процесса необходим запуск термоядерной реакции - таким образом, например, на Земле удалось впервые синтезировать эйнштейний (99-й элемент) и фермий (100-й). Предполагается, что несколько термоядерных взрывов могут привести и к достижению острова стабильности в результате r-процесса. Однако сегодня принято считать, что при взрывах сверхновых такие условия не выполняются и элементы с порядковыми номерами более 100 не образуются. Тем не менее, следы стабильных сверхтяжелых элементов, которые могли образоваться при взрывах сверхновых, продолжают искать, например, в космических лучах и облученных ими метеоритах. Подтверждение же синтеза более легких элементов (например, урана или калифорния) проводят по спектроскопическим исследованиям продуктов их спонтанного деления.

Почему так часто реакции синтеза сверхтяжелых элементов оказываются неудачными, если по теоретическим расчетам они должны работать?

Сверхтяжелые ядра получают с помощью реакции слияния более легких ядер друг с другом. Для этого мишень из более тяжелых элементов бомбардируют ядрами более легких. Чтобы получить ядро с необходимым числом протонов и нейтронов, нужно правильно подобрать те ядра, которые используются в качестве мишеней и снарядов. Здесь может быть несколько проблем, снижающих вероятность образования нужного ядра и его обнаружения.

Во-первых, для образования нужного ядра необходимо преодолеть электростатический барьер - все-таки оба сталкиваемых ядра обладают довольно большим положительным зарядом (и до того, как на коротких расстояниях между протонами начнут действовать силы притяжения, нужно преодолеть дальнодействующее электростатическое отталкивание). Для этого тем ядрам, которыми бомбардируют мишень, необходимо изначально придать достаточно высокую энергию.

Для снижения этого барьера выгоднее использовать в качестве налетающих частиц ядра с довольно большим количеством протонов. Однако их выбор на сегодняшний день ограничен. Раньше для синтеза новых ядер мишени из тяжелых элементов, например свинца, плутония или урана, бомбардировали сравнительно легкими ядрами, например неоном-22 или кислородом-18. Позже для этих целей использовали различные изотопы более тяжелых элементов: железа-58, никеля-62, никеля-64 или цинка-70. Крайне важными стали продукты реакции различных мишеней с изотопом кальция-48.

Перспективными считаются реакции, в которых мишень из урана бомбардируют ионами из сверхтяжелых элементов - того же урана, калифорния, эйнштейния. Для повышения вероятности образования ядра нужно, чтобы налетающее ядро имело сравнительно небольшой момент импульса, а образующееся «компаунд-ядро» имело форму, близкую к сферической. Нарушение этих требований приводит к тому, что реакции не происходят. Однако даже при правильном подборе параметров процесс синтеза очень долог - облучение мишени в течение нескольких месяцев может привести к синтезу сотни нужных ядер.

Таким образом, ограниченный выбор изотопов, которые можно использовать в реакциях синтеза, сложная, с технической точки зрения, их реализация и длительное время протекание реакций значительно снижают вероятность синтеза нужных ядер - даже тех, которые, по теоретическим предсказаниям, должны оказаться устойчивыми.

Раньше считали, что центр «острова стабильности» должен находиться в районе 114 элемента, а где «остров стабильности» находится по современным представлениям? Может быть, его нет вообще?

Центр «острова стабильности», согласно оболочечной модели ядра, соответствует полностью заполненным протонной и нейтронной оболочкам - изотопу с порядковым номером 114 и массовым числом 298, то есть ядру, состоящему из 114 протонов и 184 нейтронов.

Некоторые ученые считают, что центр «острова стабильности» может соответствовать следующему протонному «магическому числу» и, таким образом, более устойчивым должен быть элемент с 120-м номером (а может быть, даже и со 126-м). Кроме того, из-за высокой вероятности α-распада центр стабильности может быть смещен относительно номера 114-го к 112-му и 110-му элементам.

Поскольку для образования относительно устойчивого ядра важно не только количество протонов в нем, но и количество нейтронов, пока синтезировать изотопы с нужным числом нуклонов из-за ограниченного выбора изотопов в эксперименте не удавалось. Потому необходимых данных для подтверждения существования «острова стабильности» нет. Однако те измерения, которые были проведены для менее устойчивых изотопов сверхтяжелых элементов, достаточно хорошо согласуются с данными теоретических моделей.

Тем не менее, стоит отметить, что положение «острова стабильности» определено в рамках концепции оболочечной модели ядра, которая при большом количестве нейтронов или протонов может работать не совсем точно. В частности, некоторые эффекты, связанные с взаимодействием кварков, для нейтрон-избыточных ядер с помощью нее объяснить не удается.

Каков срок жизни элементов в центре «острова стабильности»?

Согласно теоретическим предсказаниям, центру «острова стабильности» соответствует ядро, состоящее из 114 протонов и 184 нейтронов. Синтезировать такой тяжелый изотоп пока не удалось. Однако по данным теоретических моделей именно такое число нуклонов в ядре соответствует полностью заполненным энергетическим оболочкам.

Что касается периодов полураспада этих элементов, то при делении ядер стоит принимать во внимание три возможных процесса: спонтанное деление ядер, а также α- и β-распад. Так, период полураспада 298 114, согласно предсказаниям моделей, должен составлять примерно 10 16 лет относительно спонтанного деления, 10 лет - относительно α-распада и около 10 5 лет - относительно β-распада.

С учетом всех видов распада наиболее стабильным ядром оказывается ядро 298 110. По данным теории, период его полураспада должен составлять около 10 9 лет. Тем не менее, область стабильных ядер относительно широкая, и почти для всех ядер с четным числом протонов от 110 до 114 и четным числом нейтронов от 180 до 184 период полураспада превышает 1 год.

