Über superschwere Elemente. Insel der Stabilität: Russische Nuklearwissenschaftler führen das Rennen an. Schaltung digitaler, analog-digitaler und digital-analoger Geräte, Lehrbuch. Zuschuss

Wissenschaftler der University of New South Wales (Australien) und der Universität Mainz (Deutschland) haben vorgeschlagen, dass einer der ungewöhnlichsten Sterne, die Astronomen kennen, chemische Elemente von der Insel der Stabilität enthält. Dies sind die Elemente ganz am Ende des Periodensystems; sie unterscheiden sich von ihren Nachbarn auf der linken Seite durch ihre längere Lebensdauer. Die Studie wurde in der Bibliothek elektronischer Preprints arXiv.org veröffentlicht; ihre Ergebnisse und stabile superschwere chemische Elemente werden beschrieben.

Der Stern HD 101065 wurde 1961 vom polnisch-australischen Astronomen Antonin Przybylski entdeckt. Er befindet sich etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Zentaur. Höchstwahrscheinlich ist HD 101065 leichter als die Sonne und ein Hauptreihenstern, ein Unterriese. Eine Besonderheit des Przybylski-Sterns ist der äußerst geringe Gehalt an Eisen und Nickel in der Atmosphäre. Gleichzeitig ist der Stern reich an schweren Elementen, darunter Strontium, Cäsium, Thorium, Ytterbium und Uran.

Przybylskis Stern ist der einzige, in dem kurzlebige radioaktive Elemente, Aktiniden, mit einer Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern) von 89 bis 103 entdeckt wurden: Actinium, Plutonium, Americium und Einsteinium. HD 101065 ähnelt HD 25354, das Vorhandensein von Americium und Curium ist jedoch fraglich.

Der Entstehungsmechanismus superschwerer Elemente auf Przybylskis Stern ist noch nicht ganz geklärt. Es wurde angenommen, dass HD 101065 zusammen mit einem Neutronenstern ein binäres System bildet – Teilchen aus dem zweiten fallen auf das erste und provozieren Fusionsreaktionen schwerer Elemente. Diese Hypothese wurde noch nicht bestätigt, obwohl es möglich ist, dass sich ein schwacher Satellit in einer Entfernung von etwa tausend Astronomischen Einheiten von HD 101065 befindet.

Foto: N. Dautel / Globallookpress.com

HD 101065 ist den Ap-Sternen am ähnlichsten, besonderen Sternen der Spektralklasse A, in deren Spektrum die Linien der Seltenerdmetalle verstärkt sind. Sie haben ein starkes Magnetfeld, schwere Elemente dringen aus der Tiefe in ihre Atmosphäre ein. HD 101065 unterscheidet sich von anderen Ap-Sternen durch kurzfristige Änderungen der Lichtkurve, die es ermöglichten, ihn in eine separate Gruppe von RoAp-Sternen (schnell oszillierende Ap-Sterne) einzuordnen.

Es ist wahrscheinlich, dass die Versuche der Wissenschaftler, HD 101065 in die bestehende Sternklassifikation einzuordnen, eines Tages von Erfolg gekrönt sein werden. Obwohl Przybylskis Stern als einer der ungewöhnlichsten gilt, gibt dies Anlass zu der Annahme, dass er über eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften verfügt. Insbesondere in der neuesten Arbeit zu HD 101065 gingen australische und deutsche Forscher davon aus, dass chemische Elemente, die zur Insel der Stabilität gehören, in Przybylskis Stern geboren werden.

Die Wissenschaftler gingen vom Schalenmodell des Kerns und seiner Erweiterungen aus. Das Modell bezieht die Stabilität des Atomkerns auf die Füllung der Energieniveaus der Schalen, die in Analogie zu den Elektronenhüllen des Atoms den Kern bilden. Jedes Neutron und jedes Proton befinden sich in einer bestimmten Hülle (Abstand vom Atomzentrum oder Energieniveau) und bewegen sich unabhängig voneinander in einem bestimmten in sich konsistenten Feld.

Es wird angenommen, dass das Isotop umso stabiler ist, je gefüllter die Energieniveaus des Kerns sind. Das Modell erklärt gut die Stabilität von Atomkernen, Spins und magnetischen Momenten, ist jedoch nur auf nicht angeregte oder leichte und mittelgroße Kerne anwendbar.

Nach dem Schalenmodell zeichnen sich Kerne mit vollständig gefüllten Energieschalen durch eine hohe Stabilität aus. Solche Elemente bilden die „Insel der Stabilität“. Es beginnt mit Isotopen mit den Seriennummern 114 und 126, die den magischen und doppelten magischen Zahlen entsprechen.

Kerne mit der magischen Zahl an Nukleonen (Protonen und Neutronen) haben die stärkste Bindungsenergie. In der Tabelle der Nuklide sind sie wie folgt angeordnet: Horizontal von links nach rechts ist in aufsteigender Reihenfolge die Anzahl der Protonen angegeben, vertikal von oben nach unten die Anzahl der Neutronen. Ein doppelt magischer Kern hat eine Anzahl von Protonen und Neutronen, die einer magischen Zahl entspricht.

Die Halbwertszeit der in Dubna gewonnenen Flerovium-Isotope (das 114. Element) beträgt bis zu 2,7 Sekunden. Der Theorie zufolge soll es ein Isotop von Flerovium-298 mit der magischen Neutronenzahl N = 184 und einer Lebensdauer von etwa zehn Millionen Jahren geben. Es ist bisher nicht gelungen, einen solchen Kern zu synthetisieren. Zum Vergleich: Die Halbwertszeit benachbarter Elemente mit einer Protonenzahl im Kern von 113 und 115 beträgt bis zu 19,6 Sekunden (für Nihonium-286) bzw. 0,156 Sekunden (für Moscovium-289).

Die Autoren der Veröffentlichung auf arXiv.org glauben, dass das Vorhandensein von Aktiniden in der Atmosphäre von HD 101065 darauf hindeutet, dass dort auch chemische Elemente von der Insel der Stabilität vorhanden sind. Aktiniden sind in diesem Fall ein Produkt des Zerfalls stabiler superschwerer Elemente. Die Wissenschaftler schlagen vor, die Spektren von HD 101065 nach Spuren von Nobelium, Lawrencium, Nihonium und Flerovium zu durchsuchen und spezifische Spektren zu beschreiben, die möglicherweise stabile Isotope erzeugen.

Derzeit werden in Russland, den USA, Japan und Deutschland neue Elemente des Periodensystems synthetisiert. Transurane-Elemente wurden in der natürlichen Umwelt der Erde nicht gefunden. Der Stern HD 101065 könnte neue Möglichkeiten bieten, die Theorien der Kernphysiker zu testen, die die Existenz einer Insel der Stabilität nahelegen.

Ende der 60er Jahre wurde durch die Bemühungen vieler Theoretiker – O. Bohr und B. Motelson (Dänemark), S. Nilsson (Schweden), V.M. Strutinsky und V.V. Pashkevich (UdSSR), H. Myers und V. Svyatetsky (USA), A. Sobichevsky und andere (Polen), W. Greiner und andere (Deutschland), R. Nix und P. Möller (USA), J. Berger (Frankreich). ) und viele andere schufen die mikroskopische Theorie der Atomkerne. Die neue Theorie brachte alle oben genannten Widersprüche in ein harmonisches System physikalischer Gesetze.
Wie jede Theorie hatte sie eine gewisse Vorhersagekraft, insbesondere bei der Vorhersage der Eigenschaften sehr schwerer, noch unbekannter Kerne. Es stellte sich heraus, dass die stabilisierende Wirkung von Kernhüllen über das hinausgeht, was das Tröpfchenmodell des Kerns (d. h. im Bereich Z > 106) anzeigt und das sogenannte Tröpfchenmodell bildet. „Inseln der Stabilität“ um die magischen Zahlen Z=108, N=162 und Z=114, N=184. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, kann die Lebensdauer superschwerer Kerne, die sich auf diesen „Stabilitätsinseln“ befinden, deutlich ansteigen. Dies gilt insbesondere für die schwersten, superschweren Elemente, bei denen der Effekt geschlossener Schalen Z=114 (möglicherweise 120) und N=184 die Halbwertszeiten auf Zehntausende, Hunderttausende und möglicherweise Millionen von Jahren, d. h., erhöht. - 32-35 Größenordnungen mehr als ohne die Wirkung von Atomgranaten. So entstand eine faszinierende Hypothese über die mögliche Existenz superschwerer Elemente, die die Grenzen der materiellen Welt erheblich erweitert. Ein direkter Test theoretischer Vorhersagen wäre die Synthese superschwerer Nuklide und die Bestimmung ihrer Zerfallseigenschaften. Daher müssen wir uns kurz mit den Schlüsselfragen befassen, die mit der künstlichen Synthese von Elementen verbunden sind.

2. Synthesereaktionen schwerer Elemente

Viele von Menschenhand geschaffene Elemente, die schwerer als Uran sind, wurden in Reaktionen des sequentiellen Einfangens von Neutronen durch Kerne des Uranisotops – 235 U – bei Langzeitbestrahlung in leistungsstarken Kernreaktoren synthetisiert. Die langen Halbwertszeiten der neuen Nuklide ermöglichten es, sie durch radiochemische Methoden von anderen Reaktionsnebenprodukten zu trennen und anschließend ihre radioaktiven Zerfallseigenschaften zu messen. Diese bahnbrechenden Arbeiten von Prof. G. Seaborg und seine Kollegen, durchgeführt von 1940 bis 1953. am Radiation National Laboratory (Berkeley, USA) führte zur Entdeckung von acht künstlichen Elementen mit Z = 93 -100, dem schwersten Isotop 257 Fm (T 1/2 ~ 100 Tage). Ein weiteres Vordringen in die Region schwererer Kerne war aufgrund der extrem kurzen Halbwertszeit des nächsten Isotops – 258 Fm (T SF = 0,3 Millisekunden) – praktisch unmöglich. Versuche, diese Einschränkung bei gepulsten Neutronenflüssen hoher Leistung, die aus einer Kernexplosion resultieren, zu umgehen, führten nicht zu den gewünschten Ergebnissen: Der schwerste Kern hatte immer noch 257 Fm.

Elemente schwerer als Pm (Z=100) wurden in Reaktionen mit beschleunigten Schwerionen synthetisiert, indem ein Komplex aus Protonen und Neutronen in den Zielkern eingeführt wurde. Diese Art der Reaktion unterscheidet sich jedoch vom vorherigen Fall. Wenn ein Neutron eingefangen wird, das keine elektrische Ladung hat, beträgt die Anregungsenergie des neuen Kerns nur 6 - 8 MeV. Im Gegensatz dazu werden bei der Verschmelzung von Zielkernen selbst mit leichten Ionen wie Helium (4 He) oder Kohlenstoff (12 C) schwere Kerne auf eine Energie E x = 20 - 40 MeV erhitzt. Mit einer weiteren Erhöhung der Ordnungszahl des Projektilkerns muss immer mehr Energie zugeführt werden, um die elektrischen Abstoßungskräfte positiv geladener Kerne (die Barriere der Coulomb-Reaktion) zu überwinden. Dieser Umstand führt zu einer Erhöhung der Anregungsenergie (Erwärmung) des zusammengesetzten Kerns, der nach der Verschmelzung zweier Kerne – des Projektils und des Ziels – entsteht. Seine Abkühlung (Übergang in den Grundzustand E x = 0) erfolgt durch die Emission von Neutronen und Gammastrahlen. Und hier entsteht das erste Hindernis.

