Blei und Wismut sind die schwersten stabilen Elemente. Transuranische Elemente
Als Dmitri Iwanowitsch Mendelejew vor anderthalb Jahrhunderten das Periodengesetz entdeckte, waren nur 63 Elemente bekannt. In einer Tabelle angeordnet, ließen sie sich leicht in Perioden einteilen, die jeweils mit aktiven Alkalimetallen beginnen und (wie sich später herausstellte) mit inerten Edelgasen enden. Seitdem hat sich die Größe des Periodensystems fast verdoppelt und mit jeder Erweiterung wurde das Periodengesetz immer wieder bestätigt. Rubidium erinnert auch an Kalium und Natrium, wie Xenon an Krypton und Argon; unter Kohlenstoff befindet sich Silizium, das diesem sehr ähnlich ist... Heute ist bekannt, dass diese Eigenschaften durch die Anzahl der um den Atomkern rotierenden Elektronen bestimmt werden .
Sie füllen die „Energiehüllen“ des Atoms eine nach der anderen, wie Zuschauer, die im Theater ihre Plätze in der richtigen Reihenfolge einnehmen: Wer zuletzt war, entscheidet Chemische Eigenschaften das gesamte Element. Ein Atom mit einer vollständig gefüllten letzten Schale (wie Helium mit seinen beiden Elektronen) ist träge; Ein Element mit einem „zusätzlichen“ Elektron (wie Natrium) geht aktiv chemische Bindungen ein. Die Anzahl der negativ geladenen Elektronen in Umlaufbahnen hängt mit der Anzahl der positiven Protonen im Atomkern zusammen, und es ist die Anzahl der Protonen, die verschiedene Elemente unterscheidet.
Allerdings kann es im Kern desselben Elements eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen geben; sie haben keine Ladung und sie haben keinen Einfluss auf die chemischen Eigenschaften. Abhängig von der Anzahl der Neutronen kann Wasserstoff jedoch schwerer sein als Helium und die Masse von Lithium kann sieben statt der „klassischen“ sechs Atomeinheiten erreichen. Und wenn sich die Liste der heute bekannten Elemente der 120-Marke nähert, dann hat die Zahl der Kerne (Nuklide) 3000 überschritten. Die meisten von ihnen sind instabil und zerfallen nach einiger Zeit, wobei sie beim radioaktiven Zerfall „zusätzliche“ Teilchen freisetzen. Noch mehr Nuklide können grundsätzlich nicht existieren und zerfallen sofort in Stücke. Somit ist ein Kontinent stabiler Kerne von einem ganzen Meer instabiler Kombinationen aus Neutronen und Protonen umgeben.
Meer der Instabilität
Das Schicksal des Kerns hängt von der Anzahl der darin enthaltenen Neutronen und Protonen ab. Nach der bereits in den 1950er Jahren aufgestellten Schalentheorie des Kernaufbaus verteilen sich die darin enthaltenen Teilchen auf ihren Energieniveaus auf die gleiche Weise wie Elektronen, die um den Kern rotieren. Einige Anzahlen von Protonen und Neutronen ergeben besonders stabile Konfigurationen mit vollständig gefüllten Protonen- oder Neutronenhüllen – 2, 8, 20, 28, 50, 82, und bei Neutronen sind es auch 126 Teilchen. Diese Zahlen werden „magische“ Zahlen genannt, und die stabilsten Kerne enthalten „doppelt magische“ Teilchenzahlen – Blei hat beispielsweise 82 Protonen und 126 Neutronen, also jeweils zwei in einem normalen Heliumatom, dem zweithäufigsten Element im Universum.
Der aufeinanderfolgende „chemische Kontinent“ der auf der Erde vorkommenden Elemente endet mit Blei. Es folgt eine Reihe von Kernen, die viel jünger sind als das Alter unseres Planeten. In seinen Tiefen können sie nur in geringen Mengen wie Uran und Thorium oder sogar in Spuren wie Plutonium erhalten bleiben. Es ist unmöglich, es aus dem Gestein zu gewinnen, und Plutonium wird künstlich in Reaktoren hergestellt, indem ein Uranziel mit Neutronen bombardiert wird. Überhaupt moderne Physiker Atomkerne werden wie Bauteile behandelt, die dazu gezwungen sind, einzelne Neutronen, Protonen oder ganze Kerne anzulagern. Dies ermöglicht die Gewinnung immer schwererer Nuklide durch die Überquerung der Meerenge des „Meeres der Instabilität“.
Der Zweck der Reise wird durch die gleiche Schalentheorie der Struktur des Kerns nahegelegt. Das ist die Gegend superschwere Elemente mit einer geeigneten (und sehr großen) Anzahl an Neutronen und Protonen, die legendäre „Insel der Stabilität“. Berechnungen besagen, dass einige der lokalen „Bewohner“ möglicherweise für Bruchteile von Mikrosekunden nicht mehr existieren, sondern um viele Größenordnungen länger. „In gewisser Weise können sie als Wassertröpfchen betrachtet werden“, erklärte uns RAS-Akademiker Yuri Oganesyan. — Bis zum Blei sind die Kerne kugelförmig und stabil. Ihnen folgt eine Halbinsel aus mäßig stabilen Kernen – etwa Thorium oder Uran –, die von einem Schwarm stark deformierter Kerne ausgedehnt wird und in ein instabiles Meer übergeht … Aber noch weiter entfernt, jenseits der Meerenge, könnte es eine neue Region geben aus kugelförmigen Kernen, superschweren und stabilen Elementen mit den Nummern 114, 116 und weiteren.“ Die Lebensdauer einiger Elemente auf der „Insel der Stabilität“ kann Jahre oder sogar Millionen von Jahren betragen.
