Chumbo e bismuto são os elementos estáveis mais pesados. Elementos de transurânio
Há um século e meio, quando Dmitry Ivanovich Mendeleev descobriu a Lei Periódica, apenas 63 elementos eram conhecidos. Dispostos em uma tabela, eles foram facilmente decompostos em períodos, cada um dos quais se abre com metais alcalinos ativos e termina (como se viu mais tarde) com gases nobres inertes. Desde então, a tabela periódica quase dobrou de tamanho e, a cada expansão, a Lei Periódica foi confirmada repetidamente. O rubídio é tão semelhante ao potássio e ao sódio quanto o xenônio ao criptônio e ao argônio, abaixo do carbono está o silício, que em muitos aspectos é semelhante a ele... Hoje sabe-se que essas propriedades são determinadas pelo número de elétrons que giram em torno do átomo núcleo.
Eles preenchem as "conchas energéticas" do átomo uma a uma, como espectadores que ocupam seus assentos em ordem em suas fileiras no teatro: quem foi o último determinará Propriedades quimicas todo o elemento. Um átomo com uma última camada completamente preenchida (como o hélio com seus dois elétrons) será inerte; um elemento com um elétron "extra" nele (como o sódio) formará ativamente ligações químicas. O número de elétrons carregados negativamente em órbitas está relacionado ao número de prótons positivos no núcleo de um átomo, e é o número de prótons que distingue os diferentes elementos.
Mas pode haver números diferentes de nêutrons no núcleo do mesmo elemento, eles não têm carga e não afetam as propriedades químicas. Mas, dependendo do número de nêutrons, o hidrogênio pode ser mais pesado que o hélio, e a massa do lítio pode chegar a sete em vez das seis unidades atômicas “clássicas”. E se a lista de elementos conhecidos hoje está se aproximando de 120, então o número de núcleos (nuclídeos) ultrapassou 3.000. A maioria deles é instável e decai depois de algum tempo, lançando partículas “extras” durante o decaimento radioativo. Ainda mais nuclídeos são incapazes de existir em princípio, desmoronando instantaneamente. Assim, o continente de núcleos estáveis envolve todo um mar de combinações instáveis de nêutrons e prótons.
Mar de Volatilidade
O destino do núcleo depende do número de nêutrons e prótons nele. De acordo com a teoria das camadas da estrutura do núcleo, apresentada na década de 1950, as partículas nele são distribuídas de acordo com seus níveis de energia da mesma forma que os elétrons que giram em torno do núcleo. Alguns números de prótons e nêutrons dão configurações especialmente estáveis com conchas de prótons ou nêutrons completamente preenchidas - 2, 8, 20, 28, 50, 82, e para nêutrons também 126 partículas. Esses números são chamados de "mágicos", e os núcleos mais estáveis contêm números "duplamente mágicos" de partículas - por exemplo, 82 prótons e 126 nêutrons no chumbo, ou dois cada em um átomo comum de hélio, o segundo elemento mais abundante no universo.
O consistente "Continente Químico" de elementos que podem ser encontrados na Terra termina com o chumbo. É seguido por uma série de núcleos que existem muito menos do que a idade do nosso planeta. Em suas entranhas, eles podem ser preservados apenas em pequenas quantidades, como urânio e tório, ou mesmo em pequenas quantidades, como plutônio. É impossível extraí-lo da rocha, e o plutônio é produzido artificialmente, em reatores, bombardeando um alvo de urânio com nêutrons. Geralmente física moderna eles tratam os núcleos dos átomos como se fossem partes de um designer, forçando-os a anexar nêutrons individuais, prótons ou núcleos inteiros. Isso possibilita a obtenção de nuclídeos cada vez mais pesados atravessando o Estreito do "Mar da Instabilidade".
O propósito da viagem é sugerido pela mesma teoria das conchas da estrutura do núcleo. Esta é a área elementos superpesados com um número adequado (e muito grande) de nêutrons e prótons, a lendária "Ilha de Estabilidade". Os cálculos dizem que alguns dos "residentes" locais podem não existir mais por frações de microssegundos, mas por muitas ordens de magnitude a mais. “Em uma certa aproximação, eles podem ser considerados gotas de água”, explicou Yury Oganesyan, acadêmico da Academia Russa de Ciências. - Até o chumbo, seguem os núcleos esféricos e estáveis. Eles são seguidos por uma península de núcleos moderadamente estáveis - como o tório ou o urânio - que é puxado por um raso de núcleos altamente deformados e se rompe em um mar instável ... nova região de núcleos esféricos, elementos superpesados e estáveis com números 114, 116 e além." O tempo de vida de alguns elementos na "Ilha de Estabilidade" pode durar anos e até milhões de anos.
ilha de estabilidade
Elementos transurânicos com seus núcleos deformados podem ser criados bombardeando alvos de urânio, tório ou plutônio com nêutrons. Ao bombardeá-los com íons leves dispersos no acelerador, pode-se obter sucessivamente uma série de elementos ainda mais pesados - mas em algum momento haverá um limite. “Se considerarmos diferentes reações – a adição de nêutrons, a adição de íons – como “navios” diferentes, todos eles não nos ajudarão a navegar para a “Ilha da Estabilidade”, continua Yuri Oganesyan. - Isso exigirá um "recipiente" e mais, e um design diferente. Núcleos pesados ricos em nêutrons de elementos artificiais mais pesados que o urânio teriam que ser usados como alvos, e teriam que ser bombardeados com isótopos grandes e pesados contendo muitos nêutrons, como o cálcio-48.”
Trabalhar em tal "navio" só foi possível para uma grande equipe internacional de cientistas. Engenheiros e físicos da planta Elektrokhimpribor isolaram o extremamente raro 48º isótopo do cálcio natural, que está contido aqui em uma quantidade inferior a 0,2%. Alvos de urânio, plutônio, amerício, cúrio, Califórnia, foram preparados no Dimitrograd Research Institute of Atomic Reators, no Livermore National Laboratory e no Oak Ridge National Laboratory, nos EUA. Bem, os principais experimentos sobre a síntese de novos elementos foram realizados pelo acadêmico Oganesyan no Instituto Conjunto de Física Nuclear (JINR), no Laboratório de Reações Nucleares Flerov. “Nosso acelerador em Dubna trabalhava de 6 a 7 mil horas por ano, acelerando íons de cálcio-48 a cerca de 0,1 da velocidade da luz”, explica o cientista. - Essa energia é necessária para que alguns deles, atingindo o alvo, superem as forças de repulsão de Coulomb e se fundam com os núcleos de seus átomos. Por exemplo, o 92º elemento, urânio, dará o núcleo de um novo elemento com o número 112, plutônio - 114 e califórnio - 118.
