У ізотопів 120-го і 124-го хімічних елементів виявлена ​​схильність до довгожительства • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Фізика, Хімія

У ізотопів 120-го і 124-го хімічних елементів виявлена ​​схильність до довгожительства

Мал. 1. Детектор INDRA у французькій прискорювальної лабораторії GANIL, на якому були отримані описувані результати. Фото з сайту phototheque.in2p3.fr

Французькі фізики експериментально підтвердили прогнози теоретиків про те, що деякі ізотопи 120-го і 124-го елементів мають підвищену стійкість. Можливо, у цих елементів існують і по-справжньому довгоживучі ізотопи.

Пошук довгоживучих ізотопів надважких елементів – один з найбільш захоплюючих розділів ядерної фізики. На сьогодні вже синтезовано багато трансуранових елементів, але всі вони незмінно виявлялися нестабільними. Теоретики вже давно пророкують, що серед цього «моря» нестабільних ізотопів можуть існувати «острова стабільності» – особливі групи ядер з аномально великим часом життя.

Найпоширеніший аргумент на користь цього – передбачення моделі ядерних оболонок, яка добре зарекомендувала себе при описі звичайних ядер. У цій моделі повністю заповнена протонна або нейтронна оболонка надає ядру особливу стійкість, різко збільшуючи його час існування. Розрахунки, засновані на «оболонкових» моделях,пророкують такі острова стабільності десь в області від 114-го до 126-го елемента (в різних моделях виходять різні значення). Саме за такими ізотопами зараз полюють багато фізиків.

Рекордом поки залишається синтез елементів 116 і 118 в Об'єднаному центрі ядерних досліджень в підмосковній Дубні. У Дубенська фізиків є плани по відкриттю і більш важких елементів, але треба пам'ятати, що їх прямий синтез в зіткненні більш легких ядер – дуже важке завдання. По-перше, більш-менш стійкими можуть бути тільки ядра з достатньою кількістю нейтронів. Для того щоб їх синтезувати, треба зіштовхувати легені нейтроно-надлишкові ядра, які самі по собі рідкісні. По-друге, чим важче ядро, тим менше ймовірність його народження, так що за довгі місяці роботи прискорювача народжується всього кілька ядер.

У світлі цього фізики-експериментатори шукають і інші, може бути не настільки прямі, способи перевірити пророкування теоретиків. Один такий метод успішно випробувала недавно група фізиків, що працюють з детектором INDRA на прискорювачі важких ядер GANIL у французькому місті Кан. Стаття з результатами їх експериментів з'явилася днями в журналі Physical Review Letters.

Французи не стали гнатися за довгоживучими ізотопами надважких ядер, а вирішили просто виміряти час життя «нейтроно-дефіцитних» ядер, отримати які відносно просто. Для цього вони провели три серії експериментів – опромінювали нікелеву мішень ядрами урану (при злитті цих ядер утворювалися ядра з зарядом Z = 120), а також германиевую мішень ядрами свинцю й урану (утворювалися ядра з Z = 114 і 124 відповідно).

Отримувані при цьому ядра дуже нестабільні, проте нестабільність нестабільності – ворожнечу, і в цій розмові слід пам'ятати деякі числа. У типових ядерних реакціях частки рухаються зі швидкостями порядку 1/10 швидкості світла, і значить, проходять відстань, рівну діаметру важкого ядра (тобто близько 10 ферми, або 10-14 м), за час порядку 10-21 с. Цей час можна назвати типовим ядерним часом. Якщо при злитті двох ядер утворюється важке ядро, що не володіє ні найменшої стабільністю, то воно розпадеться приблизно за такий час. Якщо ж є якийсь фактор, який стримує розпад ядра, то воно живе набагато довше цього часу.

Те, що вдалося зробити французам, – це з'ясувати, які з отриманих ядер живуть більше 1 аттосекунди (10-18 c), тобто в тисячі разів довше типового ядерного часу. Саме це і стало доказом того, що деякі ізотопи відрізняються підвищеною стійкістю.

Для цього автори роботи скористалися так званим ефектом тіней. Ідея цього методу полягає в наступному (див. Рис. 2). У кристалі атомні ядра розташовані регулярним чином – уздовж кристалографічних площин (втім, через теплових коливань атомів цей порядок не строгий, а приблизний). Якщо маленький кристалик-мішень опромінити потоком важких ядер, то налітають ядра зливаються з ядрами мішені і тут же, в тому ж самому місці розвалюються на ядра-осколки, які розлітаються в різні боки. Однак ті ядра-осколки, які вилітають уздовж кристалографічних площин, не зможуть дійти до детектора, так як їх шлях пройде крізь інші ядра в цій площині. Тому в детекторі народжених ядер в цьому напрямку (тобто при куті ψ близькому до нуля) буде спостерігатися справжнісінька тінь від кристалографічної площини.

Мал. 2. Використання ефекту тіней для вимірювання часу життя нестабільних атомних ядер. зліва: Геометрія вильоту дочірніх ядер після розпаду нестабільного ядра. Якщо розпад стався прямо на кристаллографической площині, то дочірні ядра не зможуть летіти уздовж площини, вони будуть поглинені іншими ядрами. Якщо ж нестабільне ядро ​​встигло зрушити, то продукти розпаду можуть йти і вздовж кристалографічної площини. справа: Типова залежність кількості відліків детектора від кута відхилення від осі кристала, що отримується в детекторі. «Провал» при малих кутах відхилення – це і є тінь від кристалографічної площини, але ця тінь часткова. За «глибині» тіні можна визначити приблизний час життя нестабільних ядер. Мал. з розповіді Джозефа Натовітца (Joseph B. Natowitz) про обговорюваній статті в Phys. Rev. Lett.

Якщо ж ядро ​​має підвищену стійкість, то воно розвалюється не відразу після злиття, а через деякий невеликий час. Затримки по часу близько 1 аттосекунди досить для того, щоб воно вилетіло з кристаллографической площині і розпалося між площинами. Дочірні ядра, що вилетіли строго уздовж площини, вже не поглинаються і спокійнісінько долітають до детектора.Іншими словами, ніякої тіні в цьому напрямку немає.

В реальній ситуації будуть ядра, що розпадаються як відразу, так і з затримкою. Тому тінь вийде неповною, як на рис. 2 праворуч. але вже сам факт спостереження неповної тіні говорить про те, що принаймні деякі ядра перед розпадом затримуються на часи в сотні і тисячі разів більше типового ядерного часу.

Саме цей метод і використовували французькі фізики для вивчення стійкості ізотопів елементів 114, 120 і 124. Завдання це була непроста, оскільки продукти розпаду і їх енергія були не фіксовані і могли змінюватися в досить широких межах. Однак завдяки хорошим характеристикам детектора в разі ядер з Z = 120 і 124 вони змогли виділити «довгоживучу» (тобто живе помітно довше 1 аттосекунди) частина ядер. А ось у ядер з Z = 114 такого ефекту не спостерігалося.

Може виникнути питання: яка користь від цих нестабільних ядер? Яка різниця, живуть вони одну соту аттосекунди або сто аттосекунд?

Справа тут в тому, що у всіх цих нестабільних нейтроно-дефіцитних ізотопів гарантовано існують і більш важкі, «нейтроно-достатні» ізотопи.Ось вони-то і можуть виявитися справжніми довгожителями, можливо аж до абсолютної стабільності. На досвіді вони поки не синтезовані, проте їх властивості активно вивчають теоретики. І ось те, наскільки правдоподібна та чи інша теоретична модель, можна тепер перевірити на «нейтроно-дефіцитних» ядрах за допомогою нових експериментальних даних.

Таким чином, отримані зараз дані опосередковано вказують на те, що 120-й і 124-й хімічні елементи можуть мати довгоживучі ізотопи, і значить, за ними стоїть пополювати.

джерело: M. Morjean et al. Fission Time Measurements: A New Probe into Superheavy Element Stability // Phys. Rev. Lett. 101, 072 701 (11 August 2008); повний текст – PDF, 290 Кб.

Див. також:
1) J. B. Natowitz. How stable are the heaviest nuclei? // Physics 1, 12 (2008) – розповідь про обговорювану роботу.
2) С. А. Карамян. Вимірювання тривалості ядерних реакцій з важкими іонами // ЕЧАЯ, 1986, т. 17, вип. 4, с. 753.
3) А. Ф. Тулінов. Вплив кристалічної решітки на деякі атомні і ядерні процеси // УФН, 1965, т. 87, вип. 4, с. 585.

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: