Centauri'den Muscovy. Kurşun ve bizmut en ağır kararlı elementlerdir.

Peter Armbruster, Gottfried Münzerberg

İnce kuantum mekaniği etkileri, doğada var olan çekirdeklerden çok daha ağır olan çekirdekleri stabilize eder. Deneyciler, bu tür süper ağır elementleri en iyi nasıl sentezleyeceklerini yeniden düşünmek zorunda kaldılar.

Sırasında Son 20 yılda, dünyanın birçok ülkesinde fizikçilerin dikkatini süper elde etme sorunu çekmiştir. ağır elementler. Darmstadt'ta Ağır İyon Araştırma Enstitüsü'nde (HSI), 107, 108 ve 109 numaralı elementlerin çekirdeklerini sentezleyerek bazı ilerlemeler kaydettik. ve ağır elementlerin tanımlanması.

Çekirdek kütlelerinin deneysel ölçümleri ve teorik analiz, bu yeni elementlerin kararlılığının, daha hafif çekirdeklerin kararlılığını belirleyen makroskopik özelliklerden değil, öncelikle proton ve nötron sistemlerinin mikro yapısından kaynaklandığını göstermektedir. Ancak, 114'e kadar olan unsurların ulaşılabilir göründüğü 60'ların sonlarında belirlenen hedeflere ulaşılmasını hala zorlaştıran sorunlarla karşılaştık. Bu zorlukların üstesinden gelerek, nükleer yapı ve nükleer füzyon reaksiyonlarının dinamiklerini incelemede ilerledik.

Nükleosentez uzun bir yol kat etti erken periyot Doğada olmayan elementlerin nükleer reaktörlerde elde edilmesi. Fizikçiler, hedef atomları bombalamak için her zamankinden daha ağır hızlandırılmış iyonlar kullandılar. Bu gelişmedeki son adım, yeni oluşan çekirdeklerin uyarılmasının minimum düzeyde olması için parçacıkların kütlelerinin ve bombardıman enerjisinin dikkatlice belirlenmesi gereken çekirdeklerin "soğuk füzyonu" yöntemiydi.

Çalışmamız sırasında, süper ağır elementlerin sentezi hakkındaki ilk fikirlerin neredeyse tamamı gözden geçirilmek zorunda kaldı: sentezlenebilen elementlerin çekirdekleri, 1966'da öne sürüldüğü gibi deforme olmuş, havasız. Füzyon için kararlı, yaygın kullandık. Doğada, daha önce varsayıldığı gibi, en ağır yapay çekirdekler ve buna uygun olarak seçilmiş hafif hızlandırılmış iyonlar yerine küresel çekirdekler ve orta kütleli hızlandırılmış iyonlar. Füzyon, mümkün olan en düşük bombardıman enerjisinde - mümkün olduğunca "yumuşak", daha önce inanıldığı gibi füzyon sürecine katkıda bulunan aşırı etkileşim enerjisi şeklinde "kaba kuvvet" kullanılmadan gerçekleşmelidir.

sentez fikri uranyumötesi elementler (atom numarası 92'nin üzerinde olan) 30'larda ortaya çıktı. 1934'te Enrico Fermi, beta bozunmasından (bir nötronun bir proton ve bir elektrona bozunması) sonra kurşun elde etmek için talyumu yavaş nötronlarla bombaladı. Nötron yakalama ve ardından gelen beta bozunmasının bir sonucu olarak, orijinal atom numaralarından bir daha yüksek olan elementler oluştu.

1940 ile 1950'lerin ortaları arasında, 93, 94, 99 ve 100 numaralı elementler nötron ışınlaması ile üretildi. 100 numaralı element olan Fermium'un, nötron yakalama ve beta ile elde edilebilecek bir dizi elementin sonuncusu olması tesadüf değil. Fermi tarafından önerilen bozunma: izotoplarının hiçbiri beta bozunmasına uğramaz. Aynı dönemde, 95'ten 98'e ve 101'e kadar olan elementler, alfa parçacıkları ile ışınlanarak elde edildi. Bu süreçte, ağır çekirdek iki protonu ve iki nötronu soğurur; bu durumda atom numarası aynı anda iki birim artar. Tüm ağır elementler gibi, transuranyum elementleri de protonlardan daha fazla nötron içerir; örneğin, plütonyum (element 94), toplam 239 kütle için 145 nötron içerir; en uzun ömürlü fermiyum izotopu, toplam 257 kütle için 157 nötrona sahiptir.

100'ün üzerinde element elde etmenin doğal yolu, en ağır elementlerin çekirdeklerinin helyumdan daha fazla proton ve nötron içeren hafif elementlerin çekirdekleriyle füzyonu olarak kabul edildi. 99'a kadar olan elementler mevcuttur, çünkü bunlar ağır makroskobik miktarlarda sentezlenebilirler. Berkeley (ABD) ve Dubna'da (SSCB), çekirdeklerin kaynaşmasını engelleyen elektrostatik kuvvetlerin üstesinden gelmeye yetecek enerjiye sahip ağır iyonlar üretmek için hızlandırıcılar inşa edildi. 1958 ile 1974 arasında bu ağır iyon hızlandırıcılar, 102'den 106'ya kadar element sentezlemeyi mümkün kıldı. Bu elementleri keşfetmenin önceliği ve dolayısıyla onlara isim verme hakkı hala tartışma konusu.

Berkeley ve Dubna'da başarıyla uygulanan yöntemler, 100'üncü yüzyıldan daha ağır elementlerin elde edilmesinde etkisiz kaldı. Süper ağır elementleri sentezlemenin neden bu kadar zor olduğunu ve neden bazılarının özellikle kararlı olabileceğini anlamak için, çekirdeklerin nasıl bir arada tutulduğunu veya parçalandığını ve çeşitli kuvvetlerin nasıl dengelendiğini anlamak gerekir. kararlılıklarını belirleyen, artan kütle ile değişir. Daha hafif çekirdekler için ihmal edilebilecek etkiler, tam kararsızlık ile süper ağır çekirdeklerin nispeten uzun ömürleri arasındaki farkı belirler.

Tüm çekirdekler için özellikle önemli olan, hem protonları hem de nötronları çeken güçlü nükleer kuvvetler ile protonları iten elektrostatik kuvvetler arasındaki ilişkidir. Çekirdekler ne kadar ağırsa, o kadar çok nötron içerirler, bu da protonlar arasındaki itici kuvvetlerin etkisini bir dereceye kadar telafi eder. Bununla birlikte, nükleonlar arasındaki bağlanma kuvveti, periyodik tablo boyunca yolun dörtte birinden daha azına karşılık gelen demirde (26 proton ve 30 nötron) zirve yapar ve sonra azalır.

Demirden daha ağır herhangi bir çekirdeğin bölünmesine enerjinin salınması eşlik etmelidir, ancak kurşundan daha az kütleli çekirdeklerin bölünmesi için gereken enerji o kadar büyüktür ki, böyle bir reaksiyon ancak özel koşullar altında gerçekleştirilebilir. Çekirdekler kurşundan daha ağır olduğundan ve nükleonlarının küçük bir kısmını bile yayarak daha kararlı hale gelebildikleri için kararsızdırlar. Toryum ve uranyumun doğal olarak oluşan izotopları, esas olarak alfa parçacıkları yayarak bozunur. Sadece uranyum ve daha ağır elementlerde uyarılmamış çekirdekler kendiliğinden fisyona uğrayabilir.

Temel olarak, artan atom numarası (çekirdekteki proton sayısı) ile kararsızlık atom çekirdeği artar: yarı ömürleri birkaç bin yıldan saniyenin milyonda birine düşer. Bununla birlikte, çekirdeğin yapısı teorisinden, şimdiye kadar elde edilenlerden sadece biraz daha ağır olan elementlerin daha az değil, daha kararlı olacağı sonucu çıkar.

Belirli nötron ve proton kombinasyonlarına sahip çekirdekler, özellikle yüksek bağlanma enerjilerine sahiptir; helyum-4, oksijen-16, kalsiyum-40, kalsiyum-48 ve kurşun-208, komşu elementlere kıyasla çok kararlıdır. Bu büyük değerler, elektronların çekirdeğin etrafında bulunduğu kabukların nükleer eşdeğeri olan kabuk yapısından kaynaklanmaktadır. Tamamen dolu (kapalı) kabuklar oluşturan nükleon konfigürasyonları özellikle kararlıdır. Kurşun için kabuk yapısı, yapıdan yoksun ve aynı sayıda nötron ve protona sahip varsayımsal bir nükleer damlaya kıyasla çekirdeğin bağlanma enerjisinde 11 milyon elektron volt (MeV) artışa katkıda bulunur. Bağlanma enerjileri 2 milyar eV'ye kadar olan çoğu çekirdek için, böyle bir artış nispeten önemsizdir. Bununla birlikte, kararlılık sınırında olan en ağır elementler için, "kabuk stabilizasyonu", anlık bozulma ile çekirdeğin nispeten uzun süre varlığı arasında bir farka yol açabilir.

Kapalı nötron ve proton kabuklarına sahip çekirdekler özellikle kararlıdır; kurşundan sonra, bu tür kabuklar 114 proton ve 184 nötronda görünür. Kabuk teorisinin hafif çekirdeklerin bağlanma enerjilerini tahmin etmedeki başarısı, kütleleri 298'e yakın olan çekirdeklerin, uranyum ve toryum gibi, nispeten kararlı elementlerden oluşan bir bölge oluşturabilecek kadar güçlü bir şekilde kararlı hale gelebileceği umudunu doğurdu. Uranyum-toryum bölgesindeki elementlerin aksine, kabukla stabilize edilmiş bu tür süper ağır elementler, homojen nükleer madde damlaları olarak kararsız olmalıdır.

Fermi'nin öne sürdüğü gibi, özellikleri aşınmaya karşılık gelmesi gereken, kabuğa sabitlenmiş süper ağır elementlerin ilki, 107, bu tahminden 47 yıl sonra, 1981'de Darmstadt'ta tanımlandı.

Daha sonra 108 ve 109 numaralı elementleri elde edip tanımladık. Bağlanma enerjilerinin ölçümleri, süper ağır elementlerin bölgesine çoktan girdiğimizi gösteriyor. Şu anda daha ağır elementlerin üretimini engelleyen sınırlamaları araştırıyoruz.

Ağır elementlerin sentezi Füzyon reaksiyonlarında, deneycinin, füzyonun meydana gelmediği bombardıman yöntemleri ile ürün çekirdeğini nispeten kararlı bir durumda bırakmak yerine bölünmesine yol açan yöntemler arasındaki "ince çizgide yürüyebilmesini" gerektirir. . Yeni oluşan çekirdeğin ısınmasındaki azalma, ağır hedeflerin nispeten hafif iyonlarla bombardımanından, daha az kütleli hedeflerin nispeten daha ağır iyonlarla bombardımanına geçişin (Yu.Ts. Oganesyan ve onun arkadaşları tarafından başlatılan bir geçiş) en önemli nedenidir. Dubna'daki Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'nden meslektaşları).

Örneğin, kurşun-208 veya bizmut-209, krom-54 veya demir-58 ile kaynaştığında, yeni bir çekirdeğin uyarma enerjisi yaklaşık 20 MeV'dir. Aynı zamanda, ağır aktinit hedeflerinin (californium-249, berkelium-249 veya küriyum-248) karbon-12, nitrojen-15 veya oksijen-18 ile füzyonu, yaklaşık 45 MeV'lik bir uyarma enerjisi ile sonuçlanır.

Işık iyonları ve isactinide hedefleri kullanılarak oluşturulan bir çekirdek, dört nötron yayarak soğur. Buna karşılık, kurşun veya bizmut ve daha ağır iyonlardan oluşan bir çekirdek soğur ve yalnızca bir nötron yayar. Çekirdeğin bir nötron yayınlayarak soğuma olasılığı, parçalanma olasılığının yalnızca yüzde birkaçı olduğundan, nihai çıktı süper ağır çekirdekler, nötron emisyon kaskadının her aşamasında önemli ölçüde azaltılır. Tek nötron gevşeme mekanizması, yeni oluşan bir çekirdeğin korunması için çok daha uygundur.

Ne yazık ki, soğuk füzyonun da bir dezavantajı vardır: bu durumda, iki çekirdek arasındaki elektrostatik itici kuvvetler, füzyonlarını büyük ölçüde engeller. İki çekirdek yaklaştığında, kinetik enerjilerinin bir kısmı, çarpışan çekirdeklerin ara sisteminin uyarma enerjisine dönüştürülür ve bu nedenle füzyon bariyerini aşmak için kullanılamaz, bu da füzyon olasılığını azaltır. Daha ağır iyonların kullanıldığı bir soğuk füzyon durumunda, füzyon bariyerine yaklaşma ve geçiş sürecinde daha fazla kinetik enerji dönüştürülür ve bu bariyeri aşma olasılığı, hafif iyonlar ile en ağır hedefler arasındaki reaksiyonlara kıyasla azalır.

Bu kayıpları telafi etmek için, artırın ilk enerji uyarma enerjisi artacak ve oluşan çekirdek sayısı azalacaktır. Sonuç olarak sadece 106. element soğuk füzyon yönteminin avantajlarını göstermektedir.

Ağır elementlerin oluşumu için maksimum kesitlerin, füzyon bariyerinin yaklaşık 5 MeB üzerinde, dar bir enerji aralığında olduğunu gösterdik.

Süre Süper ağır çekirdek elde etme teorisi kendi içinde çok ilginç olabilir, ancak pratikte bu çok daha zor bir iştir. Teorik hesaplamalar, hızlandırıcı ve hedef tasarımı ile birleştirilmesi ve süper ağır bir çekirdeğin varlığını sentezlendiği anda tespit edebilen bir detektör sisteminin geliştirilmesi ile birleştirilmelidir. 1960'ların sonunda süper ağır elementler üretme fikri fizikçilerin ve kimyagerlerin hayal gücünü ele geçirdiğinde, FRG'de hiç kimsenin nükleosentez konusunda herhangi bir deneyimi yoktu. Bu alanda yeni başlayanlar için birçok "kapı" açıldı. Berkeley ve Dubna'daki daha önceki deneylerden çok şey öğrenilebilirdi, ancak bu çalışmaları kopyalayarak daha fazla ilerleme kaydedilemeyeceği açıktı. Bir ağır iyon hızlandırıcıya, yeni elementleri izole etmek için hızlı ayırma yöntemlerine ve bunların tanımlanması için uygun bir tekniğe ihtiyaç vardı. Ne tür tepkiler başarıya götürür sorusunun da yanıtı yoktu.

1969'da Alman hükümeti, Hessen eyalet hükümeti ile birlikte Darmstadt'ta ağır iyon araştırmaları için yeni bir enstitünün (Heavy Ion Research Society, Gays) kurulmasına fon sağlamaya karar verdi. Eşcinsel deneylerinin yürütüldüğü Evrensel Doğrusal Hızlandırıcı (UNILAC), 1975 yılında faaliyete geçti.

UNILAC, uranyum dahil olmak üzere tüm iyonları Coulomb bariyerini aşan enerjilere hızlandırabilir. En başından beri, bu kurulum mümkün olan en yoğun iyon ışınlarını üretmek için tasarlandı. İyon enerjisinin düzgün bir şekilde değiştirilebilmesini ve yeterince iyi tekrar üretilebilirlikle belirli bir seviyeye ayarlanabilmesini sağlamak için özel çaba gösterildi. Başlangıçta, hızlandırıcı projesi K. Schmelzer ve işbirlikçileri tarafından Heidelberg'de geliştirildi. Diğer bilimsel grupların edindiği deneyim dikkate alındı: İyon kaynakları, yüksek yüklü iyonlar üretmek için Dubna'da kullanılan kaynakların bir modifikasyonuydu ve Berkeley'de geliştirilen Alvarez sistemi, lineer bir hızlandırıcının yüksek frekanslı sisteminde kullanıldı.

UNILAC kurulduğunda, birçok bilim adamına şu soru soruldu: hızlandırıcıyı kullanmanın en iyi yolu nedir? Hangi reaksiyonlar ve hangi deneysel yöntemler kullanılmalıdır? UNILAC, varlığının ilk döneminde çok çeşitli fikirleri test etmek için kullanıldı, ancak başarılı olduğu ortaya çıkan tek strateji, geri tepme çekirdeklerinin (füzyon ürünleri) taşınmasıyla birlikte soğuk füzyon oldu.

Dan beri 1941'de plütonyumun keşfi, bu elementten yaklaşık 400 ton sentezlendi, bu da 10 30 atoma karşılık geliyor. Öte yandan, 109. elementin sadece birkaç atomu elde edildi ve tanımlandı. En ağır elementler neden bu kadar küçük miktarlarda elde ediliyor? Cevap şudur: plütonyum üretmek için, tonlarca nötron birkaç santimetre veya daha kalın uranyum-238 bloklarını bombalarken, UNILAC'ta sadece 100 mikrogram demir-58 hızlandırılarak birkaç yüz nanometre kalınlığındaki bir kurşun-208 hedefini bombalar. Ek olarak, plütonyum-239'u üreten nötron yakalama reaksiyonunun kesiti, element 109'u üreten füzyon reaksiyonunun kesitinden yaklaşık 10 trilyon kat daha büyüktür.