“A busca por novos elementos superpesados nos permite responder a uma das questões mais importantes da ciência: onde fica a fronteira do nosso mundo material?”
“Tais núcleos já devem ser bastante estáveis e não decairão imediatamente, mas emitirão sequencialmente partículas alfa, núcleos de hélio. E somos perfeitamente capazes de registrá-los ”, continua Hovhannisyan. Um núcleo superpesado ejeta uma partícula alfa, transformando-se em um elemento dois números atômicos mais leve. Por sua vez, o núcleo filho perderá uma partícula alfa e se transformará em uma “neta” - mais quatro mais leves, e assim por diante, até que o processo de decaimento alfa sucessivo termine com uma aparência aleatória e fissão espontânea instantânea, a morte de um núcleo instável no “Mar da Instabilidade”. Com base nessa "genealogia" de partículas alfa, Oganesyan e seus colegas traçaram toda a história da transformação dos nuclídeos obtidos no acelerador e delinearam a costa próxima da "Ilha da Estabilidade". Depois de meio século de navegação, as primeiras pessoas desembarcaram nele.
Terra nova
Já na primeira década do século XXI, nas reações de fusão de actinídeos com íons cálcio-48 acelerados, foram sintetizados átomos de elementos com números de 113 a 118, situados na costa da "Ilha da Estabilidade" distante do " continente". O tempo de sua existência já é muito maior que o de seus vizinhos: por exemplo, o elemento 114 é armazenado não por milissegundos, como o 110º, mas por dezenas e até centenas de segundos. “Tais substâncias já estão disponíveis para a química”, diz o acadêmico Oganesyan. “Então, estamos voltando ao início da jornada e agora podemos verificar se a Lei Periódica de Mendeleev é observada para eles. O 112º elemento será um análogo de mercúrio e cádmio, e o 114º - um análogo de estanho e chumbo? O primeiro experimentos químicos com o isótopo do elemento 112 (copernicium) mostrou: aparentemente, eles vão. Os núcleos de copernicium, voando para fora do alvo durante o bombardeio, foram direcionados para um tubo longo, incluindo 36 detectores pareados, parcialmente cobertos com ouro. O mercúrio forma facilmente compostos intermetálicos estáveis com o ouro (esta propriedade é usada na antiga técnica de douramento). Portanto, mercúrio e átomos próximos a ele devem se estabelecer na superfície de ouro dos primeiros detectores, enquanto radônio e átomos próximos a gases nobres podem chegar ao final do tubo. Seguindo fielmente a Lei Periódica, Copérnico provou ser um parente do mercúrio. Mas se o mercúrio se tornou o primeiro conhecido metal líquido, então o copernicium pode vir a ser o primeiro gasoso: seu ponto de ebulição está abaixo da temperatura ambiente. De acordo com Yuri Oganesyan, este é apenas um começo pálido, e elementos superpesados da "Ilha da Estabilidade" abrirão um campo novo, brilhante e incomum da química para nós.
Mas, por enquanto, ficamos no sopé da ilha de elementos estáveis. Espera-se que o 120º e os núcleos subsequentes se tornem verdadeiramente estáveis e já existam longos anos, ou mesmo milhões de anos, formando compostos estáveis. No entanto, não é mais possível obtê-los usando o mesmo cálcio-48: não há elementos de vida suficientemente longa que possam, combinando-se com esses íons, dar núcleos com a massa necessária. Tentativas de substituir os íons de cálcio-48 por algo mais pesado também falharam até agora. Portanto, para novas pesquisas, os velejadores levantaram a cabeça e olharam para o céu.
Espaço e fábrica
A composição original do nosso mundo não diferiu em variedade: no Big Bang, apenas o hidrogênio apareceu com pequenas impurezas de hélio - o mais leve dos átomos. Todos os outros participantes respeitados da tabela periódica apareceram em reações de fusão nuclear, nas profundezas das estrelas e em explosões de supernovas. Nuclídeos instáveis decaíram rapidamente, os estáveis, como oxigênio-16 ou ferro-54, se acumularam. Não surpreendentemente, elementos instáveis pesados, como amerício ou copernicium, não podem ser encontrados na natureza.
Mas se realmente existe uma "Ilha de Estabilidade" em algum lugar, então pelo menos em pequenas quantidades elementos superpesados devem ser encontrados na vastidão do Universo, e alguns cientistas estão procurando por eles entre as partículas de raios cósmicos. Segundo o acadêmico Oganesyan, essa abordagem ainda não é tão confiável quanto o bom e velho bombardeio. "Os núcleos verdadeiramente duradouros no 'topo' da Stability Island contêm um grandes quantidades nêutrons, diz o cientista. “É por isso que o cálcio-48 rico em nêutrons acabou sendo um núcleo tão bem-sucedido para bombardear elementos-alvo ricos em nêutrons. No entanto, isótopos mais pesados que o cálcio-48 são instáveis e as chances são extremamente baixas de que eles possam se fundir naturalmente para formar núcleos superestáveis”.
Portanto, o laboratório em Dubna, perto de Moscou, voltou-se para o uso de núcleos mais pesados, embora não tão bem-sucedidos quanto o cálcio, para bombardear elementos-alvo artificiais. “Agora estamos ocupados criando a chamada Fábrica de Elementos Superpesados”, diz o acadêmico Oganesyan. - Nele, os mesmos alvos serão bombardeados com núcleos de titânio ou cromo. Eles contêm dois e quatro prótons a mais que o cálcio, o que significa que podem nos dar elementos com massas de 120 ou mais. Será interessante ver se eles acabam na “ilha” ou abrem um novo estreito atrás dela.”
