О сверхтяжелых элементах

ОБЪЕДИНЕННОГО ИНСТИТУТА ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объединенный Институт ядерных исследований (ОИЯИ) - это международная межправительственная научно-исследовательская организация, созданная на основе соглашения, подписанного 26 марта 1956 г. одиннадцать государств-основателей и зарегистрированная ООН 1 февраля 1957 года. Он расположен в Дубне, недалеко от Москвы, в Российской Федерации. Дубна - город имеющий статус наукоград.

Юрий Цолакович Оганесян
Научный руководитель
Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова
Стеди его наград последняя Государственная премия Российской Федерации в области науки и технологий 2010 года (9 июня 2011) — «за открытие новой области стабильности сверхтяжёлых элементов»

Автор: Юрий Цолакович Оганесян
Статья опубликована по материалам
научно-информационного журнала
"В мире науки", www.sciam.ru.

Ориентировочно 2008-2010 год.

Известно, что окружающий нас мир состоит из 83 химических элементов, самый лёгкий - водород (его атомный номер - Z=1) и самый тяжёлый - уран (Z=92). Возможно, уже на первом уроке химии, у любознательного ученика возникает вопрос: почему их именно столько и чем определяется количество химических элементов? Как не парадоксально, ответ на этот вопрос - представляет одну из фундаментальных научных проблем познания материального мира.

На самом деле, в Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли (4.5 миллиарда лет). Другие распались и не дожили до наших дней. Уран, у которого период полураспада около 4.5?108 лет ещё распадается - это радиоактивный элемент. Однако в середине прошлого века люди научились получать элементы, которых нет в природе. Примером этому является нарабатываемый в ядерных реакторах плутоний (Z=94); его изотоп с массой 239 (239Ри) имеет период полураспада всего Т1/2 ~ 2?104 лет. Плутоний производится сотнями тонн и является, как известно, одним из мощных источников энергии. Его время жизни ничтожно мало по сравнению с 238U, но в масштабе микромира это огромная величина. Поэтому могут быть элементы значительно тяжелее плутония. Вопрос, однако, остаётся: где предел существования химических элементов?

1. Сколько может быть химических элементов?

Согласно квантовой электродинамике, хорошо известная концепция атома (Э. Резерфорд 1932 г.) как системы, состоящей из ядра, в котором сосредоточены положительный заряд и практически вся масса атома, и электронов, двигающихся от ядра на большом расстоянии, справедлива для очень тяжёлых атомов, до атомных номеров Z ~ 170 и даже более. Однако предел существования атомов (элементов) наступает намного раньше из-за нестабильности самого ядра.
Изменение соотношения протонов и нейтронов в стабильном ядре ведёт, как известно, к его радиоактивному распаду. Обогащение ядра нейтронами уменьшает энергию связи нейтронов, предел наступает при Еn = 0 (граница существования нейтронно-избыточных ядер). Подобным образом, нулевая энергия связи протонов Еn = 0 (протонная граница) определяет предел существования протонно-избыточных ядер.
Другая граница связана с максимально возможным числом нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Формально, предельная масса ядра определяется его вероятностью деления на две (или более) части меньшей массы. Впервые такой тип ядерного превращения - спонтанное деление ядра на два осколка примерно равной массы - был наблюден для урана в 1940 году в Ленинграде К. А. Петржаком и Г.Н. Флёровым, работавших под руководством И.В. Курчатова. Для ядра 238U парциальный период спонтанного деления составил: TSF = 1016 лет.
В это время уже было открыто вынужденное деление урана под действием нейтронов (О. Хан и Г. Штрассман, 1939 г.). Для физического описания этого процесса Н. Бором и Дж. Уиллером в 1939 г. была предложена жидко-капельная модель ядерного деления. Эта красивая модель, классическая в своей основе, основана на предположении о том, что ядерное вещество является бесструктурной (аморфной) материей подобно капле заряженной жидкости (Я.В. Френкель, 1939 Ленинград). В ядерной капле силы поверхностного натяжения, препятствующие силам электрического (кулоновского) расталкивания протонов, определяют её сферическую форму. Ситуация меняется по мере увеличения числа протонов или заряда ядра когда силы поверхностного натяжения становятся сопоставимыми с силами кулоновского отталкивания. Если в процессе противоборства этих двух сил капля достигнет некоторой критической деформации, то это приведёт к её разделению на две части (для ядерного деления эти части принято называть осколками деления). Очевидно, что для достижения критической деформации необходим увеличить начальную энергию ядра.

Рисунок 1 Изменение потенциальной энергии ядра с ростом его деформации. Верхний рисунок – расчет в модели «жидкой капли» предполагающей, что ядерное вещество – бесструктурная материя. На нижнем рисунке – подобные расчёты, но с учётом структуры ядра.
У ядра урана появляется второй минимум (изомерное состояние) из которого спонтанное деление происходит за время 3?10-7c, в то время как деление из основного состояния занимает 1016 лет. Различие между двумя теоретическими моделями наиболее разительно уже для ядер 108 элемента (жёлтые линии)

