Остров стабильности - Island of stability


Из Википедии, свободной энциклопедии
Измеренный (коробочный) и предсказал (заштрихованы) период полураспада от нуклидов , упорядоченные по числу протонов и нейтронов. Ожидаемое местоположение острова стабильности обведено.

В ядерной физике , то островок стабильности является предсказанием , что множество сверхтяжелых нуклидов с магическими числами протонов и нейтронов будет временно переломить тенденцию снижения стабильности элементов тяжелее урана . Различные предсказания были сделаны в отношении точного местоположения острова стабильности, хотя это , как правило , считается, центром вблизи Коперниций и Флеровий изотопов (например, 291 Cn, 293 Cn, и 298 Fl) , приближающихся к предсказанной замкнутой оболочке при N = 184. Считаются , что замкнутая оболочка будет придать дополнительную устойчивость по отношению к делению , а также ведет к более длительному периоду полураспада по отношению к альфа - распаду . В то время как эти эффекты , как ожидается, будет наибольшим вблизи Z = 114 и N = 184, область повышенной стабильности , как ожидается , чтобы охватить несколько соседних элементов, а также могут быть дополнительные острова стабильности вокруг тяжелее вдвойне магические ядра. Оценки устойчивости элементов на острове, как правило , вокруг полувыведения минут или дней; Однако, по некоторым оценкам , предсказать периоды полураспада миллионов лет.

Хотя модель ядерной оболочки предсказания магических чисел существует с 1940 - х лет, существование долгоживущих сверхтяжелых нуклидов не было окончательно доказано. Как и остальные сверхтяжелых элементов, нуклиды на острове стабильности никогда не встречается в природе; Таким образом, они должны быть созданы искусственно в ядерной реакции изучаться. Ученые не нашли способ проводить такую реакцию; вполне вероятно , что новые типы реакций будут необходимы для заполнения ядра вблизи центра острова. Тем не менее, удачный синтез сверхтяжелых элементов до oganesson в последние годы демонстрирует незначительное стабилизирующее действие вокруг элементов 110 - 114 , которые могут продолжаться в неизвестных изотопов, поддерживая существование острова стабильности.

Вступление

Диаграмма изотопных полураспада для нуклидов.

стабильность нуклидов

Композиция из атомного ядра определяется числом протонов Z и числом нейтронов N . Атомный номер Z определяет положение с элементом в периодической таблице , но больше , чем 3000 нуклидов , как правило , представлены в таблице с Z и N для его осей и периода полураспада для радиоактивного распада указывается для каждого нестабильного нуклида (смотрите рисунок ). 253 нуклидов, как считается стабильным (они никогда не наблюдались до распада), и они следуют общей тенденции , в которых число нейтронов растет быстрее , чем число протонов. По мере того как число нейтронов , отходит от стабильной области, период полураспада быстро уменьшаются, а последний элемент в периодической таблице , которая имеет стабильный изотоп является свинец ( Z = 82).

Устойчивость ядра определяется его энергией связи . Энергия связи на нуклон возрастает с атомным номером к широкому плато вокруг А = 60, затем снижается. Если ядро можно разделить на две части , которые имеют более низкую суммарную энергию, она неустойчива. Ядро может скрепить за конечное время , поскольку существует потенциальный барьер против раскола, но этот барьер может быть пересечена квантового туннелирования . Ниже барьера и массы consituents, тем больше вероятность в единицу времени раскола.

Протоны в ядре связаны друг с другом посредством мощной силой , которая уравновешивает кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами. В более тяжелых ядрах, большее число нейтронов необходимо для снижения отталкивания и придает дополнительную стабильность. Тем не менее , поскольку физики начали синтезировать элементы, которые не встречаются в природе, они обнаружили , что стабильность уменьшается по мере ядра стали тяжелее. Таким образом, они полагают , что периодическая таблица может прийти к концу. Первооткрыватели плутония (элемент 94) считал , назвав его «ultimium», думая , что это был последний. и позже, казалось , что элемент 108 может быть предел.

