Über superschwere Elemente. Superschwere chemische Elemente. Jetzt und in Zukunft

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Chicago, 17. Februar. Erstmals ist es gelungen, die Masse eines Elements zu messen, das schwerer als Uran ist – die neue Methode öffnet den Weg zur lange vorhergesagten „Insel der Stabilität“ stabiler superschwerer Elemente, die außerhalb des üblichen Periodensystems liegt.

Der Urankern enthält 92 Protonen, es ist das schwerste uns bekannte Element, das in der Natur vorkommt. Unter künstlichen Bedingungen wurden natürlich auch schwerere, bis zu 118 Protonen, synthetisiert. All diese „Schwergewichte“ sind extrem kurzlebig, sie zerfallen innerhalb von Millisekunden.

Aber bereits Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Möglichkeit der Existenz superschwerer Elemente mit einem bestimmten Verhältnis von Protonen und Neutronen und einer viel längeren Lebensdauer – Jahrzehnte oder sogar mehr – theoretisch vorhergesagt. Seitdem ist der Weg zu dieser „Insel der Stabilität“ zu einem der wichtigsten Gebiete der Kernphysik geworden. Und das nicht aus rein akademischem Interesse. Superschwere stabile Elemente könnten als hervorragender Treibstoff für Nuklearantriebe zukünftiger Weltraummissionen dienen. Berechnungen zufolge sollen sie auch ungewöhnliche und nützliche chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen.

Bisher weiß jedoch niemand genau, wo wir auf diese Insel stoßen sollten. Einige Berechnungen zeigen, dass irgendwo in der Region 114 Protonen pro Kern zentriert sind, andere - zwischen 120 und 126 Protonen. Berechnungen werden dadurch erschwert, dass Wissenschaftler keine genaue Vorstellung davon haben, wie starke und schwache Kräfte in den „überbevölkerten“ Kernen solcher Elemente wirken und ihre Protonen und Neutronen zusammenhalten. Die Kürze der im Labor erhaltenen superschweren Elemente erlaubt es nicht, genügend experimentelle Daten zu sammeln.

Einen neuen Durchbruch auf diesem Gebiet verspricht die jüngste Arbeit eines Teams deutscher Wissenschaftler unter der Leitung von Michael Block, dem es gelang, einen Weg zu finden, die Masse von Teilchen, die schwerer als Uran sind, direkt zu messen. Und da Masse und Energie durch die berühmte Einstein-Formel E = mc2 zusammenhängen, erlaubt die Bestimmung der Masse eines Atoms (unter Berücksichtigung zusätzlicher Faktoren) die Berechnung der Kräfte, mit denen die Teilchen in seinem Kern miteinander verbunden sind.

Um die Masse eines Atoms zu messen, verwendeten Wissenschaftler ein Gerät namens Penningfalle, bei dem, vereinfacht gesagt, Ionen durch ein elektromagnetisches Feld zusammengehalten werden. Messobjekt war Nobelium, dessen Kern 102 Protonen enthält - 10 mehr als der von Uran. Wie andere "künstliche" Elemente entsteht es durch die Kollision etwas leichterer Elemente und ist extrem kurzlebig (maximal 58 Minuten). Die Hauptaufgabe, die die deutschen Physiker lösen konnten, bestand darin, einen Weg zu finden, die Atome zu verlangsamen, bevor sie in die Falle fallen, für die die Wissenschaftler beschlossen, sie zuerst durch eine mit Helium gefüllte Kammer zu führen.

Mit einer Methode, die es ermöglicht, superschwere, kurzlebige Atome zu „wiegen“, können Experimentatoren nun ihre Parameter genauer bestimmen. Und Theoretiker auf der Grundlage dieser Daten - zwischen konkurrierenden Modellen zu wählen, die die Position der "Insel der Stabilität" vorhersagen.

Die Methode ermöglicht es, sich viel weiter entlang des Periodensystems zu bewegen, obwohl es in der Praxis möglicherweise nicht sehr einfach ist, sie für die schwersten der erhaltenen Elemente zu verwenden. Schon allein deshalb, weil die Synthese solcher Giganten an sich schon ein äußerst schwieriger Prozess ist. Wenn das gleiche Nobelium mit Hilfe eines vorbereiteten Experiments mit einer Frequenz von durchschnittlich 1 Atom pro Sekunde erhalten werden kann, dann dauert bei schwereren Elementen, deren Kerne mehr als 104 Protonen enthalten, alles viel länger. 1 Atom zu bekommen, kann zum Beispiel eine Woche dauern.

Aber wenn alles gut geht, werden Sie mit dieser Methode früher oder später die Bewohner der "Insel der Stabilität" bemerken. Da solche superschweren Elemente in der Regel durch Zerfallsprodukte nachgewiesen werden und stabile zu lange leben, sind herkömmliche Methoden, mit schweren Atomen zu arbeiten, dafür nicht geeignet.

Bei der Energie von Kryptonionen nahe der Coulomb-Barriere wurden drei Fälle der Bildung von Element 118 beobachtet. Die 293 118 Kerne wurden in einen Siliziumdetektor implantiert und eine Kette von sechs aufeinanderfolgenden α-Zerfällen beobachtet, die am 269 Sg-Isotop endete. Der Querschnitt für die Produktion von Element 118 betrug ~2 Pikobarn. Die Halbwertszeit des Isotops 293 118 beträgt 120 ms. Auf Abb. Abbildung 3 zeigt die Kette aufeinanderfolgender α-Zerfälle des Isotops 293 118 und zeigt die Halbwertszeiten der durch α-Zerfälle gebildeten Tochterkerne.

Auf Basis verschiedener theoretischer Modelle wurden die Zerfallseigenschaften superschwerer Kerne berechnet. Die Ergebnisse einer dieser Berechnungen sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt. 4. Die Halbwertszeiten gerade-gerade superschwerer Kerne in Bezug auf spontane Spaltung (a), α-Zerfall (b), β-Zerfall (c) und für alle möglichen Zerfallsprozesse (d) sind angegeben. Der stabilste Kern in Bezug auf spontane Spaltung (Abb. 4a) ist der Kern mit Z = 114 und N = 184. Seine Halbwertszeit in Bezug auf spontane Spaltung beträgt ~10 16 Jahre. Für Isotope des 114. Elements, die sich von den stabilsten um 6-8 Neutronen unterscheiden, verringern sich die Halbwertszeiten um 10-15 Größenordnungen. Die Halbwertszeiten in Bezug auf den α-Zerfall sind in Abb. 1 gezeigt. 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.

Bezüglich β-Zerfall stabile Kerne sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt. 4c dunkle Punkte. Auf Abb. 4d zeigt die vollständigen Halbwertszeiten. Für gerade-gleiche Kerne, die sich innerhalb der zentralen Kontur befinden, betragen sie ~10 5 Jahre. Nach Berücksichtigung aller Zerfallsarten stellt sich also heraus, dass die Kerne in der Nähe 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 Wert von Z und der vom Schalenmodell vorhergesagten magischen Zahl 114 ist auf die Konkurrenz zwischen Spaltung (bezüglich welcher der Kern mit Z = 114 am stabilsten ist) und α-Zerfall (bezüglich welcher Kerne mit kleinere Z sind stabil). Für ungerade-gerade und gerade-ungerade Kerne nehmen die Halbwertszeiten in Bezug auf den α-Zerfall und die spontane Spaltung zu und nehmen in Bezug auf den β-Zerfall ab. Es sei darauf hingewiesen, dass die obigen Schätzungen stark von den in den Berechnungen verwendeten Parametern abhängen und nur als Hinweise auf die Möglichkeit der Existenz superschwerer Kerne mit ausreichend langen Lebensdauern für ihren experimentellen Nachweis angesehen werden können.

Die Ergebnisse einer weiteren Berechnung der Gleichgewichtsform superschwerer Kerne und ihrer Halbwertszeiten sind in Abb. 5, 11.11. Auf Abb. 11.10 zeigt die Abhängigkeit der Gvon der Zahl der Neutronen und Protonen für Kerne mit Z = 104-120. Die Spannungsenergie ist definiert als die Differenz zwischen den Energien von Kernen in Gleichgewichts- und Kugelform. Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass die Bereiche Z = 114 und N = 184 Kerne enthalten sollten, die im Grundzustand eine Kugelform haben. Alle bisher entdeckten superschweren Kerne (sie sind in Abb. 5 durch dunkle Rauten dargestellt) sind deformiert. Helle Rauten zeigen Kerne, die gegenüber β-Zerfall stabil sind. Diese Kerne müssen als Ergebnis eines α-Zerfalls oder einer Spaltung zerfallen. Der Hauptzerfallskanal sollte ein α-Zerfall sein.

Halbwertszeiten für gerade-gerade β-stabile Isotope sind in Abb. 1 gezeigt. 6. Gemäß diesen Vorhersagen wird für die meisten Kerne erwartet, dass die Halbwertszeiten viel länger sind als die, die für bereits entdeckte superschwere Kerne beobachtet werden (0,1–1 ms). Beispielsweise wird für den Kern 292 110 eine Lebensdauer von ~ 51 Jahren vorhergesagt.
So nimmt nach modernen mikroskopischen Berechnungen die Stabilität superschwerer Kerne mit Annäherung an die magische Neutronenzahl N = 184 stark zu.Bis vor kurzem war das einzige Isotop eines Elements mit Z = 112 das Isotop 277 112, das eine Halb- Lebensdauer von 0,24 ms. Das schwerere Isotop 283 112 wurde in der kalten Fusionsreaktion 48 Ca + 238 U synthetisiert. Bestrahlungszeit 25 Tage. Die Gesamtzahl von 48 Ca-Ionen auf dem Target beträgt 3,5·10 18 . Es wurden zwei Fälle registriert, die als spontane Spaltung des gebildeten Isotops 283 112 interpretiert wurden. Für die Halbwertszeit dieses neuen Isotops wurde die Abschätzung T 1/2 = 81 s erhalten. Somit ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der Neutronenzahl im Isotop 283112 im Vergleich zum Isotop 277112 um 6 Einheiten die Lebensdauer um 5 Größenordnungen erhöht.

Auf Abb. 7 zeigt die gemessene Lebensdauer von Sg (Z = 106) Isotopen von Seaborgium im Vergleich zu den Vorhersagen verschiedener theoretischer Modelle. Bemerkenswert ist, dass die Lebensdauer des Isotops mit N = 164 im Vergleich zur Lebensdauer des Isotops mit N = 162 um fast eine Größenordnung abnimmt.
Die nächste Annäherung an die Insel der Stabilität kann bei der Reaktion 76 Ge + 208 Pb erreicht werden. In einer Fusionsreaktion mit anschließender Emission von γ-Quanten oder einem Neutron kann ein superschwerer, fast kugelförmiger Kern entstehen. Schätzungen zufolge sollte der entstehende Kern 284 114 unter Emission von α-Teilchen mit einer Halbwertszeit von ~ 1 ms zerfallen. Zusätzliche Informationen über die Füllung der Schale im Bereich N = 162 erhält man durch Untersuchung der α-Zerfälle der Kerne 271 108 und 267 106. Für diese Kerne werden Halbwertszeiten von 1 min vorhergesagt. und 1 Stunde. Für die Kerne 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 wird eine Isomerie erwartet, deren Ursache die Füllung von Unterschalen mit j = 1/2 und j = 13/2 im Bereich N = 162 für Kerne ist, die in der deformiert sind Grundzustand.

Auf Abb. Abbildung 8 zeigt die experimentell gemessenen Anregungsfunktionen für die Bildung der Elemente Rf (Z = 104) und Hs (Z = 108) für die Fusionsreaktionen einfallender 50 Ti- und 56 Fe-Ionen mit dem 208 Pb-Targetkern.
Der resultierende zusammengesetzte Kern wird durch die Emission von ein oder zwei Neutronen gekühlt. Informationen über die Anregungsfunktionen von Schwerionenfusionsreaktionen sind besonders wichtig, um superschwere Kerne zu erhalten. Bei der Fusionsreaktion schwerer Ionen ist es notwendig, die Wirkung der Coulomb-Kräfte und der Kräfte der Oberflächenspannung genau auszugleichen. Wenn die Energie des einfallenden Ions nicht groß genug ist, reicht die minimale Annäherungsentfernung für die Verschmelzung des binären Kernsystems nicht aus. Wenn die Energie des einfallenden Teilchens zu hoch ist, wird das resultierende System eine hohe Anregungsenergie haben und mit hoher Wahrscheinlichkeit in Fragmente zerfallen. Die Verschmelzung findet effektiv in einem ziemlich schmalen Energiebereich kollidierender Teilchen statt.

Fusionsreaktionen mit der Emission einer minimalen Anzahl von Neutronen (1-2) sind von besonderem Interesse, weil in synthetisierten superschweren Kernen ist es wünschenswert, das größte N/Z-Verhältnis zu haben. Auf Abb. 9 zeigt das Fusionspotential für Kerne in der Reaktion
64 Ni + 208 Pb 272 110. Die einfachsten Schätzungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit eines Tunneleffekts für die Kernfusion ~ 10 -21 beträgt, was viel niedriger ist als der beobachtete Wirkungsquerschnitt. 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 sind nur Nukleonen in Kontakt, die sich auf der Oberfläche des Kerns befinden. Die Energie dieser Nukleonen ist klein. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Nukleonen oder Nukleonenpaare die Bahnen in einem Kern verlassen und sich in die freien Zustände des Partnerkerns bewegen. Der Transfer von Nukleonen vom Projektilkern zum Targetkern ist besonders attraktiv, wenn als Target das doppelt magische Bleiisotop 208Pb verwendet wird. In 208 Pb sind die Protonen-Unterschale h 11/2 und die Neutronen-Unterschalen h 9/2 und i 13/2 gefüllt. Zunächst wird die Übertragung von Protonen durch die Anziehungskräfte Proton-Proton angeregt, und nach dem Füllen der Unterschale h 9/2 - durch die Anziehungskräfte Proton-Neutron. In ähnlicher Weise bewegen sich Neutronen zur freien Unterschale i 11/2 , wobei sie von Neutronen aus der bereits gefüllten Unterschale i 13/2 angezogen werden. Aufgrund der Paarungsenergie und des großen Bahnimpulses ist die Übertragung eines Nukleonenpaares wahrscheinlicher als die Übertragung eines einzelnen Nukleons. Nach dem Transfer von zwei Protonen von 64 Ni 208 Pb sinkt die Coulomb-Barriere um 14 MeV, was einen engeren Kontakt zwischen den wechselwirkenden Ionen und die Fortsetzung des Nukleonentransferprozesses fördert.
In Arbeit [V.V. Wolkow. Kernreaktionen tiefinelastischer Übertragungen. M. Energoizdat, 1982; VV Wolkow. Izv. AN SSSR series fiz., 1986 v. 50 p. 1879] untersuchten den Mechanismus der Fusionsreaktion im Detail. Es wird gezeigt, dass bereits im Stadium des Einfangens nach vollständiger Ableitung der kinetischen Energie des einfallenden Teilchens ein binäres Kernsystem gebildet wird und die Nukleonen eines der Kerne allmählich Schale für Schale auf einen anderen Kern übertragen werden. Das heißt, die Schalenstruktur der Kerne spielt eine bedeutende Rolle bei der Bildung des zusammengesetzten Kerns. Anhand dieses Modells konnte die Anregungsenergie von Verbindungskernen und der Wirkungsquerschnitt für die Produktion von 102-112-Elementen in kalten Fusionsreaktionen recht gut beschrieben werden.
am Laboratorium für Kernreaktionen. GN Flerov (Dubna) wurde ein Element mit Z = 114 synthetisiert.Die Reaktion wurde verwendet

Die Identifizierung des Kerns 289 114 erfolgte durch eine Kette von α-Zerfällen. Experimentelle Schätzung der Halbwertszeit des Isotops 289 114 ~30 s. Das erhaltene Ergebnis stimmt gut mit früheren Berechnungen überein.
Bei der Synthese von Element 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 Zerfallsfolge des bei der Reaktion gebildeten 296 116-Kerns ist in Abb. 10 dargestellt.

Reis. 10. Schema des Kernzerfalls 296 116

Der Kern 296 116 wird durch die Emission von vier Neutronen gekühlt und verwandelt sich in das Isotop 292 116, das dann mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % durch zwei aufeinanderfolgende E-Einfänge in das Isotop 292 114 umgewandelt wird -Zerfall (T 1/2 = 85 Tage) geht das Isotop 292 114 in das Isotop 288 112 über. Auch die Bildung des Isotops 288 112 erfolgt durch den Kanal

Der aus beiden Ketten gebildete Endkern 288 112 hat eine Halbwertszeit von etwa 1 Stunde und zerfällt durch spontane Spaltung. Der Alpha-Zerfall des Isotops 288 114 kann mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 10 % zur Bildung des Isotops 284 112 führen Die obigen Perioden und Zerfallskanäle wurden durch Berechnung erhalten.
Bei der Analyse verschiedener Möglichkeiten zur Bildung superschwerer Elemente bei Reaktionen mit schweren Ionen sollten die folgenden Umstände berücksichtigt werden.

1. Es ist notwendig, einen Kern mit einem ausreichend großen Verhältnis der Anzahl der Neutronen zur Anzahl der Protonen zu erzeugen. Daher sollten als einfallendes Teilchen schwere Ionen mit großem N/Z gewählt werden.
2. Es ist notwendig, dass der resultierende Verbindungskern eine niedrige Anregungsenergie und einen kleinen Wert des Drehimpulses hat, da sonst die effektive Höhe der Spaltbarriere abnimmt.
3. Es ist notwendig, dass der resultierende Kern eine nahezu kugelförmige Form hat, da selbst eine geringfügige Verformung zu einer schnellen Spaltung des superschweren Kerns führt.

Eine vielversprechende Methode zur Gewinnung superschwerer Kerne sind Reaktionen vom Typ 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. Auf Abb. Abbildung 11 zeigt die geschätzten Wirkungsquerschnitte für die Bildung von Transuran-Elementen bei Bestrahlung von 248 Cm-, 249 Cf- und 254 Es-Targets mit beschleunigten 238 U-Ionen. Bei diesen Reaktionen liegen bereits erste Ergebnisse zu den Wirkungsquerschnitten für die Bildung von Elementen mit Z > 100 vor.Um die Ausbeuten der untersuchten Reaktionen zu erhöhen, wurden die Dicken der Targets so gewählt, dass die Reaktionsprodukte zurückbleiben im Ziel. Nach der Bestrahlung wurden einzelne chemische Elemente vom Target getrennt. In den erhaltenen Proben wurden über mehrere Monate α-Zerfallsprodukte und Spaltfragmente registriert. Daten, die mit beschleunigten Uran-Ionen erhalten wurden, zeigen deutlich eine Erhöhung der Ausbeute an schweren Transuran-Elementen im Vergleich zu leichteren Bombardierungs-Ionen. Diese Tatsache ist äußerst wichtig, um das Problem der Synthese superschwerer Kerne zu lösen. Trotz der Schwierigkeiten, mit den entsprechenden Zielen zu arbeiten, sehen die Prognosen für die Bewegung in Richtung großes Z recht optimistisch aus.

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

Der Atomkern ist ein System von Nukleonen, bestehend aus Z Protonen und N Neutronen, die durch Kernwechselwirkung verbunden sind. Die Bindungsenergie des Atomkerns im Flüssigkeitstropfenmodell wird durch die Bethe-Weizsäcker-Formel beschrieben [3, 4]. Abhängig von der Lebensdauer und dem Verhältnis zwischen Z und N Atomkerne werden in stabile und radioaktive unterteilt. Das Phänomen der Radioaktivität wurde von A.A. Bequerel im Jahr 1896, der eine zuvor unbekannte Strahlung entdeckte, die von Uransalzen ausgeht.
1898 isolierten Pierre und Marie Curie neue Elemente, Radium Ra ( Z = 88) und Polonium Po (Z = 84), die ebenfalls die Eigenschaft der Radioaktivität besitzen. E. Rutherford zeigte 1898, dass die Strahlung von Uran aus zwei Komponenten besteht: positiv geladene α-Teilchen (4 He-Kerne) und negativ geladene β-Teilchen (Elektronen) [6, 9]. 1900 entdeckte P. Willard die γ-Strahlung von Uran.
Stabile Kerne befinden sich im sogenannten Stability Valley (Abb. 1). Das Verhältnis von N zu Z entlang der Stabilitätslinie hängt von der Massenzahl A = N + Z ab:

N / Z \u003d 0,98 + 0,015A 2/3. (eines)

Reis . 1.NZ Atomkerndiagramm

Derzeit sind etwa 3500 Atomkerne bekannt, die Zahl der stabilen Kerne liegt bei etwa 300. Links des Stabilitätstals befinden sich radioaktive Kerne, die durch β + -Zerfall und E-Einfang zerfallen. Wenn man sich vom Tal der Stabilität wegbewegt, hin zu Kernen, die mit Protonen überladen sind, nimmt ihre Halbwertszeit ab. Grenze B p(N,Z) = 0 (B p(N,Z) − Protonentrennungsenergie im Kern (N,Z)) begrenzt den Existenzbereich der Kerne auf der linken Seite.
Beim Übergang vom Tal der Stabilität zu mit Neutronen überladenen Kernen nimmt auch die Halbwertszeit der Kerne ab. Rechts wird der Existenzbereich von Kernen durch die Beziehung  n (N, Z) = 0 ( n (N, Z) − Neutronentrennungsenergie im Kern (N, 2)). Außerhalb der Grenzen
Bp (N,Z) = 0 und (B n (N,Z) = 0 Atomkerne nicht existieren können, da ihr Zerfall in der charakteristischen Kernzeit stattfindetτ Gift = 10 -22 s.
Der Bereich der Kerne mit Protonenüberschuss wurde experimentell fast vollständig bis zur B p (N, Z)-Grenze untersucht. = 0. Bei Kernen mit Neutronenüberschuss liegt dann (mit Ausnahme der leichten Kerne) der Bereich der experimentell entdeckten Kerne ziemlich weit von der B n (N, Z)-Grenze entfernt = 0. Etwa 2500 − 3000 weitere uns unbekannte Kerne können sich in dieser Region befinden.

