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.
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.
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
Сколько элементов в химической таблице Менделеева? Все ли они занимают стабильное, устойчивое и безусловное место? О границах существования элементов в природе, нейтронной материи и синтезе сверхтяжелых элементов - член-корреспондент РАН Юрий Оганесян и доктор физико-математических наук Михаил Иткис.
Тезисы для дискуссии:
Что мы знаем и что хотим понять по проблеме синтеза сверхтяжелых элементов?
Есть ли границы существования элементов в природе?
Как происходил нуклеосинтез элементов во Вселенной?
Что обуславливает возможную стабильность сверхтяжелых элементов?
Насколько эта проблема фундаментальна и есть ли у нее политический аспект?
Возможности современной экпериментальной техники для ее решения.
Что такое нейтронная материя? Можно ли изучать ее в лабораторных условиях, а не только в процессе исследования астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды и т. д.? Тенденции в мировой науке.
Нужно ли обществу изучение вышеуказанных фундаментальных проблем науки? Приводит ли оно к появлению новых идей в виде новых технологий, источников энергии, медицинских приборов и т. п.
Обзор темы
Известно, что все элементы от самого легкого (водорода) до самого тяжелого (урана) составляют окружающий нас мир. Они существуют в Земле. Это значит, что время их жизни больше, чем возраст самой Земли. Все элементы после урана - тяжелее его. Они образовались когда-то в процессе нуклеосинтеза, но не дожили до наших дней. Сегодня их можно получить только искусственным способом.
Концепция атома общеизвестна: ядро, которое содержит всю массу атома и его положительный заряд, и электронные орбитали. Гипотетически оно может существовать до атомных номеров: 160 и, быть может, 170. Однако граница существования элементов намечается значительно раньше, и причина кроется в нестабильности самого ядра. Поэтому вопрос о пределах существования элементов должен быть адресован ядерной физике. Если посмотреть на ядра, которые содержат разное число протонов и нейтронов, то стабильные элементы встречаются только до свинца и висмута. Затем (рис. 1) расположен «небольшой полуостров», в котором обнаружены в Земле только торий и уран. Из этого следует, что вопрос о пределах существования элементов зависит от стабильности ядер, и должен быть адресован ядерной физике.
Рис. 1. Карта изотопов с атомными номерами 70 Zі. Стабильность атомов показана плотностью цвета согласно правой шкале. Для области 112 Zі и 165 Zі приведены теоретические предсказания периодов полураспада гипотетических сверхтяжелых атомов.
Как только мы продвигаемся за уран, время жизни ядер резко падает. Изотопы заурановых элементов радиоактивны, они испытывают альфа-распад. Время жизни ядер уменьшается в логарифмическом масштабе. Эта логарифмическая шкала показывает, что от урана (92-элемента) до 100-го элемента стабильность ядер уменьшается на 20 с лишним порядков.
На самом деле, положение оказалось еще более сложным. Спонтанное деление - четвертый тип радиоактивности - настигает альфа-распад в области 100-го элемента, и в дальнейшем время жизни ядер уменьшается значительно быстрее.
Спонтанное деление было открыто К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым 60 лет тому назад как редкая разновидность распада урана. Оно становится основным, когда речь заходит о более тяжелых элементах.
Объяснение явления спонтанного деления было дано Нильсом Бором в 1939 г. Согласно Н. Бору, подобный процесс может произойти, если предположить, что ядерное вещество обладает свойствами бесструктурной материи типа капли заряженной жидкости. Если капля испытывает деформацию под действием электрических сил, то ее потенциальная энергия растет до определенного предела, а затем уже необратимо уменьшается с ростом деформации до тех пор, пока капля не разделится на две части. Таким образом у ядра урана возникнет некий барьер, который удерживает это ядро от деления на протяжении 10 16 лет.
Если перейти от урана к более тяжелому элементу, в ядре которого кулоновские силы значительно больше, барьер понижается, и вероятность деления сильно возрастает. Наконец, при дальнейшем увеличении заряда ядра мы придем к пределу, когда уже нет никакого барьера, т. е. когда даже сферическая форма капли оказывается неустойчивой к разделению на две части.
Это и есть предел стабильности ядра. Согласно расчетам Бора и Уиллера этот предел ожидался для элементов с атомными номерами 104–106.
Совершенно неожиданным было обнаружение в 1962 г. в Дубнинской лаборатории ядерных реакций еще и другого периода полураспада у тяжелых ядер, включая уран. Т. е. у одного и того же ядра могут быть два однотипных распада с различной вероятностью, или два времени жизни. Для урана - одно время составляет 10 16 лет, что и было обнаружено Флеровым и Петржаком, а второе очень короткое, всего 0,3 микросекунды. При двух периодах полураспада надо полагать наличие у ядра двух состояний, из которых происходит деление. Это никаким образом не вписывается в представление о капле.
Два состояния могут быть только в том случае, если тело не аморфное, а имеет внутреннюю структуру.
Итак, ядерное вещество не является полным аналогом капли заряженной жидкости
Капля есть некое приближение к описанию ядерной материи; ядро же имеет внутреннюю структуру.
Вопросами ядерной структуры серьезно занялись теоретики-ядерщики; в нашей стране - В. М. Струтинский, С. Т. Беляев, В. В. Пашкевич и др. Они решали довольно сложную задачу - как объяснить, что барьер урана является двугорбым и как меняется структура ядра при его деформации.
И это было объяснено. Но если найденное теоретиками объяснение правильно отражает свойства ядер, то когда мы придем к сверхтяжелым элементам, картина будет совсем не такой, как прогнозировалось для капли жидкости. В тяжелых элементах эта структура будет проявляться в полной мере там, где капля несостоятельна, и будет возникать так называемый структурный барьер. А это означает, что ядро может жить очень долго.
Этот нетривиальный вывод теории привел, по существу, к предсказанию гипотетической области стабильности сверхтяжелых элементов, расположенных далеко от тех элементов, которые известны и с которыми мы привыкли работать.
Как только это было предсказано, все крупнейшие лаборатории мира буквально бросились на то, чтобы экспериментально проверить эту гипотезу. Этим занимались в Соединенных Штатах, во Франции, в Германии. Однако во всех опытах были получены отрицательные результаты.
Последние два года в Дубнинской лаборатории проводились эксперименты по синтезу новых, самых тяжелых элементов с атомными номерами 114 и 116. Задача состояла в том, чтобы получить атомы новых элементов, ядра которых обладают большим избытком нейтронов. Только в этом случае мы смогли бы приблизиться к границам гипотетического «острова стабильности» и наблюдать увеличение времени жизни сверхтяжелых ядер.
Результаты опытов привели к выводу о том, что «остров стабильности» действительно существует.
Каковы пути получения (синтеза) сверхтяжелых ядер? Сначала использовался нейтронный метод синтеза, когда в ядро вгоняется очень много нейтронов. В этом случае естественным было бы облучение исходно стартового вещества мощным потоком нейтронов. Для этого использовались все более и более мощные реакторы. Однако, реакторный способ синтеза исчерпал себя на фермии (элементе с атомным номером 100), потому что изотоп фермия с массой 258, который должен получаться в результате захвата нейтронов, живет всего 0,3 миллисекунды. Вся цепочка последовательного захвата нейтронов разорвалась на ступени захвата 20-го нейтрона. Здесь же необходимо пройти более 60 ступеней. Нейтронный метод не пошел.
Попытка американских исследователей использовать другой способ - получить сверхтяжелые элементы в ядерных взрывах, т. е. в мощном импульсном потоке нейтронов, в конечном итоге привела к образованию того же изотопа 100-го элемента с массой 257.