Com base em vários modelos teóricos, foram calculadas as características de decaimento de núcleos superpesados. Os resultados de um destes cálculos são mostrados nas Figs. 4. As meias-vidas de núcleos pares-par superpesados em relação à fissão espontânea (a), α-decaimento (b), β-decaimento (c) e para todos os processos de decaimento possíveis (d) são dadas. O núcleo mais estável em relação à fissão espontânea (Fig. 4a) é o núcleo com Z = 114 e N = 184. Sua meia-vida em relação à fissão espontânea é de ~10 16 anos. Para isótopos do 114º elemento, que diferem dos mais estáveis em 6-8 nêutrons, as meias-vidas diminuem em 10-15 ordens de magnitude. As meias-vidas em relação ao decaimento α são mostradas na fig. 4b. O núcleo mais estável está localizado na região Z< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.
Núcleos estáveis em relação ao decaimento β são mostrados nas Figs. 4c pontos escuros. Na fig. 4d mostra as meias-vidas completas. Para núcleos pares/par localizados dentro do contorno central, eles são ~10 5 anos. Assim, depois de levar em conta todos os tipos de decaimento, verifica-se que os núcleos nas proximidades de Z = 110 e N = 184 formam uma "ilha de estabilidade". O núcleo 294 110 tem uma meia-vida de cerca de 10 9 anos. A diferença entre o valor de Z e o número mágico 114 previsto pelo modelo de casca se deve à competição entre fissão (em relação à qual o núcleo com Z = 114 é mais estável) e α-decaimento (em relação a quais núcleos com Z menores são estáveis). Para núcleos ímpar-par e par-ímpar, as meias-vidas aumentam em relação ao decaimento α e fissão espontânea e diminuem em relação ao decaimento β. Deve-se notar que as estimativas acima dependem fortemente dos parâmetros utilizados nos cálculos e só podem ser consideradas como indícios da possibilidade da existência de núcleos superpesados com tempos de vida suficientemente longos para sua detecção experimental.
Os resultados de mais um cálculo da forma de equilíbrio de núcleos superpesados e suas meias-vidas são mostrados na Fig. 5, 11.11. Na fig. 11.10 mostra a dependência da energia de deformação de equilíbrio no número de nêutrons e prótons para núcleos com Z = 104-120. A energia de deformação é definida como a diferença entre as energias dos núcleos em equilíbrio e na forma esférica. Pode-se ver a partir desses dados que as regiões Z = 114 e N = 184 devem conter núcleos que têm uma forma esférica no estado fundamental. Todos os núcleos superpesados descobertos até hoje (eles são mostrados na Fig. 5 por losangos escuros) estão deformados. Diamantes claros mostram núcleos estáveis em relação ao decaimento β. Esses núcleos devem decair como resultado de α-decaimento ou fissão. O principal canal de decaimento deve ser α-decaimento.
As meias-vidas para isótopos β-estáveis uniformes são mostradas na fig. 6. De acordo com essas previsões, para a maioria dos núcleos, espera-se que as meias-vidas sejam muito mais longas do que as observadas para núcleos superpesados já descobertos (0,1-1 ms). Por exemplo, para o núcleo 292 110, é previsto um tempo de vida de ~ 51 anos.
Assim, de acordo com cálculos microscópicos modernos, a estabilidade de núcleos superpesados aumenta acentuadamente à medida que se aproxima o número mágico de nêutrons N = 184. Até recentemente, o único isótopo de um elemento com Z = 112 era o isótopo 277 112, que tem meia vida útil de 0,24 ms. O isótopo mais pesado 283 112 foi sintetizado na reação de fusão a frio 48 Ca + 238 U. Tempo de irradiação 25 dias. O número total de 48 íons Ca no alvo é 3,5·10 18 . Foram registrados dois casos, que foram interpretados como fissão espontânea do isótopo formado 283 112. Para a meia-vida deste novo isótopo, obteve-se a estimativa T 1/2 = 81 s. Assim, pode-se ver que um aumento no número de nêutrons no isótopo 283112 em comparação com o isótopo 277112 em 6 unidades aumenta o tempo de vida em 5 ordens de magnitude.
Na fig. 7 mostra o tempo de vida medido de isótopos de Sg (Z = 106) de seaborgium em comparação com as previsões de vários modelos teóricos. Vale ressaltar que o tempo de vida do isótopo com N = 164 diminui em quase uma ordem de grandeza em comparação com o tempo de vida do isótopo com N = 162.
A aproximação mais próxima da ilha de estabilidade pode ser alcançada na reação 76 Ge + 208 Pb. Um núcleo superpesado quase esférico pode ser formado em uma reação de fusão seguida pela emissão de γ-quanta ou um nêutron. De acordo com estimativas, o núcleo resultante 284 114 deve decair com a emissão de partículas α com meia-vida de ~ 1 ms. Informações adicionais sobre o preenchimento da casca na região N = 162 podem ser obtidas estudando os decaimentos α dos núcleos 271 108 e 267 106. Meias-vidas de 1 min são previstas para esses núcleos. e 1 hora. Para os núcleos 263 106, 262 107, 205 108, 271.273 110, espera-se isomerismo, cuja causa é o preenchimento de subcamadas com j = 1/2 e j = 13/2 na região N = 162 para núcleos deformados no Estado Fundamental.
Na fig. A Figura 8 mostra as funções de excitação medidas experimentalmente para a formação dos elementos Rf (Z = 104) e Hs (Z = 108) para as reações de fusão dos íons 50 Ti e 56 Fe incidentes com o núcleo alvo 208 Pb.
O núcleo composto resultante é resfriado pela emissão de um ou dois nêutrons. Informações sobre as funções de excitação das reações de fusão de íons pesados são especialmente importantes para a obtenção de núcleos superpesados. Na reação de fusão de íons pesados, é necessário equilibrar precisamente a ação das forças de Coulomb e as forças de tensão superficial. Se a energia do íon incidente não for grande o suficiente, então a distância mínima de aproximação não será suficiente para a fusão do sistema nuclear binário. Se a energia da partícula incidente for muito alta, o sistema resultante terá uma alta energia de excitação e, com alta probabilidade, se fragmentará em fragmentos. A fusão efetivamente ocorre em uma faixa de energia bastante estreita de partículas em colisão.
