Сверхтяжелые элементы

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 112↑

22.05.2002 Хронометраж

1:15:00

Сколько элементов в химической таблице Менделеева? Все ли они занимают стабильное, устойчивое и безусловное место? О границах существования элементов в природе, нейтронной материи и синтезе сверхтяжелых элементов — член-корреспондент РАН Юрий Оганесян и доктор физико-математических наук Михаил Иткис.

Тезисы для дискуссии:

• Что мы знаем и что хотим понять по проблеме синтеза сверхтяжелых элементов?

• Есть ли границы существования элементов в природе?

• Как происходил нуклеосинтез элементов во Вселенной?

• Что обуславливает возможную стабильность сверхтяжелых элементов?

• Насколько эта проблема фундаментальна и есть ли у нее политический аспект?

• Возможности современной экпериментальной техники для ее решения.

• Что такое нейтронная материя? Можно ли изучать ее в лабораторных условиях, а не только в процессе исследования астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды и т. д.? Тенденции в мировой науке.

• Нужно ли обществу изучение вышеуказанных фундаментальных проблем науки? Приводит ли оно к появлению новых идей в виде новых технологий, источников энергии, медицинских приборов и т. п.

Обзор темы

Известно, что все элементы от самого легкого (водорода) до самого тяжелого (урана) составляют окружающий нас мир. Они существуют в Земле. Это значит, что время их жизни больше, чем возраст самой Земли. Все элементы после урана — тяжелее его. Они образовались когда-то в процессе нуклеосинтеза, но не дожили до наших дней. Сегодня их можно получить только искусственным способом.

Концепция атома общеизвестна: ядро, которое содержит всю массу атома и его положительный заряд, и электронные орбитали. Гипотетически оно может существовать до атомных номеров: 160 и, быть может, 170. Однако граница существования элементов намечается значительно раньше, и причина кроется в нестабильности самого ядра. Поэтому вопрос о пределах существования элементов должен быть адресован ядерной физике. Если посмотреть на ядра, которые содержат разное число протонов и нейтронов, то стабильные элементы встречаются только до свинца и висмута. Затем (рис. 1) расположен «небольшой полуостров», в котором обнаружены в Земле только торий и уран. Из этого следует, что вопрос о пределах существования элементов зависит от стабильности ядер, и должен быть адресован ядерной физике.

Рис. 1. Карта изотопов с атомными номерами ⁷⁰Zі. Стабильность атомов показана плотностью цвета согласно правой шкале. Для области ¹¹²Zі и ¹⁶⁵Zі приведены теоретические предсказания периодов полураспада гипотетических сверхтяжелых атомов.

Как только мы продвигаемся за уран, время жизни ядер резко падает. Изотопы заурановых элементов радиоактивны, они испытывают альфа-распад. Время жизни ядер уменьшается в логарифмическом масштабе. Эта логарифмическая шкала показывает, что от урана (92-элемента) до 100-го элемента стабильность ядер уменьшается на 20 с лишним порядков.

На самом деле, положение оказалось еще более сложным. Спонтанное деление — четвертый тип радиоактивности — настигает альфа-распад в области 100-го элемента, и в дальнейшем время жизни ядер уменьшается значительно быстрее.

Спонтанное деление было открыто К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым 60 лет тому назад как редкая разновидность распада урана. Оно становится основным, когда речь заходит о более тяжелых элементах.

Объяснение явления спонтанного деления было дано Нильсом Бором в 1939 г. Согласно Н. Бору, подобный процесс может произойти, если предположить, что ядерное вещество обладает свойствами бесструктурной материи типа капли заряженной жидкости. Если капля испытывает деформацию под действием электрических сил, то ее потенциальная энергия растет до определенного предела, а затем уже необратимо уменьшается с ростом деформации до тех пор, пока капля не разделится на две части. Таким образом у ядра урана возникнет некий барьер, который удерживает это ядро от деления на протяжении 10¹⁶ лет.

Если перейти от урана к более тяжелому элементу, в ядре которого кулоновские силы значительно больше, барьер понижается, и вероятность деления сильно возрастает. Наконец, при дальнейшем увеличении заряда ядра мы придем к пределу, когда уже нет никакого барьера, т. е. когда даже сферическая форма капли оказывается неустойчивой к разделению на две части.

Это и есть предел стабильности ядра. Согласно расчетам Бора и Уиллера этот предел ожидался для элементов с атомными номерами 104–106.

Совершенно неожиданным было обнаружение в 1962 г. в Дубнинской лаборатории ядерных реакций еще и другого периода полураспада у тяжелых ядер, включая уран. Т. е. у одного и того же ядра могут быть два однотипных распада с различной вероятностью, или два времени жизни. Для урана — одно время составляет 10¹⁶ лет, что и было обнаружено Флеровым и Петржаком, а второе очень короткое, всего 0,3 микросекунды. При двух периодах полураспада надо полагать наличие у ядра двух состояний, из которых происходит деление. Это никаким образом не вписывается в представление о капле.

Два состояния могут быть только в том случае, если тело не аморфное, а имеет внутреннюю структуру.

Итак, ядерное вещество не является полным аналогом капли заряженной жидкости

. Капля есть некое приближение к описанию ядерной материи; ядро же имеет внутреннюю структуру.

Вопросами ядерной структуры серьезно занялись теоретики-ядерщики; в нашей стране — В. М. Струтинский, С. Т. Беляев, В. В. Пашкевич и др. Они решали довольно сложную задачу — как объяснить, что барьер урана является двугорбым и как меняется структура ядра при его деформации.

И это было объяснено. Но если найденное теоретиками объяснение правильно отражает свойства ядер, то когда мы придем к сверхтяжелым элементам, картина будет совсем не такой, как прогнозировалось для капли жидкости. В тяжелых элементах эта структура будет проявляться в полной мере там, где капля несостоятельна, и будет возникать так называемый структурный барьер. А это означает, что ядро может жить очень долго.

Этот нетривиальный вывод теории привел, по существу, к предсказанию гипотетической области стабильности сверхтяжелых элементов, расположенных далеко от тех элементов, которые известны и с которыми мы привыкли работать.

Как только это было предсказано, все крупнейшие лаборатории мира буквально бросились на то, чтобы экспериментально проверить эту гипотезу. Этим занимались в Соединенных Штатах, во Франции, в Германии. Однако во всех опытах были получены отрицательные результаты.

Последние два года в Дубнинской лаборатории проводились эксперименты по синтезу новых, самых тяжелых элементов с атомными номерами 114 и 116. Задача состояла в том, чтобы получить атомы новых элементов, ядра которых обладают большим избытком нейтронов. Только в этом случае мы смогли бы приблизиться к границам гипотетического «острова стабильности» и наблюдать увеличение времени жизни сверхтяжелых ядер.

Результаты опытов привели к выводу о том, что «остров стабильности» действительно существует.

Каковы пути получения (синтеза) сверхтяжелых ядер? Сначала использовался нейтронный метод синтеза, когда в ядро вгоняется очень много нейтронов. В этом случае естественным было бы облучение исходно стартового вещества мощным потоком нейтронов. Для этого использовались все более и более мощные реакторы. Однако, реакторный способ синтеза исчерпал себя на фермии (элементе с атомным номером 100), потому что изотоп фермия с массой 258, который должен получаться в результате захвата нейтронов, живет всего 0,3 миллисекунды. Вся цепочка последовательного захвата нейтронов разорвалась на ступени захвата 20-го нейтрона. Здесь же необходимо пройти более 60 ступеней. Нейтронный метод не пошел.

Попытка американских исследователей использовать другой способ — получить сверхтяжелые элементы в ядерных взрывах, т. е. в мощном импульсном потоке нейтронов, в конечном итоге привела к образованию того же изотопа 100-го элемента с массой 257.