Insel der Stabilität
Durch den Beschuss von Zielen aus Uran, Thorium oder Plutonium mit Neutronen können transuranische Elemente mit ihren deformierten Kernen erzeugt werden. Durch den Beschuss mit leichten, in einem Beschleuniger beschleunigten Ionen kann man nach und nach mehrere noch schwerere Elemente erhalten – doch irgendwann ist die Grenze erreicht. „Wenn wir unterschiedliche Reaktionen – die Hinzufügung von Neutronen, die Hinzufügung von Ionen – als unterschiedliche „Schiffe“ betrachten, werden uns alle nicht dabei helfen, zur „Insel der Stabilität“ zu segeln, fährt Yuri Oganesyan fort. — Dies erfordert ein größeres „Gefäß“ und ein anderes Design. Das Ziel müssten neutronenreiche schwere Kerne künstlicher Elemente sein, die schwerer als Uran sind, und sie müssten mit großen, schweren Isotopen bombardiert werden, die viele Neutronen enthalten, wie etwa Calcium-48.“
Nur ein großes internationales Team von Wissenschaftlern könnte an einem solchen „Schiff“ arbeiten. Ingenieure und Physiker des Kraftwerks Elektrokhimpribor isolierten aus natürlichem Kalzium das äußerst seltene 48. Isotop, das hier in einer Menge von weniger als 0,2 % enthalten ist. Targets aus Uran, Plutonium, Americium, Curium und Kalifornien wurden am Dimitrograd Research Institute of Atomic Reactors, am Livermore National Laboratory und am Oak Ridge National Laboratory in den USA hergestellt. Nun, wichtige Experimente zur Synthese neuer Elemente wurden vom Akademiemitglied Oganesyan am Gemeinsamen Institut für Kernphysik (JINR) im Flerov-Labor für Kernreaktionen durchgeführt. „Unser Beschleuniger in Dubna arbeitete 6.000 bis 7.000 Stunden im Jahr und beschleunigte Calcium-48-Ionen auf etwa 0,1 Lichtgeschwindigkeit“, erklärt der Wissenschaftler. „Diese Energie ist notwendig, damit einige von ihnen beim Auftreffen auf das Ziel die Kräfte der Coulomb-Abstoßung überwinden und mit den Kernen seiner Atome verschmelzen. Beispielsweise wird Element 92, Uran, den Kern eines neuen Elements mit der Nummer 112, Plutonium 114 und Kalifornien 118 erzeugen.“
„Die Suche nach neuen superschweren Elementen ermöglicht es uns, eine der wichtigsten Fragen der Wissenschaft zu beantworten: Wo liegt die Grenze unserer materiellen Welt?“
„Solche Kerne sollten bereits recht stabil sein und nicht sofort zerfallen, sondern nach und nach Alphateilchen und Heliumkerne aussenden. Und wir sind sehr gut darin, sie zu registrieren“, fährt Oganesyan fort. Der superschwere Kern stößt ein Alphateilchen aus und verwandelt sich in ein Element, das zwei Ordnungszahlen leichter ist. Im Gegenzug verliert der Tochterkern ein Alphateilchen und verwandelt sich in ein „Enkelkind“ – vier weitere leichtere Teilchen usw., bis der Prozess des sequentiellen Alphazerfalls mit dem zufälligen Erscheinen und der sofortigen spontanen Spaltung, dem Tod des instabilen Kerns, endet im „Meer der Instabilität“. Mithilfe dieser „Genealogie“ der Alphateilchen verfolgten Oganesyan und seine Kollegen die gesamte Geschichte der Umwandlung der im Beschleuniger erhaltenen Nuklide und skizzierten die küstennahe „Insel der Stabilität“. Nach einem halben Jahrhundert Reise landeten die ersten Menschen darauf.
Neues Land
Bereits im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts wurden bei den Fusionsreaktionen von Aktiniden mit beschleunigten Calcium-48-Ionen Atome von Elementen mit Zahlen von 113 bis 118 am Ufer der „Insel der Stabilität“ am weitesten vom „Festland“ entfernt. , wurden synthetisiert. Ihre Lebensdauer ist bereits um Größenordnungen länger als die ihrer Nachbarn: Beispielsweise wird Element 114 nicht wie das 110. für Millisekunden, sondern für Dutzende und sogar Hunderte von Sekunden gespeichert. „Solche Substanzen stehen der Chemie bereits zur Verfügung“, sagt Akademiemitglied Oganesyan. - Das bedeutet, dass wir zum Anfang der Reise zurückkehren und nun überprüfen können, ob das Periodengesetz von Mendelejew für sie eingehalten wird. Wird Element 112 ein Analogon von Quecksilber und Cadmium sein und Element 114 ein Analogon von Zinn und Blei? Die Ersten chemische Experimente mit dem Isotop des 112. Elements (Copernicium) zeigte: Offenbar werden sie es tun. Während des Bombardements aus dem Ziel ausgestoßene Copernicium-Kerne wurden von Wissenschaftlern in eine lange Röhre geleitet, die 36 Detektorpaare enthielt, die teilweise mit Gold beschichtet waren. Quecksilber bildet mit Gold leicht stabile intermetallische Verbindungen (diese Eigenschaft wird in der alten Vergoldungstechnik genutzt). Daher sollten sich Quecksilber und Atome in seiner Nähe auf der Goldoberfläche der allerersten Detektoren absetzen, und Radon und Atome in der Nähe von Edelgasen können das Ende der Röhre erreichen. Copernicium befolgte gehorsam das Periodengesetz und erwies sich als ein Verwandter des Quecksilbers. Aber wenn Quecksilber das erste bekannte wurde flüssiges Metall, dann könnte Copernicium das erste gasförmige sein: Sein Siedepunkt liegt unter Raumtemperatur. Laut Yuri Oganesyan ist dies nur ein verblasster Anfang, und superschwere Elemente von der „Insel der Stabilität“ werden uns ein neues, helles und ungewöhnliches Gebiet der Chemie eröffnen.
Aber vorerst verweilten wir am Fuße der Insel der stabilen Elemente. Es wird erwartet, dass sich der 120. und die folgenden Kerne als wirklich stabil erweisen und bereits existieren werden lange Jahre oder sogar Millionen von Jahren und bilden stabile Verbindungen. Allerdings ist es nicht mehr möglich, sie mit demselben Calcium-48 zu gewinnen: Es gibt keine ausreichend langlebigen Elemente, die sich mit diesen Ionen zu Kernen der erforderlichen Masse verbinden könnten. Versuche, Calcium-48-Ionen durch etwas Schwereres zu ersetzen, führten ebenfalls zu keinen Ergebnissen. Für neue Recherchen hoben Meeresforscher daher den Kopf und schauten genauer in den Himmel.
Raum und Fabrik
Die ursprüngliche Zusammensetzung unserer Welt war nicht sehr vielfältig: Beim Urknall erschien nur Wasserstoff mit geringen Beimischungen von Helium – dem leichtesten aller Atome. Alle anderen angesehenen Teilnehmer des Periodensystems traten bei Kernfusionsreaktionen, im Inneren von Sternen und bei Supernova-Explosionen auf. Instabile Nuklide zerfielen schnell, während sich stabile Nuklide wie Sauerstoff-16 oder Eisen-54 anreicherten. Es ist nicht verwunderlich, dass schwere instabile Elemente wie Americium oder Copernicium in der Natur nicht vorkommen.
Aber wenn es wirklich irgendwo eine „Insel der Stabilität“ gibt, dann müssten superschwere Elemente zumindest in kleinen Mengen in den Weiten des Universums zu finden sein, und einige Wissenschaftler suchen unter den Teilchen der kosmischen Strahlung nach ihnen. Laut Akademiker Oganesyan ist dieser Ansatz immer noch nicht so zuverlässig wie die guten alten Bombenangriffe. „Die wirklich langlebigen Kerne an der „Spitze“ von Stability Island enthalten Ungewöhnliches große Mengen Neutronen“, sagt der Wissenschaftler. „Deshalb erwies sich neutronenreiches Calcium-48 als so erfolgreicher Kern für den Beschuss neutronenreicher Zielelemente.“ Allerdings sind Isotope, die schwerer als Calcium-48 sind, instabil und die Wahrscheinlichkeit, dass sie unter natürlichen Bedingungen zu superstabilen Kernen verschmelzen, ist äußerst gering.“
Daher wandte sich das Labor in Dubna bei Moskau der Verwendung schwererer Kerne zu, wenn auch nicht so erfolgreich wie Kalzium, um auf künstliche Zielelemente zu schießen. „Wir sind derzeit damit beschäftigt, die sogenannte Fabrik der superschweren Elemente zu errichten“, sagt Akademiemitglied Oganesyan. — Dabei werden dieselben Ziele mit Titan- oder Chromkernen beschossen. Sie enthalten zwei bzw. vier Protonen mehr als Kalzium, was bedeutet, dass sie uns Elemente mit Massen von 120 und mehr liefern können. Es wird interessant sein zu sehen, ob sie noch auf der „Insel“ bleiben oder ob sie dahinter eine neue Meerenge eröffnen.“
Basierend auf verschiedenen theoretischen Modellen wurden die Zerfallseigenschaften superschwerer Kerne berechnet. Die Ergebnisse einer solchen Berechnung sind in Abb. dargestellt. 4. Die Halbwertszeiten gerade-gerade superschwerer Kerne sind relativ zur spontanen Spaltung (a), zum α-Zerfall (b), zum β-Zerfall (c) und für alle möglichen Zerfallsprozesse (d) angegeben. Der stabilste Kern in Bezug auf spontane Spaltung (Abb. 4a) ist der Kern mit Z = 114 und N = 184. Die Halbwertszeit in Bezug auf spontane Spaltung beträgt für ihn ~10 16 Jahre. Bei Isotopen des Elements 114, die sich um 6–8 Neutronen vom stabilsten unterscheiden, verringern sich die Halbwertszeiten um 10–15 Größenordnungen. Die Halbwertszeiten im Verhältnis zum α-Zerfall sind in Abb. dargestellt. 4b. Der stabilste Kern befindet sich in der Z-Region< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.