Reações de fusão com a emissão de um número mínimo de nêutrons (1-2) são de particular interesse, porque em núcleos superpesados sintetizados, é desejável ter a maior razão N/Z. Na fig. 9 mostra o potencial de fusão para núcleos na reação
64 Ni + 208 Pb 272 110. As estimativas mais simples mostram que a probabilidade de um efeito túnel para a fusão nuclear é ~ 10 -21 , que é muito menor do que a seção transversal observada. Isso pode ser explicado da seguinte forma. A uma distância de 14 fm entre os centros dos núcleos, a energia cinética inicial de 236,2 MeV é completamente compensada pelo potencial de Coulomb. A essa distância, apenas os nucleons localizados na superfície do núcleo estão em contato. A energia desses nucleons é pequena. Portanto, há uma alta probabilidade de que nucleons ou pares de nucleons deixem as órbitas em um núcleo e se movam para os estados livres do núcleo parceiro. A transferência de núcleons do núcleo do projétil para o núcleo alvo é especialmente atraente quando o isótopo de chumbo duplamente mágico 208Pb é usado como alvo. Em 208 Pb, a subcamada de prótons h 11/2 e as subcamadas de nêutrons h 9/2 e i 13/2 são preenchidas. Inicialmente, a transferência de prótons é estimulada pelas forças de atração próton-próton, e após o preenchimento da subcamada h 9/2 - pelas forças de atração próton-nêutron. Da mesma forma, os nêutrons se movem para a subcamada livre i 11/2, sendo atraídos por nêutrons da subcamada já preenchida i 13/2. Por causa da energia de pareamento e grande momento orbital, a transferência de um par de nucleons é mais provável do que a transferência de um único nucleon. Após a transferência de dois prótons de 64 Ni 208 Pb, a barreira de Coulomb diminui em 14 MeV, o que promove um contato mais próximo entre os íons em interação e a continuação do processo de transferência de nucleon.
Nos trabalhos [V.V. Volkov. Reacções nucleares de transferências inelásticas profundas. M. Energoizdat, 1982; V.V. Volkov. Izv. Uma série SSSR fiz., 1986 v. 50 p. 1879] estudou o mecanismo da reação de fusão em detalhes. Mostra-se que já na fase de captura, um sistema nuclear binário é formado após a completa dissipação da energia cinética da partícula incidente, e os nucleons de um dos núcleos são gradualmente transferidos, casca por casca, para outro núcleo. Ou seja, a estrutura da casca dos núcleos desempenha Papel essencial na formação do núcleo composto. Com base neste modelo, foi possível descrever muito bem a energia de excitação de núcleos compostos e a seção de choque para a produção de 102-112 elementos em reações de fusão a frio.
no Laboratório de Reações Nucleares. G.N. Flerov (Dubna), um elemento com Z = 114 foi sintetizado.
A identificação dos 289 114 núcleos foi realizada por uma cadeia de α-decaimentos. Estimativa experimental da meia-vida do isótopo 289 114 ~30 s. O resultado obtido está de acordo com os cálculos anteriores.
Na síntese do elemento 114 na reação 48 Cu + 244 Pu, o rendimento máximo é obtido pelo canal com a evaporação de três nêutrons. Neste caso, a energia de excitação do núcleo composto 289 114 foi de 35 MeV.
A sequência teoricamente prevista de decaimentos que ocorrem com o núcleo 296 116 formado na reação é mostrada na Fig. 10.
 Arroz. 10. Esquema de decaimento nuclear 296 116 |
O núcleo 296 116 é resfriado pela emissão de quatro nêutrons e se transforma no isótopo 292 116, que então com 5% de probabilidade, como resultado de duas capturas eletrônicas sucessivas, se transforma no isótopo 292 114. Como resultado de α -decaimento (T 1/2 = 85 dias), o isótopo 292 114 se transforma no isótopo 288 112. A formação do isótopo 288 112 também ocorre através do canal
O núcleo final 288 112, formado como resultado de ambas as cadeias, tem meia-vida de cerca de 1 hora e decai por fissão espontânea. Com aproximadamente 10% de probabilidade, o decaimento alfa do isótopo 288 114 pode resultar na formação do isótopo 284 112. Os períodos e canais de decaimento acima foram obtidos por cálculo.
Ao analisar várias possibilidades para a formação de elementos superpesados em reações com íons pesados, as seguintes circunstâncias devem ser levadas em consideração.
- É necessário criar um núcleo com uma razão suficientemente grande entre o número de nêutrons e o número de prótons. Portanto, íons pesados com N/Z grande devem ser escolhidos como a partícula incidente.
- É necessário que o núcleo composto resultante tenha uma baixa energia de excitação e um pequeno valor do momento angular, caso contrário a altura efetiva da barreira de fissão diminuirá.
- É necessário que o núcleo resultante tenha uma forma próxima à esférica, pois mesmo uma leve deformação levará à rápida fissão do núcleo superpesado.
Um método muito promissor para obtenção de núcleos superpesados são reações do tipo 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. Na fig. A Figura 11 mostra as seções transversais estimadas para a formação de elementos transurânio mediante irradiação de alvos de 248 Cm, 249 Cf e 254 Es com íons de 238 U acelerados. Nestas reações já foram obtidos os primeiros resultados sobre as seções de choque para a formação de elementos com Z > 100. Para aumentar os rendimentos das reações estudadas, as espessuras dos alvos foram escolhidas de forma que os produtos da reação permanecessem no alvo. Após a irradiação, os elementos químicos individuais foram separados do alvo. Nas amostras obtidas, produtos de α-decaimento e fragmentos de fissão foram registrados por vários meses. Os dados obtidos usando íons de urânio acelerados indicam claramente um aumento no rendimento de elementos pesados de transurânio em comparação com íons de bombardeio mais leves. Este fato é extremamente importante para resolver o problema da síntese de núcleos superpesados. Apesar das dificuldades de trabalhar com as metas correspondentes, as previsões para avançar para o grande Z parecem bastante otimistas.
Progresso para a região de núcleos superpesados em últimos anos acabou por ser impressionantemente impressionante. No entanto, até agora todas as tentativas de encontrar uma ilha de estabilidade foram infrutíferas. A busca por ele continua intensamente.
Elementos superpesados na ilha de estabilidade
O estudo teórico e experimental da estabilidade do núcleo deu aos físicos soviéticos uma razão para revisar os métodos usados até então. métodos para a produção de transurânios pesados. Em Dubna, eles decidiram seguir novos caminhos e tomar como alvo conduzir e bismuto.
