117-й элемент: на пределе возможногоОпубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" № 17 (2010) В настоящее время в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова стартовал уже новый уникальный эксперимент по изучению химических свойств 113-го элемента в реакции берклий-249 + кальций-48.
28 февраля в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований успешно закончился продолжительный эксперимент по синтезу нового химического элемента с атомным номером 117. Свойства распада изотопов 117-го и его дочерних продуктов - изотопов 115, 113, 111, 109, 107 и 105-го элементов, вместе с ранее синтезированными в Дубне изотопами 112-116 и 118-го элементов, являются прямым экспериментальным доказательством существования "островов стабильности" сверхтяжелых ядер. Открытие сверхтяжелых элементов значительно расширяет пределы таблицы Д.И.Менделеева; рост стабильности тяжелейших ядер позволяет впервые исследовать их необычные физические и химические свойства. Эксперименты по синтезу 117-го элемента проводились на ускорителе тяжелых ионов ЛЯР ОИЯИ в сотрудничестве с Национальными лабораториями США в Ок-Ридже и Ливерморе, с университетом Вандербильта (США) и Научно-исследовательским институтом атомных реакторов (Димитровград, Ульяновской области). Подготовленная авторами открытия научная статья опубликована в известном американском журнале "Physical Review Letters". После открытия в 1940-1941 гг. первых искусственных элементов - нептуния и плутония - вопрос о пределах существования элементов и свойствах распада предельно тяжелых ядер стал исключительно интересным для фундаментальной науки о строении материи и характере ее превращений. Подобные исследования проводятся уже на протяжении многих лет в крупных научных центрах Германии, США, Японии, Франции и в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. К концу прошлого века было открыто 17 искусственных элементов. Было обнаружено, что ядерная стабильность трансурановых элементов резко уменьшается с увеличением их атомного номера. При переходе от 92-го элемента - урана к 102-му - нобелию, период полураспада ядра уменьшается на 16 порядков: от 4,5 миллиарда лет до нескольких секунд. Поэтому считалось, что даже незначительное продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования, по существу, обозначит границу существования материального мира. Однако в середине 60-х годов теоретиками, детально исследующими структуру ядерной материи в известных ядрах, неожиданно была выдвинута гипотеза о возможном существовании очень тяжелых (сверхтяжелых) атомных ядер, расположенных далеко от известной области. Согласно расчетам, время жизни ядер с атомными номерами Z=110-120 должно было существенно возрастать по мере увеличения в них числа нейтронов, достигая максимального значения при N=184. Согласно новым представлениям, они образуют весьма обширный "остров стабильности" сверхтяжелых нуклидов, что существенно расширяет границы таблицы элементов. Для прямой проверки столь неординарного предсказания необходимо было, прежде всего, найти способ получения этих гипотетических сверхтяжелых элементов. Весьма перспективными для синтеза элементов тяжелее дубния (Z=105) оказались реакции слияния ядер свинца или висмута с массивными снарядами - ядрами титана, хрома, ... цинка. В 1975-1996 гг. физикам Дубны (ОИЯИ), Дармштадта (GSI, Германия), Токио (RIKEN, Япония) и Беркли (LBNL, США) удалось исследовать эти реакции и синтезировать шесть новых элементов. Наиболее тяжелые элементы с Z=109-112 были получены впервые в GSI и повторены в RIKEN. В 2003-2006 годах японским физикам в течение 240 дней непрерывного облучения висмутовой мишени ионами цинка-70 удалось зарегистрировать всего два события, относящиеся, предположительно, к распаду 113-го элемента. Но периоды полураспада наиболее тяжелых ядер, полученных в этих реакция, составляли всего лишь десятитысячные/тысячные доли секунды. Из-за недостатка нейтронов они располагались далеко от гипотетического "острова стабильности". К тому же резкое падение вероятности образования тяжелых ядер с увеличением атомного номера элемента в реакциях этого типа практически полностью исключало дальнейшее продвижение в сторону более тяжелых элементов. Гипотеза о существовании сверхтяжелых элементов впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, в исследованиях, проводимых группой академика Ю.Ц.Оганесяна в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова ОИЯИ. Ю.Ц.Оганесян и его коллеги кардинально изменили подход к синтезу сверхтяжелых ядер. Вместо свинца и висмута они использовали в качестве материала мишени изотопы трансурановых элементов с большим избытком нейтронов. В качестве снаряда был выбран исключительно редкий и весьма дорогой изотоп 20-го элемента - кальция с массой 48; по отношению к основному изотопу этого элемента, кальцию-40 его ядро имеет 8 дополнительных нейтронов. На ускорителе тяжелых ионов ЛЯР впервые удалось получить интенсивный пучок ускоренных ионов кальция-48. Мишенный материал - изотопы плутония, кюрия и калифорния (соответственно, элементы 94, 96 и 98), нарабатываемые в мощных ядерных реакторах, были предоставлены сотрудничающими с Дубной Ливерморской национальной лабораторией (США) и Научно-исследовательским институтом ядерных реакторов (НИИАР, Димитровград, Ульяновской области). Результаты превзошли даже самые оптимистические ожидания. В 2000-2004 гг., практически в течение пяти лет, именно в этих реакциях впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118. И впервые было показано (а через 5-8 лет повторено и в других лабораториях мира), что они живут в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники. Наиболее интригующие результаты ожидались при синтезе элементов с нечетными атомными номерами, в частности, при изучении свойств радиоактивного распада 117, 115 и 113-го элементов. По теоретическим предсказаниям, 117-й элемент должен был испытывать альфа-распад (испускать ядро гелия) и трансформироваться в 115-й элемент. Тот, в свою очередь, в результате аналогичного процесса, должен переходить в элемент 113. Затем можно было ожидать появление элементов с номером 111. Таким образом, эксперимент позволял наблюдать ядерные превращения в нескольких поколениях последовательного распада ядер нового элемента до тех пор, пока этот процесс последовательного испускания альфа-частиц не оборвется на ядре, испытывающем спонтанное деление на две части. После успешного завершения всего цикла работ, проведенных в Дубне в 2004-2005 гг. по синтезу и изучению свойств распада 115 и 113-го элементов, постановка эксперимента по синтезу элемента 117 приобрела реальные очертания. В ядерной реакции с пучком кальция-48 117-й элемент может быть получен только с использованием мишени из изотопа искусственного 97-го элемента - берклия-249. Период полураспада этого изотопа составляет всего 320 дней. Из-за короткого времени жизни наработку берклия, в требуемом для мишени количестве (20-30 миллиграмм) необходимо вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов. Такая задача под силу только изотопному реактору HIFR, Национальной лаборатории США в Ок-Ридже. С исторической точки зрения примечательно, что в этой лаборатории, созданной в 1943 году, в рамках Манхэттенского проекта, был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы. Сотрудничество с группой исследователей этой лаборатории, работающей под руководством профессора Джеймса Роберто, а также с профессором Джозефом Гамильтоном из университета Вандербильта (Нэшвилл, США) сыграло существенную роль в постановке эксперимента по синтезу 117-го элемента. Между пятью группами исследователей, работающих на разных континентах и занятых подготовкой данного опыта, по мнению руководителя эксперимента Ю. Ц. Оганесяна, быстро установился рабочий контакт. И это сыграло немаловажную роль, так как в силу временного фактора (с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней!) необходимо было все работы вести в высоком темпе. И не только в физических лабораториях, но и в официальных структурах России и США, связанных с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и пр. В конце декабря 2008 года, по завершении 250-дневной кампании на реакторе, в Ок-Ридже было наработано требуемое количество вещества. После трехмесячного "остывания" облученных образцов в два этапа было выделено и очищено от посторонних примесей 22,2 миллиграмма берклия-249. В начале июня 2009 года контейнер прибыл в Москву. Из этого вещества в НИИАР в Димитровграде была изготовлена мишень в виде тончайшего слоя берклия (300 нанометров), нанесенного на тонкую титановую фольгу, а в июле она была доставлена в Дубну. К этому моменту в ЛЯР ОИЯИ все подготовительные работы были завершены. После краткосрочных испытаний началось непрерывное облучение мишени интенсивным пучком кальция-48.