Бесперспективность нейтронного метода привела к идее использовать принципиально иной способ синтеза сверхтяжелых элементов, который начал развиваться в середине 50-х годов — «тяжело-ядерный». Он заключается в том, что два тяжелых ядра сталкиваются друг с другом в надежде на то, что они сольются и как результат получится ядро суммарной массы. Для того, чтобы произошла такая реакция, одно из ядер необходимо разогнать до скорости примерно 0,1 скорости света. Эту функцию выполняют ускорители. То, что мы знаем сегодня о свойствах тяжелых элементов второй сотни, было получено с помощью ускорителей тяжелых ионов в реакциях этого типа.

Каковы свойства трансурановых элементов?

Если 92-элемент — уран живет миллиард лет, то тяжелое ядро 112-элемента живет всего 0,1 миллисекунды. Действительно, увеличение атомного номера на 20 единиц приводит к уменьшению времени жизни ядра более чем в 10²⁰ раз. Однако, «остров стабильности» расположен там, где ядра содержат значительно больше нейтронов. Поэтому надо двигаться в сторону более нейтронно-избыточных ядер. Это трудно осуществить, так как в стабильных нуклидах отношение числа протонов к числу нейтронов строго определено. Было решено использовать реакции, в которых большой нейтронный избыток изначально задан как в ядре материала мишени, который нарабатывается в ядерном реакторе, так и в ядре-снаряде, который в данном случае был выбран в качестве ядра кальция-48.

Кальций-48 — стабильный изотоп кальция, элемента с атомным номером 20. Кальция в природе много. Но изотоп кальция с массой 48 крайне редок. Его содержание в обычном кальции всего 0,18%. Выделить его из кальция — задача неимоверно трудная. Тем не менее, если бы нам удалось ускорить ионы кальция-48, то, облучая уран, плутоний или кюрий, мы могли бы пробраться в заветную область, где ожидается подъем стабильности, и там должны были бы почувствовать эффект резкого подъема времени жизни сверхтяжелых элементов.

В конкретном эксперименте была выбрана реакция, где в качестве исходного вещества использовался плутоний (Z = 94), его самый тяжелый изотоп с массой 244, а в качестве бомбардирующего иона изотоп кальция-48. Мы рассчитывали на то, что реакция слияния этих ядер приведет к образованию 114-элемента, который должен быть более устойчивым по сравнению с элементами, поученными ранее.

Для того, чтобы поставить подобный опыт, нужно было создать ускоритель с мощностью пучка кальция-48, превосходящую все известные ускорители в десятки раз. При этом он должен был дать высокую интенсивность ускоренных ионов и расходовать как можно меньше дорогостоящего кальция-48. Это потребовало длительных и напряженных поисков решения задачи. В конце концов решение было найдено и в течение 5 лет такой ускоритель в Дубне был создан. При очень малом расходе вещества (0,3 мг/час) была получена интенсивность пучка в несколько единиц на 10¹² ионов в сек. Теперь можно было ставить эксперимент в сто и в тысячу раз более чувствительный, чем это делалось ранее дубнинцами и их коллегами в других странах на протяжении последних 25 лет.

Суть самого эксперимента состояла в следующем. Получив пучок кальция, облучается мишень из плутония. Тяжелый изотоп плутония-244 был предоставлен Ливерморской Национальной Лабораторией (США). Если в результате процесса слияния двух ядер образуются атомы нового элемента, то они должны вылетать из мишени и вместе с пучком продолжать движение вперед. Здесь их надо отделить от ионов кальция-48 и других продуктов реакции. Эту функцию выполняет сепаратор (рис. 2), в котором присутствует поперечное электрическое поле. Поскольку скорости ядер разные, пучок утыкается в стопер, в то время как тяжелые ядра отдачи 114-элемента совершают криволинейную траекторию и в конце концов доходят до детектора. Детектор распознает тяжелое ядро и фиксирует его распад.

Что, собственно говоря, можно ожидать дальше? Если справедлива гипотеза о том, что существует «остров стабильности» в области сверхтяжелых элементов и эти ядра очень устойчивы относительно спонтанного деления, они должны испытывать другой тип распада — альфа-распад.

Иными словами, ядра на вершине и вблизи вершины этого острова, устойчивые к спонтанному делению, должны быть альфа-радиоактивными. Альфа-радиоактивное ядро, как известно, спонтанно выбрасывает альфа-частицу (ядро гелия), состоящую из двух протонов и двух нейтронов, переходя в дочернее ядро. Для выбранной реакции — это переход 114-го в 112-й элемент. Ядра 112-го элемента тоже должны испытывать альфа-распад и переходить в ядра 110-го элемента и т. д. Но по мере последовательных альфа-распадов мы все дальше и дальше отдаляемся от вершины стабильности и в конце концов попадем в море нестабильности, где преобладающим типом распада будет спонтанное деление. Для экспериментатора это весьма яркая картина: в результате последовательных альфа-распадов, каждый из которых оставляет в детекторе энергию около 10 МэВ, происходит деление, в котором сразу высвобождается энергия около 200 МэВ. На этом цепочка распадов обрывается.

Такую цепочку можно наблюдать, если справедлива теоретическая гипотеза. Действительно, в течение эксперимента, который продолжался непрерывно три месяца, ученые впервые наблюдали то, что ждали.

Рис. 3а. Цепочки последовательных распадов сверхтяжелых атомов с Z = 114 и 116, зарегистрированных в ядерных реакциях с ионами ⁴⁸Са. Для каждого распада указаны значения энергии, времени прихода сигнала и его позиционной координаты на поверхности детектора площадью 50 см².

После того, как ядро отдачи пришло в детектор, который измеряет его энергию, скорость и координаты места его остановки с высокой точностью, была зарегистрирована альфа-частица с энергией 9,87 МэВ через секунду после остановки. Интересно, что в самом тяжелом ядре, синтезированном ранее, это время занимало всего одну десятитысячную долю секунды. Здесь — секунда.

Затем, спустя 10,3 секунды (тоже долгое время), вылетела вторая альфа-частица с энергией 9,21 МэВ и затем, спустя 14,5 секунд, произошло спонтанное деление. Вся цепочка распадов заняла время около 0,5 минут.

Второе событие было такое же, как первое. Оба эти события совпадают друг с другом по 13-ти параметрам. Поэтому вероятность случайных совпадений сигналов в детекторе, имитирующих подобный распад, составляет всего 10⁻¹⁶.

В этом же эксперименте наблюдалось и другое событие, значительно более долгоживущее. Здесь уже распад исчисляется минутами и десятками минут.

Если отклониться в область ядер с дефицитом нейтронов, то спонтанное деление становится все более и более вероятным, что и было обнаружено (когда вместо мишени из плутония-244 использовался более легкий изотоп — плутоний-242). Это точно воспроизводит сценарий, который был предсказан теорией о том, что остров находится справа, среди ядер, обогащенных нейтронами.

Таким образом, синтезированные ядра-изотопы 114-элемента и их дочерние продукты альфа-распада, новые изотопы 112 и 110 элементов уже испытывают действия этих структурных сил, формирующих «остров стабильности» сверхтяжелых элементов. И несмотря на то, что они находятся на значительном расстоянии от вершины острова, тем не менее, их времена составляют минуты и десятки минут (рис. 4). Это примерно на 5 порядков повышает их стабильность по сравнению с изотопами тех же элементов, находящихся вдали от границы острова.

Было решено пойти дальше, подняться еще на одну ступень и попытаться синтезировать 116-й элемент, используя в качестве мишени изотоп 96-элемента — кюрия с массой 248 в сочетании все с тем же кальцием-48.

Уникальное вещество — кюрий-248 было получено на мощном реакторе НИИ Атомных Реакторов в г. Димитровграде. Наблюдение цепочки распадов 116-элемента было бы еще одним доказательством получения 114-элемента — в первом случае он был получен непосредственно при облучении плутониевой мишени; в этой же реакции в результате распада более тяжелого родителя.

