Физика экзотических ядер

Ю.Э.Пенионжкевич
Московский инженерно-физический институт

Опубликовано в Соросовском образовательном журнале , N 1, 1995 г. Содержание

---

Сверхтяжелые ядра

    Последний элемент, существующий в природе, - это уран, заряд которого или порядковый номер в периодической таблице Д.И. Менделеева составляет 92. Все элементы с Z > 92 синтезированы искусственно с использованием интенсивных потоков нейтронов или пучков ускоренных тяжелых ионов. Нейтронный метод синтеза новых элементов, использующий потоки нейтронов из реакторов или ядерных взрывов, дал возможность синтезировать новые элементы вплоть до фермия (Z = 100). Метод этот основан на последовательном захвате нейтронов ядрами урана. Например, ядро урана-238 поглощает нейтроны, превращается в ядро урана-239, которое испытывает электронный распад и превращается в ядро 93-го элемента - нептуния-239. Если облучение в реакторе проводится достаточно длительное время (год или более), то за это время в образце накопятся ядра не только нептуния, но и следующих за ним элементов. Например, нептуний-239 может в результате электронного распада превратиться в 94-й элемент - плутоний-239. Затем ядро этого элемента захватывает два нейтрона, после чего плутоний-241 испытывает электронный распад и превращается в ядро 96-го элемента - америция и т.д. Однако ядра тяжелее 100-го элемента - фермия нейтронным методом синтезировать не удалось. Принципиальное ограничение на синтез новых элементов таким способом связано с существованием других типов распада в цепочке образующихся ядер, например, спонтанного деления, которое разрывает цепочку ядер, образующихся после захвата нейтронов. Восемь элементов, завершающих первую сотню периодической таблицы, были открыты американскими учеными с использованием нейтронного метода.

    Дальнейшее продвижение в область трансфермиевых элементов стало возможным лишь с появлением ускорителей тяжелых ионов. При слиянии двух ядер может образоваться новое ядро с зарядом, равным сумме зарядов двух ядер. Эти так называемые реакции полного слияния, о которых говорилось выше, были успешно реализованы на ускорителях тяжелых ионов. И почти одновременно в России (в Дубне) и в Америке (в Беркли) в пятидесятые годы был начат синтез новых трансфермиевых элементов в реакциях с тяжелыми ионами. Позднее в эти работы включились немецкие исследователи из Дармштадта. Построенный в Дубне в 1961 году в Лаборатории ядерных реакций, возглавляемой академиком Г.Н.Флеровым, циклотрон являлся по своим характеристикам рекордным ускорителем. На этом циклотроне были получены самые интенсивные в мире пучки ускоренных тяжелых ионов. Уже позже, в восьмидесятые годы в этой же Лаборатории был построен более мощный циклотрон У-400. Таким образом, три лаборатории мира - в Дубне, Беркли и Дармштадте активно занялись синтезом элементов "второй сотни" с использованием реакций с тяжелыми ионами. Эксперименты были чрезвычайно сложными. Из миллиардов образующихся ядер нового элемента выживало лишь одно. Все остальные быстро распадались путем деления на два осколка, испускания нейтронов и заряженных частиц. Кроме этого, новые трансфермиевые ядра имели время жизни порядка секунд (для Z = 101-103) и оно катастрофически уменьшалось с увеличением порядкового номера элемента (см. рис. 4). История открытия каждого элемента хорошо описана в книге "Популярная библиотечка химических элементов". Поэтому не останавливаясь на описании этих захватывающих, а порой и драматических исследований, хотелось бы рассказать лишь о последних работах в этой области, давших существенный толчок для дальнейшего продвижения в область сверхтяжелых элементов с Z = 110-114.
    Еще в 1966 году советским теоретиком В.М. Струтинским было предсказано сильное увеличение стабильности (времени жизни) ядер вблизи магических чисел 114 для протонов и 184 для нейтронов (114-й элемент с числом нейтронов 184). Эти предсказания основывались на оболочечной модели, в которой ядро рассматривается как ряд последовательно заполняемых протонных и нейтронных оболочек. Ядра с замкнутыми оболочками, имеющими число протонов или нейтронов 2, 8, 20, 50, 82, 126, отличаются от своих соседей повышенной стабильностью. Последним известным дважды магическим ядром является изотоп свинца-208 (82 протона и 126 нейтронов). Как показали теоретические расчеты, магическими числами являются также 114 для протонов и 184 для нейтронов. Изотопы вблизи следующего за свинцом-208 дважды магического ядра 114-298 должны обладать повышенной стабильностью и именно здесь можно ожидать нового увеличения времени жизни сверхтяжелых элементов.
    Поиски сверхтяжелых элементов велись более десятка лет. Их искали даже в природных и космических объектах, надеясь, что их время жизни составляет миллионы лет (теоретические расчеты не отрицают существования столь долгоживущих ядер). Однако только в 1994 году был сделан значительный шаг, дающий физикам надежду, что они близки к открытию новой области стабильности сверхтяжелых ядер. Почти одновременно в Дубне и Дармштадте были проведены эксперименты по синтезу 110-го элемента. В Дармштадте использовалась реакция так называемого "холодного синтеза". Этот метод синтеза был предложен в Дубне в 1973 году чл. кор. РАН Ю.Ц. Оганесяном и заключался в том, что для получения новых ядер в качестве ядер мишени и бомбардирующих ядер используют магические ядра. Эти ядра обладают повышенной стабильностью, потому что нуклоны в них связаны особенно прочно. При слиянии таких ядер большая часть избыточной энергии бомбардирующего ядра расходуется на "распаковку" составного ядра, а на его нагревание идет лишь малая часть. В реакции образуются "холодные" составные ядра. В отличие от "горячих", "холодные" ядра "остывают" путем испарения не четырех или пяти, а только одного или двух нейтронов. В этом случае количество ядер, "выживших" в конкуренции с делением образовавшегося тяжелого ядра, увеличивается в 100-1000 раз.
    В Дармштадте мишень из свинца-208 облучалась ядрами никеля-62, что приводило к образованию НО элемента с числом нейтронов - 159. В Дубне использовалась реакция "горячего" слияния, в которой мишень из плутония-244 облучалась ядрами серы-34. Этот эксперимент проводился на ускорителе в Дубне совместно с Ливерморской лабораторией (США), которая предоставила для экспериментов плутониевую мишень высокого качества. В экспериментах было зарегистрировано несколько атомов НО элемента с числом нейтронов 163. Оцененный по этим нескольким наблюдениям период полураспада показал, что он гораздо выше того, что можно было ожидать из экстраполяции свойств ядер с Z = 100-104. На рис.4 эти значения представлены в общей систематике времени жизни для спонтанного деления. Видно значительное увеличение стабильности тяжелых изотопов 106,108 и 110-го элементов вблизи числа нейтронов, равного 162. Физики считают, что это обусловлено существованием еще одной нейтронной оболочки, связанной с деформацией ядра. Таким образом, был осуществлен выход на новую область стабильности и окончательным ответом на вопрос о ее существовании будет синтез 114 элемента. Эксперименты в этом направлении готовятся в Дубне и Дармштадте.
    Между тем Международный Союз чистой и прикладной химии три года назад создал специальную международную комиссию, которая рассмотрела вопрос о приоритете в открытии трансфермиевых элементов и сделала предложения относительно их наименований. До этого каждая группа физиков давала свои названия вновь открытым химическим элементам. Комиссия предложила следующие названия и символы: Элемент Название Символ

Эти названия еще подлежат утверждению генеральной ассамблеей Международного союза чистой и прикладной химии. Но уже сейчас ясно, что заслуги физиков Дубны в открытии новых элементов признаны - 104-й элемент предлагается назвать Дубнием.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: ядерная физика Публикации со словами: ядерная физика
См. также: 115-й элемент - преддверие "острова стабильности"? Водород 7H Теоретическая группа астрофизики, ядерной физики и физики частиц Базельского Университета (The Theoretical Astro-, Nuclear- and Particle Physics Group, University of Basel)