Akademiker G.N. Flerow:
Der Wert der Informationen, die aus der Untersuchung eines Isotops gewonnen werden, das sich weit entfernt von der Stabilitätsregion befindet, ist viel größer als das, was wir durch die Untersuchung von Isotopen lernen, die sich in der Nähe dieser Region befinden. Das−ein allgemeiner methodischer Ansatz, der sowohl von Physikern als auch von Chemikern verwendet wird,
−untersuchen Sie die Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen ihrer Existenz. Isotope fernab der Region (β -Stabilität, sind in dem Sinne einschränkend, dass in einem Fall, wenn es wenige Protonen gibt und die Zahl der Neutronen relativ groß ist, die Kernkräfte die Hauptrolle spielen; in einem anderen Fall spielen bei einem Überschuss an Protonen die Coulomb-Abstoßungskräfte eine sehr große Rolle, bis zu dem Punkt, an dem ein radioaktiver Zerfall von Kernen unter Emission von Protonen möglich wird.
In diesem Zusammenhang wird unser besonderes Interesse an der Untersuchung der Kerne von Transuranelementen verständlich, wo die Coulomb-Kräfte so stark sind, dass sie die nuklearen Anziehungskräfte überwinden. Die Potentialbarriere, die den Kern als Ganzes im Gleichgewicht hält, verschwindet fast, und er wird in Fragmente zerlegt. Gleichzeitig können spezifische Kerneffekte, die mit der inneren Struktur des Kerns zusammenhängen, extrem ausgeprägt sein. In dieser Elementregion wurde eine neue Art von Kernisomerie entdeckt.−Formisomerie. Hier sind noch eine Reihe weiterer interessanter Phänomene möglich, die beispielsweise mit dem Vorhandensein eines zweiten Minimums in der Kerndeformationsenergie zusammenhängen.

Bericht an das Organisationskomitee der UNESCO-Konferenz,
dem 100. Jahrestag der Entstehung des Periodensystems gewidmet.

Auch von Seiten der superschweren Elemente gibt es Beschränkungen für die Existenz von Atomkernen. Elemente mit Z > 92 wurden unter natürlichen Bedingungen nicht gefunden. Berechnungen basierend auf dem Flüssigkeitstropfenmodell des Kerns sagen das Verschwinden der Spaltbarriere für Kerne mit Z 2 /À ≈ 41 (ungefähr 104 Elemente) voraus. Beim Problem der Existenz superschwerer Kerne sind zwei Fragekreise herauszuheben.

• Welche Eigenschaften sollten superschwere Kerne haben? Wird es in diesem Bereich magische Zahlen Z und N geben? Was sind die wichtigsten Zerfallskanäle und Halbwertszeiten von superschweren Kernen?
• Welche Reaktionen sollten für die Synthese superschwerer Kerne verwendet werden, die Arten von Bombardierungskernen, die erwarteten Wirkungsquerschnitte, die erwarteten Anregungsenergien des zusammengesetzten Kerns und die Kanäle zum Entfernen der Anregung der resultierenden Kerne?

Das Problem der Synthese superschwerer Elemente hängt eng mit der Tatsache zusammen, dass Kerne mit Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (magische Zahlen) eine erhöhte Stabilität gegenüber verschiedenen Arten des radioaktiven Zerfalls aufweisen. Dieses Phänomen wird im Rahmen des Kernschalenmodells erklärt – magische Zahlen entsprechen gefüllten Kernschalen [12, 13]. Natürlich stellt sich die Frage nach der Existenz der folgenden magischen Zahlen in Z und N. Falls sie im NZ-Gebiet existieren - Atomkerndiagramme N > 150, Z > 101, superschwere Kerne mit verlängerten Halbwertszeiten sollten beobachtet werden, d.h. es muss eine Insel der Stabilität geben. Anwendung der Methode

A. Levin

Auf dem Weg zur Insel der Stabilität

Wissenschaftler beschäftigen sich seit sieben Jahrzehnten mit der neuesten Version des alchemistischen Handwerks und haben dabei viel erreicht: Die Liste der offiziell anerkannten künstlichen Elemente, deren Namen von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) offiziell genehmigt wurden, umfasst 19 Positionen.

Es beginnt mit dem 93. Element des Periodensystems, das seit 1940 bekannt ist – Neptunium – und endet mit dem 111. – Röntgen, das erstmals 1994 hergestellt wurde. 1996 und 1998 kamen Elemente mit den Nummern 112 und 114. Sie haben noch nicht die endgültigen Namen erhalten, und die ihnen bis zur Entscheidung des IUPAC-Büros vorläufig zugewiesenen klingen schrecklich - ununbium und ununquadium. Im Jahr 2004 gab es Berichte über die Synthese des 113. und 115. Elements, die bisher mit ebenso unaussprechlichen Namen ausgestattet waren. Sie haben jedoch ihre eigene Logik, sie sind nur Seriennummern von Elementen, die mit den lateinischen Namen von einstelligen Zahlen codiert sind. Ununbium steht beispielsweise für „eins-eins-zwei“.

Im vergangenen Herbst gingen Berichte über den absolut zuverlässigen Erhalt eines weiteren superschweren Elements, des 118., durch die Weltpresse. Die Zuverlässigkeit dieser Ergebnisse war keineswegs zufällig. Tatsache ist, dass solche Ankündigungen zum ersten Mal viel früher erschienen - im Juni 1999. Später mussten jedoch Mitarbeiter des nach Lawrence benannten amerikanischen Livermore Laboratory, die einen Antrag auf diese Entdeckung stellten, diese ablehnen. Es stellte sich heraus, dass die Daten, auf denen es basierte, von einem der Experimentatoren, dem Bulgaren Viktor Ninov, fabriziert wurden. Im Jahr 2002 löste dies einen erheblichen Skandal aus. Im selben Jahr nahmen Wissenschaftler aus Livermore unter der Leitung von Kenton Moody zusammen mit russischen Kollegen vom Joint Institute for Nuclear Research in Dubna unter der Leitung von Yuri Oganesyan diese Versuche mit einer anderen Kette von Kernreaktionen wieder auf. Die Experimente wurden nur drei Jahre später abgeschlossen und haben nun bereits zur garantierten Synthese des 118. Elements geführt – allerdings in der Menge von nur drei Kernen. Diese Ergebnisse werden in einem Artikel mit zwanzig russischen und zehn amerikanischen Unterschriften präsentiert, der am 9. Oktober 2006 in der Zeitschrift Physical Review von S.

Wir werden später über Methoden zur Gewinnung superschwerer künstlicher Elemente und über die gemeinsame Arbeit der Gruppen Oganesyan und Moody sprechen. Versuchen wir derweil eine gar nicht so naive Frage zu beantworten: Warum synthetisieren Kernphysiker und Chemiker so beharrlich immer mehr neue Elemente mit dreistelligen Zahlen im Periodensystem? Diese Arbeiten erfordern aufwändige und teure Geräte und viele Jahre intensiver Forschung – und was ist das Ergebnis? Völlig nutzlose instabile exotische Kerne, die man zudem an den Fingern abzählen kann. Natürlich sind Spezialisten daran interessiert, jeden dieser Kerne zu untersuchen, einfach wegen seiner Einzigartigkeit und Neuheit für die Wissenschaft – zum Beispiel, um seine radioaktiven Zerfälle, Energieniveaus und geometrischen Formen zu untersuchen. Für solche Entdeckungen vergeben sie manchmal Nobelpreise, aber trotzdem – ist das Spiel die Kerze wert? Was versprechen diese Studien, wenn nicht Technik, dann zumindest Grundlagenwissenschaft?

EIN WENIG ELEMENTARE PHYSIK
Zunächst erinnern wir daran, dass die Kerne aller Elemente mit Ausnahme von Wasserstoff ausnahmslos aus Teilchen zweier Arten bestehen - positiv geladene Protonen und Neutronen, die keine elektrische Ladung tragen (ein Wasserstoffkern ist ein einzelnes Proton). Alle Kerne sind also positiv geladen, und die Ladung eines Kerns wird durch die Anzahl seiner Protonen bestimmt. Dieselbe Zahl gibt die Nummer des Elements im Periodensystem an. Auf den ersten Blick mag dieser Umstand seltsam erscheinen. Der Schöpfer dieses Systems, D. I. Mendeleev, ordnete die Elemente auf der Grundlage ihrer Atomgewichte und chemischen Eigenschaften, und dann vermutete die Wissenschaft überhaupt keine Atomkerne (übrigens waren es 1869, als er sein periodisches Gesetz entdeckte, nur 63 Elemente). bekannt). Jetzt wissen wir (und Dmitri Iwanowitsch hatte keine Zeit, das herauszufinden), dass die chemischen Eigenschaften von der Struktur der Elektronenwolke abhängen, die den Atomkern umgibt. Wie Sie wissen, sind die Ladungen von Proton und Elektron betragsmäßig gleich und haben entgegengesetztes Vorzeichen. Da das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist, ist die Anzahl der Elektronen genau gleich der Anzahl der Protonen – das ist die gesuchte Verbindung und entdeckt. Die Periodizität der chemischen Eigenschaften erklärt sich aus der Tatsache, dass die Elektronenwolke aus getrennten "Schichten" - Schalen besteht. Chemische Wechselwirkungen zwischen Atomen werden hauptsächlich von den Elektronen der äußeren Schalen bereitgestellt. Wenn jede neue Hülle gefüllt wird, bilden die chemischen Eigenschaften der resultierenden Elemente eine glatte Reihe, und dann endet die Kapazität der Hülle, und die nächste beginnt sich zu füllen – daher die Periodizität. Aber hier betreten wir die Wildnis der Atomphysik, und es interessiert uns heute nicht, wir hätten Zeit, über Kerne zu sprechen.

Atomkerne werden üblicherweise "Nuklide" genannt, vom lateinischen Kern - Kern. Daher der gebräuchliche Name für Protonen und Neutronen - "Nukleonen". Kerne mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber unterschiedlich - Neutronen unterscheiden sich in der Masse, aber ihre elektronischen "Kleider" sind völlig Marie-Curie-gleich. Das bedeutet, dass Atome, die sich nur in der Anzahl der Neutronen voneinander unterscheiden, chemisch nicht unterscheidbar sind und als Varietäten desselben Elements betrachtet werden müssen. Solche Elemente werden Isotope genannt (dieser Name wurde 1910 vom englischen Radiochemiker Frederick Soddy vorgeschlagen, der ihn von den griechischen Wörtern isos - gleich, identisch und topos - Ort ableitete). Isotope werden normalerweise mit dem Namen oder dem chemischen Symbol des Elements bezeichnet, gefolgt von der Bezeichnung der Gesamtzahl der Kernnukleonen (dieser Indikator wird als "Massenzahl" bezeichnet).

Alle natürlich vorkommenden Elemente haben mehrere Isotope. Nehmen wir an, Wasserstoff hat zusätzlich zur Hauptversion mit einem Proton ein schweres - Deuterium und ein superschweres - Tritium (historisch gesehen haben Wasserstoffisotope ihre eigenen Namen). Der Kern von Deuterium besteht aus einem Proton und einem Neutron, Tritium - aus einem Proton und zwei Neutronen. Das zweite Element im Periodensystem, Helium, hat zwei natürliche Isotope: das sehr seltene Helium-3 (zwei Protonen, ein Neutron) und das viel häufigere Helium-4 (zwei Protonen und zwei Neutronen). Auch Elemente reinen Laborursprungs werden in der Regel in unterschiedlichen Isotopenvarianten synthetisiert.

