Остров Стабильности за пределами таблицы Менделеева
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 Pl: 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 Т½ = 7,6•10 7 лет; у нептуния-93 12 изотопов и у 237 Np Т½ = 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– + νe. 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 SiO4 присоединены в разных пропорциях Mg2, (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.
Источник
Сверхтяжелые шаги в неизвестное
В Дубне запустили новую установку для синтеза новых элементов таблицы Менделеева
Таблица Менделеева, которой в этом году исполнилось 150 лет, последний раз менялась в 2016 году, когда в нее добавили сразу четыре новых элемента — нихоний (113), московий (115), теннессин (117) и оганессон (118). Но последний из них, 117-й элемент, названный в честь штата Теннесси, был синтезирован почти десять лет назад, в конце 2009 года. С тех пор синтезировать ядра новых элементов физикам не удавалось, хотя попытки были. В понедельник, 25 марта, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне официально запущен ускоритель ДЦ-280, который являлся сердцем «фабрики сверхтяжелых элементов». Редакция N + 1 решила разобраться, чего ждать от новой установки, закончится ли таблица Менделеева на 118-й клетке и смогут ли физики найти новых обитателей «острова стабильности».
«Сколь-нибудь строгих ядерных теорий вообще не существует, нам приходится опираться на эмпирику. Мы знаем, что происходит в одной реакции слияния ядер, и можем это как-то экстраполировать на близкие области, но точно предсказать результат того или иного эксперимента мы пока не можем», — объясняет Андрей Попеко, заместитель директора Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Он знает, о чем говорит: Попеко участвовал почти во всех экспериментах по синтезу новых элементов за последние десятилетия.
Элементы тяжелее урана (атомный номер 92) не встречаются в природе, но их можно нарабатывать в ядерных реакторах. Однако для получения элементов тяжелее 100-го (фермий) реакторы уже не подходят, нужны ускорители, где сверхтяжелые ядра получаются в результате столкновений ядра-«снаряда» и ядра-«мишени».
В первом приближении эта задача кажется очень простой: нужно взять два атома, у которых число протонов в сумме равно числу протонов в ядре нового элемента, столкнуть их с помощью ускорителя и получить атом желаемого элемента. Однако на практике все намного сложнее: на то, чтобы подобрать снаряд и мишень, способные слиться и породить ядро нового элемента, уходят годы.
Читатели могут составить себе приблизительное представление о масштабах этой работы, познакомившись с нашей игрой «Алхимии отцовой пережитки» — она наглядно демонстрирует, насколько сложно подобрать результативную пару.
Чтобы понять, почему все-таки сложно, попробуем разобраться в причинах нестабильности атомов.
Непредсказуемая нестабильность
Если мы представим себе, что ядро атома представляет собой точечный положительный заряд, то законы квантовой механики допускают существование атомов с атомными номерами до 137-го, а если мы учтем, что ядро имеет ненулевой размер, то граница окажется еще дальше — где-то на уровне 174–176. Однако реальные границы существования атомов находятся гораздо ближе — из-за нестабильности самих ядер.
Их стабильность определяется максимальным числом протонов и нейтронов, при котором энергия связи ядра остается положительной. Разная энергия связи означает разный срок существования атома. Поскольку процесс распада атомных ядер вероятностный и никто не может предсказать, в какой момент распадется то или иное ядро, то обычно, когда хотят измерить срок жизни изотопа, говорят о периоде полураспада — то есть о сроке, за который распадется половина имеющихся ядер.
Последний «почти» стабильный элемент — висмут-209, чей период полураспада немного превышает 10 19 лет, с ядром, которое состоит из 83 протонов и 126 нейтронов. За висмутом следуют нестабильные элементы — полоний, астат, радон, чьи периоды полураспада варьируются от дней до микросекунд. За ними уровень стабильности ядер начинает расти: у тория и урана период полураспада составляет 10 10 и 10 9 лет, и эти элементы в значительном количестве присутствуют в земной коре.
