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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 prevêem o desaparecimento da barreira de fissão para núcleos com Z2/A ≈ 46 (cerca do elemento 112). No problema da síntese de núcleos superpesados, dois círculos de questões devem ser destacados.

1. Que propriedades devem ter os núcleos superpesados? Haverá números mágicos nesta região Z e N. Quais são os principais canais de decaimento e meias-vidas dos núcleos superpesados?
2. Que reações devem ser usadas para a síntese de núcleos superpesados, tipos de núcleos de bombardeio, seções de choque esperadas, energias de excitação de núcleo composto esperadas e canais de desexcitação?

Como a formação de núcleos superpesados ​​ocorre como resultado da fusão completa do núcleo alvo e da partícula incidente, é necessário criar modelos teóricos que descrevam a dinâmica do processo de fusão de dois núcleos em colisão em um núcleo composto.
O problema de sintetizar elementos superpesados ​​está intimamente relacionado ao fato de que núcleos com Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (números mágicos) têm maior estabilidade em relação a vários modos de decaimento radioativo. Este fenômeno é explicado dentro da estrutura do modelo de concha - números mágicos correspondem a conchas preenchidas. Naturalmente, surge a questão sobre a existência dos seguintes números mágicos em Z e N. Se eles existirem na região do diagrama N-Z de núcleos atômicos N > 150, Z > 101, núcleos superpesados ​​devem ser observados com meias-vidas aumentadas, ou seja deve haver uma Ilha de Estabilidade. Com base em cálculos realizados utilizando o potencial Woods-Saxon com permissão para interação spin-órbita, foi demonstrado no trabalho que um aumento na estabilidade dos núcleos deve ser esperado para um núcleo com Z = 114, ou seja, o próximo próton preenchido shell corresponde a Z = 114, o shell de nêutrons preenchido corresponde ao número N ~ 184. Conchas fechadas podem aumentar significativamente a altura da barreira de fissão e, consequentemente, aumentar a vida útil do núcleo. Assim, nesta região de núcleos (Z = 114, N ~ 184) deve procurar a Ilha de Estabilidade. O mesmo resultado foi obtido independentemente em .
Os núcleos com Z = 101-109 foram descobertos antes de 1986 e foram nomeados: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium). um grande número isótopos de elementos pesados ​​(102-105), em 1997, por decisão da Assembleia Geral de Química Pura e Aplicada, o elemento com Z = 105 recebeu o nome de Dubnium (Db). Este elemento foi anteriormente chamado Ha (Hannium).

Arroz. 12.3. Cadeias de decaimento de isótopos Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112).

Uma nova etapa no estudo de núcleos superpesados ​​começou em 1994, quando a eficiência de detecção foi significativamente aumentada e a técnica de observação de núcleos superpesados ​​foi aprimorada. Como resultado, os isótopos Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) e Cn (Z = 112) foram detectados.
Núcleos superpesados ​​foram obtidos usando feixes acelerados de 50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn e 82 Se. Os isótopos 208Pb e 209Bi foram usados ​​como alvos. Vários isótopos do elemento 110 foram sintetizados no Laboratório de Reações Nucleares. G.N. Flerov usando a reação de 244 Pu(34 S,5n) 272 110 e em GSI (Darmstadt) na reação de 208 Pb(62 Ni, n) 269 110. (Fig. 12.3).
Um papel importante na produção de elementos superpesados ​​é desempenhado por modelos teóricos, com os quais são calculadas as características esperadas dos elementos químicos e as reações nas quais eles podem ser formados.
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. 12.4. As meias-vidas de núcleos pares-par superpesados ​​em relação à fissão espontânea (a), α-decaimento (b), β-decaimento (c) e para todos os possíveis processos de decaimento (d) são dadas. O núcleo mais estável em relação à fissão espontânea (Fig. 12.4a) é o núcleo com Z = 114 e N = 184. Para ele, a meia-vida em relação à fissão espontânea é de ~10 16 anos. Para isótopos do 114º elemento, que diferem do mais estável por 6-8 nêutrons, as meias-vidas diminuem em
10-15 pedidos. As meias-vidas em relação ao decaimento α são mostradas na fig. 12.5b. O núcleo mais estável está localizado na área Z = 114 e N = 184 (T 1/2 = 10 15 anos).
Núcleos estáveis ​​em relação ao decaimento β são mostrados nas Figs. 12,4c pontos escuros. Na fig. A Figura 12.4d mostra as meias-vidas totais, que para núcleos pares-par localizados dentro do contorno central 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). Os núcleos ímpar-par e par-ímpar têm meias-vidas em relação a
O decaimento α e a fissão espontânea aumentam 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.

Arroz. 12.4. Meias-vidas calculadas para núcleos superpesados ​​pares-par (os números indicam meias-vidas em anos):
a - em relação à fissão espontânea, b - α-decaimento, c - e-captura e β-decaimento, d - para todos os processos de decaimento

Os resultados de mais um cálculo da forma de equilíbrio de núcleos superpesados ​​e suas meias-vidas são mostrados na Fig. 12,5, 12,6. Na fig. 12.5 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 (mostrados em diamantes escuros na Fig. 12.5) 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. 12.6. 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, o tempo de vida de ~51 anos é previsto para o núcleo 292 Ds.
Assim, de acordo com cálculos microscópicos modernos, a estabilidade dos núcleos superpesados ​​aumenta acentuadamente à medida que se aproxima o número mágico de nêutrons N = 184. Até recentemente, o único isótopo do elemento Z = 112Cn (copernicium) era o isótopo 277Cn, que tem metade -vida de 0,24 ms. O isótopo mais pesado 283 Cn 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 . Dois casos foram registrados, que foram interpretados como fissão espontânea do isótopo 283 Cn resultante. A meia-vida deste novo isótopo foi estimada em T 1/2 = 81 s. Assim, pode-se ver que um aumento no número de nêutrons no isótopo 283 Cn em comparação com o isótopo 277 Cn em 6 unidades aumenta o tempo de vida em 5 ordens de magnitude.
Na fig. 12.7, retirados do trabalho, os períodos de decaimento α medidos experimentalmente são comparados com os resultados de cálculos teóricos baseados no modelo de gota de líquido sem levar em conta a estrutura da casca dos núcleos. Pode-se observar que para todos os núcleos pesados, com exceção dos isótopos leves de urânio, os efeitos de casca aumentam a meia-vida em 2 a 5 ordens de magnitude para a maioria dos núcleos. A estrutura de casca do núcleo tem uma influência ainda mais forte nas meias-vidas em relação à fissão espontânea. O aumento na meia-vida dos isótopos de Pu é de várias ordens de magnitude e aumenta para o isótopo 260 Sg.