Ein erhitzter schwerer Kern kann nur in 1/100 der Fälle ein Neutron aussenden; im Grunde spaltet er sich in zwei Fragmente auf, da die Energie des Kerns deutlich höher ist als die Höhe seiner Spaltbarriere. Es ist leicht zu verstehen, dass eine Erhöhung der Anregungsenergie eines zusammengesetzten Kerns schädlich für diesen ist. Die Überlebenswahrscheinlichkeit eines erhitzten Kerns sinkt mit steigender Temperatur (oder Energie E x) stark, da die Zahl der verdampften Neutronen zunimmt, mit denen die Kernspaltung stark konkurriert. Um einen auf eine Energie von etwa 40 MeV erhitzten Kern abzukühlen, müssen 4 oder 5 Neutronen verdampft werden. Jedes Mal konkurriert die Spaltung mit der Emission eines Neutrons, wodurch die Überlebenswahrscheinlichkeit nur (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10 beträgt. Erschwerend kommt hinzu, dass mit steigender Kerntemperatur die stabilisierende Wirkung der Schalen abnimmt, die Höhe der Spaltbarriere abnimmt und die Kernspaltung stark zunimmt. Beide Faktoren führen dazu, dass die Wahrscheinlichkeit der Bildung superschwerer Nuklide äußerst gering ist.

Der Vorstoß in den Bereich der Elemente schwerer als 106 wurde nach der Entdeckung der sogenannten Elemente im Jahr 1974 möglich. Kalte Fusionsreaktionen. Bei diesen Reaktionen werden „magische“ Kerne stabiler Isotope als Zielmaterial verwendet – 208 Pb (Z = 82, N = 126) oder 209 Bi (Z = 83, N = 126), die von Ionen bombardiert werden, die schwerer als Argon sind ( Yu.Ts. Oganesyan , A.G. Demin usw.). Während des Fusionsprozesses führt die hohe Bindungsenergie der Nukleonen im „magischen“ Zielkern zur Energieabsorption bei der Neuanordnung zweier interagierender Kerne
in einen schweren Kern voller Masse. Dieser Unterschied in der „Packungs“-Energie der Nukleonen in den wechselwirkenden Kernen und im endgültigen Kern gleicht weitgehend die Energie aus, die zur Überwindung der hohen Coulomb-Barriere für die Reaktion erforderlich ist. Infolgedessen hat ein schwerer Kern eine Anregungsenergie von nur 12–20 MeV. In gewisser Weise ähnelt eine solche Reaktion dem Prozess der „Umkehrspaltung“. Wenn nämlich die Spaltung eines Urankerns in zwei Fragmente unter Freisetzung von Energie erfolgt (sie wird in Kernkraftwerken verwendet), dann ist der resultierende Urankern in der Rückreaktion, wenn die Fragmente verschmelzen, fast kalt. Wenn also Elemente in Kaltfusionsreaktionen synthetisiert werden, muss ein schwerer Kern nur ein oder zwei Neutronen emittieren, um in den Grundzustand zu gelangen.
Kalte Fusionsreaktionen massiver Kerne wurden erfolgreich zur Synthese von 6 neuen Elementen von 107 bis 112 (P. Armbruster, Z. Hofmann, G. Münzenberg usw.) am GSI-Zentrum für Kernphysik in Darmstadt (Deutschland) eingesetzt. Kürzlich wiederholten K. Morita et al. am RIKEN National Center (Tokio) die GSI-Experimente zur Synthese von 110–112 Elementen. Beide Gruppen beabsichtigen, mit schwereren Projektilen zu den Elementen 113 und 114 überzugehen. Allerdings sind Versuche, immer schwerere Elemente in Kaltfusionsreaktionen zu synthetisieren, mit großen Schwierigkeiten verbunden. Mit zunehmender Atomladung von Ionen nimmt die Wahrscheinlichkeit ihrer Fusion mit Zielkernen 208 Pb oder 209 Bi aufgrund einer Zunahme der Coulomb-Abstoßungskräfte, die bekanntermaßen proportional zum Produkt der Kernladungen sind, stark ab. Aus Element 104, das in der Reaktion 208 Pb + 50 Ti (Z 1) erhalten werden kann × Z 2 = 1804) zu Element 112 in der Reaktion 208 Pb + 70 Zn (Z 1 × Z 2 = 2460) sinkt die Fusionswahrscheinlichkeit um mehr als das 10 4-fache.

Figur 3 Karte schwerer Nuklide. Kernhalbwertszeiten werden durch verschiedene Farben dargestellt (rechte Skala). Schwarze Quadrate sind Isotope stabiler Elemente, die in der Erdkruste vorkommen (T 1/2). ≥ 10 9 Jahre). Die dunkelblaue Farbe ist das „Meer der Instabilität“, in dem Kerne weniger als 10 -6 Sekunden leben. Gelbe Linien entsprechen geschlossenen Schalen und geben die magische Anzahl von Protonen und Neutronen an. „Inseln der Stabilität“, die der „Halbinsel“ der Elemente Thorium, Uran und Transuran folgen, sind Vorhersagen der mikroskopischen Theorie des Kerns. Wie nah man bei der künstlichen Synthese superschwerer Elemente an die „Inseln der Stabilität“ herankommen kann, zeigen zwei Kerne mit Z = 112 und 116, die bei unterschiedlichen Kernreaktionen und deren sequenziellem Zerfall entstanden sind.

Es gibt noch eine weitere Einschränkung. Verbundkerne, die bei Kaltfusionsreaktionen entstehen, haben eine relativ geringe Anzahl von Neutronen. Im Falle der oben betrachteten Bildung des 112. Elements verfügt der endgültige Kern mit Z = 112 nur über 165 Neutronen, während für die Neutronenzahl N > 170 eine Erhöhung der Stabilität zu erwarten ist (siehe Abb. 3).

Kerne mit einem großen Überschuss an Neutronen können grundsätzlich erhalten werden, wenn künstliche Elemente als Targets verwendet werden: Plutonium (Z = 94), Americium (Z = 95) oder Curium (Z = 96), hergestellt in Kernreaktoren, und seltene Elemente als Projektil-Calciumisotop - 48 Ca. (siehe unten).

Der Kern des 48-Ca-Atoms enthält 20 Protonen und 28 Neutronen – beide Werte entsprechen geschlossenen Schalen. Bei Fusionsreaktionen mit 48 Ca-Kernen funktioniert auch deren „magische“ Struktur (diese Rolle spielten bei Kaltfusionsreaktionen die magischen Kerne des Ziels - 208 Pb), wodurch die Anregungsenergie superschwerer Kerne beträgt etwa 30 - 35 MeV. Ihr Übergang in den Grundzustand wird von der Emission von drei Neutronen und Gammastrahlen begleitet. Man könnte erwarten, dass bei dieser Anregungsenergie die Wirkung von Kernhüllen in erhitzten superschweren Kernen immer noch vorhanden ist, was ihr Überleben erhöht und es uns ermöglicht, sie in unseren Experimenten zu synthetisieren. Beachten Sie auch, dass die Asymmetrie der Massen der wechselwirkenden Kerne (Z 1 × Z 2 ≤ 2000) verringert ihre Coulomb-Abstoßung und erhöht dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Verschmelzung.

Trotz dieser scheinbar offensichtlichen Vorteile scheiterten alle bisherigen Versuche, superschwere Elemente durch Reaktionen mit 48 Ca-Ionen zu synthetisieren, die zwischen 1977 und 1985 in verschiedenen Labors durchgeführt wurden. erwies sich als wirkungslos. Die Entwicklung der experimentellen Technologie in den letzten Jahren und vor allem die Produktion intensiver Strahlen von 48 Ca-Ionen in unserem Labor auf Beschleunigern der neuen Generation haben es jedoch ermöglicht, die Empfindlichkeit des Experiments um fast das Tausendfache zu steigern. Diese Errungenschaften wurden in einem neuen Versuch zur Synthese superschwerer Elemente genutzt.

3 Erwartete Eigenschaften

Was erwarten wir im Experiment, wenn die Synthese gelingt? Wenn die theoretische Hypothese wahr ist, sind superschwere Kerne im Verhältnis zur spontanen Spaltung stabil. Dann erleben sie eine andere Art von Zerfall: den Alpha-Zerfall (Ausstoß eines Heliumkerns bestehend aus 2 Protonen und 2 Neutronen). Als Ergebnis dieses Prozesses entsteht ein Tochterkern, der 2 Protonen und 2 Neutronen leichter ist als der Mutterkern. Wenn die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung des Tochterkerns gering ist, ist der Enkelkern nach dem zweiten Alpha-Zerfall nun 4 Protonen und 4 Neutronen leichter als der ursprüngliche Kern. Alpha-Zerfälle werden fortgesetzt, bis es zu einer spontanen Spaltung kommt (Abb. 4).

Das. Wir erwarten nicht nur einen Zerfall, sondern eine „radioaktive Familie“, eine Kette aufeinanderfolgender Alpha-Zerfälle, die ziemlich lange dauern (auf nuklearer Skala), die mit der spontanen Spaltung konkurrieren, aber letztendlich durch diese unterbrochen werden. Im Prinzip deutet ein solches Zerfallsszenario bereits auf die Bildung eines superschweren Kerns hin.

Um den erwarteten Stabilitätszuwachs vollständig zu sehen, ist es notwendig, den geschlossenen Schalen Z = 114 und N = 184 möglichst nahe zu kommen. Es ist äußerst schwierig, solche Kerne mit Neutronenüberschuss in Kernreaktionen zu synthetisieren, da bei der Verschmelzung von Kernen von Bei stabilen Elementen, die bereits ein bestimmtes Verhältnis von Protonen und Neutronen aufweisen, ist es unmöglich, zum doppelt magischen Kern 298 114 zu gelangen. Daher müssen wir versuchen, in der Reaktion Kerne zu verwenden, die zunächst die maximal mögliche Anzahl an Neutronen enthalten. Dies bestimmte maßgeblich auch die Wahl der beschleunigten 48 Ca-Ionen als Projektil. Wie Sie wissen, gibt es in der Natur viel Kalzium. Es besteht zu 97 % aus dem Isotop 40Ca, dessen Kern 20 Protonen und 20 Neutronen enthält. Aber es enthält 0,187 % schweres Isotop – 48 Ca (20 Protonen und 28 Neutronen) mit 8 überschüssigen Neutronen. Die Technologie zu seiner Herstellung ist sehr arbeitsintensiv und teuer; Die Kosten für ein Gramm angereichertes 48 Ca betragen etwa 200.000 US-Dollar. Daher mussten wir das Design und die Betriebsmodi unseres Beschleunigers erheblich ändern, um eine Kompromisslösung zu finden – die maximale Intensität des Ionenstrahls bei minimalem Verbrauch dieses exotischen Materials zu erhalten.

Figur 4
Theoretische Vorhersagen über die Zerfallsarten (in der Abbildung in verschiedenen Farben dargestellt) und Halbwertszeiten von Isotopen superschwerer Elemente mit unterschiedlicher Anzahl von Protonen und Neutronen. Als Beispiel wird gezeigt, dass für das Isotop des 116. Elements mit einer Masse von 293, das bei der Fusionsreaktion der Kerne 248 St und 48 Ca entsteht, drei aufeinanderfolgende Alphazerfälle zu erwarten sind, die mit der spontanen Spaltung des Großen enden -Enkelkern des 110. Elements mit einer Masse von 281. Wie in Abb. 8 zu sehen ist, handelt es sich genau um ein solches Zerfallsszenario in Form einer Kette α - α - α - SF, für diesen Kern im Experiment beobachtet. Der Zerfall eines leichteren Kerns ist das Isotop des 110. Elements mit einer Masse von 271, das bei der „kalten Fusion“-Reaktion der Kerne 208 Pb + 64 Ni entsteht. Seine Halbwertszeit ist 10 4-mal kürzer als die des Isotops 281 110 .