Nicht alle Atomkerne sind stabil. Einige von ihnen können spontan Teilchen emittieren und sich in andere Nuklide verwandeln. Dieses Phänomen wurde 1896 von dem französischen Physiker Antoine Henri Becquerel entdeckt, der entdeckte, dass Uran durchdringende Strahlung aussendet, die der Wissenschaft unbekannt ist. Zwei Jahre später entdeckten Frédéric Curie und seine Frau Marie eine ähnliche Emission von Thorium und entdeckten dann zwei instabile Elemente, die noch nicht im Periodensystem enthalten sind – Radium und Polonium. Marie Curie nannte das aus Sicht der damaligen Wissenschaft mysteriöse Phänomen Radioaktivität. 1899 entdeckte der Engländer Ernest Rutherford, dass Uran zwei Arten von Strahlung aussendet, die er Alpha- und Betastrahlen nannte. Ein Jahr später bemerkte der Franzose Paul Villard Strahlung des dritten Typs in Uran, die derselbe Rutherford mit dem dritten Buchstaben des griechischen Alphabets bezeichnete - Gamma. Später entdeckten Wissenschaftler andere Arten von Radioaktivität.

Sowohl Alpha- als auch Gammastrahlung entstehen durch interne Umlagerungen des Kerns. Alphastrahlen sind einfach Kernströme des Hauptisotops von Helium, Helium-4. Wenn ein radioaktives Nuklid ein Alphateilchen aussendet, nimmt seine Massenzahl um vier und seine Ladung um zwei ab. Dadurch wird das Element im Periodensystem um zwei Zellen nach links verschoben. Der Alpha-Zerfall ist eigentlich ein Sonderfall einer ganzen Familie von Zerfällen, wodurch der Kern umgeordnet wird und Nukleonen oder Gruppen von Nukleonen verliert. Es gibt Zerfälle, bei denen der Kern ein einzelnes Proton oder ein einzelnes Neutron oder sogar eine massereichere Gruppe von Nukleonen als ein Alphateilchen emittiert (solche Gruppen werden "schwere Cluster" genannt). Aber Gammastrahlen sind immateriell - das sind elektromagnetische Quanten von sehr hoher Energie. Der reine Gamma-Zerfall ist also streng genommen gar keine Radioaktivität, da danach ein Kern mit der gleichen Anzahl an Protonen und Neutronen übrig bleibt, nur in einem Zustand mit reduzierter Energie.

Beta-Radioaktivität wird durch Kernumwandlungen ganz anderer Art verursacht. Die Teilchen, die Rutherford Beta-Strahlen nannte, waren einfach Elektronen, was sich sehr schnell herausstellte, ein Umstand, der die Wissenschaftler lange verwirrte, da alle Versuche, Elektronen im Inneren von Kernen zu finden, zu nichts führten. Erst 1934 vermutete Enrico Fermi, dass Beta-Elektronen nicht das Ergebnis intranuklearer Umlagerungen, sondern wechselseitiger Umwandlungen von Nukleonen sind. Die Beta-Radioaktivität des Urankerns erklärt sich dadurch, dass sich eines seiner Neutronen in ein Proton und ein Elektron verwandelt. Es gibt eine andere Art von Beta-Radioaktivität: Ein Proton wird in ein Positron und ein Neutron umgewandelt (der Leser wird feststellen, dass bei beiden Umwandlungen die elektrische Gesamtladung erhalten bleibt). Der Beta-Zerfall emittiert auch ultraleichte und superdurchdringende neutrale Teilchen - Neutrinos (genauer gesagt führt der Beta-Zerfall des Positrons zur Geburt des Neutrinos selbst und des elektronischen - Antineutrinos). Beim elektronischen Beta-Zerfall erhöht sich die Ladung des Kerns um eins, beim Positronen-Zerfall nimmt sie natürlich um den gleichen Betrag ab.

Für ein vollständigeres Verständnis des Beta-Zerfalls müssen Sie noch tiefer graben. Protonen und Neutronen galten nur bis Mitte der 1960er Jahre als echte Elementarteilchen. Jetzt wissen wir mit Sicherheit, dass beide aus Tripletts von Quarks bestehen – viel weniger massive Teilchen, die positive oder negative Ladungen tragen. Die Ladung eines negativen Quarks entspricht einem Drittel der Ladung eines Elektrons, die eines positiven Quarks zwei Dritteln der Ladung eines Protons. Quarks sind durch den Austausch spezieller masseloser Teilchen - Gluonen - eng miteinander verlötet und existieren einfach nicht in freiem Zustand. Beta-Zerfälle sind also eigentlich Transformationen von Quarks.

Die Nukleonen innerhalb des Kerns sind wiederum durch Austauschkräfte verbunden, deren Träger andere Teilchen sind, Pionen (früher Pi-Mesonen genannt). Diese Bindungen sind bei weitem nicht so stark wie die Gluonenbindung von Quarks, weshalb Kerne zerfallen können. Intranukleare Kräfte hängen nicht vom Vorhandensein oder Fehlen einer Ladung ab (daher reagieren alle Kerne auf die gleiche Weise miteinander) und haben eine sehr kurze Reichweite, etwa 1,4 x 10-15 Meter. Die Größe der Atomkerne hängt von der Anzahl der Nukleonen ab, aber im Allgemeinen in der gleichen Größenordnung. Nehmen wir an, der Radius des schwersten natürlich vorkommenden Nuklids, Uran-238, beträgt 7,4 x 10-15 Meter, bei leichteren Kernen ist er kleiner.

PHYSIK IST ERNSTHAFTER
Wir haben das nukleare Bildungsprogramm abgeschafft, gehen wir zu interessanteren Dingen über. Zunächst einige Fakten, deren Erläuterung den Weg zum Verständnis der verschiedenen Mechanismen der Nuklidsynthese ebnet.

Tatsache 1.
Die ersten 92 Elemente des Periodensystems wurden auf der Erde entdeckt – von Wasserstoff bis Uran (obwohl Helium zuerst aus Spektrallinien auf der Sonne entdeckt wurde und Technetium, Astat, Promethium und Francium künstlich gewonnen wurden, aber später alle auf der Erde entdeckt wurden Angelegenheit). Alle Elemente mit großer Zahl wurden künstlich gewonnen, sie werden üblicherweise als Transurane bezeichnet und stehen im Periodensystem rechts vom Uran.

Tatsache 3.
Das Verhältnis zwischen der Zahl der intranuklearen Protonen und Neutronen ist keineswegs beliebig. In stabilen leichten Kernen sind ihre Zahlen gleich oder fast gleich - etwa für Lithium 3:3, für Kohlenstoff 6:6, für Calcium 20:20. Doch mit zunehmender Ordnungszahl wächst die Zahl der Neutronen schneller und übersteigt in den schwersten Kernen die Zahl der Protonen um etwa das 1,5-fache. Beispielsweise besteht der Kern eines stabilen Wismutisotops aus 83 Protonen und 126 Neutronen (es gibt 13 instabilere, in denen die Anzahl der Neutronen zwischen 119 und 132 variiert). In Uran und Transuranen nähert sich das Verhältnis zwischen Neutronen und Protonen dem Wert 1,6.

Tatsache 2.
Alle Elemente haben instabile Isotope, entweder natürlich vorkommend oder künstlich. Zum Beispiel ist Deuterium stabil, aber Tritium unterliegt einem Beta-Zerfall (Übrigens sind inzwischen etwa zweitausend radioaktive Nuklide bekannt, von denen viele in verschiedenen Technologien verwendet und daher im industriellen Maßstab hergestellt werden.) Aber nur die ersten 83 Elemente haben stabile Isotope Periodensysteme - von Wasserstoff bis Wismut. Die neun schwersten natürlichen Elemente: Polonium, Astatin, Radon, Francium, Radium, Actinium, Thorium, Protactinium und Uran sind in all ihren Isotopenvarianten radioaktiv. Ausnahmslos alle Transurane sind auch instabil.

Wie ist dieses Muster zu erklären? Warum gibt es beispielsweise keine Kohlenstoffkerne mit 16 Neutronen (dieses Element hat 13 Isotope mit einer Neutronenzahl von 2 bis 14, jedoch ist neben dem Hauptisotop Kohlenstoff-12 nur Kohlenstoff-13 stabil)? Warum sind alle Nuklide mit mehr als 83 Protonen instabil?

Nukleare Stabilitätskarte

Die Atommasse nimmt von oben nach unten auf der Karte zu. Die Zahl der Protonen nimmt nach rechts unten zu, die Zahl der Neutronen nach links unten. Der niedrigste rote Block ist das 112. Element.

In Lehrbüchern der Kernphysik finden Sie ein sehr anschauliches Diagramm, das als Isotopenkarte oder Tal der nuklearen Stabilität bezeichnet wird. Auf der horizontalen Achse ist die Anzahl der Neutronen und auf der vertikalen Achse die Anzahl der Protonen aufgetragen. Jedes Isotop entspricht einem bestimmten Punkt, beispielsweise dem Hauptisotop von Helium - einem Punkt mit den Koordinaten (2,2). Dieses Diagramm zeigt deutlich, dass alle wirklich existierenden Isotope in einem ziemlich schmalen Band konzentriert sind. Seine Neigung zur Abszissenachse beträgt zunächst etwa 45 Grad, dann nimmt sie etwas ab. Stabile Isotope sind in der Mitte des Bandes und an den Seiten konzentriert - anfällig für den einen oder anderen Zerfall.

Hier entsteht die Unklarheit. Es ist klar, dass die Kerne nicht nur aus Protonen bestehen können – sie würden durch die Kräfte der elektrischen Abstoßung auseinandergerissen. Aber Neutronen scheinen die Abstände zwischen den Protonen zu vergrößern und dadurch diese Abstoßung zu schwächen. Und die Kernkräfte, die die Nukleonen im Kern vereinen, wirken, wie bereits erwähnt, auf Protonen und Neutronen in gleicher Weise. Es scheint, dass je mehr Neutronen im Kern sind, desto stabiler ist er. Und wenn nicht, warum dann?

Hier ist die Erklärung "an den Fingern". Kernmaterie gehorcht den Gesetzen der Quantenmechanik. Nukleonen beider Typen haben einen halbzahligen Spin und gehorchen daher wie alle anderen derartigen Teilchen (Fermionen) dem Pauli-Prinzip, das es verbietet, dass identische Fermionen denselben Quantenzustand einnehmen. Das bedeutet, dass die Anzahl der Fermionen eines bestimmten Typs in einem bestimmten Zustand nur durch zwei Zahlen ausgedrückt werden kann – 0 (der Zustand ist nicht besetzt) ​​und 1 (der Zustand ist voll).

In der Quantenmechanik sind im Gegensatz zur klassischen Mechanik alle Zustände diskret. Der Kern zerfällt nicht, weil die darin enthaltenen Nukleonen durch Kernkräfte zusammengezogen werden. Das lässt sich durch ein solches Bild bildlich darstellen – die Partikel sitzen in der Vertiefung und können dort einfach nicht herausspringen. Auch Physiker verwenden dieses Modell und nennen den Brunnen einen Potentialbrunnen. Protonen und Neutronen sind nicht dasselbe, also sitzen sie in zwei Gruben, nicht in einer. Sowohl im Protonen- als auch im Neutronentopf gibt es eine Reihe von Energieniveaus, die von hineingefallenen Teilchen besetzt werden können. Die Tiefe jeder Grube hängt von der durchschnittlichen Kraftinteraktion zwischen ihren Gefangenen ab.