Магия чисел

Возможное существование сверхтяжелых элементов с атомными номерами хорошо сверх того, что урана было предложено еще в 1955 году Джон Арчибальд Уилер , но идея не привлекла большой интерес до спустя десять лет, после улучшения в модели ядерных оболочек . В этой модели, атомное ядро построено в «оболочках», по аналогии с электронными оболочками в атомах. Независимо друг от друга, нейтроны и протоны имеют энергетические уровни , которые обычно близко друг к другу, но после того, как данная оболочка заполнена, она занимает значительно больше энергии , чтобы начать заполнение следующего. Таким образом, энергия связи на нуклон достигает локальный максимум и ядра с заполненными оболочками являются более стабильными , чем без нее . Число нуклонов , для которых оболочки заполнены называются магическими числами , и магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 были обнаружены для нейтронов, и следующий номер, по прогнозам, будет 184. Протонов поделиться первые шесть из этих магических чисел, и 126 было предсказано , начиная с 1940 - х годов. Нуклиды с магическим числом каждого из них называют «дважды магическим» и являются более стабильными , чем близлежащие нуклиды в результате больших энергий связи.

В конце 1960 - х годов, более сложные модели оболочки Уильям Майерс и Владиславом Святецкий, и Г. Meldner с учетом кулоновского отталкивания, изменило прогноз на следующий номер протона волшебном от 126 до 114. Некоторые российские физики утверждали о существовании дважды магического нуклида 298 Fl ( Z = 114, N = 184), а не 310 Ubh ( Z = 126, N = 184) , которое было предсказано , чтобы быть дважды магическим уже в 1957 г. появляются Майерс и Святецкий, что ввел термин «островок стабильности», и Гленн Сиборг , позже открыватель многих сверхтяжелых элементов, быстро приняли термин и продвигали. Впоследствии, оценки протонного магического числа варьировались от 114 до 126, и до сих пор нет единого мнения.

Интерес к острову стабильности росли в течение следующих нескольких лет, так как некоторые расчеты свидетельствуют о том, что он может содержать радионуклиды с периодом полураспада миллиардов лет. Они были также предсказаны быть особенно устойчивы к спонтанному делению , несмотря на их высокую атомную массу. Считалось , что если существуют такие элементы, они могут быть использованы в ускорителях частиц , как источники нейтронов , и в ядерном оружии как следствие их , вероятно , низкой критической массы . Эти рассуждения привели многих исследователей проводить поиски сверхтяжелых элементов в 1960 - х и 1970 - х годов, как в природе , так и через нуклеосинтеза в ускорителях элементарных частиц .

Открытия

Большинство стабильных изотопов сверхтяжелых элементов ( Z ≥ 104)
Элемент атомный номер Наиболее стабильный изотоп Период полураспада
резерфордия 104 267 Rf 1.3 часов
Дубний 105 268 дб 1,2 дня
сиборгия 106 269 Sg 14 минут
борий 107 270 Bh 1 минута
гания 108 270 Hs 10 секунд
мейтнерий 109 278 Mt 7,6 секунды
Darmstadtium 110 281 Ds 9.6 секунд
рентгения 111 282 Rg 1,7 минуты
Коперниций 112 285 Cn 29 секунд
Nihonium 113 286 Nh 9,5 секунды
Флеровий 114 289 Fl 1.9 секунды
Moscovium 115 290 Мгц 650 миллисекунд
Ливерморий 116 293 Lv 57 миллисекунды
Tennessine 117 294 Ts 51 миллисекунды
Oganesson 118 294 Og 690 микросекунд
Краткое описание наблюдаемых цепочках распада в четно - Z сверхтяжелых элементов. Существует общая тенденция к увеличению стабильности для изотопов с большим избытком нейтронов, особенно в элементах 110, 112, и 114, что наводит на мысль о том , что центр острова стабильности лежит среди еще более тяжелых изотопов.