Разница энергии сферического и деформированного ядра определяет барьер, препятствующий его делению (верхний график рис.1). Для ядра 238U, высота барьера деления составляет около 6 МэВ. Поэтому если в ядро урана внести дополнительную энергию около 6 МэВ или большую, оно моментально разделится на два осколка. Но ядро урана может разделиться и самопроизвольно (спонтанно) без этой дополнительной энергии проникая (или, как принято говорить, "туннелируя") через барьер деления. Процесс спонтанного деления урана, как указывалось ранее, происходит крайне редко - примерно один раз за 1016 лет. С увеличением атомного номера (или числа протонов в ядре), высота барьера деления заметно понижается, что ведёт к сильному уменьшению его времени жизни относительно спонтанного деления; у элемента калифорния - Cf (Z=98) период спонтанного деления составляет уже TSF =80 лет. У более тяжёлых элементов, при некоторой критической величине ядерного заряда (атомного номера элемента), когда высота барьера деления станет равной нулю, ядро становится абсолютно неустойчивым относительно спонтанного деления (TSF ~ 10-19 с). Это и есть предел стабильности тяжёлых ядер. Согласно оценкам Н. Бора и Дж. Уиллера подобная ситуация наступит при Z ~ 106.
Следует отметить, что периоды спонтанного деления изотопов первых трансурановых элементов с Z = 94?100, полученных в ядерных реакторах, были достаточно близки к предсказаниям капельной теории ядра.
Однако, спустя 22 года в нашей лаборатории (Г.Н. Флёров, С.М. Поликанов и др., 1962), а затем и во многих других Лабораториях мира, было обнаружено, что ядра урана и более тяжёлых т.н. трансурановых элементов могут делиться спонтанно с двумя, сильно отличающимися друг от друга, периодами полураспада. Для 238U, например, периоды полураспада - 1016 лет и 0.3?10-6 сек, различие составляет астрономическую величину - 1030 раз! (нижний график рис.1).
Два значения периода полураспада, или две вероятности одного и того же типа распада, означают, что данный распад происходит из двух устойчивых состояний системы: из «основного состояния» - (ТSF1 = 1016 лет) и «изомерного состояния» - (ТSF2 = 3?10-6сек.). Спонтанно-делящиеся изомеры находятся в противоречии с моделью жидкой капли, т. к. у классической капли в процессе её деформации не может быть устойчивых промежуточных состояний. Противоречия с моделью наблюдались также и в других закономерностях ядерного деления. Отсюда следовало, что основная предпосылка о том, что ядро в процессе деления ведёт себя как бесструктурная материя не справедливо. Наоборот, его внутренняя структура может очень сильно изменить вероятность спонтанного деления.

Более детальный анализ показал, что экспериментальные значения полной энергии связи нуклонов - протонов и нейтронов - в ядрах отличаются от расчетных величин. Это отличие имеет регулярный характер: оно максимально (наибольшая энергия связи) при определённых, так называемых «магических» числах протонов или нейтронов. Используя терминологию, заимствованную из атомной физики, их называют замкнутыми протонными или нейтронными оболочками. Они показывают, что ядра могут сильно отличаться друг от друга по своей структуре. Впрочем, это не было неожиданным т. к. различные формы движения ядра, как объекта малых размеров описывается не классической, а квантовой механикой.

Рисунок 2
а) Величина оболочечной поправки (указана цифрами в МэВ) к жидко-капельной потенциальной энергии ядер с различным числом протонов (вертикальная шкала) и нейтронов (горизонтальная шкала). Графики
b) и с) -расчётные периоды полураспада для спонтанного деления и альфа - распада изотопов 108-го и 114-го элементов с различным числом нейтронов. В модели «жидкой капли» отсутствие барьера деления ядер с Z ? 106 приводит к их делению за время ~ 10-19с. В микроскопической модели, из-за эффекта ядерных оболочек Z = 108; N=162 и Z = 114; N=1184, возникают высокие барьеры деления, что приводит к увеличению периодов спонтанного деления «магических ядер» до 107 лет. Отсюда следует теоретическая гипотеза о существовании «островов стабильности» в области сверхтяжёлых элементов

К концу 60-х годов усилиями многих теоретиков - О. Бором и Б. Мотельсоном (Дания), С. Нильсоном (Швеция), В.М. Струтинским и В.В. Пашкевичем (СССР), Х. Майерсом и В. Святецким (США), А. Собичевским и др. (Польша), В. Грайнером и др. (Германия), Р. Никсом и П. Мёллером (США), Ж. Берже (Франция) и многими другими была создана микроскопическая теория атомных ядер. Новая теория привела все вышеуказанные противоречие в стройную систему физических закономерностей.
Как любая теория, она обладала определённой предсказательной силой, в частности, в предсказании свойств очень тяжёлых, ещё неизвестных ядер. Оказалось что стабилизирующий эффект ядерных оболочек будет работать и за пределами обозначенными капельной моделью ядра (т.е. в области Z > 106) образуя т.н. «острова стабильности» вокруг магических чисел Z=108, N=162 и Z=114, N=184. Как видно на рис.2 время жизни сверхтяжёлых ядер расположенных в этих «островах стабильности» может существенно возрастать. Особенно это относится к наиболее тяжёлым, сверхтяжёлым элементам, где эффект замкнутых оболочек Z=114 (возможно 120) и N=184 повышает периоды полураспада до десятков, сотен тысяч и, быть может, миллионов лет, т.е. - на 32-35 порядков больше чем в случае отсутствия эффекта ядерных оболочек. Так возникла интригующая гипотеза о возможном существовании сверхтяжёлых элементов значительно расширяющая границы материального мира. Прямой проверкой теоретических предсказаний явился бы синтез сверхтяжёлых нуклидов и определение их свойств распада. Поэтому нам придется кратко рассмотреть ключевые вопросы, связанные с искусственным синтезом элементов.

