Suchergebnisse für "stabile Elemente". Muscovy von Centaurus
Wissenschaftler der University of New South Wales (Australien) und der Universität Mainz (Deutschland) haben vorgeschlagen, dass einer der ungewöhnlichsten (unter Astronomen) Sterne enthält chemische Elemente von der Insel der Stabilität. Dies sind Elemente ganz am Ende des Periodensystems, sie unterscheiden sich von ihren Nachbarn auf der linken Seite durch eine längere Lebensdauer. Die Studie wird in der elektronischen Preprint-Bibliothek arXiv.org veröffentlicht und spricht über ihre Ergebnisse und stabile superschwere chemische Elemente.
Der Stern HD 101065 wurde 1961 vom polnisch-australischen Astronomen Antonin Przybylski entdeckt. Es befindet sich etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Centaurus. Höchstwahrscheinlich ist HD 101065 heller als die Sonne und ist ein Unterriesenhauptreihenstern. Ein Merkmal von Przybylskis Stern ist der extrem niedrige Gehalt an Eisen und Nickel in der Atmosphäre. Gleichzeitig ist der Stern reich an schweren Elementen, darunter Strontium, Cäsium, Thorium, Ytterbium und Uran.
Przybylskis Stern ist der einzige, in dem kurzlebige radioaktive Elemente, Aktiniden, mit einer Ordnungszahl (der Zahl der Protonen im Kern) von 89 bis 103 entdeckt wurden: Anemonen, Plutonium, Americium und Einsteinium. HD 101065 ist HD 25354 ähnlich, aber das Vorhandensein von Americium und Curium lässt Zweifel aufkommen.
Der Mechanismus der Bildung superschwerer Elemente auf dem Przybylski-Stern ist noch nicht vollständig verstanden. Es wurde angenommen, dass HD 101065 zusammen mit einem Neutronenstern ein binäres System bildet - Teilchen vom zweiten Fall auf den ersten, die Synthesereaktionen schwerer Elemente auslösen. Diese Hypothese wurde noch nicht bestätigt, obwohl es möglich ist, dass sich ein schwacher Satellit in einer Entfernung von etwa tausend astronomischen Einheiten von HD 101065 befindet.
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HD 101065 ähnelt vor allem Ap-Sternen, eigentümlichen (eigenartigen) Leuchten der Spektralklasse A, in deren Spektrum die Linien der Seltenerdmetalle verstärkt werden. Sie haben ein starkes Magnetfeld, schwere Elemente kommen aus der Tiefe in ihre Atmosphäre. HD 101065 unterscheidet sich von anderen Ap-Sternen durch kurzfristige Veränderungen der Lichtkurve, die eine Einbeziehung ermöglichten eine separate Gruppe RoAp-Sterne (Schnell oszillierende Ap-Sterne).
Es ist wahrscheinlich, dass die Versuche der Wissenschaftler, HD 101065 in die bestehende Klassifizierung der Sterne einzupassen, eines Tages von Erfolg gekrönt sein werden. Der Przybylski-Stern gilt zwar als einer der ungewöhnlichsten, lässt jedoch einige ungewöhnliche Eigenschaften in ihm vermuten. Insbesondere in letzte Arbeit HD 101065 gewidmet, vermuteten australische und deutsche Forscher, dass in Przybylskis Stern chemische Elemente geboren werden, die mit der Insel der Stabilität zusammenhängen.
Die Wissenschaftler gingen vom Schalenmodell des Kernels und seiner Erweiterungen aus. Das Modell verbindet die Stabilität des Atomkerns mit der Füllung der Energieniveaus der Schalen, die analog zu den Elektronenschalen des Atoms den Kern bilden. Jedes Neutron und Proton befinden sich in einer bestimmten Hülle (Abstand vom Zentrum des Atoms oder Energieniveau) und bewegen sich unabhängig voneinander in einem bestimmten selbstkonsistenten Feld.
Es wird angenommen, dass das Isotop umso stabiler ist, je gefüllter die Energieniveaus des Kerns sind. Das Modell erklärt gut die Stabilität von Atomkernen, Spins und magnetischen Momenten, ist jedoch nur auf nicht angeregte oder leichte und mittelschwere Kerne anwendbar.
Kerne mit vollständig gefüllten Energieschalen zeichnen sich nach dem Schalenmodell durch eine hohe Stabilität aus. Diese Elemente bilden die „Insel der Stabilität“. Es beginnt mit Isotopen mit den Seriennummern 114 und 126, die magischen und zweimal magischen Zahlen entsprechen.
Kerne mit der magischen Zahl von Nukleonen (Protonen und Neutronen) haben die stärkste Bindungsenergie. In der Nuklidtabelle sind sie wie folgt angeordnet: horizontal von links nach rechts aufsteigend ist die Anzahl der Protonen angegeben und vertikal von oben nach unten die Anzahl der Neutronen. Ein doppelt magischer Kern hat die Anzahl der Protonen und Neutronen gleich jeder magischen Zahl.
Die Halbwertszeit der in Dubna erhaltenen Flerovium-Isotope (Element 114) beträgt bis zu 2,7 Sekunden. Der Theorie zufolge soll es ein Isotop Flerovium-298 mit einer magischen Neutronenzahl N = 184 und einer Lebensdauer von etwa zehn Millionen Jahren geben. Es war bisher nicht möglich, einen solchen Kern zu synthetisieren. Zum Vergleich: Die Halbwertszeit benachbarter Elemente mit Protonenzahlen im Kern von 113 und 115 beträgt bis zu 19,6 Sekunden (für Nichonium-286) bzw. 0,156 Sekunden (für Muskovium-289).
Die Autoren der Veröffentlichung auf arXiv.org glauben, dass das Vorkommen von HD 101065-Actiniden in der Atmosphäre dafür spricht, dass auch dort chemische Elemente von der Insel der Stabilität vorkommen. Aktiniden sind in diesem Fall ein Zerfallsprodukt stabiler superschwerer Elemente. Wissenschaftler schlagen vor, in den Spektren von HD 101065 nach Spuren von Nobelium, Lawrencia, Nichonium und Flerovium zu suchen und spezifische Spektren zu beschreiben, die stabile Isotope erzeugen können.
Derzeit werden in Russland, den USA, Japan und Deutschland neue Elemente des Periodensystems synthetisiert. Auf der Erde wurden in der natürlichen Umgebung keine transuranischen Elemente gefunden. Der Stern HD 101065 könnte neue Möglichkeiten eröffnen, die Theorien der Kernphysiker zu testen, was auf die Existenz einer Insel der Stabilität hindeutet.
Superschwere Elemente auf der Insel der Stabilität
Die theoretische und experimentelle Untersuchung der Stabilität des Atomkerns gab sowjetischen Physikern Anlass, die Methoden zur Gewinnung schwerer Transurane... Dubna beschloss, neue Wege zu gehen und als Ziel zu nehmen 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 die Kerne von Atomen mit einer solchen Ordnungszahl) und 2-8-20-28-50-82 -126- 184-196-228-272-318 Neutronen aufgrund der fertigen Struktur ihrer Schalen. Erst seit kurzem ist es möglich, diese Ansichten durch computergestützte Berechnungen zu bestätigen.
Diese ungewöhnliche Stabilität fiel vor allem auf, wenn man die Fülle bestimmter Elemente im Weltraum untersuchte. Isotope diejenigen, die diese Kernzahlen besitzen, werden magische Zahlen genannt. Das Wismut-Isotop 209 Bi mit 126 Neutronen ist ein solches magisches Nuklid. Dazu gehören auch Isotope Sauerstoff, Kalzium, Zinn... Zweimal magisch sind: für Helium - 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 Kernstärke aus.
Mit einer neuen Art von Ionenquellen und leistungsstärkeren Schwerionenbeschleunigern - die U-200- und U-300-Einheiten wurden in Dubna gepaart, die Gruppe von G.N. Schwerionenfluss mit außergewöhnlicher Energie. Um die Kernfusion zu erreichen, feuerten sowjetische Physiker 280 MeV Chrom-Ionen auf ein Blei- und Wismut-Ziel. Was könnte passiert sein? Anfang 1974 registrierten Nuklearwissenschaftler in Dubna 50 Fälle während einer solchen Bombardierung, was darauf hindeutet: Bildung des 106. Elements, die jedoch nach 10 -2 s zerfällt. Diese 50 Atomkerne wurden nach dem Schema gebildet:
208 Pb + 51 Cr = 259 X
Wenig später berichteten Gyorso und Seaborg vom Lawrence Berkeley-Labor, dass sie ein Isotop des neuen, 106 Juni, Element mit einer Massenzahl von 263 durch Beschuss von California-249 mit Sauerstoffionen in einer Super-HILAC-Apparatur.
