В поисках стабильности

В поисках стабильности

С 1940 года физики синтезировали 26 трансурановых элементов.

Совсем недавно немецкие ученые синтезировали новый 117-й химический элемент таблицы Менделеева. Еще раньше, в 2009 году, этот же элемент удалось получить в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне группе физиков из России и США. «Лента.ру» решила вспомнить основные моменты истории и физики синтеза новых химических элементов.

настоящее время синтез трансурановых элементов в основном проводится в четырех странах: США, России, Германии и Японии. В России новые элементы получают в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, в США — в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннеси и Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе, в Германии — в Центре по изучению тяжелых ионов Гельмгольца (он же — Институт тяжелых ионов) в Дармштадте, в Японии — в Институте физико-химических исследований (RIKEN).

Всего ученые синтезировали 26 трансурановых элементов, начиная с нептуния (N=93) и заканчивая элементом с номером N=118. Немецкие ученые из Центра по изучению тяжелых ионов Гельмгольца в серии экспериментов 2013-2014 годов планировали получить следующий, 119 элемент таблицы Менделеева, но потерпели неудачу. Они обстреливали ядра берклия (N=97) ядрами титана (N=22), однако анализ данных эксперимента не показал наличия нового элемента. На пути к острову стабильности, начиная с 1940 года, на котором ученые пытаются найти устойчивые изотопы трансурановых элементов.

Модели атомных ядер

В отличие от физики элементарных частиц, в которой современные исследователи чаще всего имеют дело с релятивистскими скоростями (скоростями, сравнимыми со скоростью света), в физике атомного ядра рассматриваются существенно нерелятивистские эффекты. Поэтому обычным математическим аппаратом для ядерной физики служит нерелятивистская квантовая механика, основным уравнением которой является уравнение Шредингера. В физике же частиц используется релятивистское обобщение квантовой механики на случай квантовых полей — квантовая теория поля.

Ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и электронейтральных нейтронов. Массы этих частиц примерно равны; в отличие от бесструктурных электронов нуклоны состоят из кварков. Протон состоит из одного d-кварка и двух u-кварков, нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. В свободном состоянии кварки не наблюдаются. Это явление получило название асимптотической свободы — в калибровочной теории при увеличении расстояния между частицами сила взаимодействия между ними значительно возрастает. Кварки в нуклонах, а также протоны и нейтроны в ядре взаимодействуют посредством ядерных (сильных) сил.

Основная трудность, возникающая при построении моделей атомного ядра, заключается в необходимости учета большого количества параметров, описывающих динамику системы. Например, уже в случае классической механики аналитическое решение задачи трех тел в общем случае неизвестно. Поэтому для предсказания свойств ядер используют специальные модели, в которые введены допущения, уменьшающие число параметров, но и ограничивающие область применимости теории.

Традиционно разделяют три группы ядерных моделей. Одночастичные ядерные модели используют представление о ядре как совокупности независимых частей; теории с сильным взаимодействием описывают коррелированное движение частиц в ядре. Обобщенные модели включают в себя оба представления. Количество различных ядерных моделей велико, и не все они используют одинаковые исходные положения.

В 1936 году Нильс Бор предложил капельную (гидродинамическую) модель атомного ядра. В ней ядро представляется каплей со смесью протонной и нейтронной жидкостей, которая описывается уравнениями классической гидродинамики. В этой модели используется аналогия между поведением молекул в жидкости и нуклонов в ядре. Объем капли пропорционален числу нуклонов (не более 300 частиц), заряженная ядерная жидкость считается несжимаемой. Плотность жидкости равна плотности ядерного вещества и не меняется внутри объема, но резко уменьшается у поверхности капли. Независимые движения нуклонов в такой модели невозможны, однако при колебании поверхности капля может развалиться, что интерпретируется как распад ядра.

Капельная модель качественно описывает описывает свойства ядра как целого (например, насыщение — пропорциональность энергии связи ядра массовому числу) и приводит к правильным формулам для энергии связи (формуле Вайцзеккера) и зависимости радиуса ядра от его массового числа (суммы протонов и нейтронов в ядре). К недостаткам модели можно отнести использование большого числа гидродинамических параметров, которые имеют отношение к физике ядра только на уровне аналогий. Также капельная модель не объясняет устойчивость ядер с магическим числом протонов и нейтронов.

