سرب و بیسموت سنگین ترین عناصر پایدار هستند. برنامه نویسی: وظایف معمولی، الگوریتم ها، روش ها. آیا عناصر فوق سنگین می توانند در انفجارهای ابرنواختری متولد شوند؟ و آیا می توانیم این زایمان را اصلاح کنیم؟

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 بر اساس مدل قطره مایع، ناپدید شدن مانع شکافت را برای هسته‌های با Z2/A ≈ 46 (در مورد عنصر 112) پیش‌بینی می‌کند. در مسئله سنتز هسته های فوق سنگین باید دو دایره سوال را مشخص کرد.

1. هسته های فوق سنگین چه ویژگی هایی باید داشته باشند؟ آیا اعداد جادویی در این منطقه Z و N وجود خواهند داشت. کانال های فروپاشی اصلی و نیمه عمر هسته های فوق سنگین کدامند؟
2. چه واکنش هایی باید برای سنتز هسته های فوق سنگین، انواع هسته های بمباران، سطح مقطع مورد انتظار، انرژی های برانگیختگی ترکیب-هسته مورد انتظار و کانال های تحریک زدایی استفاده شود؟

از آنجایی که تشکیل هسته های فوق سنگین در نتیجه همجوشی کامل هسته هدف و ذره برخوردی رخ می دهد، لازم است مدل های نظری ایجاد شود که پویایی فرآیند همجوشی دو هسته در حال برخورد را به یک هسته ترکیبی توصیف کند.
مشکل سنتز عناصر فوق سنگین ارتباط نزدیکی با این واقعیت دارد که هسته هایی با Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (اعداد جادویی) نسبت به حالت های مختلف واپاشی رادیواکتیو پایداری بیشتری دارند. این پدیده در چارچوب مدل پوسته توضیح داده شده است - اعداد جادویی مربوط به پوسته های پر شده است. طبیعتاً این سؤال در مورد وجود اعداد جادویی زیر در Z و N مطرح می شود. اگر آنها در ناحیه نمودار N-Z هسته های اتمی N> 150، Z > 101 وجود داشته باشند، باید هسته های فوق سنگین را با افزایش نیمه عمر مشاهده کرد. یعنی باید جزیره ثبات وجود داشته باشد. بر اساس محاسبات انجام شده با استفاده از پتانسیل Woods-Saxon با در نظر گرفتن اندرکنش اسپین-مدار، نشان داده شد که برای هسته ای با Z = 114 باید افزایش در پایداری هسته ها را انتظار داشت، یعنی پوسته پروتون پر شده بعدی مطابقت دارد. تا Z = 114، پوسته نوترونی پر شده با عدد N مطابقت دارد ~ 184. پوسته های بسته می توانند به طور قابل توجهی ارتفاع مانع شکافت را افزایش دهند و بر این اساس، طول عمر هسته را افزایش دهند. بنابراین، در این ناحیه از هسته ها (Z = 114، N ~ 184) باید به دنبال جزیره ثبات بگردید. همان نتیجه به طور مستقل در به دست آمد.
هسته‌های با Z = 101–109 قبل از سال 1986 کشف شدند و نام‌های آن‌ها: 101 - Md (Menelevium)، 102 - No (Nobelium)، 103 - Lr (Lawrencium)، 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgium) است. 107 - Ns (Nielsborium)، 108 - Hs (Hassium)، 109 - Mt (Meitnerium) با توجه به شایستگی محققان دوبنا در کشف تعداد زیادی ایزوتوپ عناصر سنگین (102-105)، در سال 1997، توسط تصمیم مجمع عمومی شیمی محض و کاربردی، عنصر با Z = 105 نام دوبنیوم (Db) داده شد. این عنصر در گذشته هانیوم نامیده می شد.

برنج. 12.3. زنجیره های واپاشی ایزوتوپ های Ds (Z = 110)، Rg (Z = 111)، Cn (Z = 112).

مرحله جدیدی در مطالعه هسته های فوق سنگین در سال 1994 آغاز شد، زمانی که راندمان تشخیص به طور قابل توجهی افزایش یافت و تکنیک مشاهده هسته های فوق سنگین بهبود یافت. در نتیجه، ایزوتوپ‌های Ds (Z = 110)، Rg (Z = 111) و Cn (Z = 112) شناسایی شدند.
هسته های فوق سنگین با استفاده از پرتوهای شتابدار 50 Ti، 51 V، 58 Fe، 62 Ni، 64 Ni، 70 Zn و 82 Se به دست آمد. ایزوتوپ های 208Pb و 209Bi به عنوان هدف مورد استفاده قرار گرفتند. ایزوتوپ های مختلف عنصر 110 در آزمایشگاه واکنش های هسته ای سنتز شدند. G.N. فلروف با استفاده از واکنش 244 Pu(34 S,5n) 272 110 و در GSI (دارمشتات) در واکنش 208 Pb(62 Ni, n) 269 110. (شکل 12.3).
نقش مهمی در تولید عناصر فوق سنگین توسط مدل‌های نظری ایفا می‌شود که به کمک آنها ویژگی‌های مورد انتظار عناصر شیمیایی و واکنش‌هایی که در آن می‌توان آنها را تشکیل داد محاسبه کرد.
بر اساس مدل‌های نظری مختلف، ویژگی‌های فروپاشی هسته‌های فوق سنگین محاسبه شد. نتایج یکی از این محاسبات در شکل نشان داده شده است. 12.4. 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 12.4a) هسته ای با Z = 114 و N = 184 است. برای آن، نیمه عمر با توجه به شکافت خود به خودی ~10 16 سال است. برای ایزوتوپ های عنصر 114 که با پایدارترین ایزوتوپ ها 6-8 نوترون متفاوت است، نیمه عمر کاهش می یابد.
10-15 سفارش نیمه عمر با توجه به واپاشی α در شکل 1 نشان داده شده است. 12.5b. پایدارترین هسته در ناحیه Z = 114 و N = 184 (T 1/2 = 10 15 سال) قرار دارد.
هسته های پایدار با توجه به واپاشی β در شکل ها نشان داده شده است. نقاط تاریک 12.4c. روی انجیر شکل 12.4d کل نیمه عمر را نشان می دهد که 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). هسته های زوج و فرد نسبت به آنها نیمه عمر دارند
آلفا-واپاشی و شکافت خود به خودی افزایش و کاهش با توجه به β-واپاشی. 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.

برنج. 12.4. نیمه عمر محاسبه شده برای هسته های فوق سنگین حتی زوج (اعداد نشان دهنده نیمه عمر در سال است):
الف - نسبت به شکافت خود به خود، b - واپاشی α، ج - جذب الکترونیکی و فروپاشی β، d - برای همه فرآیندهای فروپاشی

نتایج یک محاسبه دیگر از شکل تعادل هسته های فوق سنگین و نیمه عمر آنها در شکل 1 نشان داده شده است. 12.5، 12.6. روی انجیر 12.5 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 الماس های تیره در شکل 12.5 نشان داده شده است) 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. 12.6. با توجه به این پیش‌بینی‌ها، نیمه عمر بیشتر هسته‌ها بسیار طولانی‌تر از آن‌هایی است که برای هسته‌های فوق‌سنگین از قبل کشف‌شده (۰.۱ تا ۱ میلی‌ثانیه) مشاهده شده است. به عنوان مثال، طول عمر ~51 سال برای هسته 292 Ds پیش بینی شده است.
بنابراین، با توجه به 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 Cn در واکنش همجوشی سرد 48 کلسیم + 238 U. زمان تابش 25 روز سنتز شد. تعداد کل 48 یون کلسیم روی هدف 3.5 10 18 است. دو مورد ثبت شد که به عنوان شکافت خود به خودی ایزوتوپ 283 Cn تشکیل شده تفسیر شد. نیمه عمر این ایزوتوپ جدید T 1/2 = 81 s برآورد شد. بنابراین، مشاهده می شود که افزایش تعداد نوترون ها در ایزوتوپ 283 Cn نسبت به ایزوتوپ 277 Cn به میزان 6 واحد، طول عمر را 5 مرتبه قدر افزایش می دهد.
روی انجیر 12.7، برگرفته از کار، دوره‌های اندازه‌گیری تجربی α-واپاشی با نتایج محاسبات نظری بر اساس مدل قطره مایع بدون در نظر گرفتن ساختار پوسته هسته‌ها مقایسه می‌شوند. می توان مشاهده کرد که برای همه هسته های سنگین، به استثنای ایزوتوپ های سبک اورانیوم، اثرات پوسته نیمه عمر را برای اکثر هسته ها 2 تا 5 مرتبه قدر افزایش می دهد. ساختار پوسته هسته در مقایسه با شکافت خود به خود تأثیر حتی قوی تری بر نیمه عمر دارد. افزایش نیمه عمر ایزوتوپ های Pu چندین مرتبه بزرگی دارد و برای ایزوتوپ 260 Sg افزایش می یابد.