Heute haben wir eine Rekordstrahlintensität erreicht – 8 × 10 12 / s, mit einem sehr geringen Verbrauch des 48 Ca-Isotops - etwa 0,5 Milligramm / Stunde. Als Targetmaterial verwenden wir langlebige angereicherte Isotope künstlicher Elemente: Pu, Am, Cm und Cf (Z = 94-96 und 98) ebenfalls mit maximalem Neutronengehalt. Sie werden in leistungsstarken Kernreaktoren (in Oak Ridge, USA und in Dimitrovgrad, Russland) hergestellt und anschließend in speziellen Anlagen, Massenseparatoren, am Allrussischen Forschungsinstitut für Experimentalphysik (Sarow) angereichert. Für die Synthese von Elementen mit Z = 114 – 118 wurden Fusionsreaktionen von 48 Ca-Kernen mit Kernen dieser Isotope ausgewählt.

Hier möchte ich einen Exkurs machen.

Nicht jedes Labor, selbst die führenden Nuklearzentren der Welt, verfügt über so einzigartige Materialien und in solchen Mengen, die wir bei unserer Arbeit verwenden. Aber die Technologien für ihre Herstellung wurden in unserem Land entwickelt und werden von unserer Industrie entwickelt. Der Minister für Atomenergie Russlands hat uns vorgeschlagen, ein fünfjähriges Arbeitsprogramm zur Synthese neuer Elemente zu entwickeln, und hat für die Durchführung dieser Forschung einen Sonderzuschuss bereitgestellt. Andererseits arbeiten wir am Joint Institute for Nuclear Research in großem Umfang mit führenden Laboratorien auf der Welt zusammen (und konkurrieren mit ihnen). Bei der Forschung zur Synthese superschwerer Elemente arbeiten wir seit vielen Jahren eng mit dem Livermore National Laboratory (USA) zusammen. Diese Zusammenarbeit bündelt nicht nur unsere Bemühungen, sondern schafft auch Bedingungen, unter denen experimentelle Ergebnisse in allen Phasen des Experiments von zwei Gruppen unabhängig voneinander verarbeitet und analysiert werden.
Über 5 Jahre Arbeit, bei Langzeitbestrahlung, eine Dosis von etwa 2 × 10 20 Ionen (etwa 16 Milligramm 48 Ca, beschleunigt auf ~ 1/10 der Lichtgeschwindigkeit, passierten die Zielschichten). In diesen Experimenten wurde die Bildung von Isotopen von 112-118 Elementen (mit Ausnahme des 117. Elements) beobachtet und erste Ergebnisse zu den Zerfallseigenschaften neuer superschwerer Nuklide erzielt. Die Darstellung aller Ergebnisse würde zu viel Platz in Anspruch nehmen und um den Leser nicht zu langweilen, beschränken wir uns darauf, nur das letzte Experiment zur Synthese von 113 und 115 Elementen zu beschreiben – alle anderen Reaktionen wurden auf ähnliche Weise untersucht. Bevor wir uns jedoch an diese Aufgabe machen, wäre es ratsam, den Versuchsaufbau kurz zu skizzieren und die Grundprinzipien der Funktionsweise unserer Anlage zu erläutern.

4. Aufbau des Experiments

Der zusammengesetzte Kern, der durch die Verschmelzung von Target- und Teilchenkernen entsteht, bewegt sich nach der Verdampfung von Neutronen in Richtung des Ionenstrahls. Die Zielschicht wird dünn genug gewählt, damit ein schweres Rückstoßatom aus ihr herausfliegen und seine Bewegung zum Detektor fortsetzen kann, der sich in einer Entfernung von etwa 4 m vom Ziel befindet. Zwischen dem Ziel und dem befindet sich ein gasgefüllter Separator Detektor zur Unterdrückung von Strahlpartikeln und Reaktionsnebenprodukten.
Das Funktionsprinzip des Separators (Abb. 5) basiert auf der Tatsache, dass sich Atome in einer gasförmigen Umgebung befinden – in unserem Fall in Wasserstoff, bei einem Druck von nur 10 –3 atm. - je nach Geschwindigkeit unterschiedliche Ionenladungen haben. Dadurch können sie in einem Magnetfeld „on the fly“ in einer Zeit von 10 -6 s getrennt werden. und senden Sie es an den Detektor. Atome, die den Separator passiert haben, werden in die empfindliche Schicht des Halbleiterdetektors implantiert und erzeugen Signale über die Ankunftszeit des Rückstoßatoms, seine Energie und den Ort der Implantation (d. h. Koordinaten: X Und bei auf der Arbeitsfläche des Detektors). Zu diesem Zweck ist der Detektor mit einer Gesamtfläche von etwa 50 cm 2 in Form von 12 „Streifen“ – Streifen, die einer Klaviertaste ähneln – hergestellt, die jeweils eine Längsempfindlichkeit aufweisen. Wenn der Kern des implantierten Atoms einen Alpha-Zerfall erfährt, wird das emittierte Alpha-Teilchen (mit einer erwarteten Energie von etwa 10 MeV) vom Detektor registriert und zeigt alle zuvor aufgeführten Parameter an: Zeit, Energie und Koordinaten. Wenn auf den ersten Zerfall ein zweiter folgt, erhält man ähnliche Informationen für das zweite Alphateilchen usw. bis es zu einer spontanen Teilung kommt. Der letzte Zerfall wird in Form von zwei zeitlich zusammenfallenden Signalen mit großer Amplitude (E 1 + E 2 ~ 200 MeV) aufgezeichnet. Um die Effizienz der Erfassung von Alphateilchen und gepaarten Spaltfragmenten zu erhöhen, ist der vordere Detektor von seitlichen Detektoren umgeben, die eine „Box“ mit einer auf der Separatorseite offenen Wand bilden. Vor der Detektorbaugruppe befinden sich zwei dünne Flugzeitdetektoren, die die Geschwindigkeit von Rückstoßkernen messen (sogenannte TOF-Detektoren, eine Abkürzung für englische Wörter – Flugzeit). Daher hat das erste Signal, das vom Rückstoßkern ausgeht, das TOF-Zeichen. Nachfolgende Signale des Kernzerfalls weisen diese Funktion nicht auf.
Natürlich können Zerfälle unterschiedlich lange dauern und durch die Emission eines oder mehrerer Alphateilchen mit unterschiedlichen Energien gekennzeichnet sein. Gehören sie aber zum selben Kern und bilden eine radioaktive Familie (Mutterkern – Tochter – Enkel usw.), dann müssen die Koordinaten aller Signale – vom Rückstoßkern, Alphateilchen und Spaltfragmenten – in der Koordinatenlage ortsgenau übereinstimmen Detektorauflösung. Unsere von Canberra Electronics hergestellten Detektoren messen die Alphateilchenenergie mit einer Genauigkeit von ~0,5 % und haben eine Positionsauflösung von etwa 0,8 mm für jeden Streifen.

Abbildung 5
Schematische Darstellung der Anlage zur Trennung von Rückstoßkernen bei Experimenten zur Synthese schwerer Elemente

Geistig lässt sich die gesamte Oberfläche des Detektors als etwa 500 Zellen (Pixel) darstellen, in denen Zerfälle detektiert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Signale zufällig an die gleiche Stelle fallen, beträgt 1/500, drei Signale - 1/250000 usw. Dies ermöglicht es, mit großer Zuverlässigkeit aus einer großen Anzahl radioaktiver Produkte sehr seltene Ereignisse genetisch bedingter sequentieller Zerfälle superschwerer Kerne auszuwählen, selbst wenn diese in extrem geringen Mengen (~1 Atom/Monat) gebildet werden.

5. Experimentelle Ergebnisse

(körperliche Erfahrung)

Um die Installation „in Aktion“ zu zeigen, beschreiben wir beispielhaft die Experimente zur Synthese des Elements 115, das bei der Fusionsreaktion der Kerne 243 Am(Z=95) + 48 Ca(Z=) entsteht, näher 20) → 291 115.
Die Synthese eines ungeraden Z-Kerns ist attraktiv, da das Vorhandensein eines ungeraden Protons oder Neutrons die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung erheblich verringert und die Anzahl aufeinanderfolgender Alpha-Übergänge größer ist (lange Ketten) als beim Zerfall von geraden sogar Kerne. Um die Coulomb-Barriere zu überwinden, müssen 48 Ca-Ionen eine Energie E > 236 MeV haben. Wenn wir andererseits diese Bedingung erfüllen und die Strahlenergie auf E = 248 MeV begrenzen, beträgt die thermische Energie des Verbindungskerns 291 115 etwa 39 MeV; Seine Abkühlung erfolgt durch die Emission von 3 Neutronen und Gammastrahlen. Dann ist das Reaktionsprodukt das Isotop 115 des Elements mit der Neutronenzahl N=173. Nachdem ein Atom eines neuen Elements aus der Zielschicht herausgeflogen ist, passiert es einen Separator, der für die Übertragung konfiguriert ist, und gelangt in den Detektor. Weitere Ereignisse entwickeln sich wie in Abb. 6 dargestellt. 80 Mikrosekunden nachdem der Rückstoßkern im Frontaldetektor stoppt, empfängt das Datenerfassungssystem Signale über seine Ankunftszeit, Energie und Koordinaten (Streifennummer und Position darin). Beachten Sie, dass diese Informationen das Attribut „TOF“ (kam vom Trennzeichen) haben. Wenn innerhalb von 10 Sekunden ein zweites Signal mit einer Energie von mehr als 9,8 MeV von derselben Stelle auf der Detektoroberfläche ohne das „TOF“-Zeichen (also vom Zerfall des implantierten Atoms) folgt, wird der Strahl abgeschaltet und alles weiter Der Zerfall wird unter Bedingungen fast vollständiger Abwesenheit von Hintergrund aufgezeichnet. Wie im oberen Diagramm von Abb. 6 zu sehen ist, liegen hinter den ersten beiden Signalen – vom Rückstoßkern und dem ersten Alphateilchen – für eine Zeit von etwa 20 s. Nach dem Abschalten des Strahls folgten 4 weitere Signale, deren Positionen mit einer Genauigkeit von ± 0,5 mm mit den vorherigen Signalen übereinstimmten. Während der nächsten 2,5 Stunden war der Detektor still. Die spontane Spaltung im selben Streifen und an derselben Position wurde erst am nächsten Tag, 28,7 Stunden später, in Form von zwei Signalen von Spaltfragmenten mit einer Gesamtenergie von 206 MeV aufgezeichnet.
Dreimal wurden solche Ketten registriert. Sie haben alle das gleiche Aussehen (6 Generationen von Kernen in der radioaktiven Familie) und stimmen sowohl in der Energie der Alphateilchen als auch in der Zeit ihres Auftretens miteinander überein, wobei das Exponentialgesetz des Kernzerfalls berücksichtigt wird. Wenn sich der beobachtete Effekt erwartungsgemäß auf den Zerfall des Isotops des Elements 115 mit einer Masse von 288 bezieht, das nach der Verdampfung von 3 Neutronen durch einen zusammengesetzten Kern entsteht, dann mit einer Erhöhung der Energie des 48 Ca-Ionenstrahls um nur 5 MeV, sollte es um das 5- bis 6-fache sinken. Tatsächlich gab es bei E = 253 MeV keinen Effekt. Aber hier wurde eine andere, kürzere Zerfallskette beobachtet, die aus vier Alphateilchen bestand (wir glauben, dass es auch fünf waren, aber das letzte Alphateilchen flog aus dem offenen Fenster) und nur 0,4 s dauerte. Die neue Zerfallskette endete nach 1,5 Stunden mit einer spontanen Spaltung. Offensichtlich handelt es sich hierbei um den Zerfall eines anderen Kerns, höchstwahrscheinlich des benachbarten Isotops des 115. Elements mit einer Masse von 287, das in einer Fusionsreaktion unter Emission von 4 Neutronen entstanden ist. Die Kette aufeinanderfolgender Zerfälle des ungeradzahligen Isotops Z=115, N=173 ist im unteren Diagramm von Abb. 6 dargestellt, das die berechneten Halbwertszeiten superschwerer Nuklide mit unterschiedlicher Anzahl von Protonen und Neutronen in Form von zeigt eine Höhenlinienkarte. Es zeigt auch den Zerfall eines weiteren, leichteren ungeraden Isotops des 111. Elements mit der Anzahl der Neutronen N = 161, das in der Reaktion 209 Bi+ 64 Ni im deutschen Labor – GSI (Darmstadt) und dann im japanischen – RIKEN ( Tokio).