In Bezug auf den β-Zerfall stabile Kerne sind in Abb. dargestellt. 4c mit dunklen Punkten. In Abb. 4d zeigt die kompletten Halbwertszeiten. Für gerade-gerade Kerne, die sich innerhalb der zentralen Kontur befinden, betragen sie etwa 10 5 Jahre. Unter Berücksichtigung aller Zerfallsarten stellt sich also heraus, dass Kerne in der Nähe von Z = 110 und N = 184 eine „Insel der Stabilität“ bilden. Der Kern 294 110 hat eine Halbwertszeit von etwa 10 9 Jahren. Der Unterschied zwischen dem Z-Wert und der vom Schalenmodell vorhergesagten magischen Zahl 114 ist auf die Konkurrenz zwischen Spaltung (relativ dazu ist der Kern mit Z = 114 am stabilsten) und α-Zerfall (relativ dazu sind Kerne mit niedrigerem Z stabil) zurückzuführen ). Für ungerade-gerade und gerade-ungerade Kerne nehmen die Halbwertszeiten in Bezug auf den α-Zerfall und die spontane Spaltung zu und in Bezug auf den β-Zerfall ab. Es ist zu beachten, dass die obigen Schätzungen stark von den in den Berechnungen verwendeten Parametern abhängen und nur als Hinweis auf die Möglichkeit der Existenz superschwerer Kerne mit ausreichend langer Lebensdauer für ihren experimentellen Nachweis angesehen werden können.
Die Ergebnisse einer weiteren Berechnung der Gleichgewichtsform superschwerer Kerne und ihrer Halbwertszeiten sind in Abb. dargestellt. 5, 11.11. In Abb. Abbildung 11.10 zeigt die Abhängigkeit der Gvon der Anzahl der Neutronen und Protonen für Kerne mit Z = 104-120. Die Verformungsenergie ist definiert als die Differenz zwischen den Energien von Kernen im Gleichgewicht und in Kugelform. Aus diesen Daten geht hervor, dass es in der Region Z = 114 und N = 184 Kerne geben sollte, die im Grundzustand eine Kugelform haben. Alle bisher entdeckten superschweren Kerne (sie sind in Abb. 5 als dunkle Rauten dargestellt) sind deformiert. Helle Diamanten zeigen Kerne, die gegenüber dem β-Zerfall stabil sind. Diese Kerne müssen durch α-Zerfall oder Spaltung zerfallen. Der Hauptzerfallskanal sollte der α-Zerfall sein.
Die Halbwertszeiten für gerade-gerade β-stabile Isotope sind in Abb. dargestellt. 6. Nach diesen Vorhersagen werden für die meisten Kerne viel längere Halbwertszeiten erwartet als für bereits entdeckte superschwere Kerne (0,1–1 ms). Für den Kern 292110 wird beispielsweise eine Lebensdauer von ~51 Jahren vorhergesagt.
So nimmt nach modernen mikroskopischen Berechnungen die Stabilität superschwerer Kerne stark zu, wenn sie sich der magischen Neutronenzahl N = 184 nähern. Bis vor Kurzem war das einzige Isotop eines Elements mit Z = 112 das Isotop 277 112, das eine Halbzahl von Lebensdauer von 0,24 ms. Das schwerere Isotop 283112 wurde in der Kaltfusionsreaktion 48 Ca + 238 U synthetisiert. Bestrahlungszeit 25 Tage. Die Gesamtzahl der 48 Ca-Ionen auf dem Target beträgt 3,5·10 18. Es wurden zwei Fälle registriert, die als spontane Spaltung des resultierenden Isotops 283 112 interpretiert wurden. Die Halbwertszeit dieses neuen Isotops wurde auf T 1/2 = 81 s geschätzt. Somit ist klar, dass eine Erhöhung der Neutronenzahl im Isotop 283112 im Vergleich zum Isotop 277112 um 6 Einheiten die Lebensdauer um 5 Größenordnungen erhöht.
In Abb. Abbildung 7 zeigt die gemessene Lebensdauer der Seaborgium-Isotope Sg (Z = 106) im Vergleich mit den Vorhersagen verschiedener theoretischer Modelle. Bemerkenswert ist die Verringerung der Lebensdauer des Isotops mit N = 164 um fast eine Größenordnung im Vergleich zur Lebensdauer des Isotops mit N = 162.
Die größte Annäherung an die Stabilitätsinsel kann bei der Reaktion 76 Ge + 208 Pb erreicht werden. Bei einer Fusionsreaktion kann ein superschwerer, fast kugelförmiger Kern entstehen, gefolgt von der Emission von γ-Quanten oder einem einzelnen Neutron. Schätzungen zufolge sollte der resultierende 284 114-Kern unter Emission von α-Teilchen mit einer Halbwertszeit von ~ 1 ms zerfallen. Zusätzliche Informationen über die Besetzung der Schale im Bereich N = 162 können durch die Untersuchung der α-Zerfälle der Kerne 271 108 und 267 106 gewonnen werden. Für diese Kerne werden Halbwertszeiten von 1 Minute vorhergesagt. und 1 Stunde. Für die Kerne 263 106, 262 107, 205 108, 271,273 110 wird Isomerie erwartet, deren Ursache in der Füllung von Unterschalen mit j = 1/2 und j = 13/2 im Bereich N = 162 für im Boden verformte Kerne liegt Zustand.
In Abb. Abbildung 8 zeigt die experimentell gemessenen Anregungsfunktionen für die Bildungsreaktion der Elemente Rf (Z = 104) und Hs (Z = 108) für die Fusionsreaktionen der einfallenden Ionen 50 Ti und 56 Fe mit einem Zielkern 208 Pb.
Der resultierende Verbundkern wird durch die Emission von einem oder zwei Neutronen abgekühlt. Informationen über die Anregungsfunktionen von Schwerionenfusionsreaktionen sind besonders wichtig für die Gewinnung superschwerer Kerne. Bei der Fusionsreaktion schwerer Ionen ist es notwendig, die Wirkung von Coulomb-Kräften und Oberflächenspannungskräften genau auszugleichen. Wenn die Energie des einfallenden Ions nicht hoch genug ist, reicht die minimale Annäherungsentfernung nicht aus, um das binäre Kernsystem zu verschmelzen. Wenn die Energie des einfallenden Teilchens zu hoch ist, wird das resultierende System eine hohe Anregungsenergie haben und höchstwahrscheinlich in Fragmente zerfallen. Eine effektive Fusion findet in einem relativ engen Energiebereich kollidierender Teilchen statt.