برنج. 12.7. نیمه عمر عناصر ترانس اورانیوم بر اساس مدل قطره مایع بدون در نظر گرفتن ساختار پوسته هسته به طور تجربی اندازه گیری شد (● exp) و از نظر نظری محاسبه شد (○ Y). شکل بالا نیمه عمر را برای واپاشی α، شکل پایینی نیمه عمر را برای شکافت خود به خود نشان می دهد.

روی انجیر شکل 12.8 طول عمر اندازه‌گیری شده ایزوتوپ‌های Sg (Z = 106) را در مقایسه با پیش‌بینی‌های مدل‌های نظری مختلف 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 اشغال پوسته در منطقه N = 162 را می توان با مطالعه آلفا-واپاشی هسته های 271 Hs و 267 Sg به دست آورد. نیمه عمر 1 دقیقه برای این هسته ها پیش بینی شده است. و 1 ساعت برای هسته های 263 Sg، 262 Bh، 205 Hs، 271،273 Ds، 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 در حالت اساسی.

روی انجیر شکل 12.9 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 Pb 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.

شکل 12.10. طرح پتانسیل در حین همجوشی 64 Ni و 208 Pb.

واکنش های همجوشی با انتشار حداقل تعداد نوترون (1-2) از اهمیت خاصی برخوردار است، زیرا در هسته های فوق سنگین سنتز شده، داشتن بیشترین نسبت N/Z مطلوب است. روی انجیر 12.10 پتانسیل همجوشی برای هسته ها را در واکنش نشان می دهد 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds. 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، می‌توان انرژی برانگیختگی هسته‌های ترکیبی و سطح مقطع تشکیل عناصر Z = 102-112 را در واکنش‌های همجوشی سرد به اندازه کافی توصیف کرد.
بنابراین، پیشرفت در سنتز عناصر ترانس اورانیوم Z = 107-112 با "کشف" واکنش های همجوشی سرد همراه بود که در آن ایزوتوپ های جادویی 208Pb و 209Bi با یون هایی با Z = 22-30 تابش شدند. هسته ای که در واکنش همجوشی سرد ایجاد می شود، ضعیف گرم می شود و در نتیجه انتشار یک نوترون سرد می شود. بنابراین، ایزوتوپ های عناصر شیمیایی با Z = 107-112 برای اولین بار به دست آمد. این عناصر شیمیایی در دوره 1978-1998 به دست آمدند. در آلمان بر روی یک شتاب دهنده هدفمند در مرکز تحقیقات GSI در دارمشتات. با این حال، پیشرفت بیشتر - به سمت هسته های سنگین تر - با این روش به دلیل رشد مانع بالقوه بین هسته های در حال برخورد دشوار است. بنابراین روش دیگری برای به دست آوردن هسته های فوق سنگین در دوبنا اجرا شد. سنگین ترین ایزوتوپ های عناصر شیمیایی به دست آمده پلوتونیوم Pu (Z = 94)، آمریکیوم Am (Z = 95)، کوریم Cm (Z = 96)، برکلیوم Bk (Z = 97) و کالیفرنیوم Cf (Z = 98) به عنوان اهداف. . ایزوتوپ کلسیم 48Ca (Z = 20) به عنوان یون های تسریع شده انتخاب شد. یک نمای شماتیک از جداکننده و آشکارساز هسته های پس زدگی در شکل نشان داده شده است. 12.11.

برنج. 12.11. نمای شماتیک یک جداکننده پس زدگی که برای آزمایشات روی سنتز عناصر فوق سنگین در دوبنا استفاده می شود.

جداکننده مغناطیسی هسته‌های پس‌زن، پس‌زمینه محصولات جانبی واکنش را با ضریب 105-107 کاهش می‌دهد. ثبت محصولات واکنش با استفاده از آشکارساز سیلیکونی حساس به موقعیت انجام شد. انرژی، مختصات و زمان پرواز هسته های پس زدگی اندازه گیری شد. پس از توقف، تمام سیگنال های بعدی از ذرات پوسیدگی شناسایی شده باید از نقطه توقف هسته کاشته شده باشد. تکنیک توسعه‌یافته، با درجه بالایی از قابلیت اطمینان (≈ 100%)، امکان برقراری ارتباط بین یک هسته فوق‌سنگین متوقف در آشکارساز و محصولات فروپاشی آن را فراهم کرد. با استفاده از این تکنیک، عناصر فوق سنگین با
Z = 110-118 (جدول 12.2).
جدول 12.2 ویژگی های عناصر شیمیایی فوق سنگین را با Z = 110-118 نشان می دهد: عدد جرمی A، m وجود حالت ایزومری در ایزوتوپی با عدد جرمی A، برابری اسپین JP، انرژی اتصال هسته ای E St، انرژی اتصال ویژه است. ε، انرژی های جداسازی نوترون Bn و پروتون B p، نیمه عمر T 1/2 و کانال های واپاشی اصلی.
عناصر شیمیایی Z > 112 هنوز نامی ندارند و در عناوین بین المللی پذیرفته شده ذکر شده اند.