Daha ağır elementleri elde etmedeki zorluklar, sorunun sadece bir parçasıdır. Sentezlenirken, 109 gibi elementler o kadar hızlı bozulur ki, sentez bozunmaya "uyum sağlamaz". En ağır elementler o kadar kısa ömürlüdür ki, ışınlamanın sonunda oluşan tüm atomlar zaten çürümüştür. Bu nedenle, bu atomların üretimleri sırasında tespit edilmesi ve tanımlanması gerekir.

106'ya kadar olan elementleri elde etme ve tespit etme yöntemleri, esas olarak, oluşan atomları reaksiyon bölgesinden dedektörlere taşıyan mekanik araçlara dayanıyordu. Reaksiyon ürünlerinin oluşumu ve saptanması arasındaki taşıma süresi, gaz akışındaki aktarım hızları, katı yüzeylerden yayılma süreleri veya dönen hedeflerin hızı ile belirlendi. Ancak bu yöntemler, 106'dan daha ağır elementleri algılamak için yeterince iyi değildi ve algılama hızı ile doğruluk arasında kabul edilemez bir seçim yapmaya zorladı. hızlı yöntemler, yeni izotopları güvenilir bir şekilde tanımlamanın imkansız olduğu kanıtlandı.

Ortaya çıkan çekirdekleri dedektörlere taşımak için, reaksiyon ürünlerinin ağır iyonlardan elde ettiği geri tepme hızının kullanımına dayalı bir teknik seçtik. Ağır bir iyon hedef atomla çarpıştığında ve onunla kaynaştığında, ortaya çıkan çekirdek, ışık hızının yaklaşık yüzde birkaçı kadar bir hızla iyonun orijinal hareketi yönünde hareket eder. Sonuç olarak, yarılanma ömrü 100 ns'ye kadar olan çekirdekler tespit edilebilir.

Geri tepme çekirdeklerini taşıma tekniği çok kısa ömürlü çekirdekleri tespit etmeyi ve tanımlamayı mümkün kılsa da, bu durumda tespit tekniği daha karmaşık hale gelir. Reaksiyon bölgesinden, sadece füzyon reaksiyonunda oluşan bireysel çekirdekler değil, aynı zamanda trilyonlarca ağır iyon ve ayrıca hedeften atılan binlerce atom, reaksiyon bölgesini yüksek bir hızla terk eder. Süper ağır çekirdekleri kalıntı ışından ayırmak için, Giessen Üniversitesi İkinci Fizik Enstitüsünden uzmanlarla ortaklaşa geliştirilen Ağır İyon Reaksiyon Ürünleri için Ayırıcı (SHIP) adlı özel bir hız filtresi oluşturduk. Çekirdeklerin çarpışma ve füzyon kinematiğine dayanarak, füzyon ürünlerinin geri tepme oranı önceden hesaplanabilir. Bu nedenle, nispeten doğrudan bir şekilde izole edilebilirler.

Hız filtresi, her biri hem elektrik hem de manyetik alanları içeren iki aşamadan oluşur. Bu iki alan, yüklü parçacıkları zıt yönlerde saptırır; sadece belirli bir hıza sahip bir çekirdek için, alanların etkisi karşılıklı olarak dışlanır ve kurulumun medyan düzleminde hareket etmeye devam eder. Böyle bir tandem filtre, algılama bölgesine düşen hızlandırılmış iyonların sayısını 100 milyar kat ve devre dışı bırakılan hedef çekirdeklerin sayısını 1000 kat azaltır. Işındaki neredeyse tüm istenmeyen parçacıkları hariç tutan SHIP spektrometresi, 40.070'den fazla füzyon ürününden geçer. Spektrometrenin arkasında bulunan detektörler, spektrometreden geçen parçacıkların bozunma zincirlerini kaydeder, bu da füzyon ürünlerini benzersiz bir şekilde tanımlamayı mümkün kılar.

Tespit sisteminin ilk elemanı, parçacık hızını üçüncü kez ölçmeyi mümkün kılan bir uçuş süresi cihazıdır (ilk iki ölçüm, hız filtresi ilkesine dayanmaktadır). Parçacık, bu cihazdan geçtikten sonra, enerjisini ve çarpma yerini kaydeden, konuma duyarlı silikon yüzey bariyeri dedektörlerine implante edilir. Uçuş süresi ve enerjinin kombinasyonu, parçacığın kütlesini yaklaşık olarak belirlemeyi mümkün kıldığından, füzyon ürünlerini saçılan iyonlardan ve nakavt edilmiş hedef çekirdeklerden ayırt etmek mümkündür.

Bir çekirdeği güvenilir bir şekilde tanımlamak için yine de onun bozunması ile radyoaktif yavru ürünlerinin bozunması arasında bir ilişki kurmak gerekir. Aynı çekirdeğin aynı uzamsal koordinatlara sahip olması nedeniyle bozunma hareket eder ve yavru çekirdeklerin türü, enerjisi ve yarı ömrü önceki ölçümlerden bilinir.

Bu tür ilişkili bozunma olaylarını kurarak, her bir füzyon ürünü çekirdeğini benzersiz bir şekilde tanımlamak mümkündür. İncelenmekte olan füzyon ürünüyle aynı noktaya çarpan rastgele bir çekirdek bozunabilir ve uzamsal olarak ilişkili bir sinyal üretebilse de, bozunma enerjisinin, yarı ömrünün ve bozunma tipinin füzyon ürünü için beklenenlerle eşleşmesi pek olası değildir. Dördüncü nesle kadar bu tür bozulma zincirlerini gözlemledik; bu tür ilişkili olaylar dizisinin rastgele olma olasılığı 10-15 ila 10-18 arasındadır. İncelenen izotop nedeniyle ilişkili olaylar günde bir kez gözlemlenirse, dört kuşak bozunma olayını simüle eden olayların rastgele oluşumu, Dünya'nın yaşından 100 kat daha uzun bir süre için beklenebilir. Sonuç olarak, tek bir olay bile belirli bir süper ağır izotopun varlığını açık bir şekilde gösterebilir.

Arasında 1981 ve 1986 meslektaşlarımız P. Hessberger, Z. Hofmann, M. Leino, W. Reisdorf ve K.-H. Schmidt'e göre, 107 109 elementlerinin sentezi ve tanımlanması için UNILAC, SHIP ve tespit sistemini kullandık. Bu deneylerde, 104 109 elementlerinin 14 izotopu (beşi önceden biliniyordu) ve ayrıca iki element izotopu daha sentezlendi. Sırasıyla 261 ve 264 kütle numaralı 107 ve 108.

1981 yılında bizmut 209'u krom-54 iyonları ile bombardıman ederek 262 kütle numaralı 107. elementin izotopunu elde ettik. 107 elementinin tek-tek izotopu için (tek sayıda hem proton hem de nötron içeren), nükleer enerji seviyeleri hakkında bir fikir veren beş alfa parçacık enerjisi belirledik; bu izotopun bir izomere (uzun ömürlü uyarılmış hal) sahip olduğunu da bildirebiliriz.

Element 109, demir-58 ve bizmut-209 arasındaki bir reaksiyonda 29 Ağustos 1982'de saat 16:10'da kaydedilen tek bir bozunma zincirinin gözlemlenmesine dayanarak tanımlandı. 266 109 çekirdeği, 11.1 MeV enerjiye sahip bir alfa parçacığı yaymadan önce 5 ms boyunca var oldu; 107. elementin ortaya çıkan çekirdeği 22 ms sonra 105. elemente bozundu; 105. element, 104. elemente, ardından 12.9'dan sonra çekirdeğinin kendiliğinden bölünmesiyle bozundu. Bu tek olaydan, sınırlı doğrulukla da olsa bozunma enerjisi, yarı ömür ve reaksiyon kesitini belirlemek mümkün oldu. 100. elementin tanımlanmasından altı yıl sonra, 1988'in başında iki bozunma zinciri daha gözlemlendi. 1982'de kaydedilen olayın yorumunu doğruladılar.

1984 yılında demir-58 ve kurşun-208 arasındaki reaksiyonda izotop 265 108 için üç bozunma zinciri belirledik. 107 ve 109 numaralı elementlerin tanımlanmış iki izotopu tek-tektir ve bölünme olasılıkları büyük ölçüde azalır, ancak 108 numaralı elementin izotopunun çift sayıda protonu ve tek sayıda nötronu vardır. Çift-tek izotopların bölünme olasılığı daha yüksek olsa da, 265108 izotopu da alfa bozunmasına uğrar.

107–109 elementlerinin izotoplarının hiçbirinin kendiliğinden fisyona uğramaması ve tüm çift-çift izotoplar 265104, 260106 ve 264108'in spontan fisyona göre yaklaşık olarak aynı kararlılığa sahip olması özellikle ilginçtir.

Yaklaşık sabit kararlılık düzeyi, çekirdeklerin kütlesi arttıkça dengeleyici kabuk etkilerinin kararlılıktaki genel düşüşle nasıl rekabet ettiğini gösterir.

104. ve 105. sıraların arkasında elementler, alfa parçacıkları tarafından yayıldığında daha hafif elementlerin bilinen izotoplarını oluşturmak üzere bozunan küçük bir çekirdek "adası" içerir. Bu tür alfa bozunma eylemleri, bu süper ağır elementlerin bağlanma enerjisini belirlemeyi mümkün kılar. Yavru çekirdeğin bağlanma enerjisi biliniyorsa, her aşamada alfa bozunma enerjisi ana çekirdeğin bağlanma enerjisini hesaplamak için kullanılabilir. Nihai ürünün bağlanma enerjisi biliniyorsa, alfa bozunma olayları zinciri, zincirin ilk çekirdeğinin bağlanma enerjilerine yol açabilir. 108. ve 100. elementlerin (her durumda bir olay) ve 106. elementin (birkaç olaya göre) bozunması kaydedildiğinden, 264 108 260 106 256 104 252 102 zincirini yeniden oluşturmak mümkündür. çekirdekler sırasıyla 120, 106 ve 94 MeV'dir.

Bağlanma enerjisine yönelik kabuk düzeltmesi, alfa bozunma süreciyle bağlanan uranyum-232'den 264 108'e kadar tüm izotoplar için kademeli olarak artar; karşılık gelen değerler 1-2'den 6-7 MeV'ye yükselir. Aslında, uranyumdan 108. elemente kadar tüm elementler eşit derecede yüksek fisyon bariyerlerine sahiptir - yaklaşık 6 MeV. Hala bir nükleer damla olarak kararlı olan uranyumun aksine, 100. ve 108. elementlerin kararlılığı tamamen çok parçacıklı fermiyonik sistemlerinin kuantum mekanik yapısından kaynaklanmaktadır. Son teorik çalışma, ölçümlerimizle tutarlı olan fisyon engellerini tahmin ediyor.

Bölünmeye göre bir elemanın ömrü, öncelikle bölme engelinin yüksekliği ve genişliği ile belirlenir. Kabuk düzeltmeleri, 106. ve 108. öğelerin ömürlerini 15 kat artırır. Logaritmik bir ölçekte, gözlemlenen yaşam süreleri, nükleer uygun zaman (bağsız bir nükleon sisteminin bozunması için yaklaşık 10-21 s) ile Evrenin yaşı (10 18 s) arasındaki aralığın ortasındadır. Yeni elementler, yalnızca insan yaşam süresi (2.10 9 s) ile karşılaştırıldığında kararsızdır. Bu ölçekte istikrarlı olmak için, yaşam süreleri 12 kat artmalıdır. Bununla birlikte, nükleer fizik insan zaman ölçeğine dayanmaz.

bizim tarafımızdan keşfedildi Alfa radyoaktif izotopların "adası", kabuk etkileri nedeniyle stabilizasyonlarının doğrudan bir sonucudur. Böylece, 1960'ların sonunda tahmin edilen 114 numaralı elementin yakınındaki küresel süper ağır çekirdeklerin stabilizasyonu, beklenenden çok daha erken başlar ve kademeli olarak artar. Kurşunun arkasında, 83 ve 90 numaralı elementler arasındaki dar bir istikrarsızlık bölgesinde mermi etkileri zayıflar. Ancak 92. ve 114. elementler arasındaki aralıkta kabuk düzeltme değeri yavaş ve monoton bir şekilde artmaktadır.

Süper ağır çekirdeklerin "adası" civarında bile, fermiyonik sistemlerin kuantum mekanik yapısından dolayı stabilizasyon meydana gelirken, "anakarada" çekirdeklerin stabilizasyonu makroskopik sıvı damlası özelliklerinden kaynaklanmaktadır. 107 109 elementlerinin çekirdekleri, "ada" ile "anakara" arasındaki "baraj" üzerinde bulunur, bu nedenle hem "adaya" hem de "anakaraya" yeni izotoplar atfedilebilir. Her halükarda, süper ağır elementler gibi, yalnızca temel durumlarının kabuk stabilizasyonu nedeniyle gözlemlenebildiler.

Kabuk düzeltmeleri için en son teorik tahminlerden bağlanma enerjilerine kadar, 106 ve 126 elementleri arasında, 4 MeV'nin üzerinde fisyon bariyerleri olan yaklaşık 400 süper ağır çekirdekten oluşan bir bölge olması gerektiği sonucu çıkar. Tüm bu izotopların yarı ömürleri 1 µs'den büyük olmalıdır; sentezlenebilirlerse, mevcut yöntemler kullanılarak tespit edilmeleri mümkün olacaktır. 273 109 ve 291 115 izotoplarının yakınında özellikle kararlı bölgeler varsayılır. Yaklaşık 166 nötron sayısında temel durumun deformasyonu değişir. Daha az nötron içeren izotoplar deforme olurken, daha ağır izotoplar küreseldir.

Sırasında Son 20 yılda, beklenen kararlılık merkezine - çekirdek 298 114 - yakın izotoplar elde etmeye yönelik tüm girişimler başarısız oldu. Bu süper ağır izotoplar, ne füzyon reaksiyonlarında ne de ağır iyonları içeren diğer reaksiyonlarda tespit edilmemiştir. Bununla birlikte, kararlı nükleer damlalar dışında, kabuk stabilize nükleon sistemlerinin var olma olasılığı hakkındaki ana fikir, yukarıda açıklanan deneylerle doğrulanmıştır. Teorik olarak, daha ağır elementlere bile ekstrapolasyona inanmak için her türlü neden var.

Şimdi ilginç bir soru ortaya çıkıyor: Bu "kırılgan" nesnelerin yaratılmasını nihai olarak ne engelliyor? Füzyon reaksiyonları üzerine yaptığımız yoğun araştırmalardan bazı önemli açıklamalar geldi. Temel durumda küresel olan kabukla stabilize edilmiş bir çekirdek, 15 MeV gibi düşük bir uyarma enerjisinde bile yok edilebilir, bu deneysel olarak K.-Kh tarafından gösterildi. Schmidt tarafından 1979'da, deforme olmuş çekirdekler 40 MeV'ye kadar uyarma enerjilerinde korunabilirken. Kalsiyum-48 ve küriyum-248 arasındaki reaksiyonda bile (mevcut en uygun reaksiyon), uyarım enerjisi yaklaşık 30 MeV'dir. Bundan, yalnızca deforme olmuş çekirdeklerle süper ağır elementler elde etmenin mümkün olduğu sonucu çıkar. Bununla birlikte, şimdiye kadar bu tür girişimler yalnızca atom numarası 110'dan küçük elementler için başarılı olmuştur.

Daha önce belirtildiği gibi, süper ağır bir çekirdeğin oluşumuna yol açan iki çekirdeğin füzyonu, füzyon bariyerini aşma ihtiyacı nedeniyle en başından beri karmaşıktır. Belirli bir ürün çekirdeği için, en ağır hedefler mümkün olan en hafif iyonlarla bombalandığında bu bariyer minimum düzeydedir. Bu avantaja rağmen, bu en asimetrik kombinasyonun dezavantajı, ürün çekirdeğinin ısınmasını en üst düzeye çıkarmak ve uyarma işlemi sırasında yüksek fisyon kayıplarına yol açmaktır. Kombinasyon ne kadar az asimetrik olursa, soğutma aşamasındaki kayıplar o kadar düşük olur. Son aşamadaki düşük kayıplar ile başlangıç ​​aşamasındaki yüksek oluşum olasılığı arasındaki en iyi uzlaşma, hedef çekirdeklerin kurşuna yakın olduğu daha simetrik kombinasyonlardır.