Wie soll das neue Element heißen? Abgesehen von früheren Differenzen kamen diesmal beide Gruppen in Berkeley und Dubna, die im wissenschaftlichen Wettbewerb wetteiferten, um Konsens... Es sei zu früh, um über Namen zu sprechen, sagte Hovhannisyan. Und Ghiorso fügte hinzu, dass beschlossen wurde, von Vorschlägen zum Namen des 106. Elements bis zur Klärung der Situation abzusehen.Ende 1976 schloss das Dubna Nuclear Reactions Laboratory eine Reihe von Experimenten zur Synthese des 107. Elements ab; als Ausgangssubstanz dienten die Dubnin-"Alchemisten" magisch"Wismut-209. Beim Beschuss mit 290 MeV Chromionen wurde es in ein Isotop umgewandelt 107 Element:
209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 n
Element 107 zerfällt spontan mit einer Halbwertszeit von 0,002 s und emittiert zusätzlich Alphateilchen.
Die gefundenen Halbwertszeiten von 0,01 und 0,002 s für die Elemente 106 und 107 machten uns aufmerksam. Schließlich stellten sie sich heraus, dass sie mehrere Größenordnungen größer waren, als die Computerberechnungen vorhersagten. Vielleicht wurde das 107. Element bereits merklich beeinflusst durch die Nähe der nächsten magischen Zahl von Protonen und Neutronen - 114, was die Stabilität erhöht?
Wenn dies der Fall ist, bestand die Hoffnung, langlebige Isotope des Elements 107 beispielsweise durch Beschuss zu erhalten Berkelien Neon-Ionen. Berechnungen haben gezeigt, dass das durch diese Reaktion gebildete neutronenreiche Isotop eine Halbwertszeit von mehr als 1 s haben sollte. Dies würde es ermöglichen, die chemischen Eigenschaften des 107. Elements zu untersuchen - ekareniya.
Das langlebigste Isotop des ersten Transurans, Element 93, Neptunium-237, hat eine Halbwertszeit von 2.100.000 Jahren; das stabilste Isotop des 100. Elements - Fermi-257 - nur 97 Tage. Ab 104. Element Halbwertszeiten sind nur Bruchteile einer Sekunde. Daher schien es absolut keine Hoffnung zu geben, diese Elemente zu entdecken. Wozu ist weitere Forschung nötig?
Albert Ghiorso, ein führender US-amerikanischer Transuran-Experte, kommentierte dies einmal: " Der Grund, weiter nach weiteren Elementen zu suchen, ist einfach die Befriedigung der menschlichen Neugier – was passiert hinter der nächsten Straßenbiegung?„Das ist aber natürlich nicht nur eine wissenschaftliche Kuriosität.“ Ghiorso machte deutlich, wie wichtig es ist, solch eine grundlegende Studie fortzusetzen.
In den 60er Jahren wurde die Theorie der nuklearen magischen Zahlen immer wichtiger. Im „Meer der Instabilität“ suchten Wissenschaftler verzweifelt nach einem Heilmittel. 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, ekaslead, gilt als Zentrum eines großen Stabilitätsbereichs. Das Isotop 298 des Elements 114 ist seit langem ein besonderes Thema wissenschaftlicher Kontroversen, denn es ist mit 114 Protonen und 184 Neutronen einer jener doppelt magischen Atomkerne, deren Existenz für lange Zeit vorhergesagt wird. Doch was bedeutet langfristige Existenz?
Vorläufige Berechnungen zeigen, dass die Halbwertszeit bei der Freisetzung von Alpha-Partikeln von 1 bis 1000 Jahren und in Bezug auf die spontane Spaltung von 10 8 bis 10 16 Jahren reicht. Solche Schwankungen werden, wie Physiker betonen, durch die Näherung der "Computerchemie" erklärt. Für die nächste Stabilitätsinsel, Element 164, werden sehr ermutigende Halbwertszeiten vorhergesagt. zweiadrig... Auch das Isotop des 164. Elements mit der Massenzahl 482 ist doppelt magisch: Sein Kern besteht aus 164 Protonen und 318 Neutronen.
Wissenschaft interessiert und einfach magische superschwere Elemente, wie beispielsweise Isotop-294 von Element 110 oder Isotop-310 von Element 126, die jeweils 184 Neutronen enthalten. Man fragt sich, wie Forscher ernsthaft mit diesen imaginären Elementen jonglieren, als ob sie bereits existieren würden. Alle neuen Daten werden aus dem Computer extrahiert und jetzt ist schon definitiv bekannt, was Eigenschaften - nuklear, kristallographisch und chemisch - diese superschweren Elemente müssen haben... In der Fachliteratur häufen sich genaue Daten für Elemente, die Menschen vielleicht in 50 Jahren entdecken werden.
Derzeit reisen Nuklearwissenschaftler in Erwartung von Entdeckungen durch das Meer der Instabilität. Zurück blieb fester Boden: eine Halbinsel mit natürlichen radioaktiven Elementen, gekennzeichnet durch Erhebungen von Thorium und Uran, und ein weitreichender 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 Untiefe: Die offenen Elemente 106 und 107 sind stabiler als erwartet.
In den letzten Jahren sind wir lange auf dem Meer der Instabilität gesegelt, argumentiert GN Flerov, und plötzlich, im letzten Moment, haben wir den Boden unter unseren Füßen gespürt. Ein versehentlicher Unterwasserfelsen? Oder eine Sandbank einer lang ersehnten Insel der Widerstandsfähigkeit? Wenn das zweite richtig ist, dann haben wir eine echte Chance zu schaffen neues Periodensystem der stabilen superschweren Elemente mit erstaunlichen Eigenschaften.
Nachdem die Hypothese stabiler 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 vermeintlich langen Halbwertszeiten hofften, zumindest in Form von Spuren auf der Erde oder im Weltraum gefunden zu werden Sonnensystem diese Elemente existierten ebenso wie alle anderen.
Spuren superschwerer Elemente- was ist darunter zu verstehen? Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich spontan in zwei Kernfragmente mit großer Masse und Energie aufzuspalten, sollten diese Transurane deutliche Spuren der Zerstörung in der benachbarten Materie hinterlassen haben.
Solche Spuren sind in Mineralien nach dem Ätzen unter dem Mikroskop zu sehen. Mit Hilfe dieser Methode der Zerstörungsspuren ist es nun möglich, die Existenz längst abgestorbener Elemente aufzuspüren. Aus der Breite der verbleibenden Spuren lässt sich auch die Ordnungszahl des Elements abschätzen – die Breite der Spur ist proportional zum Quadrat der Kernladung.
Auch "lebende" superschwere Elemente sollen offenbar werden, da sie immer wieder Neutronen emittieren. Bei einem spontanen Spaltungsprozess emittieren diese Elemente bis zu 10 Neutronen.
Spuren von superschweren Elementen wurden in Manganknollen aus den Tiefen des Ozeans sowie in den Gewässern nach dem Abschmelzen der Gletscher der Polarmeere gesucht. Bis jetzt vergeblich. G. N. Flerov und seine Mitarbeiter untersuchten das Bleiglas einer antiken Vitrine aus dem 14. Jahrhundert, ein Leydener Krug aus dem 19. Jahrhundert und eine Bleikristallvase aus dem 18. Jahrhundert.
Zunächst deuteten mehrere Spuren einer spontanen Teilung darauf hin ekaslead- 114. Element. Als Dubna-Wissenschaftler jedoch ihre Messungen mit einem hochempfindlichen Neutronendetektor im tiefsten Salzbergwerk der Sowjetunion wiederholten, kamen sie zu keinem positiven Ergebnis. In eine solche Tiefe konnte kosmische Strahlung nicht eindringen, was anscheinend den beobachteten Effekt verursachte.
1977 schlug Professor Flerov vor, endlich entdeckt zu haben, " neue Transuransignale"bei der Untersuchung des tiefen Thermalwassers der Cheleken-Halbinsel im Kaspischen Meer.
Allerdings war die Zahl der gemeldeten Fälle für eine eindeutige Zuordnung zu gering. Ein Jahr später registrierte Flerovs Gruppe monatlich 150 spontane Spaltungen. Diese Daten wurden beim Arbeiten mit einem Ionenaustauscher gewonnen, der mit einem unbekannten Transuran aus Thermalwasser gefüllt war. Flerov schätzte die Halbwertszeit eines vorhandenen Elements, das er noch nicht isolieren konnte, in Milliarden von Jahren.
Andere Forscher gingen andere Wege. Professor Fowler und seine Mitarbeiter an der University of Bristol haben mit Höhenballons experimentiert. Mit Hilfe von Detektoren kleiner Mengen von Kernen wurden zahlreiche Bereiche mit Kernladungen von mehr als 92 identifiziert. Die britischen Forscher glaubten, dass eine der Spuren sogar Elemente 102 ... 108 anzeigt. Später haben sie eine Änderung vorgenommen: Das unbekannte Element hat die Seriennummer 96 ( Kurium).