Denken Sie jetzt daran, dass sich Protonen abstoßen, Neutronen jedoch nicht. Folglich werden Protonen schwächer gelötet als Neutronen, sodass ihr Potentialtopf nicht so tief ist. Für leichte Kerne ist dieser Unterschied gering, nimmt aber mit zunehmender Kernladung zu. Aber die Energien der obersten nicht leeren Ebenen in beiden Brunnen müssen übereinstimmen. Wenn das obere gefüllte Neutronenniveau höher als das obere Protonenniveau wäre, könnte der Kern seine Gesamtenergie verringern und das ihn besetzende Neutron "zwingen", einen Beta-Zerfall zu durchlaufen und sich in ein Proton zu verwandeln. Und sobald eine solche Umwandlung energetisch günstig wäre, würde es mit der Zeit passieren, der Kern würde sich als instabil erweisen. Das gleiche Finale würde stattfinden, wenn irgendein Proton es wagte, seine Energieskala zu überschreiten.

Hier haben wir eine Erklärung. Wenn Protonen- und Neutronenbrunnen fast die gleiche Tiefe haben, was typisch für leichte Kerne ist, dann fallen auch die Anzahlen von Protonen und Neutronen ungefähr gleich aus. Wenn man sich entlang des Periodensystems bewegt, nimmt die Anzahl der Protonen zu, und die Tiefe ihres Potentialtopfs bleibt immer mehr hinter der Tiefe des Neutronentopfs zurück. Daher sollten schwere Kerne mehr Neutronen als Protonen enthalten. Wenn dieser Unterschied jedoch künstlich zu groß gemacht wird (z. B. durch Beschuss des Kerns mit langsamen Neutronen, die ihn nicht in Fragmente zerlegen, sondern einfach „kleben“, steigt das Neutronenniveau deutlich über das Protonenniveau an und der Kern zerfällt . Dieses Schema ist natürlich extrem vereinfacht, aber im Prinzip richtig.

Gehen wir weiter. Da mit zunehmender Ordnungszahl ein fortschreitender Überschuss an Neutronen gegenüber Protonen entsteht, der die Stabilität der Kerne verringert, müssen alle schweren Nuklide radioaktiv sein. Das ist in der Tat so, wiederholen wir nicht unseren Fakt 2. Außerdem scheinen wir mit der Annahme richtig zu sein, dass die schwereren Nuklide immer weniger stabil werden, also ihre Lebenserwartung stetig sinken wird. Diese Schlussfolgerung sieht absolut logisch aus, ist aber falsch.

SCHÄTZTE INSEL
Beginnen wir damit, dass das oben beschriebene Schema nicht viel berücksichtigt. Beispielsweise gibt es den sogenannten Nukleonenpaarungseffekt. Es besteht darin, dass zwei Protonen oder zwei Neutronen eine enge Vereinigung eingehen können und im Kern einen halbautotomen Zustand mit einem Drehimpuls von Null bilden. Mitglieder solcher Paare werden stärker voneinander angezogen, was die Stabilität des gesamten Kerns erhöht. Deshalb zeigen unter sonst gleichen Bedingungen Kerne mit geraden Protonen- und Neutronenzahlen die größte Stabilität, und die kleinste - mit ungeraden. Die Stabilität von Kernen hängt auch von einer Reihe anderer Umstände ab, die zu speziell sind, um sie hier zu diskutieren.

Aber die Hauptsache ist nicht einmal das. Der Atomkern ist nicht nur eine homogene Ansammlung von Nukleonen, auch wenn sie paarweise angeordnet sind. Zahlreiche Experimente überzeugen Physiker seit langem davon, dass der Atomkern höchstwahrscheinlich geschichtet aufgebaut ist. Nach diesem Modell existieren innerhalb der Kerne Protonen- und Neutronenhüllen, die den Elektronenhüllen von Atomen etwas ähneln. Kerne mit vollständig gefüllten Schalen sind besonders widerstandsfähig gegen spontane Umwandlungen. Die Anzahl der Neutronen und Protonen, die vollständig gefüllten Schalen entsprechen, nennt man magische Zahlen. Einige dieser Zahlen wurden zuverlässig experimentell bestimmt, wie 2, 8 und 20.

Und hier beginnt das Interessanteste. Schalenmodelle ermöglichen es, die magischen Zahlen superschwerer Kerne zu berechnen – allerdings ohne volle Garantie. Jedenfalls ist zu erwarten, dass sich die Neutronenzahl 184 als magisch herausstellen wird. Die Protonenzahlen 114, 120 und 126 können ihm entsprechen, und letzteres muss wiederum magisch sein. Daher ist davon auszugehen, dass die Isotope des 114., 120. und 126. Elements mit jeweils 184 Neutronen viel länger leben werden als ihre Nachbarn. Auf das letzte Isotop werden besondere Hoffnungen gesetzt, denn es entpuppt sich als doppelt magisch. Gemäß der im ersten Abschnitt diskutierten Namenskonvention sollte es Unbihexium-310 heißen.

Man kann also hoffen, dass es noch unentdeckte superschwere Nuklide gibt, die sehr lange leben, zumindest nach den Maßstäben ihrer unmittelbaren Umgebung. Physiker nennen diese hypothetische Familie die „Insel der Stabilität“. Die Hypothese seiner Existenz wurde erstmals von dem bemerkenswerten amerikanischen Kernphysiker (oder, wenn Sie so wollen, Kernchemiker) Glenn Seaborg, Nobelpreisträger von 1951, geäußert. Er war der Leiter oder Schlüsselmitglied der Teams, die alle neun Elemente von 94 (Plutonium) bis 102 (Nobelium) sowie das nach ihm benannte Element 106, Seaborgium, erzeugten.
Jetzt können Sie die Frage beantworten, die den ersten Abschnitt beendet. Unter anderem die Synthese superschwerer Elemente bringt Kernphysiker ihrem heiligen Gral – der Insel der nuklearen Stabilität – Schritt für Schritt näher. Ob dieses Ziel erreichbar ist, kann niemand mit Sicherheit sagen, aber die Entdeckung der begehrten Insel wäre ein großer Erfolg für die Wissenschaft.

Element 114 wurde bereits erstellt - das ist Ununquadium. Jetzt wurde es in fünf Isotopenversionen mit einer Neutronenzahl von 171 bis 175 synthetisiert. Wie Sie sehen können, sind bis zu 184 Neutronen noch weit entfernt. Die stabilsten Isotope von Ununquadium haben jedoch eine Halbwertszeit von knapp 3 Sekunden. Für das 113. Element beträgt diese Zahl etwa eine halbe Sekunde, für das 115. - weniger als ein Zehntel. Das ist beruhigend.

U-400-Beschleuniger am Joint Institute for Nuclear Research (Dubna),

auf dem das 118. Element erhalten wurde

SYNTHESE VON 118
Alle künstlichen Elemente vom 93. bis zum 100. waren | zuerst erhalten [durch Bestrahlung von Kernen | Neutronen oder Deuteriumkerne] (Deuteronen). Das passiert nicht immer im Labor. Die Elemente 99 und 100 – Einsteinium und Fermium – wurden erstmals bei der radiochemischen Analyse von Materialproben identifiziert, die im Bereich des pazifischen Atolls von Eniwetok gesammelt wurden, wo die Amerikaner am 1. November 1952 die thermonukleare Ladung „Mike ". Seine Hülle bestand aus Uran-238. Während der Explosion hatten Urankerne Zeit, bis zu fünfzehn Neutronen zu absorbieren, und durchliefen dann Ketten von Beta-Zerfällen, die schließlich zur Bildung von Isotopen dieser beiden Elemente führten. Übrigens leben einige von ihnen ziemlich lange - zum Beispiel beträgt die Halbwertszeit von Einsteinium-254 480 Tage.

Transfermium-Elemente mit Zahlen über 100 werden synthetisiert, indem massive, aber nicht zu schnell zerfallende Nuklide mit in speziellen Beschleunigern beschleunigten schweren Ionen beschossen werden. Zu den weltbesten Maschinen dieser Art gehören die Zyklotrone U-400 und U-400M des Flerov Laboratory of Nuclear Reactions des Joint Institute for Nuclear Research. Auf dem U-400-Beschleuniger wurde das 118. Element, Ununoctium, synthetisiert. Im Periodensystem steht es genau unter Radon und muss daher ein Edelgas sein.
Es ist jedoch noch zu früh, um über die Untersuchung der chemischen Eigenschaften von Ununoctium zu sprechen. 2002 wurde nur ein Kern seines Isotops mit einem Atomgewicht von 294 (118 Protonen, 176 Neutronen) erhalten, 2005 zwei weitere. Sie lebten nicht lange - etwa eine Millisekunde. Sie wurden hergestellt, indem ein Californium-249-Target mit beschleunigten Calcium-48-Ionen beschossen wurde. Die Gesamtzahl der Kalzium-"Kugeln" betrug 2x1019! Die Leistung des Ununoctium-Generators ist also extrem gering. Dies ist jedoch eine typische Situation. Aber die angekündigten Ergebnisse gelten als recht zuverlässig, die Irrtumswahrscheinlichkeit überschreitet nicht ein Tausendstel Prozent.

Ununoctium-Kerne durchliefen eine Reihe von Alpha-Zerfällen, die sich nacheinander in Isotope der Elemente 116, 114 und 112 verwandelten. Das letzte, bereits erwähnte Ununbium lebt nur sehr kurze Zeit und zerfällt in schwere Bruchstücke von etwa gleicher Masse.

Das ist die ganze Geschichte bisher. 2007 hoffen dieselben Experimentatoren, Kerne des Elements 120 zu erzeugen, indem sie ein Plutonium-Target mit Eisenionen beschießen. Der Angriff auf die Insel der Stabilität geht weiter.

Was gibt es Neues in Wissenschaft und Technologie, Nr. 1, 2007

Peter Armbruster, Gottfried Münzerberg

Subtile quantenmechanische Effekte stabilisieren Kerne, die viel schwerer sind als die in der Natur vorkommenden Kerne. Experimentatoren mussten überdenken, wie man solche superschweren Elemente am besten synthetisiert.

Während In den letzten 20 Jahren wurde in vielen Ländern der Welt die Aufmerksamkeit von Physikern auf das Problem gelenkt, superschwere Elemente zu erhalten. In Darmstadt, am Institut für Schwerionenforschung (HSI), haben wir einige Fortschritte erzielt, indem wir die Kerne der Elemente 107, 108 und 109 synthetisiert haben. Diese Kerne liegen jenseits der „Schwelle“ des 106. Protons, die die Grenze für bisher existierende Methoden markiert zur Gewinnung und Identifizierung schwerer Elemente .

Experimentelle Messungen der Kernmassen und theoretische Analysen zeigen, dass die Stabilität dieser neuen Elemente hauptsächlich auf der Mikrostruktur ihrer Protonen- und Neutronensysteme beruht und nicht auf den makroskopischen Eigenschaften, die die Stabilität leichterer Kerne bestimmen. Wir sind jedoch auf Probleme gestoßen, die es immer noch schwierig machen, die Ziele zu erreichen, die Ende der 60er Jahre gesetzt wurden, als Elemente bis zu 114 in Reichweite schienen. Durch die Überwindung dieser Schwierigkeiten sind wir in der Untersuchung der Kernstruktur und -dynamik von Kernfusionsreaktionen vorangekommen.