Kurşun ve bizmutun hedef olarak kullanılması, bu çekirdeklerdeki kabuk noktası etkisinin çifte faydasını sağlar: bu çekirdeklerdeki çifte kapalı kabukları ile güçlü bağlanma, çekirdek ürününe aktarılan enerjide 10 MeV'den fazla bir azalmaya neden olur ve fisyon nedeniyle kayıplarda karşılık gelen bir azalma. Ek olarak, reaksiyonda küresel, yüksek oranda bağlı ve nispeten sert çekirdekler kullanılırsa füzyon bariyerini aşma olasılığı artar. Burada yine kurşundaki güçlü kabuk etkileri kendini gösteriyor, ancak bu sefer sürecin dinamiklerinde.

Şimdi daha ağır elementleri elde etmenin neden çok zor olacağını anlamaya başlıyoruz. Yalnızca kapalı kabuk füzyon ortakları için kabuk düzeltmelerinin, dinamiklerdeki kabuk etkilerinin ve uyarılmış deforme olmuş süper ağır çekirdeklerin artan kararlılığının bir kombinasyonu, en hafif süper ağır elementlerin birkaç izotopunu sentezlememize izin verdi. Kabuk stabilize çekirdeklerin varlığı hakkındaki orijinal soruyu, reaksiyonun tüm aşamalarında kabuk düzeltmelerinin etkisine genişletmek zorundaydık. Bu karmaşık ve "kırılgan" nesneleri oluştururken, gereksiz karmaşadan kaçınarak birleştirme işlemine zaten var olan bir düzen getirmek özellikle önemlidir.

Aşağıdaki süper ağır elementler nasıl elde edilir? 110. ve 111. elementler için nikel-62 ile kurşun-208 veya bizmut-209 arasındaki reaksiyonlarda tarafımızca geliştirilen yöntemler uygulanabilecektir. Bu elementler oluşturulduktan sonra, tespitleri temelde yeni bilgiler gerektirmeyecek, zenginleştirilmiş bir izotop için ihtiyaçların karşılanması ve ekipmanımızı nasıl kullanacağımızı öğrenmek ve birkaç ay boyunca deneyler yapmak için sabır gerektirecektir.

Buradan veya yorum yapabilirsiniz.

Chicago, 17 Şubat. İlk kez uranyumdan daha ağır bir elementin kütlesi ölçüldü. yeni yöntem olağan periyodik tablonun dışında kalan, kararlı süper ağır elementlerin uzun süredir tahmin edilen "istikrar adasına" giden yolu açar.

Uranyum çekirdeği 92 proton içerir, doğada bulunan bildiğimiz en ağır elementtir. Yapay koşullar altında elbette daha ağır olanlar, 118 protona kadar sentezlendi. Tüm bu "ağır ağırlıklar" son derece kısa ömürlüdür, birkaç milisaniye içinde parçalanırlar.

Ancak 20. yüzyılın ortalarında, belirli bir oranda proton ve nötron içeren ve çok daha uzun bir ömre sahip süper ağır elementlerin var olma olasılığı - onlarca yıl veya daha fazla - teorik olarak tahmin edildi. O zamandan beri, bu "istikrar adasına" giden yol, ana alanlar nükleer Fizik. Ve tamamen akademik bir ilgiden değil. Süper ağır kararlı elementler, gelecekteki uzay görevlerinin nükleer motorları için mükemmel bir yakıt görevi görebilir. Hesaplamalara göre, olağandışı ve yararlı kimyasal ve fiziksel özellikler de sergilemeleri gerekir.

Ancak şimdiye kadar kimse bu adaya tam olarak nerede rastlayacağımızı bilmiyor. Bazı hesaplamalar, bölgede bir yerde çekirdek başına 114 protonun merkezlendiğini, diğerlerinin - 120 ila 126 proton arasında olduğunu gösteriyor. Bilim adamlarının, protonlarını ve nötronlarını bir arada tutan bu tür elementlerin "aşırı nüfuslu" çekirdeklerinde ne kadar güçlü ve zayıf kuvvetlerin hareket ettiğine dair kesin bir fikre sahip olmaması nedeniyle hesaplamalar engelleniyor. Laboratuvarda elde edilen süper ağır elementlerin varlığının kısalığı, kişinin yeterince deneysel veri toplamasına izin vermez.

Bu alandaki yeni bir atılım, uranyumdan daha ağır parçacıkların kütlesini doğrudan ölçmenin bir yolunu bulmayı başaran Michael Block liderliğindeki bir Alman bilim insanı ekibinin yakın tarihli çalışmasını vaat ediyor. Kütle ve enerji ünlü Einstein formülü E = mc2 ile ilişkili olduğundan, bir atomun kütlesinin belirlenmesi (ek faktörler dikkate alınarak) çekirdeğindeki parçacıkların birbirine bağlandığı kuvvetlerin hesaplanmasına izin verir.

Bir atomun kütlesini ölçmek için bilim adamları, basit bir ifadeyle iyonların tutulduğu Penning tuzağı adı verilen bir cihaz kullandılar. elektromanyetik alan. Ölçümlerin amacı, çekirdeği uranyumunkinden 10 daha fazla olan 102 proton içeren nobelium idi. Diğer "yapay" elementler gibi biraz daha hafif elementlerin çarpışmasıyla üretilir ve son derece kısa ömürlüdür (maksimum 58 dakika). Alman fizikçilerin çözmeyi başardıkları asıl görev, atomları tuzağa düşmeden önce yavaşlatmanın bir yolunu bulmaktı, bunun için bilim adamları onları önce helyumla dolu bir odadan geçirmeye karar verdiler.

Şimdi, süper ağır kısa ömürlü atomları "tartmaya" izin veren bir yönteme sahip olan deneyciler, parametrelerini daha doğru bir şekilde belirleyebilirler. Ve teorisyenler bu verilere dayanarak - "istikrar adasının" konumunu tahmin eden rakip modeller arasında seçim yapmak.

Yöntem kişinin çok daha ileri gitmesine izin verir. Periyodik tablo, pratikte elde edilen elementlerin en ağırı için kullanmak çok kolay olmayabilir. Keşke bu tür devlerin sentezi zaten başlı başına son derece zor bir süreç olduğu için. Aynı Nobelium, saniyede ortalama 1 atom frekansı ile hazırlanmış bir deney yardımıyla elde edilebilirse, o zaman çekirdeği 104'ten fazla proton içeren daha ağır elementlerle, her şey çok daha uzundur. 1 atom elde etmek, örneğin bir hafta sürebilir.

Ancak her şey yolunda giderse, er ya da geç bu yöntem "istikrar adası" sakinlerini fark etmenizi sağlayacaktır. Bu tür süper ağır elementler genellikle bozunma ürünleri tarafından tespit edildiğinden ve kararlı olanların çok uzun bir yaşam süresi olduğundan, ağır atomlarla geleneksel çalışma yöntemleri bunun için uygun değildir.

60'ların sonunda, birçok teorisyenin çabalarıyla - O. Bohr ve B. Motelson (Danimarka), S. Nilsson (İsveç), V.M. Strutinsky ve V.V. Pashkevich (SSCB), H. Myers ve V. Svyatetsky (ABD), A. Sobichevsky ve diğerleri (Polonya), W. Greiner ve diğerleri (Fransa) ve diğerleri, atom çekirdeğinin mikroskobik teorisini yarattı. Yeni teori yukarıdaki tüm çelişkileri tutarlı bir fiziksel yasalar sistemine getirdi.
Herhangi bir teori gibi, özellikle çok ağır, hala bilinmeyen çekirdeklerin özelliklerini tahmin etmede belirli bir tahmin gücüne sahipti. Nükleer mermilerin dengeleyici etkisinin, çekirdeğin düşme modeli tarafından belirtilen sınırların ötesinde (yani, Z > 106 bölgesinde) sözde oluşturduğu ortaya çıktı. Z=108, N=162 ve Z=114, N=184 sihirli sayıları etrafında "istikrar adaları". Şekil 2'de görülebileceği gibi, bu "kararlılık adalarında" bulunan süper ağır çekirdeklerin ömrü önemli ölçüde artabilir. Bu, özellikle Z=114 (muhtemelen 120) ve N=184 kapalı kabuklarının etkisinin yarı ömürleri on, yüzbinlerce ve belki de milyonlarca yıla çıkardığı en ağır, süper ağır elementler için geçerlidir, yani. - Nükleer mermilerin etkisinin yokluğunda olduğundan 32-35 büyüklük sırası. Böylece, süper ağır elementlerin olası varlığı hakkında, maddi dünyanın sınırlarını önemli ölçüde genişleten ilginç bir hipotez ortaya çıktı. Teorik tahminlerin doğrudan testi, süper ağır nüklidlerin sentezi ve bozunma özelliklerinin belirlenmesi olacaktır. Bu nedenle, elementlerin yapay sentezi ile ilgili temel konuları kısaca ele almamız gerekecek.

2. Ağır elementlerin sentezi için reaksiyonlar

Uranyumdan daha ağır birçok insan yapımı element, güçlü nükleer reaktörlerde uzun süreli ışınlamada uranyum izotop - 235 U'nun çekirdekleri tarafından art arda nötron yakalama reaksiyonlarında sentezlendi. Yeni nüklidlerin uzun yarı ömürleri, radyoaktif bozunma özelliklerinin daha sonra ölçülmesiyle, bunların radyokimyasal yöntemlerle reaksiyonun diğer yan ürünlerinden ayrılmasını mümkün kıldı. Bu öncü çalışmaları Prof. G. Seaborg ve meslektaşları, 1940 - 1953'te gerçekleştirildi. Radyasyon Ulusal Laboratuvarı'nda (Berkeley, ABD), Z = 93 -100, en ağır izotop 257 Fm (T 1/2 ~ 100 gün) ile sekiz yapay elementin keşfedilmesine yol açtı. İstisnai durum nedeniyle daha ağır çekirdekler bölgesine daha fazla ilerlemek neredeyse imkansızdı. kısa süre sonraki izotopun yarı ömrü - 258 Fm (T SF = 0,3 milisaniye). Bir nükleer patlamadan kaynaklanan yüksek güçlü darbeli nötron akışlarında bu sınırlamayı aşma girişimleri istenen sonuçları vermedi: daha önce olduğu gibi, en ağır çekirdek 257 Fm idi.

Pm'den (Z=100) daha ağır elementler, hedef çekirdeğe bir proton ve nötron kompleksi eklendiğinde, hızlandırılmış ağır iyonlarla reaksiyonlarda sentezlendi. Ancak bu tür bir tepki önceki durumdan farklıdır. Elektrik yükü olmayan bir nötron yakalandığında, yeni bir çekirdeğin uyarılma enerjisi sadece 6 - 8 MeV'dir. Tersine, helyum (4 He) veya karbon (12 C) gibi hafif iyonlarla bile hedef çekirdeklerin füzyonu sırasında, ağır çekirdekler Ex = 20 - 40 MeV'lik bir enerjiye kadar ısıtılacaktır. Mermi çekirdeğinin atom numarasının daha da artmasıyla, pozitif yüklü çekirdeklerin elektrik itme kuvvetlerinin (Coulomb reaksiyon bariyeri) üstesinden gelmek için daha fazla enerji vermesi gerekecektir. Bu durum, mermi ve hedef olmak üzere iki çekirdeğin füzyonundan sonra oluşan bileşik çekirdeğin uyarma enerjisinde (ısıtma) bir artışa yol açar. Soğutması (temel duruma E x = 0 geçişi) nötronların ve gama ışınlarının emisyonu yoluyla gerçekleşecektir. Ve işte ilk engel geliyor.

Isıtılmış bir ağır çekirdek, vakaların yalnızca 1/100'ünde bir nötron yayabilecektir, temelde iki parçaya bölünecektir, çünkü çekirdeğin enerjisi fisyon bariyerinin yüksekliğinden önemli ölçüde daha yüksektir. Çekirdek bileşiğinin uyarma enerjisindeki bir artışın ona zarar verdiğini anlamak kolaydır. Isıtılmış bir çekirdeğin hayatta kalma olasılığı, fisyonun güçlü bir şekilde rekabet ettiği buharlaşmış nötronların sayısındaki artış nedeniyle artan sıcaklık (veya enerji Ex) ile keskin bir şekilde düşer. Yaklaşık 40 MeV'lik bir enerjiye ısıtılan bir çekirdeği soğutmak için 4 veya 5 nötronu buharlaştırmak gerekir. Her seferinde fisyon, bir nötron emisyonu ile rekabet edecek ve bunun sonucunda hayatta kalma olasılığı yalnızca (1/100) 4-5 = 10 -8 -10 -10 olacaktır. Çekirdeğin sıcaklığı arttıkça kabukların stabilize edici etkisinin azalması, dolayısıyla fisyon bariyerinin yüksekliğinin azalması ve çekirdeğin bölünebilirliğinin keskin bir şekilde artması nedeniyle durum karmaşıktır. Bu faktörlerin her ikisi de süper ağır nüklidlerin oluşma olasılığının son derece düşük olmasına yol açar.

106'dan daha ağır elementlerin bölgeye ilerlemesi, 1974'te sözde keşfedilmesinden sonra mümkün oldu. soğuk füzyon reaksiyonları. Bu reaksiyonlarda, kararlı izotopların - 208 Pb (Z = 82, N = 126) veya 209 Bi (Z = 83, N = 126) "sihirli" çekirdekleri, argondan daha ağır iyonlar tarafından bombardımana tutulan hedef malzeme olarak kullanılır. (Yu.Ts. Oganesyan , A.G. Demin ve diğerleri). Füzyon sürecinde, "sihirli" hedef çekirdekteki nükleonların yüksek bağlanma enerjisi, etkileşen iki çekirdeğin yeniden düzenlenmesi sırasında enerjinin emilmesine yol açar.
toplam kütlenin ağır bir çekirdeğine dönüşür. Etkileşen çekirdeklerdeki ve son çekirdekteki nükleonların "paketleme" enerjilerindeki bu fark, reaksiyonun yüksek Coulomb bariyerini aşmak için gereken enerjiyi büyük ölçüde telafi eder. Sonuç olarak, ağır bir çekirdek sadece 12-20 MeV'lik bir uyarma enerjisine sahiptir. Bir dereceye kadar, böyle bir reaksiyon "ters fisyon" sürecine benzer. Nitekim, uranyum çekirdeğinin iki parçaya bölünmesi, enerjinin serbest bırakılmasıyla gerçekleşirse (nükleer santrallerde kullanılır), o zaman geri tepki, parçalar birleştiğinde, ortaya çıkan uranyum çekirdeği neredeyse soğuk olacaktır. Bu nedenle, soğuk füzyon reaksiyonlarında elementler sentezlendiğinde, ağır bir çekirdeğin temel duruma geçmesi için yalnızca bir veya iki nötron yayması yeterlidir.
Masif çekirdeklerin soğuk füzyon reaksiyonları, Darmstadt'taki (Almanya) GSI Ulusal Nükleer Fizik Merkezinde 107'den 112'ye (P. Armbruster, Z. Hofmann, G. Münzenberg, vb.) olmak üzere 6 yeni elementin sentezi için başarıyla kullanıldı. Son zamanlarda, Ulusal RIKEN Merkezi'ndeki (Tokyo) K. Morita ve diğerleri, 110-112 elementin sentezi üzerinde GSI deneylerini tekrarladılar. Her iki grup da daha ağır mermiler kullanarak 113 ve 114. elementlere geçmeyi planlıyor. Bununla birlikte, soğuk füzyon reaksiyonlarında daha ağır elementleri sentezleme girişimleri büyük zorluklarla ilişkilidir. İyonların atomik yükündeki bir artışla, nükleer yüklerin çarpımı ile orantılı olduğu bilinen Coulomb itme kuvvetlerindeki artış nedeniyle, hedef çekirdekler 208 Pb veya 209 Bi ile füzyon olasılıkları büyük ölçüde azalır. . 208 Pb + 50 Ti (Z 1) reaksiyonunda elde edilebilen 104 elementinden × Z 2 = 1804) 208 Pb + 70 Zn (Z 1) reaksiyonundaki element 112'ye × Z 2 = 2460), birleşme olasılığı 10 4 kattan fazla azalır.

Figür 3 Ağır çekirdeklerin haritası. Çekirdeklerin yarı ömürleri farklı renklerle gösterilir (sağdaki ölçek). Siyah kareler - yer kabuğunda bulunan kararlı elementlerin izotopları (T 1/2 ≥ 10 9 yıl). Koyu mavi renk - çekirdeklerin 10-6 saniyeden daha az yaşadığı "istikrarsızlık denizi". Sarı çizgiler, protonların ve nötronların sihirli sayılarını gösteren kapalı kabuklara karşılık gelir. Toryum, uranyum ve transuranyum elementlerinin "yarımadasını" takip eden "istikrar adaları", mikroskobik çekirdek teorisinin tahminleridir. Çeşitli nükleer reaksiyonlarda elde edilen Z = 112 ve 116 olan iki çekirdek ve bunların ardışık bozunumları, süper ağır elementlerin yapay sentezinde "kararlılık adalarına" ne kadar yaklaşılabileceğini gösterir.

