Moskowy aus Centauri. Über superschwere Elemente
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 Flüssigkeitstropfenmodell sagen das Verschwinden der Spaltbarriere für Kerne mit Z2/A ≈ 46 (ungefähr Element 112) voraus. Beim Problem der Synthese superschwerer Kerne sind zwei Problembereiche 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 Verbindungskerns und Abregungskanäle zu synthetisieren?
Da die Bildung superschwerer Kerne durch die vollständige Verschmelzung des Zielkerns und des einfallenden Teilchens erfolgt, ist es notwendig, theoretische Modelle zu erstellen, die die Dynamik des Prozesses der Verschmelzung zweier kollidierender Kerne zu einem zusammengesetzten Kern beschreiben.
Das Problem der Synthese superschwerer Elemente hängt eng mit der Tatsache zusammen, dass Kerne mit Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (magische Zahlen) eine erhöhte Stabilität gegenüber verschiedenen Arten des radioaktiven Zerfalls aufweisen. Dieses Phänomen wird im Rahmen des Schalenmodells erklärt – magische Zahlen entsprechen gefüllten Schalen. Natürlich stellt sich die Frage nach der Existenz der folgenden magischen Zahlen in Z und N. Wenn sie im Bereich des N-Z-Diagramms von Atomkernen N > 150, Z > 101 existieren, sollten superschwere Kerne mit erhöhten Halbwertszeiten beobachtet werden: d.h. Es muss eine Insel der Stabilität geben. In der Arbeit wurde auf der Grundlage von Berechnungen mit dem Woods-Saxon-Potenzial unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Wechselwirkung gezeigt, dass für einen Kern mit Z = 114, also den nächsten, mit einer Erhöhung der Stabilität von Kernen zu rechnen ist Eine gefüllte Protonenhülle entspricht Z = 114, eine gefüllte Neutronenhülle entspricht der Zahl N ~
184. Geschlossene Schalen können die Höhe der Spaltbarriere erheblich erhöhen und dementsprechend die Lebensdauer des Kerns verlängern. Somit ist in diesem Kernbereich (Z = 114, N ~
184) sollten Sie nach der Insel der Stabilität suchen. Das gleiche Ergebnis wurde unabhängig in der Arbeit erzielt.
Kerne mit Z = 101–109 wurden vor 1986 entdeckt und erhielten folgende Namen: 101 – Md (Menelevium), 102 – No (Nobelium), 103 – Lr (Lawrencium), 104 – Rf (Rutherfordium, 106 – Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium). große Zahl Isotope schwerer Elemente (102-105), 1997 erhielt das Element mit Z = 105 durch Beschluss der Generalversammlung für Reine und Angewandte Chemie den Namen Dubnium (Db). Dieses Element wurde früher Ha (Hannium) genannt.
Reis. 12.3. Zerfallsketten der Isotope Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112).
Eine neue Etappe in der Erforschung superschwerer Kerne begann 1994, als die Registrierungseffizienz deutlich gesteigert und die Technik zur Beobachtung superschwerer Kerne verbessert wurde. Als Ergebnis wurden die Isotope Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) und Cn (Z = 112) entdeckt.
Um superschwere Kerne zu erhalten, wurden beschleunigte Strahlen aus 50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn und 82 Se verwendet. Als Targets dienten die Isotope 208 Pb und 209 Bi. Im gleichnamigen Labor für Kernreaktionen wurden verschiedene Isotope des Elements 110 synthetisiert. G.N. Flerov mit der Reaktion 244 Pu(34 S,5n) 272 110 und bei GSI (Darmstadt) in der Reaktion 208 Pb(62 Ni,n) 269 110. Die Isotope 269 Ds, 271 Ds, 272 Rg und 277 Cn wurden entsprechend erfasst zu ihren Zerfallsketten (Abb. 12.3).
Eine große Rolle bei der Herstellung superschwerer Elemente spielen theoretische Modelle, mit deren Hilfe die zu erwartenden Eigenschaften chemischer Elemente und die Reaktionen, bei denen sie entstehen können, berechnet werden.
Basierend auf verschiedenen theoretischen Modellen wurden die Zerfallseigenschaften superschwerer Kerne berechnet. Die Ergebnisse einer solchen Berechnung sind in Abb. dargestellt. 12.4. Die Halbwertszeiten gerade-gerade superschwerer Kerne werden relativ zur spontanen Spaltung (a), zum α-Zerfall (b), zum β-Zerfall (c) und für alle möglichen Zerfallsprozesse (d) angegeben. Der stabilste Kern bezüglich spontaner Spaltung (Abb. 12.4a) ist der Kern mit Z = 114 und N = 184. Für ihn beträgt die Halbwertszeit bezüglich spontaner Spaltung ~10 16 Jahre. Für Isotope 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. 12,5b. Der stabilste Kern liegt in der Region Z = 114 und N = 184 (T 1/2 = 10 15 Jahre).
In Bezug auf den β-Zerfall stabile Kerne sind in Abb. dargestellt. 12,4 V mit dunklen Punkten. In Abb. Abbildung 12.4d zeigt die gesamten Halbwertszeiten, die für gerade-gerade Kerne, die sich innerhalb der zentralen Kontur befinden, etwa 10 5 Jahre betragen. Unter Berücksichtigung aller Zerfallsarten stellt sich also heraus, dass Kerne in der Umgebung 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 ). Ungerade-gerade und gerade-ungerade Kerne haben Halbwertszeiten relativ zu
Der α-Zerfall und die spontane Spaltung nehmen zu, im Verhältnis zum β-Zerfall nehmen sie 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.
Reis. 12.4. Berechnete Halbwertszeiten für gerade-gerade superschwere Kerne (Zahlen geben Halbwertszeiten in Jahren an):
a – bezüglich spontaner Spaltung, b – α-Zerfall, c – E-Einfang und β-Zerfall, d – für alle Zerfallsprozesse
Die Ergebnisse einer weiteren Berechnung der Gleichgewichtsform superschwerer Kerne und ihrer Halbwertszeiten sind in Abb. dargestellt. 12.5, 12.6. In Abb. Abbildung 12.5 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. 12.5 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. 12.6. Nach diesen Vorhersagen werden für die meisten Kerne deutlich längere Halbwertszeiten erwartet als für bereits entdeckte superschwere Kerne (0,1–1 ms). Beispielsweise wird für den Kern 292 Ds eine Lebensdauer von ~51 Jahren vorhergesagt.
So steigt nach modernen mikroskopischen Berechnungen die Stabilität superschwerer Kerne stark an, wenn sie sich der magischen Neutronenzahl N = 184 nähern. Bis vor kurzem war das einzige Isotop des Elements Z = 112 Cn (Copernicium) das Isotop 277 Cn, das hat eine Halbwertszeit von 0,24 ms. Das schwerere Isotop 283 Cn wurde in der Kaltfusionsreaktion 48 Ca + 238 U synthetisiert. Die Bestrahlungszeit betrug 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 Cn interpretiert wurden. Die geschätzte Halbwertszeit dieses neuen Isotops beträgt T 1/2 = 81 s. Somit ist klar, dass eine Erhöhung der Neutronenzahl im 283 Cn-Isotop im Vergleich zum 277 Cn-Isotop um 6 Einheiten die Lebensdauer um 5 Größenordnungen erhöht.
In Abb. In Abb. 12.7 werden die aus der Arbeit entnommenen experimentell gemessenen α-Zerfallszeiten mit den Ergebnissen theoretischer Berechnungen auf Basis des Flüssigkeitstropfenmodells ohne Berücksichtigung der Schalenstruktur von Kernen verglichen. Es ist ersichtlich, dass bei allen schweren Kernen, mit Ausnahme der leichten Uranisotope, Schaleneffekte die Halbwertszeit der meisten Kerne um 2–5 Größenordnungen erhöhen. Die Schalenstruktur des Kerns hat einen noch stärkeren Einfluss auf die Halbwertszeiten relativ spontaner Spaltungen. Der Anstieg der Halbwertszeit für Pu-Isotope beträgt mehrere Größenordnungen und nimmt für das 260 Sg-Isotop zu.
