روی عناصر فوق سنگین عناصر شیمیایی فوق سنگین اکنون و در آینده

می توانید در اینجا نظر دهید یا .

شیکاگو، 17 فوریه. برای اولین بار، اندازه گیری جرم عنصری سنگین تر از اورانیوم ممکن شده است - روش جدید راه را برای "جزیره پایداری" عناصر فوق سنگین پایدار که مدت ها پیش پیش بینی شده بود، باز می کند که خارج از جدول تناوبی معمول قرار دارد.

هسته اورانیوم حاوی 92 پروتون است که سنگین ترین عنصر شناخته شده در طبیعت است. در شرایط مصنوعی، البته، سنگ‌های سنگین‌تر، تا 118 پروتون نیز ساخته شده‌اند. همه این "سنگین ها" بسیار کوتاه مدت هستند، آنها در عرض چند میلی ثانیه متلاشی می شوند.

اما در اواسط قرن بیستم، احتمال وجود عناصر فوق سنگین حاوی نسبت معینی از پروتون و نوترون و طول عمر بسیار طولانی‌تر - دهه‌ها یا حتی بیشتر، از نظر تئوری پیش‌بینی شد. از آن زمان، مسیر رسیدن به این «جزیره ثبات» به یکی از مهم ترین حوزه های فیزیک هسته ای تبدیل شده است. و نه از یک علاقه صرفاً آکادمیک. عناصر پایدار فوق سنگین می توانند به عنوان سوخت عالی برای موتورهای هسته ای ماموریت های فضایی آینده عمل کنند. طبق محاسبات آنها باید خواص شیمیایی و فیزیکی غیرمعمول و مفیدی نیز از خود نشان دهند.

با این حال، تا به حال، هیچ کس دقیقا نمی داند کجا باید به این جزیره برخورد کنیم. برخی از محاسبات نشان می دهد که در جایی در منطقه 114 پروتون در هر هسته متمرکز شده است، برخی دیگر - بین 120 تا 126 پروتون. محاسبات به دلیل این واقعیت که دانشمندان ایده دقیقی از اینکه چگونه نیروهای قوی و ضعیف در هسته‌های "بیش از حد جمعیت" چنین عناصری عمل می‌کنند و پروتون‌ها و نوترون‌های خود را در کنار هم نگه می‌دارند، ندارند، مانع انجام محاسبات می‌شوند. مختصر بودن وجود عناصر فوق سنگین به دست آمده در آزمایشگاه به فرد اجازه نمی دهد که داده های تجربی کافی را جمع آوری کند.

یک پیشرفت جدید در این زمینه نوید کار اخیر تیمی از دانشمندان آلمانی به رهبری مایکل بلاک را می دهد که موفق به یافتن راهی برای اندازه گیری مستقیم جرم ذرات سنگین تر از اورانیوم شدند. و از آنجایی که جرم و انرژی با فرمول معروف انیشتین E = mc2 به هم مرتبط هستند، تعیین جرم یک اتم اجازه می دهد (با در نظر گرفتن عوامل اضافی) نیروهایی را که ذرات موجود در هسته آن به یکدیگر متصل می شوند محاسبه کنند.

برای اندازه گیری جرم یک اتم، دانشمندان از دستگاهی به نام تله پنینگ استفاده کردند که در آن، به بیان ساده، یون ها توسط یک میدان الکترومغناطیسی در کنار هم نگه داشته می شوند. هدف اندازه گیری نوبلیم بود که هسته آن شامل 102 پروتون است - 10 بیشتر از اورانیوم. مانند سایر عناصر "مصنوعی"، از برخورد عناصر کمی سبکتر تولید می شود و بسیار کوتاه است (حداکثر 58 دقیقه). وظیفه اصلی که فیزیکدانان آلمانی موفق به حل آن شدند، یافتن راهی برای کاهش سرعت اتم ها قبل از افتادن در تله بود، که برای آن دانشمندان تصمیم گرفتند ابتدا آنها را از یک محفظه پر از هلیوم عبور دهند.

اکنون با داشتن روشی که امکان «وزن کردن» اتم های فوق سنگین با عمر کوتاه را فراهم می کند، آزمایشگران می توانند پارامترهای آنها را با دقت بیشتری تعیین کنند. و نظریه پردازان بر اساس این داده ها - بین مدل های رقیب که موقعیت "جزیره ثبات" را پیش بینی می کنند، انتخاب کنند.

این روش به شخص اجازه می دهد تا در امتداد جدول تناوبی بسیار بیشتر حرکت کند، اگرچه در عمل ممکن است استفاده از آن برای سنگین ترین عناصر به دست آمده چندان آسان نباشد. فقط به این دلیل که سنتز چنین غول هایی به خودی خود یک فرآیند بسیار دشوار است. اگر همان نوبلیوم را بتوان با کمک یک آزمایش آماده با فرکانس، به طور متوسط، 1 اتم در ثانیه به دست آورد، پس با عناصر سنگین تر، که هسته های آنها بیش از 104 پروتون دارند، همه چیز بسیار طولانی تر است. برای مثال، دریافت 1 اتم ممکن است یک هفته طول بکشد.

اما اگر همه چیز به خوبی پیش برود، دیر یا زود این روش به شما امکان می دهد تا متوجه ساکنان "جزیره ثبات" شوید. از آنجایی که چنین عناصر فوق سنگینی معمولاً توسط محصولات فروپاشی آنها شناسایی می شوند و عناصر پایدار دارای دوره زندگی بسیار طولانی هستند، روش های سنتی کار با اتم های سنگین برای این کار مناسب نیستند.

در انرژی یون های کریپتون در نزدیکی سد کولن، سه مورد از تشکیل عنصر 118 مشاهده شد. 293 118 هسته در یک آشکارساز سیلیکونی کاشته شدند و زنجیره ای از شش آلفا-واپاشی متوالی مشاهده شد که به ایزوتوپ 269 Sg ختم می شد. سطح مقطع برای تولید عنصر 118 ~2 پیکوبارن بود. نیمه عمر ایزوتوپ 293 118 120 میلی ثانیه است. روی انجیر شکل 3 زنجیره ای از واپاشی پی در پی ایزوتوپ 293 118 را نشان می دهد و نیمه عمر هسته های دختر تشکیل شده در نتیجه واپاشی α را نشان می دهد.

بر اساس مدل‌های نظری مختلف، ویژگی‌های فروپاشی هسته‌های فوق سنگین محاسبه شد. نتایج یکی از این محاسبات در شکل نشان داده شده است. 4. نیمه عمر هسته های فوق سنگین زوج و حتی با توجه به شکافت خود به خودی (a)، واپاشی α (b)، فروپاشی β (c) و برای تمام فرآیندهای فروپاشی ممکن (d) آورده شده است. پایدارترین هسته با توجه به شکافت خود به خودی (شکل 4a) هسته ای با Z = 114 و N = 184 است. نیمه عمر آن نسبت به شکافت خود به خود 10 16 سال است. برای ایزوتوپ های عنصر 114 که با پایدارترین ایزوتوپ ها 6-8 نوترون متفاوت است، نیمه عمر 10-15 مرتبه قدر کاهش می یابد. نیمه عمر با توجه به واپاشی α در شکل 1 نشان داده شده است. 4b. پایدارترین هسته در ناحیه Z قرار دارد< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.

هسته های پایدار با توجه به واپاشی β در شکل نشان داده شده است. 4c نقاط تاریک. روی انجیر 4d نیمه عمر کامل را نشان می دهد. برای هسته های یکنواخت واقع در داخل کانتور مرکزی، 10 5 سال است. بنابراین، پس از در نظر گرفتن همه انواع فروپاشی، معلوم می شود که هسته های مجاور Z = 110 و N = 184 "جزیره ثبات" را تشکیل می دهند. نیمه عمر هسته 294 110 حدود 109 سال است. تفاوت بین مقدار Z و عدد جادویی 114 پیش‌بینی‌شده توسط مدل پوسته به دلیل رقابت بین شکافت (در رابطه با اینکه هسته با Z = 114 پایدارتر است) و α-واپاشی (در رابطه با کدام هسته‌ها) است. Z کوچکتر پایدار هستند). برای هسته های زوج و فرد، نیمه عمر با توجه به واپاشی α و شکافت خود به خود افزایش می یابد و با توجه به واپاشی β کاهش می یابد. لازم به ذکر است که برآوردهای فوق به شدت به پارامترهای مورد استفاده در محاسبات بستگی دارد و تنها می تواند به عنوان نشانه ای از احتمال وجود هسته های فوق سنگین با طول عمر کافی برای تشخیص آزمایشی آنها در نظر گرفته شود.

نتایج یک محاسبه دیگر از شکل تعادل هسته های فوق سنگین و نیمه عمر آنها در شکل 1 نشان داده شده است. 5، 11.11. روی انجیر شکل 11.10 وابستگی انرژی تغییر شکل تعادل را به تعداد نوترون ها و پروتون ها برای هسته هایی با Z = 104-120 نشان می دهد. انرژی کرنش به عنوان تفاوت بین انرژی هسته ها در حالت تعادل و کروی تعریف می شود. از این داده ها می توان دریافت که مناطق Z = 114 و N = 184 باید حاوی هسته هایی باشند که در حالت پایه شکل کروی دارند. تمام هسته های فوق سنگین کشف شده تا به امروز (در شکل 5 توسط الماس های تیره نشان داده شده اند) تغییر شکل داده اند. الماس های سبک هسته هایی را نشان می دهند که نسبت به واپاشی β پایدار هستند. این هسته ها باید در نتیجه واپاشی α یا شکافت تجزیه شوند. کانال اصلی فروپاشی باید α-واپاشی باشد.

نیمه عمر ایزوتوپ های پایدار بتا حتی یکنواخت در شکل نشان داده شده است. 6. بر اساس این پیش‌بینی‌ها، انتظار می‌رود نیمه عمر بیشتر هسته‌ها بسیار طولانی‌تر از آن‌هایی باشد که برای هسته‌های فوق سنگین از قبل کشف شده (0.1-1 ms) مشاهده شده است. به عنوان مثال، برای هسته 292 110، عمر ~ 51 سال پیش بینی شده است.
بنابراین، طبق محاسبات میکروسکوپی مدرن، با نزدیک شدن به عدد جادویی نوترونی N = 184، پایداری هسته های فوق سنگین به شدت افزایش می یابد. عمر 0.24 میلی ثانیه ایزوتوپ سنگین تر 283 112 در واکنش همجوشی سرد 48 Ca + 238 U سنتز شد. زمان تابش 25 روز. تعداد کل 48 یون کلسیم روی هدف 3.5·10 18 است. دو مورد ثبت شد، که به عنوان شکافت خود به خود ایزوتوپ تشکیل شده 283 112 تفسیر شد. برای نیمه عمر این ایزوتوپ جدید، تخمین T 1/2 = 81 s به دست آمد. بنابراین مشاهده می شود که افزایش تعداد نوترون های ایزوتوپ 283112 نسبت به ایزوتوپ 277112 به میزان 6 واحد، طول عمر را 5 مرتبه قدر افزایش می دهد.

روی انجیر شکل 7 طول عمر اندازه‌گیری‌شده ایزوتوپ‌های Sg (Z = 106) در مقایسه با پیش‌بینی‌های مدل‌های نظری مختلف را نشان می‌دهد. قابل توجه است که طول عمر ایزوتوپ با N = 164 در مقایسه با طول عمر ایزوتوپ با N = 162 تقریباً یک مرتبه قدر کاهش می یابد.
نزدیکترین رویکرد به جزیره پایداری را می توان در واکنش 76 Ge + 208 Pb بدست آورد. یک هسته تقریبا کروی فوق سنگین می تواند در یک واکنش همجوشی و به دنبال آن گسیل گاما کوانتا یا یک نوترون تشکیل شود. بر اساس برآوردها، هسته 284 114 حاصل باید با انتشار ذرات α با نیمه عمر ~ 1 میلی ثانیه تجزیه شود. اطلاعات اضافی در مورد پر شدن پوسته در ناحیه N = 162 را می توان با مطالعه واپاشی α 271 108 و 267 106 هسته به دست آورد. نیمه عمر 1 دقیقه برای این هسته ها پیش بینی شده است. و 1 ساعت برای هسته های 263 106، 262 107، 205 108، 271.273 110، ایزومریسم انتظار می رود که علت آن پر شدن زیر پوسته ها با j = 1/2 و j = 13/2 در ناحیه N = 162 برای هسته های تغییر شکل یافته است. حالت اساسی.