В 1950 году Мария Гёпперт-Майер и Ханс Йенсен предложили оболочечную модель, которая успешно объяснила наличие устойчивых ядер с магическим числом протонов и нейтронов. Модель связывает устойчивость атомного ядра с заполнением энергетических уровней оболочек, которые, по аналогии с электронными оболочками атома, образуют ядро. Каждые нуклон и протон в такой модели находятся на определенной оболочке (расстоянии от центра атома или энергетическом уровне) и двигаются независимо друг от друга в некотором самосогласованном поле. Независимость движений нуклонов в ядре в оболочечной модели противоречит гидродинамической модели. Считается, что чем более полно заполнены энергетические уровни ядра, тем более устойчивым является изотоп. Модель хорошо объясняет устойчивость атомных ядер, спины и магнитные моменты, но применима лишь к невозбужденным или легким и средним по массовому числу ядрам.

Коллективная модель была разработана в 1950-х годах Оге Бором, Джеймсом Рейнуотером и Беном Моттельсоном на основе объединения капельной и оболочечной моделей. В этом случае ядро состоит из остова — внутренней части, в которой находятся нуклоны на заполненных оболочках, и внешней оболочки. Остов может менять свою форму под действием наружных нуклонов, а те, в свою очередь, движутся в поле остова. Деформации остова описываются гидродинамической моделью, а движение нуклонов во внешней оболочке — оболочечной. Теория хорошо описывает квадрупольные электромагнитные переходы между уровнями энергии ядер.

Другие модели позволяют объяснить различные тонкие свойства атомных ядер. Например, в оптической модели ядра используется аналогия с прохождением частиц света через полупрозрачную пластину. Такое представление применяется для описания упругого рассеяния нуклонов на ядрах.

Остров стабильности

В соответствии с оболочечной моделью ядра, в которых полностью заполнены энергетические оболочки, характеризуются высокой стабильностью. Такие элементы образуют так называемый «остров стабильности» в отличие от неустойчивых ядер соседних элементов. Исследования ученых по синтезу трансурановых элементов как раз и направлены на достижение этого острова. Первыми элементами, относящимися к острову стабильности, должны стать изотопы, имеющие порядковые номера 114 и 126; такие номера соответствуют магическому и дважды магическому числам. Изотопы флеровия (114-й элемент), полученные в Дубне, имеют период полураспада до 2,7 секунд. Согласно оболочечной теории, должен существовать изотоп Fl-298 c магическим числом нейтронов N=184 с периодом полураспада до 10 минут. Ученым пока не удалось синтезировать такое ядро.

«Карта» с изображением «острова стабильности» Изображение: НИИ ЯФ МГУ

Для сравнения, соседние элементы с числами протонов в ядре, равными 113 и 115, имеют периоды полураспада до 19,6 секунды (для Uut-286) и 0,156 секунды (для Uup-289) соответственно. 113-й и 115-й элементы еще официально не зарегистрированы Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).

Синтез элементов и установки

Большинство первых трансурановых элементов были получены при участии Гленна Сиборга в американской Радиационной лаборатории Лоуренса в Беркли. Первый элемент — нептуний Np-239 — был синтезирован в 1940 году Эдвином Макмилланом и Филиппом Абельсоном. Самый долгоживущий изотоп этого элемента, Np-237, имеет период полураспада более двух миллионов лет. Изотоп был открыт с помощью бомбардировки U-238 нейтронами. Поскольку изотоп имеет время жизни, малое по сравнению со временем существования Земли, его содержание на планете ничтожно мало.

Второй трансурановый элемент — плутоний — не имеет стабильных изотопов. Pu-239 имеет период полураспада, равный 24100 годам, низкое тепловыделение (образец имеет температуру, сравнимую с температурой человеческого тела) и критическую массу, равную десяти килограммам, что делает его удобным для использования в качестве начинки для ядерной бомбы. Критическая масса — минимальное количество вещества, необходимое для самоподдерживающейся цепной реакции.