Wie gelangen diese superschweren Teilchen in die Stratosphäre der Erde? 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. Dieser Weltraumniederschlag wird derzeit sowohl in der Atmosphäre als auch in tiefen marinen Sedimenten gesucht.
Bedeutet dies, dass superschwere Elemente in der kosmischen Strahlung zu finden sind? Es stimmt, nach amerikanischen Wissenschaftlern, die 1975 das Skylab-Experiment durchführten, wurde diese Hypothese nicht bestätigt. In einem Weltraumlabor, das die Erde umkreiste, wurden Detektoren installiert, die schwere Teilchen aus dem Weltraum absorbieren; wurden nur gefunden Spuren berühmter Elemente.
Mondstaub, der 1969 nach der ersten Mondlandung auf die Erde gelangte, wurde ebenso sorgfältig auf das Vorhandensein superschwerer Elemente untersucht. Als sie Spuren von "langlebigen" Partikeln bis zu 0,025 mm fanden, dachten einige Forscher, dass sie den Elementen 110 - 119 zugeschrieben werden können.
Ähnliche Ergebnisse wurden aus Untersuchungen der anomalen Isotopenzusammensetzung des Edelgases Xenon in verschiedenen Meteoritenproben erhalten. Physiker haben vorgeschlagen, dass dieser Effekt nur durch die Existenz superschwerer Elemente erklärt werden kann.
Sowjetische Wissenschaftler in Dubna, die als Ergebnis einer dreimonatigen Beobachtung 20 kg des im Herbst 1969 in Mexiko gefallenen Allende-Meteoriten analysierten, konnten mehrere spontane Spaltungen feststellen.
Nachdem jedoch festgestellt wurde, dass "natürliche" Plutonium-244 das war einmal Teil von unseres Sonnensystems ganz ähnliche Spuren hinterlässt, wurde die Deutung sorgfältiger durchgeführt.
Das Zerfallsverhalten superschwerer Kerne wurde anhand verschiedener theoretischer Modelle berechnet. Die Ergebnisse einer dieser Berechnungen sind in Abb. 4. Angegeben sind die Halbwertszeiten gerader superschwerer Kerne bezüglich Spontanspaltung (a), α-Zerfall (b), β-Zerfall (c) und für alle möglichen Zerfallsprozesse (d). Der stabilste Kern bezüglich Spontanspaltung (Abb. 4a) ist der Kern mit Z = 114 und N = 184. Für ihn beträgt die Halbwertszeit bezüglich Spontanspaltung ~ 10 16 Jahre. Bei Isotopen des 114. Elements, die sich um 6-8 Neutronen von den stabilsten unterscheiden, sinken die Halbwertszeiten um 10-15 Größenordnungen. Die Halbwertszeiten bezüglich des α-Zerfalls sind in Abb. 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.
Gegen β-Zerfall stabile Kerne sind in Abb. 4 in dunklen Punkten. In Abb. 4d zeigt die gesamten Halbwertszeiten. Für geradzahlige Kerne, die sich innerhalb der zentralen Kontur befinden, betragen sie ~ 10 5 Jahre. Somit stellt sich nach Berücksichtigung aller Zerfallsarten heraus, dass die 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. Die Differenz zwischen dem Wert von Z und der vom Schalenmodell vorhergesagten magischen Zahl 114 hängt mit der Konkurrenz zwischen Kernspaltung (bezüglich welcher der Kern mit Z = 114 am stabilsten ist) und α-Zerfall (bezüglich welcher Kerne mit unteres Z sind stabil). Für ungerade-gerade und gerade-ungerade Kerne steigen die Halbwertszeiten bezüglich des α-Zerfalls und der spontanen Spaltung und nehmen bezüglich des β-Zerfalls ab. Es sei darauf hingewiesen, dass die obigen Abschätzungen stark von den in den Berechnungen verwendeten Parametern abhängen und nur als Hinweis auf die Möglichkeit der Existenz superschwerer Kerne mit ausreichend langen Lebensdauern für ihren experimentellen Nachweis angesehen werden können.
Die Ergebnisse einer weiteren Berechnung der Gleichgewichtsform superschwerer Kerne und ihrer Halbwertszeiten sind in Abb. 5, 11.11. In Abb. 11.10 zeigt die Abhängigkeit der Gleichgewichtsspannungsenergie von der Neutronen- und Protonenzahl für Kerne mit Z = 104-120. Die Dehnungsenergie ist definiert als die Differenz zwischen den Energien von Kernen im Gleichgewicht und Kugelformen. Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass es in den Bereichen Z = 114 und N = 184 Kerne geben sollte, die im Grundzustand eine Kugelform haben. Alle bisher entdeckten superschweren Kerne (in Abb. 5 durch dunkle Rauten dargestellt) sind deformiert. Offene Rauten zeigen gegenüber β-Zerfall stabile Kerne. Diese Kerne müssen durch α-Zerfall oder Spaltung zerfallen. Der Hauptzerfallskanal sollte Alphazerfall sein.
Die Halbwertszeiten für gerade-gerade β-stabile Isotope sind in Abb. 6. Nach diesen Vorhersagen wird erwartet, dass die Halbwertszeiten für die meisten Kerne viel länger sind als die für die bereits entdeckten superschweren Kerne beobachteten (0,1-1 ms). Für den Kern 292 110 wird beispielsweise eine Lebensdauer von ~ 51 Jahren vorhergesagt.
So nimmt nach modernen mikroskopischen Berechnungen die Stabilität superschwerer Kerne mit Annäherung an die magische Zahl für Neutronen N = 184 stark zu. Das einzige Isotop des Elements mit Z = 112 war bis vor kurzem das Isotop 277 112, das eine Halb- Lebensdauer von 0,24 ms. Das schwerere Isotop 283 112 wurde in der Kaltfusionsreaktion 48 Ca + 238 U synthetisiert. Die Bestrahlungszeit betrug 25 Tage. Die Gesamtzahl von 48 Ca-Ionen auf dem Target beträgt 3,5 × 10 18. Zwei Fälle wurden aufgezeichnet, die als spontane Spaltung des gebildeten Isotops 283 112 interpretiert wurden. Für die Halbwertszeit dieses neuen Isotops wurde die Schätzung T 1/2 = 81 s erhalten. Somit ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der Neutronenzahl des Isotops 283 112 im Vergleich zum Isotop 277 112 um 6 Einheiten die Lebensdauer um 5 Größenordnungen erhöht.
In Abb. 7 zeigt die gemessene Lebensdauer der Seaborgium-Isotope Sg (Z = 106) im Vergleich zu den Vorhersagen verschiedener theoretischer Modelle. Bemerkenswert ist die Abnahme der Lebensdauer des Isotops mit N = 164 im Vergleich zur Lebensdauer des Isotops mit N = 162 um fast eine Größenordnung.
Die nächste Annäherung an die Stabilitätsinsel kann in der Reaktion 76 Ge + 208 Pb erreicht werden. Ein superschwerer, fast kugelförmiger Kern kann in einer Fusionsreaktion mit anschließender Emission von γ-Quanten oder einem Neutron gebildet werden. Schätzungen zufolge soll der gebildete Kern 284 114 unter Emission von Alphateilchen mit einer Halbwertszeit von ~ 1 ms zerfallen. Zusätzliche Informationen über die Schalenbelegung im Bereich von N = 162 können durch Untersuchung des α-Zerfalls der Kerne 271 108 und 267 106 erhalten werden. Für diese Kerne werden Halbwertszeiten von 1 min vorhergesagt. und 1 Stunde. Isomerie wird erwartet für Kerne 263 106, 262 107, 205 108, 271.273 110, deren Ursache die Füllung von Unterschalen mit j = 1/2 und j = 13/2 im Bereich von N = 162 für Kerne ist, die im deformiert sind Grundzustand.
In Abb. 8 zeigt die experimentell gemessenen Anregungsfunktionen für die Bildung der Elemente Rf (Z = 104) und Hs (Z = 108) für die Fusionsreaktionen von einfallenden 50 Ti- und 56 Fe-Ionen mit dem 208 Pb-Zielkern.