روی انجیر شکل 8 توابع تحریک آزمایشی اندازه گیری شده برای تشکیل عناصر Rf (Z = 104) و Hs (Z = 108) را برای واکنش های همجوشی یون های 50 Ti و 56 Fe با هسته هدف 208 سرب نشان می دهد.
هسته مرکب حاصل با انتشار یک یا دو نوترون سرد می شود. اطلاعات در مورد توابع تحریک واکنش های همجوشی یون های سنگین به ویژه برای به دست آوردن هسته های فوق سنگین مهم است. در واکنش همجوشی یون های سنگین، لازم است که عمل نیروهای کولن و نیروهای کشش سطحی دقیقاً متعادل شود. اگر انرژی یون فرودی به اندازه کافی بزرگ نباشد، حداقل فاصله نزدیک برای ادغام سیستم هسته ای دوتایی کافی نخواهد بود. اگر انرژی ذره برخوردی بیش از حد زیاد باشد، سیستم حاصل از انرژی برانگیختگی بالایی برخوردار بوده و به احتمال زیاد به قطعات متلاشی می شود. ادغام به طور مؤثر در محدوده انرژی نسبتاً باریکی از ذرات در حال برخورد صورت می گیرد.

واکنش های همجوشی با انتشار حداقل تعداد نوترون (1-2) از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند، زیرا در هسته های فوق سنگین سنتز شده، داشتن بیشترین نسبت N/Z مطلوب است. روی انجیر شکل 9 پتانسیل همجوشی هسته ها را در واکنش نشان می دهد
64 Ni + 208 Pb 272 110. ساده ترین تخمین ها نشان می دهد که احتمال اثر تونلی برای همجوشی هسته ای ~ 10 -21 است که بسیار کمتر از سطح مقطع مشاهده شده است. این را می توان به شرح زیر توضیح داد. در فاصله 14 fm بین مراکز هسته، انرژی جنبشی اولیه 236.2 مگا ولت به طور کامل توسط پتانسیل کولن جبران می شود. در این فاصله فقط نوکلئون هایی که روی سطح هسته قرار دارند در تماس هستند. انرژی این نوکلئون ها کم است. بنابراین، احتمال زیادی وجود دارد که نوکلئون ها یا جفت نوکلئون ها مدارهای یک هسته را ترک کنند و به حالت های آزاد هسته شریک حرکت کنند. انتقال نوکلئون ها از هسته پرتابه به هسته هدف به ویژه زمانی جذاب است که ایزوتوپ سرب جادویی 208Pb به عنوان هدف استفاده شود. در 208 Pb، زیر پوسته پروتون h 11/2 و زیر پوسته نوترونی h 9/2 و i 13/2 پر شده است. در ابتدا، انتقال پروتون ها توسط نیروهای جاذبه پروتون-پروتون تحریک می شود و پس از پر شدن لایه زیرین h 9/2 - توسط نیروهای جاذبه پروتون-نوترون. به طور مشابه، نوترون‌ها به سمت زیر پوسته آزاد i 11/2 حرکت می‌کنند و توسط نوترون‌هایی از زیر پوسته i 13/2 که از قبل پر شده جذب می‌شوند. به دلیل انرژی جفت شدن و تکانه بزرگ مداری، احتمال انتقال یک جفت نوکلئون بیشتر از انتقال یک نوکلئون است. پس از انتقال دو پروتون از 64 Ni 208 Pb، سد کولن به میزان 14 مگا الکترون ولت کاهش می‌یابد که باعث افزایش تماس نزدیک‌تر بین یون‌های برهم‌کنش و ادامه فرآیند انتقال نوکلئون می‌شود.
در کار [V.V. ولکوف. واکنش‌های هسته‌ای انتقال غیرالاستیک عمیق M. Energoizdat، 1982; V.V. ولکوف. Izv. AN SSSR series fiz., 1986 v. 50 p. 1879] مکانیسم واکنش همجوشی را به تفصیل مورد مطالعه قرار داد. نشان داده شده است که در حال حاضر در مرحله گرفتن، یک سیستم هسته ای دوتایی پس از اتلاف کامل انرژی جنبشی ذره برخوردی تشکیل می شود و نوکلئون های یکی از هسته ها به تدریج پوسته به پوسته به هسته دیگر منتقل می شوند. یعنی ساختار پوسته هسته ها نقش بسزایی در تشکیل هسته مرکب دارد. بر اساس این مدل، می توان به خوبی انرژی برانگیختگی هسته های ترکیبی و مقطع تولید 102-112 عنصر را در واکنش های همجوشی سرد توصیف کرد.
در آزمایشگاه واکنش های هسته ای G.N. Flerov (Dubna)، عنصری با Z = 114 سنتز شد و از واکنش استفاده شد

شناسایی هسته 289 114 توسط زنجیره ای از واپاشی α انجام شد. برآورد تجربی نیمه عمر ایزوتوپ 289 114 ~ 30 ثانیه. نتیجه به دست آمده مطابقت خوبی با محاسبات قبلی دارد.
در سنتز عنصر 114 در واکنش 48 Cu + 244 Pu، حداکثر بازده توسط کانال با تبخیر سه نوترون به دست می آید. در این حالت، انرژی برانگیختگی هسته مرکب 289 114 برابر با 35 مگا ولت بود.
توالی پیش‌بینی‌شده تئوری فروپاشی که با هسته ۲۹۶ ۱۱۶ تشکیل شده در واکنش رخ می‌دهد در شکل ۱۰ نشان داده شده است.

برنج. 10. طرح فروپاشی هسته ای 296 116

هسته 296 116 با گسیل چهار نوترون سرد می شود و به ایزوتوپ 292 116 تبدیل می شود که سپس با احتمال 5 درصد در نتیجه دو بار e-capture پی در پی به ایزوتوپ 292 114 تبدیل می شود. - واپاشی (T 1/2 = 85 روز)، ایزوتوپ 292 114 به ایزوتوپ 288 112 تبدیل می شود. تشکیل ایزوتوپ 288 112 نیز از طریق کانال انجام می شود.

هسته نهایی 288 112 که در نتیجه هر دو زنجیره تشکیل شده است، نیمه عمری در حدود 1 ساعت دارد و در نتیجه شکافت خودبخودی تجزیه می شود. با احتمال تقریباً 10 درصد، واپاشی آلفا ایزوتوپ 288 114 می تواند منجر به تشکیل ایزوتوپ 284 112 شود. دوره های بالا و کانال های فروپاشی با محاسبه به دست آمد.
هنگام تجزیه و تحلیل احتمالات مختلف برای تشکیل عناصر فوق سنگین در واکنش با یون های سنگین، شرایط زیر باید در نظر گرفته شود.

1. ایجاد هسته ای با نسبت کافی از تعداد نوترون ها به تعداد پروتون ها ضروری است. بنابراین، یون های سنگین با N/Z بزرگ باید به عنوان ذره برخوردی انتخاب شوند.
2. لازم است که هسته ترکیبی حاصل از انرژی تحریک کم و مقدار کمی از تکانه زاویه ای برخوردار باشد، زیرا در غیر این صورت ارتفاع موثر مانع شکافت کاهش می یابد.
3. لازم است که هسته حاصل باید شکلی نزدیک به کروی داشته باشد، زیرا حتی یک تغییر شکل جزئی منجر به شکافت سریع هسته فوق سنگین می شود.

یک روش بسیار امیدوارکننده برای به دست آوردن هسته های فوق سنگین، واکنش هایی از نوع 238 U + 238 U، 238 U + 248 Cm، 238 U + 249 Cf، 238 U + 254 Es است. روی انجیر شکل 11 مقاطع تخمینی تشکیل عناصر ترانس اورانیوم را در تابش اهداف 248 سانتی متر، 249 Cf و 254 Es با یون های U238 شتاب یافته نشان می دهد. در این واکنش ها اولین نتایج در مورد سطوح مقطع برای تشکیل عناصر با Z> 100 قبلاً به دست آمده است و برای افزایش بازده واکنش های مورد مطالعه، ضخامت اهداف به گونه ای انتخاب شد که محصولات واکنش باقی بمانند. در هدف پس از تابش، عناصر شیمیایی جداگانه از هدف جدا شدند. در نمونه های به دست آمده، محصولات واپاشی α و قطعات شکافت برای چندین ماه ثبت شدند. داده‌های به‌دست‌آمده با استفاده از یون‌های اورانیوم تسریع‌شده به وضوح نشان‌دهنده افزایش بازده عناصر سنگین ترانس اورانیوم در مقایسه با یون‌های بمباران سبک‌تر است. این واقعیت برای حل مشکل سنتز هسته های فوق سنگین بسیار مهم است. با وجود مشکلات کار با اهداف مربوطه، پیش بینی ها برای حرکت به سمت Z بزرگ کاملاً خوش بینانه به نظر می رسد.

پیشرفت در زمینه هسته های فوق سنگین در سال های اخیر به طرز خیره کننده ای چشمگیر بوده است. با این حال، تا کنون تمام تلاش ها برای یافتن جزیره ای از ثبات ناموفق بوده است. جستجو برای یافتن او به شدت ادامه دارد.

هسته اتم سیستمی از نوکلئون ها است که از پروتون های Z و نوترون های N تشکیل شده است که توسط برهمکنش هسته ای محدود شده اند. انرژی اتصال هسته اتم در مدل قطره مایع با فرمول بته-وایزکر [3، 4] توصیف شده است. بسته به طول عمر و نسبت بین Z و N هسته های اتمی به دو دسته پایدار و رادیواکتیو تقسیم می شوند. پدیده رادیواکتیویته توسط A.A. کشف شد. بکرل در سال 1896، تشعشعات ناشناخته قبلی را که از نمک های اورانیوم ساطع می شد، کشف کرد.
در سال 1898، پیر و ماری کوری عناصر جدیدی به نام رادیوم Ra را جدا کردند ( Z = 88) و پولونیوم Po (Z = 84) که دارای خاصیت رادیواکتیویته هستند. E. رادرفورد در سال 1898 نشان داد که تابش اورانیوم دارای دو جزء است: ذرات α با بار مثبت (4 هسته He) و ذرات β با بار منفی (الکترون ها) [6، 9]. در سال 1900، P. Willard تابش γ اورانیوم را کشف کرد.
هسته های پایدار در به اصطلاح دره پایداری قرار دارند (شکل 1). نسبت N به Z در امتداد خط پایداری به عدد جرمی A = N + Z بستگی دارد:

N / Z \u003d 0.98 + 0.015A 2/3. (یک)

برنج . 1. NZ نمودار هسته اتم

در حال حاضر، حدود 3500 هسته اتمی شناخته شده است، تعداد هسته های پایدار حدود 300 است. در سمت چپ دره پایداری هسته های رادیواکتیو قرار دارند که در نتیجه فروپاشی β + و جذب e-capture فروپاشی می کنند. با دور شدن از دره پایداری به سمت هسته های مملو از پروتون، نیمه عمر آنها کاهش می یابد. مرز B p(N,Z) = 0 (B p(N,Z) − انرژی جداسازی پروتون در هسته (N,Z)) منطقه وجود هسته ها را در سمت چپ محدود می کند.
هنگام حرکت از دره پایداری به سمت هسته های مملو از نوترون، نیمه عمر هسته ها نیز کاهش می یابد. در سمت راست، ناحیه وجود هسته ها با رابطه В n (N, Z) = 0 (В n (N, Z) محدود می شود. − انرژی جداسازی نوترون در هسته (N, 2)). خارج از محدوده
B p (N,Z) = 0 و (B n (N,Z) = 0 هسته اتمی نمی تواند وجود داشته باشد، زیرا فروپاشی آنها در زمان مشخصه هسته ای رخ می دهدτ سم = 10 -22 ثانیه.
ناحیه هسته‌های دارای پروتون اضافی تقریباً تا مرز Bp (N, Z) بطور تجربی مورد مطالعه قرار گرفته است. = 0. در مورد هسته هایی با نوترون اضافی، پس (به استثنای هسته های سبک) ناحیه هسته های تجربی کشف شده کاملاً دور از مرز Bn (N, Z) قرار دارد. = 0. حدود 2500 تا 3000 هسته دیگر که برای ما ناشناخته است را می توان در این منطقه قرار داد.