Die Nukleosynthese hat seit den Anfängen, als Elemente, die in der Natur nicht vorkommen, in Kernreaktoren hergestellt wurden, einen langen Weg zurückgelegt. Physiker nutzten immer schwerer beschleunigte Ionen, um Zielatome zu beschießen. Der letzte Schritt in dieser Entwicklung war die Methode der "kalten Fusion" von Kernen, bei der die Massen der Teilchen und die Beschussenergie sorgfältig bestimmt werden müssen, damit die Anregung der neu gebildeten Kerne minimal ist.

Im Laufe unserer Arbeit mussten fast alle anfänglichen Ideen zur Synthese superschwerer Elemente revidiert werden: Die Kerne synthetisierbarer Elemente sind deformiert, anesphärisch, wie 1966 postuliert wurde. Für die Fusion verwendeten wir stabil, weit verbreitet in der Natur sphärische Kerne und beschleunigte Ionen mittlerer Masse statt schwerster künstlicher Kerne und entsprechend ausgewählter leichter beschleunigter Ionen, wie bisher angenommen. Die Fusion soll bei möglichst geringer Beschussenergie erfolgen – möglichst „sanft“, ohne den Einsatz von „brutaler Gewalt“ in Form von überschüssiger Wechselwirkungsenergie, die, wie bisher angenommen, zum Fusionsprozess beiträgt.

Idee der Synthese Transurane (mit Ordnungszahl über 92) entstanden in den 30er Jahren. 1934 beschoss Enrico Fermi Thallium mit langsamen Neutronen, um nach dem Beta-Zerfall (dem Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron) Blei zu erhalten. Als Ergebnis des Neutroneneinfangs und des anschließenden Beta-Zerfalls wurden Elemente mit Ordnungszahlen gebildet, die um eins höher waren als die ursprünglichen.

Zwischen 1940 und Mitte der 1950er Jahre entstanden durch Neutronenbestrahlung die Elemente 93, 94, 99 und 100. Es ist kein Zufall, dass Fermium, Element 100, das letzte einer Reihe von Elementen war, die durch Neutroneneinfang und Beta gewonnen werden konnten Zerfall, vorgeschlagen von Fermi: Keines seiner Isotope unterliegt einem Beta-Zerfall. Im gleichen Zeitraum wurden die Elemente 95 bis 98 und 101 durch Bestrahlung mit Alphateilchen erhalten. Dabei nimmt der schwere Kern zwei Protonen und zwei Neutronen auf; in diesem Fall erhöht sich die Ordnungszahl auf einmal um zwei Einheiten. Wie alle schweren Elemente enthalten Transurane mehr Neutronen als Protonen; zum Beispiel enthält Plutonium (Element 94) 145 Neutronen für eine Gesamtmasse von 239; Das langlebigste Fermium-Isotop hat 157 Neutronen bei einer Gesamtmasse von 257.

Als natürlicher Weg, Elemente über 100 zu erhalten, galt die Verschmelzung der Kerne der schwersten Elemente mit den Kernen leichter Elemente, die mehr Protonen und Neutronen als Helium enthalten. Elemente bis zum 99. sind verfügbar, weil sie in gewichtigen makroskopischen Mengen synthetisiert werden können. In Berkeley (USA) und Dubna (UdSSR) wurden Beschleuniger gebaut, um schwere Ionen mit einer ausreichenden Energie zu erzeugen, um die elektrostatischen Kräfte zu überwinden, die die Kernfusion verhindern. Zwischen 1958 und 1974 Diese Schwerionenbeschleuniger ermöglichten die Synthese der Elemente von 102 bis 106. Die Priorität der Entdeckung dieser Elemente und damit das Recht, sie zu benennen, ist immer noch umstritten.

Die in Berkeley und Dubna so erfolgreich angewendeten Methoden erwiesen sich als unwirksam, um Elemente zu erhalten, die schwerer als 100 sind. Um zu verstehen, warum es so schwierig ist, superschwere Elemente zu synthetisieren und warum einige von ihnen besonders stabil sein können, muss man verstehen, wie die Kerne zusammengehalten oder auseinanderfallen und wie das Gleichgewicht verschiedener Kräfte aussieht. die ihre Stabilität bestimmt, ändert sich mit zunehmender Masse. Effekte, die für leichtere Kerne vernachlässigt werden können, bestimmen den Unterschied zwischen völliger Instabilität und den relativ langen Lebensdauern superschwerer Kerne.

Besonders wichtig für alle Kerne ist die Beziehung zwischen starken Kernkräften, die sowohl Protonen als auch Neutronen anziehen, und elektrostatischen Kräften, die Protonen abstoßen. Je schwerer die Kerne, desto mehr Neutronen enthalten sie, was den Einfluss der Abstoßungskräfte zwischen den Protonen teilweise kompensiert. Die Bindungsstärke zwischen Nukleonen erreicht jedoch ihren Höhepunkt bei Eisen (26 Protonen und 30 Neutronen), was weniger als einem Viertel des Weges entlang des Periodensystems entspricht, und nimmt dann ab.

Die Spaltung jedes Kerns, der schwerer als Eisen ist, muss mit der Freisetzung von Energie einhergehen, aber die für die Spaltung weniger massiver Kerne als Blei benötigte Energie ist so groß, dass eine solche Reaktion nur unter besonderen Bedingungen durchgeführt werden kann. Da Kerne schwerer als Blei sind und stabiler werden können, indem sie auch nur einen kleinen Bruchteil ihrer Nukleonen emittieren, sind sie instabil. Die natürlich vorkommenden Isotope von Thorium und Uran zerfallen hauptsächlich durch Aussendung von Alpha-Teilchen. Nur in Uran und schwereren Elementen können nicht angeregte Kerne spontan gespalten werden.

Grundsätzlich steigt mit steigender Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern) die Instabilität von Atomkernen: Ihre Halbwertszeit sinkt von mehreren tausend Jahren auf Millionstel Sekunden. Aus der Theorie der Kernstruktur folgt jedoch, dass Elemente, die nur geringfügig schwerer sind als die bisher erhaltenen, nicht weniger, sondern stabiler sind.

Kerne mit bestimmten Kombinationen von Neutronen und Protonen haben besonders hohe Bindungsenergien; Helium-4, Sauerstoff-16, Calcium-40, Calcium-48 und Blei-208 sind im Vergleich zu benachbarten Elementen sehr stabil. Diese großen Werte sind auf die Schalenstruktur zurückzuführen - das nukleare Äquivalent der Schalen, auf denen sich die Elektronen um den Kern befinden. Besonders stabil sind Nukleonenkonfigurationen, die vollständig gefüllte (geschlossene) Schalen bilden. Für Blei trägt die Schalenstruktur zu einer Erhöhung der Kernbindungsenergie um 11 Millionen Elektronenvolt (MeV) im Vergleich zu einem hypothetischen Kerntropfen ohne Struktur und mit der gleichen Anzahl von Neutronen und Protonen bei. Für die meisten Kerne mit Bindungsenergien bis zu 2 Milliarden eV ist ein solcher Anstieg vergleichsweise unbedeutend. Bei den schwersten Elementen, die an der Grenze der Stabilität liegen, kann die "Schalenstabilisierung" jedoch zu einem Unterschied zwischen sofortigem Zerfall und relativ langer Kernexistenz führen.

Kerne mit geschlossenen Neutronen- und Protonenschalen sind besonders stabil; nach Blei treten solche Schalen bei 114 Protonen und 184 Neutronen auf. Der Erfolg der Schalentheorie bei der Vorhersage von Bindungsenergien für leichte Kerne ließ hoffen, dass Kerne mit einer Masse nahe 298 so hoch stabilisiert werden könnten, dass sie wie Uran und Thorium eine Region relativ stabiler Elemente bilden könnten. Solche schalenstabilisierten superschweren Elemente müssen im Gegensatz zu Elementen im Uran-Thorium-Bereich als homogene Tropfen aus Kernmaterie instabil sein.

Das erste der schalenstabilisierten superschweren Elemente, 107, dessen Eigenschaften, wie Fermi vorschlug, dem ecaring entsprechen sollten, wurde 1981, 47 Jahre nach dieser Vorhersage, in Darmstadt identifiziert.

Dann haben wir die Elemente 108 und 109 erhalten und identifiziert. Messungen ihrer Bindungsenergien zeigen, dass wir bereits in den Bereich der superschweren Elemente eingetreten sind. Wir untersuchen derzeit die Einschränkungen, die die Produktion noch schwererer Elemente verhindern.

Synthese schwerer Elemente bei Fusionsreaktionen erfordert, dass der Experimentator in der Lage ist, "den schmalen Grat zu gehen" zwischen den Bombardierungsmethoden, bei denen keine Fusion auftritt, und den Methoden, die zur Spaltung des Produktkerns führen, anstatt ihn in einem relativ stabilen Zustand zu belassen. Die Abnahme der Erwärmung des neu gebildeten Kerns ist der wichtigste Grund für den Übergang vom Beschuss schwerer Ziele mit relativ leichten Ionen zum Beschuss weniger massiver Ziele mit relativ schwereren Ionen (ein Übergang, der von Yu.Ts. Oganesyan und seinen Mitarbeitern initiiert wurde Kollegen vom Joint Institute for Nuclear Research in Dubna).

Wenn beispielsweise Blei-208 oder Wismut-209 mit Chrom-54 oder Eisen-58 verschmolzen wird, beträgt die Anregungsenergie eines neuen Kerns etwa 20 MeV. Gleichzeitig führt die Fusion schwerer Actinid-Targets (Californium-249, Berkelium-249 oder Curium-248) mit Kohlenstoff-12, Stickstoff-15 oder Sauerstoff-18 zu einer Anregungsenergie von etwa 45 MeV.

Ein aus leichten Ionen und Isactinid-Targets gebildeter Kern kühlt ab, indem er vier Neutronen emittiert. Im Gegensatz dazu kühlt ein aus Blei oder Wismut und schwereren Ionen gebildeter Kern ab und emittiert nur ein Neutron. Da die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kern durch Emission eines Neutrons abkühlt, nur wenige Prozent der Wahrscheinlichkeit seiner Spaltung beträgt, wird die Endausbeute an superschweren Kernen auf jeder Stufe der Neutronenemissionskaskade deutlich reduziert. Der Einzelneutronen-Relaxationsmechanismus ist viel besser geeignet für die Erhaltung eines neu gebildeten Kerns.

Leider hat die Kalte Fusion auch einen Nachteil: In diesem Fall verhindern die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen den beiden Kernen in größerem Maße deren Fusion. Wenn sich zwei Kerne nähern, wird ein Teil ihrer kinetischen Energie in Anregungsenergie des Zwischensystems kollidierender Kerne umgewandelt und kann daher nicht zur Überwindung der Fusionsbarriere verwendet werden, was wiederum die Wahrscheinlichkeit einer Fusion verringert. Bei einer kalten Fusion mit schwereren Ionen wird beim Annähern und Passieren der Fusionsbarriere mehr kinetische Energie umgesetzt und die Wahrscheinlichkeit, diese Barriere zu überwinden, ist geringer als bei Reaktionen zwischen leichten Ionen und den schwersten Targets.

Wenn die Anfangsenergie erhöht wird, um diese Verluste zu kompensieren, steigt die Anregungsenergie und die Anzahl der gebildeten Kerne nimmt ab. Dadurch zeigt nur das 106. Element die Vorteile des Cold-Fusion-Verfahrens.