Der resultierende zusammengesetzte Kern wird durch die Emission von ein oder zwei Neutronen gekühlt. Informationen über die Anregungsfunktionen von Schwerionenfusionsreaktionen sind besonders wichtig für die Herstellung superschwerer Kerne. Bei der Fusionsreaktion schwerer Ionen ist es erforderlich, die Wirkung der Coulomb-Kräfte und der Oberflächenspannungskräfte genau auszubalancieren. Wenn die Energie des einfallenden Ions nicht groß genug ist, reicht die Entfernung der nächsten Annäherung für die Fusion des binären Kernsystems nicht aus. Wenn die Energie des einfallenden Teilchens zu hoch ist, hat das resultierende System eine hohe Anregungsenergie und wird mit hoher Wahrscheinlichkeit in Fragmente zerfallen. Die Verschmelzung tritt effektiv in einem ziemlich engen Energiebereich kollidierender Teilchen auf.
Fusionsreaktionen mit minimaler Neutronenemission (1-2) sind von besonderem Interesse, da bei synthetisierten superschweren Kernen ist es wünschenswert, das größte N/Z-Verhältnis zu haben. In Abb. 9 zeigt das Fusionspotential für Kerne in der Reaktion
64 Ni + 208 Pb 272 110. Die einfachsten Schätzungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit des Tunneleffekts für die Kernfusion bei ~ 10 -21 liegt, was deutlich niedriger ist als der beobachtete Wirkungsquerschnitt. 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 dieser Entfernung sind nur Nukleonen, die sich auf der Oberfläche des Kerns befinden, in Kontakt. Die Energie dieser Nukleonen ist gering. Folglich besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Nukleonen oder Nukleonenpaare die Orbitale eines Kerns verlassen und in die freien Zustände des Partnerkerns übergehen. Der Transfer von Nukleonen vom Projektilkern zum Zielkern ist besonders attraktiv, wenn das doppelte magische Isotop von Blei 208 Pb als Ziel verwendet wird. In 208 Pb sind die h 11/2 Protonenunterschale und die h 9/2 und i 13/2 Neutronenunterschale gefüllt. Anfänglich wird der Protonentransfer durch die Proton-Proton-Anziehungskräfte stimuliert, und nachdem die h 9/2-Unterschale gefüllt ist, durch die Proton-Neutron-Anziehungskräfte. In ähnlicher Weise bewegen sich Neutronen in die freie i 11/2-Unterschale, wobei sie von Neutronen aus der bereits gefüllten i 13/2-Unterschale angezogen werden. Aufgrund der Paarungsenergie und des großen Bahndrehimpulses ist die Übertragung eines Nukleonenpaars wahrscheinlicher als die Übertragung eines einzelnen Nukleons. Nach dem Transfer von zwei Protonen von 64 Ni 208 Pb sinkt die Coulomb-Barriere um 14 MeV, was zu einem engeren Kontakt der wechselwirkenden Ionen und zur Fortsetzung des Nukleonentransferprozesses beiträgt.
In Arbeit [V.V. Wolkow. Kernreaktionen von tiefen unelastischen Transmissionen. M. Energoizdat, 1982; V. V. Wolkow. Izv. Akademie der Wissenschaften der UdSSR, Reihe fizich., 1986 Bd. 50 S. 1879] wurde der Mechanismus der Fusionsreaktion im Detail untersucht. Es wird gezeigt, dass sich bereits im Stadium des Einfangens nach vollständiger Dissipation der kinetischen Energie des einfallenden Teilchens ein binäres Kernsystem bildet 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 essentielle Rolle bei der Bildung eines zusammengesetzten Kerns. Anhand dieses Modells war es möglich, die Anregungsenergie von Verbundkernen und den Wirkungsquerschnitt für die Bildung von 102-112 Elementen in kalten Fusionsreaktionen recht gut zu beschreiben.
Im Labor für Kernreaktionen. G. N. Flerova (Dubna), ein Element mit Z = 114 wurde synthetisiert.Die Reaktion wurde verwendet
Der Kern 289 114 wurde durch eine Kette von α-Zerfällen identifiziert. Die experimentelle Schätzung der Halbwertszeit des Isotops beträgt 289 114 ~ 30 s. Das erhaltene Ergebnis stimmt gut mit den zuvor durchgeführten Berechnungen überein.
Bei der Synthese von 114 Elementen in der 48 Cu + 244 Pu-Reaktion wird die maximale Ausbeute durch den Kanal mit der Verdampfung von drei Neutronen erzielt. In diesem Fall betrug die Anregungsenergie des zusammengesetzten Kerns 289 114 35 MeV.
Die theoretisch vorhergesagte Abfolge von Zerfällen, die mit den 296 116 bei der Reaktion gebildeten Kernen auftreten, ist in Abb. 10 dargestellt.
 Reis. 10. Schema des Kernzerfalls 296 116 |
Der Kern 296 116 wird durch die Emission von vier Neutronen gekühlt und in das Isotop 292 116 umgewandelt, das dann mit 5%iger Wahrscheinlichkeit durch zwei aufeinanderfolgende e-Einfänge in das Isotop 292 114 umgewandelt wird -Zerfall (T 1/2 = 85 Tage), das Isotop 292 114 wird in Isotop 288 112 umgewandelt. Isotop 288 112 wird auch durch den Kanal gebildet
Der aus beiden Ketten resultierende Endkern 288 112 hat eine Halbwertszeit von etwa 1 Stunde und zerfällt durch spontane Spaltung. Mit etwa 10 % Wahrscheinlichkeit kann das Isotop 284 112 als Ergebnis des α-Zerfalls des Isotops 288 114 gebildet werden. Die obigen Perioden und Zerfallskanäle wurden durch Berechnung erhalten.
Bei der Analyse der verschiedenen Möglichkeiten der Bildung superschwerer Elemente bei Reaktionen mit Schwerionen sind folgende Umstände zu berücksichtigen.
- Es ist notwendig, einen Kern mit einem ausreichend großen Verhältnis von Neutronenzahl zu Protonenzahl zu erzeugen. Daher sollten 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 hat, da sonst die effektive Höhe der Spaltbarriere abnimmt.
- Es ist notwendig, dass der gebildete Kern eine nahezu kugelförmige Form hat, da selbst eine leichte Verformung zu einer schnellen Spaltung eines 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. 11 zeigt die geschätzten Wirkungsquerschnitte für die Bildung von Transuranelementen bei Bestrahlung von Targets aus 248 Cm, 249 Cf und 254 Es mit beschleunigten 238 U-Ionen. Bei diesen Reaktionen wurden bereits erste Ergebnisse zu den Wirkungsquerschnitten für die Bildung von Elementen mit Z> 100 erhalten. Um die Ausbeuten der untersuchten Reaktionen zu erhöhen, wurden die Dicken der Targets so gewählt, dass die Reaktionsprodukte im Ziel. Nach der Bestrahlung wurden einzelne chemische Elemente vom Target getrennt. In den erhaltenen Proben wurden über mehrere Monate α-Zerfallsprodukte und Spaltfragmente aufgezeichnet. Die mit beschleunigten Uranionen erhaltenen Daten zeigen deutlich eine Steigerung der Ausbeute an schweren Transuranelementen im Vergleich zu leichteren Beschussionen. Diese Tatsache ist äußerst wichtig für die Lösung des Problems der Synthese superschwerer Kerne. Trotz der Schwierigkeiten, mit den entsprechenden Zielen zu arbeiten, sehen die Vorhersagen des Fortschritts in Richtung eines großen Z recht optimistisch aus.
Der Fortschritt zu superschweren Kernen in den letzten Jahren war überwältigend beeindruckend. Alle Versuche, die Insel der Stabilität zu finden, waren jedoch bisher nicht von Erfolg gekrönt. Die Suche nach ihm geht intensiv weiter.
Am Ende des zweiten Jahrtausends stellte der Akademiemitglied 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 ist unter Nr. 13 das Problem des Auffindens superschwerer Elemente angegeben. Dann, vor 12 Jahren, stellte der Akademiker mit Verdruß 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 gefunden. Dies lässt hoffen, endlich die Insel der Stabilität superschwerer Kerne zu öffnen, 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), lange Zeit blieben offen, da sie in der Natur nicht beobachtet wurden. Es wurde angenommen, dass es keine stabilen Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 180 gibt: leistungsstark positive Ladung der Kern zerstört die inneren Ebenen der Elektronen des Schweratoms. Schnell wurde jedoch klar, dass die Stabilität eines Elements von der Stabilität seines Kerns und nicht der 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 - hervorstechen, zum Beispiel Zinn , führen. Und die stabilsten sind "doppelt magische Kerne", in denen die Anzahl der Neutronen und Protonen magisch ist, sagen wir Helium und Kalzium. Dies ist das Isotop von Blei 208 Pb: Es hat Z = 82, N = 126. Die Stabilität eines Elements hängt stark vom Verhältnis der Anzahl der Protonen und Neutronen in seinem Kern ab. Blei beispielsweise ist mit 126 Neutronen stabil, während sein anderes Isotop, in dessen Kern sich ein Neutron mehr befindet, in mehr als drei Stunden zerfällt. Aber, bemerkte VL Ginzburg, die Theorie sagt voraus, dass ein bestimmtes Element X mit der Anzahl der Protonen Z = 114 und der Neutronen N = 184, dh mit der Massenordnungszahl A = Z + N = 298, etwa 100 Millionen leben sollte Jahre.