Abbildung 6
Experiment zur Synthese des Elements 115 in der Reaktion 48 Ca + 243 At.
Die obere Abbildung zeigt die Zeitpunkte, zu denen Signale nach der Implantation eines Rückstoßkerns (R) in den Detektor auftreten. Signale aus der Registrierung von Alphateilchen sind rot markiert, Signale aus der spontanen Spaltung sind grün markiert. Als Beispiel werden für eines der drei Ereignisse die Ortskoordinaten (in mm) aller 7 Signale aus der R → Zerfallskette angegebenα 1 → α 2 → α 3 → α 4 →α 5 → SF aufgezeichnet im Streifen Nr. 4. Die untere Abbildung zeigt die Zerfallsketten der Kerne mit Z=111, N=161 und Z=115, N=173. Konturlinien, die Regionen von Kernen mit unterschiedlichen Halbwertszeiten (unterschiedlichem Grad der Verdunkelung) umreißen, sind Vorhersagen der mikroskopischen Theorie.

Zunächst ist festzuhalten, dass die Kernhalbwertszeiten in beiden Fällen gut mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Trotz der Tatsache, dass das Isotop 288 115 durch 11 Neutronen aus der Neutronenhülle N=184 entfernt wird, haben die Isotope 115 und 113 eine relativ lange Lebensdauer (T 1/2 ~ 0,1 s bzw. 0,5 s).
Nach fünf Alphazerfällen entsteht das Isotop 105 des Elements – Dubnium (Db) mit N=163, dessen Stabilität durch eine weitere geschlossene Schale N=162 bestimmt wird. Die Leistungsfähigkeit dieser Hülle wird durch den enormen Unterschied in der Halbwertszeit zweier Db-Isotope deutlich, die sich nur um 8 Neutronen voneinander unterscheiden. Beachten wir noch einmal, dass ohne Struktur (Kernhüllen) alle Isotope der 105-115 Elemente in einer Zeit von ~ 10 -19 s spontan gespalten werden müssten.

(chemisches Experiment)

Im oben beschriebenen Beispiel sind die Eigenschaften des langlebigen Isotops 268 Db, das die Zerfallskette des Elements 115 vervollständigt, von unabhängigem Interesse.
Nach dem Periodengesetz befindet sich Element 105 in Zeile V. Es ist, wie in Abb. 7 zu sehen ist, ein chemisches Homolog von Niob (Nb) und Tantal (Ta) und unterscheidet sich in seinen chemischen Eigenschaften von allen leichteren Elementen – Aktiniden (Z = 90 ÷ 103), die eine separate Gruppe in der D.I.-Gruppe darstellen. Tisch. Mendelejew. Aufgrund seiner langen Halbwertszeit kann dieses Isotop des Elements 105 von allen Reaktionsprodukten abgetrennt werden radiochemische Methode gefolgt von der Messung seines Zerfalls – spontane Spaltung. Dieses Experiment liefert eine unabhängige Identifizierung der Ordnungszahl des endgültigen Kerns (Z = 105) und aller Nuklide, die bei den aufeinanderfolgenden Alpha-Zerfällen des Elements 115 entstehen.
Bei einem chemischen Experiment besteht keine Notwendigkeit, einen Rückstoß-Keimtrenner zu verwenden. Die Trennung der Reaktionsprodukte nach ihrer Ordnungszahl erfolgt durch Methoden, die auf den Unterschieden ihrer chemischen Eigenschaften basieren. Daher wurde hier eine vereinfachte Technik verwendet. Die aus dem Target herausfliegenden Reaktionsprodukte wurden bis zu einer Tiefe von 3–4 Mikrometern in einen Kupferkollektor getrieben, der sich entlang ihrer Bewegungsbahn befand. Nach 20–30 Stunden Bestrahlung löste sich die Ansammlung auf. Aus der Lösung wurde eine Fraktion der Transactinoide – Elemente Z > 104 – isoliert und aus dieser Fraktion dann die Elemente der 5. Reihe – Db, begleitet von ihren chemischen Homologen Nb und Ta. Letztere wurden der Lösung vor der chemischen Trennung als „Marker“ zugesetzt. Ein Tropfen einer Db-haltigen Lösung wurde auf ein dünnes Substrat aufgetragen, getrocknet und dann zwischen zwei Halbleiterdetektoren platziert, die beide Fragmente der spontanen Spaltung aufzeichneten. Die gesamte Anordnung wurde wiederum in einen Neutronendetektor gelegt, der die Anzahl der Neutronen bestimmte, die von Fragmenten während der Spaltung von Db-Kernen emittiert wurden.
Im Juni 2004 wurden 12 identische Experimente durchgeführt (S.N. Dmitriev und andere), bei denen 15 Ereignisse der spontanen Teilung von Db aufgezeichnet wurden. Spontane Spaltungsfragmente Db haben eine kinetische Energie von etwa 235 MeV, und bei jedem Spaltungsereignis werden durchschnittlich etwa 4 Neutronen emittiert. Solche Eigenschaften sind der spontanen Spaltung eines ziemlich schweren Kerns eigen. Erinnern wir uns, dass diese Werte für 238 U etwa 170 MeV bzw. 2 Neutronen betragen.
Ein chemisches Experiment bestätigt die Ergebnisse eines physikalischen Experiments: Die Kerne des 115. Elements, die bei der Reaktion 243 Am + 48 Ca als Ergebnis aufeinanderfolgender fünf Alpha-Zerfälle gebildet werden: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105, führen tatsächlich zum Bildung eines langlebigen, spontan spaltbaren Kerns mit der Ordnungszahl 105. In diesen Experimenten wurde als Tochterprodukt des Alpha-Zerfalls des Elements 115 auch ein weiteres, bisher unbekanntes Element mit der Ordnungszahl 113 synthetisiert.

Abbildung 7
Physikalische und chemische Experimente zur Untersuchung der radioaktiven Eigenschaften des 115. Elements.
Bei der Reaktion 48 Ca + 243 At wurde mithilfe eines physikalischen Aufbaus gezeigt, dass fünf aufeinanderfolgende
Alphazerfälle des Isotops 288 115 führen zum langlebigen Isotop des 105. Elements - 268 Db, das
spaltet sich spontan in zwei Fragmente. In einem chemischen Experiment wurde festgestellt, dass ein Kern mit der Ordnungszahl 105 eine spontane Spaltung durchläuft.

6. Das große Ganze und die Zukunft

Die bei der Reaktion 243 Am+ 48 Ca erhaltenen Ergebnisse sind kein Sonderfall. Während der Synthese von Z-geraden Nukliden – Isotopen der Elemente 112, 114 und 116 – beobachteten wir auch lange Zerfallsketten, die in der spontanen Spaltung von Kernen mit Z = 104-110 endeten, deren Lebensdauer je nach Fall zwischen Sekunden und Stunden lag die Ordnungszahl und die Neutronenzusammensetzung des Kerns. Bisher wurden Daten zu den Zerfallseigenschaften von 29 neuen Kernen mit Z = 104-118 erhalten; Sie werden auf der Nuklidkarte dargestellt (Abb. 8). Die Eigenschaften der schwersten in der Region befindlichen Transactinoidenkerne, ihre Zerfallsart, Energien und Zerfallszeiten stimmen gut mit den Vorhersagen der modernen Theorie überein. Die Hypothese über die Existenz von Stabilitätsinseln superschwerer Kerne, die die Welt der Elemente erheblich erweitern, scheint erstmals experimentelle Bestätigung gefunden zu haben.

Aussichten

Nun gilt es, die Kern- und Atomstruktur neuer Elemente genauer zu untersuchen, was vor allem aufgrund der geringen Ausbeute an gewünschten Reaktionsprodukten sehr problematisch ist. Um die Anzahl der Atome superschwerer Elemente zu erhöhen, ist es notwendig, die Intensität des 48 Ca-Ionenstrahls zu erhöhen und die Effizienz physikalischer Techniken zu steigern. Die für die kommenden Jahre geplante Modernisierung des Schwerionenbeschleunigers unter Nutzung aller neuesten Errungenschaften der Beschleunigertechnologie wird es uns ermöglichen, die Intensität des Ionenstrahls um etwa das Fünffache zu erhöhen. Die Lösung des zweiten Teils erfordert eine radikale Änderung des Versuchsaufbaus; Es liegt in der Entwicklung einer neuen experimentellen Technik, die auf den Eigenschaften superschwerer Elemente basiert.

Abbildung 8
Karte der Nuklide schwerer und superschwerer Elemente.
Für die Kerne innerhalb der Ovale, die den verschiedenen Fusionsreaktionen entsprechen (dargestellt in der Abbildung), sind die Halbwertszeiten und Energien der emittierten Alphateilchen angegeben (gelbe Quadrate). Die Daten werden auf einer Konturkarte der Trennregion basierend auf dem Beitrag des Kernhülleneffekts zur Kernbindungsenergie dargestellt. Ohne eine Kernstruktur wäre das gesamte Feld weiß. Mit zunehmender Verdunkelung verstärkt sich die Wirkung der Muscheln. Zwei benachbarte Zonen unterscheiden sich nur um 1 MeV. Dies reicht jedoch aus, um die Stabilität der Kerne gegenüber der spontanen Spaltung deutlich zu erhöhen, wodurch Nuklide, die sich in der Nähe der „magischen“ Zahl von Protonen und Neutronen befinden, überwiegend einem Alpha-Zerfall unterliegen. Andererseits führt bei den Isotopen des 110. und 112. Elements eine Erhöhung der Neutronenzahl um 8 Atomeinheiten zu einer Verlängerung der Alpha-Zerfallsperioden der Kerne um mehr als das 10 5-fache.

Das Funktionsprinzip der aktuellen Anlage – des kinematischen Rückstoßkernseparators (Abb. 5) basiert auf dem Unterschied in den kinematischen Eigenschaften verschiedener Reaktionstypen. Die für uns interessanten Produkte der Fusionsreaktion von Zielkernen und 48 Ca fliegen aus dem Ziel in Vorwärtsrichtung in einem schmalen Winkelkegel ± 3 0 mit einer kinetischen Energie von etwa 40 MeV. Indem wir die Flugbahnen der Rückstoßkerne unter Berücksichtigung dieser Parameter begrenzen, schalten wir den Ionenstrahl fast vollständig aus, unterdrücken den Hintergrund von Reaktionsnebenprodukten um den Faktor 10 4 ÷ 10 6 und liefern Atome neuer Elemente an den Detektor mit einem Wirkungsgrad von ca. 40 % in 1 Mikrosekunde. Mit anderen Worten: Die Trennung der Reaktionsprodukte erfolgt „on the fly“.

Abbildung 8 MASHA-Installation
Die obere Abbildung zeigt ein Diagramm des Abscheiders und das Funktionsprinzip. Aus der Zielschicht ausgeschleuderte Rückstoßkeime werden in einem Graphitkollektor in einer Tiefe von mehreren Mikrometern gestoppt. Aufgrund der hohen Temperatur des Kollektors diffundieren sie in die Ionenquellenkammer, werden aus dem Plasma gezogen, durch das elektrische Feld beschleunigt und auf ihrem Weg zum Detektor durch Magnetfelder nach ihrer Masse analysiert. Bei dieser Konstruktion kann die Masse eines Atoms mit einer Genauigkeit von 1/3000 bestimmt werden. Die folgende Abbildung zeigt eine allgemeine Ansicht der Installation.