Бесперспективность нейтронного метода привела к идее использовать принципиально иной способ синтеза сверхтяжелых элементов, который начал развиваться в середине 50-х годов - «тяжело-ядерный». Он заключается в том, что два тяжелых ядра сталкиваются друг с другом в надежде на то, что они сольются и как результат получится ядро суммарной массы. Для того, чтобы произошла такая реакция, одно из ядер необходимо разогнать до скорости примерно 0,1 скорости света. Эту функцию выполняют ускорители. То, что мы знаем сегодня о свойствах тяжелых элементов второй сотни, было получено с помощью ускорителей тяжелых ионов в реакциях этого типа.
Каковы свойства трансурановых элементов?
Если 92-элемент - уран живет миллиард лет, то тяжелое ядро 112-элемента живет всего 0,1 миллисекунды. Действительно, увеличение атомного номера на 20 единиц приводит к уменьшению времени жизни ядра более чем в 10 20 раз. Однако, «остров стабильности» расположен там, где ядра содержат значительно больше нейтронов. Поэтому надо двигаться в сторону более нейтронно-избыточных ядер. Это трудно осуществить, так как в стабильных нуклидах отношение числа протонов к числу нейтронов строго определено. Было решено использовать реакции, в которых большой нейтронный избыток изначально задан как в ядре материала мишени, который нарабатывается в ядерном реакторе, так и в ядре-снаряде, который в данном случае был выбран в качестве ядра кальция-48.
Кальций-48 - стабильный изотоп кальция, элемента с атомным номером 20. Кальция в природе много. Но изотоп кальция с массой 48 крайне редок. Его содержание в обычном кальции всего 0,18%. Выделить его из кальция - задача неимоверно трудная. Тем не менее, если бы нам удалось ускорить ионы кальция-48, то, облучая уран, плутоний или кюрий, мы могли бы пробраться в заветную область, где ожидается подъем стабильности, и там должны были бы почувствовать эффект резкого подъема времени жизни сверхтяжелых элементов.
В конкретном эксперименте была выбрана реакция, где в качестве исходного вещества использовался плутоний (Z = 94), его самый тяжелый изотоп с массой 244, а в качестве бомбардирующего иона изотоп кальция-48. Мы рассчитывали на то, что реакция слияния этих ядер приведет к образованию 114-элемента, который должен быть более устойчивым по сравнению с элементами, поученными ранее.
Для того, чтобы поставить подобный опыт, нужно было создать ускоритель с мощностью пучка кальция-48, превосходящую все известные ускорители в десятки раз. При этом он должен был дать высокую интенсивность ускоренных ионов и расходовать как можно меньше дорогостоящего кальция-48. Это потребовало длительных и напряженных поисков решения задачи. В конце концов решение было найдено и в течение 5 лет такой ускоритель в Дубне был создан. При очень малом расходе вещества (0,3 мг/час) была получена интенсивность пучка в несколько единиц на 10 12 ионов в сек. Теперь можно было ставить эксперимент в сто и в тысячу раз более чувствительный, чем это делалось ранее дубнинцами и их коллегами в других странах на протяжении последних 25 лет.
Суть самого эксперимента состояла в следующем. Получив пучок кальция, облучается мишень из плутония. Тяжелый изотоп плутония-244 был предоставлен Ливерморской Национальной Лабораторией (США). Если в результате процесса слияния двух ядер образуются атомы нового элемента, то они должны вылетать из мишени и вместе с пучком продолжать движение вперед. Здесь их надо отделить от ионов кальция-48 и других продуктов реакции. Эту функцию выполняет сепаратор (рис. 2), в котором присутствует поперечное электрическое поле. Поскольку скорости ядер разные, пучок утыкается в стопер, в то время как тяжелые ядра отдачи 114-элемента совершают криволинейную траекторию и в конце концов доходят до детектора. Детектор распознает тяжелое ядро и фиксирует его распад.
Что, собственно говоря, можно ожидать дальше? Если справедлива гипотеза о том, что существует «остров стабильности» в области сверхтяжелых элементов и эти ядра очень устойчивы относительно спонтанного деления, они должны испытывать другой тип распада - альфа-распад.
Иными словами, ядра на вершине и вблизи вершины этого острова, устойчивые к спонтанному делению, должны быть альфа-радиоактивными. Альфа-радиоактивное ядро, как известно, спонтанно выбрасывает альфа-частицу (ядро гелия), состоящую из двух протонов и двух нейтронов, переходя в дочернее ядро. Для выбранной реакции - это переход 114-го в 112-й элемент. Ядра 112-го элемента тоже должны испытывать альфа-распад и переходить в ядра 110-го элемента и т. д. Но по мере последовательных альфа-распадов мы все дальше и дальше отдаляемся от вершины стабильности и в конце концов попадем в море нестабильности, где преобладающим типом распада будет спонтанное деление. Для экспериментатора это весьма яркая картина: в результате последовательных альфа-распадов, каждый из которых оставляет в детекторе энергию около 10 МэВ, происходит деление, в котором сразу высвобождается энергия около 200 МэВ. На этом цепочка распадов обрывается.
Такую цепочку можно наблюдать, если справедлива теоретическая гипотеза. Действительно, в течение эксперимента, который продолжался непрерывно три месяца, ученые впервые наблюдали то, что ждали.
Рис. 3а. Цепочки последовательных распадов сверхтяжелых атомов с Z = 114 и 116, зарегистрированных в ядерных реакциях с ионами 48 Са. Для каждого распада указаны значения энергии, времени прихода сигнала и его позиционной координаты на поверхности детектора площадью 50 см².
После того, как ядро отдачи пришло в детектор, который измеряет его энергию, скорость и координаты места его остановки с высокой точностью, была зарегистрирована альфа-частица с энергией 9,87 МэВ через секунду после остановки. Интересно, что в самом тяжелом ядре, синтезированном ранее, это время занимало всего одну десятитысячную долю секунды. Здесь - секунда.
Затем, спустя 10,3 секунды (тоже долгое время), вылетела вторая альфа-частица с энергией 9,21 МэВ и затем, спустя 14,5 секунд, произошло спонтанное деление. Вся цепочка распадов заняла время около 0,5 минут.
Второе событие было такое же, как первое. Оба эти события совпадают друг с другом по 13-ти параметрам. Поэтому вероятность случайных совпадений сигналов в детекторе, имитирующих подобный распад, составляет всего 10 −16 .
В этом же эксперименте наблюдалось и другое событие, значительно более долгоживущее. Здесь уже распад исчисляется минутами и десятками минут.
Если отклониться в область ядер с дефицитом нейтронов, то спонтанное деление становится все более и более вероятным, что и было обнаружено (когда вместо мишени из плутония-244 использовался более легкий изотоп - плутоний-242). Это точно воспроизводит сценарий, который был предсказан теорией о том, что остров находится справа, среди ядер, обогащенных нейтронами.
Таким образом, синтезированные ядра-изотопы 114-элемента и их дочерние продукты альфа-распада, новые изотопы 112 и 110 элементов уже испытывают действия этих структурных сил, формирующих «остров стабильности» сверхтяжелых элементов. И несмотря на то, что они находятся на значительном расстоянии от вершины острова, тем не менее, их времена составляют минуты и десятки минут (рис. 4). Это примерно на 5 порядков повышает их стабильность по сравнению с изотопами тех же элементов, находящихся вдали от границы острова.
Уникальное вещество - кюрий-248 было получено на мощном реакторе НИИ Атомных Реакторов в г. Димитровграде. Наблюдение цепочки распадов 116-элемента было бы еще одним доказательством получения 114-элемента - в первом случае он был получен непосредственно при облучении плутониевой мишени; в этой же реакции в результате распада более тяжелого родителя.