Arroz. 12.7. Meias-vidas experimentalmente (● exp) e calculadas teoricamente (○ Y) de elementos transurânicos com base no modelo de gota líquida sem levar em conta a estrutura da casca do núcleo. A figura superior mostra as meias-vidas do decaimento α, a figura inferior mostra as meias-vidas da fissão espontânea.

Na fig. A Figura 12.8 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. Segundo estimativas, o núcleo resultante 284 114 deve decair com a emissão de partículas α com meia-vida de ~ 1 ms. Informação adicional a ocupação da casca na região N = 162 pode ser obtida estudando os α-decaimentos dos núcleos 271 Hs e 267 Sg. Meias-vidas de 1 min são previstas para esses núcleos. e 1 hora. Para núcleos 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271.273 Ds, 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 12.9 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.

Fig.12.10. Esquema de potenciais durante a fusão de 64 Ni e 208 Pb.

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. 12.10 mostra o potencial de fusão para núcleos na reação 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds. As estimativas mais simples mostram que a probabilidade de um efeito túnel para a fusão nuclear é de ~10-21, o 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 esta distância, apenas 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 208 Pb 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 de casca dos núcleos desempenha um papel essencial na formação do núcleo composto. Com base neste modelo, foi possível descrever adequadamente a energia de excitação dos núcleos compostos e a seção de choque para a formação dos elementos Z = 102–112 em reações de fusão a frio.
Assim, o progresso na síntese dos elementos transurânicos Z = 107-112 foi associado à “descoberta” das reações de fusão a frio, nas quais os isótopos mágicos 208Pb e 209Bi foram irradiados com íons com Z = 22-30. O núcleo formado na reação de fusão a frio é aquecido fracamente e esfria como resultado da emissão de um nêutron. Assim, isótopos de elementos químicos com Z = 107-112 foram obtidos pela primeira vez. Esses elementos químicos foram obtidos no período 1978-1998. na Alemanha em um acelerador especialmente construído no Centro de Pesquisa GSI em Darmstadt. No entanto, o progresso adicional - para núcleos mais pesados ​​- por esse método acaba sendo difícil devido ao crescimento da barreira potencial entre os núcleos em colisão. Portanto, outro método para obtenção de núcleos superpesados ​​foi implementado em Dubna. Os isótopos mais pesados ​​dos elementos químicos obtidos artificialmente plutônio Pu (Z = 94), amerício Am (Z = 95), cúrio Cm (Z = 96), berquélio Bk (Z = 97) e califórnio Cf (Z = 98) foram usados ​​como alvos. O isótopo de cálcio 48Ca (Z = 20) foi escolhido como íons acelerados. Uma vista esquemática do separador e detector de núcleos de recuo é mostrada na fig. 12.11.

Arroz. 12.11. Vista esquemática de um separador de recuo usado para experimentos na síntese de elementos superpesados ​​em Dubna.

O separador magnético de núcleos de recuo reduz o fundo de subprodutos da reação por um fator de 105-107. Os produtos da reação foram registrados usando um detector de silício sensível à posição. A energia, as coordenadas e o tempo de voo dos núcleos de recuo foram medidos. Após a parada, todos os sinais subsequentes das partículas de decaimento detectadas devem vir do ponto de parada do núcleo implantado. A técnica desenvolvida permitiu, com alto grau de confiabilidade (≈ 100%), estabelecer uma conexão entre um núcleo superpesado parado no detector e seus produtos de decaimento. Usando esta técnica, elementos superpesados ​​com
Z = 110–118 (Tabela 12.2).
A Tabela 12.2 mostra as características de elementos químicos superpesados ​​com Z = 110-118: número de massa A, m é a presença de um estado isomérico em um isótopo com número de massa A, paridade de spin JP, energia de ligação nuclear Eb, energia de ligação específica ε , energia de separação de nêutrons B n e próton B p , meia-vida T 1/2 e canais de decaimento principais.
Os elementos químicos Z > 112 ainda não têm nomes e são dados em designações aceitas internacionalmente.