جدول 12.2

ویژگی های عناصر شیمیایی فوق سنگین Z = 110-118

XX-A-m	JP	وزن هسته، MeV	E sv، MeV	ε, MeV	B n MeV	B p MeV	T 1/2	مدهای پوسیده
Z = 110 - دارمشتات
Ds-267		248787.19	1934.5	7.2		0.7	2.8 ac	α ≈100%
Ds-268	0 +	249718.08	1943.2	7.3	8.7	1.3	100 ac	α ≈
Ds-269		250650.86	1950.0	7.2	6.8	1.3	179 ق	α 100%
Ds-270	0 +	251581.97	1958.4	7.3	8.5		0.10 میلی‌ثانیه	α ≈100٪، SF< 0.20%
Ds-270-m		251583.07	1957.3	7.2			6.0 میلی ثانیه	α >70%، IT ≤ 30%
Ds-271		252514.72	1965.2	7.3	6.8	2.2	1.63 میلی‌ثانیه	α ≈100%
Ds-271-m		252514.72	1965.2	7.3			69 میلی‌ثانیه	IT؟، α > 0%
Ds-272	0 +	253446.46	1973.1	7.3	7.8	2.5	1 ثانیه	SF
Ds-273		254380.32	1978.8	7.2	5.7	2.5	0.17 میلی‌ثانیه	α ≈100%
Ds-274	0 +	255312.45	1986.2	7.2	7.4	3.0	2 ثانیه	α?, SF
Ds-275		256246.44	1991.8	7.2	5.6	2.9	2 ثانیه	α?
Ds-276	0 +	257178.73	1999.1	7.2	7.3	3.2	5 ثانیه	SF؟، α?
Ds-277		258112.63	2004.7	7.2	5.7	3.1	5 ثانیه	α?
Ds-278	0 +	259044.92	2012.0	7.2	7.3		10 ثانیه	SF؟، α?
Ds-279		259978.62	2017.9	7.2	5.9		0.18 ثانیه	SF ≈90% α ≈10%
Ds-281		261844.60	2031.0	7.2			9.6 ثانیه	SF ≈100%
Z \u003d 111 - رونتگن
Rg-272		253452.75	1965.5	7.2		0.2	3.8 میلی‌ثانیه	α ≈100%
Rg-273		254384.34	1973.5	7.2	8.0	0.4	5 میلی ثانیه	α?
Rg-274		255317.74	1979.6	7.2	6.2	0.9	6.4 میلی‌ثانیه	α ≈100%
Rg-275		256249.53	1987.4	7.2	7.8	1.2	10 میلی ثانیه	α?
Rg-276		257183.22	1993.3	7.2	5.9	1.5	100 میلی‌ثانیه	SF؟، α?
Rg-277		258115.72	2000.4	7.2	7.1	1.3	1 ثانیه	α?, SF
Rg-278		259049.11	2006.5	7.2	6.2	1.8	4.2 میلی‌ثانیه	α ≈100% SF
Rg-279		259981.41	2013.8	7.2	7.3	1.8	0.17 ثانیه	α ≈100%
Rg-280		260914.80	2020.0	7.2	6.2	2.1	3.6 ثانیه	α ≈100%
Rg-281		261847.09	2027.2	7.2	7.3		1 متر	α?، SF
Rg-282		262780.59	2033.3	7.2	6.1	2.3	4 متر	SF?، α?
Rg-283		263712.98	2040.5	7.2	7.2		10 متر	SF?، α?
Z = 112 - کوپرنیک
cn-277		258119.32	1995.5	7.2		2.2	0.69 میلی‌ثانیه	α ≈100%
cn-278	0 +	259051.20	2003.1	7.2	7.7	2.8	10 میلی ثانیه	SF?، α?
cn-279		259984.69	2009.2	7.2	6.1	2.7	0.1 ثانیه	SF?، α?
cn-280	0 +	260916.69	2016.8	7.2	7.6	3.0	1 ثانیه	α?، SF
cn-282	0 +	262782.18	2030.4	7.2		3.2	0.50 میلی‌ثانیه	SF ≈100%
cn-283		263715.57	2036.6	7.2	6.2	3.3	4.0 ثانیه	α ≥90٪، SF ≤10٪
cn-284	0 +	264647.66	2044.1	7.2	7.5	3.6	101 میلی‌ثانیه	SF ≈100%
cn-285		265580.76	2050.5	7.2	6.5		34 ثانیه	α ≈100%
Z = 113
Uut-278							0.24 میلی‌ثانیه	α 100%
Uut-283		263719.46	2031.4	7.2		1.0	100 میلی‌ثانیه	α 100%
Uut-284		264652.45	2038.0	7.2	6.6	1.4	0.48 ثانیه	α ≈100%
Uut-285		265584.55	2045.5	7.2	7.5	1.4	2 متر	α?، SF
Uut-286		266517.64	2051.9	7.2	6.5	1.4	5 متر	α?، SF
Uut-287		267449.64	2059.5	7.2	7.6		20 متر	α?، SF
Z = 114
Uuq-286	0 +	266520.33	2048.0	7.2		2.5	0.16 ثانیه	SF ≈60٪، α ≈40٪
Uuq-287		267453.42	2054.4	7.2	6.5	2.5	0.51 ثانیه	α ≈100%
Uuq-288	0 +	268385.02	2062.4	7.2	8.0	2.9	0.80 ثانیه	α ≈100%
Uuq-289		269317.91	2069.1	7.2	6.7		2.7 ثانیه	α ≈100%
Z = 115
Uup-287		267458.11	2048.4	7.1		0.5	32 میلی‌ثانیه	α 100%
Uup-288		268390.81	2055.3	7.1	6.9	0.9	87 میلی‌ثانیه	α 100%
Uup-289		269322.50	2063.2	7.1	7.9	0.8	10 ثانیه	SF?، α?
Uup-290		270255.30	2070.0	7.1	6.8	0.9	10 ثانیه	SF?، α?
Uup-291		271187.09	2077.7	7.1	7.8		1 متر	α?، SF
Z = 116
Uuh-290	0 +	270258.98	2065.0	7.1		1.8	15 میلی ثانیه	α ≈100%
Uuh-291		271191.78	2071.7	7.1	6.8	1.8	6.3 میلی‌ثانیه	α 100%
Uuh-292	0 +	272123.07	2080.0	7.1	8.3	2.3	18 میلی‌ثانیه	α ≈100%
Uuh-293							53 میلی‌ثانیه	α ≈100%
Z = 117
Uus-291		271197.37	2064.9	7.1		-0.1	10 میلی ثانیه	SF?، α?
Uus-292		272129.76	2072.0	7.1	7.2	0.3	50 میلی‌ثانیه	SF?، α?
Z = 118
Uuo-294	0 +						1.8 میلی‌ثانیه	α ≈100%

روی انجیر 12.12 تمام سنگین ترین ایزوتوپ های شناخته شده با Z = 110-118 را نشان می دهد که در واکنش های همجوشی به دست آمده اند، که نشان دهنده نیمه عمر اندازه گیری تجربی است. موقعیت تئوری پیش بینی شده جزیره پایداری (Z = 114، N = 184) نیز در اینجا نشان داده شده است.

برنج. 12.12. نمودار N-Z عناصر Z = 110-118.

نتایج به‌دست‌آمده به‌طور واضح نشان‌دهنده افزایش پایداری ایزوتوپ‌ها هنگام نزدیک شدن به یک هسته جادویی مضاعف است (Z = 114، N = 184). افزودن 7-8 نوترون به هسته هایی با Z = 110 و 112 نیمه عمر را از 2.8 به عنوان (Ds-267) به ≈ 10 ثانیه افزایش می دهد (Ds-168، Ds 271). نیمه عمر T 1/2 (272 Rg، 273 Rg) ≈ 4-5 ms به T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 دقیقه افزایش می یابد. سنگین ترین ایزوتوپ های عناصر Z = 110-112 حاوی ≈ 170 نوترون است که هنوز با عدد جادویی N = 184 فاصله دارد. تمام سنگین ترین ایزوتوپ ها با Z> 111 و N> 172 عمدتاً در نتیجه تجزیه می شوند.
واپاشی α، شکافت خودبخودی پوسیدگی نادرتر است. این نتایج با پیش بینی های نظری مطابقت خوبی دارد.
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 طی سنتز عنصر 114 در واکنش 48 Cu + 244 Pu، حداکثر بازده ایزوتوپ با Z = 114 در کانالی با تبخیر سه نوترون مشاهده شد. در این حالت، انرژی برانگیختگی هسته مرکب 289 114 برابر با 35 مگا ولت بود.
توالی پیش‌بینی‌شده تئوری فروپاشی‌هایی که با هسته 296 116، در واکنش 248 سانتی‌متر + 48 کلسیم → 296 116 ایجاد می‌شوند، در شکل 12.13 نشان داده شده است.

برنج. 12.13. طرح فروپاشی هسته 296 116.

ایزوتوپ 296 116 در اثر گسیل چهار نوترون سرد می شود و به ایزوتوپ 292 116 تبدیل می شود که سپس با احتمال 5 درصد در نتیجه دو گرفتن e-capture متوالی به ایزوتوپ 292 114 تبدیل می شود. از واپاشی α (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.
روی انجیر 12.14 زنجیره ای از واپاشی پی در پی α ایزوتوپ 288 115 را نشان می دهد که در آزمایشات در Dubna اندازه گیری شده است. ER انرژی یک هسته پس زدگی است که در یک آشکارساز سیلیکونی حساس به موقعیت کاشته شده است. توافق خوبی را می توان در نیمه عمر و انرژی های واپاشی α در سه آزمایش مشاهده کرد که نشان دهنده قابلیت اطمینان روش برای شناسایی عناصر فوق سنگین با استفاده از اندازه گیری طیف ذرات α است.

برنج. 12.14. زنجیره ای از واپاشی پی در پی ایزوتوپ 288 115، که در آزمایشات در دوبنا اندازه گیری شد.

سنگین ترین عنصر تولید شده در آزمایشگاه با Z = 118 در واکنش سنتز شد

48Ca + 249Cf → 294 118 + 3n.

در انرژی یونی نزدیک سد کولن، سه مورد از تشکیل عنصر 118 مشاهده شد. 294 118 هسته در یک آشکارساز سیلیکونی کاشته شد و زنجیره ای از واپاشی پی در پی α مشاهده شد. سطح مقطع برای تولید عنصر 118 ~2 پیکوبارن بود. نیمه عمر ایزوتوپ 293 118 120 میلی ثانیه است.
روی انجیر 12.15 زنجیره تئوری محاسبه شده آلفا-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.

برنج. 12.15. زنجیره ای از واپاشی پی در پی α ایزوتوپ 293 118.
میانگین طول عمر هسته های دختر تولید شده در نتیجه واپاشی α آورده شده است.

