Fizika ekzoticheskih yader

Yu.E.Penionzhkevich
Moskovskii inzhenerno-fizicheskii institut

Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale , N 1, 1995 g. Soderzhanie

---

Sverhtyazhelye yadra

    Poslednii element, sushestvuyushii v prirode, - eto uran, zaryad kotorogo ili poryadkovyi nomer v periodicheskoi tablice D.I. Mendeleeva sostavlyaet 92. Vse elementy s Z > 92 sintezirovany iskusstvenno s ispol'zovaniem intensivnyh potokov neitronov ili puchkov uskorennyh tyazhelyh ionov. Neitronnyi metod sinteza novyh elementov, ispol'zuyushii potoki neitronov iz reaktorov ili yadernyh vzryvov, dal vozmozhnost' sintezirovat' novye elementy vplot' do fermiya (Z = 100). Metod etot osnovan na posledovatel'nom zahvate neitronov yadrami urana. Naprimer, yadro urana-238 pogloshaet neitrony, prevrashaetsya v yadro urana-239, kotoroe ispytyvaet elektronnyi raspad i prevrashaetsya v yadro 93-go elementa - neptuniya-239. Esli obluchenie v reaktore provoditsya dostatochno dlitel'noe vremya (god ili bolee), to za eto vremya v obrazce nakopyatsya yadra ne tol'ko neptuniya, no i sleduyushih za nim elementov. Naprimer, neptunii-239 mozhet v rezul'tate elektronnogo raspada prevratit'sya v 94-i element - plutonii-239. Zatem yadro etogo elementa zahvatyvaet dva neitrona, posle chego plutonii-241 ispytyvaet elektronnyi raspad i prevrashaetsya v yadro 96-go elementa - americiya i t.d. Odnako yadra tyazhelee 100-go elementa - fermiya neitronnym metodom sintezirovat' ne udalos'. Principial'noe ogranichenie na sintez novyh elementov takim sposobom svyazano s sushestvovaniem drugih tipov raspada v cepochke obrazuyushihsya yader, naprimer, spontannogo deleniya, kotoroe razryvaet cepochku yader, obrazuyushihsya posle zahvata neitronov. Vosem' elementov, zavershayushih pervuyu sotnyu periodicheskoi tablicy, byli otkryty amerikanskimi uchenymi s ispol'zovaniem neitronnogo metoda.