2. Реакции синтеза тяжёлых элементов

Многие рукотворные элементы тяжелее урана были синтезированы в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами изотопа урана - 235U в длительных облучениях на мощных ядерных реакторах. Большие периоды полураспада новых нуклидов позволяли отделять их от других побочных продуктов реакции радиохимическими методами с последующим измерением их свойств радиоактивного распада. Эти пионерские работы проф. Г. Сиборга и его коллег, проведенные в 1940 - 1953 гг. в Радиационной национальной лаборатории (Беркли, США) привели к открытию восьми искусственных элементов с Z = 93 -100, наиболее тяжёлый изотоп 257Fm (Т1/2 ~ 100 дней.). Дальнейшее продвижение в область более тяжёлых ядер было практически невозможно из-за исключительно короткого периода полураспада следующего изотопа - 258Fm (TSF = 0.3 миллисекунды). Попытки обойти это ограничение в импульсных потоках нейтронов большой мощности возникающих при ядерном взрыве не дали желаемых результатов: по-прежнему наиболее тяжёлым ядром, был 257Fm.
Элементы тяжелее Рт (Z=100) были синтезированы в реакциях с ускоренными тяжёлыми ионами, когда в ядро-мишень вносится комплекс протонов и нейтронов. Но этот тип реакции отличается от предыдущего случая. При захвате нейтрона, не обладающего электрическим зарядом, энергия возбуждения нового ядра составляет всего 6 - 8 МэВ. В отличие от этого, при слиянии ядер мишени даже с лёгкими ионами, такими как гелий (4Не) или углерод (12С), тяжёлые ядра будут нагреты до энергии Ех = 20 - 40 МэВ. С дальнейшим увеличением атомного номера ядра-снаряда ему необходимо будет сообщать всё большую энергию для преодоления электрических сил расталкивания положительно заряженных ядер (кулоновского барьера реакции). Это обстоятельство приводит к росту энергии возбуждения (нагреву) компаунд ядра образующегося после слияния двух ядер - снаряда и мишени. Его охлаждение (переход в основное состояние Ех=0) будет происходить посредством испускания нейтронов и гамма-лучей. И здесь возникает первое препятствие.
Нагретое тяжёлое ядро лишь в 1/100 доле случаев сможет испустить нейтрон, в основном оно будет делиться на два осколка т. к. энергия ядра существенно выше высоты его барьера деления. Легко понять, что увеличение энергии возбуждения компаунд ядра губительно для него. Вероятность выживания нагретого ядра резко падает с увеличением температуры (или энергии Ех) из-за увеличения числа испаряемых нейтронов, с которыми сильно конкурирует деление. Для того чтобы охладить ядро, нагретое до энергии около 40 МэВ, необходимо испарить 4 или 5 нейтронов. Каждый раз с испусканием нейтрона будет конкурировать деление, вследствие чего вероятность выживания будет всего (1/100)4-5=10-8—10-10. Ситуация осложняется тем, что с ростом температуры ядра уменьшается стабилизирующий эффект оболочек, следовательно уменьшается высота барьера деления и делимость ядра резко возрастает. Оба эти фактора приводят к исключительно малой вероятности образования сверхтяжёлых нуклидов.
Продвижение в область элементов тяжелее 106 стало возможным после открытия в 1974 г. т.н. реакций «холодного слияния». В этих реакциях в качестве мишенного материала используются "магические" ядра стабильных изотопов - 208РЬ (Z=82, N=126) или 209Bi (Z=83, N=126), которые бомбардируются ионами тяжелее аргона (Ю.Ц. Оганесян, А.Г. Дёмин и др.). В процессе слияния высокая энергия связи нуклонов в "магическом" ядре-мишени приводит к поглощению энергии при перестройке двух взаимодействующих ядер
в тяжёлое ядро суммарной массы. Эта разница в энергиях "упаковки" нуклонов во взаимодействующих ядрах и в конечном ядре компенсирует в значительной степени энергию необходимую для преодоления высокого кулоновского барьера реакции. В результате, тяжёлое ядро имеет энергию возбуждения всего 12-20 МэВ. В какой-то степени подобная реакция подобна процессу «обратного деления». Действительно, если деление ядра урана на два осколка происходит с выделением энергии, (она используется в атомных электростанциях), то в обратной реакции, при слиянии осколков, образующееся ядро урана будет почти холодным. Поэтому при синтезе элементов в реакциях холодного слияния тяжёлому ядру достаточно испустить всего один или два нейтрона, чтобы перейти в основное состояние.
Реакции холодного слияния массивных ядер были успешно использованы для синтеза 6 новых элементов, от 107 до 112-го (П. Армбрустер, З. Хофман, Г. Мюнценберг и др.) в Национальном ядерно-физическом центре GSI в Дармштадте (Германия). Недавно К. Морита и др. в Национальном центре RIKEN (Токио) повторили опыты GSI по синтезу 110-112 элементов. Обе группы намерены двигаться дальше, к элементу 113 и 114, используя более тяжёлые снаряды. Однако попытки синтеза всё более тяжёлых элементов в реакциях холодного слияния связаны с большими трудностями. С увеличением атомного заряда ионов вероятность их слияния с ядрами мишени 208РЬ или 209Bi сильно уменьшается из-за возрастания кулоновских сил отталкивания пропорциональных, как известно, произведению зарядов ядер. От элемента 104, который может быть получен в реакции 208РЬ + 50Тi (Z1?Z2 = 1804) к элементу 112 в реакции 208РЬ + 70Zn (Z1?Z2 = 2460), вероятность слияния уменьшается более чем в 104 раз.

Рисунок 3 Карта тяжёлых нуклидов. Периоды полураспада ядер представлены различным цветом (правая шкала). Чёрные квадраты - изотопы стабильных элементов обнаруженных в земной коре (Т1/2 ? 109 лет). Темно-синий цвет - «море нестабильности», где ядра живут менее 10-6 секунды. Жёлтые линии соответствуют замкнутым оболочкам с указанием магических чисел протонов и нейтронов. «Острова стабильности» следующие за «полуостровом» тория, урана и трансурановых элементов -предсказания микроскопической теории ядра. Два ядра с Z = 112 и 116, полученные в различных ядерных реакциях и их последовательный распад, показывают насколько близко можно подойти к «островам стабильности» при искусственном синтезе сверхтяжёлых элементов.