Tabela 12.2

Características de elementos químicos superpesados ​​Z = 110-118

XX-A-m	JP	Peso testemunho, MeV	E sv, MeV	ε, MeV	Bn, MeV	Bp, MeV	T 1/2	modas decadentes
Z = 110 − darmstadt
Ds-267		248787.19	1934.5	7.2		0.7	2,8 ac	α ≈100%
Ds-268	0 +	249718.08	1943.2	7.3	8.7	1.3	100 ac	α ≈
Ds-269		250650.86	1950.0	7.2	6.8	1.3	179 ac	α 100%
Ds-270	0 +	251581.97	1958.4	7.3	8.5		0,10 ms	α ≈100%, SF< 0.20%
Ds-270-m		251583.07	1957.3	7.2			6,0 ms	α >70%, IT ≤ 30%
Ds-271		252514.72	1965.2	7.3	6.8	2.2	1,63 ms	α ≈100%
Ds-271-m		252514.72	1965.2	7.3			69 ms	IT?, α >0%
Ds-272	0 +	253446.46	1973.1	7.3	7.8	2.5	1 segundo	SF
Ds-273		254380.32	1978.8	7.2	5.7	2.5	0,17 ms	α ≈100%
Ds-274	0 +	255312.45	1986.2	7.2	7.4	3.0	2 segundos	α?, SF?
Ds-275		256246.44	1991.8	7.2	5.6	2.9	2 segundos	α?
Ds-276	0 +	257178.73	1999.1	7.2	7.3	3.2	5 segundos	SF?, α?
Ds-277		258112.63	2004.7	7.2	5.7	3.1	5 segundos	α?
Ds-278	0 +	259044.92	2012.0	7.2	7.3		10 segundos	SF?, α?
Ds-279		259978.62	2017.9	7.2	5.9		0,18 segundos	SF ≈90%, α ≈10%
Ds-281		261844.60	2031.0	7.2			9,6 segundos	SF ≈100%
Z \u003d 111 - roentgen
Rg-272		253452.75	1965.5	7.2		0.2	3,8 ms	α ≈100%
Rg-273		254384.34	1973.5	7.2	8.0	0.4	5 ms	α?
Rg-274		255317.74	1979.6	7.2	6.2	0.9	6,4 ms	α ≈100%
Rg-275		256249.53	1987.4	7.2	7.8	1.2	10 ms	α?
Rg-276		257183.22	1993.3	7.2	5.9	1.5	100 ms	SF?, α?
Rg-277		258115.72	2000.4	7.2	7.1	1.3	1 segundo	α?, SF?
Rg-278		259049.11	2006.5	7.2	6.2	1.8	4,2 ms	α ≈100%, SF
Rg-279		259981.41	2013.8	7.2	7.3	1.8	0,17 s	α ≈100%
Rg-280		260914.80	2020.0	7.2	6.2	2.1	3,6 segundos	α ≈100%
Rg-281		261847.09	2027.2	7.2	7.3		1m	α?, SF?
Rg-282		262780.59	2033.3	7.2	6.1	2.3	4m	SF?, α?
Rg-283		263712.98	2040.5	7.2	7.2		10 m	SF?, α?
Z = 112 - Copérnico
cn-277		258119.32	1995.5	7.2		2.2	0,69 ms	α ≈100%
cn-278	0 +	259051.20	2003.1	7.2	7.7	2.8	10 ms	SF?, α?
cn-279		259984.69	2009.2	7.2	6.1	2.7	0,1 segundo	SF?, α?
cn-280	0 +	260916.69	2016.8	7.2	7.6	3.0	1 segundo	α?, SF?
cn-282	0 +	262782.18	2030.4	7.2		3.2	0,50 ms	SF ≈100%
cn-283		263715.57	2036.6	7.2	6.2	3.3	4,0 segundos	α ≥90%, SF ≤10%
cn-284	0 +	264647.66	2044.1	7.2	7.5	3.6	101 ms	SF ≈100%
cn-285		265580.76	2050.5	7.2	6.5		34 segundos	α ≈100%
Z = 113
Uut-278							0,24 ms	α 100%
Uut-283		263719.46	2031.4	7.2		1.0	100 ms	α 100%
Uut-284		264652.45	2038.0	7.2	6.6	1.4	0,48 s	α ≈100%
Uut-285		265584.55	2045.5	7.2	7.5	1.4	2m	α?, SF?
Uut-286		266517.64	2051.9	7.2	6.5	1.4	5 m	α?, SF?
Uut-287		267449.64	2059.5	7.2	7.6		20 m	α?, SF?
Z = 114
Uuq-286	0 +	266520.33	2048.0	7.2		2.5	0,16 s	SF ≈60%, α ≈40%
Uuq-287		267453.42	2054.4	7.2	6.5	2.5	0,51 s	α ≈100%
Uuq-288	0 +	268385.02	2062.4	7.2	8.0	2.9	0,80 s	α ≈100%
Uuq-289		269317.91	2069.1	7.2	6.7		2,7 segundos	α ≈100%
Z = 115
Uup-287		267458.11	2048.4	7.1		0.5	32ms	α 100%
Uup-288		268390.81	2055.3	7.1	6.9	0.9	87 ms	α 100%
Uup-289		269322.50	2063.2	7.1	7.9	0.8	10 segundos	SF?, α?
Uup-290		270255.30	2070.0	7.1	6.8	0.9	10 segundos	SF?, α?
Uup-291		271187.09	2077.7	7.1	7.8		1m	α?, SF?
Z = 116
Uuh-290	0 +	270258.98	2065.0	7.1		1.8	15 ms	α ≈100%
Uuh-291		271191.78	2071.7	7.1	6.8	1.8	6,3 ms	α 100%
Uuh-292	0 +	272123.07	2080.0	7.1	8.3	2.3	18ms	α ≈100%
Uuh-293							53ms	α ≈100%
Z = 117
Uus-291		271197.37	2064.9	7.1		-0.1	10 ms	SF?, α?
Uus-292		272129.76	2072.0	7.1	7.2	0.3	50ms	SF?, α?
Z = 118
Uuo-294	0 +						1,8 ms	α ≈100%

Na fig. 12.12 mostra todos os isótopos mais pesados ​​conhecidos com Z = 110-118, obtidos em reações de fusão, indicando a meia-vida medida experimentalmente. A posição teoricamente prevista da ilha de estabilidade (Z = 114, N = 184) também é mostrada aqui.

Arroz. 12.12. Diagrama N-Z dos elementos Z = 110–118.

Os resultados obtidos indicam inequivocamente um aumento na estabilidade dos isótopos ao se aproximarem de um núcleo duplamente mágico (Z = 114, N = 184). A adição de 7-8 nêutrons a núcleos com Z = 110 e 112 aumenta a meia-vida de 2,8 as (Ds-267) para ≈ 10 s (Ds-168, Ds 271). A meia-vida T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5 ms aumenta para T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 min. Os isótopos mais pesados ​​dos elementos Z = 110–112 contêm ≈ 170 nêutrons, que ainda está longe do número mágico N = 184. Todos os isótopos mais pesados ​​com Z > 111 e N > 172 decaem predominantemente como resultado de
α-decaimento, fissão espontânea é um decaimento mais raro. Esses resultados estão de acordo com as previsões teóricas.
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.
Durante a síntese do elemento 114 na reação 48 Cu + 244 Pu, o rendimento máximo de isótopos com Z = 114 foi observado em um 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 248 Cm + 48 Ca → 296 116, é mostrada na Fig. 12.13

Arroz. 12.13. Esquema do decaimento do núcleo 296 116.

O isótopo 296 116 esfria como resultado da 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 é convertido 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.
Na fig. 12.14 mostra uma cadeia de sucessivos decaimentos α do isótopo 288 115, medido em experimentos em Dubna. ER é a energia de um núcleo de recuo implantado em um detector de silício sensível à posição. Uma boa concordância pode ser observada nas meias-vidas e energias dos decaimentos α em três experimentos, o que indica a confiabilidade do método de identificação de elementos superpesados ​​usando medidas dos espectros de partículas α.

Arroz. 12.14. Uma cadeia de decaimentos α sucessivos do isótopo 288 115, medido em experimentos em Dubna.

O elemento mais pesado produzido em laboratório com Z = 118 foi sintetizado na reação

48Ca + 249Cf → 294 118 + 3n.