Başka bir sınırlama var. Soğuk füzyon reaksiyonlarında elde edilen bileşik çekirdekler nispeten az sayıda nötrona sahiptir. Yukarıda ele alınan 112. elementin oluşumu durumunda, Z = 112 olan son çekirdekte sadece 165 nötron bulunurken, N> 170 nötron sayısı için stabilitede bir artış beklenir (bkz. Şekil 3).

Prensip olarak, büyük miktarda nötron içeren çekirdekler, hedef olarak yapay elementler kullanılırsa elde edilebilir: nükleer reaktörlerde üretilen plütonyum (Z = 94), americium (Z = 95) veya curium (Z = 96) ve nadir kalsiyum izotop - 48 ca. (aşağıya bakınız).

48 Ca atomunun çekirdeği 20 proton ve 28 nötron içerir - her iki değer de kapalı kabuklara karşılık gelir. 48 Ca çekirdekli füzyon reaksiyonlarında, "sihirli" yapıları da işe yarayacaktır (soğuk füzyon reaksiyonlarında bu rol, hedefin sihirli çekirdekleri tarafından oynanmıştır - 208 Pb), bunun sonucunda süper ağır çekirdeklerin uyarma enerjisi olacaktır. yaklaşık 30 - 35 MeV. Temel duruma geçişlerine üç nötron ve gama ışını emisyonu eşlik edecek. Bu uyarma enerjisinde, nükleer mermilerin etkisinin ısıtılmış süper ağır çekirdeklerde hala mevcut olması beklenebilir, bu onların hayatta kalmalarını artıracak ve deneylerimizde onları sentezlememize izin verecektir. Etkileşen çekirdeklerin kütle asimetrisinin (Z 1 × Z2 ≤ 2000) Coulomb itme kuvvetini azaltır ve böylece birleşme olasılığını artırır.

Görünüşte bariz olan bu avantajlara rağmen, 1977 - 1985'te çeşitli laboratuvarlarda üstlenilen 48 Ca iyonu ile reaksiyonlarda süper ağır elementleri sentezlemeye yönelik önceki tüm girişimler. etkisiz olduğu ortaya çıktı. Ancak son yıllarda deneysel tekniklerin gelişmesi ve hepsinden önemlisi 48Ca iyonlarının yoğun demetlerinin yeni nesil hızlandırıcılarda laboratuvarımızda üretilmesi, deneyin duyarlılığını yaklaşık 1000 kat artırmayı mümkün kılmıştır. Bu başarılar, süper ağır elementleri sentezlemek için yeni bir girişimde kullanıldı.

3 Beklenen özellikler

Başarılı bir sentez durumunda deneyde ne görmeyi bekliyoruz? Teorik hipotez doğruysa, süper ağır çekirdekler kendiliğinden fisyona göre kararlı olacaktır. Sonra başka bir bozunma türü yaşayacaklar: alfa bozunması (2 proton ve 2 nötrondan oluşan bir helyum çekirdeğinin emisyonu). Bu işlem sonucunda ana çekirdekten 2 proton ve 2 nötron daha hafif olan bir yavru çekirdek oluşur. Yavru çekirdeğin kendiliğinden fisyon olasılığı düşükse, ikinci alfa bozunmasından sonra, torun çekirdek şimdi ilk çekirdekten 4 proton ve 4 nötron daha hafif olacaktır. Alfa bozunmaları, kendiliğinden fisyon meydana gelene kadar devam edecektir (Şekil 4).

O. tek bir bozunma değil, bir "radyoaktif aile", zaman içinde yeterince uzun (nükleer ölçekte) rekabet eden ancak sonunda kendiliğinden fisyonla kesintiye uğrayan birbirini izleyen alfa bozunmalarından oluşan bir zincir görmeyi bekliyoruz. Prensip olarak, böyle bir bozunma senaryosu zaten bir süper ağır çekirdeğin oluşumunu gösterir.

Stabilitede beklenen artışı tam olarak görmek için, Z = 114 ve N = 184 kapalı kabuklarına mümkün olduğunca yaklaşmak gerekir. Nükleer reaksiyonlarda bu tür nötron bakımından zengin çekirdekleri sentezlemek son derece zordur, çünkü sırasında Zaten belirli bir proton ve nötron oranının olduğu kararlı elementlerin çekirdeklerinin füzyonu, çift sihirli çekirdeğe 298 114 ulaşmak imkansızdır. Bu nedenle, başlangıçta içeren reaksiyonda çekirdekleri kullanmaya çalışmamız gerekir. mümkün olan maksimum nötron sayısı. Bu, büyük ölçüde, mermi olarak hızlandırılmış 48 Ca iyonlarının seçilmesinden de kaynaklanıyordu. Kalsiyumun doğada bol miktarda bulunduğu bilinmektedir. Çekirdeği 20 proton ve 20 nötron içeren 40 Ca izotopunun% 97'sinden oluşur. Ancak% 0.187 oranında ağır bir izotop - 48 Ca (20 proton ve 28 nötron) içerir ve 8 fazla nötron içerir. Üretim teknolojisi çok zaman alıcı ve pahalıdır; 48 Ca ile zenginleştirilmiş bir gramın maliyeti yaklaşık 200.000 $'dır. Bu nedenle, uzlaşmacı bir çözüm bulmak için hızlandırıcımızın tasarımını ve çalışma modlarını önemli ölçüde değiştirmek zorunda kaldık - bu egzotik malzemenin minimum tüketimi ile iyon ışınının maksimum yoğunluğunu elde etmek.

Şekil 4
Bozunma türleri hakkında teorik tahminler (gösterilen farklı renkŞekilde) ve farklı sayıda proton ve nötron içeren süper ağır elementlerin izotoplarının yarı ömürleri. Örnek olarak, 248 St ve 48 Ca çekirdeklerinin füzyon reaksiyonunda oluşan 293 kütleli 116. elementin izotopu için, kendiliğinden fisyonla sonuçlanan üç ardışık alfa bozunmasının beklendiği gösterilmiştir. 281 kütleli 110. elementin torununun çekirdeği. Şekil 8'de görüldüğü gibi, zincir şeklinde tam da böyle bir bozunma senaryosu. α - α - α - SF, deneyde bu çekirdek için gözlendi. Daha hafif bir çekirdeğin çürümesi - 208 Pb + 64 Ni çekirdeğinin "soğuk füzyonu" reaksiyonunda elde edilen 271 kütleli 110. elementin izotopu. Yarı ömrü izotopunkinden 10 4 kat daha azdır 281 110.

Bugün rekor ışın yoğunluğuna ulaştık - 8 × 10 12 /s, 48 ​​Ca izotopunun çok düşük tüketiminde - yaklaşık 0,5 miligram/saat. Hedef malzeme olarak, yapay elementlerin uzun ömürlü, zenginleştirilmiş izotoplarını kullanıyoruz: Pu, Am, Cm ve Cf (Z = 94-96 ve 98), ayrıca maksimum nötron içeriğine sahip. Güçlü nükleer reaktörlerde (ABD'de Oak Ridge ve Rusya'da Dimitrovgrad'da) üretilirler ve ardından Tüm Rusya Deneysel Fizik Araştırma Enstitüsü'ndeki (Sarov) özel tesislerde, kütle ayırıcılarda zenginleştirilirler. 48 Ca çekirdeğinin bu izotopların çekirdekleriyle füzyon reaksiyonları, Z = 114 - 118 olan elementlerin sentezi için seçilmiştir.

Burada bir konudan bahsetmek istiyorum.

Her laboratuvar, hatta dünyanın önde gelen nükleer merkezleri bile, çalışmalarımızda kullandığımız bu kadar benzersiz ve bu kadar çok miktarda malzemeye sahip değildir. Ancak bunların üretimine yönelik teknolojiler ülkemizde geliştirilmiştir ve sanayimiz tarafından geliştirilmektedir. Bakan atomik Enerji Rusya bize 5 yıl boyunca yeni elementlerin sentezi konusunda bir çalışma programı geliştirmemizi teklif etti ve bu çalışmalar için özel bir hibe ayırdı. Öte yandan, Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'nde çalışarak, dünyanın önde gelen laboratuvarlarıyla yoğun bir şekilde işbirliği yapıyoruz (ve rekabet ediyoruz). Süper ağır elementlerin sentezine ilişkin araştırmalarda, Livermore Ulusal Laboratuvarı (ABD) ile uzun yıllardır yakın işbirliği içindeyiz. Bu işbirliği çabalarımızı birleştirmenin yanı sıra, deneyin tüm aşamalarında deneysel sonuçların iki grup tarafından bağımsız olarak işlenip analiz edildiği koşulları da yaratıyor.
5 yıllık çalışma için, uzun maruziyetlerde, yaklaşık 2 doz × 10 20 iyon (ışık hızının ~ 1/10'una hızlandırılmış yaklaşık 16 miligram 48 Ca, hedef katmanlardan geçti). Bu deneylerde 112÷118 elementlerin (117. element hariç) izotoplarının oluşumu gözlemlenmiş ve yeni süper ağır nüklidlerin bozunma özellikleri üzerine ilk sonuçlar elde edilmiştir. Tüm sonuçların sunumu çok fazla yer kaplayacak ve okuyucuyu yormamak için kendimizi yalnızca 113 ve 115 numaralı elementlerin sentezine ilişkin son deneyi açıklamakla sınırlayacağız - diğer tüm reaksiyonlar benzer şekilde incelenmiştir. . Ancak bu göreve başlamadan önce, deney düzeneğini kısaca özetlemek ve düzeneğimizin temel çalışma ilkelerini açıklamak uygun olacaktır.

4. Deneyi kurmak

Hedef ve parçacık çekirdeklerinin kaynaşmasıyla oluşan bileşik çekirdek, nötronların buharlaşmasından sonra iyon ışını yönünde hareket edecektir. Hedef katman, ağır bir geri tepme atomunun içinden uçabilmesi ve hedeften yaklaşık 4 m mesafede bulunan bir dedektöre doğru hareketine devam edebilmesi için yeterince ince seçilir.Hedef ile dedektör arasına gaz dolu bir ayırıcı yerleştirilmiştir. , ışın parçacıklarını ve reaksiyon yan ürünlerini bastırmak için tasarlanmıştır.
Ayırıcının çalışma prensibi (Şekil 5), gaz halindeki bir ortamdaki atomların - bizim durumumuzda, hidrojende, sadece 10 -3 atm basınçta olduğu gerçeğine dayanmaktadır. - hızlarına bağlı olarak farklı bir iyonik yüke sahip olacaklardır. Bu, 10-6 s'de "anında" bir manyetik alanda ayrılmalarına izin verir. ve dedektöre gönderin. Ayırıcıdan geçen atomlar, geri tepme atomunun varış zamanı, enerjisi ve yerleştirme yeri hakkında sinyaller üreten bir yarı iletken detektörün hassas katmanına implante edilir (yani, koordinatlar: X ve de dedektörün çalışma yüzeyinde). Bu amaçlar için, toplam alanı yaklaşık 50 cm2 olan dedektör, her biri uzunlamasına bir duyarlılığa sahip olan 12 "şerit" - piyano tuşlarına benzeyen şeritler - şeklinde yapılır. İmplante edilen atomun çekirdeği alfa bozunması yaşarsa, yayılan alfa parçacığı (yaklaşık 10 MeV'lik bir beklenen enerji ile) dedektör tarafından daha önce listelenen tüm parametrelerle kaydedilecektir: zaman, enerji ve koordinatlar. İlk bozunumdan sonra ikinci bozunum gelirse, ikinci alfa parçacığı için benzer bilgiler elde edilir ve bu böyle devam eder. Kendiliğinden bölünme gerçekleşene kadar. Son bozulma, zaman içinde çakışan iki yüksek genlikli sinyal olarak kaydedilecektir (Õ 1 + Õ 2 ~ 200 MeV). Alfa parçacıklarının ve eşleştirilmiş fisyon parçalarının kayıt verimliliğini artırmak için ön dedektör, ayırıcının yanından açık bir duvarla bir "kutu" oluşturan yan dedektörlerle çevrilidir. Dedektör düzeneğinin önünde, geri tepme çekirdeklerinin hızını ölçen iki ince uçuş süresi dedektörü vardır (TOF dedektörleri, İngilizce kelimelerin kısaltması - Uçuş süresi). Dolayısıyla geri tepme çekirdeğinden çıkan ilk sinyal TOF işaretiyle gelir. Çekirdeklerin bozunumundan sonraki sinyaller bu özelliğe sahip değildir.
Tabii ki bozunmalar, farklı enerjilere sahip bir veya daha fazla alfa parçacığının emisyonu ile karakterize edilen çeşitli sürelerde olabilir. Ancak aynı çekirdeğe aitlerse ve radyoaktif bir aile oluşturuyorlarsa (anne çekirdeği - kızı - torunu vb.), o zaman tüm sinyallerin koordinatları - geri tepme çekirdeğinden, alfa parçacıklarından ve fisyon parçalarından - doğrulukla koordineli olarak çakışmalıdır. konumsal dedektör çözünürlüğü. Canberra Electronics tarafından üretilen dedektörlerimiz, alfa parçacıklarının enerjisini ~ %0,5 doğrulukla ölçer ve her şerit için yaklaşık 0,8 mm konumsal çözünürlüğe sahiptir.

Şekil 5
Ağır elementlerin sentezi üzerine yapılan deneylerde geri tepme çekirdeklerinin ayrılması için kurulumun şematik görünümü

Zihinsel olarak, dedektörün tüm yüzeyi, bozulmaların tespit edildiği yaklaşık 500 hücre (piksel) olarak temsil edilebilir. İki sinyalin rastgele aynı yere düşme olasılığı 1/500, üç sinyal - 1/250000 vb. Bu, son derece küçük bir miktarda (~ 1 atom/ay) oluşsalar bile, büyük miktarda radyoaktif ürün arasından, süper ağır çekirdeklerin genetik olarak ilişkili ardışık bozunmalarının çok nadir olaylarını büyük bir güvenilirlikle seçmeyi mümkün kılar.

5. Deneysel sonuçlar

(fiziksel deneyim)

Enstalasyonu “çalışır durumda” göstermek için örnek olarak 243 Am (Z=95) + 48 Ca (Z=20) nükleer füzyon reaksiyonunda oluşan 115 elementinin sentezi üzerine yapılan deneyleri daha detaylı anlatacağız. ) → 291 115.
Z-tek çekirdeğin sentezi çekicidir, çünkü tek bir proton veya nötronun varlığı, kendiliğinden fisyon olasılığını önemli ölçüde azaltır ve ardışık alfa geçişlerinin sayısı, çift atomun bozunmasına göre daha fazla olacaktır (uzun zincirler). çekirdekler bile. Coulomb bariyerini aşmak için 48 Ca iyonunun enerjisi E > 236 MeV olmalıdır. Öte yandan, bu koşul sağlanırsa, ışın enerjisi E=248 MeV ile sınırlandırılırsa, 291 115 çekirdekli bileşiğin termal enerjisi yaklaşık 39 MeV olacaktır; soğuması 3 nötron ve gama ışını emisyonu ile gerçekleşecektir. Daha sonra reaksiyon ürünü, nötron sayısı N=173 olan elementin izotopu 115 olacaktır. Hedef katmandan uçarak çıkan yeni bir elementin atomu, onu geçmek ve dedektöre girmek için ayarlanmış bir ayırıcıdan geçecektir. Şekil 6'da gösterildiği gibi başka olaylar gelişir. Geri tepme çekirdeği ön dedektörde durduktan 80 mikrosaniye sonra, veri toplama sistemi varış zamanı, enerjisi ve koordinatları (şerit numarası ve içindeki konumu) hakkında sinyaller alır. Bu bilginin "TOF" işaretine sahip olduğuna dikkat edin (ayırıcıdan geldi). 10 saniye içinde dedektör yüzeyindeki aynı yerden 9.8 MeV'den daha yüksek enerjiye sahip ikinci bir sinyal "TOF" işareti olmadan gelirse (yani, implante edilmiş bir atomun bozunmasından), ışın kapatılır ve tüm diğer bozulmalar pratik koşullar altında kaydedilir toplam yokluk arka fon. Şekil 6'nın üst grafiğinde görülebileceği gibi, ilk iki sinyalin arkasında - geri tepme çekirdeğinden ve ilk alfa parçacığından - yaklaşık 20 saniyelik bir süre boyunca. ışın kapatıldıktan sonra, konumları ± 0,5 mm doğrulukla önceki sinyallerle çakışan 4 başka sinyal takip etti. Sonraki 2,5 saat boyunca dedektör sessiz kaldı. Aynı şeritte ve aynı pozisyonda kendiliğinden fisyon, yalnızca ertesi gün, 28.7 saat sonra, toplam 206 MeV enerjiye sahip fisyon parçalarından iki sinyal şeklinde kaydedildi.
Bu tür zincirler üç kez tescillendi. Hepsi aynı forma sahiptir (radyoaktif ailede 6 nesil çekirdek) ve üstel nükleer bozunma yasasını hesaba katarak hem alfa parçacıklarının enerjisinde hem de ortaya çıkma zamanlarında birbirleriyle tutarlıdır. Gözlemlenen etki, beklendiği gibi, bileşik 3 nötron çekirdeği tarafından buharlaştırıldıktan sonra oluşan 288 kütleli 115. elementin izotopunun bozunmasına, ardından 48Ca'nın enerjisinde bir artışa işaret ediyorsa iyon ışını sadece 5 MeV, 5-6 kat azalmalıdır. Aslında, E = 253 MeV'de etki yoktu. Ancak burada, yalnızca 0,4 saniyelik bir süre ile dört alfa parçacığından oluşan (bunlardan 5 tanesinin de olduğuna inanıyoruz, ancak son alfa parçacığı açık pencereden uçtu) oluşan başka, daha kısa bir bozunma zinciri gözlemlendi. Yeni bir bozunma zinciri - 1.5 saat sonra kendiliğinden fisyonla sona erdi. Açıkçası, bu, 4 nötron emisyonu ile bir füzyon reaksiyonunda oluşan, 287 kütleli 115. elementin komşu izotopunun yüksek olasılıkla başka bir çekirdeğin bozunmasıdır. Tek-tek izotop Z=115, N=173'ün ardışık bozunma zinciri, farklı sayıda proton ve nötron içeren süper ağır nüklidlerin hesaplanan yarı ömürlerinin formda gösterildiği Şekil 6'nın alt grafiğinde gösterilmektedir. bir kontur haritası. Ayrıca, Alman Laboratuvarı - GSI (Darmstadt) ve ardından Japonca - RIKEN'de 209 Bi + 64 Ni reaksiyonunda sentezlenen nötron sayısı N = 161 olan 111. elementin daha hafif, tek-tek izotopunun bozunmasını da gösterir. (Tokyo).

