|
№ 22 (4171)
июнь 2006 |
Новые сверхтяжелые элементы
В Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) 28 мая 2006 года завершен эксперимент по химической идентификации цепочек распада новых сверхтяжелых элементов в реакции Ca-48 + Pu-242. Ранее (2004 г.) в ОИЯИ впервые была проведена химическая идентификация элементов 115 и 113 по конечному продукту распада элементу дубнию-105. Результаты химических экспериментов являются независимым подтверждением выполненных ранее в ОИЯИ «физических» экспериментов. Таким образом, однозначно установлено открытие новых самых тяжелых элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомными номерами 112, 113, 114, 115 и 116.
Открытие в 1940–1941 гг. первых искусственных элементов нептуния и плутония явилось началом нового направления ядерной физики и химии по исследованию свойств трансурановых элементов и их применению во многих областях науки и техники. С тех пор вопрос о существовании верхней границы таблицы элементов Д.И. Менделеева представляет большой интерес для фундаментальной науки о строении материи и ее превращениях. Подобные исследования проводятся во многих крупных научных центрах Германии, США, Японии, Франции и в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.
В результате многолетней и интенсивной работы физиками-ядерщиками были синтезированы 20 новых элементов вплоть до 112-го. Было обнаружено, что с увеличением атомного номера элемента его время жизни резко падает. Так, если уран, имеющий атомный номер 92, живет около 1 миллиарда лет, то 112-й элемент — только 0,00002 секунды.
Однако в середине 1960-х годов теоретиками была выдвинута гипотеза о возможном существовании очень тяжелых долгоживущих атомных ядер, принадлежащих так называемым «островам стабильности» ранее неизвестных сверхтяжелых элементов.
Эта гипотеза впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, в исследованиях, проводимых группой академика Ю.Ц. Оганесяна в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова совместно с группой из Ливерморской национальной лаборатории (США). Были синтезированы 112, 113, 114, 115-ый и 116-ый элементы и показано, что они живут в десятки и сотни тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники.
Синтез всех новых нуклидов был осуществлен физическими методами. Тонкие мишенные слои из высокообогащенных изотопов актиноидов облучались пучком 48Са с заданной энергией. Идентификация нуклидов была основана на свойствах их радиоактивного распада и механизма реакции. Было зарегистрировано около сотни цепочек распада новых элементов. При этом синтезируемые нуклиды не только сами являлись новыми, но и распадались в ранее неизвестные изотопы более легких трансактиноидов.
Вместе с тем, определение химическим методом атомного номера какого-либо из изотопов в наблюдаемых цепочках распада не только позволило бы надежно идентифицировать атомные номера всех ядер в цепочке, но явилось бы независимым подтверждением открытия нового элемента.
Впервые такой эксперимент был осуществлен химиками ОИЯИ (Дубна) под руководством профессора С.Н. Дмитриева в 2004 г. совместно с химиками из Пауль Шерер Института (Швейцария, рук. проф. Х. Геггелер) и Ливерморской национальной лаборатории (США, рук. д-р К. Муди). Была проведена химическая идентификация элементов 115 и 113 по конечному продукту их распада элементу дубнию-105, время жизни которого составляло около 30 часов.
Более сложный эксперимент был проведен в ОИЯИ в мае 2006 г. дубненскими и швейцарскими химиками. Задача состояла в химической идентификации элементов 116 и 114, получаемых в реакции ускоренных ионов Са-48 с мишенями из искусственных элементов кюрия-245 и плутония-242, нарабатываемых в мощном реакторе (НИИАР г. Димитровград) и обогащенных на сепараторе (ВНИИЭФ, г. Саров). В реакции слияния ускоренных ядер кальция с ядрами кюрия и плутония образуются сверхтяжелые элементы с атомными номерами 116 и 114 соответственно. Они испытывают альфа распад (испускают самопроизвольно ядра гелия) и переходят в дочернее ядро на два атомных номера меньше материнского. После подобного превращения 114-ый элемент переходит в 112-ый, масса которого согласно ранее полученным данным, равна 283 и период полураспада составляет около 4 секунд (в ядерном масштабе — гигантское время).
Согласно Периодическому закону Д.И. Менделеева, 112-ый элемент является химическим гомологом ртути и, как было теоретически предсказано, подобно ртути должен обладать высокой летучестью даже при комнатной температуре. Более того, подобно ртути, 112-ый элемент может образовывать устойчивые интерметаллические соединения с золотом (другими словами, адсорбироваться на поверхности золота). Для ртути это соединение широко известно — как «амальгама ртути». Именно по этому уникальному признаку была проведена химическая идентификация нового элемента. Исследуемый изотоп также является альфа-радиоактивным, он испускает альфа частицу с энергией 9,5 мега-электрон-вольт и переходит в изотоп элемента 110 с массой 279, который живет около 0,5 секунд и испытывает спонтанное деление на две части примерно равной массы. Перед экспериментаторами стояла задача получения изотопа 112 элемента с массой 283, отделения его от других многочисленных продуктов реакции, переноса его из зоны реакции к детекторам и регистрации соответственно альфа распада и последующего за ним спонтанного деления. Все процедуры вместе должны были занимать не более 4 секунд.
Эксперимент был проведен в период с 5 по 28 мая 2006 г. на ускорителе тяжелых ионов Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова в Дубне.
Мишень из Pu-242 облучалась ускоренными почти до 1/10 скорости света ионами Са-48. Образующийся в реакции изотоп 114 элемента с массой 287 «вылетал» из мишени и останавливался в камере, заполненной смесью гелия и аргона при атмосферном давлении. Через 0,5 секунды изотоп испытывал альфа распад и превращался в изотоп элемента 112 с массой 283. Изотоп 112 элемента газовой струей по 1,5-миллиметровому капилляру переносился на расстояние 10 метров в криогенную камеру с 32 детекторами, поверхность которых была покрыта золотом. В ходе проведения опыта были зарегистрированы распады двух ядер, полностью соответствующих по своим свойствам распаду изотопа элемента 112 с массовым числом 283. В системе сбора данных они были зафиксированы 11 мая 2006 года в 02.40.50 и 25 мая 2006 года в 08.37.11 (время московское). В обоих случаях ядра элемента 112 после испускания альфа-частицы с энергией 9,5 миллиона электронвольт превращались в ядра изотопа элемента 110 с массовым числом 279, которые спустя примерно 0,5 секунды спонтанно делились на два осколка. Зарегистрированные энергии осколков были существенно выше хорошо известных энергий осколков при делении урана с массой 235, которое происходит в ядерных реакторах. Распады ядер 112-го элемента наблюдались именно на тех детекторах, где осаждалась ртуть.
Результаты эксперимента по химической идентификации 112 элемента являются одновременно независимым подтверждением синтеза более тяжелых элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомными номерами 114 и 116.
Пресс-служба ОИЯИ
|