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 12.16 سطح مقطع تخمین زده شده برای تشکیل عناصر ترانس اورانیوم را در تابش اهداف از 248 سانتی متر، 249 Cf و 254 Es با یون های U238 شتاب داده شده 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.

برنج. 12.16. برآورد سطح مقطع برای تشکیل عناصر ترانس اورانیوم در واکنش های U238 با 248 سانتی متر، 249 Cf و 254 Es.

پیشرفت در زمینه هسته های فوق سنگین در سال های اخیر به طرز خیره کننده ای چشمگیر بوده است. با این حال، تمام تلاش ها برای کشف جزیره ثبات تاکنون ناموفق بوده است. جستجو برای یافتن او به شدت ادامه دارد.
ساختار پوسته هسته های اتم نقش بسزایی در افزایش پایداری هسته های فوق سنگین دارد. اعداد جادویی Z ≈ 114 و N ≈ 184، اگر واقعا وجود داشته باشند، می توانند به افزایش قابل توجهی در پایداری هسته اتم منجر شوند. همچنین مهم است که فروپاشی هسته های فوق سنگین در نتیجه واپاشی α رخ دهد، که برای توسعه روش های تجربی برای شناسایی و شناسایی هسته های فوق سنگین جدید مهم است.

در جدول تناوبی شیمیایی چند عنصر وجود دارد؟ آیا همه آنها یک مکان ثابت، ثابت و بدون قید و شرط را اشغال می کنند؟ در مورد مرزهای وجود عناصر در طبیعت، ماده نوترونی و سنتز عناصر فوق سنگین - عضو مسئول آکادمی علوم روسیه یوری اوگانسیان و دکتر علوم فیزیکی و ریاضی میخائیل ایتکیس.

پایان نامه ها برای بحث:

در مورد مشکل سنتز عناصر فوق سنگین چه می دانیم و چه می خواهیم بفهمیم؟

آیا وجود عناصر در طبیعت محدودیت هایی دارد؟

سنتز هسته عناصر در جهان چگونه انجام شد؟

چه چیزی پایداری احتمالی عناصر فوق سنگین را تعیین می کند؟

این مشکل چقدر اساسی است و آیا جنبه سیاسی دارد؟

امکانات تکنیک تجربی مدرن برای حل آن.

ماده نوترونی چیست؟ آیا می توان آن را در آزمایشگاه و نه فقط در فرآیند مطالعه اجرام اخترفیزیکی مانند ستاره های نوترونی و غیره مطالعه کرد؟ روندهای علم جهان

آیا جامعه نیاز به مطالعه مشکلات اساسی علم فوق دارد؟ آیا منجر به ایده های جدید در قالب فناوری های جدید، منابع انرژی، تجهیزات پزشکی و غیره می شود؟

بررسی اجمالی موضوع

شناخته شده است که همه عناصر از سبک ترین (هیدروژن) تا سنگین ترین (اورانیوم) جهان اطراف ما را تشکیل می دهند. آنها روی زمین وجود دارند. این بدان معنی است که عمر آنها از سن خود زمین بیشتر است. همه عناصر بعد از اورانیوم از آن سنگین تر هستند. آنها زمانی در فرآیند سنتز هسته شکل گرفتند، اما تا به امروز زنده نماندند. امروزه آنها را فقط می توان به صورت مصنوعی به دست آورد.

مفهوم اتم به خوبی شناخته شده است: هسته که شامل کل جرم اتم و بار مثبت آن است و اوربیتال های الکترون. به طور فرضی، می تواند تا اعداد اتمی وجود داشته باشد: 160 و شاید 170. با این حال، مرز وجود عناصر خیلی زودتر مشخص شده است و دلیل آن در ناپایداری خود هسته است. بنابراین، مسئله حدود وجود عناصر را باید در فیزیک هسته ای مطرح کرد. اگر به هسته هایی نگاه کنید که حاوی تعداد متفاوتی از پروتون ها و نوترون ها هستند، عناصر پایدار فقط تا سرب و بیسموت یافت می شوند. سپس (شکل 1) یک "شبه جزیره کوچک" وجود دارد که در آن فقط توریم و اورانیوم در زمین یافت می شود. از این نتیجه می شود که مسئله حدود وجود عناصر به پایداری هسته ها بستگی دارد و باید به فیزیک هسته ای پرداخته شود.

برنج. 1. نقشه ایزوتوپ ها با اعداد اتمی 70 Zі. پایداری اتم ها با چگالی رنگ مطابق با مقیاس مناسب نشان داده می شود. برای مناطق 112 Zі و 165 Zі، پیش‌بینی‌های نظری نیمه‌عمر اتم‌های فوق‌سنگین فرضی ارائه شده است.

به محض اینکه از اورانیوم عبور می کنیم، عمر هسته ها به شدت کاهش می یابد. ایزوتوپ های عناصر ترانس اورانیوم رادیواکتیو هستند، آنها دچار واپاشی آلفا می شوند. طول عمر هسته ها در مقیاس لگاریتمی کاهش می یابد. این مقیاس لگاریتمی نشان می دهد که از اورانیوم (عنصر 92) تا عنصر 100، پایداری هسته ها بیش از 20 مرتبه قدر کاهش می یابد.

در واقع، وضعیت حتی پیچیده تر شد. شکافت خود به خودی - چهارمین نوع رادیواکتیویته - بر واپاشی آلفا در ناحیه 100 عنصر پیشی می گیرد و در آینده، طول عمر هسته ها بسیار سریعتر کاهش می یابد.

شکافت خود به خودی توسط K. A. Petrzhak و G. N. Flerov 60 سال پیش به عنوان یک نوع نادر از تجزیه اورانیوم کشف شد. وقتی صحبت از عناصر سنگین تر به میان می آید، اصلی ترین می شود.

توضیح پدیده شکافت خود به خودی توسط نیلز بور در سال 1939 ارائه شد. به گفته N. Bohr، چنین فرآیندی می تواند رخ دهد اگر فرض کنیم که ماده هسته ای دارای خواص ماده بدون ساختار مانند یک قطره مایع باردار باشد. اگر قطره ای تحت تأثیر نیروهای الکتریکی تغییر شکل پیدا کند، انرژی پتانسیل آن تا حد معینی افزایش می یابد و سپس با افزایش تغییر شکل به طور غیرقابل برگشتی کاهش می یابد تا این که قطره به دو قسمت تقسیم شود. بنابراین، مانع خاصی در هسته اورانیوم ظاهر می شود که این هسته را به مدت 10 16 سال از شکافت دور نگه می دارد.

اگر از اورانیوم به عنصر سنگین‌تری که در هسته آن نیروهای کولن بسیار بیشتر است حرکت کنیم، سد کاهش می‌یابد و احتمال شکافت بسیار افزایش می‌یابد. در نهایت، با افزایش بیشتر بار هسته، زمانی که دیگر هیچ مانعی وجود نداشته باشد، به مرز می رسیم، یعنی زمانی که حتی شکل کروی قطره برای جدا شدن به دو قسمت ناپایدار است.

این حد ثبات هسته است. با توجه به محاسبات بور و ویلر، این حد برای عناصر با اعداد اتمی 104-106 انتظار می‌رفت.

کشف در سال 1962 در آزمایشگاه واکنش های هسته ای دوبنا با نیمه عمر دیگری برای هسته های سنگین، از جمله اورانیوم، کاملاً غیرمنتظره بود. یعنی یک هسته می تواند دو فروپاشی از یک نوع با احتمالات مختلف یا دو عمر داشته باشد. برای اورانیوم، یک زمان 10 16 سال است که توسط فلروف و پترژاک کشف شد و دومی بسیار کوتاه است، فقط 0.3 میکروثانیه. با دو نیمه عمر، باید فرض کرد که هسته دو حالت دارد که از آن شکافت رخ می دهد. این به هیچ وجه در ایده افت نمی گنجد.

دو حالت فقط در صورتی می توانند وجود داشته باشند که بدن بی شکل نباشد، اما ساختار درونی داشته باشد.

بنابراین، ماده هسته ای آنالوگ کامل یک قطره مایع باردار نیست

قطره نوعی تقریب برای توصیف ماده هسته ای است. هسته ساختار داخلی دارد.