Şekil 6
48 Ca + 243 At reaksiyonunda 115 elementinin sentezi üzerine deney.
Üstteki şekil, bir geri tepme çekirdeğinin (R) detektörüne yerleştirildikten sonra sinyallerin görünme zamanlarını gösterir. Alfa parçacıklarının kaydından gelen sinyaller kırmızı ile, kendiliğinden fisyondan gelen sinyaller yeşil ile işaretlenmiştir. Örnek olarak, üç olaydan biri için, bozunma zinciri R →'den gelen 7 sinyalin tümünün konumsal koordinatları (mm olarak)α 1 → 4 numaralı şeritte kaydedilen α 2 → α 3 → α 4 → α 5 → SF. Alttaki şekil, Z=111, N=161 ve Z=115, N=173 ile çekirdeklerin bozunma zincirlerini gösterir. Çekirdek bölgelerini gösteren kontur çizgileri farklı dönemler yarım hayat ( değişen dereceler gölgeleme) - mikroskobik teorinin tahminleri.

Her şeyden önce, her iki durumda da çekirdeklerin yarı ömürlerinin teorik tahminlerle iyi bir uyum içinde olduğuna dikkat edilmelidir. 288 115 izotopunun nötron kabuğu N=184'ten 11 nötron uzakta olmasına rağmen, 115 ve 113 elementlerinin izotopları nispeten uzun bir ömre sahiptir (sırasıyla T 1/2 ~ 0,1 s ve 0,5 s).
Beş alfa bozunmasından sonra, elementin izotopu 105 oluşur - N=163 ile dubniyum (Db), kararlılığı başka bir kapalı kabuk N=162 tarafından belirlenir. Bu kabuğun gücü, birbirinden yalnızca 8 nötron farkı olan iki Db izotopunun yarı ömürlerindeki büyük farkla gösterilir. Bir yapının (nükleer kabuklar) yokluğunda, 105÷115 elementlerin tüm izotoplarının ~ 10-19 saniyelik bir sürede kendiliğinden fisyona uğraması gerektiğini bir kez daha not ediyoruz.

(kimyasal deneyim)

Yukarıda açıklanan örnekte, 115. elementin bozunma zincirini kapatan uzun ömürlü izotop 268 Db'nin özellikleri bağımsız olarak ilgi çekicidir.
Periyodik Kanuna göre 105. element beşinci sıradadır. Şekil 7'de görülebileceği gibi, niyobyum (Nb) ve tantalumun (Ta) kimyasal bir homologudur ve kimyasal özellikleri bakımından tüm hafif elementlerden farklıdır - aktinitler (Z = 90÷103). ayrı grup Tablo D.I. Mendeleev. Uzun yarı ömür nedeniyle, 105. elementin bu izotopu tüm reaksiyon ürünlerinden ayrılabilir. radyokimyasal yöntem daha sonra çürümesinin ölçümü ile - kendiliğinden fisyon. Bu deney, son çekirdeğin (Z = 105) atom numarasının ve 115. elementin ardışık alfa bozunmalarında oluşan tüm nüklidlerin bağımsız bir tanımlamasını verir.
AT kimyasal deney geri tepme ayırıcı kullanmaya gerek yoktur. Reaksiyon ürünlerinin atom numaralarına göre ayrılması, kimyasal özelliklerindeki farklılıklara dayalı yöntemlerle gerçekleştirilir. Bu nedenle, burada daha basitleştirilmiş bir yöntem kullanılmıştır. Hedeften kaçan reaksiyon ürünleri, 3-4 mikron derinliğe kadar hareket yollarında bulunan bir bakır toplayıcıya sürüldü. 20-30 saatlik ışınlamadan sonra koleksiyon çözüldü. Transaktinidlerin bir fraksiyonu çözeltiden izole edildi - elementler Z > 104 - bu fraksiyondan a, ardından 5. sıranın elementleri - Db, bunların kimyasal homologları Nb ve Ta ile birlikte. İkincisi, kimyasal ayırmadan önce çözeltiye "marker" olarak eklendi. Db içeren bir solüsyon damlası, ince bir substrat üzerine bırakıldı, kurutuldu ve ardından her iki spontan fisyon parçasını kaydeden iki yarı iletken detektör arasına yerleştirildi. Tüm düzenek, sırayla, nükleer fisyon Db sırasında fragmanlar tarafından yayılan nötronların sayısını belirleyen bir nötron detektörüne yerleştirildi.
Haziran 2004'te, Db'nin 15 kendiliğinden fisyonunun kaydedildiği 12 özdeş deney gerçekleştirildi (S. N. Dmitriev ve diğerleri). Kendiliğinden fisyon fragmanları Db, yaklaşık 235 MeV'lik bir kinetik enerjiye sahiptir; ortalama olarak, her fisyon olayı için yaklaşık 4 nötron yayılır. Bu tür özellikler, yeterince ağır bir çekirdeğin kendiliğinden bölünmesinin doğasında vardır. 238 U için bu değerlerin sırasıyla yaklaşık 170 MeV ve 2 nötron olduğunu hatırlayın.
Kimyasal deney, fiziksel deneyin sonuçlarını doğrular: Ardışık beş alfa bozunmasının bir sonucu olarak 243 Am + 48 Ca reaksiyonunda oluşan 115. elementin çekirdeği: Z = 115 → 113 → 111 → 109 → 107 → 105 gerçekten kurşun atom numarası 105 olan uzun ömürlü, kendiliğinden bölünebilen bir çekirdeğin oluşumuna. Bu deneylerde, 115. elementin alfa bozunmasının bir yan ürünü olarak, daha önce bilinmeyen, atom numarası 113 olan başka bir element de sentezlendi.

Şekil 7
115. elementin radyoaktif özelliklerinin incelenmesi üzerine fiziksel ve kimyasal deneyler.
48 Ca + 243 At reaksiyonunda, fiziksel bir kurulum kullanılarak, beş ardışık olduğu gösterildi.
288 115 izotopunun alfa bozunmaları, 105. elementin uzun ömürlü izotopuna yol açar - 268 Db, ki bu
kendiliğinden iki parçaya ayrılır. Kimyasal bir deneyde, atom numarası 105 olan bir çekirdeğin kendiliğinden fisyon yaşadığı belirlendi.

6. Büyük resim ve gelecek

243 Am+ 48 Ca reaksiyonunda elde edilen sonuçlar özel bir durum değildir. Z-çift nüklidlerin - 112, 114 ve 116 element izotoplarının - sentezi sırasında, yaşam süresi saniyelerden saatlere kadar değişen Z = 104-110 ile çekirdeklerin kendiliğinden bölünmesiyle biten uzun bozunma zincirlerini de gözlemledik. Çekirdeğin atom numarası ve nötron bileşimi. Bugüne kadar Z = 104-118; çekirdek haritasında gösterilirler (Şekil 8). Transaktinitler bölgesinde yer alan en ağır çekirdeklerin özellikleri, bozunma türleri, enerjileri ve bozunma süreleri modern teorinin tahminleriyle oldukça uyumludur. Elementlerin dünyasını önemli ölçüde genişleten süper ağır çekirdeklerin kararlılık adalarının varlığı hipotezi, ilk kez deneysel olarak onay bulmuş gibi görünüyor.

umutlar

Şimdi görev, öncelikle istenen reaksiyon ürünlerinin düşük verimi nedeniyle çok sorunlu olan yeni elementlerin nükleer ve atomik yapısını daha ayrıntılı olarak incelemektir. Süper ağır elementlerin atom sayısını artırmak için 48 Ca iyon ışınının yoğunluğunu artırmak ve fiziksel yöntemlerin etkinliğini artırmak gerekir. Hızlandırıcı teknolojisindeki en son gelişmeler kullanılarak, önümüzdeki yıllarda planlanan ağır iyon hızlandırıcının modernizasyonu, iyon demetinin yoğunluğunu yaklaşık 5 kat artırmamızı sağlayacaktır. İkinci bölümün çözümü, deneylerin düzeneğinde köklü bir değişiklik gerektiriyor; süper ağır elementlerin özelliklerine dayanan yeni bir deneysel tekniğin oluşturulmasında bulunabilir.

Şekil 8
Ağır ve süper ağır elementlerin çekirdek haritası.
Çeşitli füzyon reaksiyonlarına karşılık gelen ovallerin içindeki çekirdekler için (şekilde gösterilmiştir), yayılan alfa parçacıklarının yarı ömürleri ve enerjileri gösterilmektedir (sarı kareler). Veriler, nükleer kabukların etkisinin çekirdeğin bağlanma enerjisine katkısına göre ayırma bölgesinin kontur haritasında sunulur. Nükleer bir yapının yokluğunda, tüm alan Beyaz renk. Karardıkça kabukların etkisi artar. İki bitişik bant yalnızca 1 MeV farklılık gösterir. Bununla birlikte, bu, "sihirli" proton ve nötron sayısının yakınında bulunan nüklidlerin ağırlıklı olarak alfa bozunması yaşamasının bir sonucu olarak, kendiliğinden fisyona göre çekirdeklerin kararlılığını önemli ölçüde artırmak için yeterlidir. Öte yandan, 110. ve 112. elementlerin izotoplarında, nötron sayısının 8 atomik birim artması, çekirdeklerin alfa bozunma periyodlarında 10 5 kattan fazla bir artışa yol açar.

İşletim kurulumunun çalışma prensibi - geri tepme çekirdeklerinin kinematik ayırıcısı (Şekil 5), çeşitli reaksiyon türlerinin kinematik özelliklerindeki farka dayanmaktadır. Bizi ilgilendiren hedef çekirdeklerin ve 48 Ca'nın füzyon reaksiyon ürünleri, yaklaşık 40 MeV kinetik enerjiye sahip ± 3 0 dar açısal bir koni içinde hedeften ileri yönde uçar. Geri tepme çekirdeklerinin yörüngelerini bu parametreler hesaba katılarak sınırlayarak, iyon ışınından neredeyse tamamen saptırılır, reaksiyon yan ürünlerinin arka planını 10 4 ÷ 10 6 kez bastırır ve dedektöre yeni elementlerin atomlarını iletiriz. 1 mikrosaniyede yaklaşık %40 verimlilik. Başka bir deyişle, reaksiyon ürünlerinin ayrılması "anında" gerçekleşir.

Şekil 8 MASHA kurulumu
Üstteki şekil ayırıcı diyagramı ve çalışma prensibini göstermektedir. Hedef katmandan yayılan geri tepme çekirdekleri birkaç mikrometre derinlikte grafit toplayıcıda durur. Toplayıcının yüksek sıcaklığından dolayı iyon kaynağının odasına dağılırlar, plazmadan dışarı çekilirler, elektrik alan tarafından hızlandırılırlar ve dedektör yönündeki manyetik alanlar tarafından kütle olarak analiz edilirler. Bu tasarımda, bir atomun kütlesi 1/3000 doğrulukla belirlenebilir. Alttaki şekil gösterir Genel form Kurulum.

Ancak kurulumun yüksek bir seçiciliğini elde etmek için, kinematik parametreleri - ayrılma açıları ve geri tepme çekirdeklerinin enerjisi - korumak, "bulaşmamak" önemlidir. Bu nedenle, 0,3 mikrometreden fazla olmayan bir kalınlığa sahip hedef katmanların kullanılması gereklidir - belirli bir kütle ile bir süper ağır çekirdeğin etkili bir verimini elde etmek için gerekenden yaklaşık üç kat daha az veya 5-6 kat daha az. kütle olarak bitişik belirli bir elementin iki izotopunun sentezine gelir. Ek olarak, bir süper ağır elementin izotoplarının kütle sayıları hakkında veri elde etmek için, 48Ca iyon ışınının farklı enerjilerinde ölçümleri tekrarlamak için uzun ve zahmetli bir dizi deney yapmak gerekir.
Aynı zamanda, deneylerimizden de anlaşılacağı gibi, süper ağır elementlerin sentezlenmiş atomlarının, kinematik ayırıcının hızını önemli ölçüde aşan yarı ömürleri vardır. Bu nedenle, çoğu durumda, reaksiyon ürünlerini bu tür ürünler için ayırmaya gerek yoktur. Kısa bir zaman. Daha sonra tesisin çalışma prensibini değiştirmek ve reaksiyon ürünlerini birkaç aşamada ayırmak mümkündür.
Yeni kurulumun şeması Şekil 9'da gösterilmiştir. Geri tepme çekirdeklerinin 2000 0 C sıcaklığa ısıtılmış bir toplayıcıya implantasyonundan sonra, atomlar iyon kaynağının plazmasına dağılır, plazmada q = 1 + yüküne iyonize olur, kaynaktan dışarı çekilir. elektrik alanı, özel bir profilin manyetik alanlarında kütle ile ayrılır ve son olarak odak düzleminde bulunan dedektörler tarafından (bozulma tipine göre) kaydedilir. Tüm prosedür, tahminlere göre, sıcaklık koşullarına ve ayrılan atomların fizikokimyasal özelliklerine bağlı olarak saniyenin onda biri ile birkaç saniye arasında sürebilir. Kinematik ayırıcıya hız veren yeni birim MASHA'dır (tam adın kısaltması). Süper Ağır Atomların Kütle Analizörü) - işin verimliliğini yaklaşık 10 kat artıracak ve bozunma özellikleriyle birlikte süper ağır çekirdeklerin kütlesinin doğrudan bir ölçümünü verecektir.
Moskova Bölgesi Valisi B.V. tarafından tahsis edilen hibe sayesinde. Gromov'un bu kurulumu yaratması için kısa sürede tasarlandı ve üretildi - 2 yıl içinde test edildi ve işletmeye hazır hale geldi. MASHA kurulumu ile hızlandırıcının yeniden inşasından sonra. araştırmamızı yeni nüklidlerin özelliklerine doğru önemli ölçüde genişleteceğiz ve daha ağır elementlerin bulunduğu bölgeye gitmeye çalışacağız.

(doğadaki süper ağır elementleri arayın)

Süper ağır elementler sorununun bir başka yönü, daha uzun ömürlü nüklidlerin üretimi ile ilgilidir. Yukarıda açıklanan deneylerde, yalnızca "adanın" kenarına yaklaştık, dik bir yükseliş bulduk, ancak çekirdeklerin binlerce ve hatta belki de milyonlarca yıl yaşayabileceği zirvesinden hala çok uzaktayız. N=184 kabuğuna yaklaşmak için sentezlenmiş çekirdeklerde yeterli nötrona sahip değiliz. Bugün, bu elde edilemez - bu tür nötron açısından zengin nüklidler elde etmeyi mümkün kılacak hiçbir reaksiyon yoktur. Belki de uzak bir gelecekte fizikçiler, 48 Ca çekirdeğinden daha fazla sayıda nötron içeren yoğun radyoaktif iyon demetleri kullanabilecekler. Bu tür projeler, şimdiye kadar bu tür hızlandırıcı devlerin yaratılması için gerekli maliyetlere değinilmeden geniş çapta tartışılıyor.

