Libmonster ID: UA-1618

 Выдающийся научный результат был получен в лаборатории им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований (Дубна). Здесь 19 июля 2000 г. впервые в мире осуществлен синтез сверхтяжелого 116-го элемента Периодической системы элементов Менделеева. О том, как проводился эксперимент, его теоретических предпосылках, перспективах дальнейших изысканий рассказал научный руководитель этой лаборатории, член-корреспондент РАН Ю.Ц. Оганесян.

Если посмотреть на карту изотопов химических элементов, ориентированную не по параллелям и меридианам (по аналогии с географией), а по количеству протонов и нейтронов в атомном ядре, то можно выделить три области. Самую большую - "материк стабильности" - составляют элементы от водорода до висмута * . Более тяжелые из них располагаются на небольшом "полуострове стабильности", причем на Земле обнаружены лишь торий и уран. Дело в том, что изотопы последующих трансурановых элементов радиоактивны и подвержены альфа- или бета- распадам. Время их жизни уменьшается по мере увеличения атомного номера с логарифмической скоростью. Так, от урана (92-й элемент) до фермия (100-й элемент) стабильность ядер падает на 20 с лишним порядков, а дальше скорость еще возрастает. Почему?

Оказывается, к известным видам радиоактивности добавляется еще один - спонтанное деление ядер. И если для урана такая разновидность распада - явление очень редкое (было открыто в 1940 г. К.А. Петржаком и будущим академиком Г.Н. Флеровым), то для последующих элементов - естественное.

Возможность этого в 1939 г. предсказали датский физик, нобелевский лауреат, иностранный почетный член АН СССР Н. Бор и американец Дж. Уилер. Согласно их гипотезе, подобный процесс может произойти, если предположить, что ядерное вещество обладает свойствами бесструктурной материи, скажем, типа капли заряженной жидкости. Когда последняя испытывает деформацию под влиянием электрических сил, то ее потенциальная энергия увеличивается до определенного предела (барьера), а затем необратимо уменьшается с ростом деформации до тех пор, пока не разделится на две части.

Если перейти от предположений к конкретике, то можно увидеть: барьер, существующий у урана, удерживает его ядро от деления на протяжении 10 16 лет. У более тяжелых элементов, в ядрах которых кулоновские силы значительно больше и вероятность деления сильно возрастает, он (барьер) понижается, а затем исчезает вовсе. Это и будет пределом стабильности ядра. По расчетам Бора и Уилера, такое явление должно произойти для элементов с атомными номерами 104-106.

Однако, продолжает Ю.Ц. Оганесян, сотрудники возглавляемой мной лаборатории в 1964 г. совершенно неожиданно обнаружили у тяжелых ядер еще один период полураспада. Получилось, что у одного и того же элемента могут быть два однотипных распада с различной вероятностью или два времени жизни. Для урана, как уже говорилось, по Петржаку и Флерову, оно составляет 10 16 лет, а второе, очень короткое - всего 0,3 мс. Наличие двух периодов полураспада предполагает существование у ядра двух состояний, из которых происходит деление. Такое положение в представление об упомянутой капле заряженной жидкости не вписывается. Два состояния у тела могут быть только в том случае, если оно не аморфное и обладает внутренней структурой. Это в полной мере относится к ядрам трансурановых элементов.

Перед физиками-ядерщиками встала довольно сложная задача: объяснить, почему барьер у урана двугорбый и как меняется структура ядра при его деформации. Теоретиками было предсказано: в тяжелых элементах структура должна проявляться в полной мере там, где капля несостоятельна, и будет возникать так называемый структурный барьер. Тогда ядро может жить долго, иногда очень долго. Нетривиальный вывод теории привел, по существу, к предсказанию третьей (помните?) гипотетической области стабильности сверхтяжелых элементов, расположенных на карте изотопов далеко от уже известных.