O núcleo, como o átomo como um todo, tem estrutura de casca. Núcleos atômicos contendo 2-8-20-28-50-82-114-126-164 prótons (ou seja, os núcleos de átomos com tal número de série) e 2-8-20-28-50-82-126- 184-196- 228-272-318 nêutrons devido à estrutura completa de suas conchas. Apenas recentemente essas visões foram confirmadas por cálculos de computador.
Uma estabilidade tão incomum chamou a atenção, em primeiro lugar, ao estudar a abundância de certos elementos no espaço. isótopos, que possuem esses números nucleares, são chamados de mágicos. O isótopo de bismuto 209 Bi, que tem 126 nêutrons, é um nuclídeo mágico. Isso também inclui isótopos. oxigênio, cálcio, estanho. Eles são duas vezes mágicos: para hélio - o isótopo 4 He (2 prótons, 2 nêutrons), para cálcio - 48 Ca (20 prótons, 28 nêutrons), para chumbo - 208 Pb (82 prótons, 126 nêutrons). Eles se distinguem por uma força muito especial do núcleo.
Usando fontes de íons de um novo tipo e aceleradores de íons pesados mais poderosos - as unidades U-200 e U-300 foram emparelhadas em Dubna, o grupo de G. N. Flerov e Yu. Ts. Oganesyan logo começou a ter fluxo de íons pesados com energia extraordinária. Para alcançar a fusão nuclear, os físicos soviéticos dispararam íons de cromo de 280 MeV em alvos feitos de chumbo e bismuto. O que poderia acontecer? No início de 1974, cientistas atômicos em Dubna registraram 50 casos durante esse bombardeio, indicando formação do 106º elemento, que, no entanto, decai após 10 -2 s. Esses 50 núcleos atômicos foram formados de acordo com o esquema:
208 Pb + 51 Cr = 259 X
Um pouco mais tarde, Ghiorso e Seaborg no laboratório Lawrence Berkeley relataram que haviam sintetizado um isótopo de um novo, 106 th, um elemento com um número de massa de 263 bombardeando califórnio-249 com íons de oxigênio no aparelho Super-HILAC.
Qual será o nome do novo elemento? Deixando de lado as diferenças do passado, ambos os grupos em Berkeley e Dubna, competindo em competição científica, desta vez chegaram a consenso. É muito cedo para falar sobre nomes, disse Hovhannisyan. E Ghiorso acrescentou que foi decidido abster-se de quaisquer propostas sobre o nome do 106º elemento até que a situação fosse esclarecida.No final de 1976, o Laboratório de Reações Nucleares de Dubna completou uma série de experimentos sobre a síntese do 107º elemento; serviu como a substância inicial para os "alquimistas" Dubna mágico"Bismuto-209. Quando bombardeado com íons de cromo com uma energia de 290 MeV, transformou-se em um isótopo 107 -ésimo elemento:
209 Bi + 54 Cr = 261 X + 2 n
O 107º elemento decai espontaneamente com meia-vida de 0,002 s e, além disso, emite partículas alfa.
As meias-vidas de 0,01 e 0,002 s encontradas para o 106º e 107º elementos nos deixaram cautelosos. Afinal, eles acabaram sendo várias ordens de magnitude maiores do que os cálculos de computador previam. Talvez o 107º elemento já tenha sido visivelmente afetado pela proximidade do número mágico subsequente de prótons e nêutrons - 114, o que aumenta a estabilidade?
Se sim, então havia uma esperança de obter isótopos de vida longa do elemento 107, por exemplo, por descasque berquélioíons de néon. Cálculos mostraram que o isótopo rico em nêutrons formado por essa reação deve ter uma meia-vida superior a 1 s. Isso nos permitiria estudar as propriedades químicas do 107º elemento - ecária.
O isótopo de vida mais longa do primeiro transurânio, elemento 93, neptúnio-237, tem uma meia-vida de 2.100.000 anos; o isótopo mais estável do 100º elemento - férmio-257 - apenas 97 dias. A partir do 104º elemento meias-vidas são apenas frações de segundo. Portanto, parecia não haver absolutamente nenhuma esperança de descobrir esses elementos. Por que mais pesquisas são necessárias?
Albert Ghiorso, o principal especialista em transurânicos dos EUA, disse uma vez a esse respeito: " A razão para continuar a procurar outros elementos é simplesmente a satisfação da curiosidade humana - o que acontece na próxima curva da rua? No entanto, isso, é claro, não é apenas uma curiosidade científica. Ghiorso, no entanto, deixou claro o quão importante é continuar essa pesquisa fundamental.
Nos anos 60, a teoria dos números nucleares mágicos adquiriu todos os maior valor. No "mar da instabilidade" os cientistas tentavam desesperadamente encontrar uma economia " ilha de relativa estabilidade", sobre a qual a perna do pesquisador do átomo poderia repousar firmemente. Embora esta ilha ainda não tenha sido descoberta, suas "coordenadas" são conhecidas: elemento 114, expulsar, é considerado o centro de uma grande região de estabilidade. O isótopo 298 do elemento 114 tem sido objeto de controvérsia científica há muito tempo porque, com 114 prótons e 184 nêutrons, é um daqueles núcleos atômicos duplamente mágicos previstos para durar. Mas o que significa longevidade?
Cálculos preliminares mostram que a meia-vida com a liberação de partículas alfa varia de 1 a 1000 anos e em relação à fissão espontânea - de 10 8 a 10 16 anos. Tais flutuações, como apontam os físicos, são explicadas pela proximidade da "química da computação". Meias-vidas muito encorajadoras são previstas para a próxima ilha de estabilidade, elemento 164, desviar. O isótopo do 164º elemento com número de massa de 482 também é duplamente mágico: seu núcleo é formado por 164 prótons e 318 nêutrons.
A ciência está interessada e apenas elementos mágicos superpesados, como o isótopo 294 do elemento 110 ou o isótopo 310 do elemento 126, cada um contendo 184 nêutrons. É incrível como os pesquisadores manipulam esses elementos imaginários com muita seriedade, como se eles já existissem. Cada vez mais novos dados estão sendo extraídos do computador, e agora já se sabe definitivamente o que propriedades - nucleares, cristalográficas e químicas - devem ter esses elementos superpesados. Dados precisos estão se acumulando na literatura especializada para elementos que as pessoas podem descobrir em 50 anos.
Atualmente, os cientistas nucleares estão viajando no mar da instabilidade em antecipação às descobertas. Atrás deles havia terra firme: uma península de elementos radioativos naturais, marcada por colinas de tório e urânio, e uma terra firme de longo alcance com todos os outros elementos e pináculos. chumbo, estanho e cálcio.
Bravos marinheiros estão há muito tempo em alto mar. Em um lugar inesperado, eles encontraram um raso: elementos abertos 106 e 107 são mais estáveis do que o esperado.
Nos últimos anos, navegamos no mar da instabilidade há muito tempo, argumenta G. N. Flerov, e de repente, no último momento, sentimos o chão sob nossos pés. Rocha subaquática aleatória? Ou um banco de areia de uma tão esperada ilha de sustentabilidade? Se a segunda estiver correta, temos uma oportunidade real de criar novo sistema periódico de elementos superpesados estáveis com propriedades incríveis.
Depois que a hipótese de elementos estáveis próximos aos números de série 114, 126, 164 se tornou conhecida, pesquisadores de todo o mundo se lançaram sobre esses " Super pesado"átomos. Alguns deles, com meias-vidas supostamente longas, esperavam encontrar na Terra ou no Espaço, pelo menos na forma de vestígios. Afinal, quando nossos sistema solar esses elementos existiam, assim como todos os outros.
Vestígios de elementos superpesados- o que deve ser entendido por isso? Como resultado de sua capacidade de fissão espontânea em dois fragmentos nucleares com grande massa e energia, esses transuranos deveriam ter deixado traços distintos de destruição em matéria próxima.
Traços semelhantes podem ser vistos em minerais sob um microscópio depois de terem sido gravados. Com a ajuda deste método de vestígios de destruição, agora é possível rastrear a existência de elementos mortos há muito tempo. A partir da largura dos traços deixados, pode-se também estimar o número ordinal do elemento - a largura do traço é proporcional ao quadrado da carga nuclear.
Espera-se também que os elementos "vivos" ainda superpesados sejam revelados, com base no fato de que emitem nêutrons repetidamente. Durante o processo espontâneo de fissão, esses elementos emitem até 10 nêutrons.
Traços de elementos superpesados foram procurados em nódulos de manganês das profundezas do oceano, bem como nas águas após o derretimento das geleiras dos mares polares. Até agora sem sucesso. G. N. Flerov e seus colaboradores examinaram o vidro de chumbo de uma antiga vitrine do século XIV, uma jarra de Leiden do século XIX e um vaso feito de cristal de chumbo do século XVIII.
Primeiro, vários traços de fissão espontânea apontavam para expulsar- 114º elemento. No entanto, quando os cientistas de Dubnin repetiram suas medições com um detector de nêutrons altamente sensível na mina de sal mais profunda União Soviética, nenhum resultado positivo foi obtido. A radiação cósmica, que aparentemente causou o efeito observado, não conseguiu penetrar a tal profundidade.
Em 1977, o professor Flerov sugeriu que havia finalmente descoberto " novos sinais de transurânio"ao estudar as águas termais profundas da Península de Cheleken no Mar Cáspio.
No entanto, o número de casos relatados era muito pequeno para uma atribuição clara. Um ano depois, o grupo de Flerov registrou 150 divisões espontâneas por mês. Esses dados foram obtidos trabalhando com um trocador de íons preenchido com um transurânio desconhecido de águas termais. Flerov estimou a meia-vida do elemento presente, que ele ainda não conseguira isolar, em bilhões de anos.
Outros pesquisadores foram em outras direções. O professor Fowler e seus colaboradores da Universidade de Bristol realizaram experimentos com balões em grandes altitudes. Com a ajuda de detectores de pequenas quantidades de núcleos, foram reveladas inúmeras áreas com cargas nucleares superiores a 92. Pesquisadores britânicos acreditavam que um dos traços apontava para elementos 102 ... 108. Mais tarde eles fizeram uma emenda: o elemento desconhecido tem o número de série 96 ( cúrio).
Como essas partículas superpesadas chegam à estratosfera? o Globo? Até agora, várias teorias foram apresentadas. Segundo eles, átomos pesados devem surgir de explosões de supernovas ou outros processos astrofísicos e chegar à Terra na forma de radiação cósmica ou poeira - mas somente após 1.000 - 1.000.000 de anos. Essas consequências cósmicas estão atualmente sendo procuradas tanto na atmosfera quanto em sedimentos do fundo do mar.
Então, elementos superpesados podem estar na radiação cósmica? É verdade que, de acordo com cientistas americanos que realizaram o experimento Skylab em 1975, essa hipótese não foi confirmada. Em um laboratório espacial que circundava a Terra, foram instalados detectores que absorvem partículas pesadas do espaço; foram encontrados apenas faixas de elementos famosos.
A poeira lunar trazida para a Terra após o primeiro pouso na Lua em 1969 não foi menos cuidadosamente examinada quanto à presença de elementos superpesados. Quando foram encontrados vestígios de partículas de "vida longa" de até 0,025 mm, alguns pesquisadores consideraram que eles poderiam ser atribuídos aos elementos 110 - 119.
Resultados semelhantes foram obtidos a partir de estudos da composição isotópica anômala do gás nobre xenônio contido em várias amostras de meteoritos. Os físicos expressaram a opinião de que esse efeito só pode ser explicado pela existência de elementos superpesados.
Cientistas soviéticos em Dubna, que analisaram 20 kg do meteorito Allende que caiu no México no outono de 1969, como resultado de uma observação de três meses, conseguiram detectar várias fissões espontâneas.
No entanto, depois que foi estabelecido que "natural" plutônio-244, que já foi parte integral do nosso sistema solar, deixa vestígios completamente semelhantes, a interpretação começou a ser realizada com mais cuidado.
