Последние новости науки
 
Новые трансурановые элементы  

Химические элементы с порядковыми номерами 116 и 118 впервые созданы на циклотроне в Берклеевской лаборатории в экспериментах по обстрелу свинцовой мишени ионами криптона с энергиями примерно 450 МэВ. Менее чем через 1 мс после своего образования, ядро элемента 118 испускало альфа-частицу, превращаясь в изотоп 116 с массовым числом 289. Элемент 116 также радиоактивен, он испытывает альфа-распад и превращается в элемент 114. Цепочка распадов продолжается вплоть до образования элемента 106. В течение 11 дней эксперимента подобная цепочка распадов наблюдалась три раза и, соответственно, было получено 3 атома элемента 118. 

Трансурановые элементы нестабильны и быстро распадаются, однако теория предсказывает существование "острова стабильности" для тех элементов, которые имеют примерно 114 протонов и 184 нейтрона, такие элементы должны иметь относительно большое время полураспада. Измерение времен распада каждого из элемента цепочки подтвердило предсказанное существование "острова стабильности". Описываемые 
эксперименты были инициированы расчетами польских физиков, которые показали принципиальную возможность создания сверхтяжелых элементов с помощью использованной экспериментальной методики. 

(по материалам журнала "Успехи физических наук" 1999, N7). 

Подробнее: 
"Успехи физических наук" 1996, N9, с.943, 
"Nature", 397, 289 (1999); 
"Phys. World" 12 (2) 7 (1999); 12 (3) 19 (1999). 
 

В погоне за далекими трансуранами: 112, 114, 118... - кто следующий? 

Периодическая система элементов продолжает расти. Различные группы в разных лабораториях мира продолжают синтезировать все более и более далекие трансурановые элементы - элементы, которые не встречаются в природе, но могут быть получены искусственно, в ядерных реакциях по слиянию двух более легких ядер. Так, в 1996 году группа из Дармштадта [4], Германия, синтезировала элемент 112; элемент 114 был открыт только в январе этого года в Дубне [2], и вот совсем недавно появилось сообщение об открытии еще двух элементов - 116 и 118 [1]. 

Непосвященному читателю подобные открытия могут показаться малоосмысленным занятием, особенно если учесть, что все эти элементы получаются в количестве нескольких штук и распадаются за доли миллисекунды, так что никакой пользы от них народному хозяйству нет. Почему же тогда научная общественность проявляет к этим экспериментам такой стойкий интерес? Попробуем в этом разобраться. 

Всякий эксперимент делается не на пустом месте. Исследователь всегда понимает, в чем состоит задача эксперимента, ответ на какой вопрос должен быть получен. И многочисленные опыты последних лет по синтезу сверхтяжелых ядер тоже преследовали вполне конкретные цели. Если описать это одним предложением, то эти и подобные им эксперименты нацелены на то, чтобы глубже понять фундаментальное устройство нашего мира, и проверить, насколько хорошо (или плохо) современная физика описывает реальность. 

Итак, прежде всего - мотивация: что же хотят извлечь ученые из экспериментов по рождению сверхтяжелых ядер? Во-первых, протоны и нейтроны, будучи микроскопическими частицами, описываются квантовой механикой. Раньше, в первой половине ХХ века, практически единственным объектом исследования квантовой механики был атом. Именно в атоме, в его электронной структуре, квантово-механические эффекты проявляются в чистом виде, не будучи искаженными внешним воздействием. По этой причине, атом был (и остается) прекрасным полигоном для проверки предсказаний квантовой механики. 

Однако, несмотря на разнообразие электронных оболочек, принципиально взаимодействие между электронами и атомным ядром представляет собой все тот же обычный кулоновский потенциал. В отличие от этого, в атомном ядре нуклоны (протоны и нейтроны) связаны между собой силами совершенно иной природы. Они (нуклоны) движутся в другом потенциале, взаимодействие между их спинами куда сильнее, чем спин-спиновое взаимодействие между электроном и ядром. Поэтому, атомное ядро - это еще один важный объект для проверки того, насколько верно и точно квантовая теория описывает реальность. По счастью, атомные ядра имеют много экспериментально наблюдаемых величин, предсказания для которых могут быть даны и теорией. Это массы ядер, их энергия связи, их спин, электрические и магнитные дипольные и квадрупольные моменты, их взаимодействие с рентгеновским излучением, их нестабильность, периоды полураспада, способность к ядерным реакциям и многое другое. В каждом ядре все это проявляется своим особым образом. Поэтому, чем больше ядер будет исследовано - тем лучше. 

Во-вторых, изучая атомное ядро, мы неизбежно изучаем и природу ядерных сил. Полного понимания всех явлений, связанных с природой сильного ядерного взаимодействия, нет и по сей день. Вполне может оказаться, что внутренняя структура протонов и нейтронов тоже существенным образом сказывается на силах, удерживающих их в ядре. До сих пор предлагаются все новые и новые модели ядерного потенциала; эти модели иногда дают существенно различающиеся предсказания для наблюдаемых величин. Проверка этих моделей на новых ядрах всегда была хорошим тестом их жизнеспособности. 

В-третьих, то, что является основной головной болью теоретиков - атомное ядро представляет собой пример сильно скоррелированной системы многих частиц. Это означает, что нуклоны не живут в ядре самостоятельной жизнью. Воздействие нуклонов друг на друга настолько значительно, что их движение оказывается сильно скоррелированным, т.е. существенно зависящим друг от друга, а вовсе не независимым. Квантовые и релятивистские эффекты только усугубляют проблему. 

Для теоретического описания ядер, эта трудность куда более сурова, чем все предыдущие. Здесь вопрос стоит не о конкретной модели ядерных сил, а о том, с какой стороны и как вообще подходить к описанию сильно скоррелированной системы многих частиц. По сути, это один из самых сложных вопросов теоретической физики. Конечно, теоретики разработали определенный набор подходов для решения такого рода проблем, но попытки применить их к ядру наталкиваются на несколько необычную трудность - в атомном ядре слишком МАЛО нуклонов. Оказывается, все эти подходы хорошо работают для очень большого числа частиц, скажем, миллион. А в ядрах, даже в самых тяжелых, их всего лишь 300. Именно поэтому теоретики проявляют сильный интерес к сверхтяжелых ядрам, т.е. системам с как можно большим числом частиц. 

И, наконец, самое интригующее - остров стабильности. Квантовая механика уже давно предсказывала существование особо устойчивых (так называемых, магических) ядер, т.е. ядер, в которых число протонов Z или нейтронов N (или и тех, и других) равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126 и т.д. (Не пытайтесь искать в этих числах очевидную закономерность! Эти числа - результат нетривиального расщепления и перекрытия энергетических уровней, отвечающих состояниям с разными значениями углового момента.) В рамках оболочечной модели ядра эти числа отвечают полностью заполненным протонным или нейтронным оболочкам. (Вспомним, что в атомах полностью заполненные электронные оболочки соответствовали химически инертным элементам!) 

До сих пор это предсказание оправдывалось. Последнее дважды магическое ядро - 208Pb82 - в самом деле отличается от своих соседей по таблице гораздо большей энергией связи. Следующее по списку дважды магическое ядро - элемент 298114 (Z = 114, N = 184). Однако теперь, в области сверхтяжелых ядер, все карты может спутать радиоактивность трансурановых элементов: взаимное электростатическое отталкивание протонов становится настолько сильным, что ядерное взаимодействие уже не может удержать все нуклоны вместе. Поэтому вопрос о том, что перевесит - электростатические силы отталкивания или стабилизирующее влияние полностью заполненных оболочек - так и остается открытым по сей день; теория дать окончательного ответа пока не может. Именно поэтому ученые так мечтали достичь этого острова стабильности. И, судя по последним результатам, эта мечта сбывается. 

Типичная методика эксперимента. 

На сегодняшний день существует несколько принципиальных методик получения трансурановых элементов. Элементы с Z = 93 - 100 были синтезированы в экспериментах по облучению урановой мишени Z = 92 мощными потоками нейтронов. Ядра урана захватывали несколько нейтронов, часть из которых превращалась в протоны за счет бета-распада, и таким образом превращалось в ядро другого химического элемента, с большим значением Z. Этот способ, однако, практически бесполезен для получения ядер с Z > 100. Более тяжелые элементы удалось синтезировать при помощи потоков альфа-частиц или других легких ядер. 

В недавних экспериментах по синтезу элементов 114 и 118 использовалась та же самая методика. К примеру, для получения элемента 118 мишень из 208Pb бомбардировалась пучком ионов 86Kr [1]. После слияния ядер Kr и Pb образовывалось одно возбужденное ядро, которое испускало нейтрон, сбрасывая таким образом лишнюю энергию, и переходило в основное состояние, отвечающее элементу 293118. Это ядро затем отделялось от основного пучка с помощью магнитного спектрометра и попадало в детектор. В детекторе оно в течение нескольких миллисекунд испытывало серию превращений, испуская алфа-частицы: 293118  289116  285114  281112  277110  273Hs  269Sg. Именно по характерной последовательности шести альфа-частиц экспериментаторы и делали вывод о наличии исходного ядра элемента 118. 