Но подтвердить или опровергнуть данную идею можно только опытами. Практически все крупнейшие лаборатории мира начали проводить эксперименты в этом направлении. Однако повсюду, в том


* См.: Е.М. Молчанов. В поиске "островов стабильности". - Наука в России, 1999, N 3 (прим. ред.)

стр. 23


числе и в США, Франции, Германии, получили отрицательные результаты. В Дубне также приступили к синтезу самых тяжелых элементов с атомными номерами 114 и 116. Задача состояла в том, чтобы получить их (элементов) атомы с ядрами, обладающими большим избытком нейтронов. Лишь таким способом (гласит теория) можно увеличить время жизни сверхтяжелых ядер и приблизиться вплотную к гипотетическому "острову стабильности".

В первых экспериментах в различных научных центрах мира, в том числе и в бывшем СССР, делались попытки облучать исходное вещество (уран, плутоний) мощным потоком нейтронов, для чего использовали все более современные реакторы. Однако такой способ синтеза исчерпал себя на фермии - его изотоп с массой 258 жил всего 0,3 мс. Вся цепочка последовательного захвата нейтронов разорвалась на 24-й ступени (т.е. "пленены" были 24 нейтрона), а необходимо было пройти 60. Попытки американских коллег получить сверхтяжелые элементы в ядерных взрывах, т.е. в мощном импульсном потоке нейтронов, закончились также образованием изотопа 100-го элемента с массой 257.

Бесперспективность нейтронного метода, подчеркивает Ю.Ц. Оганесян, навела нас на мысль о принципиально ином способе синтеза - его начали внедрять в середине 50-х годов XX в. Предполагалось столкнуть два тяжелых ядра, чтобы при их слиянии получилось единое с суммарной массой. Но для этого необходимо было одно из них разогнать до скорости примерно 0,1 от световой. А совершить подобное можно лишь с помощью ускорителей тяжелых ионов при очень большой мощности пучка.

Синтезировать нейтронно-избыточное ядро трудно. До сих пор такое никому не удавалось. В лаборатории в Дубне решили использовать реакции, в которых большой нейтронный избыток изначально был задан и в мишени, и в "снаряде". В качестве последнего выбрали ядра кальция-48. Этот стабильный изотоп с атомным номером 20, к сожалению, очень редкий (в обычном кальции его содержится всего 0,18 %) и выделять его неимоверно трудно. Однако справившись с задачей (она была успешно решена), можно было, облучая уран, плутоний или кюрий, "пробраться" в заветную область, где ожидается подъем стабильности ядер сверхтяжелых элементов и, как следствие, резкое увеличение времени их жизни.

Исходным веществом в дубненском эксперименте служил изотоп плутония (94-й элемент) с массой 244, а "снарядом", как уже говорилось, - кальций-48. Расчет делался на то, что реакция слияния их ядер приведет к образованию элемента 114, который должен быть значительно устойчивее, чем более легкие, полученные ранее в других реакциях.

С мишенью и "снарядом" в лаборатории, руководимой Ю.Ц. Оганесяном, определились, а вот с ускорителем дело затянулось из-за повышенных требований к нему. Прежде всего, он должен был обеспечивать мощность пучка кальция- 48, в десятки раз превосходящую все существующие аналоги, давать высокую интенсивность ускоренных ионов и как можно меньше расходовать дорогостоящие вещества.

На создание нужной установки потребовалось пять лет и, в конце концов, в 1998 г. ее построили в Дубне. При очень малом расходе вещества (0,3 мг/ч) на нем получили интенсивность пучка 5 х 10 12 ионов/с. Теперь можно было ставить опыты в сто, тысячу раз более чувствительные, чем за минувшие 25 лет.

В чем же суть самого эксперимента? Получив пучок кальция, его направляли на мишень из плутония-244 (данный изотоп предоставили Дубне сотрудники Ливерморской национальной лаборатории; США). При этом предполагалось, что в результате слияния двух ядер будут образовываться атомы нового элемента, которые должны вылетать из мишени и вместе с пучком продолжать движение вперед. Далее их требовалось отделить от ионов кальция-48 и других продуктов реакции. Такую функцию выполнял сепаратор, где наводилось поперечное электрическое поле. Поскольку скорости ядер были неодинаковы, пучок останавливался в поглотителе, а тяжелые ядра элемента 114 его огибали, продолжая двигаться по криволинейной траектории, и в конце концов доходили до детектора, распознающего тяжелое ядро и фиксирующего его распад.

Что, собственно, ожидали ученые? Если гипотеза об "острове стабильности" в области сверхтяжелых элементов подтвердится и их ядра окажутся устойчивы относительно спонтанного деления, то будет происходить альфа-распад. Иными словами, ядро должно выбрасывать альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов, переходя в дочернее ядро. В выбранной реакции 114-й элемент должен был переходить в 112-й и т.д. Но по мере последовательных альфа-распадов исследователи все дальше и дальше отдалялись от вершины стабильности, и в конце концов попадали в "море нестабильности", где преобладает спонтанное деление. Здесь они наблюдали весьма яркую картину: выброс каждой альфа-частицы оставлял в детекторе энергию около 10 МэВ, спонтанное деление равнялось 200 МэВ. На этом цепочка распадов обрывалась.

Эксперимент, продолжавшийся непрерывно три месяца, полностью подтвердил предсказания теории. Когда сверхтяжелое ядро попало в детектор, была зарегистрирована альфа-частица с энергией 9,87 МэВ через одну секунду после остановки (отметим, что в самом тяжелом ядре, синтезированном ранее, аналогичное время равнялось всего двум десятитысячным долям секунды). Затем, спустя 10,3 с вылетела вторая альфа-частица с энергией 9,21 МэВ, а еще через 14,5 с произошло спонтанное деление. Случилось это 25 июня 1999 г., а 25 октября эксперимент успешно повторили, причем результаты одного и другого по 13 параметрам оказались абсолютно идентичными. Стало быть, вероятность случайных совпадений сигналов в детекторе, имитирующих подобный распад, составляет всего 10 -16 .

Опыт доказывает: синтезированные ядра - изотопы 114-го и последующих 112-го и 110-го элементов - уже испытывают действия структурных сил, формирующих "остров стабильности" сверхтяжелых элементов. Эта стабильность, по сравнению с изотопами тех же элементов,

стр. 24


имеющих на 6-8 нейтронов меньше, увеличивается на 5 порядков.

Впрочем, рассказывает Ю.Ц. Оганесян, мы не торопились заканчивать опыты и сделали попытку синтезировать элемент 116, используя в качестве мишени изотоп 96-го элемента - кюрия с массой 248 (данное уникальное вещество было получено на мощном реакторе в Научно-исследовательском институте атомных реакторов, г. Димит-ровград) в сочетании все с тем же кальцием-48. Наблюдение цепочки распадов 116- го элемента стало бы лишним подтверждением истинности получения 114-го. Более того, для полной чистоты эксперимента после вылета первой альфа-частицы предполагалось выключить все силовое оборудование в лаборатории, что создало бы абсолютно бесфоновые условия.

И действительно, после того как тяжелое ядро попало в детектор, спустя 47 мс вылетела альфа-частица с энергией 10,56 МэВ, отключившая все мощные установки. А дальше процесс пошел абсолютно спокойно и полностью совпал по всем параметрам с предыдущим. Это событие произошло, как уже говорилось, 19 июля 2000 г., а 2 и 8 мая 2001 г. оно было повторено. Теперь уже не осталось никаких сомнений, что Дубна является "родиной" сверхтяжелых 116-го и 114-го элементов.

Сравним теоретические предсказания с полученными опытными данными. Для 116-го элемента, по теории, с увеличением числа нейтронов в ядре со 166 до 176 время жизни должно было возрасти на 5 порядков, оказалось - на 6. Ту же картину наблюдали и для последующих изотопов. В результате они стали доступны для исследования методами современной радиохимии, что позволяет проводить опыты по проверке фундаментального закона Д. И. Менделеева относительно унификации химических свойств в колонках. Применительно к сверхтяжелым элементам можно считать: 112-й элемент имеет сходство с кадмием, ртутью; 114-й - с оловом, свинцом и т.д. Пока это простая экстраполяция представлений на ранее неизвестные элементы, но теперь ее можно проверить экспериментально.