Для трансурановых элементов уровень стабильности начинает быстро падать: добавление 10 протонов в ядро урана, то есть переход от атомного номера 92 к 102 (нобелий), сокращает период полураспада в 10 16 раз. В этом случае речь идет о так называемом альфа-распаде, когда ядро спонтанно испускает альфа-частицу — ядро гелия — и превращается в ядро элемента с атомным номером на две единицы меньше. Однако есть и второй способ распада, при котором ядро спонтанно делится на два сравнимых по массе «осколка», — спонтанное деление. И его вероятность растет еще быстрее, здесь различия между ураном и нобелием достигают 23 порядков. Пределы существования тяжелых ядер ставит вероятность именно этого типа распада.
Еще Нильс Бор подсчитал, что потенциальный барьер для спонтанного распада ядра урана составляет 6 мегаэлектронвольт — то есть столько энергии надо «закачать» в ядро, чтобы оно распалось на два осколка. В случае с более тяжелыми элементами, например с калифорнием-252, высота барьера оказывается уже 4 мегаэлектронвольта.
Схема ускорителя ДЦ-280
Капельная модель ядра атома предсказывала, что начиная с 100-го элемента барьер для спонтанного распада становится нулевым. То есть если такое ядро все же сформируется, то тут же распадется на обломки — за период около 10 -19 секунды. Когда появились ядерные реакторы и в них были синтезированы первые искусственные элементы, эта теория казалась подтвержденной — элементы тяжелее фермия получить не удавалось даже в термоядерных взрывах.
Однако в 1962 году в экспериментах в Дубне был зафиксирован странный факт: ядра хорошо изученного америция-242, делящегося спонтанно с периодом полураспада 10 14 лет, распадались с двумя принципиально разными периодами — один уже известный (10 14 лет), а другой — 0,014 секунды.
Позже подобного рода «двойные» сроки распада были обнаружены у 31 типа ядер элементов с номерами от 92 до 97. Ученые пришли к выводу, что эти сроки соответствуют двум принципиально разным состояниям ядер — основному и изомерному, то есть структура одного и того же ядра может различаться настолько, что периоды их полураспада могут различаться на много порядков. Это никак не соответствовало капельной модели.
Кроме того, было обнаружено, что особой стабильностью отличаются ядра с определенными — «магическими» — числами протонов и нейтронов.
Магический путь к острову стабильности
Советский физик Дмитрий Иваненко в 1930-х годах впервые дал объяснение этой «магии»: он предположил, что атомные ядра состоят из множества составленных из нейтронов и протонов оболочек (напоминающих электронные оболочки атома).
В 1949 году эту теорию развили Мария Гёпперт-Майер и Йоханнес Йенсен, за что им впоследствии была присуждена Нобелевская премия. Магические числа нейтронов и протонов соответствуют полностью заполненным оболочкам, и такие ядра отличаются большей стабильностью по сравнению со своими «соседями» с незаполненными оболочками.
Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особенно устойчивыми оказываются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, ядра кислорода-16 или свинца-208.
Трансфермиевая война
В 1950-е годы, когда начались первые эксперименты по синтезу трансфермиевых элементов с помощью ускорителей, между США и СССР началась ожесточенная конкуренция, напоминающая космическую гонку. В ней была ясная цель — заполнить очередную клетку таблицы Менделеева, а сами эксперименты должны были наглядно продемонстрировать преимущество страны (и общественного строя) в «стратегической» науке — ядерной физике.
Главными соперниками были Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) и Лаборатория ядерных реакций имени Флерова в ОИЯИ. Позже к ним присоединились Центр исследования тяжелых ионов в Дармштадте (GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung) и японский центр RIKEN.
Первая победа — синтез 101-го элемента, названного в честь создателя периодической системы менделевием, досталась Беркли в 1955 году. Менделевий был получен путем бомбардировки мишени из эйнштейния ядрами гелия. Ядра нового элемента существовали чуть менее двух часов, позже удалось получить изотопы со сроком жизни до 28 дней. В той же лаборатории были получены 102-й и 103-й элементы, названные нобелием и лоуренсием. Позже эти «открытия» были признаны ошибочными.