Ancak, bu soruna diğer taraftan yaklaşmayı deneyebilirsiniz.

En uzun ömürlü süper ağır çekirdeklerin yarı ömrünün 10 5 ÷ 10 6 yıl olduğunu varsayarsak (tahminlerini de kesin doğrulukla yapan teorinin tahminlerinden çok farklı değildir), o zaman mümkündür Evrenin diğer, daha genç gezegenlerindeki oluşum unsurlarının tanıkları olan kozmik ışınlarda tespit edilebilirler. "Uzun ömürlülerin" yarı ömrünün on milyonlarca yıl veya daha fazla olabileceğine dair daha da güçlü bir varsayım yaparsak, elementlerin oluştuğu andan itibaren çok küçük miktarlarda hayatta kalarak Dünya'da mevcut olabilirler. içinde Güneş Sistemi günümüze kadar.
Muhtemel adaylar arasında, çekirdeği yaklaşık 180 nötron içeren 108. elementin (Hs) izotoplarını tercih ediyoruz. kimyasal deneyler Kısa ömürlü izotop 269 Hs (T 1/2 ~ 9 s) ile gerçekleştirilen , Periyodik yasaya göre beklendiği gibi element 108'in element 76 - osmiyumun (Os) kimyasal homologu olduğunu gösterdi.

Şekil 10
Element 108'in bozunması sırasında çekirdeklerin kendiliğinden parçalanmasından kaynaklanan bir nötron flaşının kaydedilmesi için kurulum. (Modan, Fransa'daki yer altı laboratuvarı)

O zaman bir metalik osmiyum numunesi çok küçük miktarlarda Eka(Os) elementi içerebilir. Osmiyumda Eka(Os) varlığı, radyoaktif bozunmasından belirlenebilir. Belki de süper ağır bir uzun karaciğer kendiliğinden fisyon yaşayacak veya daha hafif ve daha kısa ömürlü bir kızın önceki alfa veya beta bozunmalarından (çekirdeğin nötronlarından birinin protona dönüştüğü bir tür radyoaktif dönüşüm) sonra kendiliğinden fisyon meydana gelecektir. veya torun çekirdeği. Bu nedenle, ilk aşamada, bir osmiyum örneğinin kendiliğinden fisyonunun nadir olaylarını kaydetmek için bir deney oluşturmak mümkündür. Böyle bir deney hazırlanıyor. Ölçümler bu yılın sonunda başlayacak ve 1-1,5 yıl sürecek. Bir süper ağır çekirdeğin bozunması, kendiliğinden fisyona eşlik eden bir nötron parlaması ile kaydedilecektir. Tesisatı, etkisi altında ortaya çıkan nötronların arka planından korumak için kozmik ışınlar 4000 metrelik su eşdeğeri katmanına karşılık gelen derinlikte, Fransa'yı İtalya'ya bağlayan tünelin ortasında, Alpler'in altında yer alan bir yer altı laboratuvarında ölçümler yapılacak.
Ölçüm yılı boyunca bir süper ağır çekirdeğin kendiliğinden fisyonunun en az bir olayı gözlemlenirse, bu, Os numunesindeki yaklaşık 5'lik bir element 108 konsantrasyonuna karşılık gelecektir. × 10 -15 g/g., Yarı ömrünün 10 9 yıl olduğu varsayılırsa. Böyle küçük bir değer, yer kabuğundaki uranyum konsantrasyonunun yalnızca 10-16'sıdır.
Deneyin ultra yüksek hassasiyetine rağmen, kalıntı, süper ağır nüklidleri tespit etme şansı azdır. Ancak herhangi bir bilimsel araştırmanın her zaman küçük bir şansı vardır ... Etki eksikliği, üst sınır T 1/2 seviyesinde bir uzun karaciğerin yarı ömrü ≤ 3× 10 7 yaşında. Çok etkileyici değil, ancak süper ağır elementlerin yeni kararlılık bölgesindeki çekirdeklerin özelliklerini anlamak için önemli.

Süper ağır elementler tarafından atom çekirdeğinin varlığına ilişkin kısıtlamalar da vardır. Z > 92 olan elementler doğal koşullarda bulunmadı. Sıvı damlası modeline dayalı hesaplamalar, Z2/A ≈ 46 (yaklaşık 112) ile çekirdekler için fisyon bariyerinin ortadan kalkacağını öngörür. Süper ağır çekirdeklerin sentezi probleminde, iki soru çemberi seçilmelidir.

1. Süper ağır çekirdeklerin hangi özellikleri olmalıdır? Bu bölgede Z ve N sihirli sayıları olacak mı? Süper ağır çekirdeklerin ana bozunma kanalları ve yarı ömürleri nelerdir?
2. Süper ağır çekirdeklerin sentezi, bombardıman çekirdeği türleri, beklenen kesitler, beklenen bileşik çekirdek uyarma enerjileri ve uyarma kanallarının sentezi için hangi reaksiyonlar kullanılmalıdır?

Süper ağır çekirdeklerin oluşumu, hedef çekirdek ile gelen parçacığın tamamen kaynaşması sonucu meydana geldiğinden, oluşturmak için gereklidir. teorik modellerçarpışan iki çekirdeğin bir bileşik çekirdeğe füzyon sürecinin dinamiklerini açıklamak.
Süper ağır elementlerin sentezlenmesi sorunu, Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (sihirli sayılar) olan çekirdeklerin, çeşitli radyoaktif bozunma modlarına göre artan kararlılığa sahip olması gerçeğiyle yakından ilgilidir. Bu fenomen kabuk modeli çerçevesinde açıklanır - sihirli sayılar dolu kabuklara karşılık gelir. Doğal olarak, Z ve N'de aşağıdaki sihirli sayıların varlığıyla ilgili soru ortaya çıkıyor. N-Z diyagramının atom çekirdeği N> 150, Z> 101 bölgesinde bulunuyorlarsa, artan yarı ömürlerle süper ağır çekirdekler gözlemlenmelidir, yani bir İstikrar Adası olmalı. Spin-yörünge etkileşimi hesaba katılarak Woods-Saxon potansiyeli kullanılarak yapılan hesaplamalara dayanarak, Z = 114 olan bir çekirdek için çekirdeklerin kararlılığında bir artışın beklenmesi gerektiği, yani bir sonraki dolu proton kabuğunun karşılık geldiği gösterilmiştir. Z = 114'e göre, dolu nötron kabuğu N sayısına karşılık gelir ~ 184. Kapalı kabuklar, fisyon bariyerinin yüksekliğini önemli ölçüde artırabilir ve buna bağlı olarak çekirdeğin ömrünü uzatabilir. Böylece, çekirdeklerin bu bölgesinde (Z = 114, N ~ 184) İstikrar Adasını aramalı. Aynı sonuç bağımsız olarak elde edildi.
Z = 101–109 olan çekirdekler 1986'dan önce keşfedildi ve şöyle adlandırıldı: 101 - Md (Menelevium), 102 - Hayır (Nobelium), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium) 1997'de Dubna'dan araştırmacıların çok sayıda ağır element izotopunun (102-105) keşfindeki esasları göz önüne alındığında, Saf ve Uygulamalı Kimya Genel Kurulu kararı ile Z = 105 olan elemente Dubnium (Db) adı verildi. Bu element daha önce Ha (Hannium) olarak adlandırılıyordu.

Pirinç. 12.3. Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112) izotoplarının bozunma zincirleri.

Süper ağır çekirdek araştırmalarında yeni bir aşama, tespit etkinliğinin önemli ölçüde arttığı ve süper ağır çekirdekleri gözlemleme tekniğinin geliştirildiği 1994 yılında başladı. Sonuç olarak, Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) ve Cn (Z = 112) izotopları tespit edildi.
50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn ve 82 Se hızlandırılmış kirişler kullanılarak süper ağır çekirdekler elde edildi. 208Pb ve 209Bi izotopları hedef olarak kullanıldı. 110 elementinin çeşitli izotopları Nükleer Reaksiyon Laboratuvarında sentezlendi. G.N. 244 Pu(34 S,5n) 272 110 reaksiyonunu kullanan Flerov ve 208 Pb(62 Ni, n) 269 110 reaksiyonundaki GSI'da (Darmstadt) (Şekil 12.3).
Süper ağır elementlerin üretiminde önemli bir rol, kimyasal elementlerin beklenen özelliklerinin ve oluşabilecekleri reaksiyonların hesaplandığı teorik modeller tarafından oynanır.
Çeşitli teorik modellere dayanarak, süper ağır çekirdeklerin bozunma özellikleri hesaplandı. Bu hesaplamalardan birinin sonuçları Şek. 12.4. Kendiliğinden fisyon (a), α bozunması (b), β bozunması (c) ve olası tüm bozunma süreçleri (d) ile ilgili çift-çift süper ağır çekirdeklerin yarı ömürleri verilmiştir. Kendiliğinden fisyona göre en kararlı çekirdek (Şekil 12.4a), Z = 114 ve N = 184 olan çekirdektir. Bunun için, spontan fisyona göre yarılanma ömrü ~10 16 yıldır. En kararlı olandan 6-8 nötron farklı olan 114. elementin izotopları için yarı ömürler
10-15 sipariş. α bozunmasına göre yarı ömürler, şekil 2'de gösterilmiştir. 12.5b. En kararlı çekirdek, Z = 114 ve N = 184 (T 1/2 = 10 15 yıl) bölgesinde bulunur.
β-bozunmasına göre stabil olan çekirdekler, Şekiller 1 ve 2'de gösterilmektedir. 12.4c koyu noktalar. Şek. Şekil 12.4d, merkezi kontur içinde yer alan çift-çift çekirdekler için ~10 5 yıl olan toplam yarı ömürleri göstermektedir. Böylece, tüm bozunma türleri hesaba katıldıktan sonra, Z = 110 ve N = 184 civarındaki çekirdeklerin bir "kararlılık adası" oluşturduğu ortaya çıkıyor. 294 110 çekirdeğinin yarı ömrü yaklaşık 10 9 yıldır. Z'nin değeri ile kabuk modeli tarafından tahmin edilen sihirli sayı 114 arasındaki fark, fisyon (Z = 114 olan çekirdeğin en kararlı olduğu) ve α-bozunması (hangi çekirdek ile ilgili olarak) arasındaki rekabetten kaynaklanmaktadır. daha küçük Z kararlıdır). Tek-çift ve çift-tek çekirdeklerin yarı ömürleri vardır.
α bozunması ve spontan fizyon artar ve β bozunmasına göre azalır. Yukarıdaki tahminlerin büyük ölçüde hesaplamalarda kullanılan parametrelere bağlı olduğu ve yalnızca deneysel olarak tespit edilmeleri için yeterince uzun ömürleri olan süper ağır çekirdeklerin var olma olasılığının göstergeleri olarak kabul edilebileceği belirtilmelidir.

Pirinç. 12.4. Çift-çift süper ağır çekirdekler için hesaplanan yarı ömürler (sayılar, yıl cinsinden yarı ömürleri gösterir):
a - kendiliğinden fisyona göre, b - α bozunması, c - e-yakalama ve β bozunması, d - tüm bozunma süreçleri için

Süper ağır çekirdeklerin denge şeklinin ve yarı ömürlerinin başka bir hesaplamasının sonuçları Şekil 1'de gösterilmektedir. 12.5, 12.6. Şek. 12.5, Z = 104-120 olan çekirdekler için denge deformasyon enerjisinin nötron ve proton sayısına bağımlılığını gösterir. Gerinim enerjisi, denge ve küresel formdaki çekirdeklerin enerjileri arasındaki fark olarak tanımlanır. Bu verilerden Z = 114 ve N = 184 bölgelerinin temel durumda küresel şekle sahip çekirdekler içermesi gerektiği görülmektedir. Bugüne kadar keşfedilen tüm süper ağır çekirdekler (Şekil 12.5'te koyu elmaslarla gösterilmiştir) deforme olmuştur. Hafif elmaslar, β-çürümesine göre kararlı olan çekirdekleri gösterir. Bu çekirdekler, α bozunması veya fisyon sonucunda bozunmalıdır. Ana bozunma kanalı α bozunması olmalıdır.

Çift-hatta β-kararlı izotoplar için yarı ömürler, şekil 2'de gösterilmiştir. 12.6. Bu tahminlere göre, çoğu çekirdek için yarı ömürlerin, hâlihazırda keşfedilmiş süper ağır çekirdekler için gözlemlenenlerden (0,1–1 ms) çok daha uzun olması bekleniyor. Örneğin, 292 Ds çekirdeği için ~51 yıllık bir ömür öngörülüyor.
Böylece, modern mikroskobik hesaplamalara göre, süper ağır çekirdeklerin kararlılığı, nötron sihirli sayısı N = 184'e yaklaştıkça keskin bir şekilde artar.Yakın zamana kadar, Z = 112Cn (kopernikyum) elementinin tek izotopu, yarısı olan 277Cn izotopuydu. -0,24 ms ömür. Daha ağır izotop 283 Cn, 48 Ca + 238 U soğuk füzyon reaksiyonunda sentezlendi. Işınlama süresi 25 gün. Hedefteki toplam 48 Ca iyonu sayısı 3,5 10 18'dir. Oluşan 283 Cn izotopunun kendiliğinden bölünmesi olarak yorumlanan iki vaka kaydedildi. Bu yeni izotopun yarı ömrünün T 1/2 = 81 s olduğu tahmin edilmiştir. Böylece, 277 Cn izotopuna kıyasla 283 Cn izotopundaki nötron sayısının 6 birim artmasının ömrü 5 kat arttırdığı görülebilir.
Şek. Çalışmadan alınan 12.7, deneysel olarak ölçülen α-bozunma periyotları, çekirdeğin kabuk yapısı dikkate alınmadan sıvı damla modeline dayalı teorik hesaplamaların sonuçlarıyla karşılaştırılır. Uranyumun hafif izotopları hariç, tüm ağır çekirdekler için, kabuk etkilerinin çoğu çekirdek için yarı ömrü 2-5 kat arttırdığı görülebilir. Çekirdeğin kabuk yapısı, kendiliğinden fisyona göre yarı ömürler üzerinde daha da güçlü bir etkiye sahiptir. Pu izotopları için yarı ömürdeki artış, birkaç büyüklük sırasıdır ve 260 Sg izotop için artar.

Pirinç. 12.7. Çekirdeğin kabuk yapısı dikkate alınmadan sıvı damla modeline dayalı olarak transuranyum elementlerinin deneysel olarak ölçülen (● exp) ve teorik olarak hesaplanan (○ Y) yarı ömürleri. Üstteki şekil α bozunması için yarı ömürleri, alttaki şekil kendiliğinden fisyon için yarı ömürleri gösterir.

Şek. Şekil 12.8, çeşitli teorik modellerden elde edilen tahminlere kıyasla Sg (Z = 106) seaborgium izotoplarının ölçülen ömrünü göstermektedir. N = 164 olan izotopun ömrünün, N = 162 olan izotopun ömrüne kıyasla neredeyse bir büyüklük sırası kadar azalması dikkat çekicidir.
Stabilite adasına en yakın yaklaşım 76 Ge + 208 Pb reaksiyonunda elde edilebilir. Bir süper ağır neredeyse küresel çekirdek, bir füzyon reaksiyonunda oluşturulabilir ve ardından γ-kuanta veya bir nötron emisyonu olabilir. Tahminlere göre, ortaya çıkan çekirdek 284 114, yarı ömrü ~ 1 ms olan a-parçacıklarının emisyonu ile bozunmalıdır. Ek bilgi kabuğun N = 162 bölgesindeki işgali, 271 Hs ve 267 Sg çekirdeklerinin α bozunmaları incelenerek elde edilebilir. Bu çekirdekler için 1 dakikalık yarı ömürler tahmin edilmektedir. ve 1 saat. 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271,273 Ds çekirdekleri için izomerizm beklenir, bunun nedeni N = 162 bölgesinde alt kabukların j = 1/2 ve j = 13/2 ile doldurulmasıdır. Zemin durumu.

Şek. Şekil 12.9, gelen 50 Ti ve 56 Fe iyonlarının hedef çekirdek 208 Pb ile füzyon reaksiyonları için Rf (Z = 104) ve Hs (Z = 108) elementlerinin oluşumu için deneysel olarak ölçülen uyarma fonksiyonlarını göstermektedir.
Ortaya çıkan bileşik çekirdek, bir veya iki nötronun salınmasıyla soğutulur. Ağır iyon füzyon reaksiyonlarının uyarım fonksiyonları hakkında bilgi, süper ağır çekirdeklerin elde edilmesi için özellikle önemlidir. Ağır iyonların füzyon reaksiyonunda, Coulomb kuvvetlerinin hareketi ile yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisini tam olarak dengelemek gerekir. Gelen iyonun enerjisi yeterince büyük değilse, ikili nükleer sistemin birleşmesi için minimum yaklaşma mesafesi yeterli olmayacaktır. Gelen parçacığın enerjisi çok yüksekse, ortaya çıkan sistem yüksek bir uyarma enerjisine sahip olacak ve yüksek olasılıkla parçalara ayrılacaktır. Birleşme etkili bir şekilde çarpışan parçacıkların oldukça dar bir enerji aralığında gerçekleşir.