Wir haben gezeigt, dass die maximalen Wirkungsquerschnitte für die Bildung schwerer Elemente in einem schmalen Energiebereich liegen, etwa 5 MeB über der Fusionsbarriere.

Während Die Theorie, superschwere Kerne zu erhalten, kann an sich sehr interessant sein, aber in der Praxis ist es eine viel schwierigere Aufgabe. Theoretische Berechnungen müssen mit dem Design von Beschleuniger und Target sowie der Entwicklung eines Detektorsystems kombiniert werden, das die Existenz eines superschweren Kerns sofort nach seiner Synthese nachweisen kann. Als die Idee, superschwere Elemente herzustellen, Ende der 1960er-Jahre die Fantasie von Physikern und Chemikern beflügelte, hatte in der BRD niemand Erfahrung mit Nukleosynthese. Für Anfänger in diesem Bereich wurden viele "Türen" geöffnet. Aus den früheren Experimenten in Berkeley und Dubna konnte viel gelernt werden, aber es war klar, dass durch das Kopieren dieser Studien keine weiteren Fortschritte erzielt werden konnten. Benötigt wurden ein Schwerionenbeschleuniger, schnelle Trennmethoden zur Isolierung neuer Elemente und eine geeignete Technik zu ihrer Identifizierung. Auch auf die Frage, welche Reaktionen zum Erfolg führen sollen, gab es keine Antwort.

1969 beschloss die Bundesregierung gemeinsam mit der hessischen Regierung, die Gründung eines neuen Instituts für Schwerionenforschung (Heavy Ion Research Society, Gays) in Darmstadt zu finanzieren. Der Universal Linear Accelerator (UNILAC), an dem schwule Experimente durchgeführt werden, wurde 1975 in Betrieb genommen.

UNILAC kann alle Ionen bis einschließlich Uran auf Energien beschleunigen, die die Coulomb-Barriere überschreiten. Dieser Aufbau war von Anfang an darauf ausgelegt, möglichst intensive Ionenstrahlen zu erzeugen. Es wurden besondere Anstrengungen unternommen, um sicherzustellen, dass die Ionenenergie reibungslos geändert und mit ausreichend guter Reproduzierbarkeit auf ein bestimmtes Niveau eingestellt werden kann. Ursprünglich wurde das Accelerator-Projekt von K. Schmelzer und seinen Mitarbeitern in Heidelberg entwickelt. Die Erfahrungen anderer wissenschaftlicher Gruppen wurden berücksichtigt: Die Ionenquellen waren eine Modifikation der in Dubna verwendeten Quellen zur Erzeugung hochgeladener Ionen, und das in Berkeley entwickelte Alvarez-System wurde im Hochfrequenzsystem eines Linearbeschleunigers verwendet.

Als UNILAC gebaut wurde, stellte sich vielen Wissenschaftlern die Frage: Wie nutzt man den Beschleuniger am besten? Welche Reaktionen und welche experimentellen Methoden sollen angewendet werden? In der Anfangszeit seines Bestehens wurde UNILAC zum Testen verschiedenster Ideen eingesetzt, aber die einzige Strategie, die sich als erfolgreich erwies, war die kalte Fusion in Kombination mit dem Transport von Rückstoßkernen (Fusionsprodukten).

Seit Entdeckung von Plutonium im Jahr 1941 wurden etwa 400 Tonnen dieses Elements synthetisiert, was 10 30 Atomen entspricht. Andererseits wurden nur wenige Atome des 109. Elements erhalten und identifiziert. Warum werden die schwersten Elemente in so verschwindend geringen Mengen gewonnen? Die Antwort lautet: Um Plutonium zu produzieren, bombardieren Tonnen von Neutronen Uran-238-Blöcke mit einer Dicke von einigen Zentimetern oder mehr, während bei UNILAC nur 100 Mikrogramm Eisen-58 beschleunigt werden, um ein Blei-208-Target mit einer Dicke von mehreren hundert Nanometern zu bombardieren. Darüber hinaus ist der Wirkungsquerschnitt der Neutroneneinfangreaktion, die Plutonium-239 produziert, etwa 10 Billionen Mal größer als der Wirkungsquerschnitt der Fusionsreaktion, die Element 109 produziert.

Schwierigkeiten, schwerere Elemente zu erhalten, sind nur ein Teil des Problems. Beim Synthetisieren zerfallen Elemente wie 109 so schnell, dass die Synthese mit dem Zerfall „nicht Schritt hält“. Die schwersten Elemente sind so kurzlebig, dass am Ende der Bestrahlung bereits alle gebildeten Atome zerfallen sind. Daher sollten diese Atome während ihrer Herstellung nachgewiesen und identifiziert werden.

Die Methoden zum Gewinnen und Nachweisen von Elementen bis 106 basierten hauptsächlich auf mechanischen Mitteln zum Transportieren der gebildeten Atome von der Reaktionszone zu den Detektoren. Die Transportzeit zwischen der Bildung und dem Nachweis von Reaktionsprodukten wurde durch die Geschwindigkeiten ihres Transfers im Gasstrom, die Zeit ihrer Diffusion von festen Oberflächen oder die Geschwindigkeit rotierender Targets bestimmt. Diese Methoden waren jedoch nicht gut genug, um Elemente schwerer als 106 nachzuweisen, was einen inakzeptablen Kompromiss zwischen Nachweisgeschwindigkeit und Genauigkeit erzwang, so dass es mit schnelleren Methoden nicht möglich war, neue Isotope zuverlässig zu identifizieren.

Um die resultierenden Kerne zu den Detektoren zu transportieren, wählten wir eine Technik, die auf der Nutzung der Rückstoßrate basiert, die die Reaktionsprodukte von schweren Ionen erhalten. Wenn ein schweres Ion mit einem Zielatom kollidiert und mit ihm verschmilzt, bewegt sich der resultierende Kern mit einer Geschwindigkeit von etwa einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit in die Richtung der ursprünglichen Bewegung des Ions. Dadurch können Kerne mit Halbwertszeiten bis zu 100 ns detektiert werden.

Obwohl die Technik des Transports von Rückstoßkernen es ermöglicht, sehr kurzlebige Kerne zu detektieren und zu identifizieren, wird die Detektionstechnik in diesem Fall komplizierter. Aus der Reaktionszone verlassen nicht nur einzelne bei der Fusionsreaktion entstandene Kerne, sondern auch Billionen schwerer Ionen sowie Tausende aus dem Target herausgeschlagene Atome mit hoher Geschwindigkeit die Reaktionszone. Um superschwere Kerne vom Reststrahl zu trennen, haben wir einen speziellen Geschwindigkeitsfilter gebaut – den gemeinsam mit Spezialisten des Zweiten Physikalischen Instituts der Universität Gießen entwickelten Separator for Heavy-Ion Reaction Products (SHIP). Basierend auf der Kinematik der Kollision und Fusion von Kernen kann die Rückstoßrate der Fusionsprodukte im Voraus berechnet werden. Daher können sie relativ direkt isoliert werden.

Der Geschwindigkeitsfilter besteht aus zwei Stufen, die jeweils sowohl elektrische als auch magnetische Felder umfassen. Diese beiden Felder lenken geladene Teilchen in entgegengesetzte Richtungen ab; nur für einen Kern mit einer bestimmten Geschwindigkeit schließt sich die Beeinflussung der Felder gegenseitig aus und er bewegt sich weiterhin in der Mittelebene des Aufbaus. Ein solcher Tandemfilter reduziert die Zahl der beschleunigten Ionen, die in den Detektionsbereich fallen, um den Faktor 100 Milliarden und die Zahl der ausgeknockten Zielkerne um den Faktor 1000. Unter Ausschluss fast aller unerwünschten Teilchen aus dem Strahl durchläuft das SHIP-Spektrometer mehr als 40.070 Fusionsprodukte. Hinter dem Spektrometer angeordnete Detektoren registrieren Zerfallsketten von Teilchen, die das Spektrometer passiert haben, was eine eindeutige Identifizierung der Fusionsprodukte ermöglicht.

Das erste Element des Detektionssystems ist das Flugzeitgerät, das es ermöglicht, die Teilchengeschwindigkeit zum dritten Mal zu messen (die ersten beiden Messungen basieren auf dem Prinzip des Geschwindigkeitsfilters). Nach dem Durchgang durch diese Vorrichtung wird das Teilchen in positionsempfindliche Silizium-Oberflächenbarrierendetektoren implantiert, die seine Energie und seinen Aufprallort registrieren. Da die Kombination aus Flugzeit und Energie es ermöglicht, die Masse des Teilchens näherungsweise zu bestimmen, ist es möglich, Fusionsprodukte von gestreuten Ionen und herausgeschlagenen Zielkernen zu unterscheiden.

Um einen Kern zuverlässig zu identifizieren, ist es dennoch notwendig, eine Korrelation zwischen seinem Zerfall und dem Zerfall seiner radioaktiven Folgeprodukte herzustellen. Die Zerfallsakte aufgrund desselben Kerns müssen dieselben Ortskoordinaten haben, und Art, Energie und Halbwertszeit der Tochterkerne sind aus früheren Messungen bekannt.

Durch die Feststellung solcher korrelierter Zerfallsereignisse ist es möglich, jeden Fusionsproduktkern eindeutig zu identifizieren. Obwohl ein zufälliger Kern, der denselben Punkt wie das untersuchte Fusionsprodukt trifft, zerfallen und ein räumlich korreliertes Signal erzeugen kann, ist es höchst unwahrscheinlich, dass seine Zerfallsenergie, Halbwertszeit und sein Zerfallstyp mit denen übereinstimmen, die für das Fusionsprodukt erwartet werden. Wir haben solche Zerfallsketten bis zur vierten Generation beobachtet; die Wahrscheinlichkeit, dass solche Serien korrelierter Ereignisse zufällig sind, reicht von 10–15 bis 10–18. Wenn korrelierte Ereignisse aufgrund des untersuchten Isotops einmal täglich beobachtet werden, dann kann das zufällige Auftreten von Ereignissen, die vier Generationen von Zerfallsereignissen simulieren, für einen Zeitraum erwartet werden, der 100-mal länger ist als das Alter der Erde. Infolgedessen kann sogar ein einzelnes Ereignis eindeutig auf die Existenz eines bestimmten superschweren Isotops hinweisen.

Zwischen 1981 und 1986 zusammen mit unseren Kollegen P. Hessberger, Z. Hofmann, M. Leino, W. Reisdorf und K.-H. Schmidt verwendeten wir UNILAC, SHIP und sein Nachweissystem für die Synthese und Identifizierung der Elemente 107 109. In diesen Experimenten wurden 14 Isotope der Elemente 104 109 synthetisiert (von denen fünf bereits bekannt waren) sowie zwei weitere Isotope der Elemente 107 und 108 mit den Massennummern 261 bzw. 264.

1981 erhielten wir ein Isotop des 107. Elements mit einer Massenzahl von 262, indem wir Wismut 209 mit Chrom-54-Ionen beschossen. Für das ungerade Isotop des Elements 107 (mit einer ungeraden Anzahl von Protonen und Neutronen) haben wir fünf Alpha-Teilchenenergien festgelegt, die eine Vorstellung von den Kernenergieniveaus geben; Wir können auch berichten, dass dieses Isotop ein Isomer (langlebiger angeregter Zustand) hat.