В 1970 - е годы были проведены многие поиски долгоживущих сверхтяжелых ядер. Эксперименты по синтезу различных элементов , начиная с атомным номером от 110 до 127 были проведены в различных лабораториях по всему миру, хотя ни один не были успешными, указывая , что такие эксперименты могут быть недостаточно чувствительными , если сечения были низкими, или что - либо ядра достижимы через такие реакции слияния-испарения будет слишком кратковременным для обнаружения. Более поздние эксперименты показывают , что это действительно может быть так. Подобные поиски в природе также не увенчались успехом, установление верхних пределов на обилие этих элементов между 10 -14 и 10 -11 молей сверхтяжелых элементов на моль руды. Несмотря на эти неудачи, новые сверхтяжелые элементы были обнаружены через каждые несколько лет в различных лабораториях с помощью света ионной бомбардировки и реакции холодного термоядерного синтеза; резерфордия , первый трансактинидных , был открыт в 1969 году, и Коперниций была достигнута к 1996 году Несмотря на то, что период полураспада этих ядер очень короткие (от порядка секунды ), само существование элементов более тяжелых , чем резерфордия является показателем стабилизации эффекты считали, что причиной замкнутыми оболочками; модель не рассматривает такие эффекты запретят существование этих элементов из - за быстрое спонтанное деление.

Флеровий, с ожидаемым магическим 114 протонов, был впервые синтезирован в 1998 году Юрий Оганесян и др. в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне , Россия. Был обнаружен один атом элемента 114, со временем жизни 30,4 секунд, и его продукты распада были периодом полураспада измеримы в течение нескольких минут. Это было расценено как «хрестоматийным пример» цепной распада , характерные для острова стабильности, и при условии , убедительных доказательств существования острова стабильности в этом регионе. Далее успешные эксперименты в течение следующих двух десятилетий привели к открытию всех элементов до oganesson , распад которых свойства дополнительно поддерживает присутствие острова стабильности. Хотя известные ядра все еще падают несколько нейтронов доходя N = 184 , где , как ожидается , максимальная устойчивость (большинство нейтронов богатых ядер, 293 Lv и 294 Ts, только достигает N = 177), а также точное местонахождение центра острова остаются неизвестными , тенденция повышения устойчивости ближе к N = 184 была продемонстрирована. Например, изотоп 285 Cn, с более восьми нейтронов , чем 277 Сп, имеет период полураспада почти пять порядков дольше; это , как ожидается, продолжится и в неизвестные тяжелые изотопы.

Деформированные ядра

Исследования , проведенные в начале 1990 - х годов показали , что сверхтяжелые элементы не имеют абсолютно сферические ядра. Оболочка считается стабильным , когда он находится в сферической форме. Изменение формы ядра изменяет положение протонов и нейтронов в оболочке; Недавнее исследование показывает , что большие ядра деформируются , вызывая магические числа сместятся относительно тех , для сферических ядер. Текущее теоретическое исследование указывает на то, что в области Z  = 106-108 и N  ≈ 160-164, ядра могут быть более устойчивыми к делению , как следствие оболочечных эффектов для деформированных ядер; Таким образом, такие сверхтяжелые ядра будет только пройти альфа - распад. Гания -270 теперь считается, что дважды магическое деформированное ядро, с деформированными числами магии Z = 108 и N = 162. Это имеет период полураспада 10 секунд. Определение свойств распада соседних гания и seabogrium изотопов рядом с N = 162 обеспечивает дополнительные убедительные доказательства для этой области относительной стабильности в деформированных ядрах.

Прогнозные свойства распада

Диаграмма , изображающая предсказала моды распада сверхтяжелых ядер. Наиболее нейтронодефицитные ядра, а также тех , кто сразу за закрытие оболочки при N = 184, согласно прогнозам, в основном подвергается делению, изотопы вблизи тех , в настоящее время известно , будет испытывать альфа - распад, и изотопы ближе к центру островов также могут иметь значительные бета распад ветви. Коробочный ядра 291 Cn и 293 Сп прогнозируются быть бета-стабильны и имеют самые длинные периоды полураспада.
3D-график устойчивости элементов против числа протонов Z и нейтронов N, показывающий «горная цепь» работает по диагонали через граф от низкой к высокой численности, а также «остров стабильности» на высокой N и Z.
3-мерное предоставление теоретического острова стабильности вокруг N  = 178 и Z  = 112

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 коротки, порядка нескольких минут или дней. Некоторые теоретические расчеты показывают , что их период полураспада может быть длинным, порядка 100 лет, или , возможно , до тех пор , как 10 9  лет.