112-й элемент — нобелий — впервые был синтезирован в 1963-1967 годах в ОИЯИ под руководством Георгия Флерова. Позднее трансурановые элементы получались группами ученых из США, СССР и ФРГ. К настоящему времени трансурановые элементы синтезированы до 118-го включительно. Изотоп 117 элемента был получен бомбардировкой берклия-249 с Z=97 ионами кальция-48 на ускорителе У-400 Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. 117-й и 118-й элементы также еще официально не зарегистрированы ИЮПАК.

Циклотрон У-400 в Дубне заработал в Лаборатории ядерных реакций в 1978 году. По сравнению с установкой У-200 диаметр циклотрона увеличился с двух метров до четырех. К 1993 году был введен в эксплуатацию циклотрон У-400М, который позволяет получать пучки ядер с удельной энергией связи 35-45 мегаэлектронвольт. Такие ядра (на низкой энергии) потом могут направляться в ускоритель У-400.

Рисунок из патента Эрнеста Лоуренса, демонстрирующий работу циклотрона Фото: .wikimedia.org

Циклотрон представляет собой тип нерелятивистских ускорителей, в которых заряженная частица движется в однородном магнитном поле большого электромагнита. Циклотрон имеет два дуанта (в виде буквы D), выполняющих роль электродов, к которым приложено электрическое напряжение. Полярность электродов меняется каждый раз, когда частица совершает половину своего оборота. Это увеличивает скорость, энергию и диаметр траектории частицы, оставляя период ее вращения постоянным. Таким образом, в циклотроне однородное магнитное поле заставляет частицу под действием центростремительной составляющей силы Лоренца двигаться по окружности, радиус которой увеличивается под влиянием электрического поля, так что частица раскручивается по спирали.

Национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе

Пытаясь достичь острова стабильности, ученые продолжают синтезировать новые изотопы трансурановых элементов. Кроме фундаментального значения такие исследования приводят к большому числу прикладных открытий и технологий, широко используемых в различных областях человеческой жизни, например в радиомедицине, экологии, производстве оружия.