Reis. 12.7. Experimentell gemessene (● exp) und theoretisch berechnete (○ Y) Halbwertszeiten von Transuranen basierend auf dem Flüssigkeitstropfenmodell ohne Berücksichtigung der Schalenstruktur des Kerns. Das obere Bild ist die Halbwertszeit für den α-Zerfall, das untere Bild ist die Halbwertszeit für die spontane Spaltung.
In Abb. Abbildung 12.8 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, nahezu kugelförmiger Kern entstehen, gefolgt von der Emission von γ-Quanten oder einem einzelnen Neutron. Schätzungen zufolge sollte der resultierende Kern 284 114 unter Emission von α-Teilchen mit einer Halbwertszeit von ~ 1 ms zerfallen. Weitere Informationen Die Besetzung der Schale im Bereich N = 162 kann durch Untersuchung der α-Zerfälle der 271 Hs- und 267 Sg-Kerne ermittelt werden. Für diese Kerne werden Halbwertszeiten von 1 Minute vorhergesagt. und 1 Stunde. Für die Kerne 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271.273 Ds wird die Manifestation der Isomerie erwartet, deren Grund die Füllung von Unterschalen mit j = 1/2 und j = 13/2 im Bereich N = 162 für Kerne ist im Grundzustand verformt.
In Abb. Abbildung 12.9 zeigt die experimentell gemessenen Anregungsfunktionen für die Reaktion der Bildung der Elemente Rf (Z = 104) und Hs (Z = 108) für die Fusionsreaktionen der einfallenden Ionen 50 Ti und 56 Fe mit dem 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 auszubalancieren. 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.
Abb. 12.10. Diagramm der Potentiale für die Fusion von 64 Ni und 208 Pb.
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 12.10 zeigt das Fusionspotential für Kerne bei der Reaktion 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds. Die einfachsten Schätzungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit des Tunneleffekts für die Kernfusion etwa 10–21 beträgt, was deutlich niedriger ist als der beobachtete Querschnittswert. 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 Bleiisotop 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. 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 wesentliche Rolle bei der Bildung des zusammengesetzten Kerns. Basierend auf diesem Modell war es möglich, die Anregungsenergie zusammengesetzter Kerne und den Wirkungsquerschnitt für die Bildung von Elementen Z = 102–112 bei Kaltfusionsreaktionen recht gut zu beschreiben.
So waren Fortschritte bei der Synthese von Transuranelementen Z = 107–112 mit der „Entdeckung“ von Kaltfusionsreaktionen verbunden, bei denen die magischen Isotope 208 Pb und 209 Bi mit Ionen mit Z = 22–30 bestrahlt wurden. Der bei der kalten Fusionsreaktion gebildete Kern wird schwach erhitzt und kühlt durch die Emission eines Neutrons ab. So wurden erstmals Isotope chemischer Elemente mit Z = 107–112 erhalten. Diese chemische Elemente wurden im Zeitraum 1978–1998 beschafft. in Deutschland an einem eigens dafür gebauten Beschleuniger am GSI-Forschungszentrum in Darmstadt. Der weitere Fortschritt zu schwereren Kernen mit dieser Methode erweist sich jedoch aufgrund der zunehmenden Potentialbarriere zwischen kollidierenden Kernen als schwierig. Daher wurde in Dubna eine weitere Methode zur Herstellung superschwerer Kerne implementiert. Verwendet wurden die schwersten Isotope der künstlich gewonnenen chemischen Elemente Plutonium Pu (Z = 94), Americium Am (Z = 95), Curium Cm (Z = 96), Berkelium Bk (Z = 97) und California Cf (Z = 98). als Ziele. Als beschleunigte Ionen wurde das Calciumisotop 48 Ca (Z = 20) gewählt. Eine schematische Ansicht des Rückstoßkernseparators und -detektors ist in Abb. dargestellt. 12.11.
Reis. 12.11. Schematische Darstellung des Rückstoßkernabscheiders, in dem in Dubna Experimente zur Synthese superschwerer Elemente durchgeführt werden.
Der magnetische Rückstoßkernabscheider reduziert den Hintergrund von Reaktionsnebenprodukten um das 10 5–10 7-fache. Die Reaktionsprodukte wurden mit einem ortsempfindlichen Siliziumdetektor aufgezeichnet. Es wurden Energie, Koordinaten und Flugzeit der Rückstoßkerne gemessen. Nach dem Stoppen müssen alle nachfolgenden Signale von erkannten Zerfallspartikeln vom Stopppunkt des implantierten Kerns kommen. Die entwickelte Technik ermöglichte es, mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit (≈ 100 %) einen Zusammenhang zwischen einem im Detektor gestoppten superschweren Kern und seinen Zerfallsprodukten herzustellen. Mit dieser Technik werden superschwere Elemente mit
Z = 110–118 (Tabelle 12.2).
Tabelle 12.2 zeigt die Eigenschaften superschwerer chemischer Elemente mit Z = 110–118: Massenzahl A, m – Vorhandensein eines isomeren Zustands in einem Isotop mit der Massenzahl A, Spinparität JP, Kernbindungsenergie Est, spezifische Bindungsenergie ε, Neutronentrennungsenergien B n und Protonen B p , Halbwertszeit T 1/2 und die Hauptzerfallskanäle.
Chemische Elemente Z > 112 haben noch keine Namen und werden in anerkannten internationalen Notationen angegeben.
