Остров Стабильности за пределами таблицы Менделеева
Сергей Транковский
«Наука и жизнь» №7, 2012
На исходе второго тысячелетия академик Виталий Лазаревич Гинзбург составил список из тридцати проблем физики и астрофизики, которые он считал наиболее важными и интересными (см. «Наука и жизнь» № 11, 1999 г.). В этом списке под № 13 указана задача отыскания сверхтяжёлых элементов. Тогда, 12 лет назад, академик с огорчением отметил, что «существование в космических лучах долгоживущих (речь идёт о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждено не было». Сегодня следы таких ядер обнаружены. Это даёт надежду открыть наконец остров Стабильности сверхтяжёлых ядер, существование которого предсказал когда-то физик-ядерщик Георгий Николаевич Флёров.
Вопрос, существуют ли элементы тяжелее урана-92 (238U — его стабильный изотоп), долгое время оставался открытым, так как в природе они не наблюдались. Считалось, что стабильных элементов с атомным номером больше 180 нет: мощный положительный заряд ядра разрушит внутренние уровни электронов тяжёлого атома. Однако довольно скоро выяснилось, что стабильность элемента определяется устойчивостью его ядра, а не оболочки. Стабильны ядра с чётным числом протонов Z и нейтронов N, среди которых особенно выделяются ядра с так называемым магическим числом протонов или нейтронов — 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 — это, например, олово, свинец. И наиболее стабильны «дважды магические ядра», у которых число и нейтронов, и протонов — магическое, скажем, гелий и кальций. Таков изотоп свинца 208Pb: у него Z = 82, N = 126. Устойчивость элемента чрезвычайно сильно зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в его ядре. Например, свинец со 126-ю нейтронами стабилен, а другой его изотоп, в ядре которого на один нейтрон больше, распадается за три с лишним часа. Но, отмечал В. Л. Гинзбург, теория предсказывает, что некий элемент Х с числом протонов Z = 114 и нейтронов N = 184, то есть с массовым атомным числом А = Z + N = 298, должен жить примерно 100 миллионов лет.
Сегодня искусственно получено множество элементов вплоть до 118-го включительно — 254Uuo. Это самый тяжёлый неметалл, предположительно — инертный газ; его условные названия унуноктий (оно образовано из корней латинских числительных — 1, 1, 8), эка-радон и московий Mw. Все искусственные элементы когда-то существовали на Земле, но с течением времени распались. Например, плутоний-94 имеет 16 изотопов, и только у 244Pu период полураспада Т½ = 7,6·107 лет; у нептуния-93 12 изотопов и у 237Np Т½ = 2,14·106 лет. Эти самые длительные периоды полураспада среди всех изотопов данных элементов гораздо меньше возраста Земли — (4,5–5,5)·109. Ничтожные следы нептуния, которые находят в урановых рудах, — продукты ядерных реакций под действием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана, а плутония — следствие бета-распада нептуния-239.
Элементы, пропавшие за время существования Земли, получают двумя способами. Во-первых, в ядро тяжёлого элемента можно вогнать лишний нейтрон. Там он претерпевает бета-распад, образуя протон, электрон и электронное антинейтрино: n0 → p + e– + ve. Заряд ядра увеличится на единицу — возникнет новый элемент. Так получали искусственные элементы вплоть до фермия-100 (его изотоп 257Fm имеет период полураспада 100 лет).
Ещё более тяжёлые элементы создают в ускорителях, которые разгоняют и сталкивают ядра, например золота (см. «Наука и жизнь» № 6, 1997 г.). Именно так в лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и получили 117-й и 118-й элементы. Причём теория предсказывает, что далеко за пределами известных ныне тяжёлых радиоактивных элементов должны существовать стабильные сверхтяжёлые ядра. Российский физик Г. Н. Флёров изобразил систему элементов в виде символического архипелага, где стабильные элементы окружены морем короткоживущих изотопов, которые, возможно, так никогда и не будут обнаружены. На главном острове архипелага высятся пики наиболее стабильных элементов — Кальция, Олова и Свинца, за проливом Радиоактивности лежит остров Тяжёлых ядер с пиками Урана, Нептуния и Плутония. А ещё дальше должен располагаться таинственный остров Стабильности сверхтяжёлых элементов, подобных уже упомянутому — Х-298.
Несмотря на все успехи экспериментальной и теоретической физики, остаётся открытым вопрос: существуют ли в природе сверхтяжёлые элементы, или же они — чисто искусственные, рукотворные вещества, подобные синтетическим материалам — капрону, нейлону, лавсану, — природой никогда не создававшимся?