Рис. 4. Карта нуклидов с указанием цепочек радиоактивного распада атомов, синтезированных в ядерных реакциях под действием ускоренных ионов ⁴⁸Са. Топографический фон демонстрирует силу структурных эффектов в ядре атома.

Такой эксперимент был поставлен недавно — и здесь ученые пошли на некоторый риск.

Если в реакции образуется 116-элемент, то после его альфа-распада должно быть получено ядро 114-элемента; иными словами, в этом опыте ученые должны были еще раз (уже третий) наблюдать кроме 116-элемента всю цепочку распада 114-элемента.

После вылета альфа-частицы от распада 116-элемента, ускоритель выключался, и выключалось все силовое оборудование в лаборатории для того, чтобы создать абсолютно бесфоновые условия. Действительно, после того, как тяжелое ядро отдачи пришло в детектор, спустя 47 миллисекунд, вылетела альфа-частица с энергией 10,56 МэВ, которая отключила все мощное оборудование. После этого в совершенно спокойных условиях наблюдался вылет еще одной альфа-частицы, затем другой и следом — спонтанное деление.

Если сравнить цепочку распадов после отключения ускорителя с тем, что наблюдалось для 114-элемента, то можно увидеть полное совпадение по всем параметрам (рис. 3b). Это действительно был распад 114-го элемента, а, стало быть, предыдущая альфа-частица относится к 116-му. Произошло это 19 июля 2000 года. В 2001 году опыт был продолжен и в результате были синтезированы еще 2 ядра 116 элемента.

Теперь можно сравнить предсказание теории и результаты, полученные в эксперименте. Для 116-го элемента согласно теории с увеличением числа нейтронов в ядре от 166 до 176 время жизни ядра должно было возрасти на 5 порядков. Эксперимент дал величину примерно 6 порядков. Для 114-го элемента картина выглядит таким же образом. При увеличении числа нейтронов в этом ядре от 164 до 174 период полураспада возрастает более чем на 6 порядков. Для 112-элемента избыток в 10 нейтронов также увеличивает стабильность ядра на 5–6 порядков. Такая же картина характерна для изотопов 110-элемента.

Это хорошее согласие с теоретической гипотезой. Кроме того, эксперимент показывает, что сверхтяжелые нуклиды в этой области более долгоживущие, чем это следовало из теории.

Следует обратить внимание на вершину «острова стабильности». Эта вершина может составлять миллионы лет. Она не дотягивает до возраста Земли, который составляет 4,5 миллиарда лет. Однако, если принять во внимание, что в эксперименте мы имеем превышение стабильности над расчетными значениями на отрогах «острова стабильности», то не исключено присутствие сверхтяжелых элементов в природе, в нашей системе, либо в космических лучах, т. е. в других системах. Там могут существовать сверхтяжелые элементы, время жизни которых будет исчисляться миллионами лет.

Важно еще одно обстоятельство: теперь таблица элементов пополнилась новыми 114 и 116 элементами. Эксперименты дали новое звучание известным ранее 112, 110, 108 элементам, поскольку увеличение нейтронов привело к существенному возрастанию времени их жизни. Это дает возможность изучать химические свойства этих элементов. Элементы 112-ый, 110-ый и 108-ой, которые живут минуты, стали вполне доступны для исследования их химических свойств методами современной радиохимии. Можно ставить опыты по проверке фундаментального Закона Менделеева относительно унификации свойств в колонках. Применительно к сверхтяжелым элементам мы должны считать, что 112-ый элемент — гомолог кадмия, ртути; 114-ый элемент — аналог олова, свинца и т. д. Пока это просто экстраполяция наших представлений на ранее неизвестные элементы. Фундаментальный Закон периодичности химических свойств элементов можно теперь проверять экспериментально.

Стабильные элементы заканчиваются свинцом и висмутом. Ядра этих атомов являются магическими, что определяет повышенную энергию связи нуклонов в ядре. Затем следует область радиоактивных элементов, среди которых торий и уран наиболее устойчивы. Их период полураспада сравним с возрастом нашей планеты. По мере продвижения в сторону более тяжелых элементов время жизни ядер резко уменьшается. Полуостров радиоактивных элементов имеет выраженные границы. Теория предсказывала, что за «полуостровом» будут следовать «острова стабильности». Они будут расположены в области очень тяжелых элементов, ядра которых обогащены нейтронами.

Попытки получить эти ядра в мощных потоках нейтронов не увенчались успехом. С другой стороны, в реакциях с тяжелыми ионами, начиная с 50-х годов, удалось синтезировать 12 искусственных элементов с атомными номерами более 100. Но в ядрах этих элементов не удалось получить избыток нейтронов, который позволил бы ответить на вопрос: кончается мир «полуостровом» радиоактивных ядер или за ним будет следовать «остров стабильности» еще более тяжелых — сверхтяжелых элементов.

Используя пучки ускоренных ионов изотопа кальция-48 и выбирая в качестве мишени искусственные элементы — тяжелые изотопы плутония и кюрия, полученные в мощных реакторах, ученым удалось подойти лишь к границам этого гипотетического «острова стабильности» и уже здесь обнаружить значительное повышение стабильности сверхтяжелых элементов. Опыты продолжаются, на очереди — 118 элемент.

Что же дальше? Достигнутый успех породил новые замыслы освоения открытой terra incognita. Прежде всего, хотелось бы получать ядра сверхтяжелых элементов (СТЭ) в больших количествах. Конечно, сам факт открытия нового элемента всего по двум наблюденным атомам впечатляет, но для более полного изучения требуется значительно большее количество. Необходимо создание принципиально новых, более эффективных экспериментальных установок. На проектные работы ушло полгода и в настоящее время в Лаборатории осуществляется проект создания Масс-Анализатора Сверхтяжелых Атомов (MASHA). Аналогов такой экспериментальной установки в мире нет. С вводом ее в действие ученые рассчитывают получать уже десятки атомов СТЭ и исследовать их свойства более широко. Реализуется также проект DRIBs, в котором два мощных ускорителя объединяются в единый комплекс, что позволит ускорять атомы радиоактивных изотопов, в частности олова-132. Это даст принципиально новые возможности синтеза СТЭ.

Минатом подключил к программе свои организации и выделил необходимые финансы (по 15 млн руб. ежегодно в течение 4 лет). Миннауки выделил специальный грант в размере 1 млн руб. От РАО ЕС было получено эксклюзивное право на выделение электроэнергии для питания ускорителей при проведении экспериментов. Американцы из Ливермора прислали бесплатно плутоний-244. Губернатор Московской области Б. В. Громов выделил Объединенному институту ядерных исследований из своего резерва средства для финансирования исследований по сверхтяжелым элементам (10 млн руб. в 2001 г. и 15 млн руб. в 2002 г.). Не вызывает сомнений, что интеллектуальные и технические ресурсы, накопленные в Дубне и других аналогичных центрах России, необходимо использовать для развития современных высокотехнологичных и наукоемких процессов, которые только и могут обеспечить в будущем конкурентоспособность российской продукции на мировом рынке.

Библиография

Bohr N., Wheeler J. The Mechanism of Nuclear Fission//Phys. Rev. 1939. № 56.

Flerov G. N., Petrzhak K. A. Spontaneous fission of ²³⁸U//Phys. Rev. 1940. № 58; J. Phys. USSR. 1940. № 3.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin A. V., Popeko A. G. et al. Synthesis of nuclei of superheavy element 114 in reaction induced by ⁴⁸Ca//Nature. 1999. № 400.

Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V. et al. The synthesis of superheavy nuclei in the ⁴⁸Ca + ²⁴⁴Pu reaction//Phys. Rev. Lett. 1999. № 83.

Oganessian Yu. Ts., Yeremin A. V., Popeko A. G. et al. Observation of the decay of ²⁹²116//Phys. Rev. 2001. C 63. 011301/1–011301/2.

Seaborg G. T. Man-Made Transuranium Elements. N.-Y., 1963.

Тема № 112

Эфир 22.05.2002

Хронометраж 1:15:00

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz