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.
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
Ученые из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Майнцского университета (Германия) предположили, что одна из самых необычных (среди известных астрономам) звезд содержит химические элементы из острова стабильности. Это элементы в самом конце таблицы Менделеева, от соседей слева их отличает большее время жизни. Исследование опубликовано в библиотеке электронных препринтов arXiv.org, о его результатах и стабильных сверхтяжелых химических элементах рассказывает .
Звезда HD 101065 открыта в 1961 году польско-австралийским астрономом Антонином Пшибыльским. Она находится на расстоянии около 400 световых лет от Земли в созвездии Центавра. Вероятнее всего, HD 101065 легче Солнца и представляет собой звезду главной последовательности, субгиганта. Особенность звезды Пшибыльского - крайне малое содержание в атмосфере железа и никеля. В то же время звезда богата тяжелыми элементами, в том числе стронцием, цезием, торием, иттербием и ураном.
Звезда Пшибыльского - единственная, в которой обнаружены короткоживущие радиоактивные элементы, актиноиды, с атомным номером (числом протонов в ядре) от 89 до 103: актиний, плутоний, америций и эйнштейний. На HD 101065 похожа HD 25354, но наличие там америция и кюрия вызывает сомнения.
Механизм образования сверхтяжелых элементов на звезде Пшибыльского до сих пор не вполне понятен . Предполагалось, что HD 101065 вместе с нейтронной звездой образует двойную систему - частицы со второй падают на первую, провоцируя реакции синтеза тяжелых элементов. Эта гипотеза пока не подтверждена, хотя не исключено, что на расстоянии около тысячи астрономических единиц от HD 101065 располагается тусклый спутник.
Фото: N. Dautel / Globallookpress.com
Сильнее всего HD 101065 похожа на Ap-звезды, пекулярные (peculiar) светила спектрального класса A, в чьем спектре усилены линии редкоземельных металлов. У них сильное магнитное поле, тяжелые элементы в их атмосферу поступают из недр. От остальных Ap-звезд HD 101065 отличается кратковременными изменениями в кривой блеска, что позволило включить ее в отдельную группу RoAp-звезд (Rapidly oscillating Ap stars).
Вероятно, попытки ученых вписать HD 101065 в существующую классификацию звезд когда-нибудь увенчаются успехом. Пока звезда Пшибыльского считается одной из самых необычных - это дает основания подозревать у нее ряд необычных свойств. В частности, в последней работе, посвященной HD 101065, австралийские и немецкие исследователи допустили, что в звезде Пшибыльского рождаются химические элементы, относящиеся к острову стабильности.
Ученые исходили из оболочечной модели ядра и ее расширений. Модель связывает устойчивость атомного ядра с заполнением энергетических уровней оболочек, которые, по аналогии с электронными оболочками атома, образуют ядро. Каждые нейтрон и протон находятся на определенной оболочке (расстоянии от центра атома или энергетическом уровне) и движутся независимо друг от друга в некотором самосогласованном поле.
Считается, что чем более заполнены энергетические уровни ядра, тем устойчивее изотоп. Модель хорошо объясняет устойчивость атомных ядер, спины и магнитные моменты, однако применима лишь к невозбужденным или легким и средним по массовому числу ядрам.
В соответствии с оболочечной моделью, ядра с целиком заполненными энергетическими оболочками характеризуются высокой стабильностью. Такие элементы и образуют «остров стабильности». Начинается он с изотопов с порядковыми номерами 114 и 126, соответствующими магическому и дважды магическому числам.
У ядер с магическим числом нуклонов (протонов и нейтронов) наиболее сильная энергия связи. В таблице нуклидов они размещены следующим образом: по горизонтали слева направо по возрастанию указано число протонов, а по вертикали сверху вниз - число нейтронов. У дважды магического ядра количество протонов и нейтронов равно какому-либо магическому числу.
Период полураспада изотопов флеровия (114-й элемент), полученных в Дубне, - до 2,7 секунды. Согласно теории, должен существовать изотоп флеровий-298 c магическим числом нейтронов N=184 и временем жизни порядка десяти миллионов лет. Синтезировать такое ядро пока не удалось. Для сравнения, период полураспада соседних элементов с числами протонов в ядре, равными 113 и 115, - до 19,6 секунды (для нихония-286) и 0,156 секунды (для московия-289) соответственно.
Авторы публикации на arXiv.org считают, что наличие в атмосфере HD 101065 актиноидов говорит в пользу того, что там же имеются и химические элементы из острова стабильности. Актиноиды в таком случае - продукт распада стабильных сверхтяжелых элементов. Ученые предлагают провести поиск в спектрах HD 101065 следов нобелия, лоуренсия, нихония, флеровия и описывают конкретные спектры, которые могут производить устойчивые изотопы.
В настоящее время новые элементы таблицы Менделеева синтезируются в России, США, Японии и Германии. На Земле трансурановые элементы в естественной среде не обнаружены. Звезда HD 101065, возможно, открывает новые возможности для проверки теорий физиков-ядерщиков, предполагающих существование острова стабильности.
Другие распались и не дожили до наших дней. Уран еще распадается - это радиоактивный элемент.
Все элементы после урана – тяжелее его. Они образовались когда-то в процессе нуклеосинтеза (процесс, в котором ядра сложных, тяжелых химических элементов, образуются из более простых и легких атомных ядер), но не дожили до наших дней. Сегодня их можно получить только искусственным способом.
Открытие в 1940-1941 годах первых искусственных элементов, нептуния и плутония, стало началом нового направления ядерной физики и химии по исследованию свойств трансурановых элементов и их применению во многих областях науки и техники. В результате многолетней и интенсивной работы физиками-ядерщиками были синтезированы несколько новых элементов.
Существуют три признанных во всем мире исследовательских центра по синтезу тяжелых элементов: в Дубне (Россия), в Беркли (США) и в Дармштадте (Германия). Все новые элементы, начиная с 93-го (нептуний) были получены именно в этих лабораториях. Новый элемент не считается открытым до тех пор, пока одна группа исследователей не получит надежных результатов по исследованию его атомов и пока другая (независимая) группа ученых не подтвердит эти результаты. Поэтому дальние клеточки Периодической таблицы заполняются очень медленно.
В 1940 – 1953 годах профессором Гленом Сиборгом и его коллегами в Радиационной национальной лаборатории (Беркли, США) были синтезированы искусственные элементы с Z = 93 – 100. Они были получены в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами изотопа урана – 235U в длительных облучениях на мощных ядерных реакторах. Все более тяжелые ядра были получены на ускорителях заряженных частиц, в которых сталкиваются разогнанные до высоких скоростей ядра и частицы. В результате столкновений образуются ядра сверхтяжелых элементов, которые существуют очень короткое время, а затем вновь распадаются. Благодаря следам этого распада и определяют, что синтез тяжелого ядра удался.
Элементы тяжелее Z=100 были синтезированы в реакциях с ускоренными тяжелыми ионами, когда в ядро-мишень вносится комплекс протонов и нейтронов. С 1960-х годов началась эпоха ускорителей элементарных частиц – циклотронов, эпоха ускорения тяжелых ионов, когда синтез новых элементов стали производить только при взаимодействии двух тяжелых ядер. Однако в середине 1970-х было практически невозможно исследовать химические свойства 104, 105,106 и 107 элементов, так как время их жизни – доли микросекунды – не позволяли проводить полноценные химические исследования. Все они были синтезированы в реакциях холодного синтеза (холодное слияние массивных ядер открыто в 1974 году; при нем выделяется один или два нейтрона с относительно небольшими энергиями.)
104 элемент был впервые синтезирован в Дубне в 1964 году. Его получила группа ученых Лаборатории ядерных реакций во главе с Георгием Флеровым. В 1969 году элемент был получен группой ученых в университете Беркли, Калифорния. В 1997 году элемент получил название резерфордий, символ Rf.
105 элемент был синтезирован в 1970 году двумя независимыми группами исследователей в Дубне (СССР) и Беркли (США). Получил название дубний в честь города Дубна, где располагается Объединенный институт ядерных исследований, в котором синтезированы несколько химических элементов, символ Db.
Впервые 106 элемент был получен в СССР Георгием Флеровым с сотрудниками в 1974 году, практически одновременно был синтезирован в США Гленом Сиборгом с сотрудниками. В 1997 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) утвердил для 106 элемента название сиборгий (в честь Сиборга), символ Sg.
Реакции холодного слияния массивных ядер были успешно использованы для синтеза шести новых элементов, от 107 до 112, в Национальном ядерно-физическом центре GSI в Дармштадте (Германия). Первые опыты по получению 107 элемента были выполнены в СССР Юрием Оганесяном с сотрудниками в 1976 году. Первые надежные сведения о ядерных свойствах 107 элемента были получены в ФРГ в 1981 и 1989 годах. В 1997 году ИЮПАК утвердил для 107 элемента название борий (в честь Нильса Бора), символ Bh.
Первые опыты по получению 108 элемента были выполнены в СССР в 1983 1984 годах. Надежные данные о ядерных свойствах 108 элемента были получены в ФРГ в 1984 и 1987 годах. В 1997 году ИЮПАК утвердил для 108 элемента название хассий (по земле Гессен, Германия), символ Hs.
Впервые 109 элемент был получен в ФРГ в 1982 году и подтвержден в 1984 году. В 1994 году ИЮПАК утвердил для 109 элемента название мейтнерий (в честь Лизы Мейтнер), символ Mt.
110 элемент открыт в 1994 году в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштатде (ФРГ) в ходе эксперимента по напылению на пластины специального сплава, содержащего свинец, и его бомбардировки изотопами никеля. Назван дармштадтий в честь города Дармштадт (Германия), где был обнаружен. Символ Ds.
111 элемент тоже был открыт в Германии, получил название рентгений (химический символ Rg) в честь германского ученого Вильгельма-Конрада Рентгена.
112 элемент носит рабочее название "унунбий" (Uub), образованное от от латинских цифр "один-один-два". Представляет собой трансурановый элемент, полученный при бомбардировке свинцовой мишени ядрами цинка. Период его полураспада составляет около 34 секунд.
Унунбий был впервые получен в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Дармштадте. Для получения атомов нового элемента команда ученых использовала ионы цинка с атомным номером 30, которые разгонялись до очень больших энергий в 120-метровом ускорителе, после чего ударялись о мишень из свинца, атомный номер которого равен 82. При слиянии ядер цинка и свинца и происходило формирование ядер нового элемента, порядковый номер которого равен сумме атомных номеров исходных компонентов. В июне 2009 года ИЮПАК официально признала его существование.
Более тяжелые элементы – с атомными номерами 112-116 и самый тяжелый на данный момент 118-й элемент – были получены российскими учеными из Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 2000-2008 годах, но пока еще ждут официального признания со стороны ИЮПАК.
В настоящее время российские физики из Лаборатории имени Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне проводят эксперимент по синтезу 117-го элемента, место которого в таблице Менделеева между ранее полученными 116-м и 118-м элементами пока пустует.
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.