Heute wurden viele Elemente bis einschließlich 118 künstlich gewonnen - 254 Uuo. Es ist das schwerste Nichtmetall, vermutlich ein Edelgas; seine konventionellen Namen sind ununoctium (es wird aus den Wurzeln der lateinischen Ziffern gebildet - 1, 1, 8), Eka-Radon und Muscovy Mw. Alle künstlichen Elemente gab es einst auf der Erde, aber im Laufe der Zeit zerfielen sie. Plutonium-94 hat beispielsweise 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. Die unbedeutenden Spuren von Neptunium, die in Uranerzen gefunden werden, 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 erhalten. Erstens kann ein zusätzliches Neutron in den Kern eines schweren Elements getrieben werden. Dort erfährt es einen Betazerfall, wobei ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino gebildet werden: n 0 → p + e - + v e. Die Kernladung wird um eins erhöht - ein neues Element wird erscheinen. So wurden künstliche Elemente bis Fermium-100 gewonnen (sein Isotop 257 Fm hat eine Halbwertszeit von 100 Jahren).
Noch schwerere Elemente werden in Beschleunigern erzeugt, die Kerne beschleunigen und kollidieren, wie zum Beispiel Gold (siehe Science and Life, Nr. 6, 1997). So wurden im Labor für Kernreaktionen des Joint Institute for Nuclear Research (JINR, Dubna) das 117. und 118. Element 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 hat das System der Elemente als symbolischen Archipel dargestellt, in dem stabile Elemente von einem Meer kurzlebiger Isotope umgeben sind, die möglicherweise nie entdeckt werden. Auf der Hauptinsel des Archipels erheben sich die Gipfel der stabilsten Elemente – Kalzium, Zinn und Blei –, hinter der Straße der Radioaktivität liegt die Insel der schweren Kerne mit Gipfeln von Uranus, Neptunium und Plutonium. Und noch weiter entfernt sollte die mysteriöse Insel der Stabilität superschwerer Elemente sein, ähnlich den bereits erwähnten - Kh-298.
Trotz aller Erfolge der experimentellen und theoretische Physik, bleibt die Frage: Gibt es superschwere Elemente in der Natur oder sind es rein künstliche, vom Menschen geschaffene Stoffe, ähnlich synthetischen Materialien - Nylon, Nylon, Lavsan - die die Natur nie geschaffen hat?
Es gibt Bedingungen für die Bildung solcher Elemente in der Natur. Sie entstehen im Darm von Pulsaren und bei Supernova-Explosionen. Neutronenflüsse in ihnen erreichen eine enorme Dichte - 10 38 n 0 / m 2 und können superschwere Kerne erzeugen. Sie zerstreuen sich im Weltraum in einem Strom intergalaktischer kosmischer Strahlung, aber ihr Anteil ist extrem klein - nur wenige Teilchen pro Quadratmeter und Jahr. Daher entstand die Idee, einen natürlichen kosmischen Strahlungsspeicher-Detektor zu verwenden, in dem superschwere Kerne eine bestimmte, leicht erkennbare Spur hinterlassen sollen. Meteoriten haben erfolgreich als solche Detektoren gedient.
Ein Meteorit - ein Stück Gestein, das durch eine kosmische Katastrophe aus seinem Mutterplaneten gerissen wurde - reist seit Hunderten von Millionen Jahren durch den Weltraum. Es wird ständig von kosmischer Strahlung "beschossen", die zu 90% aus Wasserstoffkernen (Protonen), 7% Heliumkernen (zwei Protonen) und 1% Elektronen besteht. Die restlichen 2% sind andere Partikel, unter denen sich superschwere Kerne befinden können.
Forscher des Physikalischen Instituts. PN Lebedev (FIAN) und das nach ihm benannte Institut für Geochemie und Analytische Chemie VI Vernadsky (GEOKHI RAS) untersuchen zwei Pallasite - Eisen-Nickel-Meteoriten, die mit Olivin durchsetzt sind (eine Gruppe durchscheinender Mineralien, in denen Mg 2, (Mg, Fe) 2 und (Mn, Fe) 2 dem Siliziumdioxid SiO 4 in verschiedenen Proportionen; transparenter Olivin wird Chrysolith genannt). Das Alter dieser Meteoriten beträgt 185 und 300 Millionen Jahre.
Schwere Kerne, die durch den Olivinkristall fliegen, beschädigen dessen Gitter und hinterlassen ihre Spuren darin - Spuren. Sie werden nach chemischer Behandlung des Kristalls - Ätzen - sichtbar. Und da Olivin durchscheinend ist, können diese Spuren unter dem Mikroskop beobachtet und untersucht werden. Die Dicke der Spur, ihre Länge und Form kann verwendet werden, um die Ladung und Atommasse des Kerns zu beurteilen. Die Forschung wird dadurch erheblich erschwert, dass Olivinkristalle in der Größenordnung von mehreren Millimetern liegen und die Spur eines schweren Teilchens viel länger ist. Daher muss die Höhe seiner Ladung anhand indirekter Daten beurteilt werden – der Ätzrate, der Abnahme der Spurdicke usw.
Die Arbeit, Spuren superschwerer Teilchen von der Insel der Stabilität zu finden, wurde Projekt Olympia genannt. Im Rahmen dieses Projektes 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 von einem bei FIAN erstellten hochpräzisen Gerätekomplex gemessen. Der Komplex erkennt automatisch Spuren, bestimmt ihre geometrischen Parameter und ermittelt aus den Messdaten die geschätzte Spurlänge, bevor er im Olivin-Massiv 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.
A. Levin
Auf der Insel der Stabilität
Wissenschaftler beschäftigen sich seit sieben Jahrzehnten mit der neuesten Version des alchemistischen Handwerks und haben dabei viel erreicht: die Liste der offiziell anerkannten künstlichen Elemente, deren Namen von der International Union of Theoretical and Applied Chemistry (IUPAC) offiziell genehmigt wurden. , umfasst 19 Stellen.
Es beginnt mit dem 93. Element des seit 1940 bekannten Periodensystems - Neptunium und endet mit dem 111. - Röntgenbild, das erstmals 1994 gemacht wurde. In den Jahren 1996 und 1998 gingen die Elemente mit den Nummern 112 und 114 ein. Sie haben ihre endgültigen Namen noch nicht erhalten, und die ihnen bis zur Entscheidung des IUPAC-Büros vorläufig zugewiesenen klingen schrecklich - unanständig und unangemessen. Im Jahr 2004 wurde über die Synthese des 113. und 115. Elements berichtet, die bisher mit ebenso schwer auszusprechenden Namen versehen waren. Sie haben jedoch ihre eigene Logik, dies sind nur Ordnungszahlen von Elementen, die mit den lateinischen Namen einstelliger Zahlen codiert sind. Ununbium steht beispielsweise für „eins-eins-zwei“.
Im vergangenen Herbst verbreitete die Weltpresse Berichte über den absolut zuverlässigen Empfang eines weiteren superschweres Element, 118. Die Zuverlässigkeit dieser Ergebnisse wurde nicht zufällig betont. Tatsache ist, dass solche Ankündigungen zum ersten Mal viel früher erschienen - im Juni 1999. Später mussten Mitarbeiter des amerikanischen Lawrence Livermore Laboratory, die einen Antrag auf diese Entdeckung stellten, diese jedoch ablehnen. Es stellte sich heraus, dass die zugrunde liegenden Daten von einem der Experimentatoren, dem Bulgaren Victor Ninov, fabriziert wurden. Im Jahr 2002 führte dies zu einem erheblichen Skandal. Im selben Jahr erneuerten Wissenschaftler aus Livermore unter der Leitung von Kenton Moody zusammen mit russischen Kollegen vom Joint Institute for Nuclear Research in Dubna unter der Leitung von Yuri Oganesyan diese Versuche mit einer anderen Kette von Kernreaktionen. Nur drei Jahre später waren die Experimente abgeschlossen und führten nun bereits zur garantierten Synthese des 118. Elements – allerdings in der Menge von nur drei Kernen. Diese Ergebnisse werden in einem Artikel mit zwanzig russischen und zehn amerikanischen Unterschriften präsentiert, der am 9. Oktober 2006 in der Zeitschrift Physical Review S erschienen ist.