Um jedoch eine hohe Selektivität der Anlage zu erreichen, ist es wichtig, die kinematischen Parameter – Abflugwinkel und Energien der Rückstoßkerne – beizubehalten und nicht zu „verschmieren“. Aus diesem Grund ist es notwendig, Zielschichten mit einer Dicke von nicht mehr als 0,3 Mikrometern zu verwenden – etwa dreimal weniger als nötig ist, um eine effektive Ausbeute eines superschweren Kerns mit einer bestimmten Masse zu erhalten, oder fünf- bis sechsmal weniger, wenn wir dies tun sprechen von der Synthese zweier Isotope eines bestimmten Elements mit benachbarter Masse. Um Daten über die Massenzahlen der Isotope eines superschweren Elements zu erhalten, ist es außerdem notwendig, eine lange und arbeitsintensive Reihe von Experimenten durchzuführen – wiederholte Messungen bei verschiedenen Energien des 48 Ca-Ionenstrahls.
Gleichzeitig haben die synthetisierten Atome superschwerer Elemente, wie aus unseren Experimenten hervorgeht, Halbwertszeiten, die die Geschwindigkeit des kinematischen Separators deutlich übersteigen. Daher besteht in vielen Fällen keine Notwendigkeit, Reaktionsprodukte in so kurzer Zeit zu trennen. Anschließend können Sie das Funktionsprinzip der Anlage ändern und die Reaktionsprodukte in mehreren Stufen trennen.
Das Diagramm der Neuinstallation ist in Abb. 9 dargestellt. Nach der Implantation von Rückstoßkernen in einen auf eine Temperatur von 2000 0 C erhitzten Kollektor diffundieren die Atome in das Plasma der Ionenquelle, werden im Plasma auf eine Ladung q = 1 + ionisiert und durch einen Strom aus der Quelle gezogen Feld, werden in Magnetfeldern eines speziellen Profils nach Masse getrennt und schließlich (nach Zerfallstyp) von Detektoren registriert, die sich in der Brennebene befinden. Schätzungen zufolge kann der gesamte Vorgang je nach Temperaturbedingungen und physikalisch-chemischen Eigenschaften der getrennten Atome zwischen Zehntelsekunden und mehreren Sekunden dauern. Die neue Installation ist MASHA (eine Abkürzung für den vollständigen Namen) und ist schneller als der kinematische Separator Massenanalysator für superschwere Atome) – erhöht die Betriebseffizienz um etwa das Zehnfache und liefert neben den Zerfallseigenschaften eine direkte Messung der Masse superschwerer Kerne.
Dank eines Zuschusses des Gouverneurs der Region Moskau B.V. Gromov hat diese Anlage erstellt, sie wurde in kurzer Zeit entworfen und hergestellt – in 2 Jahren hat sie die Tests bestanden und ist betriebsbereit. Nach dem Wiederaufbau des Beschleunigers mit der Installation von MASHA. Wir werden unsere Forschung zu den Eigenschaften neuer Nuklide deutlich ausweiten und versuchen, weiter in den Bereich schwererer Elemente vorzudringen.

(Suche nach superschweren Elementen in der Natur)

Eine andere Seite des Problems superschwerer Elemente hängt mit der Produktion langlebigerer Nuklide zusammen. Bei den oben beschriebenen Experimenten haben wir uns nur dem Rand der „Insel“ genähert, einen steilen Anstieg entdeckt, sind aber noch weit von der Spitze entfernt, wo Kerne Tausende und vielleicht sogar Millionen von Jahren leben können. Wir haben nicht genügend Neutronen in den synthetisierten Kernen, um näher an die N=184-Schale heranzukommen. Dies ist heute unerreichbar – es gibt keine Reaktionen, die die Gewinnung solch neutronenreicher Nuklide ermöglichen würden. Vielleicht werden Physiker in ferner Zukunft in der Lage sein, intensive Strahlen radioaktiver Ionen zu nutzen, deren Neutronenzahl größer ist als die von 48 Ca-Kernen. Solche Projekte werden mittlerweile ausführlich diskutiert, ohne jedoch die Kosten zu erwähnen, die für die Schaffung solcher Beschleunigerriesen erforderlich sind.

Sie können jedoch versuchen, dieses Problem aus einem anderen Blickwinkel anzugehen.

Wenn wir davon ausgehen, dass die langlebigsten superschweren Kerne eine Halbwertszeit von 10 5 ÷ 10 6 Jahren haben (was nicht viel im Widerspruch zu den Vorhersagen der Theorie steht, die ihre Schätzungen auch mit einer gewissen Genauigkeit vornimmt), dann ist es möglich, dass dies der Fall ist Sie können in der kosmischen Strahlung nachgewiesen werden – Zeugen der Entstehungselemente auf anderen, jüngeren Planeten des Universums. Wenn wir noch stärker davon ausgehen, dass die Halbwertszeiten der „Langlebigen“ Dutzende Millionen Jahre oder mehr betragen könnten, dann könnten sie auf der Erde vorhanden sein und in sehr geringen Mengen seit der Entstehung der Elemente in überleben Das Sonnensystem bis heute.
Unter möglichen Kandidaten geben wir Isotopen des Elements 108 (Hs) den Vorzug, deren Kerne etwa 180 Neutronen enthalten. Chemische Experimente mit dem kurzlebigen Isotop 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s) zeigten, dass Element 108 erwartungsgemäß nach dem Periodengesetz ein chemisches Homolog des 76. Elements – Osmium (Os) – ist.

Abbildung 10
Anlage zur Aufzeichnung eines Neutronenausbruchs aus der spontanen Kernspaltung beim Zerfall des Elements 108. (Untergrundlabor in Modan, Frankreich)

Dann kann eine Probe metallischen Osmiums das 108-Element Eka(Os) in sehr geringen Mengen enthalten. Das Vorhandensein von Eka(Os) in Osmium kann durch seinen radioaktiven Zerfall bestimmt werden. Möglicherweise kommt es bei der superschweren Langleber zu einer spontanen Spaltung, oder es kommt zu einer spontanen Spaltung nach vorherigen Alpha- oder Beta-Zerfällen (einer Art radioaktiver Umwandlung, bei der sich eines der Neutronen des Kerns in ein Proton verwandelt) eines leichteren und kurzlebigeren Tochterunternehmens oder Enkelkern. Daher ist es im ersten Schritt möglich, ein Experiment durchzuführen, um seltene Ereignisse der spontanen Spaltung einer Osmiumprobe zu registrieren. Ein solches Experiment ist in Vorbereitung. Die Messungen werden Ende dieses Jahres beginnen und 1–1,5 Jahre dauern. Der Zerfall eines superschweren Kerns wird durch den Neutronenausbruch erkannt, der die spontane Spaltung begleitet. Um die Anlage vor dem Neutronenhintergrund der kosmischen Strahlung zu schützen, werden die Messungen in einem unterirdischen Labor unter den Alpen inmitten eines Tunnels, der Frankreich mit Italien verbindet, in einer Tiefe durchgeführt, die einer Wasserschicht von 4000 Metern entspricht Äquivalent.
Wenn während eines Messjahres mindestens ein Ereignis der spontanen Spaltung eines superschweren Kerns beobachtet wird, dann entspricht dies einer Konzentration des Elements 108 in der Os-Probe von etwa 5 × 10 -15 g/g, unter der Annahme, dass seine Halbwertszeit 10 -9 Jahre beträgt. Ein so kleiner Wert beträgt nur 10 -16 Teile der Urankonzentration in der Erdkruste.
Trotz der extrem hohen Empfindlichkeit des Experiments sind die Chancen, relikte, superschwere Nuklide zu entdecken, gering. Aber jede wissenschaftliche Suche hat immer eine kleine Chance ... Das Fehlen eines Effekts ergibt eine Obergrenze für die Halbwertszeit eines Hundertjährigen auf dem Niveau von T 1/2 ≤ 3× 10 7 Jahre. Nicht so beeindruckend, aber wichtig für das Verständnis der Eigenschaften von Kernen im neuen Stabilitätsbereich superschwerer Elemente.

Bei der Energie von Kryptonionen nahe der Coulomb-Barriere wurden drei Fälle der Bildung des Elements 118 beobachtet. 293.118 Kerne wurden in einen Siliziumdetektor implantiert und eine Kette von sechs aufeinanderfolgenden α-Zerfällen beobachtet, die im Isotop 269 Sg endeten. Der Querschnitt für die Bildung des Elements 118 betrug ~2 Picobarns. Die Halbwertszeit des Isotops 293118 beträgt 120 ms. In Abb. Abbildung 3 zeigt eine Kette aufeinanderfolgender α-Zerfälle des Isotops 293 118 und zeigt die Halbwertszeiten der Tochterkerne, die als Ergebnis von α-Zerfällen entstehen.

Basierend auf verschiedenen theoretischen Modellen wurden die Zerfallseigenschaften superschwerer Kerne berechnet. Die Ergebnisse einer solchen Berechnung sind in Abb. dargestellt. 4. Die Halbwertszeiten gerade-gerade superschwerer Kerne werden relativ zur spontanen Spaltung (a), zum α-Zerfall (b), zum β-Zerfall (c) und für alle möglichen Zerfallsprozesse (d) angegeben. Der stabilste Kern in Bezug auf spontane Spaltung (Abb. 4a) ist der Kern mit Z = 114 und N = 184. Die Halbwertszeit in Bezug auf spontane Spaltung beträgt für ihn ~10 16 Jahre. Bei Isotopen des Elements 114, die sich um 6–8 Neutronen vom stabilsten unterscheiden, verringern sich die Halbwertszeiten um 10–15 Größenordnungen. Die Halbwertszeiten im Verhältnis zum α-Zerfall sind in Abb. dargestellt. 4b. Der stabilste Kern befindet sich in der Z-Region< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.

In Bezug auf den β-Zerfall stabile Kerne sind in Abb. dargestellt. 4c mit dunklen Punkten. In Abb. 4d zeigt die kompletten Halbwertszeiten. Für gerade-gerade Kerne, die sich innerhalb der zentralen Kontur befinden, betragen sie etwa 10 5 Jahre. Unter Berücksichtigung aller Zerfallsarten stellt sich also heraus, dass Kerne in der Umgebung von Z = 110 und N = 184 eine „Insel der Stabilität“ bilden. Der Kern 294 110 hat eine Halbwertszeit von etwa 10 9 Jahren. Der Unterschied zwischen dem Z-Wert und der vom Schalenmodell vorhergesagten magischen Zahl 114 ist auf die Konkurrenz zwischen Spaltung (relativ dazu ist der Kern mit Z = 114 am stabilsten) und α-Zerfall (relativ dazu sind Kerne mit niedrigerem Z stabil) zurückzuführen ). Für ungerade-gerade und gerade-ungerade Kerne nehmen die Halbwertszeiten in Bezug auf den α-Zerfall und die spontane Spaltung zu und in Bezug auf den β-Zerfall ab. Es ist zu beachten, dass die obigen Schätzungen stark von den in den Berechnungen verwendeten Parametern abhängen und nur als Hinweis auf die Möglichkeit der Existenz superschwerer Kerne mit ausreichend langer Lebensdauer für ihren experimentellen Nachweis angesehen werden können.

Die Ergebnisse einer weiteren Berechnung der Gleichgewichtsform superschwerer Kerne und ihrer Halbwertszeiten sind in Abb. dargestellt. 5, 11.11. In Abb. Abbildung 11.10 zeigt die Abhängigkeit der Gvon der Anzahl der Neutronen und Protonen für Kerne mit Z = 104-120. Die Verformungsenergie ist definiert als die Differenz zwischen den Energien von Kernen im Gleichgewicht und in Kugelform. Aus diesen Daten geht hervor, dass es in der Region Z = 114 und N = 184 Kerne geben sollte, die im Grundzustand eine Kugelform haben. Alle bisher entdeckten superschweren Kerne (sie sind in Abb. 5 als dunkle Rauten dargestellt) sind deformiert. Helle Diamanten zeigen Kerne, die gegenüber dem β-Zerfall stabil sind. Diese Kerne müssen durch α-Zerfall oder Spaltung zerfallen. Der Hauptzerfallskanal sollte der α-Zerfall sein.