Образовавшиеся в ядерном слиянии берклия (Z=97) и кальция (Z=20) атомы 117-го элемента в процессе облучения отделяются в сепараторе от огромного количества побочных продуктов реакции, и через одну микросекунду имплантируются в детекторную сборку, регистрирующую их распад. Созданная для этих целей сверхчувствительная установка - газонаполненный сепаратор ядер отдачи - была разработана в ЛЯР ОИЯИ. Ее основные элементы и режимы работы были детально исследованы в лаборатории в предыдущие годы, непосредственно в экспериментах по синтезу сверхтяжелых элементов в реакциях под действием пучка ионов кальция-48. Уже в первом облучении мишени из берклия-249, продолжительностью 70 дней, исследователям сопутствовала удача: детекторы пять раз зарегистрировали идентичную картину образования и распада ядер 117-го элемента. Как и ожидалось, эти ядра испускали альфа-частицу и трансформировались в ядра элемента 115. В результате второго распада 115-й элемент превращался в 113-й, затем 113 элемент переходил в 111-й. На этом последовательные распады закончились; 111-й элемент испытывал спонтанное деление с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе - это огромное время! Поскольку каждое ядро в цепочке распада измеряется по трем признакам (параметрам), а сама цепочка состоит из четырех ядер, и такие цепочки были зарегистрированы пять раз в течение эксперимента, любые случайности, имитирующие образование и распад ядер 117-го элемента, полностью исключены. Весьма интересны свойства дочерних продуктов распада нового элемента. Так, например, "внучатое" ядро с атомным номером 113 оказалось более чем в 10 раз стабильнее соседнего изотопа, полученного ранее в эксперименте по синтезу 115-го элемента. А период полураспада элемента 111 - "правнука" 117-го элемента - по сравнению с известным изотопом элемента 111, у которого всего на три нейтрона меньше, увеличился примерно в 6000 раз! Различие было бы еще большим, если бы цепочку распадов не оборвало спонтанное деление. Таким образом, данные эксперимента демонстрировали не только факт синтеза нового 117-го элемента, но показывали также значительное повышение времени жизни четырех новых ядер - продуктов его распада, по мере их подъема к вершине "острова стабильности". Несмотря на логическую завершенность опыта, исследования были продолжены в попытках синтеза, в этой же реакции, другого изотопа 117-го элемента. Слияние ядер берклия и кальция ведет к образованию нагретого ядра суммарной массы, которое охлаждается затем посредством эмиссии нейтронов. Наблюдаемые в детекторе ядерные превращения происходят уже с холодным ядром самопроизвольно (спонтанно), без воздействия внешних сил. При энергии пучка ионов кальция-48, выбранной в первом опыте, тепловая энергия составного ядра уносилась испусканием четырех нейтронов. Пять идентичных цепочек, полученных в этом эксперименте, начинаются распадом ядер изотопа элемента 117 с массой 293 (сумма масс берклия-249 и кальция-48 минус 4). Во втором эксперименте энергия ионов кальция-48 была уменьшена таким образом, что для охлаждения составного ядра достаточно было бы эмиссии уже только трех нейтронов. В эксперименте при пониженной энергии, который продолжался 50 дней, не наблюдалось ни одной цепочки четырехступенчатого распада, как это было в предыдущем случае. Это закономерно - не хватает энергии для испускания четырех нейтронов. Но в этом облучении наблюдалась другая цепочка, представляющая семь поколений ядерных распадов, генетически связанных с образованием соседнего изотопа 117-го элемента с массой 294 (продукта испускания трех нейтронов). В новой цепочке "правнучатое" ядро - более тяжелый изотоп элемента 111 - более стабильно к спонтанному делению. Этот изотоп не разделился на два осколка, а испытал альфа-распад, что привело еще к последующим двум альфа-распадам 109 и 107-го элементов. Сигнал о спонтанном делении 105-го элемента, завершающий эту длинную цепочку, пришел лишь на следующий день, через 33,4 часа после того, как ядро 117-го элемента остановилось в детекторе! Столь продолжительные во времени последовательные распады ядер 117-го элемента являются фундаментальным следствием внутренней структуры тяжелейших ядер. Свойства распада 11 новых ядер, полученных в двух экспериментах берклий-249 + кальций-48, вместе с изотопами 112-116 и 118-го элементов, ранее синтезированными также в реакциях с кальцием-48, являются прямым экспериментальным доказательством существования "острова стабильности" в области сверхтяжелых элементов. Теперь Таблица химических элементов Д.И.Менделеева пополнилась еще одним из самых тяжелых элементов с атомным номером 117. Наблюдаемое в экспериментах повышение ядерной стабильности сверхтяжелых элементов с атомными номерами 112, 113 и 114 до нескольких секунд позволяет исследовать их химические свойства, в частности, их соответствие легким гомологам - ртути, таллию, свинцу - существующими экспрессными радиохимическими методами. В подобных экспериментах проверяется периодичность изменения химических свойств тяжелейших элементов на основе фундаментальных законов квантовой электродинамики, описывающих электронную структуру сверхтяжелых атомов. Подобные эксперименты уже проводятся в ЛЯР ОИЯИ в широком сотрудничестве с ведущими радиохимическими лабораториями мира. В настоящее время стартовал новый уникальный эксперимент по изучению химических свойств 113-го элемента в реакции берклий-249 + кальций-48. Эксперименты по синтезу 117-го элемента проводились в Дубне, на ускорителе тяжелых ионов У-400, с 27 июля 2009-го по 28 февраля 2010 года. В подготовке эксперимента по синтезу 117-го элемента участвовали пять групп: Oak-Ridge National Laboratory (ORNL), Oak-Ridge, USA (руководитель Prof. James Roberto), Vanderbilt University, Nashville, Tennessee, USA (руководитель Prof. Joseph Hamilton), Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, USA (руководитель Dr. Dawn Shaughnessy), Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР), Димитровград, Ульяновской обл. (руководитель доктор Михаил Рябинин) и Лаборатория ядерных реакций (ЛЯР ОИЯИ), Дубна, Московская обл. (руководитель эксперимента профессор Юрий Оганесян). Материал представлен Лабораторией ядерных реакций имени Г.Н.Флерова ОИЯИ. Фото Юрия ТУМАНОВА
|