Tabelle 12.2
Eigenschaften superschwerer chemischer Elemente Z = 110–118
| XX-A-m | J P | Gewicht Kerne, MeV |
E St, MeV |
ε, MeV |
Bn, MeV |
Bp, MeV |
T 1/2 | Decay-Modi |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Z = 110 − Darmstadtium | ||||||||
| 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 n. Chr | α 100 % | |
| Ds-270 | 0 + | 251581.97 | 1958.4 | 7.3 | 8.5 | 0,10 ms | α ≈100 %, SF< 0.20% | |
| Ds-270-m | 251583.07 | 1957.3 | 7.2 | 6,0 ms | α >70 %, IT ≤ 30 % | |||
| Ds-271 | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 6.8 | 2.2 | 1,63 ms | α ≈100 % | |
| Ds-271-m | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 69 ms | IT?, α >0 % | |||
| Ds-272 | 0 + | 253446.46 | 1973.1 | 7.3 | 7.8 | 2.5 | 1 s | SF |
| Ds-273 | 254380.32 | 1978.8 | 7.2 | 5.7 | 2.5 | 0,17 ms | α ≈100 % | |
| Ds-274 | 0 + | 255312.45 | 1986.2 | 7.2 | 7.4 | 3.0 | 2 s | α?, SF? |
| Ds-275 | 256246.44 | 1991.8 | 7.2 | 5.6 | 2.9 | 2 s | α? | |
| Ds-276 | 0 + | 257178.73 | 1999.1 | 7.2 | 7.3 | 3.2 | 5 s | SF?, α? |
| Ds-277 | 258112.63 | 2004.7 | 7.2 | 5.7 | 3.1 | 5 s | α? | |
| Ds-278 | 0 + | 259044.92 | 2012.0 | 7.2 | 7.3 | 10 s | SF?, α? |
|
| Ds-279 | 259978.62 | 2017.9 | 7.2 | 5.9 | 0,18 s | SF ≈90 %, α ≈10 % |
||
| Ds-281 | 261844.60 | 2031.0 | 7.2 | 9,6 s | SF ≈100 % | |||
| Z =111 − Röntgen | ||||||||
| Rg-272 | 253452.75 | 1965.5 | 7.2 | 0.2 | 3,8 ms | α ≈100 % | ||
| Rg-273 | 254384.34 | 1973.5 | 7.2 | 8.0 | 0.4 | 5 ms | α? | |
| Rg-274 | 255317.74 | 1979.6 | 7.2 | 6.2 | 0.9 | 6,4 ms | α ≈100 % | |
| Rg-275 | 256249.53 | 1987.4 | 7.2 | 7.8 | 1.2 | 10 ms | α? | |
| Rg-276 | 257183.22 | 1993.3 | 7.2 | 5.9 | 1.5 | 100 ms | SF?, α? |
|
| Rg-277 | 258115.72 | 2000.4 | 7.2 | 7.1 | 1.3 | 1 s | α?, SF? |
|
| Rg-278 | 259049.11 | 2006.5 | 7.2 | 6.2 | 1.8 | 4,2 ms | α ≈100 %, SF |
|
| Rg-279 | 259981.41 | 2013.8 | 7.2 | 7.3 | 1.8 | 0,17 s | α ≈100 % | |
| Rg-280 | 260914.80 | 2020.0 | 7.2 | 6.2 | 2.1 | 3,6 s | α ≈100 % | |
| Rg-281 | 261847.09 | 2027.2 | 7.2 | 7.3 | 1 m | α?, SF? | ||
| Rg-282 | 262780.59 | 2033.3 | 7.2 | 6.1 | 2.3 | 4 m | SF?, α? | |
| Rg-283 | 263712.98 | 2040.5 | 7.2 | 7.2 | 10 m | SF?, α? | ||
| Z = 112 − Copernicium | ||||||||
| Cn-277 | 258119.32 | 1995.5 | 7.2 | 2.2 | 0,69 ms | α ≈100 % | ||
| Cn-278 | 0 + | 259051.20 | 2003.1 | 7.2 | 7.7 | 2.8 | 10 ms | SF?, α? |
| Cn-279 | 259984.69 | 2009.2 | 7.2 | 6.1 | 2.7 | 0,1 s | SF?, α? | |
| Cn -280 | 0 + | 260916.69 | 2016.8 | 7.2 | 7.6 | 3.0 | 1 s | α?, SF? |
| Cn-282 | 0 + | 262782.18 | 2030.4 | 7.2 | 3.2 | 0,50 ms | SF ≈100 % | |
| Cn-283 | 263715.57 | 2036.6 | 7.2 | 6.2 | 3.3 | 4,0 s | α ≥90 %, SF ≤10 % | |
| Cn-284 | 0 + | 264647.66 | 2044.1 | 7.2 | 7.5 | 3.6 | 101 ms | SF ≈100 % |
| Cn -285 | 265580.76 | 2050.5 | 7.2 | 6.5 | 34 s | α ≈100 % | ||
| Z=113 | ||||||||
| Uut-278 | 0,24 ms | α 100 % | ||||||
| Uut-283 | 263719.46 | 2031.4 | 7.2 | 1.0 | 100 ms | α 100 % | ||
| Uut-284 | 264652.45 | 2038.0 | 7.2 | 6.6 | 1.4 | 0,48 s | α ≈100 % | |
| Uut-285 | 265584.55 | 2045.5 | 7.2 | 7.5 | 1.4 | 2 m | α?, SF? | |
| Uut-286 | 266517.64 | 2051.9 | 7.2 | 6.5 | 1.4 | 5 m | α?, SF? | |
| Uut-287 | 267449.64 | 2059.5 | 7.2 | 7.6 | 20 m | α?, SF? | ||
| Z=114 | ||||||||
| Uuq-286 | 0 + | 266520.33 | 2048.0 | 7.2 | 2.5 | 0,16 s | SF ≈60 %, α ≈40 % | |
| Uuq-287 | 267453.42 | 2054.4 | 7.2 | 6.5 | 2.5 | 0,51 s | α ≈100 % | |
| Uuq-288 | 0 + | 268385.02 | 2062.4 | 7.2 | 8.0 | 2.9 | 0,80 s | α ≈100 % |
| Uuq-289 | 269317.91 | 2069.1 | 7.2 | 6.7 | 2,7 s | α ≈100 % | ||
| Z=115 | ||||||||
| Uup-287 | 267458.11 | 2048.4 | 7.1 | 0.5 | 32 ms | α 100 % | ||
| Uup-288 | 268390.81 | 2055.3 | 7.1 | 6.9 | 0.9 | 87 ms | α 100 % | |
| Uup-289 | 269322.50 | 2063.2 | 7.1 | 7.9 | 0.8 | 10 s | SF?, α? | |
| Uup-290 | 270255.30 | 2070.0 | 7.1 | 6.8 | 0.9 | 10 s | SF?, α? | |
| Uup-291 | 271187.09 | 2077.7 | 7.1 | 7.8 | 1 m | α?, SF? | ||
| Z=116 | ||||||||
| Uuh-290 | 0 + | 270258.98 | 2065.0 | 7.1 | 1.8 | 15 ms | α ≈100 % | |
| Uuh-291 | 271191.78 | 2071.7 | 7.1 | 6.8 | 1.8 | 6,3 ms | α 100 % | |
| Uuh-292 | 0 + | 272123.07 | 2080.0 | 7.1 | 8.3 | 2.3 | 18 ms | α ≈100 % |
| Uuh-293 | 53 ms | α ≈100 % | ||||||
| Z=117 | ||||||||
| Uus-291 | 271197.37 | 2064.9 | 7.1 | -0.1 | 10 ms | SF?, α? | ||
| Uus-292 | 272129.76 | 2072.0 | 7.1 | 7.2 | 0.3 | 50 ms | SF?, α? | |
| Z=118 | ||||||||
| Uuo-294 | 0 + | 1,8 ms | α ≈100 % | |||||
In Abb. Abbildung 12.12 zeigt alle bekannten schwersten Isotope mit Z = 110–118, die bei Synthesereaktionen erhalten wurden, und gibt die experimentell gemessene Halbwertszeit an. Hier ist auch die theoretisch vorhergesagte Lage der Stabilitätsinsel dargestellt (Z = 114, N = 184).
Reis. 12.12. N-Z-Diagramm der Elemente Z = 110–118.
Die erhaltenen Ergebnisse weisen eindeutig auf eine Zunahme der Stabilität von Isotopen hin, wenn sie sich dem doppelt magischen Kern nähern (Z = 114, N = 184). Das Hinzufügen von 7–8 Neutronen zu Kernen mit Z = 110 und 112 erhöht die Halbwertszeit von 2,8 (Ds-267) auf ≈ 10 s (Ds-168, Ds 271). Die Halbwertszeit T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5 ms erhöht sich auf T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 min. Die schwersten Isotope der Elemente Z = 110–112 enthalten ≈ 170 Neutronen, was noch weit von der magischen Zahl N = 184 entfernt ist. Alle schwersten Isotope mit Z > 111 und N > 172 zerfallen dabei überwiegend
α-Zerfall, spontane Spaltung – ein seltenerer Zerfall. Diese Ergebnisse stimmen gut mit theoretischen Vorhersagen überein.
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 wurde im Kanal mit der Verdampfung von drei Neutronen die maximale Ausbeute an Isotopen mit Z = 114 beobachtet. In diesem Fall betrug die Anregungsenergie des Verbindungskerns 289 114 35 MeV.
Die theoretisch vorhergesagte Zerfallsfolge des 296 116-Kerns, der bei der Reaktion 248 Cm + 48 Ca → 296 116 entsteht, ist in Abb. 12.13 dargestellt
Reis. 12.13. Diagramm des Kernzerfalls 296 116.
Das Isotop 296 116 kühlt durch die Emission von vier Neutronen ab und verwandelt sich in das Isotop 292 116, das sich dann mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % durch zwei aufeinanderfolgende E-Einfänge in das Isotop 292 114 verwandelt Beim 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 ebenfalls 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 ca. 10 % kann durch den α-Zerfall des Isotops 288 114 das Isotop 284 112 entstehen. Die oben genannten Zeiträume und Zerfallskanäle wurden durch Berechnung ermittelt.
In Abb. Abbildung 12.14 zeigt eine Kette aufeinanderfolgender α-Zerfälle des Isotops 288115, gemessen in Experimenten in Dubna. ER ist die Energie des Rückstoßkerns, der in einen positionsempfindlichen Siliziumdetektor implantiert ist. In den drei Experimenten lässt sich eine gute Übereinstimmung der Halbwertszeiten und Energien der α-Zerfälle feststellen, was auf die Zuverlässigkeit der Methode zur Identifizierung superschwerer Elemente anhand von Messungen der Spektren von α-Teilchen hinweist.
Reis. 12.14. Eine Kette aufeinanderfolgender α-Zerfälle des Isotops 288115, gemessen in Experimenten in Dubna.
Bei der Reaktion wurde das schwerste im Labor hergestellte Element mit Z = 118 synthetisiert
48 Ca + 249 Cf → 294 118 + 3n.
Bei Ionenenergien nahe der Coulomb-Barriere wurden drei Fälle der Bildung des Elements 118 beobachtet. 294.118 Kerne wurden in einen Siliziumdetektor implantiert und eine Kette aufeinanderfolgender α-Zerfälle beobachtet. Der Querschnitt für die Bildung von Element 118 betrug etwa 2 Picobarns. Die Halbwertszeit des Isotops 293118 beträgt 120 ms.
In Abb. Abbildung 12.15 zeigt eine theoretisch berechnete Kette aufeinanderfolgender α-Zerfälle des Isotops 293 · 118 und zeigt die Halbwertszeiten der durch α-Zerfälle entstandenen Tochterkerne.
Reis. 12.15. Eine Kette aufeinanderfolgender α-Zerfälle des Isotops 293 118.
Angegeben sind die durchschnittlichen Lebensdauern der durch α-Zerfälle entstandenen Tochterkerne.
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 12.16 zeigt die geschätzten Wirkungsquerschnitte für die Bildung von Transuranelementen während der Bestrahlung von 248 Cm-, 249 Cf- und 254 Es-Targets mit beschleunigten 238 U-Ionen. Bei diesen Reaktionen liegen bereits erste Ergebnisse zu den Wirkungsquerschnitten für die Bildung von Elementen mit Z > 100 vor. Um die Ausbeuten der untersuchten Reaktionen zu steigern, wurden die Zieldicken so gewählt, dass die Reaktionsprodukte erhalten bleiben 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 Beschussionen. 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.
Reis. 12.16. Abschätzungen der Wirkungsquerschnitte für die Bildung von Transuranelementen bei den Reaktionen von 238 U mit 248 Cm, 249 Cf und 254 Es
Fortschritt auf dem Gebiet der superschweren Kerne in letzten Jahren erwies sich als überwältigend beeindruckend. Allerdings waren bisher alle Versuche, die Insel der Stabilität zu entdecken, erfolglos. Die Suche nach ihm geht intensiv weiter.
Der Schalenaufbau von Atomkernen spielt eine Rolle bedeutende Rolle bei der Erhöhung der Stabilität superschwerer Kerne. Die magischen Zahlen Z ≈ 114 und N ≈ 184 können, sofern sie wirklich existieren, zu einer deutlichen Erhöhung der Stabilität von Atomkernen führen. Es ist auch von Bedeutung, dass der Zerfall superschwerer Kerne als Folge des α-Zerfalls erfolgt, was für die Entwicklung experimenteller Methoden zur Erkennung und Identifizierung neuer superschwerer Kerne wichtig ist.
Am Ende des zweiten Jahrtausends stellte der Akademiker Vitaly Lazarevich Ginzburg eine Liste von dreißig Problemen der Physik und Astrophysik zusammen, die er für die wichtigsten und interessantesten hielt (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 11, 1999). In dieser Liste bezeichnet Nummer 13 die Aufgabe, superschwere Elemente zu finden. Dann, vor 12 Jahren, stellte der Akademiker enttäuscht fest, dass „die Existenz langlebiger (wir sprechen von Millionen von Jahren) Transurankernen in der kosmischen Strahlung noch nicht bestätigt wurde.“ Heute wurden Spuren solcher Kerne entdeckt. Dies gibt Hoffnung, endlich die Insel der Stabilität superschwerer Kerne zu entdecken, deren Existenz einst vom Kernphysiker Georgy Nikolaevich Flerov vorhergesagt wurde.
Die Frage ist, ob es Elemente gibt, die schwerer sind als Uran-92 (238 U ist sein stabiles Isotop). für eine lange Zeit blieben offen, da sie in der Natur nicht beobachtet wurden. Das glaubte man stabile Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 180 nein: kraftvoll positive Ladung Kerne zerstören die inneren Elektronenniveaus eines schweren Atoms. Es wurde jedoch schnell klar, dass die Stabilität eines Elements durch die Stabilität seines Kerns und nicht durch die Hülle bestimmt wird. Kerne mit einer geraden Anzahl von Protonen Z und Neutronen N sind stabil, unter denen Kerne mit der sogenannten magischen Anzahl von Protonen oder Neutronen – 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 – besonders hervorstechen – zum Beispiel Zinn, Blei. Und am stabilsten sind „doppelt magische Kerne“, bei denen die Anzahl sowohl der Neutronen als auch der Protonen magisch ist, beispielsweise Helium und Kalzium. Dies ist das Bleiisotop 208 Pb: Es hat Z = 82, N = 126. Die Stabilität des Elements hängt stark vom Verhältnis der Anzahl der Protonen und Neutronen in seinem Kern ab. Beispielsweise ist Blei mit 126 Neutronen stabil, aber sein anderes Isotop, das ein Neutron mehr im Kern hat, zerfällt in mehr als drei Stunden. Aber, bemerkte V.L. Ginzburg, die Theorie sagt voraus, dass ein bestimmtes Element .
Heutzutage wurden viele Elemente bis einschließlich des 118. – 254 Uuo künstlich gewonnen. Es ist das schwerste Nichtmetall, vermutlich ein Edelgas; Seine herkömmlichen Namen sind Ununoctium (es wird aus den Wurzeln der lateinischen Ziffern 1, 1, 8 gebildet), Eka-Radon und Moscovian Mw. Alle vom Menschen geschaffenen Elemente existierten einst auf der Erde, sind aber im Laufe der Zeit verfallen. Beispielsweise hat Plutonium-94 16 Isotope und nur 244 Pu hat eine Halbwertszeit T ½ = 7,6 · 10 7 Jahre; Neptunium-93 hat 12 Isotope und 237 Np T ½ = 2,14 10 6 Jahre. Diese längsten Halbwertszeiten aller Isotope dieser Elemente sind viel kürzer als das Alter der Erde – (4,5–5,5) 10 9. Unbedeutende Spuren von Neptunium, die in Uranerzen vorkommen, sind Produkte von Kernreaktionen unter dem Einfluss von Neutronen aus kosmischer Strahlung und der spontanen Spaltung von Uran, und Plutonium ist eine Folge des Beta-Zerfalls von Neptunium-239.
Elemente, die während der Existenz der Erde verschwunden sind, werden auf zwei Arten gewonnen. Erstens kann ein zusätzliches Neutron in den Kern eines schweren Elements getrieben werden. Dort unterliegt es dem Betazerfall und bildet ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino: n 0 → p + e – + v e. Die Kernladung wird um eins erhöht – ein neues Element erscheint. Auf diese Weise wurden künstliche Elemente bis zu Fermium-100 gewonnen (sein Isotop 257 Fm hat eine Halbwertszeit von 100 Jahren).
Noch schwerere Elemente entstehen in Beschleunigern, die Kerne beschleunigen und kollidieren lassen, zum Beispiel Gold (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 6, 1997). Genau auf diese Weise wurden das 117. und 118. Element im Labor für Kernreaktionen des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung (JINR, Dubna) gewonnen. Darüber hinaus sagt die Theorie voraus, dass stabile superschwere Kerne weit über die derzeit bekannten schweren radioaktiven Elemente hinaus existieren sollten. Der russische Physiker G. N. Flerov stellte das System der Elemente als symbolischen Archipel dar, in dem stabile Elemente von einem Meer kurzlebiger Isotope umgeben sind, die möglicherweise nie entdeckt werden. Auf der Hauptinsel des Archipels gibt es Gipfel der stabilsten Elemente – Kalzium, Zinn und Blei. Jenseits der Straße der Radioaktivität liegt die Insel der schweren Kerne mit Gipfeln von Uran, Neptunium und Plutonium. Und es sollte noch weiter entfernt liegen geheimnisvolle Insel Stabilität superschwerer Elemente, ähnlich dem bereits erwähnten - X-298.
Trotz aller Erfolge experimenteller und Theoretische Physik bleibt die Frage offen: Gibt es superschwere Elemente in der Natur oder handelt es sich um rein künstliche, vom Menschen hergestellte Stoffe, ähnlich den synthetischen Materialien – Nylon, Nylon, Lavsan – die nie von der Natur geschaffen wurden?
In der Natur gibt es Bedingungen für die Bildung solcher Elemente. Sie entstehen in den Tiefen von Pulsaren und bei Supernova-Explosionen. Die Neutronenflüsse in ihnen erreichen eine enorme Dichte – 10 38 n 0 / m 2 und sind in der Lage, superschwere Kerne zu erzeugen. Sie zerstreuen sich in einem Strom intergalaktischer kosmischer Strahlung durch den Weltraum, ihr Anteil ist jedoch äußerst gering – nur wenige Teilchen pro Quadratmeter und Jahr. Daher entstand die Idee, einen natürlichen Detektor-Speicher für kosmische Strahlung zu nutzen, in dem superschwere Kerne eine spezifische, leicht erkennbare Spur hinterlassen sollten. Als solche Detektoren haben Meteoriten erfolgreich gedient.
Ein Meteorit, ein Stück Gestein, das durch eine kosmische Katastrophe von seinem Mutterplaneten gerissen wurde, reist Hunderte Millionen Jahre lang durch den Weltraum. Es wird kontinuierlich durch kosmische Strahlung „befeuert“, die zu 90 % aus Wasserstoffkernen (Protonen), 7 % Heliumkernen (zwei Protonen) und 1 % Elektronen besteht. Die restlichen 2 % bestehen aus anderen Teilchen, zu denen auch superschwere Kerne gehören können.
Forscher des nach ihm benannten Physikalischen Instituts. P. N. Lebedev (FIAN) und das nach ihm benannte Institut für Geochemie und Analytische Chemie. V.I. Vernadsky (GEOKHI RAS) untersucht zwei Pallasiten – mit Olivin durchsetzte Eisen-Nickel-Meteoriten (eine Gruppe durchscheinender Mineralien, in denen Mg 2, (Mg, Fe) 2 und (Mn, Fe) 2 zu Siliziumdioxid SiO 4 hinzugefügt werden unterschiedliche Anteile; transparenter Olivin wird Chrysolith genannt). Das Alter dieser Meteoriten beträgt 185 und 300 Millionen Jahre.
Schwere Kerne, die durch einen Olivinkristall fliegen, beschädigen dessen Gitter und hinterlassen darin ihre Spuren – Spuren. Sie werden nach einer chemischen Behandlung des Kristalls – Ätzen – sichtbar. Und da Olivin durchscheinend ist, können diese Spuren unter einem Mikroskop beobachtet und untersucht werden. Anhand der Dicke der Spur, ihrer Länge und Form kann man die Ladung und Atommasse des Kerns beurteilen. Die Forschung wird dadurch erheblich erschwert, dass Olivinkristalle Abmessungen in der Größenordnung von mehreren Millimetern haben und die Bahn eines schweren Teilchens viel länger ist. Daher muss die Größe seiner Ladung anhand indirekter Daten beurteilt werden – der Ätzrate, einer Verringerung der Spurdicke usw.
Die Arbeit, Spuren superschwerer Teilchen von der Insel der Stabilität zu finden, wurde „Projekt Olympia“ genannt. Im Rahmen dieses Projekts wurden Informationen über etwa sechstausend Kerne mit einer Ladung von mehr als 55 und drei ultraschwere Kerne gewonnen, deren Ladungen im Bereich von 105 bis 130 liegen. Alle Eigenschaften der Spuren dieser Kerne wurden ermittelt gemessen mit einem Komplex hochpräziser Geräte, die am Lebedev Physical Institute entwickelt wurden. Der Komplex erkennt automatisch Spuren, bestimmt ihre geometrischen Parameter und ermittelt durch Extrapolation von Messdaten die geschätzte Länge der Spur, bevor sie im Olivinmassiv stoppt (denken Sie daran, dass die tatsächliche Größe seines Kristalls mehrere Millimeter beträgt).
Die erhaltenen experimentellen Ergebnisse bestätigen die Realität der Existenz stabiler superschwerer Elemente in der Natur.
Die Arbeiten wurden im nach ihm benannten Labor für Kernreaktionen (NLNR) durchgeführt. G.N. Flerov vom Dubna Joint Institute for Nuclear Research (JINR) erfolgreich. Die Eigenschaften des 117. und der Elemente N 112-116 und 118, die zuvor in Dubna synthetisiert wurden, sind ein direkter Beweis für die Existenz der sogenannten „Insel der Stabilität“ superschwerer Elemente, die von Theoretikern bereits in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts und maßgeblich vorhergesagt wurde Erweiterung der Grenzen des Periodensystems. Die Herausgeber von Izvestia wurden bereits im März vom Leiter der FLNR, Akademiker Yuri Oganesyan, über das einzigartige Experiment informiert, er erteilte jedoch erst jetzt die Erlaubnis zur Veröffentlichung. Der Autor der Entdeckung, Akademiemitglied Yuri Oganesyan, erzählte dem Beobachter Pjotr Obrazow über die Essenz des Experiments.
Iswestija: Was hat das Interesse der Wissenschaftler an der Synthese superschwerer Elemente geweckt, die erst seit unbedeutend kurzer Zeit existieren?
Yuri Oganesyan: Nach der Entdeckung der ersten künstlichen Elemente – Neptunium und Plutonium – in den Jahren 1940–1941 wurde die Frage nach den Grenzen der Existenz von Elementen für die Grundlagenwissenschaft der Struktur der Materie äußerst interessant. Bis zum Ende des letzten Jahrhunderts wurden 17 künstliche Elemente entdeckt und es wurde festgestellt, dass ihre Kernstabilität mit zunehmender Ordnungszahl stark abnimmt. Beim Übergang vom 92. Element – Uran – zum 102. Element – Nobelium verringert sich die Halbwertszeit des Kerns um 16 Größenordnungen: von 4,5 Milliarden Jahren auf mehrere Sekunden. Daher glaubte man, dass das Vordringen in die Region noch schwererer Elemente an die Grenze ihrer Existenz führen würde und im Wesentlichen die Grenze der Existenz der materiellen Welt markieren würde. Mitte der 60er Jahre stellten Theoretiker jedoch unerwartet eine Hypothese über die mögliche Existenz superschwerer Atomkerne auf. Berechnungen zufolge hätte sich die Lebensdauer von Kernen mit den Ordnungszahlen 110–120 deutlich erhöhen sollen, da die Anzahl der Neutronen in ihnen zunahm. Nach neuen Vorstellungen bilden sie eine riesige „Insel der Stabilität“ superschwerer Elemente, die die Grenzen der Elementtabelle deutlich erweitert.
und: Konnte dies experimentell bestätigt werden?
Oganesyan: In den Jahren 1975-1996 gelang es Physikern aus Dubna, Darmstadt (GSI, Deutschland), Tokio (RIKEN) und Berkeley (LBNL, USA), diese Reaktionen zu untersuchen und sechs neue Elemente zu synthetisieren. Die schwersten Elemente 109–112 wurden erstmals bei GSI gewonnen und bei RIKEN wiederholt. Doch die Halbwertszeiten der schwersten Kerne, die bei diesen Reaktionen entstehen, betrugen nur Zehntausendstel oder sogar Tausendstelsekunden. Die Hypothese über die Existenz superschwerer Elemente wurde erstmals in Dubna experimentell bestätigt, in einer von unserer Gruppe in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des National Laboratory durchgeführten Forschung. Lawrence Livermore (USA). Es ist uns gelungen, den Ansatz zur Synthese superschwerer Kerne radikal zu ändern, indem wir beispielsweise mit einem Projektilstrahl aus einem äußerst seltenen und teuren Calciumisotop (N 20) auf ein Ziel aus dem künstlichen Element Berkelium (N 97) geschossen haben Masse von 48. Wenn die Kerne verschmolzen sind, ist das Element N 117 (97 + 20 = 117). Die Ergebnisse übertrafen selbst die optimistischsten Erwartungen. In den Jahren 2000–2004, fast innerhalb von fünf Jahren, wurden bei solchen Reaktionen erstmals superschwere Elemente mit den Ordnungszahlen 114, 116 und 118 synthetisiert.
und: Was genau war der wissenschaftliche Beitrag amerikanischer Wissenschaftler?
Oganesyan: Bei einer Kernreaktion mit einem Kalziumstrahl kann das Element 117 nur mit einem Target aus dem künstlichen Element Berkelium gewonnen werden. Die Halbwertszeit dieses Isotops beträgt nur 320 Tage. Aufgrund der kurzen Lebensdauer muss die Produktion von Berkelium in der benötigten Menge (20–30 Milligramm) in einem Reaktor mit einer sehr hohen Neutronenflussdichte erfolgen. Nur der Isotopenreaktor im US National Laboratory in Oak Ridge kann eine solche Aufgabe bewältigen. In diesem Labor wurde übrigens erstmals Plutonium für den Amerikaner hergestellt Atombombe. Da sich die Menge ab dem Zeitpunkt der Berkeliumproduktion nach 320 Tagen um die Hälfte verringert, war es notwendig, alle Arbeiten in hohem Tempo durchzuführen. Und das nicht nur in Labors, sondern auch in offiziellen Strukturen in Russland und den Vereinigten Staaten im Zusammenhang mit der Zertifizierung ungewöhnlichen Materials, dem Transport eines hochradioaktiven Produkts auf dem Land- und Luftweg, Sicherheitsvorkehrungen usw.
und: Einer Abenteuergeschichte würdig. Was geschah als nächstes?
Oganesyan: Anfang Juni 2009 kam der Container in Moskau an. Aus dieser Substanz wurde am Forschungsinstitut für Kernreaktoren (Dimitrovgrad) ein Target in Form einer dünnen Berkeliumschicht (300 Nanometer) hergestellt, die auf einer dünnen Titanfolie abgeschieden wurde; im Juli wurde das Ziel nach Dubna geliefert. An diesem Punkt alle bei FLNR Vorarbeiten wurden abgeschlossen und die kontinuierliche Bestrahlung des Ziels mit einem intensiven Kalziumstrahl begann. Bereits bei der ersten Bestrahlung des Ziels über eine Dauer von 70 Tagen hatten wir Glück: Die Detektoren zeichneten fünfmal ein Bild der Entstehung und des Zerfalls von Kernen des 117. Elements auf. Wie erwartet verwandelten sich die Kerne dieses Elements in die Kerne von Element 115, Element 115 in Element 113 und dann Element 113 in Element 111. Und Element 111 zerfiel mit einer Halbwertszeit von 26 Sekunden. Im nuklearen Maßstab ist das eine gewaltige Zeit! Jetzt wurde das Periodensystem um ein weiteres der schwersten Elemente mit der Ordnungszahl 117 ergänzt.
und: Unsere Leser werden sich natürlich für was interessieren praktische Anwendung Vielleicht haben Sie Ihre Entdeckung.
Oganesyan: Nun natürlich keine, weil nur wenige Atome des Elements N 117 erhalten wurden. Grundsätzlich sollten sich die Vorstellungen über unsere Welt jetzt stark ändern. Wenn darüber hinaus Elemente mit einer enormen Halbwertszeit synthetisiert werden, ist es möglich, dass sie in der Natur existieren und bis in unsere Zeit seit der Entstehung der Erde – 4,5 Milliarden Jahre – „überleben“ könnten. Und wir führen Experimente durch, um danach zu suchen; unsere Installation befindet sich in den Tiefen der Alpenberge.
und: Eine Frage aus einer anderen Ebene. Warum sind Ihrer Meinung nach in den letzten 20 Jahren keine offensichtlichen Erfolge in der Kernphysik zu verzeichnen? Nobelpreise?
Oganesyan: Physik ist groß. Offenbar interessieren sich die Mitglieder des Nobelkomitees mehr für andere Bereiche dieser Wissenschaft. Und es gibt wirklich viele würdige Wissenschaftler. Übrigens muss ich die Teilnehmer unseres Experiments nennen: Oak Ridge National Laboratory (Prof. James Roberto), Universität. Vanderbilt (Prof. Joseph Hamilton), National Laboratory. Lawrence Livermore (Dawn Shaughnessy), Forschungsinstitut für Kernreaktoren, Dimitrovgrad (Mikhail Ryabinin) und das Labor für Kernreaktionen des JINR (Leiter Yuri Oganesyan).
Vom Herausgeber. Vorübergehend wird das Element N 117 im Lateinischen „eins-eins-sieben“ heißen, also Ununseptium. Die Gruppe des Akademikers Yuri Oganesyan – die Autoren der Entdeckung – hat jedes Recht, diesem Element sowie den von ihnen entdeckten Elementen N 114-116 und 118 einen echten Namen zu geben. In der „Woche“ vom 26. März haben wir eingeladen Wir laden die Leser ein, ihre Vorschläge für die Namen „unserer“ Elemente einzureichen. Im Moment erscheint nur „curly“ für eines dieser Elemente sinnvoll. Der Wettbewerb geht weiter.
Zunächst ein Artikel darüber, was eine „Insel der Stabilität“ ist.
Insel der Stabilität: Russische Nuklearwissenschaftler führen das Rennen an
Die Synthese superschwerer Elemente, aus denen die sogenannte „Insel der Stabilität“ besteht, ist eine ehrgeizige Aufgabe der modernen Physik, bei deren Lösung russische Wissenschaftler der ganzen Welt voraus sind.
Am 3. Juni 2011 erkannte eine Expertenkommission, der Spezialisten der Internationalen Unionen für reine und angewandte Chemie (IUPAC) und Physik (IUPAP) angehörten, offiziell die Entdeckung des 114. und 116. Elements des Periodensystems an. Die Priorität der Entdeckung wurde einer Gruppe von Physikern unter der Leitung des Akademikers der Russischen Akademie der Wissenschaften Yuri Oganesyan vom Joint Institute for Nuclear Research mit Unterstützung amerikanischer Kollegen vom Livermore National Laboratory eingeräumt. Lawrence.
RAS-Akademiker Yuri Oganesyan, Leiter des Labors für Kernreaktionen am JINR
Die neuen Elemente sind die schwersten der darin enthaltenen Periodensystem Mendeleev und erhielt die vorläufigen Namen Ununquidium und Unungexia, gebildet durch die Seriennummer in der Tabelle. Russische Physiker schlugen vor, die Elemente „Flerovium“ zu Ehren von Georgiy Flerov, einem sowjetischen Kernphysiker, Spezialisten für Kernspaltung und Synthese neuer Elemente, und „Moscovium“ zu Ehren der Region Moskau zu nennen. Zusätzlich zum 114. und 116. Element wurden zuvor bei JINR chemische Elemente mit den Seriennummern 104, 113, 115, 117 und 118 synthetisiert. Und das 105. Element der Tabelle zu Ehren des Beitrags der Dubna-Physiker moderne Wissenschaft den Namen „Dubny“ gegeben.
Elemente, die in der Natur nicht vorkommen
Derzeit besteht die gesamte Welt um uns herum aus 83 chemischen Elementen, von Wasserstoff (Z=1, Z ist die Anzahl der Protonen im Kern) bis Uran (Z=92), dessen Lebensdauer länger ist als die Lebensdauer der Sonne System (4,5 Milliarden Jahre) . Schwerere Elemente, die bei der Nukleosynthese kurz nach dem Urknall entstanden, sind bereits zerfallen und haben bis heute nicht überlebt. Uran, das eine Halbwertszeit von etwa 4,5 x 10 8 Jahren hat, zerfällt immer noch und ist radioaktiv. Mitte des letzten Jahrhunderts lernten Forscher jedoch, Elemente zu gewinnen, die in der Natur nicht vorkommen. Ein Beispiel für ein solches Element wird in hergestellt Kernreaktoren Plutonium (Z=94), das in Hunderten Tonnen produziert wird und eine der stärksten Energiequellen ist. Die Halbwertszeit von Plutonium ist deutlich kürzer als die von Uran, aber dennoch lang genug, um auf die Möglichkeit der Existenz schwererer chemischer Elemente schließen zu lassen. Das Konzept eines Atoms, das aus einem Kern, der eine positive Ladung und Masse trägt, und Elektronenorbitalen besteht, legt die Möglichkeit der Existenz von Elementen mit einer Ordnungszahl bis Z = 170 nahe. Aufgrund der Instabilität der im Kern selbst ablaufenden Prozesse wird die Grenze der Existenz schwerer Elemente jedoch viel früher umrissen. In der Natur kommen stabile Formationen (Kerne von Elementen, die aus einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen und Neutronen bestehen) nur bis zu Blei und Wismut vor, gefolgt von einer kleinen Halbinsel mit Thorium und Uran, die auf der Erde vorkommen. Sobald jedoch die Ordnungszahl eines Elements die Zahl des Urans übersteigt, verringert sich seine Lebensdauer stark. Beispielsweise ist der Kern des Elements 100 20-mal weniger stabil als der Urankern, und in Zukunft verstärkt sich diese Instabilität nur noch durch spontane Kernspaltung.
„Insel der Stabilität“
Der Effekt der spontanen Spaltung wurde von Niels Bohr erklärt. Nach seiner Theorie ist der Kern ein Tropfen geladener Flüssigkeit, also eine Art Materie, die keine eigene innere Struktur hat. Wie mehr Menge Protonen im Kern, also stärkerer Einfluss Coulomb-Kräfte, unter deren Einfluss der Tropfen verformt und in Teile geteilt wird. Dieses Modell sagt die Möglichkeit der Existenz von Elementen bis zur 104. – 106. Seriennummer voraus. In den 60er Jahren wurden jedoch im Labor für Kernreaktionen des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung eine Reihe von Experimenten zur Untersuchung der Spaltungseigenschaften von Urankernen durchgeführt, deren Ergebnisse mit Bohrs Theorie nicht erklärt werden konnten. Es stellte sich heraus, dass der Kern kein vollständiges Analogon eines Tropfens geladener Flüssigkeit ist, sondern über ein Inneres verfügt
Struktur. Darüber hinaus ist der Einfluss dieser Struktur umso ausgeprägter, je schwerer der Kern ist, und das Zerfallsbild wird völlig anders aussehen, als das Flüssigkeitstropfenmodell vorhersagt. So entstand die Hypothese über die Existenz einer bestimmten Region stabiler superschwerer Kerne, weit entfernt von den heute bekannten Elementen. Das Gebiet wurde als „Insel der Stabilität“ bezeichnet, und nachdem seine Existenz vorhergesagt worden war, begannen die größten Laboratorien in den USA, Frankreich und Deutschland mit einer Reihe von Experimenten, um die Theorie zu bestätigen. Ihre Versuche waren jedoch erfolglos. Und nur Experimente am Dubna-Zyklotron, die zur Entdeckung des 114. und 116. Elements führten, ermöglichen die Behauptung, dass der Stabilitätsbereich superschwerer Kerne tatsächlich existiert.
Die folgende Abbildung zeigt eine Karte schwerer Nuklide. Die Halbwertszeiten von Kernen werden durch dargestellt verschiedene Farben(rechte Skala). Schwarze Quadrate sind Isotope stabiler Elemente, die in der Erdkruste vorkommen (Halbwertszeit mehr als 10 9 Jahre). Die dunkelblaue Farbe ist das „Meer der Instabilität“, in dem Kerne weniger als 10 −6 Sekunden überleben. „Inseln der Stabilität“, die der „Halbinsel“ der Elemente Thorium, Uran und Transuran folgen, sind Vorhersagen der mikroskopischen Kerntheorie. Wie nah man bei der künstlichen Synthese superschwerer Elemente an die „Inseln der Stabilität“ herankommen kann, zeigen zwei Kerne mit den Ordnungszahlen 112 und 116, die bei unterschiedlichen Kernreaktionen und deren sequenziellem Zerfall entstanden sind.
Karte schwerer Nuklide
Um einen stabilen schweren Kern zu synthetisieren, ist es notwendig, so viele Neutronen wie möglich in ihn einzuführen, da Neutronen der „Klebstoff“ sind, der die Nukleonen im Kern hält. Die erste Idee bestand darin, ein bestimmtes Ausgangsmaterial mit einem Neutronenfluss aus dem Reaktor zu bestrahlen. Mit dieser Methode konnten Wissenschaftler jedoch nur Fermium synthetisieren, ein Element mit der Ordnungszahl 100. Darüber hinaus wurden statt der erforderlichen 60 Neutronen nur 20 in den Kern eingebracht. Auch die Versuche amerikanischer Wissenschaftler, superschwere Elemente im Prozess einer Kernexplosion (im Wesentlichen in einem starken gepulsten Neutronenstrom) zu synthetisieren, blieben erfolglos In ihren Experimenten handelte es sich um dasselbe Fermiumisotop. Von diesem Moment an begann sich eine andere Synthesemethode zu entwickeln – die Kollision zweier schwerer Kerne in der Hoffnung, dass das Ergebnis ihrer Kollision ein Kern mit Gesamtmasse sein würde. Um das Experiment durchzuführen, muss einer der Kerne mit einem Schwerionenbeschleuniger auf eine Geschwindigkeit von etwa der 0,1-fachen Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Alle heute erhaltenen schweren Kerne wurden auf diese Weise synthetisiert. Wie bereits erwähnt, befindet sich die Stabilitätsinsel im Bereich superschwerer Kerne mit Neutronenüberschuss, sodass auch die Ziel- und Strahlkerne einen Überschuss an Neutronen enthalten müssen. Die Auswahl solcher Elemente ist recht schwierig, da fast alle existierenden stabilen Nuklide ein genau definiertes Verhältnis der Anzahl von Protonen und Neutronen aufweisen.