Em uma energia iônica próxima à barreira de Coulomb, três casos de formação do elemento 118 foram observados. 294 118 núcleos foram implantados em um detector de silício e uma cadeia de α-decaimentos sucessivos foi observada. A seção transversal para a produção do elemento 118 foi de ~2 picobarns. A meia-vida do isótopo 293 118 é de 120 ms.
Na fig. 12.15 mostra uma cadeia teoricamente calculada de sucessivos α-decaimentos do isótopo 293 118 e mostra as meias-vidas dos núcleos-filhos formados como resultado de α-decaimentos.

Arroz. 12.15. Uma cadeia de α-decaimentos sucessivos do isótopo 293 118.
Os tempos de vida médios dos núcleos-filhos produzidos como resultado de decaimentos α são dados.

Ao analisar várias possibilidades para a formação de elementos superpesados ​​em reações com íons pesados, as seguintes circunstâncias devem ser levadas em consideração.

1. 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.
2. 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.
3. É necessário que o núcleo resultante tenha uma forma próxima à esférica, pois mesmo uma leve deformação levará à fissão rápida 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. 12.16 mostra as seções transversais estimadas para a formação de elementos transurânicos por irradiação de alvos de 248 Cm, 249 Cf e 254 Es com íons 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.

Arroz. 12.16. Estimativas de seções de choque para a formação de elementos transurânicos nas reações de 238 U com 248 Cm, 249 Cf e 254 Es

Progresso para a região de núcleos superpesados ​​em últimos anos acabou por ser impressionantemente impressionante. No entanto, todas as tentativas de descobrir a Ilha da Estabilidade até agora não foram bem sucedidas. A busca por ele continua intensamente.
A estrutura da casca dos núcleos atômicos desempenha Papel essencial no aumento da estabilidade de núcleos superpesados. Os números mágicos Z ≈ 114 e N ≈ 184, se realmente existirem, podem levar a um aumento significativo na estabilidade dos núcleos atômicos. Também é essencial que o decaimento de núcleos superpesados ​​ocorra como resultado do decaimento α, o que é importante para o desenvolvimento de métodos experimentais de detecção e identificação de novos núcleos superpesados.

No final do segundo milênio, o acadêmico Vitaly Lazarevich Ginzburg compilou uma lista de trinta problemas de física e astrofísica que considerava os mais importantes e interessantes (ver "Ciência e Vida" nº 11, 1999). Nesta lista, no número 13, é indicado o problema de encontrar elementos superpesados. Então, 12 anos atrás, o acadêmico observou com desgosto que "ainda não foi confirmada a existência de núcleos transurânicos de longa duração (estamos falando de milhões de anos) em raios cósmicos". Hoje, vestígios de tais núcleos foram descobertos. Isso dá esperança de finalmente descobrir a Ilha de Estabilidade de núcleos superpesados, cuja existência já foi prevista pelo físico nuclear Georgy Nikolaevich Flerov.

A questão é se existem elementos mais pesados ​​que o urânio-92 (238 U é seu isótopo estável), muito tempo permaneceram abertos, uma vez que não foram observados na natureza. Acreditava-se que elementos estáveis com número atômico maior que 180 não: poderoso carga positiva núcleos vão destruir os níveis internos dos elétrons do átomo pesado. No entanto, logo ficou claro que a estabilidade de um elemento é determinada pela estabilidade de seu núcleo, não de sua casca. Os núcleos com um número par de prótons Z e nêutrons N são estáveis, entre os quais os núcleos com o chamado número mágico de prótons ou nêutrons - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - são, por exemplo, estanho, conduzir. E os mais estáveis ​​são os "núcleos mágicos duplos", nos quais o número de nêutrons e prótons é mágico, digamos, hélio e cálcio. Este é o isótopo de chumbo 208 Pb: tem Z = 82, N = 126. A estabilidade de um elemento depende extremamente fortemente da razão entre o número de prótons e nêutrons em seu núcleo. Por exemplo, o chumbo com 126 nêutrons é estável, enquanto seu outro isótopo, que tem um nêutron a mais no núcleo, decai em mais de três horas. Mas, observou V. L. Ginzburg, a teoria prevê que um certo elemento X com o número de prótons Z = 114 e nêutrons N = 184, ou seja, com um número atômico de massa A = Z + N = 298, deve viver por cerca de 100 milhões anos.

Hoje, muitos elementos foram obtidos artificialmente até o 118º inclusive - 254 Uuo. É o não-metal mais pesado, presumivelmente um gás inerte; seus nomes condicionais são ununoctia (é formado a partir das raízes dos numerais latinos - 1, 1, 8), eka-radon e moscovium Mw. Todos os elementos artificiais já existiram na Terra, mas se desintegraram com o tempo. Por exemplo, plutônio-94 tem 16 isótopos, e apenas 244 Pu tem meia-vida T ½ = 7,6 10 7 anos; neptúnio-93 tem 12 isótopos e 237 Np tem T ½ = 2,14 10 6 anos. Essas meias-vidas mais longas entre todos os isótopos desses elementos são muito menores que a idade da Terra - (4,5–5,5)·10 9 . Traços insignificantes de neptúnio, que são encontrados em minérios de urânio, são produtos de reações nucleares sob a ação de nêutrons de radiação cósmica e fissão espontânea do urânio, e o plutônio é uma consequência do decaimento beta do neptúnio-239.

Os elementos que desapareceram durante a existência da Terra são obtidos de duas maneiras. Primeiro, um nêutron extra pode ser conduzido para o núcleo de um elemento pesado. Lá sofre decaimento beta, formando um próton, um elétron e um elétron antineutrino: n 0 → p + e - + v e . A carga do núcleo aumentará em um - um novo elemento aparecerá. Foi assim que os elementos artificiais foram obtidos até o férmio-100 (seu isótopo 257 Fm tem uma meia-vida de 100 anos).