Условия для образования таких элементов в природе есть. Они создаются в недрах пульсаров и при взрывах сверхновых звёзд. Потоки нейтронов в них достигают огромной плотности — 1038 n0/м2 и способны порождать сверхтяжёлые ядра. Они разлетаются в космосе в потоке межгалактических космических лучей, но их доля чрезвычайно мала — всего несколько частиц на квадратный метр в год. Поэтому возникла мысль использовать природный детектор—накопитель космического излучения, в котором сверхтяжёлые ядра должны оставить специфический, легко узнаваемый след. Такими детекторами с успехом послужили метеориты.
Метеорит — кусок породы, вырванный какой-то космической катастрофой из материнской планеты, — путешествует в космосе сотни миллионов лет. Его непрерывно «обстреливают» космические лучи, которые на 90% состоят из ядер водорода (протонов), на 7% — из ядер гелия (двух протонов) и на 1% — из электронов. На оставшиеся 2% приходятся другие частицы, среди которых могут быть и сверхтяжёлые ядра.
Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) изучают два палласита — железоникелиевые метеориты с вкраплениями оливина (группа полупрозрачных минералов, в которых к двуокиси кремния SiO4 присоединены в разных пропорциях Mg2, (Mg, Fe)2 и (Mn, Fe)2; прозрачный оливин называется хризолитом). Возраст этих метеоритов — 185 и 300 миллионов лет.
Тяжёлые ядра, пролетая сквозь кристалл оливина, повреждают его решётку, оставляя в ней свои следы — треки. Они становятся видны после химической обработки кристалла — травления. А поскольку оливин полупрозрачен, треки эти можно наблюдать и изучать в микроскоп. По толщине трека, его длине и форме можно судить о заряде и атомной массе ядра. Исследования сильно осложняет то, что кристаллы оливина имеют размеры порядка нескольких миллиметров, а трек тяжёлой частицы гораздо длиннее. Поэтому о величине её заряда приходится судить по косвенным данным — скорости травления, уменьшению толщины трека и пр.
Работы по отысканию следов сверхтяжёлых частиц с острова стабильности назвали «Проект Олимпия». В рамках этого проекта получены сведения примерно о шести тысячах ядер с зарядом более 55 и трёх ультратяжёлых ядрах, заряды которых лежат в интервале от 105 до 130. Все характеристики треков этих ядер измерены комплексом высокоточной аппаратуры, созданным в ФИАНе. Комплекс в автоматическом режиме распознаёт треки, определяет их геометрические параметры и, экстраполируя данные измерений, находит предположительную длину трека до его остановки в массиве оливина (напомним, что реальный размер его кристалла — несколько миллиметров).
Полученные экспериментальные результаты подтверждают реальность существования в природе стабильных сверхтяжёлых элементов.
-
Мы сотрудничали с институтом Дубны помнню сколько было радости когда ИЮПАК большинством голосов присвоил 105 элементу название Дубний Db105. Однако на тот момент были синтезированы элементы до 109, за эти годы дошли уже до 118, если темпы останутся прежними лет через 15 достигнем острова стабильноти.
-
Говорили, что остров можно лишь обойти, но не достичь, потому что нет способа получить необходимый избыток нейтронов над протонами. Сейчас есть идеи как это сделать?
-
Нсколько помню элемент с числом 124 пытались получить на германиевой мишени бомбардировкой ядрами урана. Вроде даже были положительные результаты.
-
Не, это как раз нейтронодефицитные ядра. На них именно обходили остров сбоку, чтобы показать, что он есть. Насколько я понимаю проблема в том, что нет двух долгоживущих ядер, при слиянии которых мог бы получится элемент с нужным числом нейтронов. А добавлять нейтроны по одному не получается, через несколько шагов, обязательно получается нечто что быстро распадается.
-
-
-
-
Соединения данного элемента могут демонстрировать уникальные свойства, для промышленности, биотехнологий и прочих высоких технологий, всяких квантовых компьютеров и т.п.
-
Ну вот есть обедненный уран (фактически чистый U-238), будет еще в полтора раза тяжелее. Где его применение в промышленности и биотехнологиях? Правильно сказали, снаряды только делать.
-
А википедия, по видимому, как всегда врёт:
"В основном его [обеднённого урана] использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно), — используется чрезвычайно высокое сечение захвата, и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, болидах формулы-1, при бурении нефтяных скважин."