دانشگاهیان G.N. فلروف:
ارزش اطلاعات به دست آمده از مطالعه ایزوتوپی که دور از منطقه پایداری قرار دارد بسیار بیشتر از آن چیزی است که با مطالعه ایزوتوپ های واقع در نزدیکی این منطقه می آموزیم. آی تی−یک رویکرد کلی روش شناختی که هم توسط فیزیکدانان و هم شیمیدانان استفاده می شود،
−بررسی خواص ماده در شرایط شدید وجود آن. ایزوتوپ های دور از منطقه (β پایداری، محدود کننده هستند به این معنا که در یک مورد، زمانی که پروتون های کمی وجود دارد و تعداد نوترون ها نسبتاً زیاد است، نقش اصلی را نیروهای هسته ای ایفا می کنند. در مورد دیگر، هنگامی که پروتون بیش از حد وجود دارد، نیروهای دافعه کولن نقش بسیار مهمی ایفا می کنند، تا جایی که فروپاشی رادیواکتیو هسته ها با انتشار پروتون ممکن می شود.
در این رابطه، علاقه ویژه ما به مطالعه هسته‌های عناصر فرااورانیوم، که در آن نیروهای کولن چنان قوی هستند که بر نیروهای جاذبه هسته‌ای غلبه می‌کنند، قابل درک می‌شود. سد بالقوه ای که هسته را به طور کلی در تعادل نگه می دارد تقریباً ناپدید می شود و به قطعات تقسیم می شود. در عین حال، اثرات هسته ای خاص مرتبط با ساختار داخلی هسته می تواند بسیار برجسته باشد. در این منطقه از عناصر بود که نوع جدیدی از ایزومریسم هسته ای کشف شد.−ایزومریسم شکل تعدادی از پدیده های جالب دیگر نیز در اینجا امکان پذیر است، به عنوان مثال، با حضور حداقل دوم در انرژی تغییر شکل هسته ای مرتبط است.

گزارش به کمیته سازماندهی کنفرانس یونسکو،
تقدیم به صدمین سالگرد ایجاد جدول تناوبی.

همچنین محدودیت هایی برای وجود هسته های اتمی از سمت عناصر فوق سنگین وجود دارد. عناصر با Z> 92 در شرایط طبیعی یافت نشد. محاسبات مبتنی بر مدل قطره مایع هسته، ناپدید شدن مانع شکافت را برای هسته‌هایی با Z2 /A ≈ 41 (تقریباً 104 عنصر) پیش‌بینی می‌کند. در مسئله وجود هسته های فوق سنگین باید دو دایره سوال را مشخص کرد.

• هسته های فوق سنگین چه ویژگی هایی باید داشته باشند؟ آیا اعداد جادویی در این ناحیه Z و N وجود خواهند داشت؟ کانال های اصلی فروپاشی و نیمه عمر هسته های فوق سنگین کدامند؟
• برای سنتز هسته های فوق سنگین، انواع هسته های بمباران، سطح مقطع مورد انتظار، انرژی های تحریک مورد انتظار هسته مرکب و کانال های حذف تحریک هسته های حاصل از چه واکنش هایی باید استفاده کرد؟

مشکل سنتز عناصر فوق سنگین ارتباط نزدیکی با این واقعیت دارد که هسته هایی با Z، N = 2، 8، 20، 28، 50، 82، N = 126 (اعداد جادویی) پایداری را نسبت به انواع مختلف واپاشی رادیواکتیو افزایش داده اند. این پدیده در چارچوب مدل پوسته هسته ای توضیح داده می شود - اعداد جادویی با پوسته های هسته ای پر شده مطابقت دارند [12، 13]. طبیعتا این سوال در مورد وجود اعداد جادویی زیر در Z و N مطرح می شود. در صورت وجود آنها در منطقه NZ - نمودارهای هسته اتمی N > 150، Z > 101، هسته های فوق سنگین با افزایش نیمه عمر باید مشاهده شوند، یعنی. باید جزیره ثبات وجود داشته باشد. کاربرد روش

الف لوین

در راه جزیره ثبات

دانشمندان هفت دهه است که در آخرین نسخه از صنایع شیمیایی مشغول بوده اند و در آن موفقیت های زیادی کسب کرده اند: فهرست عناصر مصنوعی رسمی شناخته شده، که نام آنها به طور رسمی توسط اتحادیه بین المللی شیمی خالص و کاربردی (IUPAC) تایید شده است، شامل 19 عنصر است. موقعیت ها

این با عنصر 93 جدول تناوبی که از سال 1940 شناخته شده است - نپتونیوم - آغاز می شود و با 111 - رونتژنیوم پایان می یابد که اولین بار در سال 1994 ساخته شد. در سال 1996 و 1998 عناصری با شماره های 112 و 114 دریافت شدند. آنها هنوز نام نهایی را به دست نیاورده اند و موارد موقتی که تا تصمیم دفتر IUPAC به آنها اختصاص داده شده وحشتناک به نظر می رسد - ununbium و ununquadium. در سال 2004، گزارش‌هایی مبنی بر ترکیب عناصر 113 و 115 منتشر شد که تاکنون نام‌هایی به همان اندازه غیرقابل تلفظ دارند. با این حال، آنها منطق خاص خود را دارند، آنها به سادگی شماره سریال عناصر هستند که با استفاده از نام های لاتین اعداد تک رقمی رمزگذاری شده اند. به عنوان مثال، ununbium مخفف "یک-یک-دو" است.

در پاییز گذشته، مطبوعات جهانی با گزارش هایی مبنی بر دریافت کاملاً قابل اعتماد عنصر فوق سنگین دیگر، 118، احاطه شدند. قابلیت اطمینان این نتایج به هیچ وجه تصادفی نبود. واقعیت این است که برای اولین بار چنین اعلامیه هایی خیلی زودتر - در ژوئن 1999 - ظاهر شد. با این حال، بعداً، کارکنان آزمایشگاه آمریکایی لیورمور به نام لارنس که درخواستی برای این کشف ارائه کردند، مجبور شدند آن را رد کنند. معلوم شد که داده هایی که بر اساس آن ساخته شده است توسط یکی از آزمایشگران، ویکتور نینوف بلغاری ساخته شده است. در سال 2002، این امر باعث رسوایی قابل توجهی شد. در همان سال، دانشمندان لیورمور به رهبری کنتون مودی، همراه با همکاران روسی از موسسه مشترک تحقیقات هسته‌ای در دوبنا، به ریاست یوری اوگانسیان، این تلاش‌ها را با استفاده از زنجیره متفاوتی از واکنش‌های هسته‌ای از سر گرفتند. آزمایش‌ها تنها سه سال بعد به پایان رسید و اکنون به سنتز تضمینی عنصر 118 منجر شده است - البته به مقدار فقط سه هسته. این نتایج در مقاله ای با بیست امضای روسی و ده آمریکایی ارائه شده است که در 9 اکتبر 2006 در مجله Physical Review توسط S.

در مورد روش های بدست آوردن عناصر مصنوعی فوق سنگین و در مورد کار مشترک گروه Oganesyan و Moody بعدا صحبت خواهیم کرد. در این میان، بیایید سعی کنیم به یک سوال نه چندان ساده لوحانه پاسخ دهیم: چرا فیزیکدانان و شیمیدانان هسته ای اینقدر مداوم عناصر جدید را با اعداد سه رقمی در سیستم تناوبی ترکیب می کنند؟ این کارها به تجهیزات پیچیده و گران قیمت و سالها تحقیق فشرده نیاز دارد - و نتیجه چیست؟ هسته های عجیب و غریب ناپایدار کاملاً بی فایده، که علاوه بر این، می توانند روی انگشتان دست شمارش کنند. البته، متخصصان به مطالعه هر یک از این هسته ها صرفاً به دلیل منحصر به فرد بودن و تازگی آن برای علم علاقه مند هستند - مثلاً برای مطالعه واپاشی های رادیواکتیو، سطوح انرژی و شکل هندسی آن. برای چنین اکتشافاتی، گاهی اوقات آنها جوایز نوبل می دهند، اما هنوز - آیا بازی ارزش شمع را دارد؟ این مطالعات، اگر نه فناوری، حداقل علوم بنیادی چه چیزی را نوید می دهند؟

یک فیزیک کمی ابتدایی
اول از همه، یادآوری می کنیم که هسته همه عناصر بدون استثنا، به جز هیدروژن، از ذرات دو نوع تشکیل شده است - پروتون های با بار مثبت و نوترون هایی که بار الکتریکی ندارند (هسته هیدروژن یک پروتون منفرد است). بنابراین همه هسته ها دارای بار مثبت هستند و بار یک هسته با تعداد پروتون های آن تعیین می شود. همین عدد تعداد عنصر را در سیستم تناوبی مشخص می کند. در نگاه اول، این شرایط ممکن است عجیب به نظر برسد. خالق این سیستم، D.I. Mendeleev، عناصر را بر اساس وزن اتمی و خواص شیمیایی آنها سفارش داد، و سپس علم اصلاً به هسته اتم مشکوک نشد (به هر حال، در سال 1869، زمانی که قانون تناوبی خود را کشف کرد، تنها 63 عناصر شناخته شده بودند). اکنون می دانیم (و دیمیتری ایوانوویچ وقت نداشت که بفهمد) که خواص شیمیایی به ساختار ابر الکترونی اطراف هسته اتم بستگی دارد. همانطور که می دانید بارهای پروتون و الکترون از نظر قدر مطلق برابر و از نظر علامت مخالف هستند. از آنجایی که اتم به عنوان یک کل از نظر الکتریکی خنثی است، تعداد الکترون ها دقیقاً برابر با تعداد پروتون ها است - این اتصال مورد نظر و کشف شده است. تناوب خواص شیمیایی با این واقعیت توضیح داده می شود که ابر الکترونی از "لایه" - پوسته های جداگانه تشکیل شده است. فعل و انفعالات شیمیایی بین اتم ها در درجه اول توسط الکترون های پوسته بیرونی ایجاد می شود. همانطور که هر پوسته جدید پر می شود، خواص شیمیایی عناصر به دست آمده یک سری صاف را تشکیل می دهند، و سپس ظرفیت پوسته به پایان می رسد، و پوسته بعدی شروع به پر شدن می کند - از این رو تناوب. اما اینجا داریم وارد طبیعت وحشی فیزیک اتمی می‌شویم، و امروز برای ما جالب نیست، ما وقت داریم در مورد هسته‌ها صحبت کنیم.

هسته های اتمی معمولا "نوکلید" نامیده می شوند، از هسته لاتین - هسته. از این رو نام رایج پروتون ها و نوترون ها - "نوکلئون ها" است. هسته هایی با تعداد پروتون یکسان، اما متفاوت - نوترون ها از نظر جرم متفاوت هستند، اما "لباس" الکترونیکی آنها کاملاً ماری کوری یکسان است. این بدان معنی است که اتم هایی که فقط در تعداد نوترون ها با یکدیگر متفاوت هستند، از نظر شیمیایی قابل تشخیص نیستند و باید انواع یک عنصر را در نظر گرفت. چنین عناصری ایزوتوپ نامیده می شوند (این نام در سال 1910 توسط رادیو شیمیدان انگلیسی فردریک سودی پیشنهاد شد که آن را از کلمات یونانی isos - برابر، یکسان و topos - مکان گرفته است). ایزوتوپ ها معمولاً با نام یا نماد شیمیایی عنصر و به دنبال آن تعداد کل نوکلئون های هسته ای مشخص می شوند (این شاخص "عدد جرمی" نامیده می شود).

همه عناصر طبیعی دارای ایزوتوپ های متعدد هستند. بیایید بگوییم که هیدروژن، علاوه بر نسخه اصلی یک پروتون، دارای یک سنگین - دوتریوم و یک فوق سنگین - تریتیوم است (از نظر تاریخی، ایزوتوپ های هیدروژن نام های خاص خود را دارند). هسته دوتریوم از یک پروتون و یک نوترون، تریتیوم - از یک پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. عنصر دوم جدول تناوبی، هلیم، دارای دو ایزوتوپ طبیعی است: هلیوم-3 بسیار کمیاب (دو پروتون، یک نوترون) و هلیوم-4 بسیار رایج تر (دو پروتون و دو نوترون). عناصر با منشاء صرفاً آزمایشگاهی نیز معمولاً در انواع مختلف ایزوتوپی سنتز می شوند.