Elementos ainda mais pesados ​​são criados em aceleradores que aceleram e colidem núcleos, por exemplo, o ouro (ver "Ciência e Vida" nº 6, 1997). Foi exatamente assim que os 117º e 118º elementos foram obtidos no Laboratório de Reações Nucleares do Joint Institute for Nuclear Research (JINR, Dubna). Além disso, a teoria prevê que núcleos superpesados ​​estáveis ​​devem existir muito além dos elementos radioativos pesados ​​atualmente conhecidos. O físico russo G. N. Flerov descreveu o sistema de elementos como um arquipélago simbólico, onde elementos estáveis ​​são cercados por um mar de isótopos de vida curta que podem nunca ser descobertos. Na ilha principal do arquipélago erguem-se os picos dos elementos mais estáveis ​​- Cálcio, Estanho e Chumbo, além do Estreito de Radioactividade encontra-se a ilha dos núcleos Pesados ​​com os picos de Urano, Neptúnio e Plutónio. E ainda mais deve estar localizado ilha Misteriosa A estabilidade de elementos superpesados, como o já mencionado - X-298.

Apesar de todos os sucessos de experimentos e física Teórica, a questão permanece em aberto: elementos superpesados ​​existem na natureza, ou são substâncias puramente artificiais, feitas pelo homem, semelhantes a materiais sintéticos - nylon, nylon, lavsan - nunca criados pela natureza?

Existem condições para a formação de tais elementos na natureza. Eles são criados nas profundezas dos pulsares e nas explosões de supernovas. Os fluxos de nêutrons neles atingem uma densidade enorme - 10 38 n 0 /m 2 e são capazes de gerar núcleos superpesados. Eles se espalham no espaço em uma corrente de raios cósmicos intergalácticos, mas sua proporção é extremamente pequena - apenas algumas partículas por metro quadrado por ano. Assim, surgiu a ideia de utilizar um detector-acumulador natural de radiação cósmica, no qual núcleos superpesados ​​deveriam deixar um traço específico e facilmente reconhecível. Os meteoritos serviram com sucesso como tais detectores.

Um meteorito - um pedaço de rocha arrancado do planeta mãe por algum tipo de catástrofe cósmica - viaja no espaço há centenas de milhões de anos. Ele é continuamente "encapado" por raios cósmicos, que são 90% de núcleos de hidrogênio (prótons), 7% de núcleos de hélio (dois prótons) e 1% de elétrons. Os 2% restantes são outras partículas, entre as quais pode haver núcleos superpesados.

Pesquisadores do Instituto de Física. P. N. Lebedev (FIAN) e o Instituto de Geoquímica e Química Analítica. V. I. Vernadsky (GEOKHI RAS) estuda dois pallasite - meteoritos de ferro-níquel intercalados com olivina (um grupo de minerais translúcidos nos quais Mg 2, (Mg, Fe) 2 e (Mn, Fe) 2 estão ligados ao dióxido de silício SiO 4 em diferentes proporções; a olivina transparente é chamada de crisólito). A idade desses meteoritos é de 185 e 300 milhões de anos.

Núcleos pesados, voando através de um cristal de olivina, danificam sua rede, deixando seus rastros nela - rastros. Eles se tornam visíveis após o tratamento químico do cristal - gravura. E como a olivina é translúcida, esses rastros podem ser observados e estudados ao microscópio. A espessura da trilha, seu comprimento e forma podem ser usados ​​para julgar a carga e a massa atômica do núcleo. A pesquisa é muito complicada pelo fato de que os cristais de olivina têm dimensões da ordem de vários milímetros, e o rastro de uma partícula pesada é muito mais longo. Portanto, a magnitude de sua carga deve ser julgada a partir de dados indiretos - a taxa de gravação, uma diminuição na espessura da trilha, etc.

O trabalho para encontrar vestígios de partículas superpesadas da ilha de estabilidade foi chamado de "Projeto Olympia". No âmbito deste projeto, foram obtidas informações sobre cerca de seis mil núcleos com carga superior a 55 e três núcleos ultrapesados, cujas cargas se situam na faixa de 105 a 130. Todas as características das trilhas desses os núcleos foram medidos por um complexo de equipamentos de alta precisão criado na FIAN. O complexo reconhece automaticamente as trilhas, determina seus parâmetros geométricos e, extrapolando os dados de medição, encontra o comprimento estimado da trilha antes que ela pare na massa de olivina (lembre-se que o tamanho real de seu cristal é de vários milímetros).

Os resultados experimentais obtidos confirmam a realidade da existência de elementos superpesados ​​estáveis ​​na natureza.

O trabalho foi realizado no Laboratório de Reações Nucleares (FLNR) em homenagem a V.I. G.N. Flerov do Dubna Joint Institute for Nuclear Research (JINR) com sucesso. As propriedades dos elementos 117 e previamente sintetizados N 112-116 e 118 em Dubna são evidências diretas da existência da chamada "ilha de estabilidade" de elementos superpesados, prevista por teóricos na década de 60 do século passado e significativamente expandindo os limites da tabela periódica. Os editores do Izvestiya foram informados sobre o experimento único em março pelo chefe da FLNR, o acadêmico Yuri Oganesyan, mas ele só deu permissão para publicação agora. O acadêmico Yury Oganesyan, autor da descoberta, contou ao observador Peter Obraztsov sobre a essência do experimento.

Izvestiya: O que causou o interesse dos cientistas na síntese de elementos superpesados, que existem por um tempo insignificantemente pequeno?

yuri oganesyan: Após a descoberta em 1940-1941 dos primeiros elementos artificiais - neptúnio e plutônio - a questão dos limites da existência de elementos tornou-se extremamente interessante para a ciência fundamental da estrutura da matéria. No final do século passado, 17 elementos artificiais foram descobertos e verificou-se que sua estabilidade nuclear diminui drasticamente com o aumento do número atômico. Na transição do 92º elemento - urânio - para o 102º elemento - nobélio, a meia-vida do núcleo diminui em 16 ordens de grandeza: de 4,5 bilhões de anos para vários segundos. Portanto, acreditava-se que o avanço na área de elementos ainda mais pesados ​​levaria ao limite de sua existência, em essência, marcaria o limite da existência do mundo material. No entanto, em meados da década de 1960, os teóricos inesperadamente apresentaram uma hipótese sobre a possível existência de núcleos atômicos superpesados. De acordo com os cálculos, o tempo de vida dos núcleos com números atômicos 110-120 deveria ter aumentado significativamente à medida que o número de nêutrons neles aumentasse. De acordo com novas ideias, eles formam uma vasta "ilha de estabilidade" de elementos superpesados, o que expande significativamente os limites da tabela de elementos.
P: Isso foi confirmado experimentalmente?