Есть и другое ограничение. Компаунд ядра, полученные в реакциях холодного слияния, имеют относительно малое число нейтронов. В рассматриваемом выше случае образования 112-го элемента конечное ядро с Z = 112 имеет только 165 нейтронов, в то время как подъём стабильности ожидается для числа нейтронов N > 170 (см рис.3).
Ядра с большим избытком нейтронов могут быть в принципе получены, если в качестве мишеней использовать искусственные элементы: плутоний (Z=94), америций (Z=95) или кюрий (Z=96) нарабатываемые в ядерных реакторах, а в качестве снаряда - редкий изотоп кальция - 48Са. (см. далее).
Ядро атома 48Са содержит 20 протонов и 28 нейтронов - оба значения соответствуют замкнутым оболочкам. В реакциях слияния с ядрами 48Са будет также работать их "магическая" структура (эту роль в реакциях холодного слияния играли магические ядра мишени - 208РЬ), в результате чего энергия возбуждения сверхтяжёлых ядер будет около 30 - 35 МэВ. Их переход в основное состояние будет сопровождаться эмиссией трёх нейтронов и гамма лучей. Можно было ожидать что при этой энергии возбуждения эффект ядерных оболочек ещё присутствует в нагретых сверхтяжёлых ядрах, это повысит их выживаемость и позволит нам их синтезировать в наших экспериментах. Отметим также, что асимметрия масс взаимодействующих ядер (Z1?Z2 ? 2000) уменьшает их кулоновское отталкивание и тем самым увеличивает вероятность слияния.
Несмотря на эти, казалось бы, очевидные преимущества, все предыдущие попытки синтеза сверхтяжёлых элементов в реакциях с ионами 48Са, предпринятые в различных лабораториях в 1977 - 1985 гг. оказались не результативными. Однако развитие экспериментальной техники в последние годы и, прежде всего, получение в нашей лаборатории интенсивных пучков ионов 48Са на ускорителях нового поколения, позволили увеличить чувствительность эксперимента почти в 1000 раз. Эти достижения были использованы в новой попытке синтеза сверхтяжёлых элементов.

3 Ожидаемые свойства

Что мы ожидаем увидеть в эксперименте в случае успешного синтеза? Если теоретическая гипотеза справедлива, то сверхтяжёлые ядра будут стабильны относительно спонтанного деления. Тогда они будут испытывать другой тип распада: альфа - распад (эмиссия ядра гелия состоящего из 2 протонов и 2 нейтронов). В результате этого процесса образуется дочернее ядро на 2 протона и 2 нейтрона легче материнского. Если у дочернего ядра вероятность спонтанного деления также мала, то после второго альфа - распада внучатое ядро теперь будет уже на 4 протона и 4 нейтрона легче начального ядра. Альфа - распады будут продолжаться до тех пор, пока не наступит спонтанное деление (рис.4).
Т. о. мы ожидаем увидеть не один распад, а «радиоактивное семейство», цепочку последовательных альфа - распадов, достаточно длительных по времени (в ядерном масштабе), которые конкурируют но, в конечном итоге, прерываются спонтанным делением. В принципе такой сценарий распада уже свидетельствует об образовании сверхтяжёлого ядра.
Чтобы увидеть ожидаемый подъём стабильности в полной мере необходимо подойти как можно ближе к замкнутым оболочкам Z = 114 и N = 184. Синтезировать в ядерных реакциях столь нейтронно-избыточные ядра чрезвычайно трудно т. к. при слиянии ядер стабильных элементов, в которых уже имеется определённое соотношение протонов и нейтронов, невозможно добраться до дважды магического ядра 298114. Поэтому нам необходимо попытаться использовать в реакции ядра, которые изначально содержат максимально возможное число нейтронов. Этим, в значительной степени, был также обусловлен выбор в качестве снаряда ускоренных ионов 48Са. Кальция, как известно, в природе много. Он состоит на 97% из изотопа 40Са, ядро которого содержит 20 протонов и 20 нейтронов. Но в нём содержится в количестве 0.187% тяжёлый изотоп - 48Са (20 протонов и 28 нейтронов) который имеет 8 избыточных нейтронов. Технология его получения очень трудоёмкая и дорогостоящая; стоимость одного грамма обогащённого 48Са около $200,000. Поэтому пришлось изменить существенным образом конструкцию и режимы работы нашего ускорителя с тем, чтобы найти компромиссное решение - получить максимальную интенсивность пучка ионов при минимальном расходе этого экзотического материала.

Рисунок 4
Теоретические предсказания о типах распада (показаны разным цветом на рисунке) и периодах полураспада изотопов сверхтяжёлых элементов с различным числом протонов и нейтронов. В качестве примера показано, что для изотопа 116-го элемента с массой 293, образующегося в реакции слияния ядер 248Ст и 48Са, ожидаются три последовательных альфа - распада которые завершаются спонтанным делением правнучатого ядра 110-го элемента с массой 281. Как видно на Рис.8 именно такой сценарий распада, в виде цепочки ? - ? - ? - SF, наблюдён для этого ядра в эксперименте. Распад более лёгкого ядра - изотопа 110-го элемента с массой 271 полученный в реакции «холодного слияния» ядер 208Pb + 64Ni .Его период полураспада в 104раз меньше чем у изотопа 281110.

Сегодня мы достигли рекордной интенсивности пучка - 8?1012/с, при весьма низком расходе изотопа 48Са - около 0.5 миллиграмма/час. В качестве мишенного материала мы используем долгоживущие обогащенные изотопы искусственных элементов: Pu, Am, Cm и Cf (Z = 94-96 и 98) также с максимальным содержанием нейтронов. Они производятся в мощных ядерных реакторах (в г. Ок-Ридже, США и в г. Димитровграде, Россия) и затем обогащаются на специальных установках, масс-сепараторах во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (г. Саров). Реакции слияния ядер 48Са с ядрами этих изотопов были выбраны для синтеза элементов с Z = 114 - 118 .

Здесь я хотел бы сделать некоторое отступление.