مسائل مربوط به ساختار هسته ای توسط نظریه پردازان هسته ای جدی گرفته شده است. در کشور ما - V. M. Strutinsky، S. T. Belyaev، V. V. Pashkevich و دیگران. آنها یک مشکل نسبتاً دشوار را حل کردند - چگونه می توان توضیح داد که سد اورانیوم دو کوهانه است و چگونه ساختار هسته در طول تغییر شکل آن تغییر می کند.

و توضیح داده شده است. اما اگر توضیحی که نظریه پردازان یافته اند به درستی خواص هسته ها را منعکس کند، آنگاه وقتی به عناصر فوق سنگین می رسیم، تصویر کاملاً با آنچه برای یک قطره مایع پیش بینی شده بود متفاوت خواهد بود. در عناصر سنگین، این ساختار در جایی که افت ناهماهنگ است خود را به طور کامل نشان می دهد و به اصطلاح مانع سازه ای ظاهر می شود. و این بدان معنی است که هسته می تواند برای مدت بسیار طولانی زندگی کند.

این نتیجه گیری غیر پیش پا افتاده نظریه، در اصل منجر به پیش بینی یک منطقه فرضی ثبات برای عناصر فوق سنگین شد که دور از عناصر شناخته شده و ما با آنها کار می کنیم.

به محض پیش‌بینی این موضوع، تمام آزمایشگاه‌های بزرگ جهان به معنای واقعی کلمه برای آزمایش تجربی این فرضیه عجله کردند. این کار در آمریکا، فرانسه و آلمان انجام شد. با این حال، تمام آزمایشات نتایج منفی به همراه داشت.

در دو سال گذشته، آزمایش‌هایی در آزمایشگاه دوبنا روی سنتز سنگین‌ترین عناصر جدید با اعداد اتمی 114 و 116 انجام شده است. . تنها در این صورت است که می توانیم به مرزهای فرضی "جزیره ثبات" نزدیک شویم و افزایش طول عمر هسته های فوق سنگین را مشاهده کنیم.

نتایج آزمایش‌ها به این نتیجه رسید که «جزیره ثبات» واقعاً وجود دارد.

راه های بدست آوردن (سنتز) هسته های فوق سنگین چیست؟ در ابتدا از روش سنتز نوترون استفاده شد، زمانی که نوترون های زیادی به درون هسته رانده می شوند. در این مورد، تابش ماده اولیه با یک شار نوترونی قدرتمند طبیعی خواهد بود. برای این کار از راکتورهای قوی تری استفاده می شد. با این حال، روش همجوشی راکتوری خود را روی فرمیوم (عنصری با عدد اتمی 100) خسته کرده است، زیرا ایزوتوپ فرمیم با جرم 258 که باید در نتیجه گرفتن نوترون به دست آید، تنها 0.3 میلی ثانیه عمر می کند. کل زنجیره گرفتن نوترون های پی در پی در مرحله گرفتن نوترون بیستم شکست. در اینجا شما باید بیش از 60 مرحله را طی کنید. روش نوترونی جواب نداد.

تلاش محققان آمریکایی برای استفاده از روش دیگری - برای به دست آوردن عناصر فوق سنگین در انفجارهای هسته ای، یعنی در یک شار نوترون پالسی قدرتمند، در نهایت منجر به تشکیل همان ایزوتوپ عنصر 100 با جرم 257 شد.

ناامیدی روش نوترونی منجر به ایده استفاده از روشی اساساً متفاوت برای سنتز عناصر فوق سنگین شد که در اواسط دهه 1950 شروع به توسعه کرد - "اتمی سنگین". این شامل این واقعیت است که دو هسته سنگین با یکدیگر برخورد می کنند به این امید که آنها ادغام شوند و در نتیجه هسته ای با جرم کل به دست می آید. برای اینکه چنین واکنشی رخ دهد، باید یکی از هسته ها تا سرعتی در حدود 0.1 سرعت نور شتاب بگیرد. این عملکرد توسط شتاب دهنده ها انجام می شود. آنچه امروز در مورد خواص عناصر سنگین در صد دوم می دانیم با استفاده از شتاب دهنده های یون سنگین در واکنش هایی از این نوع به دست آمد.

خواص عناصر ترانس اورانیوم چیست؟

اگر اورانیوم 92 عنصری یک میلیارد سال عمر کند، هسته سنگین عنصر 112 تنها 0.1 میلی ثانیه عمر می کند. در واقع، افزایش عدد اتمی به میزان 20 واحد منجر به کاهش طول عمر هسته بیش از 1020 برابر می شود. با این حال، "جزیره پایداری" در جایی قرار دارد که هسته ها به میزان قابل توجهی نوترون های بیشتری دارند. بنابراین، حرکت به سمت هسته های غنی از نوترون ضروری است. دستیابی به این امر دشوار است، زیرا نسبت تعداد پروتون ها به تعداد نوترون ها در هسته های پایدار کاملاً تعریف شده است. تصمیم گرفته شد از واکنش‌هایی استفاده شود که در ابتدا مقدار زیادی نوترون هم در هسته ماده هدف که در یک راکتور هسته‌ای تولید می‌شود و هم در هسته پرتابه که در این مورد به عنوان هسته کلسیم-48 انتخاب شد، مشخص شده بود. .

کلسیم-48 ایزوتوپ پایدار کلسیم است، عنصری با عدد اتمی 20. کلسیم زیادی در طبیعت وجود دارد. اما ایزوتوپ کلسیم با جرم 48 بسیار نادر است. محتوای آن در کلسیم معمولی تنها 0.18٪ است. جداسازی آن از کلسیم کار بسیار دشواری است. با این وجود، اگر می‌توانستیم یون‌های کلسیم 48 را تسریع کنیم، با تابش اورانیوم، پلوتونیوم یا کوریم، می‌توانیم وارد منطقه ارزشمندی شویم که انتظار می‌رود ثبات در آن افزایش یابد، و در آنجا باید اثر افزایش شدید طول عمر را احساس کنیم. عناصر فوق سنگین

در یک آزمایش خاص، واکنشی انتخاب شد که در آن پلوتونیوم (Z = 94)، سنگین ترین ایزوتوپ آن با جرم 244، به عنوان ماده اولیه و ایزوتوپ کلسیم-48 به عنوان یون بمباران استفاده شد. ما انتظار داشتیم که واکنش همجوشی این هسته ها منجر به تشکیل عنصر 114 شود که باید پایدارتر از عناصر مورد مطالعه قبلی باشد.

برای راه اندازی چنین آزمایشی، لازم بود شتاب دهنده ای با قدرت پرتو کلسیم 48 ساخته شود که ده ها برابر از همه شتاب دهنده های شناخته شده برتری دارد. در همان زمان، او مجبور شد یون های شتاب را با شدت بالا بدهد و تا حد امکان کلسیم گران قیمت 48 را کمتر خرج کند. این امر مستلزم جستجوی طولانی و شدید برای یافتن راه حلی برای مشکل بود. در نهایت راه حلی پیدا شد و در عرض 5 سال چنین شتاب دهنده ای در دوبنا ایجاد شد. در مصرف بسیار کم ماده (0.3 میلی گرم در ساعت)، شدت پرتو چند واحد در هر 10 12 یون در ثانیه به دست آمد. اکنون می‌توان آزمایشی را صد و هزار برابر حساس‌تر از آنچه قبلاً توسط دوبنینیست‌ها و همکارانشان در کشورهای دیگر در 25 سال گذشته انجام شده بود، تنظیم کرد.

ماهیت خود آزمایش به شرح زیر بود. پس از دریافت یک پرتو کلسیم، یک هدف پلوتونیومی تحت تابش قرار می گیرد. ایزوتوپ سنگین پلوتونیوم 244 توسط آزمایشگاه ملی لیورمور (ایالات متحده آمریکا) ارائه شد. اگر در نتیجه ادغام دو هسته، اتم های یک عنصر جدید تشکیل شود، باید از هدف خارج شده و همراه با پرتو به حرکت رو به جلو ادامه دهند. در اینجا آنها باید از یونهای کلسیم 48 و سایر محصولات واکنش جدا شوند. این عملکرد توسط یک جداکننده (شکل 2) انجام می شود که در آن یک میدان الکتریکی عرضی وجود دارد. از آنجایی که سرعت هسته‌ها متفاوت است، پرتو به درپوش برخورد می‌کند، در حالی که هسته‌های پس‌زن سنگین عنصر 114 یک مسیر منحنی ایجاد می‌کنند و در نهایت به آشکارساز می‌رسند. آشکارساز یک هسته سنگین را تشخیص می دهد و فروپاشی آن را ثبت می کند.