Рис. 4. Карта нуклидов с указанием цепочек радиоактивного распада атомов, синтезированных в ядерных реакциях под действием ускоренных ионов 48 Са. Топографический фон демонстрирует силу структурных эффектов в ядре атома.
Такой эксперимент был поставлен недавно - и здесь ученые пошли на некоторый риск.
Если в реакции образуется 116-элемент, то после его альфа-распада должно быть получено ядро 114-элемента; иными словами, в этом опыте ученые должны были еще раз (уже третий) наблюдать кроме 116-элемента всю цепочку распада 114-элемента.
После вылета альфа-частицы от распада 116-элемента, ускоритель выключался, и выключалось все силовое оборудование в лаборатории для того, чтобы создать абсолютно бесфоновые условия. Действительно, после того, как тяжелое ядро отдачи пришло в детектор, спустя 47 миллисекунд, вылетела альфа-частица с энергией 10,56 МэВ, которая отключила все мощное оборудование. После этого в совершенно спокойных условиях наблюдался вылет еще одной альфа-частицы, затем другой и следом - спонтанное деление.
Если сравнить цепочку распадов после отключения ускорителя с тем, что наблюдалось для 114-элемента, то можно увидеть полное совпадение по всем параметрам (рис. 3b). Это действительно был распад 114-го элемента, а, стало быть, предыдущая альфа-частица относится к 116-му. Произошло это 19 июля 2000 года. В 2001 году опыт был продолжен и в результате были синтезированы еще 2 ядра 116 элемента.
Теперь можно сравнить предсказание теории и результаты, полученные в эксперименте. Для 116-го элемента согласно теории с увеличением числа нейтронов в ядре от 166 до 176 время жизни ядра должно было возрасти на 5 порядков. Эксперимент дал величину примерно 6 порядков. Для 114-го элемента картина выглядит таким же образом. При увеличении числа нейтронов в этом ядре от 164 до 174 период полураспада возрастает более чем на 6 порядков. Для 112-элемента избыток в 10 нейтронов также увеличивает стабильность ядра на 5–6 порядков. Такая же картина характерна для изотопов 110-элемента.
Это хорошее согласие с теоретической гипотезой. Кроме того, эксперимент показывает, что сверхтяжелые нуклиды в этой области более долгоживущие, чем это следовало из теории.
Следует обратить внимание на вершину «острова стабильности». Эта вершина может составлять миллионы лет. Она не дотягивает до возраста Земли, который составляет 4,5 миллиарда лет. Однако, если принять во внимание, что в эксперименте мы имеем превышение стабильности над расчетными значениями на отрогах «острова стабильности», то не исключено присутствие сверхтяжелых элементов в природе, в нашей системе, либо в космических лучах, т. е. в других системах. Там могут существовать сверхтяжелые элементы, время жизни которых будет исчисляться миллионами лет.
Важно еще одно обстоятельство: теперь таблица элементов пополнилась новыми 114 и 116 элементами. Эксперименты дали новое звучание известным ранее 112, 110, 108 элементам, поскольку увеличение нейтронов привело к существенному возрастанию времени их жизни. Это дает возможность изучать химические свойства этих элементов. Элементы 112-ый, 110-ый и 108-ой, которые живут минуты, стали вполне доступны для исследования их химических свойств методами современной радиохимии. Можно ставить опыты по проверке фундаментального Закона Менделеева относительно унификации свойств в колонках. Применительно к сверхтяжелым элементам мы должны считать, что 112-ый элемент - гомолог кадмия, ртути; 114-ый элемент - аналог олова, свинца и т. д. Пока это просто экстраполяция наших представлений на ранее неизвестные элементы. Фундаментальный Закон периодичности химических свойств элементов можно теперь проверять экспериментально.