Далеко не каждая лаборатория, даже ведущих ядерных центров мира, обладает столь уникальными материалами, и в таком количестве, которые мы используем в нашей работе. Но технологии их получения были разработаны в нашей стране и они нарабатываются нашей промышленностью. Министр атомной энергии России предложил нам разработать программу работ по синтезу новых элементов на 5 лет и выделил специальный грант на проведение этих исследований. С другой стороны, работая в Объединённом институте ядерных исследований, мы широко сотрудничаем (и конкурируем) с ведущими лабораториями мира. В исследованиях по синтезу сверхтяжёлых элементов мы плотно сотрудничаем на протяжении многих лет с Ливерморской национальной лабораторией (США). Это сотрудничество не только объединяет наши усилия, но и создаёт условия, при которых экспериментальные результаты обрабатываются и анализируются двумя группами независимым образом на всех этапах эксперимента.
За 5 лет работы, в течение длительных облучений, была набрана доза около 2?1020 ионов (около 16 миллиграмм 48Са, ускоренного до ~ 1/10 скорости света, прошло через слои мишеней). В этих экспериментах наблюдалось образование изотопов 112?118 элементов (за исключением 117-го элемента) и были получены первые результаты о свойствах распада новых сверхтяжёлых нуклидов. Представление всех результатов заняло бы слишком много места и, чтобы не утомлять читателя, мы ограничимся описанием лишь последнего эксперимента по синтезу 113 и 115 элементов - все остальные реакции были исследованы подобным образом. Но прежде чем приступить к этой задаче, целесообразно было бы кратко изложить постановку эксперимента и объяснить основные принципы работы нашей установки.

Составное ядро, образующееся при слиянии ядер мишени и частицы, после испарения нейтронов, будет двигаться по направлению пучка ионов. Слой мишени выбирается достаточно тонким, для того чтобы тяжёлый атом отдачи мог вылететь из него и продолжить свое движение к детектору, удаленному от мишени на расстояние около 4 м. Между мишенью и детектором расположен газонаполненный сепаратор, предназначенный для подавления частиц пучка и побочных продуктов реакции.
Принцип работы сепаратора (рис.5) основан на том, что атомы в газовой среде - в нашем случае в водороде, при давлении всего 10-3 атм. - будут иметь различный ионный заряд в зависимости от их скорости. Это позволяет разделить их в магнитном поле «на лету» за время 10-6 с. и направить в детектор. Атомы, прошедшие сепаратор имплантируются в чувствительный слой полупроводникового детектора, вырабатывая сигналы о времени прихода атома отдачи, его энергии и места имплантации (т.е. координат: х и у на рабочей поверхности детектора). Для этих целей детектор общей площадью около 50 см2 выполнен в виде 12 "стрипов"- полос, напоминающих клавиша пианино - каждая из которых обладает продольной чувствительностью. Если ядро имплантированного атома будет испытывать альфа - распад, то вылетевшая альфа -частица (с ожидаемой энергией около 10 МэВ) зарегистрируется детектором с указанием всех ранее перечисленных параметров: времени, энергии и координат. Если после первого распада последует второй, то подобная информация будет получена и для второй альфа - частицы и т.д. пока не произойдёт спонтанное деление. Последний распад будет зарегистрирован в виде двух совпадающих по времени сигналов с большой амплитудой (Е1+Е2 ~ 200 MeV). Для того чтобы повысить эффективность регистрации альфа - частиц и парных осколков деления фронтальный детектор окружён боковыми детекторами образуя «коробку» с открытой со стороны сепаратора стенкой. Перед детекторной сборкой расположены два тонких времяпролетных детектора измеряющие скорость ядер отдачи (т.н. TOF-детекторы, аббревиатура английских слов - time of flight). Поэтому первый сигнал, возникающий от ядра отдачи, приходит с признаком TOF. Последующие сигналы от распада ядер не имеют этого признака.
Конечно, распады могут быть различной длительности, характеризуемые эмиссией одной или нескольких альфа - частиц с различными энергиями. Но если они принадлежат одному и тому же ядру и образуют радиоактивное семейство (материнское ядро - дочернее - внучатое и т.д.), то координаты всех сигналов - от ядра отдачи, альфа - частиц и осколков деления - должны совпадать по координате с точностью позиционного разрешения детектора. Наши детекторы, изготовленные фирмой Canberra Electronics, измеряют энергию альфа - частиц с точностью ~ 0.5% и имеют для каждого стрипа позиционное разрешение около 0.8 мм.

Рисунок 5
Схематический вид установки для сепарации ядер отдачи в экспериментах по синтезу тяжёлых элементов

Мысленно всю поверхность детектора можно представить в виде около 500 ячеек (пикселей), в которых детектируются распады. Вероятность того, что два сигнала попадут случайным образом в одно и тоже место составляет 1/500, три сигнала - 1/250000 и т.д. Это позволяет выбрать, с большой надежностью, из громадного количества радиоактивных продуктов очень редкие события генетически связанных последовательных распадов сверхтяжёлых ядер, даже если они образуются в исключительно малом количестве (~1 атом/месяц).