Oganesyan: Em 1975-1996, físicos de Dubna, Darmstadt (GSI, Alemanha), Tóquio (RIKEN) e Berkeley (LBNL, EUA) conseguiram investigar essas reações e sintetizar seis novos elementos. Os elementos mais pesados ​​109-112 foram obtidos pela primeira vez no GSI e repetidos no RIKEN. Mas as meias-vidas dos núcleos mais pesados ​​produzidos nessas reações eram de apenas dez milésimos ou mesmo milésimos de segundo. A hipótese da existência de elementos superpesados ​​foi confirmada experimentalmente pela primeira vez em Dubna, em pesquisa realizada por nosso grupo em colaboração com cientistas do Laboratório Nacional. Lawrence em Livermore (EUA). Conseguimos mudar radicalmente a abordagem da síntese de núcleos superpesados, por exemplo, bombardeando um alvo feito do elemento artificial berquélio (N 97) com um feixe de projétil de um isótopo de cálcio extremamente raro e caro (N 20) com um massa de 48. Quando os núcleos se fundem, o elemento N 117 (97 + 20 = 117). Os resultados superaram até as expectativas mais otimistas. Em 2000-2004, quase em cinco anos, foi nessas reações que os elementos superpesados ​​com números atômicos 114, 116 e 118 foram sintetizados pela primeira vez.

e: E que tipo de contribuição científica os cientistas americanos fizeram?

Oganesyan: Em uma reação nuclear com um feixe de cálcio, o 117º elemento só pode ser obtido usando um alvo feito do elemento artificial berquélio. A meia-vida deste isótopo é de apenas 320 dias. Devido ao curto tempo de vida, a produção de berquélio na quantidade necessária (20-30 miligramas) deve ser realizada em um reator com uma densidade de fluxo de nêutrons muito alta. Apenas o reator de isótopos do Laboratório Nacional dos EUA em Oak Ridge pode lidar com tal tarefa. A propósito, foi neste laboratório que o plutônio foi produzido pela primeira vez para o americano bomba atômica. Como a partir do momento da produção do berquélio sua quantidade diminui pela metade em 320 dias, foi necessário realizar todo o trabalho em ritmo acelerado. E não apenas em laboratórios, mas também nas estruturas oficiais da Rússia e dos Estados Unidos relacionadas à certificação de um material incomum, ao transporte de um produto altamente radioativo por terra e ar, segurança e assim por diante.

e: Digno de uma história de aventura. E o que aconteceu depois?

Oganesyan: No início de junho de 2009, o contêiner chegou a Moscou. Um alvo na forma da camada mais fina de berquélio (300 nanômetros) depositado em uma fina folha de titânio foi fabricado a partir desta substância no Instituto de Pesquisa de Reatores Atômicos (Dimitrovgrad); em julho o alvo foi entregue a Dubna. Por este momento em FLNR todos trabalho preparatório foram concluídos, e a irradiação contínua do alvo com um intenso feixe de cálcio começou. Já na primeira irradiação do alvo, com duração de 70 dias, tivemos sorte: os detectores registraram cinco vezes o padrão de formação e decaimento de núcleos do 117º elemento. Como esperado, os núcleos deste elemento se transformaram nos núcleos do 115º elemento, o 115º elemento se transformou no 113º, e então o 113º elemento se transformou no 111º. E o elemento 111 decaiu com uma meia-vida de 26 segundos. Em uma escala nuclear, este é um grande momento! Agora a tabela periódica foi reabastecida com mais um dos elementos mais pesados ​​com número atômico 117.

e: Naturalmente, nossos leitores estarão interessados ​​no que uso pratico pode ter a sua descoberta.

Oganesyan: Agora, claro, nenhum, porque apenas alguns átomos do elemento N 117 foram obtidos.De um ponto de vista fundamental, as idéias sobre nosso mundo devem agora mudar drasticamente. Além disso, se forem sintetizados elementos com uma meia-vida enorme, é possível que eles também existam na natureza e possam "sobreviver" até o nosso tempo desde a formação da Terra - 4,5 bilhões de anos. E estamos realizando experimentos para procurá-los, nossa instalação está localizada nas profundezas das montanhas alpinas.

e: Uma pergunta de outro plano. Por que você acha que o progresso óbvio na física nuclear nos últimos 20 anos não foi observado? prémios Nobel?

Oganesyan: A física é grande. Aparentemente, outras áreas dessa ciência são mais interessantes para os membros do Comitê Nobel. E há realmente muitos cientistas dignos. A propósito, devo citar os participantes de nosso experimento: Oak Ridge National Laboratory (Prof. James Roberto), University. Vanderbilt (Prof. Joseph Hamilton), Laboratório Nacional. Lawrence em Livermore (Dawn Shaughnessy), o Instituto de Pesquisa de Reatores Atômicos, Dimitrovgrad (Mikhail Ryabinin) e o Laboratório de Reações Nucleares do JINR (dirigido por Yuri Oganesyan).

Do editor. Temporariamente, o elemento N 117 será chamado "um-um-sete" em latim, ou seja, ununseptium. O grupo do acadêmico Yuri Oganesyan - os autores da descoberta - tem todo o direito de dar o nome real a este elemento, bem como aos elementos N 114-116 e 118 descobertos por eles. Na "Semana" de 26 de março, convidamos leitores submetam suas propostas para o nome de "nossos" elementos. Até agora, apenas "kurchatovy" para um desses elementos parece razoável. A competição continua.

Primeiro, um artigo sobre o que é uma "ilha de estabilidade".

Ilha de estabilidade: cientistas nucleares russos lideram a corrida

A síntese dos elementos superpesados ​​que compõem a chamada “ilha de estabilidade” é uma tarefa ambiciosa da física moderna, na qual os cientistas russos estão à frente do resto do mundo.

Em 3 de junho de 2011, uma comissão de especialistas, que incluía especialistas das Uniões Internacionais de Química Pura e Aplicada (IUPAC) e Física (IUPAP), reconheceu oficialmente a descoberta dos 114º e 116º elementos da tabela periódica. A prioridade da descoberta foi dada a um grupo de físicos liderados pelo acadêmico da Academia Russa de Ciências Yuri Oganesyan do Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear com a ajuda de colegas americanos do Laboratório Nacional do Mar de Livero. Lourenço.

