Остров стабильности - Island of stability

В ядерной физике , то островок стабильности является предсказанным набором изотопов из сверхтяжелых элементов , которые могут иметь значительно больше периода полураспада , чем известные изотопы этих элементов. Предполагается, что он появится как «остров» в таблице нуклидов , отделенный от известных стабильных и долгоживущих первичных радионуклидов . Его теоретическое существование объясняется стабилизирующими эффектами предсказанных « магических чисел » протонов и нейтронов в области сверхтяжелых масс.

Диаграмма Объединенного института ядерных исследований, показывающая измеренные (заключенные в рамку) и предсказанные периоды полураспада сверхтяжелых нуклидов , упорядоченные по количеству протонов и нейтронов. Ожидаемое местоположение острова стабильности около Z = 112 обведено кружком.

Было сделано несколько прогнозов относительно точного местоположения острова стабильности, хотя, как правило, считается, что он сосредоточен около изотопов коперникия и флеровия вблизи предсказанной замкнутой нейтронной оболочки при N = 184. Эти модели убедительно предполагают, что замкнутая оболочка будет придают дополнительную устойчивость к делению и альфа-распаду . Хотя ожидается, что эти эффекты будут наибольшими вблизи атомного номера Z = 114 и N = 184, ожидается, что область повышенной стабильности будет охватывать несколько соседних элементов, а также могут быть дополнительные острова стабильности вокруг более тяжелых ядер, которые являются дважды магическими (имеющими двойную магию). магические числа как протонов, так и нейтронов). Период полураспада элементов на острове обычно составляет минуты или дни; по некоторым оценкам период полураспада составляет миллионы лет.

Хотя модель ядерной оболочки, предсказывающая магические числа, существует с 1940-х годов, существование долгоживущих сверхтяжелых нуклидов не было окончательно продемонстрировано. Как и остальные сверхтяжелые элементы, нуклиды на острове стабильности никогда не были обнаружены в природе; таким образом, они должны быть созданы искусственно в ядерной реакции, которую нужно изучить. Ученые не нашли способа осуществить такую реакцию, поскольку вполне вероятно, что для заселения ядер вблизи центра острова потребуются реакции нового типа. Тем не менее, успешный синтез сверхтяжелых элементов вплоть до Z = 118 ( оганессон ) с нейтронами до 177 демонстрирует небольшой стабилизирующий эффект вокруг элементов от 110 до 114, который может продолжаться в неизвестных изотопах, подтверждая существование острова стабильности.

Вступление

Нуклидная стабильность

График периодов полураспада известных нуклидов

Композиция нуклида ( атомное ядро ) определяются числом протонов Z и числом нейтронов N , сумма которых к массовому числу A . Число протона Z , также называемое атомным номером, определяет положение элемента в периодической таблице . Приблизительно 3300 известных нуклидов обычно представлены в диаграмме с Z и N для его осей и периодом полураспада для радиоактивного распада, указанным для каждого нестабильного нуклида (см. Рисунок). По состоянию на 2019 год 252 нуклида считаются стабильными (распад никогда не наблюдался); как правило, по мере увеличения числа протонов стабильные ядра имеют более высокое нейтронно-протонное отношение (больше нейтронов на протон). Последним элементом в периодической таблице, который имеет стабильный изотоп, является свинец ( Z = 82), стабильность которого (т.е. период полураспада наиболее долгоживущих изотопов) обычно уменьшается в более тяжелых элементах. Периоды полураспада ядер также уменьшаются при неравномерном соотношении нейтронов и протонов, так что получающиеся ядра имеют слишком мало или слишком много нейтронов, чтобы быть стабильными.

Стабильность ядра определяется его энергией связи , более высокая энергия связи обеспечивает большую стабильность. Энергия связи на нуклон увеличивается с увеличением атомного номера до широкого плато около A = 60, а затем уменьшается. Если ядро можно разделить на две части, которые имеют более низкую полную энергию (следствие дефекта массы, возникающего из-за большей энергии связи), оно нестабильно. Ядро может удерживаться вместе в течение конечного времени, потому что существует потенциальный барьер, препятствующий расщеплению, но этот барьер можно преодолеть путем квантового туннелирования . Чем ниже барьер и масса осколков , тем больше вероятность раскола в единицу времени.