O núcleo atômico é um sistema de nucleons, consistindo em Z prótons e N nêutrons, ligados por interação nuclear. A energia de ligação do núcleo atômico no modelo de gota líquida é descrita pela fórmula de Bethe-Weizsäcker [3, 4]. Dependendo do tempo de vida e da razão entre Z e N
Os núcleos atômicos são divididos em estáveis e radioativos. O fenômeno da radioatividade foi descoberto por A.A. Bequerel em 1896, que descobriu a radiação anteriormente desconhecida emitida por sais de urânio.
Em 1898, Pierre e Marie Curie isolaram novos elementos, o rádio Ra
( Z = 88) e polônio Po (Z = 84), possuindo também a propriedade de radioatividade. E. Rutherford em 1898 mostrou que a radiação do urânio tem dois componentes: partículas α carregadas positivamente (4 núcleos de He) e partículas β carregadas negativamente (elétrons) [6, 9]. Em 1900, P. Willard descobriu a radiação γ do urânio.
Os núcleos estáveis estão localizados no chamado vale de estabilidade (Fig. 1). A razão de N para Z ao longo da linha de estabilidade depende do número de massa A = N + Z:
N / Z \u003d 0,98 + 0,015A 2/3. (1)
Arroz . 1.NZ diagrama do núcleo atômico
Atualmente, são conhecidos cerca de 3500 núcleos atômicos, o número de núcleos estáveis é de cerca de 300. À esquerda do vale de estabilidade estão os núcleos radioativos que decaem como resultado do decaimento β+ e da captura eletrônica. Afastando-se do vale de estabilidade em direção a núcleos sobrecarregados de prótons, sua meia-vida diminui. Limite B p(N,Z) = 0 (B p(N,Z)
−
energia de separação de prótons no núcleo (N,Z))
limita a região de existência de núcleos à esquerda.
Ao passar do vale de estabilidade para núcleos sobrecarregados com nêutrons, a meia-vida dos núcleos também diminui. À direita, a região de existência dos núcleos é limitada pela relação  n (N, Z) = 0 ( n (N, Z)
−
energia de separação de nêutrons no núcleo (N, 2)).
Fora dos limites
Bp (N,Z)
= 0 e (B n (N, Z) =
0 núcleos atômicos não pode existir, uma vez que seu decaimento ocorre no tempo nuclear característicoτ veneno = 10 -22 s.
A região de núcleos com excesso de prótons foi estudada experimentalmente quase completamente até o limite B p (N, Z).
= 0. Quanto aos núcleos com excesso de nêutrons, então (com exceção dos núcleos leves) a região dos núcleos descobertos experimentalmente fica bem longe do limite B n (N, Z)
= 0. Cerca de 2.500 − 3.000 núcleos desconhecidos para nós podem ser localizados nesta região.
Acadêmico G. N. Flerov:
O valor da informação obtida do estudo de um isótopo que está longe da região de estabilidade é significativamente Além disso, que aprendemos estudando isótopos próximos a essa região. Isso é−em geral abordagem metodológica, que é usado por físicos e químicos,
−estudar as propriedades da matéria sob condições extremas de sua existência. Isótopos distantes da região (β -estabilidade, são limitantes no sentido de que em um caso, quando há poucos prótons e o número de nêutrons é relativamente grande, o papel principal é desempenhado pelas forças nucleares; em outro caso, quando há excesso de prótons, as forças repulsivas de Coulomb desempenham um papel muito significativo, até o ponto em que se torna possível o decaimento radioativo de núcleos com emissão de prótons.
Nesse sentido, torna-se compreensível o nosso interesse especial no estudo dos núcleos dos elementos transurânicos, onde as forças Coulombianas são tão fortes que superam as forças nucleares de atração. A barreira de potencial que mantém o núcleo em equilíbrio como um todo quase desaparece, e ele se divide em fragmentos. Ao mesmo tempo, efeitos nucleares específicos associados à estrutura interna do núcleo podem ser extremamente pronunciados. É nesta região de elementos que um novo tipo de isomeria nuclear foi descoberto.−isomeria de forma. Aqui, uma série de outros fenômenos interessantes associada, por exemplo, com a presença de um segundo mínimo na energia de deformação nuclear.
Relatório ao Comitê Organizador da Conferência da UNESCO,
dedicado ao 100º aniversário da criação da tabela periódica.
Há também restrições quanto à existência de núcleos atômicos do lado de elementos superpesados. Elementos com Z > 92 não foram encontrados em condições naturais. Cálculos baseados no modelo de gota de líquido do núcleo prevêem o desaparecimento da barreira de fissão para núcleos com Z 2 /À ≈ 41 (aproximadamente 104 elementos). No problema da existência de núcleos superpesados, dois círculos de questões devem ser destacados.
- Que propriedades devem ter os núcleos superpesados? Haverá números mágicos nesta área Z e N? Quais são os principais canais de decaimento e meias-vidas dos núcleos superpesados?
- Quais reações devem ser usadas para a síntese de núcleos superpesados, os tipos de núcleos de bombardeio, as seções de choque esperadas, as energias de excitação esperadas do núcleo composto e os canais para remover a excitação dos núcleos resultantes?
O problema de sintetizar elementos superpesados está intimamente relacionado ao fato de que núcleos com Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (números mágicos) têm maior estabilidade em relação a vários tipos de decaimento radioativo. Este fenômeno é explicado dentro da estrutura do modelo de concha nuclear - números mágicos correspondem a conchas nucleares preenchidas [12, 13]. Naturalmente, surge a questão sobre a existência dos seguintes números mágicos em Z e N. Caso existam na área da NZ - diagramas de núcleos atômicos N > 150, Z > 101, núcleos superpesados com meias-vidas aumentadas devem ser observados, ou seja, deve haver uma Ilha de Estabilidade. Aplicação do método
Outros desmoronaram e não sobreviveram até hoje. O urânio ainda está em decomposição - é um elemento radioativo.
Todos os elementos depois do urânio são mais pesados que ele. Eles foram formados em algum momento no processo de nucleossíntese (um processo no qual os núcleos de complexos, pesados elementos químicos, são formados a partir de núcleos atômicos mais simples e leves), mas não sobreviveram até hoje. Hoje eles só podem ser obtidos artificialmente.
A descoberta em 1940-1941 dos primeiros elementos artificiais, neptúnio e plutônio, foi o início de uma nova direção na física e química nuclear para estudar as propriedades dos elementos transurânicos e sua aplicação em muitos campos da ciência e tecnologia. Como resultado de muitos anos de trabalho intensivo por físicos nucleares, vários novos elementos foram sintetizados.
Existem três centros de pesquisa internacionalmente reconhecidos para a síntese de elementos pesados: em Dubna (Rússia), em Berkeley (EUA) e em Darmstadt (Alemanha). Todos os novos elementos, a partir do 93º (neptúnio), foram obtidos nestes laboratórios. Um novo elemento não é considerado descoberto até que um grupo de pesquisadores tenha obtido resultados confiáveis no estudo de seus átomos e até que outro grupo (independente) de cientistas confirme esses resultados. Portanto, as células distantes da Tabela Periódica são preenchidas muito lentamente.
Em 1940 - 1953, o professor Glen Seaborg e seus colegas do Radiation National Laboratory (Berkeley, EUA) sintetizaram elementos artificiais com Z = 93 - 100. reatores nucleares. Núcleos cada vez mais pesados foram produzidos em aceleradores de partículas, nos quais núcleos e partículas acelerados a altas velocidades colidem. Como resultado das colisões, formam-se núcleos de elementos superpesados, que existem por muito tempo. pouco tempo e, em seguida, romper novamente. Graças aos vestígios desse decaimento, é determinado que a síntese do núcleo pesado foi bem-sucedida.
Elementos mais pesados que Z=100 foram sintetizados em reações com íons pesados acelerados, quando um complexo de prótons e nêutrons é introduzido no núcleo alvo. Desde a década de 1960, a era dos aceleradores de partículas elementares - ciclotrons, começou a era da aceleração de íons pesados, quando a síntese de novos elementos começou a ser realizada apenas pela interação de dois núcleos pesados. No entanto, em meados da década de 1970, era praticamente impossível estudar as propriedades químicas dos elementos 104, 105, 106 e 107, pois seu tempo de vida - frações de microssegundo - não permitia pesquisas químicas completas. Todos eles foram sintetizados em reações de fusão a frio (a fusão a frio de núcleos massivos foi descoberta em 1974; ela libera um ou dois nêutrons com energias relativamente baixas).
O elemento 104 foi sintetizado pela primeira vez em Dubna em 1964. Foi recebido por um grupo de cientistas do Laboratório de Reações Nucleares liderado por Georgy Flerov. Em 1969, o elemento foi obtido por um grupo de cientistas da Universidade de Berkeley, Califórnia. Em 1997, o elemento foi nomeado Rutherfordium, símbolo Rf.
O elemento 105 foi sintetizado em 1970 por dois grupos independentes de pesquisadores em Dubna (URSS) e Berkeley (EUA). Recebeu o nome de dubnium em homenagem à cidade de Dubna, onde está localizado o Instituto Conjunto de Pesquisas Nucleares, no qual são sintetizados diversos elementos químicos, símbolo Db.
O elemento 106 foi obtido pela primeira vez na URSS por Georgy Flerov e seus colaboradores em 1974, e foi sintetizado quase simultaneamente nos EUA por Glen Seaborg e colaboradores. Em 1997, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) aprovou para o elemento 106 o nome seaborgium (em homenagem a Seaborg), símbolo Sg.
Reações de fusão a frio de núcleos massivos foram usadas com sucesso para sintetizar seis novos elementos, de 107 a 112, no Centro Nacional de Física Nuclear GSI em Darmstadt (Alemanha). Os primeiros experimentos para obter o elemento 107 foram realizados na URSS por Yuri Oganesyan e seus colaboradores em 1976. A primeira informação confiável sobre as propriedades nucleares do elemento 107 foi obtida na Alemanha em 1981 e 1989. Em 1997, a IUPAC aprovou o nome bohrium para o elemento 107 (em homenagem a Niels Bohr), símbolo Bh.
Os primeiros experimentos para obter o elemento 108 foram realizados na URSS em 1983-1984. Dados confiáveis sobre as propriedades nucleares do elemento 108 foram obtidos na Alemanha em 1984 e 1987. Em 1997, a IUPAC aprovou o nome Hassium para o elemento 108 (de acordo com a terra de Hesse, Alemanha), símbolo Hs.
O elemento 109 foi obtido pela primeira vez na Alemanha em 1982 e confirmado em 1984. Em 1994, a IUPAC aprovou o nome meitnerium para o elemento 109 (em homenagem a Lise Meitner), o símbolo do Monte.
O elemento 110 foi descoberto em 1994 no Centro de Pesquisa de Íons Pesados em Darmstadt (Alemanha) durante um experimento de deposição de uma liga especial contendo chumbo em placas e bombardeando-o com isótopos de níquel. Darmstadtium é nomeado após a cidade de Darmstadt (Alemanha), onde foi descoberto. símbolo D.
O elemento 111 também foi descoberto na Alemanha e foi nomeado roentgenium (o símbolo químico Rg) em homenagem ao cientista alemão Wilhelm-Konrad Roentgen.
O elemento 112 tem o nome de trabalho "ununbium" (Uub), formado pelos numerais latinos "um-um-dois". É um elemento transurânio obtido bombardeando um alvo de chumbo com núcleos de zinco. Sua meia-vida é de cerca de 34 segundos.
O ununbium foi obtido pela primeira vez em fevereiro de 1996 no acelerador de íons pesados em Darmstadt. Para obter átomos de um novo elemento, uma equipe de cientistas usou íons de zinco com número atômico 30, que foram acelerados a energias muito altas em um acelerador de 120 metros, após o que atingiram um alvo feito de chumbo, cujo número atômico é 82. Quando os núcleos de zinco e chumbo se fundem, ocorre a formação de núcleos de um novo elemento, cujo número de série é igual à soma dos números atômicos dos componentes originais. Em junho de 2009, a IUPAC reconheceu oficialmente sua existência.
Elementos mais pesados - com números atômicos 112-116 e os mais pesados este momento O 118º elemento foi obtido por cientistas russos do Joint Institute for Nuclear Research em Dubna em 2000-2008, mas ainda está aguardando o reconhecimento oficial da IUPAC.
Atualmente, físicos russos do Laboratório Flerov do Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear em Dubna estão realizando um experimento sobre a síntese do elemento 117, cujo lugar na tabela periódica entre os elementos 116 e 118 obtidos anteriormente ainda está vazio.