Şekil 12.10. 64 Ni ve 208 Pb'nin füzyonu sırasındaki potansiyellerin şeması.

Minimum sayıda nötron (1-2) emisyonu ile füzyon reaksiyonları özellikle ilgi çekicidir, çünkü sentezlenmiş süper ağır çekirdeklerde, en büyük N/Z oranına sahip olmak arzu edilir. Şek. 12.10, 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds reaksiyonundaki çekirdekler için füzyon potansiyelini gösterir. En basit tahminler, nükleer füzyon için bir tünel etkisinin olasılığının ~10–21 olduğunu ve bunun gözlemlenen enine kesitten çok daha düşük olduğunu göstermektedir. Bu şu şekilde açıklanabilir. Çekirdek merkezleri arasındaki 14 fm mesafede, 236.2 MeV'lik ilk kinetik enerji, Coulomb potansiyeli tarafından tamamen telafi edilir. Bu mesafede, sadece çekirdeğin yüzeyinde bulunan nükleonlar temas halindedir. Bu nükleonların enerjisi küçüktür. Bu nedenle, nükleonların veya nükleon çiftlerinin bir çekirdekteki yörüngeleri terk etme ve ortak çekirdeğin serbest durumlarına geçme olasılığı yüksektir. Nükleonların mermi çekirdeğinden hedef çekirdeğe transferi, hedef olarak çift sihirli kurşun izotopu 208Pb kullanıldığında özellikle çekicidir. 208 Pb'de proton alt kabuğu h 11/2 ve nötron alt kabukları h 9/2 ve i 13/2 doludur. Başlangıçta, protonların transferi, proton-proton çekim kuvvetleri tarafından ve h 9/2 alt kabuğunu doldurduktan sonra - proton-nötron çekim kuvvetleri tarafından uyarılır. Benzer şekilde nötronlar, önceden doldurulmuş olan i 13/2 alt kabuğundan gelen nötronlar tarafından çekilerek serbest alt kabuğa i 11/2 hareket eder. Eşleşme enerjisi ve büyük yörünge momentumu nedeniyle, bir çift nükleonun transferi, tek bir nükleonun transferinden daha olasıdır. 64 Ni 208 Pb'den iki protonun transferinden sonra, Coulomb bariyeri 14 MeV azalır, bu da etkileşen iyonlar arasında daha yakın teması ve nükleon transfer sürecinin devamını destekler.
Eserlerde [V.V. Volkov. Derin elastik olmayan transferlerin nükleer reaksiyonları. M. Energoizdat, 1982; VV Volkov. İzv. AN SSSR serisi fiz., 1986 v. 50 s. 1879] füzyon reaksiyonunun mekanizmasını ayrıntılı olarak inceledi. Zaten yakalama aşamasında, gelen parçacığın kinetik enerjisinin tamamen dağılmasından sonra ikili bir nükleer sistemin oluştuğu ve çekirdeklerden birinin nükleonlarının yavaş yavaş kabuk kabuk başka bir çekirdeğe aktarıldığı gösterilmiştir. Yani çekirdeğin kabuk yapısı, bileşik çekirdeğin oluşumunda önemli bir rol oynar. Bu modele dayanarak, soğuk füzyon reaksiyonlarında bileşik çekirdeklerin uyarılma enerjisini ve Z = 102–112 elementlerinin oluşumu için enine kesiti yeterince tanımlamak mümkündü.
Böylece, transuranyum elementleri Z = 107-112'nin sentezindeki ilerleme, sihirli izotoplar 208Pb ve 209Bi'nin Z = 22-30 olan iyonlarla ışınlandığı soğuk füzyon reaksiyonlarının "keşfi" ile ilişkilendirildi. Soğuk füzyon reaksiyonunda oluşan çekirdek zayıf bir şekilde ısıtılır ve bir nötronun emisyonu sonucu soğur. Böylece ilk kez Z = 107–112 olan kimyasal elementlerin izotopları elde edildi. Bu kimyasal elementler 1978–1998 döneminde elde edildi. Almanya'da Darmstadt'taki GSI Araştırma Merkezi'nde amaca yönelik olarak oluşturulmuş bir hızlandırıcı üzerinde. Bununla birlikte, daha fazla ilerleme - daha ağır çekirdeklere doğru - bu yöntemle, çarpışan çekirdekler arasındaki potansiyel engelin büyümesi nedeniyle zor olduğu ortaya çıkıyor. Bu nedenle, Dubna'da süper ağır çekirdek elde etmek için başka bir yöntem uygulandı. Yapay olarak elde edilen kimyasal elementlerin en ağır izotopları plütonyum Pu (Z=94), amerikyum Am (Z=95), küryum Cm (Z=96), berkelyum Bk (Z=97) ve kaliforniyum Cf (Z=98) olarak kullanılmıştır. hedefler. . Hızlandırılmış iyonlar olarak kalsiyum izotop 48Ca (Z = 20) seçildi. Ayırıcının ve geri tepme çekirdeklerinin detektörünün şematik bir görünümü, Şek. 12.11.

Pirinç. 12.11. Dubna'daki süper ağır elementlerin sentezi üzerine deneyler için kullanılan bir geri tepme ayırıcısının şematik görünümü.

Geri tepme çekirdeklerinin manyetik ayırıcısı, reaksiyon yan ürünlerinin arka planını 105-107 kat azaltır. Reaksiyon ürünlerinin kaydı, konuma duyarlı bir silikon detektör kullanılarak gerçekleştirildi. Geri tepme çekirdeklerinin enerjisi, koordinatları ve uçuş süresi ölçüldü. Durdurmadan sonra, tespit edilen bozunma parçacıklarından sonraki tüm sinyaller, implante edilmiş çekirdeğin durma noktasından gelmelidir. Geliştirilen teknik, yüksek derecede güvenilirlikle (≈ %100), dedektörde durdurulan bir süper ağır çekirdek ile onun bozunma ürünleri arasında bir bağlantı kurmayı mümkün kıldı. Bu tekniği kullanarak, süper ağır elementler ile
Z = 110–118 (Tablo 12.2).
Tablo 12.2, Z = 110–118 olan süper ağır kimyasal elementlerin özelliklerini gösterir: kütle numarası A, m, kütle numarası A olan bir izotopta izomerik bir durumun varlığı, spin-parite JP , nükleer bağlanma enerjisi E St, spesifik bağlanma enerjisi ε, nötron ayırma enerjileri Bn ve proton Bp , yarı ömür T 1/2 ve ana bozunma kanalları.
Z > 112 kimyasal elementlerinin henüz adları yoktur ve kabul görmüş uluslararası adlandırmalarla verilmiştir.

Tablo 12.2

Süper ağır kimyasal elementlerin özellikleri Z = 110–118

XX-A-m	JP	Ağırlık çekirdek, MeV	E sv, MeV	ε, MeV	B n , MeV	B p , MeV	T 1/2	çürüme modası
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 saniye	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 sn	α?, SF?
Ds-275		256246.44	1991.8	7.2	5.6	2.9	2 sn	α?
Ds-276	0 +	257178.73	1999.1	7.2	7.3	3.2	5 saniye	SF?, α?
Ds-277		258112.63	2004.7	7.2	5.7	3.1	5 saniye	α?
Ds-278	0 +	259044.92	2012.0	7.2	7.3		10 saniye	SF?, α?
Ds-279		259978.62	2017.9	7.2	5.9		0,18 sn	SF ≈90%, α ≈10%
Ds-281		261844.60	2031.0	7.2			9,6 saniye	SF ≈100%
Z \u003d 111 - röntgen
Rg-272		253452.75	1965.5	7.2		0.2	3,8ms	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	100ms	SF?, α?
Rg-277		258115.72	2000.4	7.2	7.1	1.3	1 saniye	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 sn	α ≈100%
Rg-280		260914.80	2020.0	7.2	6.2	2.1	3,6 sn	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	4 m	SF?, α?
Rg-283		263712.98	2040.5	7.2	7.2		10 m	SF?, α?
Z = 112 - Kopernik
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 sn	SF?, α?
cn-280	0 +	260916.69	2016.8	7.2	7.6	3.0	1 saniye	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 sn	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 sn	α ≈100%
Z = 113
uut-278							0,24 ms	α %100
uut-283		263719.46	2031.4	7.2		1.0	100ms	α %100
uut-284		264652.45	2038.0	7.2	6.6	1.4	0,48 sn	α ≈100%
Uut-285		265584.55	2045.5	7.2	7.5	1.4	2 m	α?, SF?
uut-286		266517.64	2051.9	7.2	6.5	1.4	5 m	α?, SF?
uut-287		267449.64	2059.5	7.2	7.6		20 m	α?, SF?
Z = 114
Uuq-286	0 +	266520.33	2048.0	7.2		2.5	0,16 sn	SF ≈%60, α ≈%40
Uuq-287		267453.42	2054.4	7.2	6.5	2.5	0,51 sn	α ≈100%
Uuq-288	0 +	268385.02	2062.4	7.2	8.0	2.9	0,80 sn	α ≈100%
Uuq-289		269317.91	2069.1	7.2	6.7		2,7 sn	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 saniye	SF?, α?
Uup-290		270255.30	2070.0	7.1	6.8	0.9	10 saniye	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	6.3ms	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
US-291		271197.37	2064.9	7.1		-0.1	10 ms	SF?, α?
US-292		272129.76	2072.0	7.1	7.2	0.3	50ms	SF?, α?
Z = 118
Uuo-294	0 +						1,8ms	α ≈100%

Şek. 12.12, füzyon reaksiyonlarında elde edilen Z = 110–118 ile bilinen en ağır izotopları gösterir ve deneysel olarak ölçülen yarı ömrü gösterir. Stabilite adasının (Z = 114, N = 184) teorik olarak tahmin edilen konumu da burada gösterilmektedir.

Pirinç. 12.12. Z = 110–118 öğelerinin N-Z diyagramı.

Elde edilen sonuçlar, iki kat sihirli bir çekirdeğe yaklaşırken (Z = 114, N = 184) izotopların kararlılığında bir artış olduğunu kesin olarak göstermektedir. Z = 110 ve 112 olan çekirdeklere 7–8 nötron eklenmesi, yarı ömrü 2,8'den (Ds-267) ≈ 10 s'ye (Ds-168, Ds 271) yükseltir. Yarı ömür T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5 ms, T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 dakikaya yükselir. Z = 110–112 elementlerinin en ağır izotopları ≈ 170 nötron içerir, bu da sihirli sayı N = 184'ten hala uzaktır. Z > 111 ve N > 172 olan en ağır izotopların tümü ağırlıklı olarak
α bozunması, kendiliğinden fisyon daha nadir bir bozunmadır. Bu sonuçlar teorik tahminlerle iyi bir uyum içindedir.
Nükleer Reaksiyon Laboratuvarında. G.N. Z = 114 olan bir element olan Flerov (Dubna) sentezlendi ve reaksiyon kullanıldı.

289 114 çekirdeğinin tanımlanması, bir α bozunma zinciri tarafından gerçekleştirildi. İzotopun yarılanma ömrünün deneysel tahmini 289 114 ~30 s. Elde edilen sonuç önceki hesaplamalarla iyi bir uyum içindedir.
48 Cu + 244 Pu reaksiyonunda 114 elementinin sentezi sırasında, üç nötronun buharlaşmasıyla bir kanalda Z = 114 ile izotopların maksimum verimi gözlendi. Bu durumda, 289 114 bileşik çekirdeğinin uyarım enerjisi 35 MeV idi.
248 Cm + 48 Ca → 296 116 reaksiyonunda oluşan 296 116 çekirdeği ile meydana gelen teorik olarak tahmin edilen bozulma dizisi, Şekil 12.13'te gösterilmektedir.

Pirinç. 12.13. Çekirdeğin çürüme şeması 296 116.

İzotop 296 116, dört nötronun emisyonunun bir sonucu olarak soğur ve 292 116 izotopuna dönüşür, bu daha sonra %5 olasılıkla birbirini izleyen iki e-yakalamanın bir sonucu olarak izotop 292 114'e dönüşür. Sonuç olarak α bozunmasının (T 1/2 = 85 gün ) 292 114 izotopu 288 112 izotopuna dönüştürülür.288 112 izotopunun oluşumu da kanal yoluyla gerçekleşir.

Her iki zincirin bir sonucu olarak oluşan son çekirdek 288 112, yaklaşık 1 saatlik bir yarı ömre sahiptir ve kendiliğinden fisyon sonucu bozunur. Yaklaşık %10 olasılıkla 288 114 izotopunun alfa bozunması 284 112 izotopunun oluşmasına neden olabilir.Yukarıdaki periyotlar ve bozunma kanalları hesaplanarak elde edilmiştir.
Şek. Şekil 12.14, Dubna'daki deneylerde ölçülen, izotop 288 115'in ardışık a bozunma zincirini göstermektedir. ER, konuma duyarlı bir silikon detektöre yerleştirilmiş bir geri tepme çekirdeğinin enerjisidir. Üç deneyde α bozunmalarının yarı ömürleri ve enerjilerinde iyi bir uyum kaydedilebilir; bu, α parçacıklarının spektrumlarının ölçümlerini kullanarak süper ağır elementleri belirleme yönteminin güvenilirliğini gösterir.

Pirinç. 12.14. Dubna'daki deneylerde ölçülen, izotop 288 115'in birbirini izleyen α bozunma zinciri.

Z = 118 ile laboratuarda üretilen en ağır element reaksiyonda sentezlendi

48Ca + 249Cf → 294 118 + 3n.

Coulomb bariyerine yakın bir iyon enerjisinde, 118 elementinin oluşumunun üç durumu gözlemlendi. 294 118 çekirdek, bir silikon detektöre implante edildi ve birbirini izleyen bir α bozunma zinciri gözlemlendi. 118 elementinin üretimi için enine kesit ~2 pikobardır. 293 118 izotopunun yarı ömrü 120 ms'dir.
Şek. Şekil 12.15, 293 118 izotopunun teorik olarak hesaplanmış ardışık α bozunma zincirini ve α bozunmalarının bir sonucu olarak oluşan yavru çekirdeklerin yarı ömürlerini gösterir.

Pirinç. 12.15. İzotop 293 118'in ardışık α bozunma zinciri.
α bozunmalarının bir sonucu olarak üretilen yavru çekirdeklerin ortalama ömürleri verilmiştir.

Ağır iyonlarla reaksiyonlarda aşırı ağır elementlerin oluşumu için çeşitli olasılıkları analiz ederken, aşağıdaki koşullar dikkate alınmalıdır.

1. Nötron sayısının proton sayısına yeterince büyük bir oranına sahip bir çekirdek oluşturmak gerekir. Bu nedenle, gelen parçacık olarak büyük N/Z'ye sahip ağır iyonlar seçilmelidir.
2. Ortaya çıkan bileşik çekirdeğin düşük bir uyarma enerjisine ve küçük bir açısal momentum değerine sahip olması gerekir, aksi takdirde fisyon bariyerinin etkin yüksekliği azalacaktır.
3. Ortaya çıkan çekirdeğin küreye yakın bir şekle sahip olması gerekir, çünkü hafif bir deformasyon bile süper ağır çekirdeğin hızlı bir şekilde bölünmesine yol açacaktır.

Süper ağır çekirdek elde etmek için çok umut verici bir yöntem, 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es tipi reaksiyonlardır. Şek. 12.16, hızlandırılmış 238 U iyonları ile 248 Cm, 249 Cf ve 254 Es'ten hedeflerin ışınlanması üzerine transuranyum elementlerinin oluşumu için tahmini kesitleri göstermektedir. Bu reaksiyonlarda, Z > 100 olan elementlerin oluşumuna yönelik kesitlerde ilk sonuçlar elde edilmiştir.Çalışılan reaksiyonların verimini artırmak için hedeflerin kalınlıkları, reaksiyon ürünleri kalacak şekilde seçilmiştir. hedefte. Işınlamadan sonra, bireysel kimyasal elementler hedeften ayrıldı. Elde edilen numunelerde, α bozunma ürünleri ve fisyon fragmanları birkaç ay boyunca kayıt altına alındı. Hızlandırılmış uranyum iyonları kullanılarak elde edilen veriler, daha hafif iyon bombardımanına kıyasla ağır transuranyum elementlerinin veriminde bir artış olduğunu açıkça göstermektedir. Bu gerçek, süper ağır çekirdeklerin sentezi sorununu çözmek için son derece önemlidir. Karşılık gelen hedeflerle çalışmanın zorluklarına rağmen, büyük Z'ye doğru hareket etme tahminleri oldukça iyimser görünüyor.