Протоны в ядре связаны друг с другом сильной силой , которая уравновешивает кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами. В более тяжелых ядрах требуется большее количество незаряженных нейтронов, чтобы уменьшить отталкивание и придать дополнительную стабильность. Даже в этом случае, когда физики начали синтезировать элементы, которых нет в природе, они обнаружили, что стабильность снижалась по мере того, как ядра становились тяжелее. Таким образом, они предположили, что периодическая таблица Менделеева может прийти к концу. Первооткрыватели плутония (элемент 94) решили назвать его «ультимиумом», считая его последним. После открытия более тяжелых элементов, некоторые из которых распадались за микросекунды, казалось, что нестабильность в отношении спонтанного деления ограничит существование более тяжелых элементов. В 1939 году верхний предел синтеза потенциального элемента был оценен вокруг элемента 104 , и после первых открытий трансактинидных элементов в начале 1960-х годов этот прогноз верхнего предела был расширен до элемента 108 .

Диаграмма, показывающая уровни энергии известных и предсказанных протонных оболочек (слева и справа показаны две разные модели). Зазоры при Z = 82, 114, 120 и 126 соответствуют замыканиям оболочек, которые имеют особенно стабильные конфигурации и, таким образом, приводят к более стабильным ядрам.

Магические числа

Еще в 1914 году предполагалось возможное существование сверхтяжелых элементов с атомными номерами, значительно превосходящими атомные номера урана - тогда самого тяжелого из известных элементов - когда немецкий физик Ричард Суинн предположил, что сверхтяжелые элементы около Z = 108 являются источником излучения в космических лучах. . Хотя он не сделал каких-либо определенных наблюдений, в 1931 году он предположил, что трансурановые элементы около Z = 100 или Z = 108 могут быть относительно долгоживущими и, возможно, существовать в природе. В 1955 году американский физик Джон Арчибальд Уиллер также предположил существование этих элементов; ему приписывают первое использование термина «сверхтяжелый элемент» в статье 1958 года, опубликованной вместе с Фредериком Вернером. Эта идея не вызвала широкого интереса до десятилетия спустя, после усовершенствования модели ядерной оболочки . В этой модели атомное ядро построено в виде «оболочек», аналогичных электронным оболочкам в атомах. Независимо друг от друга нейтроны и протоны имеют уровни энергии , которые обычно близки друг к другу, но после того, как данная оболочка заполнена, требуется значительно больше энергии, чтобы начать заполнять следующую. Таким образом, энергия связи на нуклон достигает локального максимума, и ядра с заполненными оболочками более стабильны, чем ядра без них. Эта теория модели ядерной оболочки возникла в 1930-х годах, но только в 1949 году немецкие физики Мария Гепперт Майер и Йоханнес Ханс Даниэль Йенсен и др. самостоятельно разработал правильную формулировку.

Число нуклонов, для которых заполнены оболочки, называют магическими числами . Для нейтронов наблюдались магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126, и следующее число, по прогнозам, будет 184. Протоны разделяют первые шесть из этих магических чисел, и 126 предсказано как магическое. число протонов с 1940-х гг. Нуклиды с магическим числом каждого, например ¹⁶ O ( Z = 8, N = 8), ¹³² Sn ( Z = 50, N = 82) и ²⁰⁸ Pb ( Z = 82, N = 126), относятся к категории как «дважды магические» и более стабильны, чем близлежащие нуклиды, в результате большей энергии связи.

В конце 1960-х годов более сложные модели оболочек были сформулированы американским физиком Уильямом Майерсом и польским физиком Владиславом Свёнтецким , а также независимо немецким физиком Хайнером Мельднером (1939–2019). С помощью этих моделей, принимая во внимание кулоновское отталкивание, Мельднер предсказал, что следующее магическое число протона может быть 114 вместо 126. Майерс и Свёнтецкий, кажется, придумали термин «остров стабильности», а американский химик Гленн Сиборг , позже открывший Многие из сверхтяжелых элементов быстро приняли этот термин и стали его продвигать. Майерс и Свонтецкий также предположили, что некоторые сверхтяжелые ядра будут долгоживущими из-за более высоких барьеров деления . Дальнейшие усовершенствования модели ядерной оболочки советским физиком Виленом Струтинским привели к появлению макроскопико-микроскопического метода, модели ядерной массы, которая учитывает как плавные тенденции, характерные для модели жидкой капли, так и локальные флуктуации, такие как оболочечные эффекты. Этот подход позволил шведскому физику Свену Нильссону и др., А также другим группам провести первые подробные расчеты стабильности ядер внутри острова. С появлением этой модели Струтинский, Нильссон и другие группы выступили за существование дважды магического нуклида ²⁹⁸ Fl ( Z = 114, N = 184), а не ³¹⁰Ubh ( Z = 126, N = 184), который был предсказано, что оно будет дважды магическим еще в 1957 году. Впоследствии оценки магического числа протонов варьировались от 114 до 126, и до сих пор нет единого мнения.