Über die Methoden zur Gewinnung superschwerer künstlicher Elemente und die gemeinsame Arbeit der Oganesyan- und Moody-Gruppen werden wir später sprechen. Versuchen wir in der Zwischenzeit, eine nicht ganz so naive Frage zu beantworten: Warum Kernphysiker und -chemiker so hartnäckig bei der Synthese immer neuer Elemente mit dreistelligen Zahlen in Periodensystem? Diese Arbeiten erfordern eine aufwendige und teure Ausrüstung und viele Jahre intensiver Forschung – und was ist das Ergebnis? Völlig nutzlose instabile exotische Kerne, die zudem an einer Hand abgezählt werden können. Natürlich ist es für Spezialisten interessant, jeden dieser Kerne einfach wegen seiner Einzigartigkeit und Neuheit für die Wissenschaft zu untersuchen - zum Beispiel seine radioaktiven Zerfälle, Energieniveaus und geometrische Form zu untersuchen. Für solche Entdeckungen geben sie manchmal Nobelpreise, aber trotzdem - ist das Spiel die Kerze wert? Was verspricht diese Forschung, wenn nicht Technologie, dann zumindest Grundlagenwissenschaft?
EIN WENIG ELEMENTARPHYSIK
Zunächst erinnern wir uns daran, dass die Kerne aller Elemente ausnahmslos mit Ausnahme von Wasserstoff aus zwei Arten von Teilchen bestehen - positiv geladenen Protonen und Neutronen, die keine elektrische Ladung tragen (der Wasserstoffkern ist ein einzelnes Proton). Alle Kerne sind also positiv geladen, und die Ladung eines Kerns wird durch die Anzahl seiner Protonen bestimmt. Die gleiche Zahl legt die Nummer des Elements im Periodensystem fest. Auf den ersten Blick mag dieser Umstand seltsam erscheinen. Der Schöpfer dieses Systems D. I. Mendeleev ordnete die Elemente auf der Grundlage ihrer Atomgewichte und chemische Eigenschaften, und die Wissenschaft ahnte damals noch nicht einmal Atomkerne (übrigens, als er 1869 sein periodisches Gesetz entdeckte, waren nur 63 Elemente bekannt). Jetzt wissen wir (und Dmitry Ivanovich hatte keine Zeit, dies herauszufinden), dass die chemischen Eigenschaften von der Struktur der Elektronenwolke abhängen, die den Atomkern umgibt. Wie Sie wissen, haben die Ladungen eines Protons und eines Elektrons den gleichen Betrag und das entgegengesetzte Vorzeichen. Da das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist, ist die Anzahl der Elektronen genau gleich der Anzahl der Protonen – dies ist die gesuchte Bindung und wurde gefunden. Die Periodizität der chemischen Eigenschaften erklärt sich aus der Tatsache, dass die Elektronenwolke aus separaten "Schichten" - Schalen - besteht. Chemische Wechselwirkungen zwischen Atomen werden hauptsächlich durch die Elektronen der äußeren Schalen bereitgestellt. Wenn jede neue Hülle gefüllt wird, bilden die chemischen Eigenschaften der resultierenden Elemente eine glatte Reihe, und dann endet die Kapazität der Hülle und die nächste beginnt sich zu füllen - daher die Periodizität. Aber hier betreten wir bereits den Dschungel der Atomphysik, und heute interessiert uns das nicht, wir sollten Zeit haben, über Kerne zu sprechen.
Atomkerne werden normalerweise "Nuklide" genannt, vom lateinischen Kern - der Kern. Daher der gebräuchliche Name für Protonen und Neutronen - "Nukleonen". Kerne mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber unterschiedlich - Neutronen unterscheiden sich in der Masse, aber ihre elektronische "Kleidung" ist völlig identisch mit Marie Curie. Dies bedeutet, dass Atome, die sich nur durch die Neutronenzahl voneinander unterscheiden, chemisch nicht unterscheidbar sind und als Varietäten desselben Elements betrachtet werden müssen. Solche Elemente werden Isotope genannt (dieser Name wurde 1910 vom englischen Radiochemiker Frederick Soddy vorgeschlagen, der ihn von den griechischen Wörtern isos – gleich, gleich und topos – Ort ableitete). Isotope werden normalerweise durch den Namen oder das chemische Symbol des Elements gekennzeichnet, begleitet von der Bezeichnung der Gesamtzahl der Kernnukleonen (dieser Indikator wird "Massenzahl" genannt).
Alle natürlich vorkommenden Elemente haben mehrere Isotope. Zum Beispiel hat Wasserstoff zusätzlich zur Hauptversion mit einem Proton ein schweres - Deuterium und ein superschweres - Tritium (historisch haben Wasserstoffisotope ihre eigenen Namen). Der Kern von Deuterium besteht aus einem Proton und einem Neutron, Tritium - aus einem Proton und zwei Neutronen. Das zweite Element des Periodensystems, Helium, hat zwei natürliche Isotope: das sehr seltene Helium-3 (zwei Protonen, ein Neutron) und das viel häufiger vorkommende Helium-4 (zwei Protonen und zwei Neutronen). Auch Elemente reinen Laborursprungs werden in der Regel in unterschiedlichen Isotopenvarianten synthetisiert.
Nicht alle Atomkerne sind stabil. Einige von ihnen können spontan Partikel emittieren und sich in andere Nuklide verwandeln. Dieses Phänomen wurde 1896 vom französischen Physiker Antoine Henri Becquerel entdeckt, der entdeckte, dass Uran eine der Wissenschaft unbekannte durchdringende Strahlung aussendet. Zwei Jahre später entdeckten Frederic Curie und seine Frau Maria eine ähnliche Strahlung von Thorium und entdeckten dann zwei instabile Elemente, die noch nicht in das Periodensystem eingegangen waren - Radium und Polonium. Marie Curie nannte das aus Sicht der damaligen Wissenschaft mysteriöse Phänomen Radioaktivität. 1899 entdeckte der Engländer Ernest Rutherford, dass Uran zwei Arten von Strahlung aussendet, die er Alpha- und Betastrahlen nannte. Ein Jahr später bemerkte der Franzose Paul Villard eine Strahlung des dritten Typs aus Uran, die derselbe Rutherford als den dritten Buchstaben des griechischen Alphabets bezeichnete - Gamma. Später entdeckten Wissenschaftler andere Arten von Radioaktivität.
Sowohl Alpha- als auch Gammastrahlung entstehen durch innere Neuordnungen des Kerns. Alphastrahlen sind einfach Kernströme aus dem Hauptisotop von Helium, Helium-4. Wenn ein radioaktives Nuklid ein Alphateilchen aussendet, verringert sich seine Massenzahl um vier Einheiten und seine Ladung um zwei. Dadurch wird das Element im Periodensystem um zwei Zellen nach links verschoben. Der Alpha-Zerfall ist eigentlich ein Sonderfall einer ganzen Familie von Zerfällen, bei denen sich der Kern umordnet und Nukleonen oder Nukleonengruppen verliert. Es gibt Zerfälle, bei denen der Kern ein einzelnes Proton oder ein einzelnes Neutron oder sogar eine massivere Gruppe von Nukleonen als ein Alphateilchen emittiert (solche Gruppen werden "schwere Cluster" genannt). Aber Gammastrahlen sind substanzlos - sie sind elektromagnetische Quanten von sehr hoher Energie. Reiner Gammazerfall ist also streng genommen keine Radioaktivität, da nach ihm ein Kern mit der gleichen Anzahl von Protonen und Neutronen verbleibt, nur in einem Zustand mit reduzierter Energie.
Beta-Radioaktivität wird durch Kernumwandlungen ganz anderer Art verursacht. Die Teilchen, die Rutherford Betastrahlen nannte, waren einfach Elektronen, was sehr schnell klar wurde. Dieser Umstand verwirrte die Wissenschaftler lange, da alle Versuche, Elektronen im Inneren von Kernen zu finden, zu nichts führten. Erst 1934 erkannte Enrico Fermi, dass Beta-Elektronen nicht das Ergebnis intranuklearer Umlagerungen sind, sondern gegenseitige Umwandlungen von Nukleonen. Die Beta-Radioaktivität des Urankerns wird damit erklärt, dass eines seiner Neutronen in ein Proton und ein Elektron umgewandelt wird. Beta-Radioaktivität anderer Art tritt auf: Ein Proton wandelt sich in ein Positron und ein Neutron um (der Leser wird feststellen, dass bei beiden Umwandlungen die Gesamtmenge elektrische Ladung Gerettet). Während des Beta-Zerfalls werden auch ultraleichte und superpenetrierende neutrale Teilchen - Neutrinos - emittiert (genauer gesagt führt der Positron-Beta-Zerfall zur Bildung des Neutrinos selbst und des elektronischen - Antineutrinos). Beim elektronischen Betazerfall nimmt die Kernladung um eins zu, beim Positronenzerfall nimmt sie natürlich um den gleichen Betrag ab.