در واقع چه چیزی را می توان انتظار داشت؟ اگر این فرضیه درست باشد که "جزیره پایداری" در منطقه عناصر فوق سنگین وجود دارد و این هسته ها نسبت به شکافت خود به خود بسیار پایدار هستند، آنها باید نوع دیگری از فروپاشی - واپاشی آلفا را تجربه کنند.

به عبارت دیگر، هسته هایی در بالای این جزیره و نزدیک به آن که در برابر شکافت خود به خودی مقاوم هستند، باید آلفا رادیواکتیو باشند. همانطور که مشخص است، یک هسته رادیواکتیو آلفا، به طور خود به خود یک ذره آلفا (هسته هلیوم)، متشکل از دو پروتون و دو نوترون، را به درون یک هسته دختر خارج می کند. برای واکنش انتخاب شده، این انتقال عنصر 114 به 112 است. هسته های عنصر 112 نیز باید دچار واپاشی آلفا شوند و به هسته های عنصر 110 و غیره بروند. اما با واپاشی پی در پی آلفا، از قله ثبات دورتر و دورتر می شویم و در نهایت به دریای ناپایداری می افتیم، جایی که نوع غالب فروپاشی شکافت خود به خودی است. برای آزمایشگر، این یک تصویر بسیار واضح است: در نتیجه واپاشی های متوالی آلفا، که هر یک از آنها انرژی حدود 10 مگا ولت در آشکارساز باقی می گذارد، شکافت رخ می دهد که در آن انرژی حدود 200 مگا ولت بلافاصله آزاد می شود. این زنجیره زوال را می شکند.

اگر فرضیه نظری معتبر باشد، چنین زنجیره ای قابل مشاهده است. در واقع، در طول این آزمایش، که به مدت سه ماه به طول انجامید، دانشمندان برای اولین بار آنچه را که منتظر آن بودند مشاهده کردند.

برنج. 3a. زنجیره های واپاشی متوالی اتم های فوق سنگین با Z = 114 و 116 ثبت شده در واکنش های هسته ای با 48 یون کلسیم. برای هر فروپاشی، مقادیر انرژی، زمان رسیدن سیگنال و مختصات موقعیت آن در سطح آشکارساز با مساحت 50 سانتی متر مربع نشان داده شده است.

پس از آمدن هسته عقب‌نشینی به آشکارساز که انرژی، سرعت و مختصات محل توقف آن را با دقت بالایی اندازه‌گیری می‌کند، ذره‌ای آلفا با انرژی 9.87 مگا ولت یک ثانیه پس از توقف ثبت شد. جالب اینجاست که در سنگین‌ترین هسته‌ای که قبلاً سنتز شده بود، این بار فقط یک ده هزارم ثانیه طول کشید. در اینجا یک دوم است.

سپس پس از 10.3 ثانیه (همچنین مدت زمان طولانی)، ذره آلفا دوم با انرژی 9.21 مگا ولت به بیرون پرواز کرد و پس از 14.5 ثانیه، شکافت خود به خودی رخ داد. کل زنجیره پوسیدگی حدود 0.5 دقیقه طول کشید.

رویداد دوم نیز مانند رویداد اول بود. هر دوی این رویدادها در 13 پارامتر با یکدیگر منطبق هستند. بنابراین، احتمال همزمانی تصادفی سیگنال‌ها در آشکارساز شبیه‌سازی چنین فروپاشی تنها 10-16 است.

در همان آزمایش، رویداد دیگری نیز مشاهده شد که عمر طولانی‌تری داشت. در اینجا زوال بر حسب دقیقه و ده دقیقه محاسبه می شود.

اگر به ناحیه هسته هایی با کمبود نوترون منحرف شویم، شکافت خود به خودی بیشتر و بیشتر می شود، که کشف شد (زمانی که ایزوتوپ سبک تر، پلوتونیوم-242، به جای هدف پلوتونیوم-244 استفاده شد). این دقیقاً سناریویی را بازتولید می کند که توسط این نظریه پیش بینی شده بود که جزیره در سمت راست، در میان هسته های غنی شده با نوترون قرار دارد.

بنابراین، ایزوتوپ‌های هسته‌ای سنتز شده عنصر 114 و فرآورده‌های دخترشان از واپاشی آلفا، ایزوتوپ‌های جدید عناصر 112 و 110 از قبل عمل این نیروهای ساختاری را تجربه می‌کنند که «جزیره پایداری» عناصر فوق‌سنگین را تشکیل می‌دهند. و با وجود اینکه آنها در فاصله قابل توجهی از بالای جزیره قرار دارند، با این حال، زمان آنها دقیقه و ده ها دقیقه است (شکل 4). این امر پایداری آنها را در مقایسه با ایزوتوپ های همان عناصر که دور از مرز جزیره قرار دارند، حدود 5 مرتبه قدر افزایش می دهد.

یک ماده منحصر به فرد - کوریم-248 در یک راکتور قدرتمند موسسه تحقیقاتی راکتورهای اتمی در دیمیتروگراد به دست آمد. مشاهده زنجیره فروپاشی عنصر 116 دلیل دیگری بر دریافت عنصر 114 خواهد بود - در مورد اول، مستقیماً با تابش یک هدف پلوتونیومی به دست آمد. در همان واکنش در نتیجه پوسیدگی والد سنگین تر.

برنج. 4. نقشه ای از نوکلیدها که نشان دهنده زنجیره های واپاشی رادیواکتیو اتم های سنتز شده در واکنش های هسته ای تحت اثر یون های کلسیم 48 شتاب شده است. پس زمینه توپوگرافی قدرت اثرات ساختاری در هسته یک اتم را نشان می دهد.

چنین آزمایشی اخیراً انجام شد - و در اینجا دانشمندان کمی ریسک کردند.

اگر در واکنش یک عنصر 116 تشکیل شود، پس از فروپاشی آلفای آن، هسته 114 عنصر باید به دست آید. به عبارت دیگر، در این آزمایش، دانشمندان مجبور شدند یک بار دیگر (برای سومین بار) کل زنجیره فروپاشی عنصر 114، علاوه بر عنصر 116 را مشاهده کنند.

پس از رها شدن ذره آلفا از فروپاشی عنصر 116، شتاب دهنده خاموش شد و تمام تجهیزات برق آزمایشگاه خاموش شد تا شرایط کاملاً بدون پس زمینه ایجاد شود. در واقع، پس از برخورد هسته سنگین پس‌زن به آشکارساز، پس از 47 میلی‌ثانیه، یک ذره آلفا با انرژی 10.56 مگا ولت به بیرون پرواز کرد که تمام تجهیزات قدرتمند را خاموش کرد. پس از آن، در شرایط کاملاً آرام، یک ذره آلفای دیگر منتشر شد، سپس یک ذره دیگر و سپس شکافت خود به خودی.

اگر زنجیره فروپاشی پس از خاموش شدن شتاب‌دهنده را با آنچه برای عنصر 114 مشاهده شد مقایسه کنیم، می‌توانیم تطابق کامل را در تمام پارامترها ببینیم (شکل 3b). این واقعاً فروپاشی عنصر 114 بود، و بنابراین، ذره آلفای قبلی متعلق به 116 است. در 19 جولای 2000 اتفاق افتاد. در سال 2001، آزمایش ادامه یافت و در نتیجه، 2 هسته دیگر از 116 عنصر سنتز شد.

حال می‌توانیم پیش‌بینی تئوری و نتایج به‌دست‌آمده در آزمایش را با هم مقایسه کنیم. برای عنصر 116، طبق نظریه، با افزایش تعداد نوترون های هسته از 166 به 176، طول عمر هسته باید 5 مرتبه قدر افزایش می یافت. این آزمایش ارزشی در حدود 6 مرتبه بزرگی به دست داد. برای عنصر 114، تصویر به همین صورت است. با افزایش تعداد نوترون های این هسته از 164 به 174، دوره نیمه عمر بیش از 6 مرتبه قدر افزایش می یابد. برای عنصر 112، بیش از 10 نوترون نیز پایداری هسته را 5-6 مرتبه قدر افزایش می دهد. همین تصویر برای ایزوتوپ های عنصر 110 معمول است.