Пока эти числа - лишь результат теоретических расчетов. Самый тяжелый и самый устойчивый изотоп 114-го элемента (флеровия Fl), который на данный момент был получен экспериментально, - это 289 Fl. Период его полураспада составляет около 30 секунд. Период самого стабильного изотопа 110-го элемента (дармштадтий Ds) - около 10 секунд. Тем не менее, экспериментально полученные значения довольно хорошо согласуются с предсказаниями теоретических моделей, поэтому если удастся провести синтез нужных ядер с большим числом нейтронов, время их жизни может существенно увеличиться.

Десять лет назад ученые говорили , что может существовать второй «остров стабильности». Удалось ли его обнаружить?

Вообще, согласно современным теоретическим моделям, в обозримой области элементов может существовать не два, а даже больше «островов стабильности», которые будут соответствовать ядрам с полностью заполненными нейтронными и протонными оболочками, когда число нуклонов равняется так называемому «магическому числу». Сейчас элемент, который может быть «островом стабильности», соответствует изотопу, состоящему из 114 протонов и 184 нейтронов. Согласно современным оболочечным моделям ядра, следующие для протонов «магические числа» - это 126 и 164, а для нейтронов - 196, 228 и 272.

Про возможное существование относительно устойчивых ядер с 120 или 126 протонами говорят довольно давно, а десять лет назад говорили о возможном существовании «острова стабильности» в районе 164-го элемента. Тем не менее, если возможного исследования 120-го элемента в относительно близкой перспективе еще можно ожидать, то говорить об экспериментальном изучении 126-го, а тем более 164-го элемента не приходится. Для этого нужны новые ускорители тяжелых ядер, которые позволили бы работать с низкими концентрациями короткоживущих изотопов. На данный момент таких устройств нет.

Сейчас самый тяжелый элемент, синтез которого удалось подтвердить, - это оганесон с порядковым номером 118. Кроме того, стоит отметить, что применимость использованных теоретических моделей для таких тяжелых ядер тоже не доказана.

Можно ли рассматривать нейтронные звезды как гигантское атомное ядро? Если нет, то в чем принципиальное отличие?

Нет, нейтронная звезда, хоть и состоит преимущественно из протонов и нейтронов, на гигантское атомное ядро не очень похожа. На самом деле, звезда имеет довольно сложное строение - как минимум пять слоев с разными свойствами, и тяжелые атомные ядра входят в состав некоторых из них как один из важных компонентов. При этом во внешних слоях в нейтронной звезде присутствуют, например, и электроны. А во внутренних слоях - ближе к центру нейтронной звезды - очень много свободных нейтронов.

Несмотря на то, что атомное ядро - квантово-механическая система с максимальной плотностью нейтронов и протонов на Земле, в нейтронных звездах плотность нуклонов значительно выше. Размер нейтронных звезд - всего пара десятков километров, а их масса часто превышает массу Солнца, поэтому ближе к центру звезды у нее очень высокая плотность - в несколько раз больше, чем в любом атомном ядре. В ядре нейтронной звезды лишь несколько процентов электронов и протонов, основную массу составляют нейтроны, которые находятся в состоянии ферми-жидкости. В самом центре звезды - во внутреннем ядре - плотность нуклонов может в 10–15 раз превышать плотность в атомных ядрах, при этом точный состав, состояние и механизмы взаимодействия частиц в таких плотных системах достоверно неизвестны.

Исследования нейтрон-избыточных ядер важную информацию, о том, каким образом нейтроны и кварки могут взаимодействовать в ядре нейтронной звезды, однако состояние нуклонов в центре нейтронной звезды в любом случае сильно отличается от того, которое можно наблюдать в атомных ядрах даже самых тяжелых элементов.

Александр Дубов

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

Остров стабильности: российские ядерщики лидируют в гонке

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

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

Академик РАН Юрий Оганесян, руководитель лаборатории ядерных реакций в ОИЯИ

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

Элементы, которых нет в природе

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

"Остров стабильности"

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

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

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

Карта тяжелых нуклидов

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

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

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

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

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

Схема работы сепаратора

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

Примеры цепочек распада 114-го и 116-го элементов

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

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

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

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

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

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

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

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

You can comment here or .

ЧИКАГО, 17 февраля. Впервые удалось измерить массу элемента тяжелее урана – новый метод открывает путь к давно предсказанному «острову стабильности» устойчивых сверхтяжелых элементов, лежащему за пределами привычной Таблицы Менделеева.

Ядро урана включает 92 протона, это – самый тяжелый из известных нам элементов, встречающихся в природе. В искусственных условиях, конечно, синтезированы и более тяжелые, вплоть до 118-ти протонов. Все эти «тяжеловесы» крайне короткоживущи, они распадаются за считанные миллисекунды.

Но еще в середине ХХ века была теоретически предсказана возможность существования сверхтяжелых элементов, содержащих определенное соотношение протонов и нейтронов и имеющих срок жизни куда более долгий – десятилетия, а то и больше. С тех пор путь к этому «острову стабильности» стал одним из важнейших направлений ядерной физики. И вовсе не из чисто академического интереса. Сверхтяжелые стабильные элементы могли бы послужить отличным топливом для ядерных двигателей будущих космических миссий. Они должны, по расчетам, проявлять также необычные и полезные химические и физические свойства.

Однако до сих пор никто в точности не знает, где же мы должны наткнуться на этот остров. Одни расчеты показывают, что где-то в области с центром в 114 протонов на ядро, другие – между 120-ю и 126-ю протонами. Вычисления затрудняются тем, что ученые не имеют точного представления о том, как действуют сильные и слабые силы в «перенаселенных» ядрах таких элементов, удерживая их протоны и нейтроны вместе. Краткость существования полученных в лаборатории сверхтяжелых элементов не позволяет собрать достаточно экспериментальных данных.

Новый прорыв в этой области обещает недавняя работа команды немецких ученых во главе с Майклом Блоком, которым удалось найти способ прямого измерения массы частиц тяжелее урана. А поскольку масса и энергия связаны знаменитой эйнштейновской формулой E = mc2, определение массы атома позволяет (учтя дополнительные факторы) вычислить и силы, с которыми частицы в его ядре связаны друг с другом.