Die Halbwertszeiten für gerade-gerade β-stabile Isotope sind in Abb. dargestellt. 6. Nach diesen Vorhersagen werden für die meisten Kerne viel längere Halbwertszeiten erwartet als für bereits entdeckte superschwere Kerne (0,1–1 ms). Für den Kern 292110 wird beispielsweise eine Lebensdauer von ~51 Jahren vorhergesagt.
So nimmt nach modernen mikroskopischen Berechnungen die Stabilität superschwerer Kerne stark zu, wenn sie sich der magischen Neutronenzahl N = 184 nähern. Bis vor Kurzem war das einzige Isotop eines Elements mit Z = 112 das Isotop 277 112, das eine Halbzahl von Lebensdauer von 0,24 ms. Das schwerere Isotop 283112 wurde in der Kaltfusionsreaktion 48 Ca + 238 U synthetisiert. Bestrahlungszeit 25 Tage. Die Gesamtzahl der 48 Ca-Ionen auf dem Target beträgt 3,5·10 18. Es wurden zwei Fälle registriert, die als spontane Spaltung des resultierenden Isotops 283 112 interpretiert wurden. Die Halbwertszeit dieses neuen Isotops wurde auf T 1/2 = 81 s geschätzt. Somit ist klar, dass eine Erhöhung der Neutronenzahl im Isotop 283112 im Vergleich zum Isotop 277112 um 6 Einheiten die Lebensdauer um 5 Größenordnungen erhöht.

In Abb. Abbildung 7 zeigt die gemessene Lebensdauer der Seaborgium-Isotope Sg (Z = 106) im Vergleich mit den Vorhersagen verschiedener theoretischer Modelle. Bemerkenswert ist die Verringerung der Lebensdauer des Isotops mit N = 164 um fast eine Größenordnung im Vergleich zur Lebensdauer des Isotops mit N = 162.
Die größte Annäherung an die Stabilitätsinsel kann bei der Reaktion 76 Ge + 208 Pb erreicht werden. Bei einer Fusionsreaktion kann ein superschwerer, fast kugelförmiger Kern entstehen, gefolgt von der Emission von γ-Quanten oder einem einzelnen Neutron. Schätzungen zufolge sollte der resultierende 284 114-Kern unter Emission von α-Teilchen mit einer Halbwertszeit von ~ 1 ms zerfallen. Zusätzliche Informationen über die Besetzung der Schale im Bereich N = 162 können durch die Untersuchung der α-Zerfälle der Kerne 271 108 und 267 106 gewonnen werden. Für diese Kerne werden Halbwertszeiten von 1 Minute vorhergesagt. und 1 Stunde. Für die Kerne 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 wird Isomerie erwartet, deren Ursache in der Füllung von Unterschalen mit j = 1/2 und j = 13/2 im Bereich N = 162 für im Boden verformte Kerne liegt Zustand.

In Abb. Abbildung 8 zeigt die experimentell gemessenen Anregungsfunktionen für die Bildungsreaktion der Elemente Rf (Z = 104) und Hs (Z = 108) für die Fusionsreaktionen der einfallenden Ionen 50 Ti und 56 Fe mit einem Zielkern 208 Pb.
Der resultierende Verbundkern wird durch die Emission von einem oder zwei Neutronen abgekühlt. Informationen über die Anregungsfunktionen von Schwerionenfusionsreaktionen sind besonders wichtig für die Gewinnung superschwerer Kerne. Bei der Fusionsreaktion schwerer Ionen ist es notwendig, die Wirkung von Coulomb-Kräften und Oberflächenspannungskräften genau auszugleichen. Wenn die Energie des einfallenden Ions nicht hoch genug ist, reicht die minimale Annäherungsentfernung nicht aus, um das binäre Kernsystem zu verschmelzen. Wenn die Energie des einfallenden Teilchens zu hoch ist, wird das resultierende System eine hohe Anregungsenergie haben und höchstwahrscheinlich in Fragmente zerfallen. Eine effektive Fusion findet in einem relativ engen Energiebereich kollidierender Teilchen statt.

Von besonderem Interesse sind Fusionsreaktionen mit der Emission einer minimalen Anzahl von Neutronen (1-2), weil Bei synthetisierten superschweren Kernen ist ein möglichst großes N/Z-Verhältnis wünschenswert. In Abb. Abbildung 9 zeigt das Fusionspotential für Kerne in der Reaktion
64 Ni + 208 Pb 272 110. Die einfachsten Schätzungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit des Tunneleffekts bei der Kernfusion ~ 10 -21 beträgt, was deutlich niedriger ist als der beobachtete Wert des Wirkungsquerschnitts. Dies lässt sich wie folgt erklären. Bei einem Abstand von 14 fm zwischen den Kernzentren wird die anfängliche kinetische Energie von 236,2 MeV vollständig durch das Coulomb-Potential kompensiert. In diesem Abstand stehen nur Nukleonen in Kontakt, die sich auf der Oberfläche des Kerns befinden. Die Energie dieser Nukleonen ist gering. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Nukleonen oder Nukleonenpaare die Orbitale in einem Kern verlassen und in die freien Zustände des Partnerkerns wechseln. Der Transfer von Nukleonen von einem einfallenden Kern auf einen Zielkern ist besonders attraktiv, wenn das doppelt magische Bleiisotop 208 Pb als Ziel verwendet wird. In 208 Pb sind die Protonenunterschale h 11/2 und die Neutronenunterschalen h 9/2 und i 13/2 gefüllt. Der Protonentransfer wird zunächst durch Proton-Proton-Anziehungskräfte und nach dem Füllen der h 9/2-Unterschale durch Proton-Neutron-Anziehungskräfte stimuliert. Ebenso bewegen sich Neutronen in die freie Unterschale i 11/2, angezogen von Neutronen aus der bereits gefüllten Unterschale i 13/2. Aufgrund der Paarungsenergie und der großen Bahnwinkelmomente ist die Übertragung eines Nukleonenpaars wahrscheinlicher als die Übertragung eines einzelnen Nukleons. Nach der Übertragung von zwei Protonen von 64 Ni 208 Pb sinkt die Coulomb-Barriere um 14 MeV, was einen engeren Kontakt wechselwirkender Ionen und die Fortsetzung des Nukleonenübertragungsprozesses fördert.
In den Werken von [V.V. Wolkow. Kernreaktionen tiefinelastischer Übertragungen. M. Energoizdat, 1982; V.V. Wolkow. Izv. Akademie der Wissenschaften der UdSSR, physikalische Reihe, 1986, Bd. 50 S. 1879] wurde der Mechanismus der Fusionsreaktion im Detail untersucht. Es wird gezeigt, dass bereits im Einfangstadium nach der vollständigen Dissipation der kinetischen Energie des einfallenden Teilchens ein Doppelkernsystem entsteht und die Nukleonen eines der Kerne nach und nach Schale für Schale auf den anderen Kern übertragen werden. Das heißt, die Schalenstruktur der Kerne spielt eine wesentliche Rolle bei der Bildung des zusammengesetzten Kerns. Basierend auf diesem Modell war es möglich, die Anregungsenergie zusammengesetzter Kerne und den Wirkungsquerschnitt für die Bildung von 102-112-Elementen bei Kaltfusionsreaktionen recht gut zu beschreiben.
Im nach ihm benannten Labor für Kernreaktionen. G.N. Flerov (Dubna) synthetisierte ein Element mit Z = 114. Die Reaktion wurde verwendet

Die Identifizierung des Kerns 289 114 erfolgte mithilfe einer Kette von α-Zerfällen. Experimentelle Bewertung der Halbwertszeit des Isotops 289 114 ~30 s. Das erhaltene Ergebnis stimmt gut mit zuvor durchgeführten Berechnungen überein.
Bei der Synthese des Elements 114 in der Reaktion 48 Cu + 244 Pu wird die maximale Ausbeute durch den Kanal mit der Verdampfung von drei Neutronen erzielt. In diesem Fall betrug die Anregungsenergie des Verbindungskerns 289 114 35 MeV.
Die theoretisch vorhergesagte Abfolge der Zerfälle, die mit dem bei der Reaktion gebildeten 296 116-Kern auftreten, ist in Abb. 10 dargestellt.

Reis. 10. Schema des nuklearen Zerfalls 296 116

Der Kern 296 116 wird durch die Emission von vier Neutronen abgekühlt und verwandelt sich in das Isotop 292 116, das sich dann mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % infolge zweier aufeinanderfolgender E-Einfänge in das Isotop 292 114 verwandelt. Als Ergebnis von α -Zerfall (T 1/2 = 85 Tage) wandelt sich das Isotop 292 114 in das Isotop 288 112 um. Die Bildung des Isotops 288 112 erfolgt auch durch den Kanal

Der aus beiden Ketten resultierende Endkern 288 112 hat eine Halbwertszeit von etwa einer Stunde und zerfällt durch spontane Spaltung. Mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 10 % entsteht durch den α-Zerfall des Isotops 288 114 das Isotop 284 112. Die oben genannten Zeiträume und Zerfallskanäle wurden durch Berechnung ermittelt.
Bei der Analyse der verschiedenen Möglichkeiten der Bildung superschwerer Elemente bei Reaktionen mit Schwerionen müssen folgende Umstände berücksichtigt werden.

1. Es ist notwendig, einen Kern mit einem ausreichend großen Verhältnis der Neutronenzahl zur Protonenzahl zu erzeugen. Daher müssen schwere Ionen mit einem großen N/Z als einfallendes Teilchen gewählt werden.
2. Es ist notwendig, dass der resultierende zusammengesetzte Kern eine niedrige Anregungsenergie und einen kleinen Drehimpuls aufweist, da sonst die effektive Höhe der Spaltbarriere abnimmt.
3. Es ist notwendig, dass der resultierende Kern eine nahezu kugelförmige Form hat, da bereits eine geringfügige Verformung zu einer schnellen Spaltung des superschweren Kerns führt.

Eine vielversprechende Methode zur Herstellung superschwerer Kerne sind Reaktionen wie 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. In Abb. Abbildung 11 zeigt die geschätzten Wirkungsquerschnitte für die Bildung von Transuranelementen bei Bestrahlung von Targets bestehend aus 248 Cm, 249 Cf und 254 Es mit beschleunigten 238 U-Ionen. Bei diesen Reaktionen liegen bereits erste Ergebnisse zu Wirkungsquerschnitten für die Bildung von Elementen mit Z > 100 vor. Um die Ausbeuten der untersuchten Reaktionen zu erhöhen, wurden die Zieldicken so gewählt, dass die Reaktionsprodukte darin verbleiben das Ziel. Nach der Bestrahlung wurden einzelne chemische Elemente vom Target getrennt. In den über mehrere Monate gewonnenen Proben wurden α-Zerfallsprodukte und Spaltfragmente nachgewiesen. Mit beschleunigten Uranionen gewonnene Daten zeigen eindeutig eine Steigerung der Ausbeute an schweren Transuranelementen im Vergleich zu leichteren Bombardierungsionen. Diese Tatsache ist äußerst wichtig für die Lösung des Problems der Fusion superschwerer Kerne. Trotz der Schwierigkeiten, mit angemessenen Zielen zu arbeiten, erscheinen die Prognosen für Fortschritte in Richtung eines hohen Z recht optimistisch.

Die Fortschritte auf dem Gebiet der superschweren Kerne waren in den letzten Jahren erstaunlich beeindruckend. Bisher waren jedoch alle Versuche, die Insel der Stabilität zu entdecken, erfolglos. Die Suche nach ihm geht intensiv weiter.