Im Experiment zur Synthese des 114. Elements wurden als Ziel das schwerste Plutoniumisotop mit einer Atommasse von 244, hergestellt im Reaktor des Livermore National Laboratory (USA), und Calcium-48 als Projektilkern verwendet. Calcium-48 ist ein stabiles Calciumisotop, von dem normales Calcium nur 0,1 % enthält. Die Experimentatoren hofften, dass diese Konfiguration den Effekt der Verlängerung der Lebensdauer superschwerer Elemente spürbar machen würde. Zur Durchführung des Experiments war ein Beschleuniger mit einer Calcium-48-Strahlleistung erforderlich, die zehnmal höher war als alle bekannten Beschleuniger. Innerhalb von fünf Jahren entstand in Dubna ein solcher Beschleuniger, der es ermöglichte, ein Experiment durchzuführen, das mehrere hundert Mal genauer war als Experimente in anderen Ländern in den letzten 25 Jahren.
Nachdem sie einen Kalziumstrahl der erforderlichen Intensität erhalten haben, bestrahlen die Experimentatoren das Plutonium-Target. Wenn durch die Verschmelzung zweier Kerne Atome eines neuen Elements entstehen, müssen diese aus dem Ziel fliegen und sich zusammen mit dem Strahl weiter vorwärts bewegen. Sie müssen jedoch von Calciumionen und anderen Reaktionsprodukten getrennt werden. Diese Funktion übernimmt der Separator.
MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms) – Anlage zur Kerntrennung
Aus der Zielschicht ausgestoßene Rückstoßkerne bleiben in einem Graphitkollektor in einer Tiefe von mehreren Mikrometern stehen. Aufgrund der hohen Temperatur des Kollektors diffundieren sie in die Ionenquellenkammer, werden aus dem Plasma gezogen, durch das elektrische Feld beschleunigt und nach Masse analysiert Magnetfelder während Sie sich auf den Detektor zubewegen. Bei dieser Konstruktion kann die Masse eines Atoms mit einer Genauigkeit von 1/3000 bestimmt werden. Die Aufgabe des Detektors besteht darin, festzustellen, ob ein schwerer Kern ihn getroffen hat, und seine Energie, Geschwindigkeit und den Ort seines Stopps mit hoher Genauigkeit zu registrieren.
Betriebsdiagramm des Abscheiders
Um die Theorie der Existenz einer „Insel der Stabilität“ zu testen, beobachteten Wissenschaftler die Zerfallsprodukte des Kerns von Element 114. Wenn die Theorie richtig ist, sollten die resultierenden Kerne des Elements 114 resistent gegen spontane Spaltung sein und alpha-radioaktiv sein, das heißt, sie emittieren ein Alpha-Teilchen, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Bei einer Reaktion mit dem 114. Element sollte ein Übergang vom 114. zum 112. beobachtet werden. Dann durchlaufen auch die Kerne des 112. einen Alpha-Zerfall und verwandeln sich in die Kerne des 110. und so weiter. Darüber hinaus sollte die Lebensdauer des neuen Elements um mehrere Größenordnungen länger sein als die Lebensdauer leichterer Kerne. Genau solche langlebigen Ereignisse, deren Existenz theoretisch vorhergesagt wurde, sahen die Dubna-Physiker. Dies ist ein direkter Hinweis darauf, dass Element 114 bereits strukturellen Kräften ausgesetzt ist, die eine Stabilitätsinsel für superschwere Elemente bilden.
Beispiele für Zerfallsketten der Elemente 114 und 116
Im Experiment zur Synthese des 116. Elements wurde eine einzigartige Substanz als Ziel verwendet – Curium-248, gewonnen in einem leistungsstarken Reaktor am Wissenschaftlichen Forschungsinstitut für Kernreaktoren in Dimitrovgrad. Ansonsten verlief das Experiment nach dem gleichen Muster wie die Suche nach dem 114. Element. Die Beobachtung der Zerfallskette von Element 116 lieferte einen weiteren Beweis für die Existenz von Element 114, dieses Mal wurde es als Ergebnis des Zerfalls eines schwereren „Elternteils“ gewonnen. Im Fall des Elements 116 zeigten experimentelle Daten ebenfalls eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer mit zunehmender Anzahl von Neutronen im Kern. Das heißt moderne Physik Die Synthese schwerer Elemente nähert sich der Grenze der „Insel der Stabilität“. Darüber hinaus haben Elemente mit den Ordnungszahlen 108, 109 und 110, die durch den Zerfall des Elements 116 entstehen, eine Lebensdauer von Minuten, was eine Untersuchung ermöglicht chemische Eigenschaften Diese Substanzen werden mit den Methoden der modernen Radiochemie untersucht und experimentell die Fundamentalität des Mendelejewschen Gesetzes hinsichtlich der Periodizität der chemischen Eigenschaften der in der Tabelle aufgeführten Elemente überprüft. In Bezug auf schwere Elemente Es kann davon ausgegangen werden, dass das 112. Element die Eigenschaften von Cadmium und Quecksilber hat und das 114. Zinn, Blei usw. Es ist wahrscheinlich, dass sich an der Spitze der Insel der Stabilität superschwere Elemente befinden, deren Lebensdauer Millionen von Jahren beträgt. Diese Zahl erreicht zwar nicht das Alter der Erde, dennoch ist es möglich, dass superschwere Elemente in der Natur, in unserem Sonnensystem oder in der kosmischen Strahlung, also in anderen Systemen unserer Galaxie, vorkommen. Doch bisher waren Experimente zur Suche nach „natürlichen“ superschweren Elementen nicht erfolgreich.
Derzeit bereitet JINR ein Experiment zur Suche nach dem 119. Element des Periodensystems vor, und das Labor für Kernreaktionen ist weltweit führend auf dem Gebiet der Schwerionenphysik und der Synthese superschwerer Elemente.
Anna Maksimchuk,
JINR-Forscher,
speziell für R&D.CNews.ru
Interessant natürlich. Es stellt sich heraus, dass noch viele weitere chemische Elemente und sogar nahezu stabile entdeckt werden können.
Es stellt sich die Frage: Was ist der praktische Sinn dieser ganzen ziemlich teuren Suche nach neuen, nahezu stabilen Elementen?
Es scheint, dass wir sehen werden, wenn sie einen Weg finden, diese Elemente herzustellen.
Aber schon jetzt ist etwas sichtbar. Wenn zum Beispiel jemand den Film „Predator“ gesehen hat, dann hat der Raubtier ein Selbstzerstörungsgerät in einem Armband an seinem Arm und die Explosion ist ziemlich heftig. Hier ist es also. Diese neuen chemischen Elemente ähneln Uran-235, aber die kritische Masse kann in Gramm gemessen werden (und 1 Gramm dieser Substanz entspricht der Explosion von 10 Tonnen TNT – einer guten Bombe von der Größe nur einer Fünf-Kopeken-Münze). ).
Daher ist es sehr sinnvoll, dass Wissenschaftler hart arbeiten und der Staat nicht an den Ausgaben spart.
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.
Mit Ionenquellen eines neuen Typs und leistungsstärkeren Schwerionenbeschleunigern – die U-200- und U-300-Einheiten – wurden in Dubna bald gepaart 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 gelangten beide Gruppen in Berkeley und Dubna, die in einem wissenschaftlichen Wettbewerb gegeneinander antraten, diesmal zu einem Konsens. 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.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 die Elemente 106 und 107 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 dies der Fall ist, 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?„Allerdings ist dies natürlich nicht nur wissenschaftliche Neugier, aber dennoch hat Ghiorso deutlich gemacht, 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 einer jener doppelt magischen Atomkerne ist, von denen man eine lange Lebensdauer vorhersagt. 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 ein 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 ein neues periodisches System stabiler superschwerer Elemente 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 „ super 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, hätten 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.
Allerdings war die Zahl der gemeldeten Fälle für eine eindeutige Einordnung 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 Bereiche mit Kernladungen über 92 identifiziert, die davon ausgingen, 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 im Jahr 1969 zur Erde zurückgebracht 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, das einst ein integraler Bestandteil unseres Sonnensystems war, völlig ähnliche Spuren hinterlässt, wurde die Interpretation sorgfältiger durchgeführt.