همه هسته های اتم پایدار نیستند. برخی از آنها می توانند به طور خود به خود ذرات ساطع کرده و به هسته های دیگر تبدیل شوند. این پدیده در سال 1896 توسط فیزیکدان فرانسوی Antoine Henri Becquerel کشف شد که کشف کرد اورانیوم تشعشعات نافذی منتشر می کند که برای علم ناشناخته است. دو سال بعد، فردریک کوری و همسرش ماری، انتشار مشابهی از توریم را شناسایی کردند و سپس دو عنصر ناپایدار را که هنوز در جدول تناوبی گنجانده نشده بودند، کشف کردند - رادیوم و پولونیوم. ماری کوری این پدیده را که از دیدگاه علم آن زمان مرموز بود، رادیواکتیویته نامید. در سال 1899، ارنست رادرفورد انگلیسی کشف کرد که اورانیوم دو نوع تشعشع از خود ساطع می کند که آنها را پرتوهای آلفا و بتا نامید. یک سال بعد، فرانسوی پل ویلارد متوجه تشعشعات نوع سوم در اورانیوم شد که همان رادرفورد آن را با حرف سوم الفبای یونانی - گاما مشخص کرد. بعدها دانشمندان انواع دیگری از رادیواکتیویته را کشف کردند.

هر دو تابش آلفا و گاما در نتیجه بازآرایی های داخلی هسته به وجود می آیند. پرتوهای آلفا به سادگی جریان‌هایی از هسته‌های ایزوتوپ اصلی هلیوم، هلیوم-4 هستند. هنگامی که یک هسته رادیواکتیو یک ذره آلفا ساطع می کند، عدد جرمی آن 4 و بار آن 2 کاهش می یابد. در نتیجه، عنصر در جدول تناوبی دو سلول به سمت چپ منتقل می شود. واپاشی آلفا در واقع یک مورد خاص از یک خانواده کامل از فروپاشی است که در نتیجه آن هسته دوباره مرتب می شود و نوکلئون ها یا گروه هایی از نوکلئون ها را از دست می دهد. واپاشی هایی وجود دارد که در آن هسته یک پروتون، یا یک نوترون منفرد، یا حتی گروهی از نوکلئون های پرجرم تر از یک ذره آلفا ساطع می کند (به این گروه ها "خوشه های سنگین" می گویند). اما پرتوهای گاما غیر مادی هستند - اینها کوانتومهای الکترومغناطیسی با انرژی بسیار بالا هستند. بنابراین واپاشی گامای خالص، به بیان دقیق، اصلاً رادیواکتیویته نیست، زیرا پس از آن، هسته ای با همان تعداد پروتون و نوترون، فقط در حالتی با انرژی کاهش یافته باقی می ماند.

رادیواکتیویته بتا توسط دگرگونی های هسته ای از نوع کاملاً متفاوت ایجاد می شود. ذراتی که رادرفورد آن‌ها را پرتوهای بتا می‌نامید، صرفاً الکترون‌ها بودند، که خیلی سریع مشخص شدند. تنها در سال 1934 بود که انریکو فرمی حدس زد که الکترون‌های بتا نتیجه بازآرایی‌های درون هسته‌ای نیستند، بلکه حاصل تبدیل‌های متقابل نوکلئون‌ها هستند. رادیواکتیویته بتا هسته اورانیوم با این واقعیت توضیح داده می شود که یکی از نوترون های آن به پروتون و الکترون تبدیل می شود. نوع متفاوتی از رادیواکتیویته بتا وجود دارد: یک پروتون به یک پوزیترون و یک نوترون تبدیل می شود (خواننده متوجه خواهد شد که در هر دو تبدیل بار الکتریکی کل حفظ می شود). در حین فروپاشی بتا، ذرات خنثی فوق سبک و فوق العاده نافذ - نوترینوها نیز ساطع می شوند (به طور دقیق تر، فروپاشی بتا پوزیترون منجر به تولد خود نوترینو و الکترونیکی - ضد نوترینو می شود). با واپاشی بتا الکترونیکی، بار هسته یک بار افزایش می یابد، البته با واپاشی پوزیترون به همان میزان کاهش می یابد.

برای درک کامل تر از پوسیدگی بتا، باید حتی عمیق تر کاوش کنید. پروتون ها و نوترون ها فقط تا اواسط دهه 1960 ذرات واقعاً بنیادی در نظر گرفته می شدند. اکنون با اطمینان می دانیم که هر دوی آنها از سه قلو کوارک تشکیل شده اند - ذرات بسیار کم جرمی که بارهای مثبت یا منفی را حمل می کنند. بار کوارک منفی برابر با یک سوم بار الکترون و کوارک مثبت برابر با دو سوم بار پروتون است. کوارک ها به دلیل تبادل ذرات بدون جرم خاص - گلوئون ها - به یکدیگر لحیم شده اند و به سادگی در حالت آزاد وجود ندارند. بنابراین واپاشی های بتا در واقع تبدیل کوارک ها هستند.

نوکلئون های داخل هسته دوباره توسط نیروهای مبادله ای به هم متصل می شوند که حامل آن ها ذرات دیگر، پیون ها هستند (قبلاً آنها را پی مزون می نامیدند). این پیوندها به اندازه پیوند گلوئونی کوارک ها قوی نیستند، به همین دلیل است که هسته ها می توانند تجزیه شوند. نیروهای درون هسته ای به وجود یا عدم وجود بار بستگی ندارند (از این رو، همه هسته ها به یک شکل با یکدیگر واکنش می دهند) و برد بسیار کوتاهی دارند، تقریباً 1.4x10-15 متر. اندازه هسته های اتم به تعداد نوکلئون ها بستگی دارد، اما به طور کلی ترتیب یکسانی دارد. فرض کنید شعاع سنگین‌ترین هسته طبیعی، اورانیوم-238، 7.4x10-15 متر است، برای هسته‌های سبک‌تر، این شعاع کوچک‌تر است.

فیزیک جدی تر است
ما برنامه آموزشی هسته ای را کنار گذاشته ایم، بیایید به چیزهای جالب تر برویم. برای شروع، در اینجا چند واقعیت وجود دارد که توضیح آنها راه را برای درک مکانیسم های مختلف سنتز نوکلید باز می کند.

واقعیت 1.
اولین 92 عنصر سیستم تناوبی در زمین کشف شد - از هیدروژن تا اورانیوم (اگرچه هلیم برای اولین بار از خطوط طیفی در خورشید کشف شد، و تکنسیم، استاتین، پرومتیم و فرانسیم به طور مصنوعی به دست آمد، اما بعداً همه آنها در زمین کشف شدند. موضوع). همه عناصر با تعداد زیاد به طور مصنوعی به دست آمده اند.آنها معمولاً ترانس اورانیوم نامیده می شوند که در سیستم تناوبی در سمت راست اورانیوم قرار دارند.

واقعیت 3.
نسبت بین تعداد پروتون ها و نوترون های درون هسته ای به هیچ وجه دلخواه نیست. در هسته های سبک پایدار، تعداد آنها یکسان یا تقریباً یکسان است - مثلاً برای لیتیوم 3:3، برای کربن 6:6، برای کلسیم 20:20. اما با افزایش عدد اتمی، تعداد نوترون‌ها سریع‌تر رشد می‌کند و در سنگین‌ترین هسته‌ها حدود 1.5 برابر از تعداد پروتون‌ها بیشتر می‌شود. به عنوان مثال، هسته یک ایزوتوپ پایدار بیسموت از 83 پروتون و 126 نوترون تشکیل شده است (13 ایزوتوپ ناپایدار دیگر وجود دارد که تعداد نوترون ها از 119 تا 132 متغیر است). در اورانیوم و ترانس اورانیوم، نسبت بین نوترون و پروتون به 1.6 نزدیک می شود.

واقعیت 2.
همه عناصر دارای ایزوتوپ های ناپایدار هستند، چه به طور طبیعی و چه مصنوعی. به عنوان مثال، دوتریوم پایدار است، اما تریتیوم دچار واپاشی بتا می شود (به هر حال، در حال حاضر حدود دو هزار هسته رادیواکتیو شناخته شده است که بسیاری از آنها در فناوری های مختلف استفاده می شوند و بنابراین در مقیاس صنعتی تولید می شوند.) اما فقط 83 عنصر اول جداول تناوبی ایزوتوپ های پایدار دارند - از هیدروژن تا بیسموت. 9 عنصر طبیعی سنگین: پلونیوم، استاتین، رادون، فرانسیوم، رادیوم، اکتینیم، توریم، پروتاکتینیم و اورانیوم در تمام انواع ایزوتوپی خود رادیواکتیو هستند. بدون استثنا، همه ترانس ها نیز ناپایدار هستند.

چگونه این الگو را توضیح دهیم؟ چرا هیچ هسته کربنی مثلاً با 16 نوترون وجود ندارد (این عنصر دارای 13 ایزوتوپ با تعداد نوترون های 2 تا 14 است، اما علاوه بر ایزوتوپ اصلی کربن-12، فقط کربن-13 پایدار است)؟ چرا همه هسته های با بیش از 83 پروتون ناپایدار هستند؟

نقشه ثبات هسته ای

جرم اتمی از بالای نقشه به پایین افزایش می یابد. تعداد پروتون ها به سمت گوشه پایین سمت راست افزایش می یابد، تعداد نوترون ها به سمت چپ پایین افزایش می یابد. پایین ترین بلوک قرمز عنصر 112 است.

در کتاب های درسی فیزیک هسته ای می توانید نمودار بسیار بصری پیدا کنید که به آن نقشه ایزوتوپ یا دره پایداری هسته ای می گویند. تعداد نوترون ها در امتداد محور افقی و تعداد پروتون ها در امتداد محور عمودی آن ترسیم می شود. هر ایزوتوپ مربوط به یک نقطه خاص است، مثلاً ایزوتوپ اصلی هلیوم - یک نقطه با مختصات (2،2). این نمودار به وضوح نشان می دهد که تمام ایزوتوپ های واقعا موجود در یک نوار نسبتاً باریک متمرکز شده اند. در ابتدا شیب آن به محور آبسیسا تقریباً 45 درجه است سپس مقداری کاهش می یابد. ایزوتوپ های پایدار در مرکز باند و در طرفین - مستعد پوسیدگی هستند.

اینجاست که ابهام به وجود می آید. واضح است که هسته ها نمی توانند به تنهایی از پروتون تشکیل شوند - آنها توسط نیروهای دافعه الکتریکی از هم جدا می شوند. اما به نظر می رسد که نوترون ها فاصله بین پروتون ها را افزایش می دهند و در نتیجه این دافعه را ضعیف می کنند. و نیروهای هسته ای که نوکلئون ها را در هسته متحد می کنند، همانطور که قبلاً ذکر شد، بر روی پروتون ها و نوترون ها یکسان عمل می کنند. به نظر می رسد که هر چه نوترون در هسته بیشتر باشد، پایدارتر است. و اگر اینطور نیست، پس چرا؟

در اینجا توضیح "روی انگشتان" است. ماده هسته ای از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کند. نوکلئون‌های هر دو نوع دارای یک اسپین نیمه صحیح هستند، و بنابراین، مانند سایر ذرات (فرمیون‌ها)، از اصل پائولی پیروی می‌کنند، که فرمیون‌های یکسان را از اشغال یک حالت کوانتومی منع می‌کند. این بدان معنی است که تعداد فرمیونهای یک نوع معین در یک حالت خاص را می توان فقط با دو عدد - 0 (حالت اشغال نشده) و 1 (حالت کامل است) بیان کرد.

در مکانیک کوانتومی، بر خلاف مکانیک کلاسیک، همه حالات گسسته هستند. هسته از هم نمی پاشد زیرا نوکلئون های موجود در آن توسط نیروهای هسته ای به هم کشیده می شوند. این را می توان با چنین تصویری به صورت بصری نشان داد - ذرات در چاه می نشینند و نمی توانند از آنجا بیرون بپرند. فیزیکدانان نیز از این مدل استفاده می کنند و چاه را چاه بالقوه می نامند. پروتون ها و نوترون ها یکسان نیستند، بنابراین در دو گودال قرار می گیرند، نه در یک گودال. هم در پروتون و هم در چاه نوترون مجموعه ای از سطوح انرژی وجود دارد که می تواند توسط ذراتی که در آن افتاده اند اشغال شود. عمق هر گودال به میانگین نیروی متقابل بین اسیرهای آن بستگی دارد.

حال به یاد داشته باشید که پروتون ها یکدیگر را دفع می کنند، اما نوترون ها نه. در نتیجه، پروتون‌ها ضعیف‌تر از نوترون‌ها لحیم می‌شوند، بنابراین چاه پتانسیل آنها به این عمق نیست. برای هسته های سبک، این تفاوت کم است، اما با افزایش بار هسته ای افزایش می یابد. اما انرژی بالاترین سطوح غیر خالی در هر دو چاه باید مطابقت داشته باشد. اگر سطح نوترون پر شده بالایی بالاتر از سطح پروتون بالایی بود، هسته می‌توانست انرژی کل خود را کاهش دهد و نوترون را که آن را اشغال می‌کند مجبور به واپاشی بتا و تبدیل به پروتون کند. و به محض اینکه چنین تبدیلی از نظر انرژی مطلوب باشد، در طول زمان اتفاق می افتد، هسته ناپایدار خواهد بود. اگر هر پروتون جرأت کند از مقیاس انرژی خود فراتر رود، همان پایان اتفاق می افتد.

در اینجا ما یک توضیح داریم. اگر چاه‌های پروتون و نوترون تقریباً عمق یکسانی داشته باشند که برای هسته‌های سبک معمول است، تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز تقریباً یکسان است. با حرکت در امتداد جدول تناوبی، تعداد پروتون ها افزایش می یابد و عمق چاه پتانسیل آنها بیشتر و بیشتر از عمق چاه نوترونی عقب می ماند. بنابراین، هسته های سنگین باید دارای نوترون بیشتری نسبت به پروتون باشند. اما اگر این تفاوت به طور مصنوعی بیش از حد بزرگ شود (مثلاً با بمباران هسته با نوترون‌های آهسته که آن را به قطعات تجزیه نمی‌کنند، بلکه به سادگی می‌چسبند)، سطح نوترون به طور قابل توجهی از سطح پروتون بالاتر می‌رود و هسته فروپاشی می‌کند. . این طرح، البته، بسیار ساده است، اما در اصل درست است.

بیایید جلوتر برویم. از آنجایی که با افزایش عدد اتمی، نوترون‌ها بیش از پروتون‌ها افزایش می‌یابد که پایداری هسته‌ها را کاهش می‌دهد، همه هسته‌های سنگین باید رادیواکتیو باشند. در واقع این مورد است، ما واقعیت 2 خود را تکرار نمی کنیم. علاوه بر این، به نظر می رسد که ما درست فرض می کنیم که هسته های سنگین تر کمتر و کمتر پایدار می شوند، به عبارت دیگر، امید به زندگی آنها دائما کاهش می یابد. این نتیجه گیری کاملاً منطقی به نظر می رسد، اما اشتباه است.

جزیره ارزشمند
بیایید با این واقعیت شروع کنیم که طرحی که در بالا توضیح داده شد چیز زیادی را در نظر نمی گیرد. به عنوان مثال، به اصطلاح اثر جفت شدن نوکلئون وجود دارد. این شامل این واقعیت است که دو پروتون یا دو نوترون می توانند وارد یک اتحاد نزدیک شوند و یک حالت نیمه خودکار در داخل هسته با تکانه زاویه ای صفر تشکیل دهند. اعضای چنین جفتی به شدت جذب یکدیگر می شوند که باعث افزایش پایداری کل هسته می شود. به همین دلیل است که با وجود مساوی سایر چیزها، هسته هایی با تعداد پروتون و نوترون زوج بیشترین ثبات را نشان می دهند و کوچکترین آنها را با تعداد فرد نشان می دهند. پایداری هسته ها همچنین به تعدادی از شرایط دیگر بستگی دارد که خیلی خاص هستند که در اینجا مورد بحث قرار نمی گیرند.

اما نکته اصلی حتی این نیست. هسته فقط یک تجمع همگن از نوکلئون ها نیست، حتی اگر آنها جفت شوند. آزمایش های متعدد مدت هاست که فیزیکدانان را متقاعد کرده است که هسته به احتمال زیاد ساختار لایه ای دارد. طبق این مدل، پوسته‌های پروتون و نوترون در داخل هسته‌ها وجود دارند که تا حدودی شبیه به لایه‌های الکترونی اتم‌ها هستند. هسته هایی با پوسته های کاملا پر شده به ویژه در برابر دگرگونی های خود به خود مقاوم هستند. به تعداد نوترون ها و پروتون های مربوط به پوسته های کاملاً پر شده اعداد جادویی می گویند. برخی از این اعداد به طور قابل اعتماد به صورت تجربی تعیین شده اند، مانند 2، 8 و 20.

و اینجا جالب ترین شروع می شود. مدل‌های شل امکان محاسبه اعداد جادویی هسته‌های فوق‌سنگین را فراهم می‌کنند - البته بدون تضمین کامل. در هر صورت، دلایل زیادی وجود دارد که انتظار داشته باشیم عدد نوترون 184 جادویی باشد. اعداد پروتون 114، 120 و 126 می توانند با آن مطابقت داشته باشند، و دومی، دوباره، باید جادویی باشد. بنابراین، می توان فرض کرد که ایزوتوپ های عناصر 114، 120 و 126 که هر کدام حاوی 184 نوترون هستند، بسیار طولانی تر از همسایگان خود زندگی خواهند کرد. امیدهای ویژه ای به آخرین ایزوتوپ بسته شده است، زیرا معلوم می شود که دو برابر جادویی است. با توجه به نامگذاری مورد بحث در بخش اول، باید آن را unbihexium-310 نامید.

بنابراین، می‌توان امیدوار بود که هنوز هسته‌های فوق سنگین کشف‌نشده وجود داشته باشند که حداقل بر اساس استانداردهای محیط نزدیک خود، مدت بسیار طولانی زندگی می‌کنند. فیزیکدانان این خانواده فرضی را «جزیره ثبات» می نامند. فرضیه وجود آن اولین بار توسط فیزیکدان هسته ای برجسته آمریکایی (یا اگر بخواهید شیمیدان هسته ای) گلن سیبورگ، برنده جایزه نوبل در سال 1951 بیان شد. او رهبر یا عضو اصلی تیم هایی بود که هر نه عنصر را از 94 (پلوتونیوم) تا 102 (نوبلیوم) و همچنین عنصر 106 را که به نام او seaborgium نامگذاری شد، ایجاد کردند.
اکنون می توانید به سوالی که بخش اول پایان می یابد پاسخ دهید. سنتز عناصر فوق سنگین، از جمله چیزهای دیگر، فیزیکدانان هسته ای را گام به گام به جام مقدس خود - جزیره ثبات هسته ای - نزدیک می کند. هیچ کس نمی تواند با اطمینان بگوید که آیا این هدف قابل دستیابی است یا خیر، اما کشف این جزیره آرزو موفقیت بزرگی برای علم خواهد بود.

عنصر 114 قبلاً ایجاد شده است - این ununquadium است. اکنون در پنج نسخه ایزوتوپی با تعداد نوترون های 171 تا 175 سنتز شده است. همانطور که می بینید، تا 184 نوترون هنوز خیلی دور است. با این حال، پایدارترین ایزوتوپ‌های ununquadium نیمه عمری کمتر از 3 ثانیه دارند. برای عنصر 113، این رقم حدود نیم ثانیه است، برای 115 - کمتر از یک دهم. این اطمینان بخش است.

شتاب دهنده U-400 در موسسه مشترک تحقیقات هسته ای (دوبنا)

که بر روی آن عنصر 118 به دست آمد

سنتز 118
تمام عناصر مصنوعی از 93 تا 100 | ابتدا [با تابش هسته ها | نوترون یا هسته دوتریوم] (دوترون). این همیشه در آزمایشگاه اتفاق نمی افتد. عناصر 99 و 100 - انیشتینیوم و فرمیوم - برای اولین بار در طی تجزیه و تحلیل رادیوشیمیایی نمونه‌های ماده جمع‌آوری‌شده در منطقه مرجانی اقیانوس آرام انیوتوک شناسایی شدند، جایی که در 1 نوامبر 1952، آمریکایی‌ها بار حرارتی ده مگاتونی "مایک" را منفجر کردند. ". پوسته آن از اورانیوم 238 ساخته شده بود. در طول انفجار، هسته‌های اورانیوم توانستند تا پانزده نوترون را جذب کنند و سپس تحت زنجیره‌های واپاشی بتا قرار گرفتند که در نهایت منجر به تشکیل ایزوتوپ‌های این دو عنصر شد. به هر حال، برخی از آنها مدت زیادی زندگی می کنند - به عنوان مثال، نیمه عمر انیشتینیوم-254 480 روز است.

عناصر ترانسفرمیوم با اعداد بیشتر از 100 با بمباران هسته‌های عظیم اما نه خیلی سریع در حال تجزیه با یون‌های سنگین که در شتاب‌دهنده‌های ویژه شتاب می‌شوند، سنتز می‌شوند. از جمله بهترین ماشین‌های جهان از این دست می‌توان به سیکلوترون‌های U-400 و U-400M متعلق به آزمایشگاه واکنش‌های هسته‌ای Flerov در موسسه مشترک تحقیقات هسته‌ای اشاره کرد. بر روی شتاب دهنده U-400 بود که عنصر 118، ununoctium، سنتز شد. در جدول تناوبی دقیقاً زیر رادون قرار دارد و بنابراین باید یک گاز نجیب باشد.
با این حال، هنوز خیلی زود است که در مورد مطالعه خواص شیمیایی ununoctium صحبت کنیم. در سال 2002، تنها یک هسته از ایزوتوپ آن با وزن اتمی 294 (118 پروتون، 176 نوترون) و در سال 2005 دو هسته دیگر به دست آمد. آنها عمر زیادی نداشتند - حدود یک میلی ثانیه. آنها با بمباران یک هدف کالیفرنیوم-249 با یون های کلسیم-48 تسریع شده ساخته شدند. تعداد کل "گلوله" کلسیم 2x1019 بود! بنابراین عملکرد ژنراتور ununoctium بسیار پایین است. با این حال، این یک وضعیت معمولی است. اما نتایج اعلام شده کاملا قابل اعتماد در نظر گرفته می شود، احتمال خطا از یک هزارم درصد تجاوز نمی کند.

هسته‌های Ununoctium تحت یک سری واپاشی آلفا قرار گرفتند و متوالی به ایزوتوپ‌های عناصر ۱۱۶، ۱۱۴ و ۱۱۲ تبدیل شدند. آخرین آنونبیوم که قبلاً ذکر شد، برای مدت بسیار کوتاهی زندگی می کند و به قطعات سنگین تقریباً یکسان تقسیم می شود.

تا اینجا تمام ماجرا همین است. در سال 2007، همین آزمایش‌کنندگان امیدوارند با بمباران یک هدف پلوتونیوم با یون‌های آهن، هسته‌های عنصر 120 را تولید کنند. حمله به جزیره ثبات ادامه دارد.

چه جدید در علم و فناوری، شماره 1، 2007

پیتر آرمبرستر، گوتفرید مونزربرگ

اثرات مکانیکی کوانتومی ظریف، هسته هایی را که بسیار سنگین تر از هسته های موجود در طبیعت هستند، تثبیت می کند. آزمايشگران بايد در مورد چگونگي بهترين سنتز چنين عناصر فوق سنگيني فكر مي كردند.

در حیندر طول 20 سال گذشته، در بسیاری از کشورهای جهان، مشکل به دست آوردن عناصر فوق سنگین توجه فیزیکدانان را به خود جلب کرده است. در دارمشتات، در مؤسسه تحقیقات یون های سنگین (HSI)، ما با سنتز هسته های عناصر 107، 108 و 109 به پیشرفت هایی دست یافته ایم. برای بدست آوردن و شناسایی عناصر سنگین .

اندازه‌گیری‌های تجربی جرم هسته‌ها و تحلیل‌های نظری نشان می‌دهد که پایداری این عناصر جدید در درجه اول به دلیل ریزساختار سیستم‌های پروتون و نوترون آنها است و نه به دلیل ویژگی‌های ماکروسکوپی که پایداری هسته‌های سبک‌تر را تعیین می‌کند. با این حال، ما با مشکلاتی روبرو شده ایم که هنوز دستیابی به اهداف تعیین شده در اواخر دهه 60 را دشوار می کند، زمانی که عناصر تا 114 در دسترس به نظر می رسید. با غلبه بر این مشکلات، ما در مطالعه ساختار هسته ای و دینامیک واکنش های همجوشی هسته ای پیشرفت کرده ایم.