В заключение Ю.Ц. Оганесян обратил внимание на то, что теория предсказывает существование "острова стабильности" в области очень тяжелых элементов, ядра которых обогащены нейтронами. А учитывая превышение стабильности, полученной в экспериментах над расчетными значениями уже на отрогах этого "острова", не исключено, что на его вершине существуют химические элементы, живущие миллионы лет и существующие в каких-то звездных образованиях.

Оганесян Ю.Ц.

Новая область ядерной стабильности. - Вестник РАН, т. 71, N 7, 2001.

Материал подготовил А. К. МАЛЬЦЕВ


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ГЕОГРАФИЯ-ИЗОТОПОВ-РАСШИРЯЕТСЯ

Similar publications: LUkraine LWorld Y G


Publisher:

Василий П.Contacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/admin

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

ГЕОГРАФИЯ ИЗОТОПОВ РАСШИРЯЕТСЯ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 17.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ГЕОГРАФИЯ-ИЗОТОПОВ-РАСШИРЯЕТСЯ (date of access: 12.02.2025).

Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Василий П.
Киев, Ukraine
1556 views rating
17.06.2014 (3893 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
ТОРЖЕСТВЕННОЙ ВСТРЕЧИ НЕ БУДЕТ?
9 hours ago · From Україна Онлайн
В КОМ ДУХ ВЕЛИК, В ТОМ СИЛА НЕРУШИМА*
Yesterday · From Україна Онлайн
ТРУДНЫЕ ВОПРОСЫ. СВЕТЛАНА АЛЕКСИЕВИЧ: "МЫ - ЛЮДИ ЛАГЕРНОГО СОЗНАНИЯ"
6 days ago · From Україна Онлайн
FORMS OF CLASS STRUGGLE OF THE PEASANT-COSSACK MASSES OF UKRAINE IN THE XVIII CENTURY
Catalog: История 
11 days ago · From Denys Reznikov
G. I. MARAKHOV. SOCIO-POLITICAL STRUGGLE IN UKRAINE IN THE 50S-60S OF THE XIX CENTURY
14 days ago · From Denys Reznikov
ESSAYS ON THE HISTORY OF TRADE UNIONS OF THE UKRAINIAN SSR
14 days ago · From Denys Reznikov
K. A. KHMELEVSKY, S. K. KHMELEVSKY. STORM OVER THE QUIET DON. HISTORICAL ESSAY ON THE CIVIL WAR ON THE DON
14 days ago · From Denys Reznikov
"УКРАЇНСЬКИЙ ІСТОРИЧНИЙ ЖУРНАЛ" - ДЕСЯТЬ РОКІВ У МЕРЕЖІ
Catalog: История 
14 days ago · From Україна Онлайн
INTERNATIONAL COMMISSION ON THE HISTORY OF THE OCTOBER REVOLUTION
Catalog: История 
18 days ago · From Denys Reznikov
UKRAINIAN CHRONICLES
19 days ago · From Denys Reznikov

New publications:

Popular with readers:

News from other countries:

ELIBRARY.COM.UA - Digital Library of Ukraine

Create your author's collection of articles, books, author's works, biographies, photographic documents, files. Save forever your author's legacy in digital form. Click here to register as an author.
Library Partners

ГЕОГРАФИЯ ИЗОТОПОВ РАСШИРЯЕТСЯ
 

Editorial Contacts
Chat for Authors: UA LIVE: We are in social networks:

About · News · For Advertisers

Digital Library of Ukraine ® All rights reserved.
2009-2025, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of affiliates, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. Once you register, you have more than 100 tools at your disposal to build your own author collection. It's free: it was, it is, and it always will be.

Download app for Android