Izotopy 120. i 124. pierwiastków chemicznych mają tendencję do długowieczności • Igor Iwanow • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Fizyka, chemia

Izotopy 120. i 124. pierwiastków chemicznych mają tendencję do długowieczności

Ryc. 1. Detektor INDRA we francuskim laboratorium akceleratora GANIL, w którym uzyskano opisane wyniki. Zdjęcie z phototheque.in2p3.fr

Francuscy fizycy eksperymentalnie potwierdzili przewidywania teoretyków, że niektóre izotopy elementów 120. i 124. mają zwiększoną stabilność. Prawdopodobnie te pierwiastki mają naprawdę długowieczne izotopy.

Poszukiwanie długowiecznych izotopów pierwiastków superheavy jest jedną z najbardziej fascynujących części fizyki jądrowej. Dzisiaj wiele transuranowych pierwiastków zostało już zsyntetyzowanych, ale wszystkie niezmiennie okazały się niestabilne. Teoretycy od dawna przewidują, że wśród tego "morza" niestabilnych izotopów mogą istnieć "wyspy stabilności" – specjalne grupy jąder o anormalnie długim czasie życia.

Najczęstszym argumentem przemawiającym za tym jest przewidywanie modelu powłoki jądrowej, który dobrze sprawdził się w opisie zwykłych jąder. W tym modelu w pełni wypełniona otoczka protonowa lub neutronowa nadaje jądro wyjątkową stabilność, znacznie zwiększając jego żywotność. Obliczenia na podstawie modeli powłokiprzewidują takie wyspy stabilności gdzieś w regionie od 114. do 126. elementu (różne wartości uzyskuje się w różnych modelach). Właśnie dla takich izotopów poluje obecnie wielu fizyków.

Rekord wciąż stanowi syntezę elementów 116 i 118 w Joint Center for Nuclear Research w Dubna, Moscow Region. Fizyka Dubny ma zamiar odkryć jeszcze cięższe pierwiastki, ale należy pamiętać, że ich bezpośrednia synteza w zderzeniu jaśniejszych jąder jest bardzo trudnym zadaniem. Po pierwsze, tylko jądra z wystarczającą liczbą neutronów mogą być bardziej lub mniej stabilne. Aby je zsyntetyzować, konieczne jest przepychanie lekkich jąder nadmiarowych neutronów, które same w sobie są rzadkie. Po drugie, im cięższy rdzeń, tym mniej prawdopodobne, że się urodzi, tak że w długich miesiącach działania akceleratora rodzi się tylko kilka rdzeni.

W związku z tym eksperymentalni fizycy poszukują również innych, być może nie tak bezpośrednich, sposobów weryfikacji przewidywań teoretyków. Jedna z takich metod została pomyślnie przetestowana ostatnio przez grupę fizyków pracujących z detektorem INDRA w akceleratorze ciężkiego jądra GANIL we francuskim mieście Caen. Artykuł z wynikami ich eksperymentów pojawił się niedawno w czasopiśmie Physical Review Letters.

Francuzi nie zaczęli ścigać długożyciowych izotopów superheavy jądrowych, ale postanowili po prostu zmierzyć czas życia "niedoboru neutronów", które są stosunkowo łatwe do uzyskania. Aby to zrobić, przeprowadzili trzy serie eksperymentów: naświetlali cel niklowy jądrem uranu (jądro z ładunkiem Z = 120 powstającym przy fuzji tych jąder), a cel germanu z ołowiem i jądrami uranu (jądra o Z = 114 i 124).

Powstałe jądra są bardzo niestabilne, ale niestabilność niestabilności jest inna, aw tej rozmowie należy pamiętać o kilku liczbach. W typowych reakcjach jądrowych cząstki poruszają się z prędkością rzędu 1/10 prędkości światła i dlatego pokonują odległość równą średnicy ciężkiego jądra (czyli około 10 Fermi lub 10-14 m), na około 10-21 c. Ten czas można nazwać typowym czasem jądrowym. Jeśli podczas łączenia dwóch jąder powstanie ciężkie jądro, które nie ma najmniejszej stabilności, wówczas rozpadnie się w tym czasie. Jeśli istnieje czynnik powstrzymujący dezintegrację jądra, to żyje on znacznie dłużej niż ten czas.

To, co udało się Francuzom, to dowiedzieć się, które z otrzymanych jąder żyją więcej niż 1 atto sekundę (10-18 c), to znaczy tysiące razy dłużej niż typowy czas jądrowy. To był dowód na to, że niektóre izotopy różnią się zwiększoną stabilnością.

W tym celu autorzy artykułu wykorzystali tzw. Efekt cienia. Idea tej metody jest następująca (patrz ryc. 2). W krysztale jądra atomowe są ułożone w regularny sposób – wzdłuż płaszczyzn krystalograficznych (jednak ze względu na drgania termiczne atomów, kolejność ta nie jest ścisła, ale przybliżona). Jeśli mały kryształ docelowy jest napromieniowywany strumieniem ciężkich jąder, wówczas jądra pocisku łączą się z jądrem celu, a następnie w tym samym miejscu spadają na kawałki – fragmenty, które rozpraszają się w różnych kierunkach. Jednak te fragmenty, które przelatują wzdłuż płaszczyzn krystalograficznych, nie będą mogły dotrzeć do detektora, ponieważ ich ścieżka przejdzie przez pozostałe jądra w tej płaszczyźnie. Dlatego w detektorze urodzonych jąder w tym kierunku (to znaczy, gdy kąt ψ jest bliski zeru), obserwowany będzie prawdziwy cień z płaszczyzny krystalograficznej.

Ryc. 2. Wykorzystanie efektu cienia do zmierzenia czasu życia niestabilnych jąder atomowych. Po lewej: geometria emisji jąder potomnych po rozpadzie niestabilnego jądra. Jeśli rozpad nastąpił bezpośrednio na płaszczyźnie krystalograficznej, wówczas jądra potomne nie będą w stanie latać wzdłuż płaszczyzny, będą absorbowane przez inne jądra. Jeśli niestabilne jądro ma czas na ruch, produkty rozpadu mogą również przejść wzdłuż płaszczyzny krystalograficznej. Po prawej: typowa zależność liczby zliczeń detektora od kąta odchylenia od osi kryształu uzyskanego w detektorze. "Uszkodzenie" pod małymi kątami ugięcia jest cieniem od płaszczyzny krystalograficznej, ale ten cień jest częściowy. Zgodnie z "głębokością" cienia możliwe jest określenie przybliżonego czasu życia niestabilnych jąder. Ryc. z historii Josepha Natovitza (Joseph B. Natowitz) na temat omawianego artykułu w Phys. Rev. Lett.

Jeśli jądro ma wysoką stabilność, to rozpada się nie zaraz po fuzji, ale po pewnym czasie. Opóźnienie rzędu 1 attosekundy wystarcza, aby wyleciał z płaszczyzny krystalograficznej i rozpadł się między płaszczyznami. Zarodki potomne, które przeleciały ściśle wzdłuż płaszczyzny, nie są już absorbowane i spokojnie docierają do detektora.Innymi słowy, nie ma cienia w tym kierunku.

W prawdziwej sytuacji pojawią się jądra, które rozpadają się natychmiast i z opóźnieniem. Dlatego cień będzie niepełny, jak na ryc. 2 po prawej. Ale już sam fakt obserwacji niepełny cień sugeruje, że przynajmniej niektóre jądra są opóźnione o setki i tysiące razy bardziej typowy czas jądrowy przed rozpadem.

To była ta metoda, którą francuscy fizycy używali do badania stabilności izotopów pierwiastków 114, 120 i 124. Zadanie to nie było łatwe, ponieważ produkty rozkładu i ich energia nie były stałe i mogły się różnić w dość szerokich granicach. Jednakże, ze względu na dobre właściwości detektora w przypadku jąder o Z = 120 i 124, byli oni w stanie zidentyfikować część "jąder długowiecznych" (tj. Żyjących zauważalnie dłużej niż 1 attosekundę). Ale w przypadku jąder o Z = 114 efekt ten nie był obserwowany.

Może powstać pytanie: jakie jest zastosowanie niestabilnych jąder? Co to za różnica, jeśli żyją w setnej attosekundzie lub stu attosekundach?

Chodzi o to, że wszystkie te niestabilne izotopy z niedoborem neutronów gwarantowane są też cięższe izotopy "wystarczające do neutronów".Tutaj również mogą pojawić się prawdziwe długie wątróbki, możliwe jest osiągnięcie absolutnej stabilności. Z doświadczenia nie zostały jeszcze zsyntetyzowane, ale teoretycy aktywnie badają ich właściwości. A teraz, w jakim stopniu jeden lub drugi model teoretyczny jest wiarygodny, można teraz przetestować na "jądrach z niedoborem neutronów" za pomocą nowych danych eksperymentalnych.

Tak więc uzyskane dane pośrednio wskazują, że 120 i 124. pierwiastki chemiczne mogą mieć długowieczne izotopy, dlatego warto je polować.

Źródło: M. Morjean i in. Pomiary czasu rozszczepienia: nowa sonda do stabilności elementu superheavy // Phys. Rev. Lett. 101, 072701 (11 sierpnia 2008); pełny tekst – PDF, 290 Kb.

Zobacz także:
1) J. B. Natowitz. Jak trwałe są najcięższe jądra? // Physics 1, 12 (2008) – opowieść o omawianej pracy.
2) S. A. Karamyan. Pomiary czasu trwania reakcji jądrowych z ciężkimi jonami // Etsha, 1986, vol. 17, vol. 4, s. 753.
3) A.F. Tulinov. Wpływ sieci krystalicznej na niektóre procesy atomowe i jądrowe (Physics-Uspechhi, 1965, T. 87, wol. 4, s. 585.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

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