این توافق خوبی با فرضیه نظری است. علاوه بر این، این آزمایش نشان می‌دهد که هسته‌های فوق سنگین در این منطقه عمر طولانی‌تری نسبت به آن چیزی دارند که از تئوری برمی‌آید.

باید به بالای «جزیره ثبات» توجه کرد. این قله می تواند میلیون ها سال قدمت داشته باشد. به سن زمین که 4.5 میلیارد سال است نمی رسد. با این حال، اگر در نظر بگیریم که در آزمایش ما بیش از مقادیر محاسبه شده در نواحی "جزیره پایداری" ثبات بیشتری داریم، وجود عناصر فوق سنگین در طبیعت، در منظومه ما یا در کیهان وجود دارد. اشعه، یعنی در سیستم های دیگر، مستثنی نیست. عناصر فوق سنگین ممکن است در آنجا وجود داشته باشند که طول عمر آنها میلیون ها سال محاسبه می شود.

یکی دیگر از شرایط مهم است: در حال حاضر جدول عناصر با 114 و 116 عناصر جدید پر شده است. این آزمایش‌ها صدای جدیدی به عناصر شناخته شده قبلی 112، 110، 108 داد، زیرا افزایش نوترون‌ها منجر به افزایش قابل توجهی در طول عمر آنها شد. این امر امکان مطالعه خواص شیمیایی این عناصر را فراهم می کند. عناصر 112، 110 و 108 که برای چند دقیقه زندگی می کنند، برای مطالعه خواص شیمیایی آنها با استفاده از روش های رادیوشیمی مدرن کاملاً قابل دسترسی هستند. می‌توانید آزمایش‌هایی را برای تأیید قانون اساسی مندلیف در مورد یکپارچگی ویژگی‌ها در ستون‌ها تنظیم کنید. با توجه به عناصر فوق سنگین، باید فرض کنیم که عنصر 112 همسانی از کادمیوم، جیوه است. عنصر 114 مشابهی از قلع، سرب و غیره است. قانون اساسی تناوب خواص شیمیایی عناصر را اکنون می توان به صورت تجربی تأیید کرد.

عناصر پایدار به سرب و بیسموت ختم می شوند. هسته های این اتم ها جادویی هستند که افزایش انرژی اتصال نوکلئون ها را در هسته تعیین می کند. سپس منطقه عناصر رادیواکتیو می آید که در میان آنها توریم و اورانیوم پایدارترین هستند. نیمه عمر آنها با سن سیاره ما قابل مقایسه است. با حرکت به سمت عناصر سنگین تر، طول عمر هسته ها به شدت کاهش می یابد. شبه جزیره عناصر رادیواکتیو دارای مرزهای مشخص است. این تئوری پیش بینی می کرد که "شبه جزیره" با "جزایر ثبات" دنبال می شود. آنها در منطقه عناصر بسیار سنگین قرار خواهند گرفت که هسته آنها با نوترون غنی شده است.

تلاش برای به دست آوردن این هسته ها در شارهای نوترونی قدرتمند ناموفق بود. از سوی دیگر، در واکنش‌هایی با یون‌های سنگین، از دهه 50 میلادی، امکان سنتز 12 عنصر مصنوعی با اعداد اتمی بیش از 100 وجود داشت. اجازه دهید به این سؤال پاسخ دهید: جهان با یک هسته رادیواکتیو به پایان می رسد یا یک «جزیره ثبات» از عناصر حتی سنگین تر - فوق سنگین به دنبال خواهد داشت.

دانشمندان با استفاده از پرتوهای یون‌های شتاب‌دار ایزوتوپ کلسیم-48 و انتخاب عناصر مصنوعی به‌عنوان هدف - ایزوتوپ‌های سنگین پلوتونیوم و کوریم که در راکتورهای قدرتمند به‌دست می‌آیند، موفق شدند فقط به مرزهای این فرضی «جزیره ثبات» نزدیک شوند و در حال حاضر برای شناسایی اینجا هستند. افزایش قابل توجهی در پایداری عناصر فوق سنگین. آزمایش ها ادامه دارد، عنصر 118 در ردیف بعدی قرار دارد.

بعدش چی؟ موفقیت به دست آمده باعث ایجاد ایده های جدیدی برای توسعه فضای باز ناشناس شد. اول از همه، ما می خواهیم هسته های عناصر فوق سنگین (SHE) را در مقادیر زیاد بدست آوریم. البته، حقیقت کشف یک عنصر جدید تنها از دو اتم مشاهده شده قابل توجه است، اما تعداد بسیار بیشتری برای مطالعه کاملتر مورد نیاز است. ایجاد تأسیسات آزمایشی اساساً جدید و کارآمدتر ضروری است. کار طراحی نیم سال طول کشید و در حال حاضر آزمایشگاه در حال اجرای پروژه ای برای ایجاد تحلیلگر جرمی اتم های فوق سنگین (MASHA) است. هیچ مشابهی از چنین مجموعه آزمایشی در جهان وجود ندارد. با راه اندازی آن، دانشمندان انتظار دارند ده ها اتم SHE را دریافت کنند و خواص آنها را به طور گسترده تری مطالعه کنند. پروژه DRIBs نیز در حال اجرا است که در آن دو شتاب دهنده قدرتمند در یک مجموعه واحد ترکیب می شوند که امکان شتاب دادن به اتم های ایزوتوپ های رادیواکتیو، به ویژه قلع-132 را فراهم می کند. این امر اساساً امکانات جدیدی را برای سنتز SHEs فراهم می کند.

Minatom سازمان های خود را به این برنامه متصل کرد و بودجه لازم (15 میلیون روبل سالانه به مدت 4 سال) را اختصاص داد. وزارت علوم کمک مالی ویژه ای به مبلغ 1 میلیون روبل اختصاص داد. RAO ES حق انحصاری برای تخصیص برق برای تغذیه شتاب دهنده ها در طول آزمایشات را دریافت کرد. آمریکایی ها از لیورمور پلوتونیوم 244 را رایگان ارسال کردند. فرماندار منطقه مسکو، BV Gromov، بودجه ای را از ذخیره خود به موسسه مشترک تحقیقات هسته ای برای تامین مالی تحقیقات در مورد عناصر فوق سنگین اختصاص داد (10 میلیون روبل در سال 2001 و 15 میلیون روبل در سال 2002). شکی نیست که منابع فکری و فنی انباشته شده در دوبنا و سایر مراکز مشابه روسیه باید برای توسعه فرآیندهای مدرن با فناوری پیشرفته و علم فشرده مورد استفاده قرار گیرد که به تنهایی می تواند رقابت پذیری محصولات روسیه را در بازار جهانی تضمین کند. آینده.

کتابشناسی - فهرست کتب

Bohr N., Wheeler J. The Mechanism of Nuclear Fission//Phys. کشیش 1939. شماره 56.

Flerov G. N., Petrzhak K. A. شکافت خود به خودی 238 U//Phys. کشیش 1940. شماره 58; جی فیزیک اتحاد جماهیر شوروی 1940. شماره 3.

اوگانسیان یو. Ts.، Yeremin A. V.، Popeko A. G. و همکاران. سنتز هسته های عنصر فوق سنگین 114 در واکنش القا شده توسط 48 Ca//Nature. 1999. شماره 400.

اوگانسیان یو. Ts.، Utyonkov V. K.، Lobanov Yu. V. و همکاران سنتز هسته های فوق سنگین در واکنش 48 Ca + 244 Pu // Phys. کشیش Lett. 1999. شماره 83.

اوگانسیان یو. Ts.، Yeremin A. V.، Popeko A. G. و همکاران. مشاهده زوال 292 116//Phys. کشیش 2001. C 63. 011301/1–011301/2.