Für ein umfassenderes Verständnis des Betazerfalls müssen Sie noch tiefer graben. Protonen und Neutronen galten nur bis Mitte der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts als echte Elementarteilchen. Jetzt wissen wir mit Sicherheit, dass beide aus Tripletts von Quarks bestehen - viel weniger massive Teilchen, die positive oder negative Ladungen tragen. Die Ladung eines negativen Quarks entspricht einem Drittel der Ladung eines Elektrons und eines positiven Quarks zwei Drittel der Ladung eines Protons. Quarks sind durch den Austausch spezieller masseloser Teilchen – Gluonen – eng miteinander verlötet und existieren einfach nicht in freiem Zustand. Beta-Zerfälle sind also eigentlich Transformationen von Quarks.
Nukleonen innerhalb des Kerns werden wieder durch Austauschkräfte gebunden, die von anderen Teilchen, Pionen (früher wurden sie Pi-Mesonen genannt) transportiert werden. Diese Bindungen sind bei weitem nicht so stark wie die Gluon-Verklebung von Quarks, weshalb Kerne zerfallen können. Intranukleare Kräfte hängen nicht vom Vorhandensein oder Fehlen von Ladungen ab (daher reagieren alle Nukleoide auf die gleiche Weise miteinander) und haben eine sehr kurze Reichweite, etwa 1,4x10-15 Meter. Die Größe der Atomkerne hängt von der Anzahl der Nukleonen ab, aber im Allgemeinen sind sie gleich groß. Zum Beispiel beträgt der Radius des schwersten natürlich vorkommenden Nuklids, Uran-238, 7,4 x 10-15 Meter, bei leichteren Kernen ist er kleiner.
Physik der Ernsthaftigkeit
Wir sind fertig mit dem nuklearen Bildungsprogramm, lass uns zu mehr übergehen interessante Dinge... Hier zunächst einige Fakten, deren Erklärung den Weg zum Verständnis der verschiedenen Mechanismen der Nuklidfusion eröffnet.
Fakt 1.
Die ersten 92 Elemente des Periodensystems wurden auf der Erde entdeckt - von Wasserstoff bis Uran (Helium wurde jedoch zuerst durch Spektrallinien auf der Sonne entdeckt und Technetium, Astat, Promethium und Francium wurden künstlich gewonnen, aber später wurden sie alle entdeckt in terrestrische Materie). Alle Elemente mit großen Zahlen wurden künstlich gewonnen. Sie werden normalerweise als Transurane bezeichnet und stehen im Periodensystem rechts von Uran.
Fakt 3.
Das Verhältnis zwischen den Zahlen der intranuklearen Protonen und Neutronen ist keineswegs willkürlich. In stabilen leichten Kernen sind ihre Zahlen gleich oder fast gleich – sagen wir für Lithium 3: 3, für Kohlenstoff 6: 6, für Kalzium 20: 20. Aber mit steigender Ordnungszahl wächst die Zahl der Neutronen schneller und übersteigt in den schwersten Kernen die Zahl der Protonen um das 1,5-fache. Zum Beispiel besteht der Kern eines stabilen Wismutisotops aus 83 Protonen und 126 Neutronen (es gibt 13 weitere instabile, wobei die Neutronenzahl zwischen 119 und 132 variiert). Für Uran und Trans-Uran nähert sich das Verhältnis zwischen Neutronen und Protonen 1,6.
Fakt 2.
Alle Elemente haben instabile Isotope, die natürlich vorkommen oder künstlich sind. Deuterium zum Beispiel ist stabil, Tritium zerfällt aber im Beta-Stadium. (Übrigens sind heute etwa zweitausend radioaktive Nuklide bekannt, von denen viele in verschiedenen Technologien eingesetzt und daher industriell hergestellt werden.) Aber nur die ersten 83 Elemente haben stabile Isotope Periodensystem - von Wasserstoff bis Wismut. Die neun schwersten natürlichen Elemente – Polonium, Astat, Radon, Francium, Radium, Actinium, Thorium, Protactinium und Uran – sind in all ihren Isotopenvarianten radioaktiv. Alle Transurane sind ausnahmslos auch instabil.
Wie ist dieses Muster zu erklären? Warum gibt es keine Kohlenstoffkerne, sagen wir, mit 16 Neutronen (dieses Element hat 13 Isotope mit der Neutronenzahl von 2 bis 14, aber neben dem Hauptisotop Kohlenstoff-12 ist nur Kohlenstoff-13 stabil)? Warum sind alle Nuklide mit mehr als 83 Protonen instabil?
Stabilitätskarte von Atomkernen
Die Atommasse nimmt vom oberen Rand der Karte nach unten zu. Die Zahl der Protonen nimmt nach rechts unten zu, die Zahl der Neutronen nach links unten. Der unterste rote Block ist das 112. Element.
In den Lehrbüchern der Kernphysik findet man ein sehr anschauliches Diagramm, das als Isotopenkarte oder das Tal der Kernstabilität bezeichnet wird. Auf der horizontalen Achse ist die Anzahl der Neutronen aufgetragen, auf der vertikalen Achse die Anzahl der Protonen. Jedes Isotop entspricht einem bestimmten Punkt, beispielsweise dem Hauptisotop von Helium - einem Punkt mit Koordinaten (2.2). Dieses Diagramm zeigt deutlich, dass alle tatsächlich existierenden Isotope in einem ziemlich schmalen Band konzentriert sind. Seine Neigung zur Abszissenachse beträgt zunächst etwa 45 Grad, dann nimmt er leicht ab. In der Mitte des Bandes sind stabile Isotope konzentriert und an den Seiten - anfällig für den einen oder anderen Zerfall.
Hier entsteht Verwirrung. Es ist klar, dass Kerne nicht allein aus Protonen bestehen können – sie würden durch die elektrischen Abstoßungskräfte zerrissen. Neutronen scheinen aber die Interprotonenabstände vergrößern zu müssen und damit diese Abstoßung abzuschwächen. Und die Kernkräfte, die die Nukleonen im Kern vereinen, wirken, wie bereits erwähnt, auf Protonen und Neutronen gleichermaßen. Es scheint, dass je mehr Neutronen im Kern enthalten sind, desto stabiler ist er. Und wenn dies nicht der Fall ist, warum dann?
Hier ist eine einfache Erklärung. Kernmaterie gehorcht den Gesetzen der Quantenmechanik. Nukleonen beider Typen haben einen halbzahligen Spin und gehorchen daher wie alle anderen solchen Teilchen (Fermionen) dem Pauli-Prinzip, das es verbietet, dass dieselben Fermionen denselben Quantenzustand einnehmen. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Fermionen eines bestimmten Typs in einem bestimmten Zustand nur durch zwei Zahlen ausgedrückt werden kann - 0 (der Zustand ist nicht besetzt) und 1 (der Zustand ist voll).
In der Quantenmechanik sind im Gegensatz zur klassischen Mechanik alle Zustände diskret. Der Kern zerfällt nicht, weil die darin befindlichen Nukleonen durch Kernkräfte zusammengezogen werden. Dies lässt sich durch ein solches Bild anschaulich darstellen - die Partikel sitzen im Brunnen und können nicht einfach herausspringen. Auch Physiker verwenden dieses Modell und bezeichnen den Brunnen als potentiellen Brunnen. Protonen und Neutronen sind nicht gleich, also sitzen sie in zwei Vertiefungen und nicht in einer. Sowohl der Protonen- als auch der Neutronenbrunnen haben eine Reihe von Energieniveaus, die von darin gefallenen Teilchen besetzt werden können. Die Tiefe jeder Grube hängt von der durchschnittlichen Kraftwechselwirkung zwischen ihren Gefangenen ab.
Denken Sie daran, dass sich Protonen gegenseitig abstoßen, Neutronen jedoch nicht. Folglich werden Protonen schwächer gelötet als Neutronen, sodass ihr Potentialtopf nicht so tief ist. Bei leichten Kernen ist dieser Unterschied gering, wächst aber mit zunehmender Kernladung. Aber die Energien der obersten nichtleeren Niveaus in beiden Brunnen müssen zusammenfallen. Wenn das obere gefüllte Neutronenniveau höher als das obere Protonenniveau wäre, könnte der Kern seine Gesamtenergie reduzieren und das Neutron, das ihn besetzt, "zwingen", einen Beta-Zerfall zu durchlaufen und sich in ein Proton zu verwandeln. Und sobald eine solche Transformation energetisch günstig wäre, würde sie mit der Zeit passieren, der Kern wäre instabil. Das gleiche Ende würde eintreten, wenn ein Proton es wagte, seine Energieskala zu überschreiten.