Для измерения массы атома ученые воспользовались устройством, которое называется ловушкой Пеннинга, где, упрощенно говоря, ионы удерживаются электромагнитным полем. Объектом измерений послужил нобелий, ядро которого включает 102 протона – на 10 больше, чем у урана. Как и прочие «искусственные» элементы, он получается столкновением несколько более легких элементов и является крайне короткоживущим (максимум 58 минут). Главной задачей, которую удалось решить немецким физикам, было найти способ замедлить атомы перед тем, как они попадут в ловушку, для чего ученые решили пропускать их предварительно через камеру, заполненную гелием.

Теперь, обладая методом, позволяющим «взвешивать» сверхтяжелые короткоживущие атомы, экспериментаторы могут точнее установить их параметры. А теоретики на базе этих данных – выбрать между конкурирующими моделями, предсказывающими положение «острова стабильности».

Метод позволяет двинуться существенно дальше по Периодической таблице, хотя на практике воспользоваться им для наиболее тяжелых из полученных элементов может быть не очень просто. Хотя бы потому, что синтез подобных великанов – уже сам по себе крайне непростой процесс. Если тот же нобелий можно с помощью подготовленного эксперимента получать с частотой, в среднем, 1 атом в секунду, то с более тяжелыми элементами, ядра которых содержат более 104 протонов, все гораздо дольше. Получение 1 атома может занять, к примеру, неделю.

Но если все пойдет хорошо, рано или поздно этот метод позволит заметить и обитателей «острова стабильности». Поскольку такие сверхтяжелые элементы обычно обнаруживаются по продуктам распада, а стабильные имеют слишком долгий период жизни, традиционные методы работы с атомами-тяжеловесами для этого не годятся

А. Левин

На пути к острову стабильности

Ученые занимаются новейшей версией алхимического промысла уже семь десятков лет и немало в ней преуспели: список официально признанных искусственных элементов, имена которых формально утверждены Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), включает 19 позиций.

Он открывается известным с 1940 года 93-м элементом Периодической системы - нептунием и заканчивается 111-м - рентгением, впервые изготовленным в 1994 году. В 1996 и 1998 годах были получены элементы с номерами 112 и 114. Окончательных имен они еще не обрели, а временные, закрепленные за ними до решения бюро ИЮПАК, звучат ужасно - унунбий и унунквадий. В 2004 году появились сообщения о синтезе 113-го и 115-го элементов, пока что наделенных столь же труднопроизносимыми названиями. Впрочем, в них есть своя логика, это просто порядковые номера элементов, закодированные с помощью латинских названий однозначных чисел. Например, унунбий (ununbium) расшифровывается как «один-один-два».

Прошлой осенью мировую прессу облетели сообщения об абсолютно достоверном получении еще одного сверхтяжелого элемента, 118-го. Надежность этих результатов подчеркивалась отнюдь не случайно. Дело в том, что впервые такие анонсы появились гораздо раньше - в июне 1999 года. Однако позднее сотрудники американской Ливерморской лаборатории имени Лоуренса, выступившие с заявкой на это открытие, были вынуждены от нее отказаться. Выяснилось, что данные, на которых она базировалась, были сфабрикованы одним из экспериментаторов, болгарином Виктором Ниновым. В 2002 году это вызвало немалый скандал. В том же году ученые из Ливермора во главе с Кентоном Муди вместе с российскими коллегами из Объединенного института ядерных исследований в Дубне, возглавляемыми Юрием Оганесяном, возобновили эти попытки, используя другую цепочку ядерных реакций. Эксперименты были завершены лишь через три года, и вот они-то привели уже к гарантированному синтезу 118-го элемента - правда, в количестве всего лишь трех ядер. Эти результаты представлены в статье с двадцатью российскими и десятью американскими подписями, которая 9 октября 2006 года появилась в журнале Physical Review С.

О методах получения сверхтяжелых искусственных элементов и о совместной работе групп Оганесяна и Муди поговорим позже. А пока что попробуем ответить на не столь уж наивный вопрос: почему ядерные физики и химики с таким упорством ведут синтез все новых и новых элементов с трехзначными номерами в Периодической системе? Эти работы требуют сложного и дорогого оборудования и многих лет интенсивных исследований - а что в итоге? Совершенно бесполезные нестабильные экзотические ядра, которые к тому же можно пересчитать по пальцам. Конечно, специалистам интересно заниматься каждым таким ядром просто в силу его уникальности и новизны для науки - скажем, изучать его радиоактивные распады, энергетические уровни и геометрическую форму. За такие открытия подчас дают Нобелевские премии, но все же - стоит ли игра свеч? Что обещают эти исследования если не технологии, то хотя бы фундаментальной науке?

НЕМНОГО ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ФИЗИКИ
Прежде всего напомним, что ядра всех без исключения элементов, кроме водорода, сложены из частиц двух видов - положительно заряженных протонов и не несущих электрического заряда нейтронов (ядро водорода - это единичный протон). Так что все ядра заряжены положительно, причем заряд ядра определяется числом его протонов. Это же число задает и номер элемента в Периодической системе. С первого взгляда это обстоятельство может показаться странным. Создатель этой системы Д. И. Менделеев упорядочивал элементы на основе их атомных весов и химических свойств, а об атомных ядрах наука тогда вообще не подозревала (к слову, в 1869 году, когда он открыл свой периодический закон, было известно всего лишь 63 элемента). Сейчас мы знаем (а Дмитрий Иванович узнать не успел), что химические свойства зависят от структуры электронного облака, окружающего атомное ядро. Как известно, заряды протона и электрона равны по абсолютной величине и обратны по знаку. Поскольку атом в целом электронейтрален, число электронов в точности равно числу протонов - вот искомая связь и обнаружена. Периодичность химических свойств объясняется тем, что электронное облако состоит из отдельных «слоев» - оболочек. Химические взаимодействия между атомами в первую очередь обеспечиваются электронами внешних оболочек. По мере заполнения каждой новой оболочки химические свойства получающихся элементов образуют плавный ряд, а затем емкость оболочки кончается, и начинает заполняться следующая - отсюда и периодичность. Но тут уж мы вступаем в дебри атомной физики, а она нас сегодня не интересует, нам бы успеть поговорить о ядрах.