Для того чтобы показать установку «в действии» опишем в качестве примера более подробно эксперименты по синтезу 115 элемента образующегося в реакции слияния ядер 243Am(Z=95) + 48Са(Z=20) >291115.
Синтез Z-нечётного ядра привлекателен тем, что наличие нечётного протона или нейтрона существенно понижает вероятность спонтанного деления и число последовательных альфа -переходов будет больше (длинные цепочки), чем в случае распада чётно-чётных ядер. Для преодоления кулоновского барьера ионы 48Са должны иметь энергию Е > 236 MeV. С другой стороны, выполняя это условие, если ограничить энергию пучка величиной Е=248 MeV, то тепловая энергия компаунд ядра 291115 будет около 39 MeV; его охлаждение произойдет посредством эмиссии 3-х нейтронов и гамма-лучей. Тогда продуктом реакции будет изотоп 115 элемента с числом нейтронов N=173. Вылетев из мишенного слоя, атом нового элемента, пройдёт через сепаратор настроенный на его пропускание и попадёт в детектор. Далее события развиваются так, как показано на рис.6. Через 80 микросекунд после остановки ядра отдачи во фронтальном детекторе, в систему сбора данных поступают сигналы о его времени прихода, энергии и координатах (номер стрипа и позиция в нём). Отметим, что эта информация имеет признак "TOF" (пришел из сепаратора). Если в течение 10 секунд из того же места на поверхности детектора последует второй сигнал с энергией более 9.8 MeV, без признака "TOF" (т.е. от распада имплантированного атома) пучок отключается и весь дальнейший распад регистрируется в условиях практически полного отсутствия фона. Как видно на верхнем графике рис 6, за первыми двумя сигналами - от ядра отдачи и первой альфа-частицы - за время около 20 с. после отключения пучка, последовало ещё 4 других сигнала, позиции которых, с точностью ± 0.5 мм, совпадает с предыдущими сигналами. В течение последующих 2.5 часов детектор молчал. Спонтанное деление в том же стрипе и в той же позиции было зарегистрировано лишь на следующий день, спустя 28.7 часов в виде двух сигналов от осколков деления с суммарной энергией 206 MeV.
Такие цепочки были зарегистрированы три раза. Они все имеют одинаковый вид (6 поколений ядер в радиоактивном семействе) и согласуются друг с другом как по энергии альфа - частиц так и по времени их появления, с учётом экспоненциального закона распада ядер. Если наблюдаемый эффект относится, как ожидалось, к распаду изотопа 115-го элемента с массой 288, образующегося после испарения компаунд ядром 3-х нейтронов, то при увеличении энергии пучка ионов 48Са всего на 5 MeV он должен уменьшится в 5-6 раз. Действительно, при Е = 253 МэВ эффект отсутствовал. Но здесь была наблюдена другая, более короткая, цепочка распадов, состоящая из четырёх альфа - частиц (мы полагаем, что их тоже было 5, но последняя альфа частица вылетела в открытое окно) продолжительностью всего 0.4 с. Новая цепочка распадов закончилась через — 1.5 часа спонтанным делением. Очевидно, что это распад другого ядра, с большой вероятностью соседнего изотопа 115-го элемента с массой 287, образующегося в реакции слияния с испусканием 4-х нейтронов. Цепочка последовательных распадов нечётно-нечётного изотопа Z=115, N=173 представлена на нижнем графике рис.6, где приведены в виде контурной карты расчётные периоды полураспада сверхтяжёлых нуклидов с различным числом протонов и нейтронов. Здесь показан также распад другого, более лёгкого нечётно-нечётного изотопа 111-го элемента с числом нейтронов N=161 синтезированного в реакции 209Bi+64Ni в немецкой Лаборатории - GSI (г. Дармштадт) и затем и в японской - RIKEN(Токио).

Рисунок 6
Эксперимент по синтезу 115 элемента в реакции 48Са + 243Ат.
На верхнем рисунке приведены времена появления сигналов после имплантации в детектор ядра отдачи (R). Красным цветом отмечены сигналы от регистрации альфа - частиц, зелёным - от спонтанного деления. В качестве примера, для одного из трёх событий приведены позиционные координаты (в мм) всех 7 сигналов от цепочки распада R > ?1> ?2> ?3> ?4>?5 > SF зарегистрированной в стрипе № 4. На нижнем рисунке показаны цепочки распадов ядер с Z=111, N=161 и Z=115, N=173. Контурные линии, очерчивающие области ядер с различными периодами полураспада (разная степень затемнения) - предсказания микроскопической теории.

Прежде всего, следует отметить, что периоды полураспада ядер в обоих случаях хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями. Несмотря на то, что изотоп 288115 удалён от нейтронной оболочки N=184 на 11 нейтронов, изотопы 115 и 113 элементов обладают относительно большим временем жизни (Т1/2 ~ 0.1 с и 0.5 с соответственно).
После пяти альфа - распадов образуется изотоп 105 элемента - дубния (Db) с N=163, стабильность которого определяется уже другой замкнутой оболочкой N=162. Силу действия этой оболочки демонстрирует огромная разница в периодах полураспада двух изотопов Db отличающихся друг от друга всего на 8 нейтронов. Отметим, ещё раз, что в отсутствии структуры (ядерных оболочек) все изотопы 105?115 элементов должны были бы испытывать спонтанное деление за время ~ 10-19с.

В описанном выше примере свойства долгоживущего изотопа 268Db замыкающего цепочку распада 115-го элемента представляют самостоятельный интерес.
Согласно Периодическому закону 105-ый элемент находится в V ряду. Он является, как видно на рис.7, химическим гомологом ниобия (Nb) и тантала (Та) и отличается по химическим свойствам от всех, более лёгких элементов - актиноидов (Z = 90?103) представляющих отдельную группу в Таблице Д.И. Менделеева. Благодаря большому периоду полураспада, данный изотоп 105-ого элемента может быть отделен от всех продуктов реакции радиохимическим методом с последующим измерением его распада - спонтанного деления. Этот эксперимент даёт независимую идентификацию атомного номера конечного ядра (Z = 105) и всех нуклидов образующихся в последовательных альфа - распадах 115-го элемента.
В химическом эксперименте нет необходимости в использовании сепаратора ядер отдачи. Разделение продуктов реакции по их атомным номерам осуществляется методами, основанными на различии их химических свойств. Поэтому здесь использовалась более упрощенная методика. Продукты реакции, вылетающие из мишени, вбивались в медный сборник, расположенный на пути их движения, на глубину 3-4 микрон. После 20-30 часового облучения сборник растворялся. Из раствора выделялась фракция трансактиноидов - элементов Z > 104 - а из этой фракции, затем элементы 5-ого ряда - Db в сопровождении своих химических гомологов Nb и Та. Последние добавлялись в качестве "отметчиков" в раствор перед химическим разделением. Капелька раствора, содержащая Db, наносилась на тонкую подложку, высушивалась и помещалась затем между двумя полупроводниковыми детекторами, регистрирующими оба осколка спонтанного деления. Вся сборка помещалась в свою очередь в нейтронный детектор, определяющий число нейтронов испущенных осколками при делении ядер Db.
В июне 2004 г. было проведено 12 идентичных опытов (С. Н. Дмитриев и др.), в которых было зарегистрировано 15 событий спонтанного деления Db. Осколки спонтанного деления Db имеют кинетическую энергию около 235 МэВ, на каждый акт деления испускается в среднем около 4 нейтронов. Такие характеристики присущи спонтанному делению достаточно тяжёлого ядра. Напомним, что для 238U эти величины составляют соответственно около 170 МэВ и 2 нейтрона.
Химический опыт подтверждает результаты физического эксперимента: образующиеся в реакции 243Am + 48Са ядра 115-го элемента в результате последовательных пяти альфа распадов: Z = 115 > 113 > 111 > 109 > 107 > 105 действительно приводят к образованию долгоживущего спонтанно-делящегося ядра с атомным номером 105. В этих экспериментах, как дочерний продукт альфа - распада 115-го элемента, был синтезирован также ещё один, ранее неизвестный элемент с атомным номером 113.

Рисунок 7
Физический и химический опыты по изучению радиоактивных свойств 115-го элемента.
В реакции 48Са + 243Ат, с помощью физической установки было показано, что пять последовательных
альфа - распадов изотопа 288115 приводят к долгоживущему изотопу 105-го элемента - 268Db, который
делится спонтанно на два осколка. В химическом эксперименте определено, что спонтанное деление испытывает ядро с атомным номером 105.

Полученные в реакции 243Am+ 48Са результаты не являются частным случаем. При синтезе Z-чётных нуклидов - изотопов 112, 114 и 116 элементов - мы наблюдали также длинные цепочки распадов, оканчивающиеся спонтанным делением ядер с Z =104-110, время жизни которых составляло от секунд до часов в зависимости от атомного номера и нейтронного состава ядра. К настоящему времени получены данные о свойствах распада 29 новых ядер с Z =104-118; они представлены на карте нуклидов (рис.8). Свойства тяжелейших ядер расположенных в области трансактиноидов, их тип распада, энергии и времена распадов находятся в хорошем согласии с предсказаниями современной теории. Гипотеза о существовании островов стабильности сверхтяжёлых ядер, значительно расширяющих мир элементов, кажется, впервые нашла экспериментальное подтверждение.

Теперь задача состоит в более детальном изучении ядерной и атомной структуры новых элементов, что весьма проблематично, прежде всего, из-за малого выхода искомых продуктов реакции. Для того чтобы увеличить число атомов сверхтяжёлых элементов необходимо увеличить интенсивность пучка ионов 48Са и повысить эффективность физических методик. Модернизация ускорителя тяжёлых ионов, намеченная на ближайшие годы, с использованием всех последних достижений ускорительной техники, позволит нам увеличить интенсивность пучка ионов примерно в 5 раз. Решение второй части требует кардинального изменения постановки опытов; оно может быть найдено в создании новой экспериментальной методики, исходя из свойств сверхтяжёлых элементов.

Рисунок 8
Карта нуклидов тяжелых и сверхтяжёлых элементов.
Для ядер внутри овалов, соответствующих различным реакциям синтеза (показаны на рисунке), приведены периоды полураспада и энергии испускаемых альфа-частиц (жёлтые квадраты). Данные представлены на контурной карте разделяющей области по вкладу эффекта ядерных оболочек в энергию связи ядра. В отсутствие ядерной структуры всё поле было бы белого цвета. По мере потемнения эффект оболочек растёт. Две соседние зоны отличаются на величину всего 1 МэВ. Этого, однако, достаточно для значительного увеличения стабильности ядер относительно спонтанного деления, в результате чего нуклиды расположенные вблизи «магических» чисел протонов и нейтронов испытывают преимущественно альфа - распад. С другой стороны, в изотопах 110-го и 112-го элементов увеличение числа нейтронов на 8 атомных единиц приводит к возрастанию периодов альфа - распада ядер более чем в 105 раз.

Принцип работы действующей установки - кинематического сепаратора ядер отдачи (рис.5) основан на отличии кинематических характеристик различного типа реакций. Интересующие нас продукты реакции слияния ядер мишени и 48Са вылетают из мишени в переднем направлении, в узком угловом конусе ± 30 с кинетической энергией около 40 МэВ. Ограничивая траектории движения ядер отдачи с учётом этих параметров, мы практически полностью отстраиваемся от пучка ионов, подавляем фон побочных продуктов реакции в 104?106 раз, и с эффективностью примерно 40% доставляем атомы новых элементов к детектору за время 1 микросекунду. Иными словами, сепарация продуктов реакции происходит «налету».

Рисунок 9 Установка MASHA
На верхнем рисунке приведена схема сепаратора и принцип его действия. Ядра отдачи, вылетающие из мишенного слоя, останавливаются в графитовом сборнике на глубине несколько микрометром. Вследствие высокой температуры сборника они диффундируют в камеру ионного источника, вытягиваются из плазмы, ускоряются электрическим полем и анализируются по массе магнитными полями по ходу движения к детектору. В данной конструкции масса атома может быть определена с точность 1/3000. На нижнем рисунке показан общий вид установки.