Zunächst ein Artikel darüber, was eine „Insel der Stabilität“ ist.

Insel der Stabilität: Russische Nuklearwissenschaftler führen das Rennen an

Die Synthese superschwerer Elemente, aus denen die sogenannte „Insel der Stabilität“ besteht, ist eine ehrgeizige Aufgabe der modernen Physik, bei deren Lösung russische Wissenschaftler der ganzen Welt voraus sind.

Am 3. Juni 2011 erkannte eine Expertenkommission, der Spezialisten der Internationalen Unionen für reine und angewandte Chemie (IUPAC) und Physik (IUPAP) angehörten, offiziell die Entdeckung des 114. und 116. Elements des Periodensystems an. Die Priorität der Entdeckung wurde einer Gruppe von Physikern unter der Leitung des Akademikers der Russischen Akademie der Wissenschaften Yuri Oganesyan vom Joint Institute for Nuclear Research mit Unterstützung amerikanischer Kollegen vom Livermore National Laboratory eingeräumt. Lawrence.

RAS-Akademiker Yuri Oganesyan, Leiter des Labors für Kernreaktionen am JINR

Die neuen Elemente wurden zu den schwersten im Periodensystem und erhielten die vorläufigen Namen Ununquidium und Unungexium, gebildet aus der Seriennummer im Periodensystem. Russische Physiker schlugen vor, die Elemente „Flerovium“ zu Ehren von Georgiy Flerov, einem sowjetischen Kernphysiker, Spezialisten auf dem Gebiet der Kernspaltung und der Synthese neuer Elemente, und „Moscovium“ zu Ehren der Region Moskau zu nennen. Zusätzlich zum 114. und 116. Element wurden zuvor bei JINR chemische Elemente mit den Seriennummern 104, 113, 115, 117 und 118 synthetisiert. Und das 105. Element der Tabelle zu Ehren des Beitrags der Dubna-Physiker zur modernen Wissenschaft wurde mit dem 105. Element der Tabelle ausgezeichnet Namen „Dubnium“.

Elemente, die in der Natur nicht vorkommen

Derzeit besteht die gesamte Welt um uns herum aus 83 chemischen Elementen, von Wasserstoff (Z=1, Z ist die Anzahl der Protonen im Kern) bis Uran (Z=92), dessen Lebensdauer länger ist als die Lebensdauer der Sonne System (4,5 Milliarden Jahre) . Die schwereren Elemente, die bei der Nukleosynthese kurz nach dem Urknall entstanden, sind bereits zerfallen und haben bis heute nicht überlebt. Uran, das eine Halbwertszeit von etwa 4,5 x 10 8 Jahren hat, zerfällt immer noch und ist radioaktiv. Mitte des letzten Jahrhunderts lernten Forscher jedoch, Elemente zu gewinnen, die in der Natur nicht vorkommen. Ein Beispiel für ein solches Element ist das in Kernreaktoren erzeugte Plutonium (Z=94), das in Hunderten Tonnen produziert wird und eine der stärksten Energiequellen darstellt. Die Halbwertszeit von Plutonium ist deutlich kürzer als die von Uran, aber dennoch lang genug, um auf die Möglichkeit der Existenz schwererer chemischer Elemente schließen zu lassen. Das Konzept eines Atoms, das aus einem Kern, der eine positive Ladung und Masse trägt, und Elektronenorbitalen besteht, legt die Möglichkeit der Existenz von Elementen mit einer Ordnungszahl bis Z = 170 nahe. Aufgrund der Instabilität der im Kern selbst ablaufenden Prozesse wird die Grenze der Existenz schwerer Elemente jedoch viel früher umrissen. In der Natur kommen stabile Formationen (Kerne von Elementen, die aus einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen und Neutronen bestehen) nur bis zu Blei und Wismut vor, gefolgt von einer kleinen Halbinsel mit Thorium und Uran, die auf der Erde vorkommen. Sobald jedoch die Ordnungszahl eines Elements die Zahl des Urans übersteigt, verringert sich seine Lebensdauer stark. Beispielsweise ist der Kern des Elements 100 20-mal weniger stabil als der Urankern, und in Zukunft verstärkt sich diese Instabilität nur noch durch spontane Kernspaltung.

„Insel der Stabilität“

Der Effekt der spontanen Spaltung wurde von Niels Bohr erklärt. Nach seiner Theorie ist der Kern ein Tropfen geladener Flüssigkeit, also eine Art Materie, die keine eigene innere Struktur hat. Je größer die Anzahl der Protonen im Kern, desto stärker ist der Einfluss der Coulomb-Kräfte, unter deren Einfluss der Tropfen deformiert und in Teile geteilt wird. Dieses Modell sagt die Möglichkeit der Existenz von Elementen bis zur 104. – 106. Seriennummer voraus. In den 60er Jahren wurden jedoch im Labor für Kernreaktionen des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung eine Reihe von Experimenten zur Untersuchung der Spaltungseigenschaften von Urankernen durchgeführt, deren Ergebnisse mit Bohrs Theorie nicht erklärt werden konnten. Es stellte sich heraus, dass der Kern kein vollständiges Analogon eines Tropfens geladener Flüssigkeit ist, sondern über ein Inneres verfügt

Struktur. Darüber hinaus wird der Einfluss dieser Struktur umso ausgeprägter, je schwerer der Kern ist, und das Zerfallsbild wird völlig anders aussehen, als das Flüssigkeitstropfenmodell vorhersagt. So entstand die Hypothese über die Existenz einer bestimmten Region stabiler superschwerer Kerne, weit entfernt von den heute bekannten Elementen. Das Gebiet wurde als „Insel der Stabilität“ bezeichnet, und nachdem seine Existenz vorhergesagt worden war, begannen die größten Laboratorien in den USA, Frankreich und Deutschland mit einer Reihe von Experimenten, um die Theorie zu bestätigen. Ihre Versuche waren jedoch erfolglos. Und nur Experimente am Dubna-Zyklotron, die zur Entdeckung des 114. und 116. Elements führten, ermöglichen die Behauptung, dass der Stabilitätsbereich superschwerer Kerne tatsächlich existiert.

Die folgende Abbildung zeigt eine Karte schwerer Nuklide. Kernhalbwertszeiten werden durch verschiedene Farben dargestellt (rechte Skala). Schwarze Quadrate sind Isotope stabiler Elemente, die in der Erdkruste vorkommen (Halbwertszeit mehr als 10 9 Jahre). Die dunkelblaue Farbe ist das „Meer der Instabilität“, in dem Kerne weniger als 10 −6 Sekunden überleben. „Inseln der Stabilität“, die der „Halbinsel“ der Elemente Thorium, Uran und Transuran folgen, sind Vorhersagen der mikroskopischen Kerntheorie. Wie nah man bei der künstlichen Synthese superschwerer Elemente an die „Inseln der Stabilität“ herankommen kann, zeigen zwei Kerne mit den Ordnungszahlen 112 und 116, die bei unterschiedlichen Kernreaktionen und deren sequenziellem Zerfall entstanden sind.

Karte schwerer Nuklide

Um einen stabilen schweren Kern zu synthetisieren, ist es notwendig, so viele Neutronen wie möglich in ihn einzuführen, da Neutronen der „Klebstoff“ sind, der die Nukleonen im Kern hält. Die erste Idee bestand darin, einen bestimmten Ausgangsstoff mit einem Neutronenfluss aus dem Reaktor zu bestrahlen. Mit dieser Methode konnten Wissenschaftler jedoch nur Fermium synthetisieren, ein Element mit der Ordnungszahl 100. Darüber hinaus wurden statt der erforderlichen 60 Neutronen nur 20 in den Kern eingebracht. Die Versuche amerikanischer Wissenschaftler, superschwere Elemente im Prozess einer Kernexplosion (im Wesentlichen in einem starken gepulsten Neutronenfluss) zu synthetisieren, waren ebenfalls erfolglos; das Ergebnis In ihren Experimenten handelte es sich um dasselbe Fermiumisotop. Von diesem Moment an begann sich eine andere Synthesemethode zu entwickeln – die Kollision zweier schwerer Kerne in der Hoffnung, dass das Ergebnis ihrer Kollision ein Kern mit Gesamtmasse sein würde. Zur Durchführung des Experiments muss einer der Kerne mit einem Schwerionenbeschleuniger auf eine Geschwindigkeit von etwa der 0,1-fachen Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Alle heute erhaltenen schweren Kerne wurden auf diese Weise synthetisiert. Wie bereits erwähnt, befindet sich die Stabilitätsinsel im Bereich superschwerer Kerne mit Neutronenüberschuss, sodass auch die Ziel- und Strahlkerne einen Überschuss an Neutronen enthalten müssen. Die Auswahl solcher Elemente ist recht schwierig, da fast alle existierenden stabilen Nuklide ein genau definiertes Verhältnis der Anzahl von Protonen und Neutronen aufweisen.

Im Experiment zur Synthese von Element 114, dem schwersten Plutoniumisotop mit einer Atommasse von 244, hergestellt in einem Reaktor des Livermore National Laboratory (USA), und Calcium-48 als Projektilkern wurden als Ziel verwendet. Calcium-48 ist ein stabiles Calciumisotop, von dem normales Calcium nur 0,1 % enthält. Die Experimentatoren hofften, dass diese Konfiguration den Effekt der Verlängerung der Lebensdauer superschwerer Elemente spürbar machen würde. Zur Durchführung des Experiments war ein Beschleuniger mit einer Calcium-48-Strahlleistung erforderlich, die zehnmal höher war als alle bekannten Beschleuniger. Innerhalb von fünf Jahren entstand in Dubna ein solcher Beschleuniger, der es ermöglichte, ein Experiment durchzuführen, das mehrere hundert Mal genauer war als Experimente in anderen Ländern in den letzten 25 Jahren.

Nachdem sie einen Kalziumstrahl der erforderlichen Intensität erhalten haben, bestrahlen die Experimentatoren das Plutonium-Target. Wenn durch die Verschmelzung zweier Kerne Atome eines neuen Elements entstehen, müssen diese aus dem Ziel fliegen und sich zusammen mit dem Strahl weiter vorwärts bewegen. Sie müssen jedoch von Calciumionen und anderen Reaktionsprodukten getrennt werden. Diese Funktion übernimmt der Separator.

MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms) – Anlage zur Kerntrennung

Aus der Zielschicht ausgestoßene Rückstoßkerne bleiben in einem Graphitkollektor in einer Tiefe von mehreren Mikrometern stehen. Aufgrund der hohen Temperatur des Kollektors diffundieren sie in die Ionenquellenkammer, werden aus dem Plasma gezogen, durch das elektrische Feld beschleunigt und auf ihrem Weg zum Detektor durch Magnetfelder nach ihrer Masse analysiert. Bei dieser Konstruktion kann die Masse eines Atoms mit einer Genauigkeit von 1/3000 bestimmt werden. Die Aufgabe des Detektors besteht darin, festzustellen, ob ein schwerer Kern ihn getroffen hat, und seine Energie, Geschwindigkeit und den Ort seines Stopps mit hoher Genauigkeit zu registrieren.

Betriebsdiagramm des Abscheiders

Um die Theorie der Existenz einer „Insel der Stabilität“ zu testen, beobachteten Wissenschaftler die Zerfallsprodukte des Kerns von Element 114. Wenn die Theorie richtig ist, sollten die resultierenden Kerne des Elements 114 resistent gegen spontane Spaltung sein und alpha-radioaktiv sein, das heißt, ein Alpha-Teilchen emittieren, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Bei einer Reaktion mit dem 114. Element sollte ein Übergang vom 114. zum 112. beobachtet werden. Dann durchlaufen auch die Kerne des 112. einen Alpha-Zerfall und verwandeln sich in die Kerne des 110. und so weiter. Darüber hinaus sollte die Lebensdauer des neuen Elements um mehrere Größenordnungen länger sein als die Lebensdauer leichterer Kerne. Genau solche langlebigen Ereignisse, deren Existenz theoretisch vorhergesagt wurde, sahen die Dubna-Physiker. Dies ist ein direkter Hinweis darauf, dass Element 114 bereits strukturellen Kräften ausgesetzt ist, die eine Stabilitätsinsel für superschwere Elemente bilden.

Beispiele für Zerfallsketten der Elemente 114 und 116

Im Experiment zur Synthese des 116. Elements wurde eine einzigartige Substanz als Ziel verwendet – Curium-248, gewonnen in einem leistungsstarken Reaktor am Forschungsinstitut für Kernreaktoren in Dimitrovgrad. Ansonsten verlief das Experiment nach dem gleichen Muster wie die Suche nach dem 114. Element. Die Beobachtung der Zerfallskette von Element 116 lieferte einen weiteren Beweis für die Existenz von Element 114, dieses Mal aus dem Zerfall eines schwereren „Elternteils“. Im Fall des Elements 116 zeigten experimentelle Daten ebenfalls eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer mit zunehmender Anzahl von Neutronen im Kern. Das heißt, die moderne Physik der Synthese schwerer Elemente ist nahe an der Grenze der „Insel der Stabilität“ angelangt. Darüber hinaus haben Elemente mit den Ordnungszahlen 108, 109 und 110, die durch den Zerfall des 116. Elements entstehen, eine Lebensdauer von Minuten, was es ermöglicht, die chemischen Eigenschaften dieser Stoffe mit modernen Methoden der Radiochemie zu untersuchen und experimentell zu verifizieren Fundamentalität des Mendelejewschen Gesetzes bezüglich der Periodizität der chemischen Eigenschaften der Elemente in der Tabelle. In Bezug auf schwere Elemente kann davon ausgegangen werden, dass das 112. Element die Eigenschaften von Cadmium und Quecksilber aufweist und das 114. Zinn, Blei usw. Es ist wahrscheinlich, dass sich an der Spitze der Stabilitätsinsel superschwere Elemente befinden, deren Lebensdauer Millionen von Jahren beträgt. Diese Zahl erreicht nicht das Alter der Erde, aber es ist immer noch möglich, dass superschwere Elemente in der Natur, in unserem Sonnensystem oder in der kosmischen Strahlung, also in anderen Systemen unserer Galaxie, vorkommen. Doch bisher waren Experimente zur Suche nach „natürlichen“ superschweren Elementen nicht erfolgreich.

Derzeit bereitet JINR ein Experiment zur Suche nach dem 119. Element des Periodensystems vor, und das Labor für Kernreaktionen ist weltweit führend auf dem Gebiet der Schwerionenphysik und der Synthese superschwerer Elemente.

Anna Maksimchuk,
JINR-Forscher,
speziell für R&D.CNews.ru

Interessant natürlich. Es stellt sich heraus, dass noch viele weitere chemische Elemente und sogar nahezu stabile entdeckt werden können.

Es stellt sich die Frage: Was ist der praktische Sinn dieser ganzen ziemlich teuren Suche nach neuen, nahezu stabilen Elementen?

Es scheint, dass wir sehen werden, wenn sie einen Weg finden, diese Elemente herzustellen.

Aber schon jetzt ist etwas sichtbar. Wenn zum Beispiel jemand den Film „Predator“ gesehen hat, dann hat der Raubtier ein Selbstzerstörungsgerät in einem Armband an seinem Arm und die Explosion ist ziemlich heftig. Also. Diese neuen chemischen Elemente ähneln Uran-235, aber die kritische Masse kann in Gramm gemessen werden (und 1 Gramm dieser Substanz entspricht der Explosion von 10 Tonnen TNT – einer guten Bombe von der Größe nur einer Fünf-Kopeken-Münze). ).

Daher ist es sehr sinnvoll, dass Wissenschaftler hart arbeiten und der Staat nicht an den Ausgaben spart.

Andere zerfielen und überlebten bis heute nicht. Uran zerfällt immer noch – es ist ein radioaktives Element.

Alle Elemente nach Uran sind schwerer als Uran. Sie entstanden einst im Prozess der Nukleosynthese (ein Prozess, bei dem aus einfacheren und leichteren Atomkernen die Kerne komplexer, schwerer chemischer Elemente gebildet werden), haben aber bis heute nicht überlebt. Heute können sie nur noch künstlich gewonnen werden.

Die Entdeckung der ersten künstlichen Elemente, Neptunium und Plutonium, in den Jahren 1940–1941 markierte den Beginn einer neuen Richtung in der Kernphysik und -chemie zur Untersuchung der Eigenschaften von Transuranelementen und ihrer Anwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie. Als Ergebnis langjähriger intensiver Arbeit synthetisierten Kernphysiker mehrere neue Elemente.

Für die Synthese schwerer Elemente gibt es drei international anerkannte Forschungszentren: in Dubna (Russland), in Berkeley (USA) und in Darmstadt (Deutschland). Alle neuen Elemente, beginnend mit 93. (Neptunium), wurden in diesen Labors gewonnen. Ein neues Element gilt erst dann als entdeckt, wenn eine Gruppe von Forschern durch die Untersuchung seiner Atome verlässliche Ergebnisse erhält und eine andere (unabhängige) Gruppe von Wissenschaftlern diese Ergebnisse bestätigt. Daher werden die entfernten Zellen des Periodensystems sehr langsam gefüllt.

In den Jahren 1940 - 1953 synthetisierten Professor Glen Seaborg und seine Kollegen am Radiation National Laboratory (Berkeley, USA) künstliche Elemente mit Z = 93 - 100. Sie wurden durch Reaktionen des sequentiellen Einfangens von Neutronen durch Kerne des Uranisotops - 235U in - erhalten Langzeitbestrahlung an leistungsstarken Kernreaktoren. Alle schwereren Kerne wurden in Beschleunigern für geladene Teilchen gewonnen, in denen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigte Kerne und Teilchen kollidieren. Durch Kollisionen entstehen Kerne superschwerer Elemente, die für sehr kurze Zeit existieren und dann wieder zerfallen. Dank der Spuren dieses Zerfalls kann festgestellt werden, dass die Synthese eines schweren Kerns erfolgreich war.

Elemente schwerer als Z=100 wurden in Reaktionen mit beschleunigten Schwerionen synthetisiert, indem ein Komplex aus Protonen und Neutronen in den Zielkern eingeführt wurde. Seit den 1960er Jahren begann die Ära der Elementarteilchenbeschleuniger – Zyklotrons, die Ära der Beschleunigung schwerer Ionen, als die Synthese neuer Elemente nur durch die Wechselwirkung zweier schwerer Kerne erfolgte. Mitte der 1970er Jahre war es jedoch nahezu unmöglich, die chemischen Eigenschaften der Elemente 104, 105, 106 und 107 zu untersuchen, da ihre Lebensdauer – Bruchteile einer Mikrosekunde – keine umfassende chemische Forschung zuließ. Sie alle wurden durch Kaltfusionsreaktionen synthetisiert (die Kaltfusion massiver Kerne wurde 1974 entdeckt; dabei werden ein oder zwei Neutronen mit relativ niedriger Energie freigesetzt).

Element 104 wurde erstmals 1964 in Dubna synthetisiert. Es wurde von einer Gruppe von Wissenschaftlern des Labors für Kernreaktionen unter der Leitung von Georgy Flerov entgegengenommen. Im Jahr 1969 wurde das Element von einer Gruppe von Wissenschaftlern an der University of Berkeley, Kalifornien, entdeckt. 1997 erhielt das Element den Namen Rutherfordium, Symbol Rf.

Element 105 wurde 1970 von zwei unabhängigen Forschergruppen in Dubna (UdSSR) und Berkeley (USA) synthetisiert. Den Namen Dubnium erhielt es zu Ehren der Stadt Dubna, wo sich das Joint Institute for Nuclear Research befindet, wo mehrere chemische Elemente synthetisiert wurden, Symbol Db.

Element 106 wurde erstmals 1974 von Georgy Flerov und seinen Kollegen in der UdSSR gewonnen und fast gleichzeitig in den USA von Glen Seaborg und seinen Kollegen synthetisiert. 1997 genehmigte die Internationale Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) den Namen Seaborgium (zu Ehren von Seaborg) für Element 106, Symbol Sg.

Kalte Fusionsreaktionen massiver Kerne wurden am GSI-Zentrum für Kernphysik in Darmstadt erfolgreich zur Synthese von sechs neuen Elementen, 107 bis 112, eingesetzt. Die ersten Experimente zur Gewinnung von Element 107 wurden 1976 in der UdSSR von Yuri Oganesyan und seinen Kollegen durchgeführt. Die ersten zuverlässigen Informationen über die nuklearen Eigenschaften des Elements 107 wurden 1981 und 1989 in Deutschland gewonnen. 1997 genehmigte die IUPAC den Namen Bohrium für Element 107 (zu Ehren von Niels Bohr), Symbol Bh.

Die ersten Experimente zur Gewinnung von Element 108 wurden 1983-1984 in der UdSSR durchgeführt. Zuverlässige Daten über die Kerneigenschaften des Elements 108 wurden in den Jahren 1984 und 1987 in Deutschland gewonnen. 1997 genehmigte die IUPAC den Namen Hassium (für das Land Hessen, Deutschland), das Symbol Hs, für Element 108.

Element 109 wurde erstmals 1982 in Deutschland gewonnen und 1984 bestätigt. Im Jahr 1994 genehmigte die IUPAC den Namen Meitnerium für Element 109 (nach Lise Meitner), Symbol Mt.

Element 110 wurde 1994 im Schwerionenforschungszentrum Darmstadt (Deutschland) bei einem Experiment entdeckt, bei dem eine spezielle bleihaltige Legierung auf Platten aufgetragen und mit Nickelisotopen beschossen wurde. Darmstadtium wurde nach der Stadt Darmstadt (Deutschland) benannt, wo es entdeckt wurde. Symbol Ds.

Element 111 wurde auch in Deutschland entdeckt und zu Ehren des deutschen Wissenschaftlers Wilhelm-Conrad Röntgen Röntgenium (chemisches Symbol Rg) genannt.

Element 112 hat den Arbeitsnamen „ununbiy“ (Uub), abgeleitet von den lateinischen Ziffern „eins-eins-zwei“. Es handelt sich um ein transuranisches Element, das durch Beschuss eines Bleiziels mit Zinkkernen gewonnen wird. Seine Halbwertszeit beträgt etwa 34 Sekunden.

Ununbium wurde erstmals im Februar 1996 am Schwerionenbeschleuniger in Darmstadt gewonnen. Um Atome des neuen Elements zu gewinnen, nutzte das Wissenschaftlerteam Zinkionen mit der Ordnungszahl 30, die in einem 120-Meter-Beschleuniger auf sehr hohe Energien beschleunigt wurden und anschließend auf ein Ziel aus Blei mit der Ordnungszahl 82 trafen. Bei der Verschmelzung von Zink- und Bleikernen kam es zur Bildung von Kernen eines neuen Elements, dessen Ordnungszahl der Summe der Ordnungszahlen der ursprünglichen Komponenten entspricht. Im Juni 2009 erkannte die IUPAC ihre Existenz offiziell an.

Schwerere Elemente – mit den Ordnungszahlen 112–116 und dem derzeit schwersten Element 118 – wurden von russischen Wissenschaftlern vom Gemeinsamen Institut für Kernforschung in Dubna in den Jahren 2000–2008 gewonnen, warten jedoch noch auf die offizielle Anerkennung durch die IUPAC.

Derzeit führen russische Physiker des Flerov-Labors des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung in Dubna ein Experiment zur Synthese des 117. Elements durch, dessen Platz im Periodensystem zwischen dem zuvor erhaltenen 116. und 118. Element noch unbesetzt ist.