دانشمندان دانشگاه نیو ساوت ولز (استرالیا) و دانشگاه ماینز (آلمان) پیشنهاد کردند که یکی از غیرمعمول ترین ستاره ها (در میان ستاره شناسان شناخته شده) حاوی عناصر شیمیایی جزیره پایداری است. اینها عناصری هستند که در انتهای جدول تناوبی قرار دارند، آنها با طول عمر بیشتری از همسایگان خود در سمت چپ متمایز می شوند. این مطالعه در کتابخانه الکترونیکی پیش چاپ arXiv.org منتشر شده است و در مورد نتایج آن و عناصر شیمیایی فوق سنگین پایدار صحبت می کند.

ستاره HD 101065 در سال 1961 توسط ستاره شناس لهستانی-استرالیایی آنتونین پرزیبلسکی کشف شد. در فاصله حدود 400 سال نوری از زمین در صورت فلکی قنطورس قرار دارد. به احتمال زیاد، HD 101065 سبکتر از خورشید است و یک ستاره دنباله اصلی، یک زیر غول است. یکی از ویژگی های ستاره پرزیبلسکی میزان بسیار کم آهن و نیکل در جو است. در عین حال، این ستاره سرشار از عناصر سنگین از جمله استرانسیم، سزیم، توریم، ایتربیوم و اورانیوم است.

ستاره پرزیبلسکی تنها ستاره ای است که در آن عناصر رادیواکتیو کوتاه مدت، اکتینیدها، با عدد اتمی (تعداد پروتون های موجود در هسته) از 89 تا 103 یافت شد: اکتینیم، پلوتونیوم، آمریکیوم و انیشتینیم. HD 101065 مشابه HD 25354 است، اما وجود آمریکیوم و کوریم در آنجا مشکوک است.

مکانیسم تشکیل عناصر فوق سنگین در ستاره پرزیبلسکی هنوز به طور کامل شناخته نشده است. فرض بر این بود که HD 101065، همراه با یک ستاره نوترونی، یک سیستم دوتایی را تشکیل می دهد - ذرات از دوم به اول می افتند و واکنش های همجوشی عناصر سنگین را برمی انگیزند. این فرضیه هنوز تایید نشده است، اگرچه ممکن است یک همراه کم نور در فاصله حدود هزار واحد نجومی از HD 101065 قرار گرفته باشد.

عکس: N. Dautel / Globallookpress.com

HD 101065 بیشترین شباهت را به Ap-stars دارد، نورهای عجیب و غریب (عجیب) از کلاس طیفی A، که در طیف آنها خطوط فلزات کمیاب خاکی افزایش یافته است. آنها میدان مغناطیسی قوی دارند، عناصر سنگین در جو آنها از اعماق می آیند. HD 101065 با سایر ستاره های Ap در تغییرات کوتاه مدت در منحنی نور متفاوت است، که به آن اجازه می دهد در گروه جداگانه ای از ستاره های RoAp (ستارگان Ap در حال نوسان سریع) قرار گیرد.

این احتمال وجود دارد که تلاش‌های دانشمندان برای تطبیق HD 101065 در طبقه‌بندی موجود ستارگان، روزی با موفقیت به پایان برسد. در حالی که ستاره پرزیبلسکی یکی از غیرمعمول‌ترین ستاره‌ها به حساب می‌آید، این دلیلی برای شک به وجود تعدادی ویژگی غیرعادی ایجاد می‌کند. به ویژه، در آخرین کار روی HD 101065، محققان استرالیایی و آلمانی فرض کردند که عناصر شیمیایی متعلق به جزیره پایداری در ستاره پرزیبلسکی متولد شده اند.

دانشمندان از مدل پوسته هسته و امتداد آن استفاده کردند. این مدل، پایداری هسته اتم را به پر شدن سطوح انرژی پوسته ها مرتبط می کند، که بر اساس قیاس با لایه های الکترونی اتم، هسته را تشکیل می دهند. هر نوترون و پروتون روی پوسته خاصی قرار دارند (فاصله از مرکز اتم یا سطح انرژی) و به طور مستقل از یکدیگر در یک میدان خودسازگار خاص حرکت می کنند.

اعتقاد بر این است که هر چه سطوح انرژی هسته پرتر باشد، ایزوتوپ پایدارتر است. این مدل به خوبی پایداری هسته‌های اتمی، اسپین‌ها و گشتاورهای مغناطیسی را توضیح می‌دهد، اما فقط برای هسته‌های تحریک نشده یا سبک و با جرم متوسط ​​قابل استفاده است.

با توجه به مدل پوسته، هسته هایی با پوسته های انرژی کاملاً پر شده با پایداری بالا مشخص می شوند. چنین عناصری «جزیره ثبات» را تشکیل می دهند. با ایزوتوپ هایی با شماره سریال 114 و 126 شروع می شود که مربوط به اعداد جادویی و جادویی مضاعف است.

هسته هایی با تعداد جادویی نوکلئون (پروتون و نوترون) قوی ترین انرژی اتصال را دارند. در جدول نوکلیدها، آنها به صورت زیر مرتب شده اند: تعداد پروتون ها به صورت افقی از چپ به راست به ترتیب صعودی و تعداد نوترون ها به صورت عمودی از بالا به پایین نشان داده شده است. در یک هسته جادویی مضاعف، تعداد پروتون ها و نوترون ها برابر با مقداری جادویی است.

نیمه عمر ایزوتوپ های فلروویوم (عنصر 114) به دست آمده در دوبنا تا 2.7 ثانیه است. طبق این تئوری، باید ایزوتوپ فلروویوم-298 با تعداد جادویی نوترون N=184 و طول عمر حدود ده میلیون سال وجود داشته باشد. هنوز نمی توان چنین هسته ای را سنتز کرد. برای مقایسه، نیمه عمر عناصر همسایه با تعداد پروتون های موجود در هسته برابر با 113 و 115 به ترتیب تا 19.6 ثانیه (برای نیهونیوم-286) و 0.156 ثانیه (برای موسکوویوم-289) است.

نویسندگان مقاله در arXiv.org معتقدند که وجود اکتینیدها در جو HD 101065 به نفع حضور عناصر شیمیایی از جزیره پایداری در همان مکان است. اکتینیدها در این مورد محصول فروپاشی عناصر فوق سنگین پایدار هستند. دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که طیف HD 101065 را برای یافتن آثاری از نوبلیم، لاورنسیم، نیهونیوم، فلروویوم جستجو کنند و طیف‌های خاصی را توصیف کنند که می‌توانند ایزوتوپ‌های پایدار تولید کنند.

در حال حاضر، عناصر جدید جدول تناوبی در روسیه، ایالات متحده آمریکا، ژاپن و آلمان در حال سنتز هستند. در زمین، عناصر ترانس اورانیوم در محیط طبیعی یافت نشده است. ستاره HD 101065 ممکن است فرصت‌های جدیدی را برای آزمایش نظریه‌های فیزیکدانان هسته‌ای که وجود جزیره‌ای از ثبات را نشان می‌دهند، ارائه دهد.

الف لوین

در راه جزیره ثبات

دانشمندان هفت دهه است که با 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 فقط 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.

پاییز گذشته، مطبوعات جهان با گزارش هایی مبنی بر دریافت کاملاً قابل اعتماد عنصر فوق سنگین دیگر، 118، منتشر شد. قابل اعتماد بودن 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 سرپرستی 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 بشمارند. 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 - به عنوان مثال، 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 (اما 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 صرفاً 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). فروپاشی بتا همچنین ذرات خنثی فوق العاده سبک و فوق نافذ - نوترینوها را منتشر می کند (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 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 اختلاف اندک 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. این در واقع چنین است، اجازه دهید واقعیت 2 خود را تکرار نکنیم. 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 دیگر از شرایط خاص بستگی دارد که در اینجا مورد بحث قرار نمی گیرد.

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 طول تجزیه و تحلیل رادیوشیمیایی نمونه‌های ماده جمع‌آوری‌شده در منطقه مرجانی اقیانوس آرام Eniwetok شناسایی شدند، جایی که آمریکایی‌ها در 1 نوامبر 1952 بار گرما هسته‌ای 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 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

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 خودبخودی (a)، واپاشی α (b)، فروپاشی β (c) و برای تمام فرآیندهای فروپاشی ممکن (d) آورده شده است. پایدارترین هسته نسبت به شکافت خود به خودی (شکل 4a) هسته ای با Z = 114 و N = 184 است. نیمه عمر آن نسبت به شکافت خود به خودی 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 ها 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، آنها 10 5 سال هستند. 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.