    Dal'neishee prodvizhenie v oblast' transfermievyh elementov stalo vozmozhnym lish' s poyavleniem uskoritelei tyazhelyh ionov. Pri sliyanii dvuh yader mozhet obrazovat'sya novoe yadro s zaryadom, ravnym summe zaryadov dvuh yader. Eti tak nazyvaemye reakcii polnogo sliyaniya, o kotoryh govorilos' vyshe, byli uspeshno realizovany na uskoritelyah tyazhelyh ionov. I pochti odnovremenno v Rossii (v Dubne) i v Amerike (v Berkli) v pyatidesyatye gody byl nachat sintez novyh transfermievyh elementov v reakciyah s tyazhelymi ionami. Pozdnee v eti raboty vklyuchilis' nemeckie issledovateli iz Darmshtadta. Postroennyi v Dubne v 1961 godu v Laboratorii yadernyh reakcii, vozglavlyaemoi akademikom G.N.Flerovym, ciklotron yavlyalsya po svoim harakteristikam rekordnym uskoritelem. Na etom ciklotrone byli polucheny samye intensivnye v mire puchki uskorennyh tyazhelyh ionov. Uzhe pozzhe, v vos'midesyatye gody v etoi zhe Laboratorii byl postroen bolee moshnyi ciklotron U-400. Takim obrazom, tri laboratorii mira - v Dubne, Berkli i Darmshtadte aktivno zanyalis' sintezom elementov "vtoroi sotni" s ispol'zovaniem reakcii s tyazhelymi ionami. Eksperimenty byli chrezvychaino slozhnymi. Iz milliardov obrazuyushihsya yader novogo elementa vyzhivalo lish' odno. Vse ostal'nye bystro raspadalis' putem deleniya na dva oskolka, ispuskaniya neitronov i zaryazhennyh chastic. Krome etogo, novye transfermievye yadra imeli vremya zhizni poryadka sekund (dlya Z = 101-103) i ono katastroficheski umen'shalos' s uvelicheniem poryadkovogo nomera elementa (sm. ris. 4). Istoriya otkrytiya kazhdogo elementa horosho opisana v knige "Populyarnaya bibliotechka himicheskih elementov". Poetomu ne ostanavlivayas' na opisanii etih zahvatyvayushih, a poroi i dramaticheskih issledovanii, hotelos' by rasskazat' lish' o poslednih rabotah v etoi oblasti, davshih sushestvennyi tolchok dlya dal'neishego prodvizheniya v oblast' sverhtyazhelyh elementov s Z = 110-114.
    Eshe v 1966 godu sovetskim teoretikom V.M. Strutinskim bylo predskazano sil'noe uvelichenie stabil'nosti (vremeni zhizni) yader vblizi magicheskih chisel 114 dlya protonov i 184 dlya neitronov (114-i element s chislom neitronov 184). Eti predskazaniya osnovyvalis' na obolochechnoi modeli, v kotoroi yadro rassmatrivaetsya kak ryad posledovatel'no zapolnyaemyh protonnyh i neitronnyh obolochek. Yadra s zamknutymi obolochkami, imeyushimi chislo protonov ili neitronov 2, 8, 20, 50, 82, 126, otlichayutsya ot svoih sosedei povyshennoi stabil'nost'yu. Poslednim izvestnym dvazhdy magicheskim yadrom yavlyaetsya izotop svinca-208 (82 protona i 126 neitronov). Kak pokazali teoreticheskie raschety, magicheskimi chislami yavlyayutsya takzhe 114 dlya protonov i 184 dlya neitronov. Izotopy vblizi sleduyushego za svincom-208 dvazhdy magicheskogo yadra 114-298 dolzhny obladat' povyshennoi stabil'nost'yu i imenno zdes' mozhno ozhidat' novogo uvelicheniya vremeni zhizni sverhtyazhelyh elementov.
    Poiski sverhtyazhelyh elementov velis' bolee desyatka let. Ih iskali dazhe v prirodnyh i kosmicheskih ob'ektah, nadeyas', chto ih vremya zhizni sostavlyaet milliony let (teoreticheskie raschety ne otricayut sushestvovaniya stol' dolgozhivushih yader). Odnako tol'ko v 1994 godu byl sdelan znachitel'nyi shag, dayushii fizikam nadezhdu, chto oni blizki k otkrytiyu novoi oblasti stabil'nosti sverhtyazhelyh yader. Pochti odnovremenno v Dubne i Darmshtadte byli provedeny eksperimenty po sintezu 110-go elementa. V Darmshtadte ispol'zovalas' reakciya tak nazyvaemogo "holodnogo sinteza". Etot metod sinteza byl predlozhen v Dubne v 1973 godu chl. kor. RAN Yu.C. Oganesyanom i zaklyuchalsya v tom, chto dlya polucheniya novyh yader v kachestve yader misheni i bombardiruyushih yader ispol'zuyut magicheskie yadra. Eti yadra obladayut povyshennoi stabil'nost'yu, potomu chto nuklony v nih svyazany osobenno prochno. Pri sliyanii takih yader bol'shaya chast' izbytochnoi energii bombardiruyushego yadra rashoduetsya na "raspakovku" sostavnogo yadra, a na ego nagrevanie idet lish' malaya chast'. V reakcii obrazuyutsya "holodnye" sostavnye yadra. V otlichie ot "goryachih", "holodnye" yadra "ostyvayut" putem ispareniya ne chetyreh ili pyati, a tol'ko odnogo ili dvuh neitronov. V etom sluchae kolichestvo yader, "vyzhivshih" v konkurencii s deleniem obrazovavshegosya tyazhelogo yadra, uvelichivaetsya v 100-1000 raz.
    V Darmshtadte mishen' iz svinca-208 obluchalas' yadrami nikelya-62, chto privodilo k obrazovaniyu NO elementa s chislom neitronov - 159. V Dubne ispol'zovalas' reakciya "goryachego" sliyaniya, v kotoroi mishen' iz plutoniya-244 obluchalas' yadrami sery-34. Etot eksperiment provodilsya na uskoritele v Dubne sovmestno s Livermorskoi laboratoriei (SShA), kotoraya predostavila dlya eksperimentov plutonievuyu mishen' vysokogo kachestva. V eksperimentah bylo zaregistrirovano neskol'ko atomov NO elementa s chislom neitronov 163. Ocenennyi po etim neskol'kim nablyudeniyam period poluraspada pokazal, chto on gorazdo vyshe togo, chto mozhno bylo ozhidat' iz ekstrapolyacii svoistv yader s Z = 100-104. Na ris.4 eti znacheniya predstavleny v obshei sistematike vremeni zhizni dlya spontannogo deleniya. Vidno znachitel'noe uvelichenie stabil'nosti tyazhelyh izotopov 106,108 i 110-go elementov vblizi chisla neitronov, ravnogo 162. Fiziki schitayut, chto eto obuslovleno sushestvovaniem eshe odnoi neitronnoi obolochki, svyazannoi s deformaciei yadra. Takim obrazom, byl osushestvlen vyhod na novuyu oblast' stabil'nosti i okonchatel'nym otvetom na vopros o ee sushestvovanii budet sintez 114 elementa. Eksperimenty v etom napravlenii gotovyatsya v Dubne i Darmshtadte.
    Mezhdu tem Mezhdunarodnyi Soyuz chistoi i prikladnoi himii tri goda nazad sozdal special'nuyu mezhdunarodnuyu komissiyu, kotoraya rassmotrela vopros o prioritete v otkrytii transfermievyh elementov i sdelala predlozheniya otnositel'no ih naimenovanii. Do etogo kazhdaya gruppa fizikov davala svoi nazvaniya vnov' otkrytym himicheskim elementam. Komissiya predlozhila sleduyushie nazvaniya i simvoly: Element Nazvanie Simvol

Eti nazvaniya eshe podlezhat utverzhdeniyu general'noi assambleei Mezhdunarodnogo soyuza chistoi i prikladnoi himii. No uzhe seichas yasno, chto zaslugi fizikov Dubny v otkrytii novyh elementov priznany - 104-i element predlagaetsya nazvat' Dubniem.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: yadernaya fizika Publikacii so slovami: yadernaya fizika
Sm. takzhe: 115-i element - preddverie "ostrova stabil'nosti"? Vodorod 7H Teoreticheskaya gruppa astrofiziki, yadernoi fiziki i fiziki chastic Bazel'skogo Universiteta (The Theoretical Astro-, Nuclear- and Particle Physics Group, University of Basel)