Also haben wir eine Erklärung gefunden. Wenn Protonen- und Neutronenbrunnen fast gleich tief sind, was für leichte Kerne typisch ist, dann fallen auch die Protonen- und Neutronenzahlen in etwa gleich aus. Wenn wir uns entlang des Periodensystems bewegen, nimmt die Anzahl der Protonen zu, und die Tiefe ihres Potentialtopfs hinkt immer mehr hinter der Tiefe des Neutronentopfs zurück. Daher sollten schwere Kerne mehr Neutronen als Protonen enthalten. Wird dieser Unterschied aber künstlich zu groß gemacht (zum Beispiel durch Beschuss des Kerns mit langsamen Neutronen, die ihn nicht in Fragmente zerlegen, sondern einfach „kleben“), steigt das Neutronenniveau stark über das Protonenniveau an und der Kern wird verfallen. Dieses Schema ist natürlich extrem vereinfacht, aber im Prinzip richtig.
Gehen wir weiter. Da mit zunehmender Ordnungszahl die Zahl der Neutronen gegenüber den Protonen fortschreitend überzählig wird, was die Stabilität der Kerne verringert, müssen alle schweren Nuklide radioaktiv sein. Dies ist in der Tat der Fall, wir wiederholen unseren Fakt 2 nicht. Darüber hinaus scheinen wir mit Recht davon auszugehen, dass die schwereren Nuklide immer weniger stabil werden, also ihre Lebensdauer stetig abnimmt. Diese Schlussfolgerung sieht absolut logisch aus, ist aber falsch.
BUNDINSEL
Zunächst berücksichtigt das oben beschriebene Schema nicht viel. Da ist zum Beispiel der sogenannte Nukleonenpaarungseffekt. Es besteht darin, dass zwei Protonen oder zwei Neutronen eine enge Vereinigung eingehen können und einen halbautomatischen Zustand ohne Drehimpuls im Kern bilden. Die Mitglieder solcher Paare werden stärker voneinander angezogen, was die Stabilität des gesamten Kerns erhöht. Kerne mit gerader Anzahl von Protonen und Neutronen weisen daher unter sonst gleichen Bedingungen die größte Stabilität auf und Kerne mit ungerader Anzahl die am wenigsten stabile. Die Stabilität der Kerne hängt auch von einer Reihe anderer Umstände ab, die zu speziell sind, um hier diskutiert zu werden.
Aber die Hauptsache ist nicht einmal das. Ein Kern ist nicht nur eine homogene Ansammlung von Nukleonen, auch wenn sie gepaart sind. Zahlreiche Experimente haben Physiker seit langem davon überzeugt, dass der Kern höchstwahrscheinlich eine Schichtstruktur hat. Nach diesem Modell gibt es im Inneren der Kerne Protonen- und Neutronenschalen, die den Elektronenschalen von Atomen etwas ähneln. Kerne mit vollständig gefüllten Schalen sind besonders resistent gegen spontane Umwandlungen. Die Anzahl der Neutronen und Protonen, die vollständig gefüllten Schalen entsprechen, nennt man magische Zahlen. Einige dieser Zahlen werden in Experimenten zuverlässig bestimmt - zum Beispiel 2, 8 und 20.
Und hier beginnt der Spaß. Schalenmodelle ermöglichen die Berechnung der magischen Zahlen superschwerer Kerne – allerdings ohne volle Garantie. Auf jeden Fall gibt es allen Grund zu der Annahme, dass sich die Neutronenzahl 184 als magisch herausstellen wird. Es kann den Protonennummern 114, 120 und 126 entsprechen, und letzteres muss wiederum magisch sein. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die Isotope des 114., 120. und 126. Elements, die jeweils 184 Neutronen enthalten, viel länger leben werden als ihre Nachbarn. Besondere Hoffnungen werden auf das letzte Isotop gesetzt, da es sich als doppelt magisch erweist. Nach der im ersten Abschnitt erwähnten Namenskonvention sollte es unbigexium-310 heißen.
Es bleibt also zu hoffen, dass es noch keine superschweren Nuklide gibt, die sehr lange leben, zumindest nach den Maßstäben ihrer unmittelbaren Umgebung. Physiker nennen diese hypothetische Familie die "Insel der Stabilität". Die Hypothese seiner Existenz wurde zuerst von dem bemerkenswerten amerikanischen Kernphysiker (oder, wenn Sie es vorziehen, einem Kernchemiker) Glenn Seaborg formuliert. Nobelpreisträger 1951 Er war der Anführer oder das Schlüsselmitglied der Teams, die alle neun Elemente von 94 (Plutonium) bis 102 (Nobelium) sowie das 106.
Jetzt können Sie die Frage beantworten, die den ersten Abschnitt beendet. Die Synthese superschwerer Elemente unter anderem bringt Nuklearphysiker Schritt für Schritt ihrem heiligen Gral – der Insel der Kernstabilität – näher. Ob dieses Ziel erreichbar ist, kann niemand mit Sicherheit sagen, aber die Entdeckung der geliebten Insel wäre ein großer Erfolg für die Wissenschaft.
Element 114 wurde bereits erstellt - dies ist ein Ununkvadium. Jetzt wird es in fünf Isotopenvarianten mit der Neutronenzahl von 171 bis 175 synthetisiert. Wie man sieht, sind bis zu 184 Neutronen noch weit entfernt. Die stabilsten Isotope von Ununquadium haben jedoch eine Halbwertszeit von knapp 3 Sekunden. Für das 113. Element beträgt diese Zahl etwa eine halbe Sekunde, für das 115. weniger als ein Zehntel. Das ist ermutigend.
Beschleuniger U-400 am Joint Institute for Nuclear Research (Dubna),
auf dem das 118. Element erhalten wurde
SYNTHESE 118
Alle künstlichen Elemente von 93 bis 100 waren | zuerst erhalten [durch Bestrahlung von Kernen | Neutronen oder Deuteriumkerne] (Deuteronen). Dies ist im Labor nicht immer passiert. Die Elemente 99 und 100 – Einsteinium und Fermium – wurden erstmals während der radiochemischen Analyse von Materialproben identifiziert, die im Gebiet des pazifischen Atolls von Enewetok gesammelt wurden, wo die Amerikaner am 1. . Seine Hülle bestand aus Uran-238. Während der Explosion gelang es Urankernen, bis zu fünfzehn Neutronen zu absorbieren, und durchliefen dann Ketten von Beta-Zerfällen, die schließlich zur Bildung von Isotopen dieser beiden Elemente führten. Einige von ihnen leben übrigens ziemlich lange - die Halbwertszeit von Einsteinium-254 beträgt beispielsweise 480 Tage.
Transferelemente mit Zahlen über 100 werden synthetisiert, indem massive, aber nicht zu schnell zerfallende Nuklide mit schweren Ionen beschossen werden, die in speziellen Beschleunigern beschleunigt werden. Zu den weltweit besten Maschinen dieser Art zählen die Zyklotrone U-400 und U-400M des Flerov Laboratory of Nuclear Reactions des Joint Institute for Nuclear Research. Element 118, Ununoctium, wurde am U-400-Beschleuniger synthetisiert. Im Periodensystem liegt es genau unter dem Radon und muss daher ein Edelgas sein.
Es ist jedoch noch zu früh, um über die Untersuchung der chemischen Eigenschaften von Ununoctium zu sprechen. 2002 wurde nur ein Kern seines Isotops mit einem Atomgewicht von 294 (118 Protonen, 176 Neutronen) erhalten, 2005 zwei weitere. Sie lebten nicht lange - ungefähr eine Millisekunde. Sie wurden durch Beschuss eines Californium-249-Targets mit beschleunigten Calcium-48-Ionen hergestellt. Die Gesamtzahl der Kalzium-"Kugeln" betrug 2x1019! Daher ist die Leistung des Ununoctium-Generators äußerst gering. Dies ist jedoch eine typische Situation. Aber die angekündigten Ergebnisse gelten als recht zuverlässig, die Fehlerwahrscheinlichkeit überschreitet nicht ein Tausendstel Prozent.
Ununoctium-Kerne durchliefen eine Reihe von Alpha-Zerfällen und verwandelten sich nacheinander in Isotope des 116., 114. und 112. Elements. Der letzte, bereits erwähnte Unwucht lebt nur für sehr kurze Zeit und ist in schwere Fragmente von etwa gleicher Masse zerlegt.
Das ist vorerst die ganze Geschichte. Im Jahr 2007 hoffen dieselben Experimentatoren, die Kerne des Elements 120 durch Beschuss eines Plutonium-Targets mit Eisenionen herzustellen. Der Angriff auf die Stabilitätsinsel geht weiter.
Neues in Wissenschaft und Technik, Nr. 1, 2007