В 1963 году настала очередь Дубны — были синтезированы элементы 102, 103. В реакции плутония и неона был синтезирован 104-й элемент с периодом полураспада около 1/10 секунды. Это стало началом многолетнего конфликта, так называемой «трансфермиевой войны».
В то время считалось, что элементы за лоуренсием существовать принципиально не могут. Кроме того, советские физики предложили для 104-го элемента название «курчатовий», а американцы, получившие этот же элемент в 1969 году в реакции калифорния и углерода — «резерфордий». Главным аргументом против служил тот факт, что Игорь Курчатов был участником советского атомного проекта (впрочем, впоследствии это не помешало американцам предложить для 106-го элемента название в честь физика Гленна Сиборга, участвовавшего в Манхэттенском проекте).
В результате возникли национальные варианты таблицы Менделеева — в социалистических странах в клетке 104-го элемента стояло обозначение Ku, а в клетке 105-го элемента — Ns (нильсборий), в честь Нильса Бора, а странах Запада — Rf (резерфордий) и Ha (ганий, в честь физика Отто Гана).
Только в 1997 году «трансфермиевая война» закончилась и стороны пришли к компромиссу. За 104-м элементом было закреплено название резерфордий, 105-й был назван дубнием, 106-й — сиборгием (хотя Сиборг на тот момент был жив), 107-й — борием, 108-й — хассием, а 109-й — мейтнерием в честь физика Лизы Мейтнер.
Строго говоря, «магические» ядра не всегда оказываются настолько стабильными, как ожидалось. Например, в некоторых экспериментах ученые наблюдали, что «магичность» чисел Z = 20 и N = 28 исчезает и они заменяются числами Z = 14, 16 и N = 32, 34 соответственно. Поэтому для подтверждения «магии» приходится проводить эксперименты. Например, в 2017 году физикам удалось доказать двойную «магичность» никеля-78, а в декабре 2018 года в ЦЕРНе была подтверждена двойная «магичность» олова-132.
Однако в 1966 году оболочечная теория позволила ученым из ОИЯИ в Дубне сделать крайне интригующее предсказание: о возможности существования сверхтяжелых ядер с достаточно длительным периодом полураспада — островом стабильности. Согласно расчетам, в центре острова стабильности должен был находиться изотоп 114-го элемента, содержащий 184 нейтрона.
Карта стабильности элементов, в правом верхнем углу — остров стабильности
Несмотря на то, что барьер 100-го элемента был успешно пройден (напомним, прежняя теория предсказывала, что все ядра тяжелее фермия не будут существовать дольше 10 -19 секунд) и таблица Менделеева была расширена еще на 18 клеток, ученые не берутся точно предсказать, когда можно ожидать следующих шагов и в какой реакции получится синтезировать новые элементы — на этом пути множество сложностей, от непредсказуемой физики до до влияния экономических и политических факторов.
Общий вид ускорителя ДЦ-280
Бьем аккуратно
Получить новое ядро, сталкивая два других, — крайне непростая задача. «Снаряд» и «мишень» должны слиться воедино, а для этого им надо подойти друг к другу достаточно близко, чтобы «включилось» сильное ядерное взаимодействие.
«Ядерные силы — короткодействующие. В отличие от кулоновских, они почти не выпячиваются за пределы ядра. Радиус их действия — около 10 -13 сантиметров. Чтобы включились ядерные силы, нужно, чтобы ядра смогли преодолеть кулоновское отталкивание. Для этого «снаряд» необходимо разогнать примерно до 10 процентов скорости света, но ни в коем случае не больше, потому что большая энергия, «закачанная» в ядро, приведет к его распаду, и мы ничего не получим, кроме осколков», — объясняет Попеко.
Кроме того, ядро может просто не успеть сформироваться, как произойдет распад — это то, что ученые называют квазиделением.
«При столкновении снаряд начинает проникать в мишень, и в зоне контакта образуется нагретая область. Что будет с этой нагретой областью, сказать очень непросто, потому что классическое приближение не работает, это квантово-механические процессы: как распределяется энергия между частицами, как они возбуждаются, как они переселяются по оболочкам. Начинается перестройка оболочечной структуры, при этом действуют и кулоновские силы. И в какой-то момент они могут пересилить этот процесс, и система, не успев образовать единство, развалится», — объясняет ученый.
