PRL: Доказана возможность открытия новых сверхтяжелых элементов

Уран — самый тяжелый из известных элементов в естественной среде, — в его атоме 92 протона. Но ученые смогли искусствпенно создать более тяжелые элементы — вплоть до оганессона с 118 протонами. Перед ним находятся ливерморий со 116 протонами и теннессин со 117.

Все эти элементы имеют короткий период полураспада — обычно менее секунды, а некоторые — до микросекунды. Создать и обнаружить их непросто, для этого нужны мощные ускорители частиц и сложные измерения.

Ученые из США и Европы придумали новый метод получения сверхтяжелых элементов. Работа была выполнена в Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли в Калифорнии и опубликована в журнале Physical Review Letters.

Концепция «острова стабильности» — интригующая тема, а его точное положение и протяженность на диаграмме Сегре продолжают быть предметом поисков как в теоретической, так и в экспериментальной ядерной физике, — пишут в своей статье Джей М. Гейтс из лаборатории Беркли и его коллеги.

Остров стабильности — это область, где сверхтяжелые элементы и их изотопы имеют более длительные периоды полураспада, чем соседние элементы. Это ожидается для изотопов с количеством протонов около 112.

Для открытия сверхтяжелых элементов использовались разные методики. Одна из самых плодотворных — бомбардировка мишеней из актинидных элементов пучком атомов кальция, в частности изотопа ⁴⁸Ca с 20 протонами и 28 нейтронами. Актинидные элементы имеют номера от 89 до 103, а 48Ca особенный, потому что у него «магическое» количество протонов и нейтронов, заполняющее энергетические оболочки ядра.

Некоторые ядра атомов очень стабильны из-за определенного количества протонов и нейтронов. Например, период полураспада кальция-48 составляет около 60 миллиардов миллиардов (6 x 10¹⁹) лет, что намного больше возраста Вселенной. Для сравнения: кальций-49 (⁴⁹Ca), в котором на один нейтрон больше, распадается наполовину примерно за девять минут.

Реакции с участием ядер атомов, которые называют «горячим синтезом», отличаются от реакций „холодного синтеза“. В них пучки изотопов от титана-50 до цинка-70 ускоряют на мишени из свинца или висмута. С помощью реакций „холодного синтеза“ были открыты сверхтяжелые элементы вплоть до оганессона (Z=118).

Получение новых сверхтяжелых элементов занимало много времени, иногда несколько недель. Ученые находятся близко к предсказанному «островку стабильности» и нуждаются в методах, которые позволят продвинуться дальше оганессона. Мишени из эйнштейния или фермия не могут быть получены в достаточном количестве.

Необходим новый подход к реакции, — пишут Гейтс и его команда.

И они его нашли.

Теоретические модели ядра предсказывают успешное производство сверхтяжелых элементов ниже оганессона с помощью актинидных мишеней и пучков изотопов тяжелее ⁴⁸Ca. Для получения элементов с Z=119 и Z=120 лучше всего подходят пучки 50-титана, имеющие самые высокие сечения.

Однако не все необходимые параметры были определены теоретиками, а некоторые массы — экспериментаторами. Точные цифры важны, поскольку в противном случае скорость производства сверхтяжелых элементов может сильно отличаться.

Было несколько попыток получить атомы с протонными числами от 119 до 122, но они оказались неудовлетворительными. Полученные результаты не позволили ограничить различные теоретические ядерные модели.

Гейтс и его команда исследовали получение изотопов ливермория (Z=116) с помощью пучка титана на мишени из плутония. Они использовали 88-дюймовый циклотронный ускоритель в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Пучок выводил из циклотрона в среднем 6 триллионов ионов титана в секунду. Воздействуя на плутониевую мишень в течение 22 дней, ученые установили, что ливерморий был получен в результате двух различных цепочек ядерного распада.

Это первый случай получения сверхтяжелого элемента вблизи предсказанного острова стабильности с помощью пучка, отличного от 48-кальция. Вероятность взаимодействия уменьшилась, как и ожидалось при использовании более тяжелых изотопов пучка. Но успех этого измерения подтверждает, что открытие новых сверхтяжелых элементов находится в пределах экспериментальной досягаемости.

Открытие демонстрирует потенциал для создания других сверхтяжелых атомов и изотопов при столкновении немагических ядер. Надеемся, это проложит путь для будущих открытий. Известно около 110 изотопов сверхтяжелых элементов, но еще 50 ждут своего открытия новыми методами.

27.10.2024