سنتز هسته ای از روزهای اولیه که عناصری که در طبیعت وجود ندارند در رآکتورهای هسته ای ساخته می شدند، راه زیادی را پیموده است. فیزیکدانان از یون‌های شتاب‌دار سنگین‌تر برای بمباران اتم‌های هدف استفاده کردند. آخرین مرحله در این توسعه، روش "همجوشی سرد" هسته ها بود که در آن جرم ذرات و انرژی بمباران باید به دقت تعیین شود تا تحریک هسته های تازه تشکیل شده حداقل باشد.

در طول کار ما، تقریباً تمام ایده‌های اولیه در مورد سنتز عناصر فوق‌سنگین باید تجدید نظر می‌شد: هسته‌های عناصری که می‌توان سنتز کرد، تغییر شکل داده شده، آنسفری هستند، همانطور که در سال 1966 فرض شد. برای همجوشی، ما از پایدار و گسترده استفاده کردیم. در طبیعت، هسته‌های کروی و یون‌های شتاب‌دار به‌جای سنگین‌ترین هسته‌های مصنوعی و یون‌های شتاب‌دار نور انتخاب شده، جرم متوسطی دارند، همانطور که قبلاً فرض شد. همجوشی باید در کمترین انرژی ممکن بمباران انجام شود - تا حد امکان "نرم"، بدون استفاده از "نیروی بی رحم" به شکل انرژی متقابل اضافی، که، همانطور که قبلاً تصور می شد، به فرآیند همجوشی کمک می کند.

ایده سنتزعناصر ترانس اورانیوم (با عدد اتمی بیش از 92) در دهه 30 به وجود آمدند. در سال 1934، انریکو فرمی تالیم را با نوترون های کند بمباران کرد تا پس از واپاشی بتا (تجزیه یک نوترون به پروتون و الکترون) سرب به دست آورد. در نتیجه جذب نوترون و متعاقب آن واپاشی بتا، عناصری با اعداد اتمی یک بالاتر از عناصر اولیه تشکیل شدند.

بین سال‌های 1940 تا اواسط دهه 1950، عناصر 93، 94، 99 و 100 توسط تابش نوترون تولید شدند. تصادفی نیست که فرمیوم، عنصر 100، آخرین عنصر از یک سری عناصری بود که می‌توان با جذب نوترون و بتا به دست آورد. واپاشی، پیشنهاد شده توسط فرمی: هیچ یک از ایزوتوپ های آن دچار واپاشی بتا نمی شوند. در همین دوره، عناصر 95 تا 98 و 101 با تابش با ذرات آلفا به دست آمدند. در این فرآیند، هسته سنگین دو پروتون و دو نوترون را جذب می کند. در این حالت عدد اتمی به طور همزمان دو واحد افزایش می یابد. مانند همه عناصر سنگین، عناصر ترانس اورانیوم حاوی نوترون بیشتری نسبت به پروتون هستند. به عنوان مثال، پلوتونیوم (عنصر 94) حاوی 145 نوترون برای جرم کل 239 است. طولانی ترین ایزوتوپ فرمیوم دارای 157 نوترون برای مجموع جرم 257 است.

راه طبیعی برای به دست آوردن عناصر بالای 100، ادغام هسته سنگین ترین عناصر با هسته عناصر سبک حاوی پروتون و نوترون بیشتر از هلیوم در نظر گرفته شد. عناصر تا 99 در دسترس هستند زیرا می توانند در مقادیر ماکروسکوپی سنگین سنتز شوند. در برکلی (ایالات متحده آمریکا) و دوبنا (اتحادیه اتحاد جماهیر شوروی)، شتاب‌دهنده‌هایی برای تولید یون‌های سنگین با انرژی کافی برای غلبه بر نیروهای الکترواستاتیکی که از همجوشی هسته‌ها جلوگیری می‌کنند ساخته شدند. بین سالهای 1958 و 1974 این شتاب‌دهنده‌های یونی سنگین سنتز عناصر 102 تا 106 را ممکن کردند. اولویت کشف این عناصر و در نتیجه حق نام‌گذاری آنها هنوز محل بحث است.

روش‌هایی که در برکلی و دوبنا با موفقیت به کار رفتند برای به دست آوردن عناصر سنگین‌تر از 100 ناکارآمد بودند. برای درک اینکه چرا سنتز عناصر فوق سنگین بسیار دشوار است و چرا برخی از آنها می توانند به ویژه پایدار باشند، لازم است بدانیم که چگونه هسته ها در کنار هم قرار می گیرند یا از هم جدا می شوند و چگونه تعادل نیروهای مختلف وجود دارد. که ثبات آنها را تعیین می کند، با افزایش جرم تغییر می کند. اثراتی که می توان برای هسته های سبک تر نادیده گرفت، تفاوت بین ناپایداری کامل و طول عمر نسبتاً طولانی هسته های فوق سنگین را تعیین می کند.

رابطه بین نیروهای هسته ای قوی که هم پروتون ها و هم نوترون ها را جذب می کنند و هم نیروهای الکترواستاتیکی که پروتون ها را دفع می کنند برای همه هسته ها مهم است. هر چه هسته‌ها سنگین‌تر باشند، نوترون‌های بیشتری در آن‌ها وجود دارد که تا حدودی تأثیر نیروهای دافعه بین پروتون‌ها را جبران می‌کند. با این حال، قدرت اتصال بین نوکلئون ها در آهن به اوج خود می رسد (26 پروتون و 30 نوترون)، که مربوط به کمتر از یک چهارم مسیر در امتداد جدول تناوبی است، و سپس کاهش می یابد.

شکافت هر هسته ای سنگین تر از آهن باید با آزاد شدن انرژی همراه باشد، اما انرژی مورد نیاز برای شکافت هسته های کم جرم تر از سرب به قدری زیاد است که چنین واکنشی را فقط در شرایط خاص می توان انجام داد. از آنجایی که هسته‌ها از سرب سنگین‌تر هستند و می‌توانند با انتشار حتی بخش کوچکی از نوکلئون‌ها پایدارتر شوند، ناپایدار هستند. ایزوتوپ های طبیعی توریم و اورانیوم عمدتاً با انتشار ذرات آلفا تجزیه می شوند. فقط در اورانیوم و عناصر سنگین تر، هسته های تحریک نشده می توانند شکافت خود به خودی را تجربه کنند.

اساساً با افزایش عدد اتمی (تعداد پروتون های هسته) ناپایداری هسته های اتمی افزایش می یابد: نیمه عمر آنها از چند هزار سال به میلیونیم ثانیه کاهش می یابد. با این حال، از تئوری ساختار هسته نتیجه می گیرد که عناصری که فقط کمی سنگین تر از آنچه تاکنون به دست آمده اند، نه کمتر، بلکه پایدارتر خواهند بود.

هسته‌هایی با ترکیبات خاصی از نوترون‌ها و پروتون‌ها دارای انرژی‌های اتصال بالا هستند. هلیوم-4، اکسیژن-16، کلسیم-40، کلسیم-48 و سرب-208 در مقایسه با عناصر همسایه بسیار پایدار هستند. این مقادیر بزرگ به دلیل ساختار پوسته است - معادل هسته ای پوسته هایی که الکترون ها در اطراف هسته قرار دارند. پیکربندی های نوکلئونی که پوسته های کاملاً پر شده (بسته) را تشکیل می دهند، به ویژه پایدار هستند. برای سرب، ساختار پوسته به افزایش انرژی اتصال هسته به میزان 11 میلیون الکترون ولت (MeV) در مقایسه با یک افت هسته ای فرضی، بدون ساختار و داشتن تعداد مشابه نوترون و پروتون کمک می کند. برای بیشتر هسته هایی با انرژی های اتصال تا 2 میلیارد eV، چنین افزایشی نسبتاً ناچیز است. با این حال، برای سنگین ترین عناصر، که در مرز پایداری قرار دارند، "تثبیت پوسته" می تواند به تفاوت بین پوسیدگی آنی و وجود نسبتا طولانی هسته ها منجر شود.

هسته هایی با پوسته های بسته نوترونی و پروتونی به ویژه پایدار هستند. پس از سرب، چنین پوسته هایی با 114 پروتون و 184 نوترون ظاهر می شوند. موفقیت تئوری پوسته در پیش‌بینی انرژی‌های اتصال برای هسته‌های سبک، این امید را ایجاد کرد که هسته‌هایی با جرم نزدیک به 298 می‌توانند به شدت تثبیت شوند که مانند اورانیوم و توریم، منطقه‌ای از عناصر نسبتاً پایدار را تشکیل دهند. چنین عناصر فوق سنگین تثبیت شده با پوسته، برخلاف عناصر موجود در منطقه اورانیوم-توریم، باید مانند قطرات همگن ماده هسته ای ناپایدار باشند.

اولین عنصر از عناصر فوق سنگین تثبیت شده با پوسته، 107، که خواص آن، همانطور که فرمی پیشنهاد کرد، باید با ecaring مطابقت داشته باشد، در سال 1981، 47 سال پس از این پیش بینی، در دارمشتات شناسایی شد.

سپس عناصر 108 و 109 را به دست آورده و شناسایی کردیم. اندازه گیری انرژی های اتصال آنها نشان می دهد که ما قبلاً وارد منطقه عناصر فوق سنگین شده ایم. ما در حال حاضر در حال بررسی محدودیت هایی هستیم که مانع از تولید عناصر سنگین تر می شود.

سنتز عناصر سنگیندر واکنش‌های همجوشی، آزمایشگر باید بتواند بین آن روش‌های بمباران که در آن‌ها همجوشی رخ نمی‌دهد، و آن روش‌هایی که منجر به شکافت هسته محصول می‌شوند، به جای اینکه آن را در یک حالت نسبتاً پایدار بگذارد، «از خط باریک» عبور کند. کاهش گرمایش هسته تازه تشکیل شده مهمترین دلیل انتقال از بمباران اهداف سنگین با یون های نسبتا سبک به بمباران اهداف کم جرم با یون های نسبتا سنگین تر است (انتقال توسط یو.تس. اوگانسیان و او آغاز شد. همکاران از موسسه مشترک تحقیقات هسته ای در دوبنا).

به عنوان مثال، هنگامی که سرب-208 یا بیسموت-209 با کروم-54 یا آهن-58 ذوب می شود، انرژی برانگیختگی یک هسته جدید حدود 20 مگا ولت است. در همان زمان، ادغام اهداف سنگین اکتینید (کالیفرنیوم-249، برکلیوم-249 یا کوریم-248) با کربن-12، نیتروژن-15 یا اکسیژن-18 منجر به انرژی تحریکی در حدود 45 مگا ولت می شود.

هسته ای که با استفاده از یون های نور و اهداف ایزاکتینید تشکیل شده است با انتشار چهار نوترون خنک می شود. در مقابل، هسته‌ای که از سرب یا بیسموت و یون‌های سنگین‌تر تشکیل شده، خنک می‌شود و تنها یک نوترون ساطع می‌کند. از آنجایی که احتمال سرد شدن یک هسته با انتشار یک نوترون تنها چند درصد از احتمال شکافت آن است، بازده نهایی هسته های فوق سنگین به طور قابل توجهی در هر مرحله از آبشار انتشار نوترون کاهش می یابد. مکانیسم آرام سازی تک نوترونی برای حفاظت از یک هسته تازه تشکیل شده بسیار مناسب تر است.

متأسفانه، همجوشی سرد یک عیب نیز دارد: در این حالت، نیروهای دافعه الکترواستاتیکی بین دو هسته به میزان بیشتری از همجوشی آنها جلوگیری می کند. هنگامی که دو هسته نزدیک می شوند، مقداری از انرژی جنبشی آنها به انرژی تحریک سیستم میانی هسته های در حال برخورد تبدیل می شود و بنابراین نمی توان از آن برای غلبه بر مانع همجوشی استفاده کرد که به نوبه خود احتمال همجوشی را کاهش می دهد. در مورد همجوشی سرد با استفاده از یون های سنگین تر، انرژی جنبشی بیشتری در فرآیند نزدیک شدن و عبور از سد همجوشی تبدیل می شود و احتمال غلبه بر این مانع در مقایسه با واکنش های بین یون های سبک و سنگین ترین اهداف کاهش می یابد.