Открытия

Наиболее стабильные изотопы сверхтяжелых элементов ( Z ≥ 104)
Элемент	Атомный номер	Самый стабильный изотоп	Период полураспада
Элемент	Атомный номер	Самый стабильный изотоп	Публикации	НУБАЗА 2016
Резерфордий	104	²⁶⁷ Rf	1,3 ч	2,5 часа
Дубний	105	²⁶⁸ Дб	1,2 дн	1,1 дн
Сиборгий	106	²⁶⁹ Сг	14 мин.	5 мин
Бориум	107	²⁷⁰ Бат	1 минута	3,8 мин.
Калий	108	²⁶⁹ часов	9,7 с	16 с
Мейтнерий	109	²⁷⁸ тонн	4,5 с	7 с
Дармштадтиум	110	²⁸¹ Ds	12,7 с	14 с
Рентгений	111	²⁸² Rg	1,7 мин	1,6 мин
Копернициум	112	²⁸⁵ Cn	28 с	32 с
Нихоний	113	²⁸⁶ Nh	9,5 с	7 с
Флеровий	114	²⁸⁹ эт	1.9 с	2,4 с
Московиум	115	²⁹⁰ мк	650 мс	410 мс
Ливерморий	116	²⁹³ Ур.	57 мс	80 мс
Tennessine	117	²⁹⁴ Цс	51 мс	70 мс
Оганессон	118	²⁹⁴ Ог	690 мкс	1,15 мс

Интерес к возможному острову стабильности рос на протяжении 1960-х годов, поскольку некоторые расчеты предполагали, что он может содержать нуклиды с периодом полураспада в миллиарды лет. Также было предсказано, что они будут особенно устойчивы к спонтанному делению, несмотря на их высокую атомную массу. Считалось, что если такие элементы существуют и являются достаточно долгоживущими, у них может быть несколько новых применений вследствие их ядерных и химических свойств. Они включают использование в ускорителях элементарных частиц в качестве источников нейтронов , в ядерном оружии, как следствие их прогнозируемых низких критических масс и большого количества нейтронов, испускаемых при делении, а также в качестве ядерного топлива для космических миссий. Эти предположения привели многих исследователей к поиску сверхтяжелых элементов в 1960-х и 1970-х годах как в природе, так и посредством нуклеосинтеза в ускорителях частиц.

В течение 1970-х годов было проведено множество поисков долгоживущих сверхтяжелых ядер. Эксперименты по синтезу элементов с атомным номером от 110 до 127 проводились в лабораториях по всему миру. Эти элементы искали в реакциях слияния-испарения, в которых тяжелая мишень, состоящая из одного нуклида, облучается ускоренными ионами другого в циклотроне , и после слияния этих ядер образуются новые нуклиды, и полученная возбужденная система выделяет энергию, испаряя несколько частиц. (обычно протоны, нейтроны или альфа-частицы). Эти реакции делятся на «холодный» и «горячий» синтез, которые соответственно создают системы с более низкой и более высокой энергиями возбуждения ; это влияет на выход реакции. Например, ожидалось , что реакция между ²⁴⁸ Cm и ⁴⁰ Ar даст изотопы элемента 114, а реакция между ²³² Th и ⁸⁴ Kr должна дать изотопы элемента 126. Ни одна из этих попыток не увенчалась успехом, что указывает на то, что такие эксперименты могут иметь был недостаточно чувствительным, если сечения реакции были низкими - что приводило к более низким выходам - или что любые ядра, достижимые посредством таких реакций слияния-испарения, могли быть слишком короткоживущими для обнаружения. Последующие успешные эксперименты показывают, что период полураспада и поперечные сечения действительно уменьшаются с увеличением атомного номера, что приводит к синтезу лишь нескольких короткоживущих атомов самых тяжелых элементов в каждом эксперименте.

Подобные поиски в природе также не увенчались успехом, что свидетельствует о том, что, если сверхтяжелые элементы действительно существуют в природе, их содержание составляет менее 10 ^-14 моль сверхтяжелых элементов на моль руды. Несмотря на эти безуспешные попытки наблюдать долгоживущие сверхтяжелые ядра, новые сверхтяжелые элементы синтезировались каждые несколько лет в лабораториях посредством бомбардировки легкими ионами и реакций холодного синтеза; резерфордий, первый трансактинид , был открыт в 1969 году, а коперниций, восемь протонов ближе к острову стабильности, предсказанный при Z = 114, был достигнут к 1996 году. Несмотря на то, что периоды полураспада этих ядер очень короткие (порядка секунд ), само существование элементов тяжелее резерфорда указывает на стабилизирующие эффекты, которые, как считается, вызываются закрытыми оболочками; модель не рассматривает такие эффекты запретят существование этих элементов из - за быстрое спонтанное деление.

Флеровий с ожидаемыми магическими 114 протонами был впервые синтезирован в 1998 году в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне , Россия, группой физиков под руководством Юрия Оганесяна . Был обнаружен одиночный атом элемента 114, время жизни которого составляло 30,4 секунды, а его продукты распада имели период полураспада, измеряемый в минутах. Поскольку образовавшиеся ядра подверглись альфа-распаду, а не делению, а периоды полураспада были на несколько порядков больше, чем те, которые ранее предсказывались или наблюдались для сверхтяжелых элементов, это событие рассматривалось как "учебный пример" цепочки распада, характерной для острова. стабильности, что является убедительным доказательством существования острова стабильности в этом регионе. Несмотря на то, что исходная цепочка 1998 г. больше не наблюдалась, и ее назначение остается неопределенным, дальнейшие успешные эксперименты в следующие два десятилетия привели к открытию всех элементов вплоть до оганессона , период полураспада которых превышает первоначально предсказанные значения; эти свойства распада дополнительно подтверждают наличие острова стабильности. Однако исследование 2021 года цепочек распада изотопов флеровия предполагает, что нет сильного стабилизирующего эффекта от Z = 114 в области известных ядер ( N = 174), и что дополнительная стабильность будет преимущественно следствием закрытия нейтронной оболочки. . Хотя известные ядра все еще не достигают N = 184, где ожидается максимальная стабильность (наиболее богатые нейтронами подтвержденные ядра, ²⁹³ Lv и ²⁹⁴ Ts, достигают только N = 177), точное местоположение центра острова остается. неизвестно, продемонстрирована тенденция увеличения устойчивости ближе к N = 184. Например, у изотопа ²⁸⁵ Cn, у которого на восемь нейтронов больше, чем у ²⁷⁷ Cn, период полураспада почти на пять порядков больше. Ожидается, что эта тенденция сохранится и в неизвестных более тяжелых изотопах.

Сводка наблюдаемых цепочек распадов в четных Z сверхтяжелых элементах, включая предварительные отнесения к цепочкам 3, 5 и 8. Существует общая тенденция повышения стабильности для изотопов с большим нейтронным избытком ( N - Z , разница в количестве протонов и нейтронов), особенно в элементах 110, 112 и 114, что убедительно свидетельствует о том, что центр острова стабильности находится среди еще более тяжелых изотопов.

Деформированные ядра

Хотя ядра внутри острова стабильности около N = 184, по прогнозам, будут сферическими , исследования начала 1990-х годов - начиная с польских физиков Зигмунта Патыка и Адама Собичевского в 1991 году - предполагают, что некоторые сверхтяжелые элементы не имеют идеально сферических ядер. Изменение формы ядра меняет положение нейтронов и протонов в оболочке. Исследования показывают, что большие ядра, расположенные дальше от сферических магических чисел, деформируются , вызывая смещение магических чисел или появление новых магических чисел. Текущие теоретические исследования показывают, что в области Z = 106–108 и N ≈ 160–164 ядра могут быть более устойчивыми к делению из-за оболочечных эффектов для деформированных ядер; таким образом, такие сверхтяжелые ядра испытали бы только альфа-распад. Калий-270 теперь считается дважды магически деформированным ядром с деформированными магическими числами Z = 108 и N = 162. Его период полураспада составляет 9 секунд. Это согласуется с моделями, которые учитывают деформированный характер ядер, промежуточных между актинидами и островом стабильности вблизи N = 184, в котором «полуостров» устойчивости возникает при деформированных магических числах Z = 108 и N = 162. Определение величины Распадные свойства соседних изотопов хассия и сиборгия вблизи N = 162 служат дополнительным убедительным доказательством этой области относительной стабильности в деформированных ядрах. Это также убедительно свидетельствует о том, что остров стабильности (для сферических ядер) не полностью изолирован от области стабильных ядер, а скорее, что обе области вместо этого связаны перешейком относительно стабильных деформированных ядер.

Прогнозируемые свойства распада

Диаграмма, изображающая предсказанные моды распада сверхтяжелых ядер, с наблюдаемыми ядрами, выделенными черными контурами. Предполагается, что наиболее нейтронодефицитные ядра, а также ядра, находящиеся непосредственно за закрытием оболочки при N = 184, будут преимущественно подвергаться спонтанному делению (SF), тогда как альфа-распад (α) может преобладать в нейтронодефицитных ядрах ближе к острову, и значительный Ветви бета-распада (β) или электронного захвата (EC) могут появиться ближе всего к центру острова около ²⁹¹ Cn и ²⁹³ Cn.

В период полураспада ядер в острове самой стабильности неизвестны , поскольку ни один из нуклидов , которые были бы «на острове» уже наблюдались. Многие физики считают, что период полураспада этих ядер относительно невелик, порядка минут или дней. Некоторые теоретические расчеты показывают, что их период полураспада может быть длительным, порядка 100 лет или, возможно, даже 10 ⁹ лет.

Закрытие оболочки при N = 184, по прогнозам, приведет к более длительным периодам полураспада для альфа-распада и спонтанного деления. Считается, что закрытие оболочки приведет к более высоким барьерам деления для ядер около ²⁹⁸ Fl, сильно затрудняя деление и, возможно, приведя к периодам полураспада при делении на 30 порядков больше, чем у ядер, не затронутых закрытием оболочки. Например, нейтронодефицитный изотоп ²⁸⁴ Fl (с N = 170) подвергается делению с периодом полураспада 2,5 миллисекунды и считается одним из наиболее нейтронодефицитных нуклидов с повышенной стабильностью вблизи N = 184 закрытие корпуса. За пределами этой точки предсказывается, что некоторые неоткрытые изотопы будут подвергаться делению с еще более короткими периодами полураспада, ограничивая существование и возможное наблюдение сверхтяжелых ядер вдали от острова стабильности (а именно, для N <170, а также для Z > 120 и N > 184). Эти ядра могут подвергаться альфа - распада или спонтанного делением в микросекундах или менее, с некоторым делением полураспада оценками, порядка 10 ^-20 секунд в отсутствии деления барьеров. Напротив, ²⁹⁸ Fl (предположительно находящийся в области максимальных оболочечных эффектов) может иметь гораздо более длительный период полураспада спонтанного деления, возможно, порядка 10 ¹⁹ лет.

В центре острова может происходить конкуренция между альфа-распадом и спонтанным делением, хотя точное соотношение зависит от модели. Периоды полураспада при альфа-распаде 1700 ядер с 100 ≤ Z ≤ 130 были рассчитаны в модели квантового туннелирования с экспериментальными и теоретическими значениями Q для альфа-распада и согласуются с наблюдаемыми периодами полураспада для некоторых из самых тяжелых изотопов.

Согласно прогнозам, наиболее долгоживущие нуклиды также будут находиться на линии бета-стабильности , поскольку бета-распад будет конкурировать с другими модами распада вблизи предсказанного центра острова, особенно для изотопов элементов 111–115. В отличие от других режимов распада, предсказанных для этих нуклидов, бета-распад не изменяет массовое число. Вместо этого нейтрон превращается в протон или наоборот, образуя соседнюю изобару ближе к центру стабильности (изобару с наименьшим избытком массы ). Например, значительные ветви бета-распада могут существовать в таких нуклидах, как ²⁹¹ Fl и ²⁹¹ Nh; эти нуклиды имеют лишь на несколько нейтронов больше, чем известные нуклиды, и могут распадаться по «узкому пути» к центру острова стабильности. Возможная роль бета-распада весьма неопределенна, поскольку некоторые изотопы этих элементов (например, ²⁹⁰ Fl и ²⁹³ Mc), по прогнозам, будут иметь более короткие частичные периоды полураспада для альфа-распада. Бета-распад уменьшит конкуренцию и приведет к тому, что альфа-распад останется доминирующим каналом распада, если только в супердеформированных изомерах этих нуклидов не существует дополнительной устойчивости к альфа-распаду .

Эта диаграмма предсказанных мод распада, полученная на основе теоретических исследований Японского агентства по атомной энергии , предсказывает центр острова стабильности около ²⁹⁴ Ds; это будет самый долгоживущий из нескольких относительно долгоживущих нуклидов, в первую очередь подвергающихся альфа-распаду (обведено). Это область, где линия бета-стабильности пересекает область, стабилизированную закрытием оболочки при N = 184. Слева и справа периоды полураспада уменьшаются, поскольку деление становится доминирующей модой распада, что согласуется с другими моделями.

Рассматривая все режимы распада, различные модели указывают на смещение центра острова (т. Е. Самого долгоживущего нуклида) с ²⁹⁸ Fl на более низкий атомный номер и конкуренцию между альфа-распадом и спонтанным делением в этих нуклидах; они включают 100-летний период полураспада ²⁹¹ Cn и ²⁹³ Cn, 1000-летний период полураспада ²⁹⁶ Cn, 300-летний период полураспада ²⁹⁴ Ds и 3500-летний период полураспада ²⁹³ Ds, с ²⁹⁴ Ds и ²⁹⁶ Cn точно при закрытии оболочки N = 184. Также было высказано предположение, что эта область повышенной стабильности для элементов с 112 ≤ Z ≤ 118 может вместо этого быть следствием ядерной деформации, и что истинный центр острова стабильности для сферических сверхтяжелых ядер находится около ³⁰⁶Ubb ( Z = 122 , N = 184). Эта модель определяет остров стабильности как область с наибольшим сопротивлением делению, а не с наибольшим полным периодом полураспада; у нуклида ³⁰⁶ Ubb все еще прогнозируется короткий период полураспада по отношению к альфа-распаду.

Румынскими физиками Дорином Н. Поэнару и Раду А. Гергеску и немецким физиком Вальтером Грейнером был предложен еще один потенциально значимый способ распада для самых тяжелых сверхтяжелых элементов - распад кластера . Его коэффициент ветвления относительно альфа-распада, как ожидается, будет увеличиваться с увеличением атомного номера, так что он может конкурировать с альфа-распадом около Z = 120 и, возможно, станет доминирующей модой распада для более тяжелых нуклидов около Z = 124. Таким образом, ожидается, что он будет играть роль большая роль за пределами центра острова стабильности (хотя все еще находится под влиянием оболочечных эффектов), если только центр острова не находится под более высоким атомным номером, чем предсказывалось.

Возможное естественное возникновение

Несмотря на то, что период полураспада сверхтяжелых элементов составляет сотни или тысячи лет, он слишком короткий, чтобы такие нуклиды существовали изначально на Земле. Кроме того, нестабильность ядер, промежуточных между первичными актинидами ( ²³² Th , ²³⁵ U и ²³⁸ U ) и островком стабильности, может ингибировать образование ядер внутри острова в нуклеосинтезе r- процесса . Различные модели предполагают, что спонтанное деление будет доминирующей модой распада ядер с A > 280, и что индуцированное нейтронами или бета-запаздывающее деление - соответственно захват нейтронов и бета-распад, сразу за которым следует деление - станут первичными каналами реакции. В результате бета-распад по направлению к острову стабильности может происходить только на очень узком пути или может быть полностью заблокирован делением, что исключает синтез нуклидов внутри острова. Считается, что отсутствие в природе сверхтяжелых нуклидов, таких как ²⁹² Hs и ²⁹⁸ Fl, является следствием низкого выхода r -процесса в результате этого механизма, а также слишком коротких периодов полураспада, чтобы позволить измеримым количествам сохраняться. в природе.

Несмотря на эти препятствия на пути их синтеза, в исследовании 2013 года, опубликованном группой российских физиков во главе с Валерием Загребаевым, предполагается, что самые долгоживущие изотопы коперникия могут встречаться в количестве ^10-12 относительно свинца, благодаря чему они могут быть обнаружены в космических лучах. . Аналогичным образом, в эксперименте 2013 года группа российских физиков во главе с Александром Багулей сообщила о возможном наблюдении трех космогенных сверхтяжелых ядер в кристаллах оливина в метеоритах. Атомный номер этих ядер оценивался от 105 до 130, при этом одно ядро, вероятно, ограничивалось от 113 до 129, а их время жизни оценивалось как минимум 3000 лет. Хотя это наблюдение еще не подтверждено в независимых исследованиях, оно убедительно свидетельствует о существовании острова стабильности и согласуется с теоретическими расчетами периодов полураспада этих нуклидов.

Возможный синтез и трудности

Трехмерный рендеринг острова стабильности вокруг N = 178 и Z = 112

Производство ядер на острове стабильности оказывается очень трудным, потому что ядра, доступные в качестве исходных материалов, не доставляют необходимое количество нейтронов. Пучки радиоактивных ионов (например, ⁴⁴ S) в сочетании с актинидными мишенями (например, ²⁴⁸Cm ) могут позволить производить более богатые нейтронами ядра ближе к центру острова стабильности, хотя такие пучки в настоящее время недоступны с требуемой интенсивностью. проводить такие эксперименты. Несколько более тяжелых изотопов, таких как ²⁵⁰ Cm и ²⁵⁴Es, могут по-прежнему использоваться в качестве мишеней, что позволяет производить изотопы с одним или двумя нейтронами больше, чем известные изотопы, хотя производство нескольких миллиграммов этих редких изотопов для создания мишени затруднено. Также возможно исследовать альтернативные каналы реакций в тех же реакциях слияния-испарения, индуцированных ⁴⁸ Ca, которые заселяют самые богатые нейтронами известные изотопы, а именно pxn и αxn (испускание протона или альфа-частицы , соответственно, за которым следуют несколько нейтронные) каналы. Это может позволить синтез нейтронно-обогащенных изотопов элементов 111–117. Хотя предсказанные сечения порядка 1–900 фб , меньше, чем сечения в каналах xn (только испускание нейтронов), все же возможно генерировать в этих реакциях недостижимые иным образом изотопы сверхтяжелых элементов. Некоторые из этих более тяжелых изотопов (например, ²⁹¹ Mc, ²⁹¹ Fl и ²⁹¹ Nh) могут также подвергаться электронному захвату (преобразованию протона в нейтрон) в дополнение к альфа-распаду с относительно большим периодом полураспада, распадаясь на ядра, такие как ²⁹¹ Cn. которые, по прогнозам, будут располагаться недалеко от центра острова стабильности. Однако это остается в значительной степени гипотетическим, поскольку сверхтяжелые ядра вблизи линии бета-стабильности еще не синтезированы, и предсказания их свойств значительно различаются в разных моделях.

Процесс захвата медленных нейтронов, используемый для получения нуклидов с массой ²⁵⁷Fm , блокируется короткоживущими изотопами фермия, которые подвергаются спонтанному делению (например, ²⁵⁸ Fm имеет период полураспада 370 мкс); это известно как «фермиевый промежуток» и предотвращает синтез более тяжелых элементов в такой реакции. Возможно, удастся обойти этот пробел, а также еще одну предсказанную область нестабильности около A = 275 и Z = 104–108, в серии управляемых ядерных взрывов с более высоким потоком нейтронов (примерно в тысячу раз превышающим потоки в существующих реакторы), имитирующий астрофизический r -процесс. Впервые предложенная Мелднером в 1972 году, такая реакция могла бы позволить производство макроскопических количеств сверхтяжелых элементов внутри острова стабильности; роль деления в промежуточных сверхтяжелых нуклидах весьма неопределенна и может сильно влиять на выход такой реакции.

На этой диаграмме нуклидов, используемой Японским агентством по атомной энергии, показаны известные (в рамке) и предсказанные режимы распада ядер до Z = 149 и N = 256. Области повышенной стабильности видны вокруг предсказанных закрытий оболочек при N = 184 ( ²⁹⁴ Ds). - ²⁹⁸ Fl) и N = 228 ( ³⁵⁴ 126), разделенных промежутком из короткоживущих делящихся ядер ( t _1/2 <1 нс; на диаграмме не окрашены).

Также возможно генерировать изотопы на острове стабильности, такие как ²⁹⁸ Fl, в реакциях многонуклонного переноса при низкоэнергетических столкновениях ядер актинидов (таких как ²³⁸ U и ²⁴⁸ Cm). Этот механизм обратного квазиделения (частичное слияние с последующим делением со сдвигом от равновесия масс, что приводит к более асимметричным продуктам) может обеспечить путь к острову стабильности, если оболочечные эффекты около Z = 114 достаточно сильны, хотя более легкие элементы, такие как По прогнозам, урожай нобелия и сиборгия ( Z = 102–106) будет выше. Предварительные исследования реакций переноса ²³⁸ U + ²³⁸ U и ²³⁸ U + ²⁴⁸ Cm не привели к образованию элементов тяжелее менделевия ( Z = 101), хотя повышенный выход в последней реакции предполагает использование еще более тяжелых мишеней, таких как ²⁵⁴ Es (при наличии) может позволить производство сверхтяжелых элементов. Этот результат подтверждается более поздним расчетом, предполагающим, что выход сверхтяжелых нуклидов (с Z ≤ 109), вероятно, будет выше в реакциях переноса с использованием более тяжелых мишеней. Исследование реакции ²³⁸ U + ²³² Th в Техасском циклотронном институте A&M в 2018 г., проведенное Сарой Вуэншель и др. обнаружили несколько неизвестных альфа-распадов, которые, возможно, можно отнести к новым, богатым нейтронами изотопам сверхтяжелых элементов с 104 < Z <116, хотя необходимы дальнейшие исследования, чтобы однозначно определить атомный номер продуктов. Этот результат убедительно свидетельствует о том, что оболочечные эффекты оказывают значительное влияние на поперечные сечения и что остров стабильности, возможно, может быть достигнут в будущих экспериментах с реакциями переноса.

Другие острова стабильности

Дальнейшее закрытие оболочки за пределами основного острова стабильности в районе Z = 112–114 может привести к появлению дополнительных островов устойчивости. Хотя предсказания местоположения следующих магических чисел значительно различаются, два значительных острова, как полагают, существуют вокруг более тяжелых дважды магических ядер; первая около ³⁵⁴ 126 (с 228 нейтронами), а вторая около ⁴⁷² 164 или ⁴⁸² 164 (с 308 или 318 нейтронами). Нуклиды в пределах этих двух островов стабильности могут быть особенно устойчивы к спонтанному делению и иметь период полураспада альфа-распада, измеряемый годами, таким образом, имея стабильность, сравнимую с элементами в окрестностях флеровия . Другие области относительной стабильности также могут появиться с более слабым замыканием протонной оболочки в бета-стабильных нуклидах; такие возможности включают области около ³⁴² 126 и ⁴⁶² 154. Существенно большее электромагнитное отталкивание между протонами в таких тяжелых ядрах может значительно снизить их стабильность и, возможно, ограничить их существование локализованными островками вблизи оболочечных эффектов. Это может иметь следствием изоляцию этих островов от основной карты нуклидов , поскольку промежуточные нуклиды и, возможно, элементы в «море нестабильности» будут быстро подвергаться делению и, по существу, не будут существовать. Также возможно, что за пределами области относительной стабильности вокруг элемента 126 более тяжелые ядра будут лежать за пределами порога деления, заданного моделью жидкой капли, и, таким образом, будут делиться с очень коротким временем жизни, что делает их практически несуществующими даже в окрестностях больших магических чисел. .

Также было высказано предположение, что в области за пределами A > 300 может существовать целый « континент стабильности », состоящий из гипотетической фазы стабильной кварковой материи , состоящей из свободно текущих вверх и вниз кварков, а не кварков, связанных с протонами и нейтронами. Теоретически такая форма материи является основным состоянием барионной материи с большей энергией связи на барион, чем ядерная материя , что способствует распаду ядерной материи за пределами этого массового порога в кварковую материю. Если такое состояние вещества существует, оно могло бы быть синтезировано в тех же реакциях синтеза, приводящих к нормальным сверхтяжелым ядрам, и было бы стабилизировано против деления вследствие его более сильного связывания, которого достаточно для преодоления кулоновского отталкивания.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Библиография

Эмсли, Дж. (2011). Строительные блоки природы: Путеводитель по элементам от А до Я (новая редакция). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-960563-7.
Хоффман, округ Колумбия ; Гиорсо, А .; Сиборг, GT (2000). Трансурановые люди: внутренняя история . World Scientific. ISBN 978-1-78326-244-1.
Краг, Х. (2018). От трансурановых к сверхтяжелым элементам: история спора и создания . Springer. ISBN 978-3-319-75813-8.
Лодхи, Массачусетс, изд. (1978). Сверхтяжелые элементы: материалы международного симпозиума по сверхтяжелым элементам . Pergamon Press. ISBN 978-0-08-022946-1.
Подгорсак, Е.Б. (2016). Радиационная физика для медицинских физиков (3-е изд.). Springer. ISBN 978-3-319-25382-4.

внешние ссылки

Ой, остров! ( Nature , 2006, с диаграммой тяжелых нуклидов ОИЯИ и предсказанным островом стабильности)
Могут ли сверхновые образоваться сверхтяжелые элементы (такие как Z = 116 или 118)? Можем ли мы их наблюдать? ( Корнелл , 2004 - «может быть»)
Вторая открытка с острова стабильности ( ЦЕРН , 2001; нуклиды 116 протонов и масса 292)
Первая открытка с острова ядерной стабильности ( ЦЕРН , 1999; первые несколько Z = 114 атомов)

Languages

In other projects