Закрытия оболочки при N = 184, по прогнозам, приведет к более частичных периодов полураспада для альфа - распада и спонтанного деления. Считается , что закрытие оболочки приведет к увеличению барьеров деления для ядер около 298 Fl, сильно затрудняет деление и , возможно , в результате деления периодов полураспада 30 порядков больше , чем у ядер не зависит от закрытия оболочки. Например, дважды магическое ядро 298 Fl может иметь спонтанного деления полураспада порядка 10 19 лет; это намного больше , чем в 2,5 мс период полураспада известной нейтронно-дефицитных изотопов 284 FlN = 170) , как полагают, разграничить предел стабилизации эффектов. Некоторые неоткрытых изотопов предсказаны пройти деление с еще более короткими периодами полураспада, ограничивая существование и возможное наблюдение сверхтяжелых за пределами острова стабильности (а именно для Z > 120 и N > 184; эти ядра могут подвергаться альфа - распад или спонтанного деления в микросекунд или менее). В центре острова, может быть конкуренция между альфа - распадом и спонтанным делением, хотя точное соотношение сильно зависят от модели. Альфа-распад полураспада 1700 ядер с 100 ≤ Z ≤ 130 были вычислены в квантовой модели туннелирования с обеих экспериментальных и теоретических альфа-распада Q-значений , и находятся в согласии с наблюдаемыми периодами полураспада для некоторых из самых тяжелых изотопы. Дольше изотопов прогнозируются лежать на линии бета-стабильности , а также, для бета - распада предсказывается , чтобы конкурировать с другими видами распада вблизи предсказанного центре острова, особенно для изотопов элементов 111-115. Принимая во внимании всех моды распада, различные модели показывают смещение центра острова (т.е. дольше живут нуклиды) из 298 Fl к нижнему атомному номеру; они включают в себя 100-летний период полураспада для 291 Сп и 293 Сп, 1000 год полураспада для 296 Сп, и 300-летний период полураспада для 294 Ds; последние два точно в Н закрытия оболочки = 184.

Даже если эти периоды полураспада будет относительно долго сверхтяжелых элементов, они слишком коротки для любых таких нуклидов существовать исконно на Земле. Считаются , что они могут произойти в космических лучах при обилии 10 -12 относительно свинец , хотя неустойчивость ядер промежуточной между примордиальными актинидами ( 232 Th, 235 U, 238 U) и островом устойчивости против спонтанного и индуцированного деления может ингибировать их производство в R -Process нуклеосинтеза.

Возможный сильный режим распада для тяжелых сверхтяжелых элементов было показано, что кластерный распад с Дорина Н. Poenaru , Р. Gherghescu, и Walter Greiner . Тем не менее, это предсказано , чтобы иметь большее влияние над Z = 122 , снижая его эффект на распад изотопов вблизи центра острова, если центр острова не находится на более высоком атомным номером , чем предполагалось.

проблемы синтеза

Производство ядер на острове стабильности оказывается очень трудно , потому что ядра , доступные в качестве исходных материалов не обеспечивают необходимую сумму нейтронов. Радиоактивные ионные пучки (например, 44 S) в сочетании с актинидными мишенями (например, 248 см) могут позволить производить более нейтроны богатых ядер ближе к центру острова стабильности, хотя такие пучки не являются в настоящее время доступны в требуемых интенсивностях для проведения подобных экспериментов. Несколько более тяжелые изотопы , такие как 250 Cm и 254 Es еще могут использоваться в качестве мишеней, что позволяет производство изотопов с одним или двумя более нейтронами , чем известные изотопы, хотя производство нескольких миллиграммов этих редких изотопов , чтобы создать цель трудно. Он также может быть возможным , чтобы исследовать альтернативные каналы реакции в тех же 48 Ca реакций слияния-индуцированная испарения, населяющих большинство нейтронов богатых известных изотопов, а именно Рхп и αxn (испусканием протона или альфа - частицы , соответственно, и затем несколько нейтроны) каналы; это может позволить синтез нейтронно-обогащенные изотопов элементов 111-117. Несмотря на то, предсказанные поперечные сечения имеют меньшие размеры , чем в хп каналов (порядка 1-900 FB ), он все еще может быть возможным генерировать в противном случае недостижимые изотопы сверхтяжелых элементов в этих реакциях. Некоторые из этих тяжелых изотопов могут также пройти электронный захват в дополнении к альфа - распаду с относительно длительного периода полураспада, распадающийся на ядра , такие как 291 Сп, которые предсказанные лежать недалеко от центра острова стабильности, хотя это по- прежнему в значительной степени гипотетическим как свойства сверхтяжелых ядер вблизи линии бета-стабильности остаются неисследованными.

Он также может быть возможным генерировать изотопы в острове стабильности , такие как 298 Fl в многонуклонных реакциях переноса в низкоэнергетических столкновениях актинидных ядер (такие , как 238 U и 248 см). Эта обратная квазиделение (частичное слияние с последующим делением, со смещением от массового равновесия в продуктах) механизм может обеспечить путь к острову стабильности , если эффекты оболочки вокруг Z = 114 достаточно сильны, хотя и более легких элементы , такие как нобелий и сиборгия по прогнозам, имеют более высокие урожаи. Предварительные исследования 238 U + 238 U и 238 U + 248 Cm не удалось произвести элементы , более тяжелые , чем менделевия, хотя повышенный выход в последней реакции свидетельствует о том , что использование еще более тяжелых мишеней , таких как 254 Es (если таковая имеется) может позволить производство сверхтяжелых элементов. Более позднее исследование 238 U + 232 Th реакции обнаружено несколько неизвестных альфа - распадов , которые могут , возможно , быть отнесены к новым, нейтроноизбыточных изотопов сверхтяжелых элементов с 104 < Z <116, хотя требуются дальнейшие исследования, чтобы однозначно определить атомный номер продукты. Этот результат наводит на мысль , что оболочечные эффекты оказывают существенное влияние на сечениях, и что остров стабильности может быть достигнут в будущих экспериментах с реакциями переноса.

Другие острова стабильности

Дальнейшие закрытия оболочки за пределы основного острова стабильности вокруг Z = 114, N = 184 может привести к возникновению дополнительных островков стабильности. Считается , что два важных острова могут существовать вокруг тяжелее вдвойне магических ядер; первые вблизи 354 126 (с 228 нейтронов) , а второй возле 472 164 или 482 164 (с 308 или 318 нейтронов). Эти изотопы могут быть особенно устойчивы к спонтанному делению и имеют альфа - распад полураспад измеримым в годах, таким образом , имея сравнимую стабильность элементов в непосредственной близости от Флеровий . Такая концепция была предложена Юрия Оганесяна на 235 - й национальной конференции Американского химического общества в 2008 г. Тем не менее, значительно больше , электромагнитное отталкивание между протонами в таких тяжелых ядер может привести к снижению их устойчивости, и , возможно , привести их только кратко существуют как несвязанных резонансы . Это может иметь дополнительное следствие изоляции этих островков от основной диаграммы нуклидов , в качестве промежуточных изотопов и , возможно , элементов в «море нестабильности» будет быстро проходить деление и по существу не существовать. Поскольку эти элементы гораздо тяжелее , чем известные элементы, полагают , что новый, более сильный ускоритель частиц будет необходим для их синтеза.

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Emsley, Джон (2011). Природа Строительные блоки: AZ Руководство по элементам (New - е изд.). Нью - Йорк, Нью - Йорк: Oxford University Press. ISBN  978-0-19-960563-7 .

внешняя ссылка