Element 109 wurde anhand der Beobachtung einer einzelnen Zerfallskette identifiziert, die am 29. August 1982 um 16:10 Uhr in einer Reaktion zwischen Eisen-58 und Wismut-209 aufgezeichnet wurde. Der Kern 266 109 existierte 5 ms lang, bevor er ein Alphateilchen mit einer Energie von 11,1 MeV aussendete; der resultierende Kern des 107. Elements zerfiel nach 22 ms in das 105. Element; Das 105. Element zerfiel in das 104. Element, gefolgt von 12,9 mit spontaner Kernspaltung. Aus diesem Einzelereignis war es möglich, wenn auch mit begrenzter Genauigkeit, die Zerfallsenergie, die Halbwertszeit und den Wirkungsquerschnitt zu bestimmen. Anfang 1988, sechs Jahre nach der Identifizierung des 100. Elements, wurden zwei weitere Zerfallsketten beobachtet. Sie bestätigten die Interpretation des 1982 aufgezeichneten Ereignisses.

1984 wir haben drei Zerfallsketten für das Isotop 265 108 in der Reaktion zwischen Eisen-58 und Blei-208 identifiziert. Die beiden identifizierten Isotope der Elemente 107 und 109 sind ungerade-ungerade und die Wahrscheinlichkeit ihrer Spaltung ist stark reduziert, das Isotop von Element 108 hat jedoch eine gerade Anzahl von Protonen und eine ungerade Anzahl von Neutronen. Obwohl gerade-ungerade Isotope viel wahrscheinlicher zur Spaltung neigen, unterliegt das Isotop 265108 auch einem Alpha-Zerfall.

Besonders interessant ist, dass keines der Isotope der Elemente 107-109 spontan spaltet und alle gerade-gerade Isotope 265 104, 260 106 und 264 108 ungefähr die gleiche Stabilität gegenüber spontaner Spaltung aufweisen.

Das annähernd konstante Stabilitätsniveau zeigt, wie die stabilisierenden Hülleneffekte mit dem allgemeinen Stabilitätsabfall konkurrieren, wenn die Masse der Kerne zunimmt.

Hinter dem 104. und 105 Elemente enthalten eine kleine "Insel" aus Kernen, die, wenn sie von Alpha-Partikeln emittiert werden, zerfallen, um bekannte Isotope leichterer Elemente zu bilden. Solche Alpha-Zerfälle ermöglichen es, die Bindungsenergie dieser superschweren Elemente zu bestimmen. Wenn die Bindungsenergie des Tochterkerns bekannt ist, kann in jedem Stadium die Alpha-Zerfallsenergie verwendet werden, um die Bindungsenergie des Mutterkerns zu berechnen. Wenn die Bindungsenergie des Endprodukts bekannt ist, kann die Kette von Alpha-Zerfallsereignissen zu den Bindungsenergien des anfänglichen Kerns der Kette führen. Da der Zerfall des 108. und 100. Elements (jeweils ein Ereignis) und des 106. Elements (nach mehreren Ereignissen) registriert wurde, lässt sich die Kette 264 108 260 106 256 104 252 102 rekonstruieren. Die Bindungsenergien dieser Kerne sind 120, 106 bzw. 94 MeV.

Die Schalenkorrektur zur Bindungsenergie steigt allmählich für alle Isotope von Uran-232 bis 264 108, die durch den Alpha-Zerfallsprozess gebunden werden; die entsprechenden Werte steigen von 1-2 auf 6-7 MeV. Tatsächlich haben alle Elemente von Uran bis Element 108 gleich hohe Spaltbarrieren – etwa 6 MeV. Im Gegensatz zu Uran, das immer noch als nuklearer Tropfen stabil ist, beruht die Stabilität der 100. und 108. Elemente vollständig auf der quantenmechanischen Struktur ihrer fermionischen Vielteilchensysteme. Neuere theoretische Arbeiten sagen Spaltbarrieren voraus, die mit unseren Messungen übereinstimmen.

Die Lebensdauer eines Elements relativ zur Teilung wird hauptsächlich durch die Höhe und Breite der Teilungsbarriere bestimmt. Schalenkorrekturen erhöhen die Lebensdauer des 106. und 108. Elements um 15 Größenordnungen. Auf einer logarithmischen Skala liegen die beobachteten Lebensdauern in der Mitte des Bereichs zwischen der nuklearen Eigenzeit (etwa 10–21 s für den Zerfall eines ungebundenen Nukleonensystems) und dem Alter des Universums (10 18 s). Neue Elemente sind nur im Vergleich mit der Dauer des menschlichen Lebens (2·10 9 s) instabil. Um auf dieser Skala stabil zu sein, müssen die Lebensdauern um 12 Größenordnungen zunehmen. Die Kernphysik basiert jedoch nicht auf der menschlichen Zeitskala.

von uns entdeckt Die „Insel“ aus radioaktiven Alpha-Isotopen ist eine direkte Folge ihrer Stabilisierung durch Schaleneffekte. So beginnt die Ende der 1960er Jahre vorhergesagte Stabilisierung kugelförmiger superschwerer Kerne in der Nähe von Element 114 viel früher als erwartet und nimmt allmählich zu. In einem schmalen Instabilitätsbereich hinter dem Blei, zwischen den Elementen 83 und 90, werden die Schaleneffekte abgeschwächt. Im Intervall zwischen dem 92. und 114. Element steigt der Wert der Schalenkorrektur jedoch langsam und monoton an.

Selbst in der Nähe der "Insel" superschwerer Kerne erfolgt die Stabilisierung aufgrund der quantenmechanischen Struktur von Fermionensystemen, während auf dem "Festland" die Stabilisierung der Kerne auf makroskopische Flüssigkeitstropfeneigenschaften zurückzuführen ist. Die Kerne der Elemente 107 109 befinden sich auf dem „Damm“ zwischen der „Insel“ und dem „Festland“, sodass neue Isotope sowohl der „Insel“ als auch dem „Festland“ zugeordnet werden können. Jedenfalls konnten sie wie superschwere Elemente nur aufgrund der Schalenstabilisierung ihrer Grundzustände beobachtet werden.

Aus den neuesten theoretischen Vorhersagen für Schalenkorrekturen zu Bindungsenergien folgt, dass es zwischen den Elementen 106 und 126 eine Region mit etwa 400 superschweren Kernen mit Spaltbarrieren über 4 MeV geben sollte. Alle diese Isotope müssen Halbwertszeiten von mehr als 1 µs haben; Wenn sie synthetisiert werden können, wird es möglich sein, sie mit bestehenden Methoden nachzuweisen. Besonders stabile Regionen werden in der Nähe der Isotope 273 109 und 291 115 angenommen. Bei einer Neutronenzahl von etwa 166 ändert sich die Deformation des Grundzustands. Isotope mit weniger Neutronen werden deformiert, während schwerere Isotope kugelförmig sind.

Während In den letzten 20 Jahren waren alle Versuche, Isotope in der Nähe des erwarteten Stabilitätszentrums – des Kerns 298 114 – zu erhalten, erfolglos. Diese superschweren Isotope wurden weder in Fusionsreaktionen noch in anderen Reaktionen mit Schwerionen nachgewiesen. Dennoch wurde die Hauptidee über die Möglichkeit der Existenz hüllenstabilisierter Nukleonensysteme, abgesehen von stabilen Kerntropfen, durch die oben beschriebenen Experimente bestätigt. Theoretisch gibt es allen Grund, an eine Extrapolation auf noch schwerere Elemente zu glauben.

Nun stellt sich eine interessante Frage: Was verhindert letztlich die Entstehung dieser „fragilen“ Objekte? Einige wichtige Klarstellungen sind aus unserer intensiven Erforschung von Fusionsreaktionen hervorgegangen. Ein schalenstabilisierter Kern, der im Grundzustand kugelförmig ist, kann bereits bei einer so niedrigen Anregungsenergie wie 15 MeV zerstört werden, dies wurde experimentell von K.-Kh. Schmidt im Jahr 1979, während deformierte Kerne bei Anregungsenergien bis zu 40 MeV erhalten bleiben können. Selbst bei der Reaktion zwischen Calcium-48 und Curium-248 (der geeignetsten verfügbaren Reaktion) beträgt die Anregungsenergie etwa 30 MeV. Daraus folgt, dass superschwere Elemente nur mit deformierten Kernen erhalten werden können. Bisher waren solche Versuche jedoch nur für Elemente mit Ordnungszahlen kleiner als 110 erfolgreich.

Wie bereits erwähnt, wird die Fusion zweier Kerne, die zur Bildung eines superschweren Kerns führt, von Anfang an durch die Notwendigkeit erschwert, die Fusionsbarriere zu überwinden. Für einen gegebenen Produktkern ist diese Barriere minimal, wenn die schwersten Ziele mit den leichtesten möglichen Ionen bombardiert werden. Trotz dieses Vorteils hat diese höchst asymmetrische Kombination den Nachteil, dass die Erwärmung des Produktkerns maximiert wird, was zu hohen Spaltungsverlusten während des Entregungsprozesses führt. Je weniger asymmetrisch die Kombination ist, desto geringer sind die Verluste während der Kühlphase. Der beste Kompromiss zwischen geringen Verlusten im Endstadium und hoher Bildungswahrscheinlichkeit im Anfangsstadium sind symmetrischere Kombinationen mit Zielkernen in der Nähe von Blei.

Die Verwendung von Blei und Wismut als Targets bringt den doppelten Vorteil des Schalenpunkteffekts in diesen Kernen: Die starke Bindung in diesen Kernen mit ihren doppelt geschlossenen Schalen führt zu einer Verringerung der auf das Kernprodukt übertragenen Energie um mehr als 10 MeV und eine entsprechende Verringerung der Verluste durch Spaltung. Außerdem steigt die Wahrscheinlichkeit, die Fusionsbarriere zu überwinden, wenn kugelförmige, hochgebundene und relativ starre Kerne in der Reaktion verwendet werden. Hier treten wieder starke Schaleneffekte im Blei auf, diesmal aber in der Dynamik des Prozesses.

Jetzt beginnen wir zu verstehen, warum es sehr schwierig sein wird, noch schwerere Elemente zu erhalten. Nur eine Kombination aus Schalenkorrekturen für geschlossenschalige Fusionspartner, Schaleneffekten in der Dynamik und erhöhter Stabilität angeregter deformierter superschwerer Kerne ermöglichte es uns, mehrere Isotope der leichtesten superschweren Elemente zu synthetisieren. Wir mussten die ursprüngliche Frage nach der Existenz schalenstabilisierter Kerne auf die Wirkung von Schalenkorrekturen in allen Stadien der Reaktion erweitern. Bei der Erstellung dieser komplexen und "fragilen" Objekte ist es besonders wichtig, eine bereits vorhandene Ordnung in den Zusammenführungsprozess einzuführen und unnötige Unordnung zu vermeiden.

Wie bekomme ich die folgenden superschweren Elemente? Für das 110. und 111. Element wird es möglich sein, die von uns entwickelten Methoden bei den Reaktionen zwischen Nickel-62 und Blei-208 bzw. Wismut-209 anzuwenden. Sobald diese Elemente gebildet sind, erfordert ihr Nachweis weniger grundlegend neues Wissen als die Bereitstellung eines angereicherten Isotops und Geduld, um zu lernen, wie man unsere Ausrüstung benutzt und mehrere Monate lang Experimente durchführt.