По его словам, квазиделение происходит примерно через 10 -20 секунд во время столкновения. Если ядро выдержало первый удар, происходит полное слияние, энергия перераспределяется и возникает энергетическое равновесие — тогда говорят, что образовалось составное ядро, или компаунд-ядро, и оно уже может жить 10 -18 секунды или дольше.
Успех синтеза во многом зависит от количества нейтронов в ядре. Чем больше нейтронов в тяжелом ядре, тем оно стабильнее. Например, у самого долгоживущего изотопа фермия, фермия-257, который «живет» примерно год, 100 протонов и 157 нейтронов. Много протонов дают сильное кулоновское расталкивание, и чтобы его «уравновесить», нужно больше электрически нейтральных частиц.
Поэтому, объясняет Попеко, нужно брать как можно более тяжелую бомбардирующую частицу, и более тяжелую мишень, обогащенную нейтронами. Легкие «снаряды», где заведомо мало нейтронов, в этом случае — не очень удачный выбор.
«Например, для синтеза 114-го элемента в качестве снаряда берут кальций-48 и самый тяжелый изотоп плутония — 244-й — в качестве мишени. Тогда вы получаете максимально нейтронно-обогащенный 114-й. И то же самое с кюрием-248: если вам нужен 118-й элемент, то доступен калифорний-249», — говорит ученый.
Хороший снаряд — настоящее сокровище. Все элементы со 112-го по 118-й были синтезированы в реакциях с обогащенным нейтронами кальцием-48, ядрами которого бомбардировали мишень из тяжелых элементов — изотопов урана, нептуния, плутония, америция, кюрия, берклия и калифорния.
Более 96 процентов природного кальция приходится на изотоп кальций-40, на долю тяжелого кальция-48 приходится всего 0,18 процента, и получить его в достаточных количествах непросто. Однако физики научились получать достаточно эффективные пучки из этих снарядов, что позволило расширить таблицу Менделеева до 118-й клетки.
Но сейчас возможности этой «волшебной пули» уже исчерпаны — для движения к 119 и 120 элементу для кальция-48 не удается подобрать мишень, поскольку нужные для этого элементы не удается получить в достаточных количествах. Требуются новые, более тяжелые снаряды.
Чем хороша новая машина
Установки для синтеза сверхтяжелых элементов — не коллайдеры физиков высоких энергий, для них не требуются фантастические скорости и энергии частиц, намного важнее точность и интенсивность пучка.
Все «российские» элементы ученые ОИЯИ синтезировали на циклотроне У-400, запущенном еще в советские времена. На этом циклотроне разгоняются снаряды (например, ионы кальция-48), которые затем бьют в мишень — быстро вращающееся колесо с секторами из титановой фольги с нанесенными на нее миллиграммовыми количествами вещества-мишени. Выбитые из мишени ядра попадают в газонаполненный сепаратор.
«Он заполнен гелием или водородом под давлением примерно 1 миллиметр ртутного столба, здесь легкие и быстрые частицы сталкиваются с атомами и теряют или приобретают электроны. Процесс этого взаимодействия для легких и тяжелых частиц разный, и их можно разделить магнитным полем», — объясняет Попеко.
По его словам, магнитное поле «заворачивает» легкие частицы, например ионы кальция, в болванку-стоппер, а тяжелые ядра летят дальше и попадают в детектор, где и фиксируется рождение нового элемента.
Главное преимущество «фабрики сверхтяжелых элементов» (так физики из Дубны называют новый ускорительный комплекс) — высокая интенсивность пучка. Как ожидается, она составит от 5 до 10 микроампер — поскольку речь идет о потоке заряженных частиц, интенсивность пучка измеряется в тех же единицах, что и сила тока. Это примерно в 10 раз больше, чем интенсивность пучка на У-400, где ток составлял примерно 1 микроампер.
Мишень для синтеза сверхтяжелых элементов — колесо с секторами из титановой фольги с нанесенным на нее изотопом
Источник