Acadêmico da Academia Russa de Ciências Yury Oganesyan, Chefe do Laboratório de Reações Nucleares do JINR

Os novos elementos são os mais pesados ​​dos incluídos no tabela periódica Mendeleev, e recebeu os nomes temporários de ununquidia e unungexia, formados de acordo com o número de série na tabela. Os físicos russos propuseram nomear os elementos "flerovium" em homenagem a Georgy Flerov, um físico nuclear soviético, especialista no campo da fissão nuclear e na síntese de novos elementos, e "moscovium" em homenagem à região de Moscou. Além dos elementos 114 e 116, os elementos químicos com números de série 104, 113, 115, 117 e 118 foram previamente sintetizados no JINR. E o 105º elemento da tabela em homenagem ao reconhecimento da contribuição dos físicos de Dubna para Ciência moderna dado o nome de "dubny".

Elementos não encontrados na natureza

Atualmente, todo o mundo ao nosso redor consiste em 83 elementos químicos, do hidrogênio (Z=1, Z é o número de prótons no núcleo) ao urânio (Z=92), cuja vida útil é maior que a do sistema solar ( 4,5 bilhões de anos). Os elementos mais pesados ​​que apareceram durante a nucleossíntese logo após o Big Bang já haviam decaído e não sobreviveram até hoje. O urânio, que tem uma meia-vida de cerca de 4,5 × 10 8 anos, ainda decairá e será radioativo. No entanto, em meados do século passado, os pesquisadores aprenderam a obter elementos que não são encontrados na natureza. Um exemplo de tal elemento é aquele produzido em reatores nucleares plutônio (Z=94), que é produzido em centenas de toneladas e é uma das mais poderosas fontes de energia. A meia-vida do plutônio é substancialmente mais curta que a do urânio, mas ainda longa o suficiente para sugerir a possibilidade de elementos químicos mais pesados. O conceito de átomo, constituído por um núcleo que carrega carga positiva e massa principal, e orbitais de elétrons, sugere a possibilidade da existência de elementos com número de série até Z=170. Mas, de fato, devido à instabilidade dos processos que ocorrem no próprio núcleo, o limite da existência de elementos pesados ​​​​é delineado muito antes. Na natureza, as formações estáveis ​​(núcleos de elementos constituídos por um número diferente de prótons e nêutrons) são encontradas apenas até chumbo e bismuto, seguido por uma pequena península, incluindo tório e urânio encontrados na Terra. Mas assim que o número ordinal de um elemento excede o número de urânio, seu tempo de vida diminui drasticamente. Por exemplo, o núcleo do 100º elemento é 20 vezes menos estável que o núcleo de urânio e, no futuro, essa instabilidade só aumenta devido à fissão nuclear espontânea.

"Ilha de Estabilidade"

O efeito de fissão espontânea foi explicado por Niels Bohr. Segundo sua teoria, o núcleo é uma gota de líquido carregado, ou seja, algum tipo de matéria que não possui estrutura interna própria. Quão mais quantidade prótons no núcleo influência mais forte Forças de Coulomb, sob a influência das quais a gota é deformada e dividida em partes. Tal modelo prevê a possibilidade da existência de elementos até o 104º - 106º número de série. No entanto, na década de 1960, vários experimentos foram realizados no Laboratório de Reações Nucleares do Instituto Conjunto de Pesquisas Nucleares para estudar as propriedades de fissão de núcleos de urânio, cujos resultados não podiam ser explicados pela teoria de Bohr. Descobriu-se que o núcleo não é um análogo completo de uma gota líquida carregada, mas tem uma

estrutura. Além disso, quanto mais pesado o núcleo, mais forte se torna a influência dessa estrutura, e o padrão de decaimento será completamente diferente do previsto pelo modelo de gota de líquido. Assim, surgiu uma hipótese sobre a existência de uma certa região de núcleos superpesados ​​estáveis, distantes dos elementos conhecidos hoje. A área foi chamada de "ilha de estabilidade", e depois de prever sua existência, os maiores laboratórios dos Estados Unidos, França e Alemanha iniciaram uma série de experimentos para confirmar a teoria. No entanto, suas tentativas não foram bem sucedidas. E somente experimentos no ciclotron de Dubna, que resultaram na descoberta dos 114º e 116º elementos, permitem afirmar que a região de estabilidade dos núcleos superpesados ​​realmente existe.

A figura abaixo mostra um mapa de nuclídeos pesados. As meias-vidas dos núcleos são apresentadas cor diferente(escala direita). Quadrados pretos são isótopos de elementos estáveis ​​encontrados na crosta terrestre (meia-vida superior a 109 anos). Azul escuro é o "mar de instabilidade", onde os núcleos vivem por menos de 10 −6 segundos. As "ilhas de estabilidade" que seguem a "península" de elementos de tório, urânio e transurânio são previsões da teoria microscópica do núcleo. Dois núcleos com números atômicos 112 e 116, obtidos em várias reações nucleares e seu subsequente decaimento, mostram o quão perto se pode chegar das "ilhas de estabilidade" na síntese artificial de elementos superpesados.

Mapa de nuclídeos pesados

Para sintetizar um núcleo pesado estável, é necessário introduzir nele o maior número possível de nêutrons, pois os nêutrons são a "cola" que mantém os núcleons no núcleo. A primeira ideia era irradiar um material fonte com um fluxo de nêutrons de um reator. Mas com esse método, os cientistas só conseguiram sintetizar o férmio, um elemento com número atômico 100. Além disso, em vez dos 60 nêutrons necessários, apenas 20 foram introduzidos no núcleo. As tentativas dos cientistas americanos de sintetizar elementos superpesados ​​no processo de uma explosão nuclear (na verdade, em um poderoso fluxo de nêutrons pulsado) também não foram bem sucedidas, o resultado de seus experimentos foi o mesmo isótopo de férmio. A partir desse momento, outro método de síntese começou a se desenvolver - colidir dois núcleos pesados ​​na esperança de que o resultado de sua colisão fosse o núcleo da massa total. Para realizar o experimento, um dos núcleos deve ser acelerado a uma velocidade de aproximadamente 0,1 da velocidade da luz usando um acelerador de íons pesados. Todos os núcleos pesados ​​obtidos hoje foram sintetizados desta forma. Como já observado, a ilha de estabilidade está localizada na região de núcleos superpesados ​​ricos em nêutrons; portanto, os núcleos alvo e feixe também devem conter um excesso de nêutrons. É bastante difícil selecionar tais elementos, já que quase todos os nuclídeos estáveis ​​existentes têm uma proporção estritamente definida do número de prótons e nêutrons.