اگر انرژی اولیه برای جبران این تلفات افزایش یابد، انرژی تحریک افزایش یافته و تعداد هسته های تشکیل شده کاهش می یابد. در نتیجه، تنها عنصر 106 مزایای روش همجوشی سرد را نشان می دهد.

ما نشان دادیم که حداکثر سطح مقطع برای تشکیل عناصر سنگین در یک محدوده انرژی باریک، حدود 5 مگابایت بالاتر از مانع همجوشی است.

در حالی کهتئوری به دست آوردن هسته های فوق سنگین به خودی خود می تواند بسیار جالب باشد، اما در عمل کار بسیار دشوارتری است. محاسبات نظری باید با طراحی شتاب دهنده و هدف و همچنین توسعه یک سیستم آشکارساز که بتواند وجود یک هسته فوق سنگین را به محض سنتز شدن تشخیص دهد، ترکیب شود. هنگامی که ایده تولید عناصر فوق سنگین تصور فیزیکدانان و شیمیدانان را در پایان دهه 1960 به خود جلب کرد، هیچ کس در FRG هیچ تجربه ای در سنتز هسته نداشت. درهای زیادی برای مبتدیان در این زمینه گشوده شده است. از آزمایش‌های قبلی در برکلی و دوبنا چیزهای زیادی می‌توان آموخت، اما واضح بود که با کپی کردن این مطالعات، پیشرفت بیشتری حاصل نمی‌شود. یک شتاب دهنده یون سنگین، روش های جداسازی سریع برای جداسازی عناصر جدید و تکنیک مناسب برای شناسایی آنها مورد نیاز بود. همچنین پاسخی به این سوال که چه نوع واکنش هایی باید منجر به موفقیت شود وجود نداشت.

در سال 1969، دولت آلمان، همراه با دولت ایالتی هسن، تصمیم گرفتند برای تأسیس یک مؤسسه جدید برای تحقیقات یون های سنگین (انجمن تحقیقات یون های سنگین، همجنس گرایان) در دارمشتات بودجه مالی کنند. شتاب‌دهنده خطی جهانی (UNILAC)، که آزمایش‌های همجنس‌گرایان روی آن انجام می‌شود، در سال 1975 شروع به کار کرد.

UNILAC می‌تواند تمام یون‌ها را از جمله اورانیوم به انرژی‌های فراتر از سد کولن شتاب دهد. از همان ابتدا، این تنظیمات برای تولید شدیدترین پرتوهای یونی ممکن طراحی شده بود. تلاش‌های ویژه‌ای انجام شد تا اطمینان حاصل شود که انرژی یونی می‌تواند به آرامی تغییر کند و در سطح معینی با قابلیت تکرارپذیری کافی تنظیم شود. در ابتدا، پروژه شتاب دهنده توسط K. Schmelzer و همکارانش در هایدلبرگ توسعه یافت. تجربیات به‌دست‌آمده توسط سایر گروه‌های علمی در نظر گرفته شد: منابع یونی اصلاحی از منابع مورد استفاده در دوبنا برای تولید یون‌های با بار بالا بودند و سیستم آلوارز توسعه‌یافته در برکلی در سیستم فرکانس بالا یک شتاب‌دهنده خطی استفاده شد.

هنگامی که UNILAC ساخته شد، این سوال برای بسیاری از دانشمندان مطرح شد: بهترین راه برای استفاده از شتاب دهنده چیست؟ از چه واکنش ها و چه روش های تجربی باید استفاده کرد؟ در دوره اولیه وجود خود، UNILAC برای آزمایش طیف گسترده ای از ایده ها مورد استفاده قرار گرفت، اما تنها استراتژی که موفقیت آمیز بود، همجوشی سرد همراه با حمل و نقل هسته های پس زدگی (محصولات همجوشی) بود.

از آنجا کهبا کشف پلوتونیوم در سال 1941، حدود 400 تن از این عنصر سنتز شد که مربوط به 1030 اتم است. از سوی دیگر، تنها چند اتم از عنصر 109 به دست آمد و شناسایی شد. چرا سنگین ترین عناصر در مقادیر بسیار کم به دست می آیند؟ پاسخ این است: برای تولید پلوتونیوم، تن‌ها نوترون بلوک‌های اورانیوم-238 با ضخامت چند سانتی‌متر یا بیشتر را بمباران می‌کنند، در حالی که در UNILAC تنها 100 میکروگرم آهن-58 برای بمباران هدف سرب-208 با ضخامت چند صد نانومتر شتاب می‌گیرد. علاوه بر این، سطح مقطع واکنش جذب نوترون که پلوتونیوم 239 تولید می کند، حدود 10 تریلیون برابر بزرگتر از سطح مقطع واکنش همجوشی است که عنصر 109 را تولید می کند.

مشکلات در به دست آوردن عناصر سنگین تر تنها بخشی از مشکل است. در حال سنتز، عناصری مانند 109 آنقدر سریع تحلیل می‌روند که سنتز با پوسیدگی مطابقت ندارد. عمر سنگین‌ترین عناصر آنقدر کوتاه است که در پایان تابش، تمام اتم‌های تشکیل‌شده قبلاً تجزیه شده‌اند. بنابراین، این اتم ها باید در حین تولید آنها شناسایی و شناسایی شوند.

روش های بدست آوردن و تشخیص عناصر تا 106 عمدتاً مبتنی بر وسایل مکانیکی برای انتقال اتم های تشکیل شده از ناحیه واکنش به آشکارسازها بود. زمان انتقال بین تشکیل و تشخیص محصولات واکنش با نرخ انتقال آنها در جریان گاز، زمان انتشار آنها از سطوح جامد یا سرعت اهداف در حال چرخش تعیین شد. با این حال، این روش‌ها برای تشخیص عناصر سنگین‌تر از 106 به اندازه کافی خوب نبودند، و باعث ایجاد یک مبادله غیرقابل قبول بین سرعت و دقت تشخیص شد، به طوری که با استفاده از روش‌های سریع‌تر، امکان شناسایی مطمئن ایزوتوپ‌های جدید وجود نداشت.

برای انتقال هسته‌های حاصل به آشکارسازها، تکنیکی را بر اساس استفاده از نرخ پس‌زدگی که محصولات واکنش از یون‌های سنگین بدست می‌آورند، انتخاب کردیم. هنگامی که یک یون سنگین با یک اتم هدف برخورد می کند و با آن ذوب می شود، هسته حاصل در جهت حرکت اصلی یون با سرعتی حدود چند درصد سرعت نور حرکت می کند. در نتیجه، هسته هایی با نیمه عمر تا 100 ns قابل شناسایی هستند.

اگرچه تکنیک حمل و نقل هسته‌های پس‌کش تشخیص و شناسایی هسته‌های بسیار کوتاه مدت را ممکن می‌سازد، تکنیک تشخیص در این مورد پیچیده‌تر می‌شود. از ناحیه واکنش، نه تنها هسته‌های منفرد تشکیل شده در واکنش همجوشی، بلکه تریلیون‌ها یون سنگین و همچنین هزاران اتم که از هدف خارج شده‌اند، منطقه واکنش را با سرعت بالا ترک می‌کنند. برای جدا کردن هسته های فوق سنگین از پرتو باقیمانده، ما یک فیلتر سرعت ویژه - جداکننده محصولات واکنش یون سنگین (SHIP) ساخته ایم که به طور مشترک با متخصصان موسسه فیزیک دوم دانشگاه گیسن ساخته شده است. بر اساس سینماتیک برخورد و همجوشی هسته ها، می توان میزان پس زدگی محصولات همجوشی را از قبل محاسبه کرد. بنابراین می توان آنها را به روشی نسبتا مستقیم جدا کرد.

فیلتر سرعت شامل دو مرحله است که هر کدام شامل میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. این دو میدان ذرات باردار را در جهت مخالف منحرف می کنند. فقط برای یک هسته با سرعت معین، تأثیر میدان‌ها متقابلاً کنار گذاشته می‌شود و در صفحه میانی تنظیم به حرکت خود ادامه می‌دهد. چنین فیلتر پشت سر هم تعداد یون‌های شتاب‌دار وارد شده به ناحیه تشخیص را تا 100 میلیارد و تعداد هسته‌های هدف شکسته‌شده را تا ضریب 1000 کاهش می‌دهد. بدون احتساب تقریباً تمام ذرات ناخواسته از پرتو، طیف سنج SHIP بیش از 40070 محصول همجوشی را عبور می دهد. آشکارسازهایی که در پشت طیف‌سنج قرار دارند، زنجیره‌های فروپاشی ذرات را که از طیف‌سنج عبور کرده‌اند، ثبت می‌کنند، که امکان شناسایی منحصربه‌فرد محصولات همجوشی را ممکن می‌سازد.

اولین عنصر سیستم تشخیص یک دستگاه زمان پرواز است که اندازه گیری سرعت ذرات را برای بار سوم ممکن می سازد (دو اندازه گیری اول بر اساس اصل فیلتر سرعت انجام می شود). پس از عبور از این دستگاه، ذره در آشکارسازهای سد سطحی سیلیکونی حساس به موقعیت کاشته می شود که انرژی و محل ضربه آن را ثبت می کند. از آنجایی که ترکیب زمان پرواز و انرژی تعیین تقریباً جرم ذره را ممکن می سازد، می توان محصولات همجوشی را از یون های پراکنده و هسته های هدف حذف شده تشخیص داد.

برای شناسایی قابل اعتماد یک هسته، با این وجود لازم است بین فروپاشی آن و فروپاشی محصولات دختر رادیواکتیو آن ارتباط برقرار شود. واپاشی ناشی از همان هسته باید مختصات فضایی یکسانی داشته باشد و نوع، انرژی و نیمه عمر هسته های دختر از اندازه گیری های قبلی مشخص است.

با ایجاد چنین رویدادهای فروپاشی مرتبط، می توان به طور منحصر به فرد هر هسته محصول همجوشی را شناسایی کرد. اگرچه یک هسته تصادفی که به همان نقطه محصول همجوشی مورد مطالعه برخورد می کند ممکن است تجزیه شود و یک سیگنال همبسته فضایی تولید کند، بسیار بعید است که انرژی فروپاشی، نیمه عمر و نوع فروپاشی آن با آنچه برای محصول همجوشی مورد انتظار است مطابقت داشته باشد. ما چنین زنجیره های پوسیدگی را تا نسل چهارم مشاهده کردیم. احتمال تصادفی بودن این سری از رویدادهای مرتبط از 10 تا 15 تا 10 تا 18 متغیر است. اگر رویدادهای همبسته ناشی از ایزوتوپ مورد مطالعه یک بار در روز مشاهده شوند، در آن صورت می توان ظاهر تصادفی رویدادهایی را که چهار نسل از رویدادهای فروپاشی را شبیه سازی می کنند برای یک دوره زمانی 100 برابر بیشتر از سن زمین انتظار داشت. در نتیجه، حتی یک رویداد واحد می تواند به طور واضح وجود یک ایزوتوپ فوق سنگین معین را نشان دهد.

بین 1981 و 1986 همراه با همکارانمان P. Hessberger، Z. Hofmann، M. Leino، W. Reisdorf و K.-H. اشمیت، ما از UNILAC، SHIP و سیستم تشخیص آن برای سنتز و شناسایی عناصر 107 109 استفاده کردیم. در این آزمایش ها، 14 ایزوتوپ از عناصر 104 109 سنتز شدند (پنج مورد از آنها قبلا شناخته شده بودند)، و همچنین دو ایزوتوپ دیگر از عناصر. 107 و 108 با اعداد جرمی 261 و 264 به ترتیب.

در سال 1981، با بمباران بیسموت 209 با یون های کروم-54، ایزوتوپی از عنصر 107 با عدد جرمی 262 به دست آوردیم. برای ایزوتوپ فرد و فرد عنصر 107 (دارای تعداد فرد پروتون و نوترون)، ما پنج انرژی ذره آلفا ایجاد کرده‌ایم که ایده‌ای از سطوح انرژی هسته‌ای را به دست می‌دهد. ما همچنین می توانیم گزارش کنیم که این ایزوتوپ دارای ایزومر (حالت برانگیختگی طولانی مدت) است.