-
-
Понимаете мы не знаем ожидаемую химию и размеры данных ядер, поэтому не знаем какие кристаллические решетки оно будет образовывать, может найти с применение и в сверпроводимости и в нанотехнологиях и в биотехнологиях. И кстати уран еще используется в аналитической химии для определения натрия в растворах.
-
1) Фермий-257 (наиболее долгоживущий изотоп фермия) имеет период полураспада T1/2 не 100 лет, а 100 дней.
2) "SiO4" - это не двуокись кремния, а ортосиликат-анион (SiO4)-4, в рассмотренном случае он нейтрализуется двумя катионами двухвалентных металлов (Fe+2 и Mg+2, а также Mn+2 и более редкие примеси других 3d-металлов). Если же говорить о двуокиси кремния SiO2, то речь идёт о продукте её химического взаимодействия с двумя формульными единицами вюстита FeO, в котором железо частично замещено на другие 3d-металлы и магний.
Ещё одна серьёзная ошибка:
3) Дважды магический изотоп 298 элемента 114, для которого ИЮПАК уже утвердил новое название - флёровий (Fl), должен иметь столь высокий, как указано, период полураспада только по каналу спонтанного деления, а резко преобладающим для него должен быть альфа-распад с весьма скромным T1/2 от нескольких часов до нескольких дней. А вершине острова стабильности должно соответствовать ближайшее снизу к оболочке N=184 1бета-стабильное ядро с максимальной пропорцией N/Z - согласно большинству расчетных оценок, это магический с N=184 изотоп 294 элемента 110 с периодом полураспада от сотен лет до десятков тысяч лет с конкурирующими альфа-распадом и спонтанным делением, но если этот изотоп окажется 1бета-активным, вершина может оказаться смещенной в сторону меньших N (т.е. к изотопу 293, 292, 290, 291 или 289), а период полураспада будет меньше. Вследствие математических трудностей в точной теории сильного взаимодействия -квантовой хромодинамике (а именно, ограниченной применимости в ней методов теории возмущений), точность существующих методов квантовых расчётов ядерных свойств пока недостаточна для более определённых выводов, и во многом приходится ориентироваться на эмпирические закономерности и экстраполяции.
В статье есть существенный недочёт:
4) В статье не отмечен факт, что в природе встречается не только вторичный изотоп плутония 239Pu, но и сохранившийся со времен образования Солнечной системы в окрестностях взрыва сверхновой звезды первичный изотоп 244Pu (пусть и встречающийся в гораздо меньших количествах - десятки граммов на всю земную кору, судя по концентрации его ядер, найденной масс-спектроскопически в докембрийском бастнезите). Известно только два сохранившихся в следовых количествах первичных нуклида - 244Pu и 146Sm, все первичные нуклиды с меньшими периодами полураспада (в том числе долго присутствовавший на ранней Земле кюрий-247) полностью распались, но могут образовываться в следовых количествах вторично в ядерных реакциях под действием космических лучей.
Дополнение:
В ОИЯИ в Дубне (это наш коллектив под руководством Ю.Ц.Оганесяна в сотрудничестве с учеными из Ливерморской национальной лаборатории США)принято решение в ближайшие годы построить "фабрику" по синтезу сверхтяжелых ядер бомбардировкой 48Ca по актиноидным мишеням (компаунд-ядро потом быстро теряет 3-5 нейтронов до релаксации) - существующие установки требуют регулярной остановки эксперимента для технического обслуживания, а новая установка сможет работать почти непрерывно, благодаря чему выходы сверхтяжёлых ядер удастся повысить с единиц-десятков до сотен и тысяч, и это позволить гораздо более детально исследовать их свойства. Судя по этому решению лидирующего коллектива, попытки создания в ядерных реакциях сверхнейтроннообогащенных радиоактивных ионов в форме пучков для бомбардировки актиноидных мишеней с целью синтеза ещё более нейтронообогащенных ядер, пока еще не дали удовлетворительных результатов.