Newsland.ru

Похожие новости:
Новые доказательства существования Лох-Несского чудища
Шотландец Джордж Эдвардс, посвятивший всю сою жизнь охоте за знаменитым Лох-Несским чудовищем, объявил о появлении новых доказательств его существования. Он не только видел собственными глазами таинственное живое существо, обитающее в озере Лох-Несс, но и сделал фотографические снимки этого чудовища. Эти кадры ..
2012-08-22 2718 0 Разное, интересное
0
Перезапуск Большого адронного коллайдера отложили из-за неполадок
Физики ЦЕРНа отложили перезапуск Большого адронного коллайдера (БАК) из-за короткого замыкания в одном из магнитов установки. Об этом сообщает Science News. Несмотря на то что семь из восьми секторов установки успешно проверены для эксплуатации на разгон частиц до энергий 6,5 тэраэлектронвольт на пучок, ..
2015-03-26 1804 0 Разное, интересное
1
На Марсе видна пирамида
В объектив камеры робота "Любопытство" попал объект удивительно правильной геометрической формы Известный виртуальный археолог, зоолог и палеонтолог Скотт Уаринг (Scott C. Waring), занятый изучением фотографий с Марса, множит число своих открытий. На днях на снимке, который был передан ..
2015-06-23 2964 0 Разное, интересное
1
Лазеры помогли увидеть древнеримское строительство
Данные лидарной съемки территории Великобритании помогают археологам обнаруживать следы дорог и поселений, возведенных на острове во времена Древнего Рима. Сообщение о работе и уже сделанных находках публикует британское Агентство по окружающей среде.Несмотря на прославленное в веках качество, за тысячелетия почти все древнеримские дороги ..
2016-02-17 1891 0 Разное, интересное
0
Потепление замедлилось из-за океанов
Изменение климата может быстро усилиться, если огромное количество тепла, поглощённого океанами, снова окажется в воздухе. Газы, улавливающие тепло, сегодня выбрасываются в атмосферу активнее, чем когда-либо, и вся десятка самых тёплых лет с начала ведения метеорологических записей приходится ..
2013-04-8 1646 0 Разное, интересное
0
Цивилизация Майя погубила себя вырубкой лесов
Сразу два новых исследования предложили новый взгляд на вопрос о том, почему в 9 веке нашей эре мощи цивилизации Майя пришел конец. Новый анализ сложных взаимодействий между людьми и окружающей средой выявил целый ряд событий как природного, так и рукотворного характера. Города-государства ..
2012-08-24 2485 0 Разное, интересное
0
Китай собирается сбрасывать парниковые газы на Марс
Не так давно руководство Китая обязалось резко сократить углеродный след своей промышленности. На программу по борьбе с загрязнением воздуха в городах чиновники выделили без малого $ 16 млрд. Работа в данном направлении продвигается вперед, хотя и не так быстро, как хотелось бы экологам, что вынуждает местных ..
2013-04-3 1750 0 Разное, интересное
0
Аномальная жара в России – человеческих рук дело
Именно антропогенные факторы способствуют установлению «блокирующих» антициклонов. Зимой ждем жаркого лета, а как оно приходит – не находим места в поисках тени и хоть малого движения свежего воздуха. И все бы ничего, если бы не откровенно настораживающая тенденция: затянувшаяся изнуряющая жара ..
2014-07-29 1803 0 Разное, интересное
0
Естественный отбор — слабое звено теории эволюции
Ученые-эволюционисты на протяжении длительного времени обманывали общество, утверждая что хищники выбирают жертву среди больных и ослабленных животных. Но последние исследования развенчивают эту основополагающую догму естественного отбора, нанеся серьезнейший удар по теории эволюции в целом.Общеизвестно, что собакам нравится за всем ..
2013-01-21 2300 0 Разное, интересное
0
В поисках недостающих звеньев эволюции
В истории жизни время от времени случаются радикальные перемены: возникает челюсть, взлетают птицы, предки человека отделяются от шимпанзе... Чтобы знать, как происходили эти повороты, нужны так называемые переходные ископаемые, то есть недостающие звенья. Тед Дэшлер из Академии естественных наук ..
2013-02-21 1825 1 Разное, интересное
0
Оздоровление Академии наук - насущная необходимость
Правительство России официально сообщило о начале реформирования Академии наук. Необходимость преобразований в этой сфере не вызывает сомнений. Ведь произнесение правильных слов и сопротивление стихии рыночных отношений в их спекулятивных проявлениях при всей важности отнюдь не исчерпывают обязанности Академии наук ..
2013-07-1 1366 0 Разное, интересное
0
Бог и мозг
Трудно вспомнить в течение последних десятилетий столь острые дискуссии в русскоязычном мире о сущности и целесообразности религии, и ее взаимодействии с наукой. Называться атеистом или «светским человеком» стало модно. Несомненно, в свете российских реалий – это своеобразная политическая декларация. Но если ..
2012-08-27 2450 1 Разное, интересное
0
Армагеддон-2: план уничтожать астероиды ядерными взрывами
Министерство энергетики США и российская Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» недавно подписали соглашение о сотрудничестве в ряде областей – в частности, в области борьбы с распространением ядерного оружия, в области ядерных реакторов и в области защиты от астероидов. Следует сходу прояснить ..
2013-09-25 1753 0 Разное, интересное
0
Порт НЛО в Пермском крае — миф или реальность?
Газета "МК" попыталась сокрушить миф 20-го столетия, созданный уфологами, фантазерами, прессой и государством. «Я ходил по всем дорогам и туда и сюда, обернулся и не смог разглядеть следы», — пел Виктор Цой в годы, когда творился миф о знаменитой Молёбской аномальной зоне. ..
2013-04-23 1577 0 Разное, интересное
0
Идеальное генетическое знание
Может, кто-то не знает, но за последние несколько лет геномика добилась больших научных результатов. Например, стало возможным прочитать человеческий геном и исправить все известные ошибки. Возможно, это звучит несколько пугающе, но мечтания фантастов стали явью, в том числе благодаря геномике. ..
2015-10-05 1680 0 Разное, интересное
0