Von besonderem Interesse sind Fusionsreaktionen mit der Emission einer minimalen Anzahl von Neutronen (1-2), weil Bei synthetisierten superschweren Kernen ist ein möglichst großes N/Z-Verhältnis wünschenswert. In Abb. Abbildung 9 zeigt das Fusionspotential für Kerne in der Reaktion
64 Ni + 208 Pb 272 110. Die einfachsten Schätzungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit des Tunneleffekts bei der Kernfusion ~ 10 -21 beträgt, was deutlich niedriger ist als der beobachtete Wert des Wirkungsquerschnitts. Dies lässt sich wie folgt erklären. Bei einem Abstand von 14 fm zwischen den Kernzentren wird die anfängliche kinetische Energie von 236,2 MeV vollständig durch das Coulomb-Potential kompensiert. In diesem Abstand stehen nur Nukleonen in Kontakt, die sich auf der Oberfläche des Kerns befinden. Die Energie dieser Nukleonen ist gering. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Nukleonen oder Nukleonenpaare die Orbitale in einem Kern verlassen und in die freien Zustände des Partnerkerns wechseln. Die Übertragung von Nukleonen von einem einfallenden Kern auf einen Zielkern ist besonders attraktiv, wenn das doppelt magische Isotop Blei 208 Pb als Ziel verwendet wird. In 208 Pb sind die Protonenunterschale h 11/2 und die Neutronenunterschalen h 9/2 und i 13/2 gefüllt. Der Protonentransfer wird zunächst durch Proton-Proton-Anziehungskräfte und nach dem Füllen der h 9/2-Unterschale durch Proton-Neutron-Anziehungskräfte stimuliert. Ebenso bewegen sich Neutronen in die freie Unterschale i 11/2, angezogen von Neutronen aus der bereits gefüllten Unterschale i 13/2. Aufgrund der Paarungsenergie und der großen Bahnwinkelmomente ist die Übertragung eines Nukleonenpaars wahrscheinlicher als die Übertragung eines einzelnen Nukleons. Nach der Übertragung von zwei Protonen von 64 Ni 208 Pb sinkt die Coulomb-Barriere um 14 MeV, was einen engeren Kontakt wechselwirkender Ionen und die Fortsetzung des Nukleonenübertragungsprozesses fördert.
In den Werken von [V.V. Wolkow. Kernreaktionen tiefinelastischer Übertragungen. M. Energoizdat, 1982; V.V. Wolkow. Izv. Akademie der Wissenschaften der UdSSR, physikalische Reihe, 1986, Bd. 50 S. 1879] wurde der Mechanismus der Fusionsreaktion im Detail untersucht. Es wird gezeigt, dass bereits im Einfangstadium nach der vollständigen Dissipation der kinetischen Energie des einfallenden Teilchens ein Doppelkernsystem entsteht und die Nukleonen eines der Kerne nach und nach Schale für Schale auf den anderen Kern übertragen werden. Das heißt, die Schalenstruktur der Kerne spielt eine Rolle bedeutende Rolle bei der Bildung eines Verbundkerns. Basierend auf diesem Modell war es möglich, die Anregungsenergie zusammengesetzter Kerne und den Wirkungsquerschnitt für die Bildung von 102-112-Elementen bei Kaltfusionsreaktionen recht gut zu beschreiben.
Im nach ihm benannten Labor für Kernreaktionen. G.N. Flerov (Dubna) synthetisierte ein Element mit Z = 114. Die Reaktion wurde verwendet
Die Identifizierung des Kerns 289 114 erfolgte mithilfe einer Kette von α-Zerfällen. Experimentelle Bewertung der Halbwertszeit des Isotops 289 114 ~30 s. Das erhaltene Ergebnis stimmt gut mit zuvor durchgeführten Berechnungen überein.
Bei der Synthese des Elements 114 in der Reaktion 48 Cu + 244 Pu wird die maximale Ausbeute durch den Kanal mit der Verdampfung von drei Neutronen erzielt. In diesem Fall betrug die Anregungsenergie des Verbindungskerns 289 114 35 MeV.
Die theoretisch vorhergesagte Abfolge der Zerfälle, die mit dem bei der Reaktion gebildeten 296 116-Kern auftreten, ist in Abb. 10 dargestellt.
 Reis. 10. Schema des nuklearen Zerfalls 296 116 |
Der Kern 296 116 wird durch die Emission von vier Neutronen abgekühlt und verwandelt sich in das Isotop 292 116, das sich dann mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % infolge zweier aufeinanderfolgender E-Einfänge in das Isotop 292 114 verwandelt. Als Ergebnis von α -Zerfall (T 1/2 = 85 Tage) wandelt sich das Isotop 292 114 in das Isotop 288 112 um. Die Bildung des Isotops 288 112 erfolgt auch durch den Kanal
Der aus beiden Ketten resultierende Endkern 288 112 hat eine Halbwertszeit von etwa einer Stunde und zerfällt durch spontane Spaltung. Mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 10 % entsteht durch den α-Zerfall des Isotops 288 114 das Isotop 284 112. Die oben genannten Zeiträume und Zerfallskanäle wurden durch Berechnung ermittelt.
Bei der Analyse der verschiedenen Möglichkeiten der Bildung superschwerer Elemente bei Reaktionen mit Schwerionen müssen folgende Umstände berücksichtigt werden.
- Es ist notwendig, einen Kern mit einem ausreichend großen Verhältnis der Neutronenzahl zur Protonenzahl zu erzeugen. Daher müssen schwere Ionen mit einem großen N/Z als einfallendes Teilchen gewählt werden.
- Es ist notwendig, dass der resultierende zusammengesetzte Kern eine niedrige Anregungsenergie und einen kleinen Drehimpuls aufweist, da sonst die effektive Höhe der Spaltbarriere abnimmt.
- Es ist notwendig, dass der resultierende Kern eine nahezu kugelförmige Form hat, da bereits eine geringfügige Verformung zu einer schnellen Spaltung des superschweren Kerns führt.
Eine vielversprechende Methode zur Herstellung superschwerer Kerne sind Reaktionen wie 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. In Abb. Abbildung 11 zeigt die geschätzten Wirkungsquerschnitte für die Bildung von Transuranelementen bei Bestrahlung von Targets bestehend aus 248 Cm, 249 Cf und 254 Es mit beschleunigten 238 U-Ionen. Bei diesen Reaktionen liegen bereits erste Ergebnisse zu Wirkungsquerschnitten für die Bildung von Elementen mit Z > 100 vor. Um die Ausbeuten der untersuchten Reaktionen zu erhöhen, wurden die Zieldicken so gewählt, dass die Reaktionsprodukte darin verbleiben das Ziel. Nach der Bestrahlung wurden einzelne chemische Elemente vom Target getrennt. In den über mehrere Monate gewonnenen Proben wurden α-Zerfallsprodukte und Spaltfragmente nachgewiesen. Mit beschleunigten Uranionen gewonnene Daten zeigen eindeutig eine Steigerung der Ausbeute an schweren Transuranelementen im Vergleich zu leichteren Bombardierungsionen. Diese Tatsache ist äußerst wichtig für die Lösung des Problems der Fusion superschwerer Kerne. Trotz der Schwierigkeiten, mit angemessenen Zielen zu arbeiten, erscheinen die Prognosen für Fortschritte in Richtung eines hohen Z recht optimistisch.
Fortschritt auf dem Gebiet der superschweren Kerne in letzten Jahren erwies sich als überwältigend beeindruckend. Bisher waren jedoch alle Versuche, die Insel der Stabilität zu entdecken, erfolglos. Die Suche nach ihm geht intensiv weiter.
Superschwere Elemente auf der Stabilitätsinsel
Die theoretische und experimentelle Untersuchung der Stabilität des Kerns gab den sowjetischen Physikern Anlass, die bisher verwendeten zu überarbeiten Verfahren zur Herstellung schwerer Transurane. In Dubna beschlossen sie, neue Wege und Ziele einzuschlagen führen Und Wismut.
Der Kern hat, wie das Atom als Ganzes Schalenstruktur. Besonders stabil sind Atomkerne mit 2-8-20-28-50-82-114-126-164 Protonen (also Atomkerne mit gleicher Ordnungszahl) und 2-8-20-28-50-82-126 - 184-196-228-272-318 Neutronen, aufgrund der vollständigen Struktur ihrer Hüllen. Erst kürzlich konnten diese Ansichten durch Computerberechnungen bestätigt werden.
Diese ungewöhnliche Stabilität fiel mir zunächst auf, als ich die Verbreitung bestimmter Elemente im Weltraum untersuchte. Isotope Der Besitz dieser Kernzahlen wird als Magie bezeichnet. Das Wismut-Isotop 209Bi mit 126 Neutronen ist ein solches magisches Nuklid. Hierzu zählen auch Isotope Sauerstoff, Kalzium, Zinn. Doppelt magisch sind: für Helium – das Isotop 4 He (2 Protonen, 2 Neutronen), für Calcium – 48 Ca (20 Protonen, 28 Neutronen), für Blei – 208 Pb (82 Protonen, 126 Neutronen). Sie zeichnen sich durch eine ganz besondere Kernfestigkeit aus.
Die Gruppe von G. N. Flerov und Yu. Ts. Oganesyan nutzte Ionenquellen eines neuen Typs und leistungsstärkere Schwerionenbeschleuniger – U-200- und U-300-Einheiten, die in Dubna gepaart wurden Fluss schwerer Ionen mit außergewöhnlicher Energie. Um eine Kernfusion zu erreichen, feuerten sowjetische Physiker Chromionen mit einer Energie von 280 MeV auf Ziele aus Blei und Wismut. Was könnte passiert sein? Zu Beginn des Jahres 1974 registrierten Nuklearwissenschaftler in Dubna 50 Fälle solcher Bombenanschläge, was darauf hindeutet Bildung von Element 106, der jedoch nach 10 -2 s abklingt. Diese 50 Atomkerne wurden nach dem Schema gebildet:
208 Pb + 51 Cr = 259 X
Wenig später berichteten Ghiorso und Seaborg vom Lawrence Berkeley Laboratory, dass sie ein neues Isotop synthetisiert hätten 106 -th, Element mit der Massenzahl 263 durch Beschuss von Kalifornien-249 mit Sauerstoffionen im Super-HILAC-Apparat.
Welchen Namen wird das neue Element haben? Abgesehen von früheren Differenzen kamen beide Gruppen in Berkeley und Dubna, die in einem wissenschaftlichen Wettbewerb gegeneinander antraten, dieses Mal zu einem Ergebnis einhellige Meinung. Es sei zu früh, über Namen zu sprechen, sagte Oganesyan. Und Ghiorso fügte hinzu, dass beschlossen wurde, von Vorschlägen zum Namen des 106. Elements Abstand zu nehmen, bis die Situation geklärt sei.Bis Ende 1976 schloss das Kernreaktionslabor Dubna eine Reihe von Experimenten zur Synthese von Element 107 ab; diente als Ausgangssubstanz für die „Alchemisten“ von Dubna magisch„Wismut-209. Beim Beschuss mit Chromionen mit einer Energie von 290 MeV verwandelte es sich in ein Isotop 107 -tes Element:
209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 N
Element 107 zerfällt spontan mit einer Halbwertszeit von 0,002 s und emittiert auch Alphateilchen.
Die für das 106. und 107. Element gefundenen Halbwertszeiten von 0,01 und 0,002 s machten uns vorsichtig. Schließlich fielen sie um mehrere Größenordnungen größer aus als durch Computerberechnungen vorhergesagt. Vielleicht wurde das 107. Element bereits durch die Nähe der darauffolgenden magischen Zahl von Protonen und Neutronen – 114 – spürbar beeinflusst und die Stabilität erhöht?
Wenn dem so ist, dann bestand die Hoffnung, beispielsweise durch Beschuss langlebige Isotope des Elements 107 zu gewinnen Berkeley Neonionen. Berechnungen ergaben, dass das bei dieser Reaktion gebildete neutronenreiche Isotop eine Halbwertszeit von mehr als 1 s haben würde. Dies würde es ermöglichen, die chemischen Eigenschaften des Elements 107 zu untersuchen - Ecarenie.
Das langlebigste Isotop des ersten Transurans, Element 93, Neptunium-237, hat eine Halbwertszeit von 2.100.000 Jahren; Das stabilste Isotop des Elements 100, Fermium-257, hält nur 97 Tage. Ab Element 104 Halbwertszeiten sind nur Bruchteile einer Sekunde. Daher schien es absolut keine Hoffnung zu geben, diese Elemente zu entdecken. Warum ist weitere Forschung erforderlich?
Albert Ghiorso, ein führender US-Spezialist für Transurane, äußerte sich einmal zu diesem Thema: „ Der Grund für die weitere Suche nach weiteren Elementen besteht einfach darin, die menschliche Neugier zu befriedigen – was passiert hinter der nächsten Straßenecke?„Das ist aber natürlich nicht nur wissenschaftliche Neugier. Ghiorso machte dennoch deutlich, wie wichtig es ist, solche Grundlagenforschung fortzusetzen.“
In den 60er Jahren verbreitete sich die Theorie der magischen Kernzahlen immer mehr höherer Wert. Im „Meer der Instabilität“ versuchten Wissenschaftler verzweifelt, eine lebensrettende Lösung zu finden. Insel der relativen Stabilität", auf dem der Fuß eines Atomforschers fest ruhen könnte. Obwohl diese Insel noch nicht entdeckt wurde, sind ihre „Koordinaten“ bekannt: Element 114, ekas führen gilt als Zentrum einer großen Stabilitätsregion. Das Isotop 298 des Elements 114 ist seit langem Gegenstand wissenschaftlicher Debatten, da es mit 114 Protonen und 184 Neutronen zu den doppelt magischen Atomkernen gehört, denen eine lange Lebensdauer vorhergesagt wurde. Doch was bedeutet langfristiges Bestehen?
Vorläufige Berechnungen zeigen: Die Halbwertszeit bei der Freisetzung von Alphateilchen liegt zwischen 1 und 1000 Jahren und in Bezug auf die spontane Spaltung zwischen 10 8 und 10 16 Jahren. Solche Schwankungen werden, wie Physiker betonen, durch die Annäherung an die „Computerchemie“ erklärt. Für die nächste Insel der Stabilität – Element 164 – werden sehr ermutigende Halbwertszeiten vorhergesagt. dvislead. Auch das Isotop des Elements 164 mit der Massenzahl 482 ist doppelt magisch: Sein Kern besteht aus 164 Protonen und 318 Neutronen.
Wissenschaft ist interessant und einfach magische superschwere Elemente, wie Isotop-294 von Element 110 oder Isotop-310 von Element 126, das 184 Neutronen enthält. Es ist erstaunlich, wie Forscher diese imaginären Elemente ernsthaft jonglieren, als ob sie bereits existieren würden. Immer mehr neue Daten werden aus dem Computer extrahiert und es ist jetzt definitiv bekannt, was Eigenschaften – nuklear, kristallographisch und chemisch – müssen diese superschweren Elemente haben. Die Fachliteratur sammelt präzise Daten über Elemente, die die Menschen vielleicht in 50 Jahren entdecken werden.
Atomwissenschaftler navigieren derzeit durch das Meer der Instabilität und warten auf Entdeckungen. Dahinter befand sich fester Boden: eine Halbinsel mit natürlichen radioaktiven Elementen, markiert durch Hügel aus Thorium und Uran, und ein weitläufiger fester Boden mit allen anderen Elementen und Gipfeln Blei, Zinn Und Kalzium.
Mutige Segler sind schon lange auf hoher See unterwegs. An einer unerwarteten Stelle fanden sie eine Sandbank: Die offenen Elemente 106 und 107 waren stabiler als erwartet.
„In den letzten Jahren segelten wir lange Zeit auf einem Meer der Instabilität“, argumentiert G. N. Flerov, und plötzlich, im letzten Moment, spürten wir den Boden unter unseren Füßen. Zufälliger Unterwasserfelsen? Oder eine Sandbank einer lang ersehnten Insel der Stabilität? Wenn das Zweite richtig ist, dann haben wir eine echte Chance zu schaffen neu Periodensystem aus stabilen superschweren Elementen mit erstaunlichen Eigenschaften.
Nachdem die Hypothese über stabile Elemente in der Nähe der Seriennummern 114, 126, 164 bekannt wurde, stürzten sich Forscher auf der ganzen Welt auf diese „ sehr schwer" Atome. Einige von ihnen mit vermutlich langer Halbwertszeit hoffte man, zumindest in Spuren auf der Erde oder im Weltraum zu finden. Immerhin mit der Entstehung unserer Sonnensystem diese Elemente existierten genau wie alle anderen.
Spuren superschwerer Elemente- was ist darunter zu verstehen? Aufgrund ihrer Fähigkeit, spontan in zwei Kernfragmente mit großer Masse und Energie zu spalten, müssten diese Transurane deutliche Spuren der Zerstörung in der umgebenden Materie hinterlassen.
Ähnliche Spuren sind bei Mineralien unter dem Mikroskop zu erkennen, nachdem sie geätzt wurden. Mit dieser Methode der Zerstörungsspuren ist es nun möglich, die Existenz längst toter Elemente nachzuvollziehen. Aus der Breite der hinterlassenen Spuren kann man auch die Ordnungszahl des Elements abschätzen – die Breite der Spur ist proportional zum Quadrat der Kernladung.
Sie hoffen auch, „lebende“ superschwere Elemente anhand der Tatsache zu identifizieren, dass sie immer wieder Neutronen aussenden. Bei der spontanen Spaltung emittieren diese Elemente bis zu 10 Neutronen.
In Manganknollen aus den Tiefen des Ozeans sowie in Gewässern nach dem Abschmelzen der Gletscher in den Polarmeeren wurde nach Spuren superschwerer Elemente gesucht. Immer noch keine Ergebnisse. G. N. Flerov und seine Kollegen untersuchten das Bleiglas einer antiken Vitrine aus dem 14. Jahrhundert, einen Leidener Krug aus dem 19. Jahrhundert und eine Bleikristallvase aus dem 18. Jahrhundert.
Zunächst deuteten mehrere Spuren einer spontanen Spaltung darauf hin ekas führen- 114. Element. Doch als Dubna-Wissenschaftler ihre Messungen mit einem hochempfindlichen Neutronendetektor im tiefsten Salzbergwerk wiederholten die Sowjetunion, dann haben wir kein positives Ergebnis erzielt. Die kosmische Strahlung, die offenbar den beobachteten Effekt verursachte, konnte nicht in eine solche Tiefe eindringen.
1977 schlug Professor Flerov vor, dass er endlich entdeckt hatte: Signale von neuem Transuran" während er das tiefe Thermalwasser der Tscheleken-Halbinsel im Kaspischen Meer untersuchte.
Für eine eindeutige Einordnung war die Zahl der gemeldeten Fälle jedoch zu gering. Ein Jahr später registrierte Flerovs Gruppe 150 spontane Teilungen pro Monat. Diese Daten wurden bei der Arbeit mit einem Ionenaustauscher gewonnen, der mit unbekanntem Transuran aus Thermalwasser gefüllt war. Flerov schätzte die Halbwertszeit des vorhandenen Elements, das er noch nicht isolieren konnte, auf Milliarden von Jahren.
Andere Forscher gingen andere Wege. Professor Fowler und seine Kollegen von der Universität Bristol führten Experimente mit Ballons in großer Höhe durch. Mithilfe von Detektoren für kleine Kernmengen wurden zahlreiche Gebiete mit Kernladungen über 92 identifiziert. Englische Forscher glaubten, dass eine der Spuren sogar auf die Elemente 102...108 hinwies. Später nahmen sie eine Änderung vor: Das unbekannte Element hat die Seriennummer 96 ( Curium).
Wie gelangen diese superschweren Teilchen in die Stratosphäre? Globus? Bisher wurden mehrere Theorien aufgestellt. Demnach sollen schwere Atome bei Supernova-Explosionen oder anderen astrophysikalischen Prozessen auftauchen und in Form von kosmischer Strahlung oder Staub die Erde erreichen – allerdings erst nach 1000 – 1.000.000 Jahren. Diese kosmischen Vorkommen werden derzeit sowohl in der Atmosphäre als auch in tiefen Meeressedimenten gesucht.
Superschwere Elemente sind also in der kosmischen Strahlung zu finden? Laut den amerikanischen Wissenschaftlern, die 1975 das Skylab-Experiment durchführten, wurde diese Hypothese zwar nicht bestätigt. In einem Weltraumlabor, das die Erde umkreiste, wurden Detektoren installiert, die schwere Partikel aus dem Weltraum absorbieren; wurden erst entdeckt Spuren bekannter Elemente.
Mondstaub, der nach der ersten Mondlandung 1969 auf die Erde gebracht wurde, wurde nicht minder sorgfältig auf das Vorhandensein superschwerer Elemente untersucht. Als Spuren von „langlebigen“ Partikeln bis zu 0,025 mm gefunden wurden, glaubten einige Forscher, dass sie den Elementen 110 – 119 zugeordnet werden könnten.
Ähnliche Ergebnisse wurden aus Untersuchungen der anomalen Isotopenzusammensetzung des Edelgases Xenon erhalten, das in verschiedenen Meteoritenproben enthalten war. Physiker sind der Meinung, dass dieser Effekt nur durch die Existenz superschwerer Elemente erklärt werden kann.
Sowjetische Wissenschaftler in Dubna, die 20 kg des Allende-Meteoriten analysierten, der im Herbst 1969 in Mexiko einschlug, konnten nach dreimonatiger Beobachtung mehrere spontane Spaltungen feststellen.
Nachdem jedoch festgestellt wurde, dass „natürliche“ Plutonium-244, der einmal war Bestandteil Da unser Sonnensystem völlig ähnliche Spuren hinterlässt, wurde die Interpretation sorgfältiger durchgeführt.
Der Atomkern ist ein Nukleonensystem, das aus Z-Protonen und N-Neutronen besteht, die durch Kernwechselwirkung verbunden sind. Die Bindungsenergie eines Atomkerns im Flüssigkeits-Tröpfchen-Modell wird durch die Bethe-Weizsäcker-Formel [3, 4] beschrieben. Abhängig von der Lebensdauer und dem Verhältnis zwischen Z und N
Atomkerne werden in stabile und radioaktive unterteilt. Das Phänomen der Radioaktivität wurde von A.A. entdeckt. Bequerel im Jahr 1896, der die bisher unbekannte Strahlung von Uransalzen entdeckte.
Im Jahr 1898 isolierten Pierre und Marie Curie neue Elemente, Radium Ra
( Z = 88) und Polonium Po (Z = 84), die ebenfalls die Eigenschaft der Radioaktivität besitzen. E. Rutherford zeigte 1898, dass Uranstrahlung aus zwei Komponenten besteht: positiv geladenen α-Teilchen (4 He-Kernen) und negativ geladenen β-Teilchen (Elektronen) [6, 9]. Im Jahr 1900 wurde die Uran-γ-Strahlung von P. Willard entdeckt.
Stabile Kerne befinden sich im sogenannten Stabilitätstal (Abb. 1). Das Verhältnis von N zu Z entlang der Stabilitätslinie hängt von der Massenzahl A = N + Z ab:
N/Z = 0,98 + 0,015A 2/3. (1)
Reis . 1.NZ Diagramm der Atomkerne
Derzeit sind etwa 3500 Atomkerne bekannt, die Zahl der stabilen Kerne beträgt etwa 300. Links vom Stabilitätstal befinden sich radioaktive Kerne, die durch β+-Zerfall und E-Einfang zerfallen. Wenn man sich vom Tal der Stabilität entfernt und sich mit Protonen überladenen Kernen zuwendet, verringert sich deren Halbwertszeit. Grenze  ð (N,Z) = 0 (В ð (N,Z)
−
Energie der Protonentrennung im Kern (N,Z))
begrenzt den Existenzbereich der Kerne auf der linken Seite.
Beim Übergang vom Tal der Stabilität zu mit Neutronen überladenen Kernen nimmt auch die Halbwertszeit der Kerne ab. Rechts ist der Existenzbereich der Kerne durch die Beziehung В n (N,Z) = 0 (В n (N,Z) begrenzt.
−
Energie der Neutronentrennung im Kern (N,2)).
Über die Grenzen hinaus
V p (N,Z)
= 0 und (B n (N,Z) =
0 Atomkerne können nicht existieren, da ihr Zerfall innerhalb der charakteristischen Kernzeit erfolgtτ Gift = 10 -22 s.
Der Bereich der Kerne mit Protonenüberschuss ist bis zur Grenze B p (N,Z) nahezu vollständig experimentell untersucht.
= 0. Was Kerne mit einem Überschuss an Neutronen betrifft, so liegt (mit Ausnahme der leichten Kerne) der Bereich der experimentell nachgewiesenen Kerne ziemlich weit von der Grenze B n (N,Z) entfernt.
= 0. In diesem Bereich könnten sich etwa 2500 − 3000 uns unbekannte Kerne befinden.
Akademiker G.N. Flerov:
Der Wert der Informationen, die aus der Untersuchung eines Isotops gewonnen werden, das weit vom Stabilitätsbereich entfernt liegt, ist erheblich Außerdem, was wir lernen, indem wir Isotope in der Nähe dieser Region untersuchen. Das−allgemein methodischer Ansatz, das sowohl von Physikern als auch von Chemikern verwendet wird,
−Untersuchen Sie die Eigenschaften der Materie unter extremen Bedingungen ihrer Existenz. Isotope weit entfernt von der Region (β -Stabilität sind in dem Sinne einschränkend, dass in einem Fall, wenn nur wenige Protonen vorhanden sind und die Anzahl der Neutronen relativ groß ist, Kernkräfte die Hauptrolle spielen; in einem anderen Fall, wenn ein Überschuss an Protonen vorliegt, spielen Coulomb-Abstoßungskräfte eine sehr wichtige Rolle, bis zu dem Punkt, dass ein radioaktiver Zerfall von Kernen unter Emission von Protonen möglich wird.
In diesem Zusammenhang wird unser besonderes Interesse an der Untersuchung der Kerne transuranischer Elemente deutlich, bei denen die Coulomb-Kräfte so stark sind, dass sie die nuklearen Anziehungskräfte überwinden. Die potenzielle Barriere, die den Kern als Ganzes im Gleichgewicht hält, verschwindet nahezu und er zerfällt in Fragmente. Gleichzeitig können spezifische nukleare Effekte, die mit der inneren Struktur des Kerns verbunden sind, extrem ausgeprägt sein. In diesem Elementbereich wurde eine neue Art der Kernisomerie entdeckt−Isomerie der Form. Auch hier gibt es eine Reihe weiterer möglicher Optionen. interessante Phänomene, beispielsweise verbunden mit dem Vorhandensein eines zweiten Minimums in der Kerndeformationsenergie.
Bericht an das Organisationskomitee der UNESCO-Konferenz,
gewidmet dem 100. Jahrestag der Schaffung des Periodensystems.
Es gibt auch Einschränkungen hinsichtlich der Existenz von Atomkernen aus superschweren Elementen. Elemente mit Z > 92 wurden unter natürlichen Bedingungen nicht gefunden. Berechnungen mit dem Flüssigkeitstropfen-Kernmodell sagen das Verschwinden der Spaltbarriere für Kerne mit Z 2 /A ≈ 41 (ungefähr 104 Elemente) voraus. Beim Problem der Existenz superschwerer Kerne sind zwei Problemkomplexe zu unterscheiden.
- Welche Eigenschaften sollten superschwere Kerne haben? Wird es in diesem Bereich von Z und N magische Zahlen geben? Was sind die wichtigsten Zerfallskanäle und Halbwertszeiten superschwerer Kerne?
- Welche Reaktionen sollten verwendet werden, um superschwere Kerne, Arten bombardierender Kerne, erwartete Querschnittswerte, erwartete Anregungsenergien des zusammengesetzten Kerns und Abregungskanäle für die resultierenden Kerne zu synthetisieren?
Das Problem der Synthese superschwerer Elemente hängt eng mit der Tatsache zusammen, dass Kerne mit Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (magische Zahlen) eine erhöhte Stabilität gegenüber verschiedenen Arten radioaktiven Zerfalls aufweisen. Dieses Phänomen wird im Rahmen des Kernhüllenmodells erklärt – magische Zahlen entsprechen gefüllten Kernhüllen [12, 13]. Es stellt sich natürlich die Frage nach der Existenz der folgenden magischen Zahlen in Z und N. Falls sie im neuseeländischen Raum existieren - Diagramme von Atomkernen N > 150, Z > 101, Es sollten superschwere Kerne mit erhöhter Halbwertszeit beobachtet werden, d. h. Es muss eine Insel der Stabilität geben. Anwendung der Methode
Andere zerfielen und überlebten bis heute nicht. Uran zerfällt immer noch – es ist ein radioaktives Element.
Alle Elemente nach Uran sind schwerer als Uran. Sie entstanden irgendwann während des Prozesses der Nukleosynthese (ein Prozess, bei dem die Kerne komplex und schwer sind). chemische Elemente, bestehen aus einfacheren und leichteren Atomkernen), haben aber bis heute nicht überlebt. Heute können sie nur noch künstlich gewonnen werden.
Die Entdeckung der ersten künstlichen Elemente, Neptunium und Plutonium, in den Jahren 1940–1941 markierte den Beginn einer neuen Richtung in der Kernphysik und -chemie zur Untersuchung der Eigenschaften von Transuranelementen und ihrer Anwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie. Als Ergebnis langjähriger intensiver Arbeit synthetisierten Kernphysiker mehrere neue Elemente.
Für die Synthese schwerer Elemente gibt es drei international anerkannte Forschungszentren: in Dubna (Russland), in Berkeley (USA) und in Darmstadt (Deutschland). Alle neuen Elemente, beginnend mit 93. (Neptunium), wurden in diesen Labors gewonnen. Ein neues Element gilt erst dann als entdeckt, wenn eine Gruppe von Forschern durch die Untersuchung seiner Atome verlässliche Ergebnisse erhält und eine andere (unabhängige) Gruppe von Wissenschaftlern diese Ergebnisse bestätigt. Daher werden die entfernten Zellen des Periodensystems sehr langsam gefüllt.
In den Jahren 1940 - 1953 synthetisierten Professor Glen Seaborg und seine Kollegen am Radiation National Laboratory (Berkeley, USA) künstliche Elemente mit Z = 93 - 100. Sie wurden durch Reaktionen des sequentiellen Einfangens von Neutronen durch Kerne des Uranisotops - 235U in - erhalten Langzeitbestrahlung mit hoher Leistung Kernreaktoren. Alle schwereren Kerne wurden in Beschleunigern für geladene Teilchen gewonnen, in denen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigte Kerne und Teilchen kollidieren. Durch Kollisionen entstehen Kerne superschwerer Elemente, die sehr existieren eine kurze Zeit und zerfallen dann wieder. Dank der Spuren dieses Zerfalls kann festgestellt werden, dass die Synthese eines schweren Kerns erfolgreich war.
Elemente schwerer als Z=100 wurden in Reaktionen mit beschleunigten Schwerionen synthetisiert, indem ein Komplex aus Protonen und Neutronen in den Zielkern eingeführt wurde. Seit den 1960er Jahren begann die Ära der Elementarteilchenbeschleuniger – Zyklotrons, die Ära der Beschleunigung schwerer Ionen, als die Synthese neuer Elemente nur durch die Wechselwirkung zweier schwerer Kerne erfolgte. Mitte der 1970er Jahre war es jedoch nahezu unmöglich, die chemischen Eigenschaften der Elemente 104, 105, 106 und 107 zu untersuchen, da ihre Lebensdauer – Bruchteile einer Mikrosekunde – keine umfassende chemische Forschung zuließ. Sie alle wurden durch Kaltfusionsreaktionen synthetisiert (die Kaltfusion massiver Kerne wurde 1974 entdeckt; dabei werden ein oder zwei Neutronen mit relativ niedriger Energie freigesetzt).
Element 104 wurde erstmals 1964 in Dubna synthetisiert. Es wurde von einer Gruppe von Wissenschaftlern des Labors für Kernreaktionen unter der Leitung von Georgy Flerov entgegengenommen. Im Jahr 1969 wurde das Element von einer Gruppe von Wissenschaftlern an der University of Berkeley, Kalifornien, entdeckt. 1997 erhielt das Element den Namen Rutherfordium, Symbol Rf.
Element 105 wurde 1970 von zwei unabhängigen Forschergruppen in Dubna (UdSSR) und Berkeley (USA) synthetisiert. Den Namen Dubnium erhielt es zu Ehren der Stadt Dubna, wo sich das Joint Institute for Nuclear Research befindet, wo mehrere chemische Elemente synthetisiert wurden, Symbol Db.
Element 106 wurde erstmals 1974 von Georgy Flerov und seinen Kollegen in der UdSSR gewonnen und fast gleichzeitig in den USA von Glen Seaborg und seinen Kollegen synthetisiert. 1997 genehmigte die Internationale Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) den Namen Seaborgium (zu Ehren von Seaborg) für Element 106, Symbol Sg.
Kalte Fusionsreaktionen massiver Kerne wurden am GSI-Zentrum für Kernphysik in Darmstadt erfolgreich zur Synthese von sechs neuen Elementen, 107 bis 112, eingesetzt. Die ersten Experimente zur Gewinnung von Element 107 wurden 1976 in der UdSSR von Yuri Oganesyan und seinen Kollegen durchgeführt. Die ersten zuverlässigen Informationen über die nuklearen Eigenschaften des Elements 107 wurden 1981 und 1989 in Deutschland gewonnen. 1997 genehmigte die IUPAC den Namen Bohrium für Element 107 (zu Ehren von Niels Bohr), Symbol Bh.
Die ersten Experimente zur Gewinnung von Element 108 wurden 1983-1984 in der UdSSR durchgeführt. Zuverlässige Daten über die Kerneigenschaften des Elements 108 wurden in den Jahren 1984 und 1987 in Deutschland gewonnen. 1997 genehmigte die IUPAC den Namen Hassium (für das Land Hessen, Deutschland), das Symbol Hs, für Element 108.
Element 109 wurde erstmals 1982 in Deutschland gewonnen und 1984 bestätigt. Im Jahr 1994 genehmigte die IUPAC den Namen Meitnerium für Element 109 (nach Lise Meitner), Symbol Mt.
Element 110 wurde 1994 im Schwerionenforschungszentrum Darmstadt (Deutschland) bei einem Experiment entdeckt, bei dem eine spezielle bleihaltige Legierung auf Platten aufgetragen und mit Nickelisotopen beschossen wurde. Darmstadtium wurde nach der Stadt Darmstadt (Deutschland) benannt, wo es entdeckt wurde. Symbol Ds.
Element 111 wurde auch in Deutschland entdeckt und zu Ehren des deutschen Wissenschaftlers Wilhelm-Conrad Röntgen Röntgenium (chemisches Symbol Rg) genannt.
Element 112 hat den Arbeitsnamen „ununbiy“ (Uub), abgeleitet von den lateinischen Ziffern „eins-eins-zwei“. Es handelt sich um ein transuranisches Element, das durch Beschuss eines Bleiziels mit Zinkkernen gewonnen wird. Seine Halbwertszeit beträgt etwa 34 Sekunden.
Ununbium wurde erstmals im Februar 1996 am Schwerionenbeschleuniger in Darmstadt gewonnen. Um Atome des neuen Elements zu gewinnen, nutzte das Wissenschaftlerteam Zinkionen mit der Ordnungszahl 30, die in einem 120-Meter-Beschleuniger auf sehr hohe Energien beschleunigt wurden und anschließend auf ein Ziel aus Blei mit der Ordnungszahl 82 trafen. Bei der Verschmelzung von Zink- und Bleikernen kam es zur Bildung von Kernen eines neuen Elements, dessen Ordnungszahl der Summe der Ordnungszahlen der ursprünglichen Komponenten entspricht. Im Juni 2009 erkannte die IUPAC ihre Existenz offiziell an.
Schwerere Elemente – mit den Ordnungszahlen 112–116 und am schwersten bei dieser Moment Element 118 – wurden von russischen Wissenschaftlern vom Joint Institute for Nuclear Research in Dubna in den Jahren 2000-2008 gewonnen, warten jedoch noch auf die offizielle Anerkennung durch die IUPAC.
Derzeit führen russische Physiker des Flerov-Labors des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung in Dubna ein Experiment zur Synthese des 117. Elements durch, dessen Platz im Periodensystem zwischen dem zuvor erhaltenen 116. und 118. Element noch unbesetzt ist.