В качестве материалов для мишеней пока использовались 244Pu, 248Cm, 249Bk, 249Cf, 252Cf. Вместе с тем, давно известен долгоживущий изотоп 250Cm, позволяющий ещё на 2 нейтрона приблизиться к острову стабильности с применением разработанного подхода бомбардировки 48Ca. Однако из-за малого времени жизни и низкого сечения захвата ядра 249Cm, изотоп 250Cm образуется в ядерных реакторах с чрезмерно низкими выходами. В значительных количествах 250Cm может быть получен только при ядерном взрыве. Кроме того, при ядерном взрыве образуются в макроскопических количествах и ещё более нейтронообогащенные нуклиды 252Cm, 247Pu и 257Es - с периодами полураспада в несколько дней, ещё позволяющих их выделять и использовать в мишенях. Полезно было на основе совместного российско-американского эксперимента в ОИЯИ разработать проект производства этих изотопов с помощью ядерных взрывов сверхмалой мощности на существующих законсервированных подземных полигонах обеих стран, или даже в специально сконструированном неразрушаемом помещении с оборудованием для быстрого извлечения продуктов. Сечение деления одного из трех реакторных изотопов америция - 242mAm - настолько высоко, что позволит снизить критическую массу до сотен милиграммов, при этом мощность взрыва по порядку величины будет соответствовать обычным неядерным боеприпасам, а загрязнение окружающей среды на много порядков меньше последствий проводившихся в прошлом ядерных испытаний, и вопрос только в разработке технологии дистанционного химического извлечения продуктов из полости взрыва для их разделения с применением существующих мощностей и технологий переработки облученного ядерного топлива. При этом стоило бы экспериментально изучить принципиальную возможность синтеза при ядерном взрыве нуклидов острова стабильности (и промежуточной отмели деформированных ядер в окрестостях дубния) с применением современных методов анализа, точность и скорость которых на порядки возросла со времен ядерных испытаний, через быстрое извлечение и масс-спектроскопическое или хроматографическое разделение продуктов взрыва сверхмалой мощности. Для заряда сверхмалой мощности, кроме 242mAm, может оказаться пригоден до сих пор практически не исследованный (по крайней мере в незасекреченной литературе) самый долгоживущий изотоп берклия - долгоживущий изомер 248(LLI)Bk, который должен быть в основном альфа-излучателем с периодом полураспада в сотни тысяч лет, этот изотоп может быть получен не только в ядерных реакциях, где его наблюдали, но и облучением 249Bk в быстром реакторе.
Теперь о том, почему эти два-четыре дополнительных нейтрона, содержащиеся в продуктах взрывов сверхмалой мощности, столь значимы. Приведу фрагменты известных цепочек альфа-распадов сверхтяжелых ядер, выше всего забирающиеся на подножие склона острова стабильности:
для четных номеров 285Cn (= 285[112]) T1/2=34(+17;-9) s. alpha; 281(m?)Ds (=281(m?)[110]) T1/2=20(+20;-7) s. SF(~85%)alpha(~15%) or 281(m?)Ds T1/2=9.6(+50;-25) s. SF;
для нечетных номеров 286[113] T1/2=20(+94;-9) s. alpha~100% (and possib. SF).
Для известных изотопов элементов [110]=Ds; [111]=Rg; [112]=Cn; [113]; [114]=Fl последние (и предпоследние) известные увеличения количеств нейтронов на 2 увеличивают периоды полураспада в следующие количества раз: 110 и 53 (для разных изомеров); 0,14 (150 и 860 для разных изомеров); 8,5 (202); 42 (55); 1900 и 5300 для разных изомеров (3250). Вследствие низкой точности измерений T1/2, их отношения фактически верны лишь с точностью порядков величин. Но из этих цифр уже видно, что 2-4 добавочных нейтрона дадут высокие шансы достижения области электронного захвата с T1/2 порядка минут - десятков минут, а цепочки электронного захвата приведут прямиком к долгоживущим нуклидам острова стабильности. Повышение же мощностей, запланированное ОИЯИ, может приблизить к острову стабильности ещё на 1 нейтрон, за счёт чувствительности к на 1-3 порядка более редким релаксаций компаунд-ядер с испарением лишь двух нейтронов.
-
== или даже в специально сконструированном неразрушаемом помещении с оборудованием для быстрого извлечения продуктов. ==
Ого! И такое возможно?! Как же такое "неразрушаемое помещение" выглядит? Какова мощность взрывов внутри него допустима? В МХТИ, говорят, есть уютная камера в подвальчике...
Вот уж точно, little hell :)
Кстати. В такую камеру можно билеты продавать на эвтаназию (или бесплатно, для членов профсоюза, так сказать): скорость разрушения нейросети будет больше скорости распространения нервного импульса. Но, это так, чёрный юмор. Прошу прощения, если Вам такие шутки не нравятся, но просто не смог утерпеть: камерка навеяла...