Атомные ядра принято называть «нуклидами», от латинского nucleus - ядро. Отсюда же общее название для протонов и нейтронов - «нуклоны». Ядра с одинаковым числом протонов, но разным - нейтронов отличаются по массе, однако их электронные «одежды» совершенно Мария Кюри одинаковы. Это означает, что атомы, отличающиеся друг от друга только числом нейтронов, химически неразличимы, и их надо считать разновидностями одного и того же элемента. Такие элементы называют изотопами (это название в 1910 году предложил английский радиохимик Фредерик Содди, который произвел его от греческих слов isos - равный, одинаковый и topos - место). Изотопы принято обозначать названием или химическим символом элемента, сопровождающимся обозначением общего количества ядерных нуклонов (этот показатель называют «массовым числом»).

Все встречающиеся в природе элементы имеют по несколько изотопов. Скажем, у водорода помимо основной однопротонной версии имеется тяжелая - дейтерий и сверхтяжелая - тритий (исторически сложилось так, что изотопы водорода имеют собственные названия). Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, трития - из протона и двух нейтронов. Второй по счету элемент Периодической системы, гелий, имеет два природных изотопа: весьма редкий гелий-3 (два протона, один нейтрон) и куда более распространенный гелий-4 (два протона и два нейтрона). Элементы чисто лабораторного происхождения тоже, как правило, синтезируют в разных изотопных вариантах.

Отнюдь не все атомные ядра стабильны. Некоторые из них могут самопроизвольно испускать частицы и превращаться в другие нуклиды. Это явление в 1896 году открыл французский физик Антуан Анри Беккерель, который обнаружил, что уран испускает неизвестное науке проникающее излучение. Два года спустя Фредерик Кюри и его жена Мария выявили аналогичное излучение у тория, а затем открыли два нестабильных элемента, еще не вошедших в Периодическую систему - радий и полоний. Мария Кюри назвала загадочный с точки зрения тогдашней науки феномен радиоактивностью. В 1899 году англичанин Эрнест Резерфорд обнаружил, что уран испускает два вида радиации, которые он наименовал альфа- и бета-лучами. Еще через год француз Поль Виллар заметил у урана излучение третьего типа, которое тот же Резерфорд обозначил третьей буквой греческой алфавита - гамма. Позднее ученые открыли и другие виды радиоактивности.

Как альфа-, так и гамма-излучение возникает в результате внутренних перестроек ядра. Альфа-лучи - это просто потоки ядер основного изотопа гелия, гелия-4. Когда радиоактивный нуклид испускает альфа-частицу, его массовое число уменьшается на четыре единицы, а заряд - на две. В результате элемент сдвигается в таблице Менделеева на две клетки влево. Альфа-распад фактически является частным случаем целого семейства распадов, в результате которых ядро перестраивается и теряет нуклоны или группы нуклонов. Существуют распады, при которых ядро испускает единичный протон, или единичный нейтрон, или даже более массивную группу нуклонов, нежели альфа-частица (такие группы называют «тяжелыми кластерами»). А вот гамма-лучи невещественны - это электромагнитные кванты очень высокой энергии. Так что чистый гамма-распад - это, строго говоря, вообще не радиоактивность, поскольку и после него остается ядро с тем же количеством протонов и нейтронов, только находящееся в состоянии со сниженной энергией.

Бета-радиоактивность вызвана ядерными превращениями совершенно иного рода. Частицы, которые Резерфорд назвал бета-лучами, были попросту электронами, что выяснилось очень быстро, Это обстоятельство долго озадачивало ученых, поскольку все попытки найти электроны внутри ядер ни к чему не приводили. Лишь в 1934 году Энрико Ферми догадался, что бета-электроны - результат не внутриядерных перестроек, а взаимных превращений нуклонов. Бета-радиоактивность уранового ядра объясняется тем, что один из его нейтронов превращается в протон и электрон. Бывает бета-радиоактивность иного рода: протон превращается в позитрон и нейтрон (читатель заметит, что при обоих превращениях суммарный электрический заряд сохраняется). При бета-распаде также испускаются сверхлегкие и сверхпроникающие нейтральные частицы - нейтрино (точнее, позитронный бета-распад приводит к рождению собственно нейтрино, а электронный - антинейтрино). При электронном бета-распаде заряд ядра увеличивается на единицу, при позитронном, естественно, на столько же уменьшается.

Для более полного понимания бета-распада приходится копнуть еще глубже. Протоны и нейтроны считались истинно элементарными частицами лишь до середины 60-х годов прошлого века. Сейчас мы точно знаем, что те и другие состоят из троек кварков - куда менее массивных частиц, несущих положительные или отрицательные заряды. Заряд отрицательного кварка равен одной трети заряда электрона, а положительного - двум третям заряда протона. Кварки тесно спаяны друг с другом благодаря обмену особыми безмассовыми частицами - глюонами - ив свободном состоянии попросту не существуют. Так что бета-распады - это на самом деле превращения кварков.

Нуклоны внутри ядра связаны опять-таки обменными силами, переносчиками которых служат другие частицы, пионы (раньше их называли пи-мезонами). Эти связи далеко не так прочны, как глюонное склеивание кварков, именно поэтому ядра и могут распадаться. Внутриядерные силы не зависят от наличия или отсутствия заряда (следовательно, все нуклоyы реагируют друг с другом одинаково) и обладают очень коротким радиусом действия, примерно 1,4x10-15 метра. Размеры атомных ядер зависят от числа нуклонов, но в общем такого же порядка. Скажем, радиус самого тяжелого из встречающихся в природе нуклидов, урана-238, равен 7,4x10-15 метра, у более легких ядер он меньше.

ФИЗИКА ПОСЕРЬЕЗНЕЙ
С ядерным ликбезом мы покончили, перейдем к более интересным вещам. Вот для начала несколько фактов, объяснение которых открывает путь к пониманию различных механизмов нуклидного синтеза.

Факт 1.
На Земле обнаружены первые 92 элемента Периодической системы - от водорода до урана (правда, гелий был сначала открыт по спектральным линиям на Солнце, а технеций, астат, прометий и франций - получены искусственно, но позднее все они были обнаружены в земном веществе). Все элементы с большими номерами были получены искусственно, Их принято называть трансурановыми, стоящими в Периодической системе справа от урана.

Факт 3.
Соотношение между числами внутриядерных протонов и нейтронов отнюдь не произвольно. В стабильных легких ядрах их числа одинаковы или почти одинаковы - скажем, у лития 3:3, у углерода 6:6, у кальция 20:20. Но с ростом атомного номера число нейтронов растет быстрее и в самых тяжелых ядрах превышает число протонов примерно в 1,5 раза. Например, ядро стабильного изотопа висмута сложено из 83 протонов и 126 нейтронов (есть еще 13 нестабильных, у которых количество нейтронов варьирует от 119 до 132). У урана и транс-уранов отношение между нейтронами и протонами приближается к 1,6.

Факт 2.
Все элементы имеют нестабильные изотопы, встречающиеся в природе или искусственные. Например, дейтерий стабилен, а вот тритий претерпевает бета-распад, (К слову, сейчас известно около двух тысяч радиоактивных нуклидов, многие из которых применяются в различных технологиях и потому выпускаются в промышленных масштабах.) А вот стабильные изотопы есть только у первых 83 элементов таблицы Менделеева - от водорода до висмута. Девять самых тяжелых природных элементов: полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, торий, протактиний и уран - радиоактивны во всех своих изотопных вариантах. Все без исключения трансураны также нестабильны.

Как объяснить эту закономерность? Почему не бывает ядер углерода, скажем, с 16 нейтронами (этот элемент имеет 13 изотопов с числом нейтронов от 2 до 14, однако, помимо основного изотопа, уг-лерода-12, стабилен только углерод-13)? Почему нестабильны все нуклиды с числом протонов свыше 83?

Карта стабильности атомных ядер

Атомная масса возрастает от верхней части карты к нижней. Число протонов увеличивается к нижнему правому углу, число нейтронов – к нижнему левому. Самый нижний красный блок – 112-й элемент.

В учебниках ядерной физики можно найти очень наглядную диаграмму, которую называют картой изотопов или долиной ядерной стабильности. По ее горизонтальной оси отложено число нейтронов, по вертикальной - протонов. Каждому изотопу соответствует определенная точка, скажем, основному изотопу гелия - точка с координатами (2,2). На этой диаграмме хорошо видно, что все реально существующие изотопы сосредоточены на довольно узкой полосе. Сначала ее наклон к оси абсцисс составляет примерно 45 градусов, затем он несколько уменьшается. В центре полосы концентрируются стабильные изотопы, а по бокам - склонные к тем или иным распадам.

Тут-то и возникает неясность. Понятно, что ядра не могут состоять из одних протонов - их разрывали бы силы электрического отталкивания. Но нейтроны вроде бы должны увеличивать межпротонные дистанции и тем самым это отталкивание ослаблять. А ядерные силы, которые объединяют нуклоны в ядре, как уже говорилось, действуют одинаково и на протоны, и на нейтроны. Казалось бы, чем больше в ядре нейтронов, тем оно стабильней. И если это не так, то почему?

Вот объяснение «на пальцах». Ядерная материя подчиняется законам квантовой механики. Нуклоны обоих видов имеют полуцелый спин, а потому, как и все прочие такие частицы (фермионы), подчиняются принципу Паули, который запрещает одинаковым фермионам занимать одно и то же квантовое состояние. Это означает, что количество фермионов данного вида в определенном состоянии может выражаться лишь двумя числами - 0 (состояние не занято) и 1 (состояние заполнено).

В квантовой механике, в отличие от классической, все состояния дискретны. Ядро не разваливается потому, что нуклоны в нем стянуты воедино ядерными силами. Это можно наглядно представить такой картинкой - частицы сидят в колодце и просто так оттуда выскочить не могут. Физики тоже пользуются этой моделью, называя колодец потенциальной ямой. Протоны и нейтроны не одинаковы, поэтому рассаживаются в двух ямах, а не в одной. И в протонной, и в нейтронной яме имеется набор уровней энергии, которые могут занимать провалившиеся в нее частицы. Глубина каждой ямы зависит от усредненного силового взаимодействия между ее пленниками.

Теперь вспомним, что протоны взаимно отталкиваются, а нейтроны - нет. Следовательно, протоны спаяны слабее, нежели нейтроны, поэтому их потенциальная яма не так глубока. Для легких ядер это различие невелико, однако оно нарастает по мере увеличения заряда ядра. А вот энергии самых верхних непустых уровней в обеих ямах должны совпадать. Если бы верхний заполненный нейтронный уровень был выше верхнего протонного, ядро могло бы снизить свою суммарную энергию, «вынудив» занимающий его нейтрон претерпеть бета-распад и превратиться в протон. А коль скоро такое превращение было бы энергетически выгодным, оно бы со временем случилось, ядро оказалось бы нестабильным. Тот же самый финал имел бы место, если бы какой-то протон посмел превысить свой энергетический масштаб.

Вот мы и нашли объяснение. Если протонная и нейтронная ямы обладают почти равной глубиной, что характерно для легких ядер, то числа протонов и нейтронов тоже оказываются примерно одинаковыми. По мере движения вдоль таблицы Менделеева число протонов нарастает, и глубина их потенциальной ямы все более отстает от глубины нейтронного колодца. Поэтому тяжелые ядра должны иметь в своем составе больше нейтронов, нежели протонов. А вот если искусственно сделать эту разницу слишком большой (скажем, бомбардируя ядро медленными нейтронами, которые не разбивают его на осколки, а просто «приклеиваются), нейтронный уровень сильно поднимется над протонным, и ядро распадется. Эта схема, конечно, предельно упрощена, но в принципе правильна.

Пойдем дальше. Коль скоро по мере увеличения атомного номера наблюдается прогрессирующее превышение числа нейтронов над протонами, которое снижает стабильность ядер, все тяжелые нуклиды обязаны быть радиоактивными. Это и в самом деле так, не будем повторять наш Факт 2. Более того, вроде бы мы вправе предположить, что тяжелеющие нуклиды будут становиться все менее стабильными, иначе говоря, продолжительность их жизни будет постоянно снижаться. Этот вывод выглядит абсолютно логичным, но он неверен.

ЗАВЕТНЫЙ ОСТРОВ
Начнем с того, что описанная выше схема многого не учитывает. Например, имеется так называемый эффект нуклонного спаривания. Он состоит в том, что два протона или два нейтрона могут вступить в тесный союз, образовав внутри ядра полуавтотомное состояние с нулевым угловым моментом. Члены таких пар сильнее притягиваются друг к другу, что повышает устойчивость всего ядра. Именно поэтому при прочих равных условиях наибольшую стабильность проявляют ядра с четными числами протонов и нейтронов, а наименьшую - с нечетными. Стабильность ядер зависит и от ряда других обстоятельств, слишком специальных, чтобы их здесь обсуждать.

Но главное даже не в этом. Ядро - это не просто гомогенное скопление нуклонов, хотя бы и спаренных. Многочисленные эксперименты уже давно убедили физиков, что ядро, скорее всего, обладает слоистой структурой. Согласно этой модели, внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, которые в чем-то похожи на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особенно устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих полностью заполненным оболочкам, называются магическими. Некоторые из таких чисел надежно определены в экспериментах - это, например, 2, 8 и 20.

И вот здесь-то начинается самое интересное. Оболочечные модели позволяют вычислять магические числа сверхтяжелых ядер - правда, без полной гарантии. Во всяком случае есть все основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Следовательно, можно предполагать, что изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей. Особые надежды возлагаются на последний изотоп, поскольку он оказывается дважды магическим. Согласно наимено-вочной конвенции, о которой говорилось в первом разделе, его надо называть унбигексий-310.

Итак, можно надеяться, что существуют еще не открытые сверхтяжелые нуклиды, которые живут очень долго, во всяком случае, по меркам своего ближайшего окружения. Физики называют это гипотетическое семейство «островом стабильности». Гипотезу о его существовании впервые высказал замечательный американский физик-ядерщик (или, если угодно, химик-ядерщик) Гленн Сиборг, Нобелевский лауреат 1951 года. Он был руководителем или ключевым членом команд, создавших все девять элементов от 94-го (плутоний) до 102-го (нобелий), а также 106-й элемент, названный в его честь сиборгием.
Теперь можно ответить и на вопрос, которым заканчивается первый раздел. Синтез сверхтяжелых элементов, помимо всего прочего, шаг за шагом приближает физиков-ядерщиков к их святому Граалю - острову ядерной стабильности. Никто не может с уверенностью сказать, достижима ли эта цель, однако открытие заветного острова стало бы великим успехом науки.

114 элемент уже создан – это унунквадий. Сейчас он синтезирован в пяти изотопных версиях с числом нейтронов от 171 до 175. Как видим, до 184 нейтронов еще далеко. Однако самые стабильные изотопы унунквадия имеют период полураспада чуть меньше 3 секунд. Для 113-го элемента этот показатель составляет около половины секунды, для 115-го – менее одной десятой. Это обнадеживает.

Ускоритель У-400 в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна),

на котором был получен 118-й элемент

СИНТЕЗ 118-ГО
Все искусственные элементы с 93-го до сотого были | впервые получены [ при облучении ядер | нейтронами или ядрами дейтерия ] (дейтонами). Это не 1 всегда происходило в лаборатории. Элементы 99 и 100 - эйнштейний и фермий - были впервые идентифицированы при радиохимическом анализе проб вещества, собранных в районе тихоокеанского атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк». Его оболочка была изготовлена из урана-238. Во время взрыва урановые ядра успевали поглотить до пятнадцати нейтронов, а затем претерпевали цепочки бета-распадов, которые в конечном счете и приводили к образованию изотопов этих двух элементов. Кстати, некоторые из них живут довольно долго - так, период полураспада эйнштейния-254 составляет 480 суток.

Трансфермиевые элементы с номерами более 100 синтезируются посредством бомбардировки массивных, но не слишком быстро распадающихся нуклидов тяжелыми ионами, разогнанными в специальных ускорителях. Среди лучших в мире машин этого рода - циклотроны У-400 и У-400М, принадлежащие Лаборатории ядерных реакций имени Г. М. Флерова Объединенного института ядерных исследований. На ускорителе У-400 и был синтезирован 118-й элемент, унуноктий. В таблице Менделеева он расположен в точности под радоном и, значит, должен быть благородным газом.
Впрочем, об исследовании химических свойств унуноктия говорить еще рано. В 2002 году было получено лишь одно ядро его изотопа с атомным весом 294 (118 протонов, 176 нейтронов), в 2005-м - еще два. Жили они недолго - около миллисекунды. Их изготовили посредством бомбардировки мишени из калифор-ния-249 ускоренными ионами кальция-48. Общее число кальциевых «пулек» составило 2x1019! Так что производительность унуноктиевого генератора крайне мала. Впрочем, это типичная ситуация. Зато объявленные результаты считаются вполне надежными, вероятность ошибки не превышает тысячной доли процента.

Ядра унуноктия претерпевали серию альфа-распадов, последовательно превращаясь в изотопы 116-го, 114-го и 112-го элементов. Последний, уже упоминавшийся унунбий, живет очень недолго и делится на тяжелые осколки примерно одинаковой массы.

Вот пока что и вся история. В 2007 году те же экспериментаторы надеются изготовить ядра 120-го элемента, бомбардируя плутониевую мишень ионами железа. Штурм острова стабильности продолжается.

Что нового в науке и технике, № 1, 2007

Сверхтяжелые элементы на островке устойчивости

Теоретическое и экспериментальное изучение устойчивости ядра дало советским физикам повод для пересмотра применявшихся до сих пор методов получения тяжелых трансуранов . В Дубне решили пойти новыми путями и взять в качестве мишени свинец и висмут .

Ядро, как и атом в целом, имеет оболочечное строение . Особой устойчивостью отличаются атомные ядра, содержащие 2-8-20- 28-50-82-114-126-164 протонов (то есть ядра атомов с таким порядковым номером) и 2-8-20-28-50-82-126-184-196- 228-272-318 нейтронов, вследствие законченного строения их оболочек. Только недавно удалось подтвердить эти воззрения расчетами с помощью ЭВМ.

Такая необычная устойчивость бросилась в глаза, прежде всего, при изучении распространенности некоторых элементов в космосе. Изотопы , обладающие этими ядерными числами, называют магическими. Изотоп висмута 209 Bi, имеющий 126 нейтронов, представляет такой магический нуклид. Сюда относятся также изотопы кислорода, кальция, олова . Дважды магическими являются: для гелия - изотоп 4 Не (2 протона, 2 нейтрона), для кальция - 48 Са (20 протонов, 28 нейтронов), для свинца - 208 Pb (82 протона, 126 нейтронов). Они отличаются совершенно особой прочностью ядра.

Используя источники ионов нового типа и более мощные ускорители тяжелых ионов - в Дубне были спарены агрегаты У-200 и У-300, группа Г. Н. Флёрова и Ю. Ц. Оганесяна вскоре стала располагать потоком тяжелых ионов с необычайной энергией. Чтобы достичь слияния ядер, советские физики выстреливали ионами хрома с энергией 280 МэВ в мишени из свинца и висмута. Что могло получиться? В начале 1974 года атомщики в Дубне зарегистрировали при такой бомбардировке 50 случаев, указывающих на образование 106-го элемента , который, однако, распадается уже через 10 -2 с. Эти 50 атомных ядер образовались по схеме:

208 Pb + 51 Cr = 259 X

Немного позднее Гиорсо и Сиборг из лаборатории Лоуренса в Беркли сообщили, что они синтезировали изотоп нового, 106 -го, элемента с массовым числом 263 путем обстрела калифорния-249 ионами кислорода в аппарате Super-HILAC.

Какое имя будет носить новый элемент? Откинув прежние разногласия, обе группы в Беркли и Дубне, соперничающие в научном соревновании, пришли на этот раз к единому мнению. О названиях говорить еще рано, сказал Оганесян. А Гиорсо дополнил, что решено воздержаться от всяких предложений о наименовании 106-го элемента вплоть до прояснения ситуации.

К концу 1976 года дубнинская лаборатория ядерных реакций закончила серию опытов по синтезу 107-го элемента; в качестве исходного вещества дубнинским "алхимикам" послужил "магический " висмут-209. При обстреле ионами хрома с энергией 290 МэВ он превращался в изотоп 107 -го элемента:

209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2n

107-й элемент самопроизвольно распадается с периодом полураспада 0,002 с и, кроме того, излучает альфа-частицы.

Найденные для 106- и 107-го элементов периоды полураспада 0,01 и 0,002 с заставили насторожиться. Ведь они оказались на несколько порядков больше, чем предсказывали расчеты ЭВМ. Быть может, на 107-й элемент уже заметно влияла близость последующего магического числа протонов и нейтронов - 114, повышающая устойчивость?
Если это так, то была надежда получить и долгоживущие изотопы 107-го элемента, например обстрелом берклия ионами неона. Расчеты показали, что образующийся по этой реакции изотоп, богатый нейтронами, должен был бы обладать периодом полураспада, превышающим 1 с. Это позволило бы изучить химические свойства 107-го элемента - экарения .

Самый долгоживущий изотоп первого трансурана, элемента 93 - нептуний-237,- обладает периодом полураспада 2 100 000 лет; самый устойчивый изотоп 100-го элемента - фермий-257- только 97 дней. Начиная с 104-го элемента периоды полураспада составляют лишь доли секунды. Поэтому, казалось, что нет абсолютно никакой надежды обнаружить эти элементы. Для чего же нужны дальнейшие исследования?

Альберт Гиорсо, ведущий специалист США по трансуранам, высказался однажды в этой связи: "Причиной для продолжения поисков дальнейших элементов является просто-напросто удовлетворение человеческого любопытства - а что же происходит за следующим поворотом улицы? " Однако это, конечно, не просто научное любопытство. Гиорсо давал все же понять, как важно продолжение такого фундаментального исследования.

В 60-е годы теория магических ядерных чисел приобретала все большее значение. В "море неустойчивости" ученые отчаянно пытались найти спасительный "островок относительной устойчивости ", на который могла бы твердо опереться нога исследователя атома. Хотя этот островок до сих пор еще не открыт, "координаты" его известны: элемент 114, экасвинец , считается центром большой области устойчивости. Изотоп-298 элемента 114 уже давно является особым предметом научных споров, ибо, имея 114 протонов и 184 нейтрона, он представляет собой одно из тех дважды магических атомных ядер, которым предсказывают длительное существование. Однако что же означает длительное существование?

Предварительные расчеты показывают: период полураспада с выделением альфа-частиц колеблется от 1 до 1000 лет, а по отношению к самопроизвольному делению - от 10 8 до 10 16 лет. Такие колебания, как указывают физики, объясняются приближенностью "компьютерной химии". Весьма обнадеживающие значения периодов полураспада предсказывают для следующего островка устойчивости - элемента 164, двисвинца . Изотоп 164-го элемента с массовым числом 482 - также дважды магический: его ядро образуют 164 протона и 318 нейтронов.

Науку интересуют и просто магические сверхтяжелые элементы , как, например, изотоп-294 элемента 110 или изотоп-310 элемента 126, содержащие по 184 нейтрона. Диву даешься, как исследователи вполне серьезно жонглируют этими воображаемыми элементами, будто они уже существуют. Из ЭВМ извлекаются все новые данные и сейчас уже определенно известно, какими свойствами - ядерными, кристаллографическими и химическими - должны обладать эти сверхтяжелые элементы . В специальной литературе накапливаются точные данные для элементов, которые люди, быть может, откроют лет через 50.

В настоящее время атомщики путешествуют по морю неустойчивости в ожидании открытий. За их спинами осталась твердая земля: полуостров с естественными радиоактивными элементами, отмеченный возвышенностями тория и урана, и далеко простирающаяся твердая земля со всеми прочими элементами и вершинами свинца, олова и кальция .
Отважные мореплаватели уже давно находятся в открытом море. На неожиданном месте они нашли отмель: открытые 106 и 107-й элементы устойчивее, чем ожидалось.

В последние годы мы долго плыли по морю неустойчивости, рассуждает Г. Н. Флёров, и вдруг, в последний момент, почувствовали землю под ногами. Случайная подводная скала? Либо песчаная отмель долгожданного островка устойчивости? Если правильно второе, то у нас есть реальная возможность создать новую периодическую систему из устойчивых сверхтяжелых элементов , обладающих поразительными свойствами.

После того, как стала известна гипотеза об устойчивых элементах вблизи порядковых номеров 114, 126, 164, исследователи всего мира набросились на эти "сверхтяжелые " атомы. Некоторые из них, с предположительно большими периодами полураспада, надеялись обнаружить на Земле или в Космосе, по крайней мере в виде следов. Ведь при возникновении нашей Солнечной системы эти элементы так же существовали, как и все прочие.

Следы сверхтяжелых элементов - что следует под этим понимать? В результате своей способности самопроизвольно делиться на два ядерных осколка с большой массой и энергией эти трансураны должны были бы оставить в находящейся по соседству материи отчетливые следы разрушения.
Подобные следы можно увидеть в минералах под микроскопом после их травления. С помощью такого метода следов разрушения можно в настоящее время проследить существование давно погибших элементов. Из ширины оставленных следов можно оценить и порядковый номер элемента - ширина трека пропорциональна квадрату заряда ядра.
"Живущие" еще сверхтяжелые элементы надеются также выявить, исходя из того, что они многократно испускают нейтроны. При самопроизвольном процессе деления эти элементы испускают до 10 нейтронов.

Следы сверхтяжелых элементов искали в марганцевых конкрециях из глубин океана, а также в водах после таяния ледников полярных морей. До сих пор безрезультатно. Г. Н. Флёров с сотрудниками исследовал свинцовые стекла древней витрины XIV века, лейденскую банку XIX века, вазу из свинцового хрусталя XVIII века.
Сначала несколько следов самопроизвольного деления указали на экасвинец - 114-й элемент. Однако, когда дубнинские ученые повторили свои измерения с высокочувствительным детектором нейтронов в самом глубоком соляном руднике Советского Союза, то положительного результата не получили. На такую глубину не могло проникнуть космическое излучение, которое, по-видимому, вызвало наблюдавшийся эффект.

В 1977 году профессор Флёров предположил, что он наконец обнаружил "сигналы нового трансурана " при исследовании глубинных термальных вод полуострова Челекен в Каспийском море.
Однако число зарегистрированных случаев было слишком мало для однозначного отнесения. Через год группа Флёрова зарегистрировала уже 150 спонтанных делений в месяц. Эти данные получены при работе с ионообменником, заполненным неизвестным трансураном из термальных вод. Флёров оценил период полураспада присутствовавшего элемента, который он еще не смог выделить, миллиардами лет.

Другие исследователи пошли иными путями. Профессор Фаулер и его сотрудники из Бристольского университета предприняли эксперименты с аэростатами на большой высоте. С помощью детекторов малых количеств ядер были выявлены многочисленные участки с зарядами ядер, превышающими 92. Английские исследователи считали, что один из следов указывает даже на элементы 102...108. Позднее они внесли поправку: неизвестный элемент имеет порядковый номер 96 (кюрий ).

Как же попадают эти сверхтяжелые частички в стратосферу земного шара? До настоящего времени выдвинуто несколько теорий. Согласно им, тяжелые атомы должны возникать при взрывах сверхновых звезд либо при других астрофизических процессах и достигать Земли в виде космического излучения или пыли - но только через 1000 - 1 000 000 лет. Эти космические осадки в настоящее время ищут как в атмосфере, так и в глубинных морских отложениях.

Значит, сверхтяжелые элементы могут находиться в космическом излучении? Правда, по оценке американских ученых, предпринявших в 1975 году эксперимент "Скайлэб", такая гипотеза не подтвердилась. В космической лаборатории, облетавшей Землю, установили детекторы, поглощающие тяжелые частички из космоса; обнаружены были лишь треки известных элементов .
Лунная пыль, доставленная на Землю после первой посадки на Луну в 1969 году, не менее тщательно обследовалась на присутствие сверхтяжелых элементов. Когда нашли следы "долгоживущих" частичек до 0,025 мм, некоторые исследователи сочли, что их можно приписать элементам 110 - 119.

Аналогичные результаты дали исследования аномального изотопного состава благородного газа ксенона, содержащегося в различных образцах метеоритов. Физики высказали мнение, что этот эффект можно объяснить лишь существованием сверхтяжелых элементов.
Советские ученые в Дубне, которые проанализировали 20 кг метеорита Алленде, упавшего в Мексике осенью 1969 года, в результате трехмесячного наблюдения смогли обнаружить несколько спонтанных делений.
Однако после того, как было установлено, что "природный" плутоний-244 , некогда являвшийся составной частью нашей Солнечной системы, оставляет совершенно сходные следы, интерпретацию стали проводить осторожнее.