عنصر 109 بر اساس مشاهده یک زنجیره واپاشی منفرد ثبت شده در ساعت 4:10 بعدازظهر در 29 اوت 1982 در واکنشی بین آهن-58 و بیسموت-209 شناسایی شد. هسته 266 109 قبل از انتشار یک ذره آلفا با انرژی 11.1 مگا ولت به مدت 5 میلی ثانیه وجود داشت. هسته حاصل از عنصر 107 پس از 22 میلی ثانیه به عنصر 105 تجزیه شد. عنصر 105 به عنصر 104 تجزیه شد و پس از 12.9 با شکافت خود به خود هسته آن فروپاشی کرد. از این رویداد واحد، امکان تعیین انرژی فروپاشی، نیمه عمر و مقطع واکنش، هرچند با دقت محدود، وجود داشت. دو زنجیره پوسیدگی دیگر در آغاز سال 1988، شش سال پس از شناسایی عنصر 100 مشاهده شد. آنها تفسیر رویداد ثبت شده در سال 1982 را تأیید کردند.

در سال 1984 ما سه زنجیره واپاشی را برای ایزوتوپ 265 108 در واکنش بین آهن-58 و سرب-208 شناسایی کرده ایم. دو ایزوتوپ شناسایی شده عناصر 107 و 109 فرد-فرد هستند و احتمال شکافت آنها بسیار کاهش یافته است، اما ایزوتوپ عنصر 108 دارای تعداد پروتون زوج و تعداد فرد نوترون است. اگرچه احتمال شکافت ایزوتوپ های زوج و فرد بسیار بیشتر است، ایزوتوپ 265108 نیز دچار واپاشی آلفا می شود.

به خصوص جالب است که هیچ یک از ایزوتوپ های عناصر 107-109 به طور خود به خود شکافت نمی شوند و همه ایزوتوپ های زوج 265 104، 260 106 و 264 108 تقریباً دارای ثبات یکسانی نسبت به شکافت خود به خودی هستند.

سطح تقریبا ثابت پایداری نشان می دهد که چگونه اثرات تثبیت کننده پوسته با کاهش کلی پایداری با افزایش جرم هسته ها رقابت می کند.

پشت 104 و 105عناصر حاوی یک "جزیره" کوچک از هسته هستند که وقتی توسط ذرات آلفا گسیل می شوند، تجزیه می شوند و ایزوتوپ های شناخته شده عناصر سبک تر را تشکیل می دهند. چنین اعمال فروپاشی آلفا، تعیین انرژی اتصال این عناصر فوق سنگین را ممکن می سازد. اگر انرژی اتصال هسته دختر مشخص باشد، در هر مرحله می توان از انرژی واپاشی آلفا برای محاسبه انرژی اتصال هسته مادر استفاده کرد. اگر انرژی اتصال محصول نهایی مشخص باشد، زنجیره رویدادهای فروپاشی آلفا می تواند منجر به انرژی های اتصال هسته اولیه زنجیره شود. از آنجایی که فروپاشی عناصر 108 و 100 (در هر مورد یک رویداد) و عنصر 106 (طبق چندین رویداد) ثبت شده است، می توان زنجیره 264 108 260 106 256 104 252 102 را بازسازی کرد. انرژی های اتصال اینها هسته ها به ترتیب 120، 106 و 94 مگا ولت هستند.

اصلاح پوسته به انرژی اتصال به تدریج برای همه ایزوتوپ‌ها از اورانیوم 232 تا 264 108 افزایش می‌یابد که توسط فرآیند واپاشی آلفا محدود می‌شوند. مقادیر مربوطه از 1-2 به 6-7 مگا ولت افزایش می یابد. در واقع، همه عناصر از اورانیوم تا عنصر 108 دارای موانع شکافت یکسانی هستند - حدود 6 مگا ولت. بر خلاف اورانیوم که هنوز به عنوان یک قطره هسته ای پایدار است، پایداری عناصر 100 و 108 کاملاً به دلیل ساختار مکانیکی کوانتومی سیستم های فرمیونی چند ذره ای آنهاست. کار نظری اخیر موانع شکافت را پیش‌بینی می‌کند که با اندازه‌گیری‌های ما سازگار است.

طول عمر یک عنصر نسبت به تقسیم در درجه اول با ارتفاع و عرض مانع تقسیم تعیین می شود. اصلاحات پوسته طول عمر عناصر 106 و 108 را 15 مرتبه قدر افزایش می دهد. در مقیاس لگاریتمی، طول عمر مشاهده شده در وسط محدوده بین زمان مناسب هسته ای (حدود 10 تا 21 ثانیه برای فروپاشی یک سیستم نوکلئونی غیر محدود) و سن جهان (10 18 ثانیه) قرار دارد. عناصر جدید فقط در مقایسه با طول عمر انسان (2·10 9 ثانیه) ناپایدار هستند. برای پایداری در این مقیاس، طول عمر باید 12 مرتبه قدر افزایش یابد. با این حال، فیزیک هسته ای بر اساس مقیاس زمانی انسان نیست.

توسط ما کشف شد"جزیره" ایزوتوپ های رادیواکتیو آلفا نتیجه مستقیم تثبیت آنها به دلیل اثرات پوسته است. بنابراین، تثبیت هسته های فوق سنگین کروی در نزدیکی عنصر 114، که در پایان دهه 1960 پیش بینی شده بود، بسیار زودتر از حد انتظار شروع می شود و به تدریج افزایش می یابد. در یک منطقه باریک ناپایداری پشت سرب، بین عناصر 83 و 90، اثرات پوسته ضعیف می‌شوند. با این حال، در فاصله بین عناصر 92 و 114، مقدار اصلاح پوسته به آرامی و یکنواخت افزایش می یابد.

حتی در مجاورت "جزیره" هسته های فوق سنگین، تثبیت به دلیل ساختار مکانیکی کوانتومی سیستم های فرمیونی رخ می دهد، در حالی که در "سرزمین اصلی" تثبیت هسته ها به دلیل خواص ماکروسکوپی قطره مایع است. هسته های عناصر 107 109 روی "سد" بین "جزیره" و "سرزمین اصلی" قرار دارند، بنابراین ایزوتوپ های جدید را می توان هم به "جزیره" و هم به "سرزمین اصلی" نسبت داد. در هر صورت، مانند عناصر فوق سنگین، آنها را فقط به دلیل تثبیت پوسته حالت های پایه آنها می توان مشاهده کرد.

از آخرین پیش‌بینی‌های نظری برای تصحیح پوسته تا انرژی‌های اتصال، چنین است که بین عناصر 106 و 126 باید ناحیه‌ای از حدود 400 هسته فوق‌سنگین با موانع شکافت بالای 4 مگا ولت وجود داشته باشد. تمام این ایزوتوپ ها باید نیمه عمری بیشتر از 1 میکرو ثانیه داشته باشند. اگر بتوان آنها را سنتز کرد، تشخیص آنها با استفاده از روش های موجود امکان پذیر خواهد بود. نواحی به ویژه پایدار در نزدیکی ایزوتوپ‌های 273 109 و 291 115 در نظر گرفته شده‌اند. در عدد نوترونی حدود 166، تغییر شکل حالت پایه تغییر می‌کند. ایزوتوپ‌های با نوترون کمتر تغییر شکل می‌دهند، در حالی که ایزوتوپ‌های سنگین‌تر کروی هستند.

در حیندر طول 20 سال گذشته، تمام تلاش ها برای به دست آوردن ایزوتوپ ها در نزدیکی مرکز پایداری مورد انتظار - هسته 298 114 - ناموفق بوده است. این ایزوتوپ های فوق سنگین نه در واکنش های همجوشی و نه در هیچ واکنش دیگری که شامل یون های سنگین است، شناسایی نشده اند. با این وجود، ایده اصلی در مورد امکان وجود سیستم‌های نوکلئونی تثبیت شده با پوسته، جدای از قطرات هسته‌ای پایدار، توسط آزمایش‌هایی که در بالا توضیح داده شد تأیید شده است. از لحاظ نظری، دلایل زیادی برای اعتقاد به برون یابی به عناصر حتی سنگین تر وجود دارد.

اکنون یک سوال جالب مطرح می شود: در نهایت چه چیزی مانع ایجاد این اشیاء "شکننده" می شود؟ برخی از شفاف سازی های مهم از تحقیقات فشرده ما در مورد واکنش های همجوشی به دست آمده است. یک هسته تثبیت شده با پوسته، کروی در حالت پایه، می تواند حتی در چنین انرژی تحریک کم مانند 15 مگا ولت نابود شود، این به طور تجربی توسط K.-Kh نشان داده شد. اشمیت در سال 1979، در حالی که هسته های تغییر شکل یافته را می توان در انرژی های تحریک تا 40 مگا ولت حفظ کرد. حتی در واکنش بین کلسیم-48 و کوریم-248 (مناسب ترین واکنش موجود)، انرژی تحریک حدود 30 مگا ولت است. از این نتیجه می شود که فقط با هسته های تغییر شکل یافته می توان عناصر فوق سنگین را بدست آورد. با این حال، تا کنون چنین تلاش هایی تنها برای عناصری با اعداد اتمی کمتر از 110 موفقیت آمیز بوده است.

همانطور که قبلا ذکر شد، همجوشی دو هسته، که منجر به تشکیل یک هسته فوق سنگین می شود، از همان ابتدا به دلیل نیاز به غلبه بر مانع همجوشی پیچیده است. برای یک هسته محصول معین، زمانی که سنگین ترین اهداف با سبک ترین یون های ممکن بمباران شوند، این مانع حداقل است. علیرغم این مزیت، این نامتقارن ترین ترکیب دارای نقطه ضعف به حداکثر رساندن گرمایش هسته محصول است که منجر به تلفات شکافت زیاد در طول فرآیند تحریک زدایی می شود. هر چه ترکیب نامتقارن کمتری داشته باشد، تلفات در مرحله خنک سازی کمتر می شود. بهترین سازش بین تلفات کم در مرحله نهایی و احتمال زیاد تشکیل در مرحله اولیه، ترکیبات متقارن تر با هسته های هدف نزدیک به سرب است.

استفاده از سرب و بیسموت به عنوان هدف، مزیت مضاعف اثر نقطه پوسته را در این هسته‌ها به همراه دارد: اتصال قوی در این هسته‌ها با پوسته‌های دوبرابر بسته آنها منجر به کاهش بیش از 10 مگا ولت در انرژی منتقل شده به محصول هسته می‌شود. کاهش مربوطه در تلفات ناشی از شکافت. علاوه بر این، احتمال غلبه بر مانع همجوشی در صورت استفاده از هسته های کروی، بسیار چسبیده و نسبتاً صلب در واکنش افزایش می یابد. در اینجا دوباره، اثرات پوسته قوی در سرب آشکار می شود، اما این بار در پویایی فرآیند.

اکنون ما شروع به درک این موضوع می کنیم که چرا بدست آوردن عناصر حتی سنگین تر بسیار دشوار خواهد بود. تنها ترکیبی از اصلاحات پوسته برای شرکای همجوشی پوسته بسته، اثرات پوسته در دینامیک، و افزایش پایداری هسته‌های فوق‌سنگین تغییر شکل‌داده‌شده به ما اجازه می‌دهد چندین ایزوتوپ از سبک‌ترین عناصر فوق‌سنگین را سنتز کنیم. ما مجبور شدیم سوال اصلی در مورد وجود هسته های تثبیت شده با پوسته را به تأثیر اصلاحات پوسته در تمام مراحل واکنش بسط دهیم. به ویژه هنگام ایجاد این اشیاء پیچیده و "شکننده"، وارد کردن نظم موجود در فرآیند ادغام، اجتناب از بهم ریختگی غیر ضروری است.

چگونه عناصر فوق سنگین زیر را بدست آوریم؟ برای عناصر 110 و 111 می توان روش های توسعه یافته توسط ما را در واکنش های بین نیکل-62 و سرب-208 یا بیسموت-209 به کار برد. هنگامی که این عناصر تشکیل شدند، تشخیص آنها به دانش اساسی نه چندان جدید نیاز دارد، بلکه نیاز به یک ایزوتوپ غنی شده و صبر برای یادگیری نحوه استفاده از تجهیزات و انجام آزمایشات برای چندین ماه دارد.