Pirinç. 12.16. 238 U'nun 248 Cm, 249 Cf ve 254 Es ile reaksiyonlarında uranyumötesi elementlerin oluşumu için kesit tahminleri

Son yıllarda süper ağır çekirdekler alanındaki ilerleme şaşırtıcı derecede etkileyiciydi. Ancak İstikrar Adası'nı keşfetmeye yönelik tüm girişimler şu ana kadar başarısız oldu. Onu arama çalışmaları yoğun bir şekilde devam ediyor.
Atom çekirdeğinin kabuk yapısı, süper ağır çekirdeklerin kararlılığının arttırılmasında önemli bir rol oynar. Sihirli sayılar Z ≈ 114 ve N ≈ 184, eğer gerçekten varsalar, atom çekirdeğinin kararlılığında önemli bir artışa yol açabilir. Süper ağır çekirdeklerin bozunmasının, yeni süper ağır çekirdeklerin saptanması ve tanımlanmasına yönelik deneysel yöntemlerin geliştirilmesi için önemli olan α bozunmasının bir sonucu olarak meydana gelmesi de önemlidir.

Coulomb bariyerinin yakınındaki kripton iyonlarının enerjisinde, 118 elementinin oluşumunun üç durumu gözlemlendi. 293 118 çekirdeği, bir silikon detektöre implante edildi ve 269 Sg izotopunda sona eren, birbirini izleyen altı a-bozunmasından oluşan bir zincir gözlemlendi. 118 elementinin üretimi için enine kesit ~2 pikobardır. 293 118 izotopunun yarı ömrü 120 ms'dir. Şek. Şekil 3, izotop 293 118'in ardışık a bozunma zincirini ve a bozunmalarının bir sonucu olarak oluşan yavru çekirdeklerin yarı ömürlerini gösterir.

Çeşitli teorik modellere dayanarak, süper ağır çekirdeklerin bozunma özellikleri hesaplandı. Bu hesaplamalardan birinin sonuçları Şek. 4. Kendiliğinden fisyon (a), α-bozunma (b), β-bozunma (c) ve olası tüm bozunma süreçleri (d) ile ilgili olarak çift-çift süper ağır çekirdeklerin yarı ömürleri verilmiştir. Kendiliğinden fisyona göre en kararlı çekirdek (Şekil 4a), Z = 114 ve N = 184 ile çekirdektir. Kendiliğinden fisyona göre yarı ömrü ~10 16 yıldır. En kararlı olandan 6-8 nötron ile farklılık gösteren 114. elementin izotopları için, yarı ömürler 10-15 büyüklük sırasına göre azalır. α bozunmasına göre yarı ömürler, şekil 2'de gösterilmiştir. 4b. En kararlı çekirdek Z bölgesinde bulunur.< 114 и N = 184 (T 1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.

β-bozunmasına göre stabil olan çekirdekler, Şekiller 1 ve 2'de gösterilmektedir. 4c koyu noktalar. Şek. 4d tam yarı ömürleri gösterir. Merkezi konturun içinde yer alan çift-çift çekirdekler için ~10 5 yıldır. Böylece, tüm bozunma türleri hesaba katıldıktan sonra, Z = 110 ve N = 184 civarındaki çekirdeklerin bir "kararlılık adası" oluşturduğu ortaya çıkıyor. 294 110 çekirdeğinin yarı ömrü yaklaşık 10 9 yıldır. Z'nin değeri ile kabuk modeli tarafından tahmin edilen sihirli sayı 114 arasındaki fark, fisyon (Z = 114 olan çekirdeğin en kararlı olduğu) ve α-bozunması (hangi çekirdek ile ilgili olarak) arasındaki rekabetten kaynaklanmaktadır. daha küçük Z kararlıdır). Tek-çift ve çift-tek çekirdekler için, yarı ömürler α bozunmasına ve kendiliğinden fisyona göre artar ve β bozunmasına göre azalır. Yukarıdaki tahminlerin büyük ölçüde hesaplamalarda kullanılan parametrelere bağlı olduğu ve yalnızca deneysel olarak tespit edilmeleri için yeterince uzun ömürleri olan süper ağır çekirdeklerin var olma olasılığının göstergeleri olarak kabul edilebileceği belirtilmelidir.

Süper ağır çekirdeklerin denge şeklinin ve yarı ömürlerinin başka bir hesaplamasının sonuçları Şekil 1'de gösterilmektedir. 5, 11.11. Şek. 11.10, Z = 104-120 olan çekirdekler için denge deformasyon enerjisinin nötron ve proton sayısına bağımlılığını gösterir. Gerinim enerjisi, denge ve küresel formdaki çekirdeklerin enerjileri arasındaki fark olarak tanımlanır. Bu verilerden Z = 114 ve N = 184 bölgelerinin temel durumda küresel şekle sahip çekirdekler içermesi gerektiği görülmektedir. Bugüne kadar keşfedilen tüm süper ağır çekirdekler (Şekil 5'te koyu elmaslarla gösterilmiştir) deforme olmuştur. Hafif elmaslar, β-çürümesine göre kararlı olan çekirdekleri gösterir. Bu çekirdekler, α bozunması veya fisyon sonucunda bozunmalıdır. Ana bozunma kanalı α bozunması olmalıdır.

Çift-hatta β-kararlı izotoplar için yarı ömürler, şekil 2'de gösterilmiştir. 6. Bu tahminlere göre, çoğu çekirdek için yarı ömürlerin, hâlihazırda keşfedilmiş süper ağır çekirdekler için gözlemlenenden (0,1-1 ms) çok daha uzun olması bekleniyor. Örneğin, 292 110 çekirdeği için ~ 51 yıllık bir ömür öngörülüyor.
Böylece, modern mikroskobik hesaplamalara göre, süper ağır çekirdeklerin kararlılığı, nötron sihirli sayısı N = 184'e yaklaştıkça keskin bir şekilde artar. Yakın zamana kadar, Z = 112 olan bir elementin tek izotopu, yarı- 0,24 msn ömür. Daha ağır izotop 283 112, soğuk füzyon reaksiyonu 48 Ca + 238 U'da sentezlendi. Işınlama süresi 25 gün. Hedefteki toplam 48 Ca iyonu sayısı 3.5·10 18'dir. Oluşan izotop 283 112'nin kendiliğinden bölünmesi olarak yorumlanan iki vaka kaydedildi. Bu yeni izotopun yarı ömrü için, tahmini T 1/2 = 81 s elde edildi. Böylece, 277112 izotopuna kıyasla 283112 izotopundaki nötron sayısının 6 birim artmasının, ömrü 5 kat arttırdığı görülebilir.

Şek. Şekil 7, çeşitli teorik modellerin tahminleriyle karşılaştırmalı olarak seaborgium'un Sg (Z = 106) izotoplarının ölçülen ömrünü göstermektedir. N = 164 olan izotopun ömrünün, N = 162 olan izotopun ömrüne kıyasla neredeyse bir büyüklük sırası kadar azalması dikkat çekicidir.
Stabilite adasına en yakın yaklaşım 76 Ge + 208 Pb reaksiyonunda elde edilebilir. Bir süper ağır neredeyse küresel çekirdek, bir füzyon reaksiyonunda oluşturulabilir ve ardından γ-kuanta veya bir nötron emisyonu olabilir. Tahminlere göre, ortaya çıkan çekirdek 284 114, yarı ömrü ~ 1 ms olan a-parçacıklarının emisyonu ile bozunmalıdır. N = 162 bölgesindeki kabuğun doldurulması hakkında ek bilgi, 271 108 ve 267 106 çekirdeklerinin α bozunmaları incelenerek elde edilebilir. Bu çekirdekler için 1 dakikalık yarı ömürler tahmin edilmektedir. ve 1 saat. 263 106, 262 107, 205 108, 271.273 110 çekirdekleri için izomerizm beklenir, bunun nedeni N = 162 bölgesinde alt kabukların j = 1/2 ve j = 13/2 ile doldurulmasıdır. Zemin durumu.

Şek. Şekil 8, gelen 50 Ti ve 56 Fe iyonlarının 208 Pb hedef çekirdeği ile füzyon reaksiyonları için Rf (Z = 104) ve Hs (Z = 108) elementlerinin oluşumu için deneysel olarak ölçülen uyarma fonksiyonlarını göstermektedir.
Ortaya çıkan bileşik çekirdek, bir veya iki nötronun salınmasıyla soğutulur. Ağır iyon füzyon reaksiyonlarının uyarım fonksiyonları hakkında bilgi, süper ağır çekirdeklerin elde edilmesi için özellikle önemlidir. Ağır iyonların füzyon reaksiyonunda, Coulomb kuvvetlerinin hareketi ile yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisini tam olarak dengelemek gerekir. Gelen iyonun enerjisi yeterince büyük değilse, ikili nükleer sistemin birleşmesi için minimum yaklaşma mesafesi yeterli olmayacaktır. Gelen parçacığın enerjisi çok yüksekse, ortaya çıkan sistem yüksek bir uyarma enerjisine sahip olacak ve yüksek olasılıkla parçalara ayrılacaktır. Birleşme etkili bir şekilde çarpışan parçacıkların oldukça dar bir enerji aralığında gerçekleşir.

Minimum sayıda nötron (1-2) emisyonu ile füzyon reaksiyonları özellikle ilgi çekicidir, çünkü sentezlenmiş süper ağır çekirdeklerde, en büyük N/Z oranına sahip olmak arzu edilir. Şek. 9, reaksiyondaki çekirdekler için füzyon potansiyelini gösterir.
64 Ni + 208 Pb 272 110. En basit tahminler, nükleer füzyon için bir tünel etkisinin olasılığının ~ 10-21 olduğunu gösteriyor ki bu, gözlenen kesitten çok daha düşük. Bu şu şekilde açıklanabilir. Çekirdek merkezleri arasındaki 14 fm mesafede, 236.2 MeV'lik ilk kinetik enerji, Coulomb potansiyeli tarafından tamamen telafi edilir. Bu mesafede, sadece çekirdeğin yüzeyinde bulunan nükleonlar temas halindedir. Bu nükleonların enerjisi küçüktür. Bu nedenle, nükleonların veya nükleon çiftlerinin bir çekirdekteki yörüngeleri terk etme ve ortak çekirdeğin serbest durumlarına geçme olasılığı yüksektir. Nükleonların mermi çekirdeğinden hedef çekirdeğe transferi, hedef olarak çift sihirli kurşun izotopu 208Pb kullanıldığında özellikle çekicidir. 208 Pb'de proton alt kabuğu h 11/2 ve nötron alt kabukları h 9/2 ve i 13/2 doludur. Başlangıçta, protonların transferi, proton-proton çekim kuvvetleri tarafından ve h 9/2 alt kabuğunu doldurduktan sonra - proton-nötron çekim kuvvetleri tarafından uyarılır. Benzer şekilde nötronlar, önceden doldurulmuş olan i 13/2 alt kabuğundan gelen nötronlar tarafından çekilerek serbest alt kabuğa i 11/2 hareket eder. Eşleşme enerjisi ve büyük yörünge momentumu nedeniyle, bir çift nükleonun transferi, tek bir nükleonun transferinden daha olasıdır. 64 Ni 208 Pb'den iki protonun transferinden sonra, Coulomb bariyeri 14 MeV azalır, bu da etkileşen iyonlar arasında daha yakın teması ve nükleon transfer sürecinin devamını destekler.
Eserlerde [V.V. Volkov. Derin elastik olmayan transferlerin nükleer reaksiyonları. M. Energoizdat, 1982; VV Volkov. İzv. AN SSSR serisi fiz., 1986 v. 50 s. 1879] füzyon reaksiyonunun mekanizmasını ayrıntılı olarak inceledi. Zaten yakalama aşamasında, gelen parçacığın kinetik enerjisinin tamamen dağılmasından sonra ikili bir nükleer sistemin oluştuğu ve çekirdeklerden birinin nükleonlarının yavaş yavaş kabuk kabuk başka bir çekirdeğe aktarıldığı gösterilmiştir. Yani çekirdeğin kabuk yapısı, bileşik çekirdeğin oluşumunda önemli bir rol oynar. Bu modele dayanarak, soğuk füzyon reaksiyonlarında 102-112 element üretimi için bileşik çekirdeklerin uyarılma enerjisini ve kesitini oldukça iyi tanımlamak mümkün olmuştur.
Nükleer Reaksiyon Laboratuvarında. G.N. Z = 114 olan bir element olan Flerov (Dubna) sentezlendi ve reaksiyon kullanıldı.

289 114 çekirdeğinin tanımlanması, bir α bozunma zinciri tarafından gerçekleştirildi. İzotopun yarılanma ömrünün deneysel tahmini 289 114 ~30 s. Elde edilen sonuç önceki hesaplamalarla iyi bir uyum içindedir.
48 Cu + 244 Pu reaksiyonundaki element 114'ün sentezinde, üç nötronun buharlaşması ile kanaldan maksimum verim elde edilir. Bu durumda, 289 114 bileşik çekirdeğinin uyarım enerjisi 35 MeV idi.
Reaksiyonda oluşan 296 116 çekirdeği ile meydana gelen teorik olarak tahmin edilen bozulma dizisi, Şekil 10'da gösterilmektedir.

Pirinç. 10. Nükleer bozunma şeması 296 116

296 116 çekirdeği, dört nötronun emisyonu ile soğutulur ve 292 116 izotopuna dönüşür, bu daha sonra %5 olasılıkla art arda iki e-yakalama sonucunda 292 114 izotopuna dönüşür. -çürüme (T 1/2 = 85 gün), 292 114 izotopu 288 112 izotopuna dönüşür. 288 112 izotopunun oluşumu da kanal yoluyla gerçekleşir

Her iki zincirin bir sonucu olarak oluşan son çekirdek 288 112, yaklaşık 1 saatlik bir yarı ömre sahiptir ve kendiliğinden fisyon sonucu bozunur. Yaklaşık %10 olasılıkla 288 114 izotopunun alfa bozunması 284 112 izotopunun oluşmasına neden olabilir.Yukarıdaki periyotlar ve bozunma kanalları hesaplanarak elde edilmiştir.
Ağır iyonlarla reaksiyonlarda aşırı ağır elementlerin oluşumu için çeşitli olasılıkları analiz ederken, aşağıdaki koşullar dikkate alınmalıdır.

1. Nötron sayısının proton sayısına yeterince büyük bir oranına sahip bir çekirdek oluşturmak gerekir. Bu nedenle, gelen parçacık olarak büyük N/Z'ye sahip ağır iyonlar seçilmelidir.
2. Ortaya çıkan bileşik çekirdeğin düşük bir uyarma enerjisine ve küçük bir açısal momentum değerine sahip olması gerekir, aksi takdirde fisyon bariyerinin etkin yüksekliği azalacaktır.
3. Ortaya çıkan çekirdeğin küreye yakın bir şekle sahip olması gerekir, çünkü hafif bir deformasyon bile süper ağır çekirdeğin hızlı bir şekilde bölünmesine yol açacaktır.

Süper ağır çekirdek elde etmek için çok umut verici bir yöntem, 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es tipi reaksiyonlardır. Şek. Şekil 11, hızlandırılmış 238 U iyonları ile 248 Cm, 249 Cf ve 254 Es hedeflerin ışınlanması üzerine transuranyum elementlerinin oluşumu için tahmini kesitleri göstermektedir. Bu reaksiyonlarda, Z > 100 olan elementlerin oluşumuna yönelik kesitlerde ilk sonuçlar elde edilmiştir.Çalışılan reaksiyonların verimini artırmak için hedeflerin kalınlıkları, reaksiyon ürünleri kalacak şekilde seçilmiştir. hedefte. Işınlamadan sonra, bireysel kimyasal elementler hedeften ayrıldı. Elde edilen numunelerde, α bozunma ürünleri ve fisyon fragmanları birkaç ay boyunca kayıt altına alındı. Hızlandırılmış uranyum iyonları kullanılarak elde edilen veriler, daha hafif iyon bombardımanına kıyasla ağır transuranyum elementlerinin veriminde bir artış olduğunu açıkça göstermektedir. Bu gerçek, süper ağır çekirdeklerin sentezi sorununu çözmek için son derece önemlidir. Karşılık gelen hedeflerle çalışmanın zorluklarına rağmen, büyük Z'ye doğru hareket etme tahminleri oldukça iyimser görünüyor.

Son yıllarda süper ağır çekirdekler alanındaki ilerleme şaşırtıcı derecede etkileyiciydi. Bununla birlikte, şimdiye kadar bir istikrar adası bulmaya yönelik tüm girişimler başarısız oldu. Onu arama çalışmaları yoğun bir şekilde devam ediyor.