Надо сказать, что весь эксперимент представлял собой технически достаточно сложную задачу. За 11 дней на свинцовую мишень попало около 2.3∙1018 (!!!) ионов Kr86, и только в трех (!!!) случаях образовывалось нужное ядро. Выделить из миллиарда миллиардов разнообразных ядер нужные и надежно их зарегистрировать - задача далеко не простая! 

Выводы и перспективы. 

Итак, казалось бы, остров стабильности достигнут, элемент 114 и его соседи синтезированы. Однако, это еще не совсем то, что хотелось бы. В самом деле, все ядра, получаемые в такого типа реакциях, имеют сильный дефицит нейтронов. Действительно, особо устойчивое дважды магическое ядро элемента 114 должно иметь N = 184 нейтрона, в то время как в описанном выше эксперименте был получен изотоп элемента 114 с N =171. Именно из-за такого сильного избытка протонов по сравнению с нейтронами ядро становится сильно неустойчивым и сбрасывает лишние протоны через испускания альфа-частиц. По этой причине и время жизни изотопа элемента 114 в этой реакции было порядка 0.8 мс. 

Однако, в эксперименте [2] по синтезу элемента 114 с N = 175, его время жизни составляло уже 5 секунд, что есть практически вечность по ядерным масштабам. Именно поэтому есть все причины ожидать, что изотоп 114 с N = 184 будет долгоживущим, если не совсем стабильным. Если эти надежды оправдаются, и если удастся получить макроскопические количества этого нового элемента, то мы в результате получим совершенно новое вещество, с уникальными свойствами и со своей специфической химией. И такой подарок природы по всей вероятности вполне возможен. 

Однако, на пути к этому, имеются не преодоленные пока трудности, правда, чисто технического плана. Прежде всего, в реакциях слияния двух умеренно тяжелых ядер получаются сверхтяжелые ядра с сильным дефицитом нейтронов. Кажется сложным придумать разумную методику обогащения этих ядер нейтронами в рамках такого экспериментального подхода. 

Есть, правда, другая возможность, предложенная в свое время академиком Флеровым. Если сталкивать ядра достаточно тяжелых элементов (с запасом по Z, скажем, Pb82 на Pb82), то среди осколков вполне могут попасться и интересующие нас ядра. Возможно, этот подход будет взят на вооружение при синтезе более тяжелых ядер. 

Напоследок, хочется отметить еще одну задачу, которая может быть исследована с помощью сверхтяжелых ядер - спонтанное рождение электрон-позитронных пар из вакуума в области очень сильного электрического поля (которое как раз и существует вблизи сверхтяжелых ядер). Этот эффект также давно предсказывается квантовой электродинамикой, однако экспериментально обнаружен еще не был. Для наблюдения этого эффекта потребуются сверхтяжелые ядра с Z > 137. В свете последних новостей этот рубеж уже кажется не таким уж недостижимым. 

Ссылки и дополнительная литература. 

  • [1] Observation of Superheavy Nuclei Produced in the Reaction of 86Kr with 208Pb , V. Ninov et al.; Physical Review Letters, Volume 83, Issue 6, pp. 1104-1107 
В этой статье сообщается об успешном синтезе ядер с Z = 118 и подробно описывается эксперимент. 
  • [2] OGANESSIAN, YU. TS., YEREGMIN, A. V. et al (19) Synthesis of nuclei of the superheavy element 114 in reactions induced by 48Ca; Nature 400, 242-245 (07-15-1999) letters to Nature
Рассказывается о синтезе изотопа с 114 протонами и 173 нейтронами путем облучения 242Pu мишени ионами 48Ca. Период полураспада изотопа оказался порядка 5 секунд. Возможно, статья появится в журнале "Природа". 
  • [3] Shell structure of superheavy nuclei in self-consistent mean-field models, M. Bender, et al, Phys.Rev. C60 (1999) 034304, nucl-th/9906030 
Ядерная оболочечная структура исследуется в рамках релятивистских моделей самосогласованного поля при различных параметризациях. В зависимости от конкретной параметризации, дважды магические ядра приходятся на (Z = 114, N = 184), (Z = 120, N = 172), или (Z = 126, N = 184). В целом, работа иллюстрирует теоретический подход, имеет много данных, графиков, справочный материал.  Рассказ об открытии 112 элемента на школьном уровне.  Описание эксперимента по рождению 118 элемента и детали эксперимента.  История элемента 118.  История элемента 118. 

 

[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение
 

 
vlad@ssl.nsu.ru