No experimento de síntese do 114º elemento, o isótopo mais pesado do plutônio com massa atômica de 244, produzido no reator do Livermore National Laboratory (EUA), foi usado como alvo e o cálcio-48 como núcleo do projétil. O cálcio-48 é um isótopo estável de cálcio, que contém apenas 0,1% do cálcio comum. Os experimentadores esperavam que tal configuração possibilitasse sentir o efeito de aumentar a vida útil de elementos superpesados. Para realizar o experimento, foi necessário um acelerador com uma potência de feixe de cálcio-48 superior a todos os aceleradores conhecidos em dezenas de vezes. Em cinco anos, esse acelerador foi criado em Dubna, permitindo realizar um experimento várias centenas de vezes mais preciso do que experimentos em outros países nos últimos 25 anos.

Tendo recebido um feixe de cálcio da intensidade necessária, os experimentadores irradiam o alvo de plutônio. Se, como resultado da fusão de dois núcleos, são formados átomos de um novo elemento, eles devem voar para fora do alvo e, junto com o feixe, continuar a avançar. Mas eles devem ser separados de íons de cálcio e outros produtos de reação. Esta função é executada pelo separador.

MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms) - planta para separação de núcleos

Os núcleos de recuo emitidos da camada alvo param no coletor de grafite a uma profundidade de vários micrômetros. Devido à alta temperatura do coletor, eles se difundem na câmara da fonte de íons, são retirados do plasma, acelerados pelo campo elétrico e analisados ​​em massa. Campos magnéticos ao longo do caminho para o detector. Neste projeto, a massa de um átomo pode ser determinada com uma precisão de 1/3000. A tarefa do detector é determinar que um núcleo pesado o atingiu, registrar sua energia, velocidade e local de sua parada com alta precisão.

Esquema de operação do separador

Para testar a teoria da existência de uma "ilha de estabilidade", os cientistas observaram os produtos de decaimento do núcleo do 114º elemento. Se a teoria estiver correta, então os núcleos resultantes do 114º elemento devem ser resistentes à fissão espontânea e ser alfa radioativo, ou seja, emitir uma partícula alfa composta por dois prótons e dois nêutrons. Para uma reação envolvendo o 114º elemento, uma transição do 114º para o 112º deve ser observada. Então os núcleos da 112ª também sofrem decaimento alfa e passam para os núcleos da 110ª, e assim por diante. Além disso, o tempo de vida de um novo elemento deve ser várias ordens de grandeza maior do que o tempo de vida de núcleos mais leves. São precisamente esses eventos de longa duração, cuja existência foi prevista teoricamente, que os físicos de Dubna viram. Esta é uma indicação direta de que o 114º elemento já está experimentando a ação de forças estruturais que formam a ilha de estabilidade dos elementos superpesados.

Exemplos de cadeias de decaimento dos 114º e 116º elementos

No experimento de síntese do 116º elemento, uma substância única, cúrio-248, obtida em um poderoso reator do Instituto de Pesquisa de Reatores Atômicos da cidade de Dimitrovgrad, foi usada como alvo. Caso contrário, o experimento seguiu o mesmo esquema da busca pelo 114º elemento. A observação da cadeia de decaimento do elemento 116 foi mais uma prova da existência do elemento 114, desta vez foi obtido como resultado do decaimento de um pai mais pesado. No caso do 116º elemento, os dados experimentais também mostraram um aumento significativo no tempo de vida com o aumento do número de nêutrons no núcleo. Ou seja física moderna síntese de elementos pesados ​​chegou perto da fronteira da "ilha de estabilidade". Além disso, os elementos com números atômicos 108, 109 e 110 formados como resultado do decaimento do 116º elemento têm um tempo de vida calculado em minutos, o que permitirá estudar Propriedades quimicas essas substâncias pelos métodos da radioquímica moderna e verificar experimentalmente a natureza fundamental da lei de Mendeleev quanto à periodicidade das propriedades químicas dos elementos da tabela. Aplicado a elementos pesados pode-se supor que o 112º elemento tem as propriedades de cádmio e mercúrio, e o 114º - de estanho, chumbo, etc. Provavelmente, no topo da ilha de estabilidade, existem elementos superpesados ​​com vida útil de milhões de anos. Esse número não atinge a idade da Terra, mas ainda é possível a presença de elementos superpesados ​​na natureza, em nosso sistema solar, ou em raios cósmicos, ou seja, em outros sistemas de nossa galáxia. Mas até agora, experimentos para procurar elementos superpesados ​​"naturais" não foram bem sucedidos.

Atualmente, o JINR está preparando um experimento para buscar o 119º elemento da tabela periódica, e o Laboratório de Reações Nucleares é líder mundial na área de física de íons pesados ​​e na síntese de elementos superpesados.

Anna Maksimchuk,
Pesquisador, JINR,
especialmente para R&D.CNews.ru

Interessante, claro. Acontece que muitos outros elementos químicos e até quase estáveis ​​podem ser descobertos.

Surge a pergunta: qual é o significado prático de todo esse evento bastante caro para buscar novos elementos quase estáveis?

Parece que quando eles encontrarem uma maneira de produzir esses elementos, então isso será visto.

Mas algo já está sendo visto. Por exemplo, se alguém assistiu ao filme "Predador", o predador tem um dispositivo de autodestruição em uma pulseira no braço e a explosão é bastante poderosa. Então. Esses novos elementos químicos são semelhantes ao urânio-235, mas, ao mesmo tempo, a massa crítica pode ser calculada em gramas (neste caso, 1 grama dessa substância equivale à explosão de 10 toneladas de TNT - uma boa bomba a tamanho de apenas uma moeda de cinco copeques).

Então já faz muito sentido que os cientistas trabalhem duro, e o Estado não economize nas despesas.

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 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 divergências anteriores, os dois grupos em Berkeley e Dubna, competindo em competição científica, desta vez chegaram a um 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 ilha de sustentabilidade há muito esperada? 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 eles " 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.
Elementos "vivos" ainda superpesados ​​também devem ser revelados, com base no fato de que eles repetidamente emitem nêutrons. 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 fissuras espontâneas.
No entanto, depois que foi estabelecido que "natural" plutônio-244, que já foi parte integrante do nosso sistema solar, deixa vestígios completamente semelhantes, a interpretação começou a ser realizada com mais cuidado.