Стабильные элементы заканчиваются свинцом и висмутом. Ядра этих атомов являются магическими, что определяет повышенную энергию связи нуклонов в ядре. Затем следует область радиоактивных элементов, среди которых торий и уран наиболее устойчивы. Их период полураспада сравним с возрастом нашей планеты. По мере продвижения в сторону более тяжелых элементов время жизни ядер резко уменьшается. Полуостров радиоактивных элементов имеет выраженные границы. Теория предсказывала, что за «полуостровом» будут следовать «острова стабильности». Они будут расположены в области очень тяжелых элементов, ядра которых обогащены нейтронами.
Попытки получить эти ядра в мощных потоках нейтронов не увенчались успехом. С другой стороны, в реакциях с тяжелыми ионами, начиная с 50-х годов, удалось синтезировать 12 искусственных элементов с атомными номерами более 100. Но в ядрах этих элементов не удалось получить избыток нейтронов, который позволил бы ответить на вопрос: кончается мир «полуостровом» радиоактивных ядер или за ним будет следовать «остров стабильности» еще более тяжелых - сверхтяжелых элементов.
Используя пучки ускоренных ионов изотопа кальция-48 и выбирая в качестве мишени искусственные элементы - тяжелые изотопы плутония и кюрия, полученные в мощных реакторах, ученым удалось подойти лишь к границам этого гипотетического «острова стабильности» и уже здесь обнаружить значительное повышение стабильности сверхтяжелых элементов. Опыты продолжаются, на очереди - 118 элемент.
Что же дальше? Достигнутый успех породил новые замыслы освоения открытой terra incognita. Прежде всего, хотелось бы получать ядра сверхтяжелых элементов (СТЭ) в больших количествах. Конечно, сам факт открытия нового элемента всего по двум наблюденным атомам впечатляет, но для более полного изучения требуется значительно большее количество. Необходимо создание принципиально новых, более эффективных экспериментальных установок. На проектные работы ушло полгода и в настоящее время в Лаборатории осуществляется проект создания Масс-Анализатора Сверхтяжелых Атомов (MASHA). Аналогов такой экспериментальной установки в мире нет. С вводом ее в действие ученые рассчитывают получать уже десятки атомов СТЭ и исследовать их свойства более широко. Реализуется также проект DRIBs, в котором два мощных ускорителя объединяются в единый комплекс, что позволит ускорять атомы радиоактивных изотопов, в частности олова-132. Это даст принципиально новые возможности синтеза СТЭ.
Минатом подключил к программе свои организации и выделил необходимые финансы (по 15 млн руб. ежегодно в течение 4 лет). Миннауки выделил специальный грант в размере 1 млн руб. От РАО ЕС было получено эксклюзивное право на выделение электроэнергии для питания ускорителей при проведении экспериментов. Американцы из Ливермора прислали бесплатно плутоний-244. Губернатор Московской области Б. В. Громов выделил Объединенному институту ядерных исследований из своего резерва средства для финансирования исследований по сверхтяжелым элементам (10 млн руб. в 2001 г. и 15 млн руб. в 2002 г.). Не вызывает сомнений, что интеллектуальные и технические ресурсы, накопленные в Дубне и других аналогичных центрах России, необходимо использовать для развития современных высокотехнологичных и наукоемких процессов, которые только и могут обеспечить в будущем конкурентоспособность российской продукции на мировом рынке.
Библиография
Bohr N., Wheeler J. The Mechanism of Nuclear Fission//Phys. Rev. 1939. № 56.
Flerov G. N., Petrzhak K. A. Spontaneous fission of 238 U//Phys. Rev. 1940. № 58; J. Phys. USSR. 1940. № 3.
Oganessian Yu. Ts., Yeremin A. V., Popeko A. G. et al. Synthesis of nuclei of superheavy element 114 in reaction induced by 48 Ca//Nature. 1999. № 400.
Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V. et al. The synthesis of superheavy nuclei in the 48 Ca + 244 Pu reaction//Phys. Rev. Lett. 1999. № 83.
Oganessian Yu. Ts., Yeremin A. V., Popeko A. G. et al. Observation of the decay of 292 116//Phys. Rev. 2001. C 63. 011301/1–011301/2.