Но для того чтобы получить высокую селективность установки важно сохранить, «не размазать» кинематические параметры - углы вылета и энергии ядер отдачи. Из-за этого необходимо использовать мишенные слои толщиной не более 0.3 микрометра - примерно втрое меньшей, чем нужно для получения эффективного выхода сверхтяжёлого ядра с данной массой или в 5?6 раз меньшей, если речь идёт о синтезе двух соседних по массе изотопов данного элемента. Кроме того, чтобы получить данные о массовых числах изотопов сверхтяжёлогоэлемента, необходимо проводить длительную и трудоёмкую серию опытов - повторять измерения при различных энергиях пучка ионов 48Са.
Вместе с тем, как следует из наших опытов, синтезированные атомы сверхтяжёлых элементов имеют периоды полураспада, значительно превышающие быстродействие кинематического сепаратора. Поэтому, во многих случаях, нет необходимости в сепарации продуктов реакции за столь короткое время. Тогда можно изменить принцип действия установки и провести разделение продуктов реакции в несколько этапов.
Схема новой установки представлена на рис.9. После имплантации ядер отдачи в нагретый до температуры 2000 0С сборник атомы диффундируют в плазму ионного источника, ионизуются в плазме до заряда q = 1+ , вытягиваются из источника электрическим полем, сепарируются по массе в магнитных полях специального профиля и, наконец, регистрируются (по типу распада) детекторами, расположенными в фокальной плоскости. Вся процедура может занимать, по оценкам, время от десятых долей секунды до нескольких секунд в зависимости от температурных режимов и физико-химических свойств сепарируемых атомов. Уступая в быстродействии кинематическому сепаратору, новая установка - MASHA (аббревиатура от полного названия Маss Analyzer of Super Heavy Atoms) - повысит эффективность работы примерно в 10 раз и даст, наряду со свойствами распада, прямое измерение массы сверхтяжёлых ядер.
Благодаря гранту, выделенному губернатором Московской области Б.В. Громовым для создания этой установки, она была спроектирована и изготовлена в короткий срок - за 2 года, прошла испытания и готова к работе. После реконструкции ускорителя, с установкой МАSНА. мы существенно расширим наши исследования свойств новых нуклидов и попытаемся пройти дальше, в область более тяжёлых элементов.

Другая сторона проблемы сверхтяжёлых элементов связана с получением более долгоживущих нуклидов. В описанных выше экспериментах мы подошли лишь к краю «острова», обнаружили крутой подъём вверх, но далеки ещё от его вершины, где ядра могут жить тысячи и, быть может, даже миллионы лет. Нам не хватает нейтронов в синтезируемых ядрах, для того чтобы приблизится к оболочке N=184. Сегодня это недостижимо - нет таких реакций, которые позволили бы получать столь нейтронно-избыточные нуклиды. Возможно, в отдалённом будущем, физики смогут использовать интенсивные пучки радиоактивных ионов, с числом нейтронов большим, чем у ядер 48Са. Такие проекты сейчас широко обсуждаются, пока не касаясь затрат необходимых для создания подобных ускорительных гигантов.

Однако можно попытаться подойти к этой задаче с другой стороны.

Если предположить, что наиболее долгоживущие сверхтяжёлые ядра имеет период полураспада 105 ? 106 лет (не сильно расходится с предсказаниями теории, которая свои оценки делает также с определённой точностью), то не исключено, что они могут быть обнаружены в космических лучах - свидетелях образования элементов на других, более молодых планетах Вселенной. Если сделать ещё более сильное предположение о том, что период полураспада «долгожителей» может составлять десятки миллионов лет или более, то они могли бы присутствовать в Земле, сохранившись в очень малых количествах от момента образования элементов в Солнечной системе до наших дней.
Среди возможных кандидатов мы отдаём предпочтение изотопам 108-го элемента (Нs)ядра которых содержат около 180 нейтронов. Химические опыты, проведенные с короткоживущим изотопом 269Нs (Т1/2 ~ 9 с) показали, что 108 элемент, как и ожидалось, согласно Периодическому закону, является химическим гомологом 76-го элемента - осмия (Оs).

Рисунок 10
Установка для регистрации вспышки нейтронов от спонтанного деления ядер при распаде 108 элемента. (Подземная лаборатория в г. Модан, Франция)

Тогда образец металлического осмия, может содержать в очень малых количествах 108 элемент Ека(Оs). Присутствие Ека(Оs) в осмии можно определить по его радиоактивному распаду. Возможно, сверхтяжёлый долгожитель будет испытывать спонтанное деление, либо спонтанное деление наступит после предшествующих альфа или бета - распадов (вид радиоактивного превращения, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон) более легкого и более короткоживущего дочернего или внучатого ядра. Поэтому, на первом этапе, можно поставить эксперимент по регистрации редких событий спонтанного деления осмиевого образца. Такой эксперимент подготавливается. Измерения начнутся в конце этого года, и будут продолжаться 1-1.5 лет. Распад сверхтяжёлого ядра будет регистрироваться по нейтронной вспышке сопровождающей спонтанное деление. Для того чтобы защитить установку от фона нейтронов, возникающего под действием космических лучей, измерения будут проводиться в подземной лаборатории расположенной под Альпами в середине тоннеля соединяющего Францию с Италией на глубине соответствующей 4000-метровому слою водного эквивалента.
Если в течение года измерений будет наблюдено хотя бы одно событие спонтанного деления сверхтяжёлого ядра, то это будет соответствовать концентрации 108 элемента в Оs-образце около 5?10-15 г/гр., в предположении, что его период полураспада равен 109лет. Столь малая величина составляет всего 10-16 часть от концентрации урана в земной коре.
Несмотря на сверхвысокую чувствительность эксперимента, шансы обнаружить реликтовые, сверхтяжёлые нуклиды малы. Но любой научный поиск всегда имеет малый шанс... Отсутствия эффекта даст верхнюю границу периода полураспада долгожителя на уровне Т1/2 ? 3?107 лет. Не столь впечатлительно, но важно для понимания свойств ядер в новой области стабильности сверхтяжёлых элементов.

На главную книги, на страницу текущей главы

Источник: официальный сайт