2019 рік оголошено ЮНЕСКО роком Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. 150 років тому видатний російський учений Д. І. Менделєєв систематизував існуючі тоді хімічні елементи за хімічними властивостями і створив систему елементів. З тих пір до існуючих шістдесяти хімічних елементів додалося майже стільки ж. Зараз таблиця налічує 118 хімічних елементів, більшість з яких були синтезовані штучно, в тому числі і на прискорювачах заряджених частинок. Особливо бурхливий сплеск синтезу і дослідження нових важких трансферміевих елементів стався в останні 20 років, коли в різних світових наукових центрах, що мають потужні прискорювальні комплекси, було синтезовано близько 20 нових важких і надважких елементів. У представленій статті автори обговорюють сучасну ситуацію по синтезу нових елементів з порядковим номером більше 110 і перспективи подальшого просування в область надважких елементів

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Оганесян Ю.Ц., Пеніонжкевіч Ю.Е.


150 Years Since the Discovery of the Periodic System of Chemical Elements by Dmitry Mendeleev

The year 2019 has been declared by UNESCO as the year of the Periodic Table of Elements. 150 years ago, an outstanding Russian scientist D.I.Mendeleev systematized the chemical elements existing at that time by chemical properties and created a table of elements. Since then, almost 60 chemical elements have been added to those existing 150 years ago. Now the table has 118 chemical elements, most of which were synthesized artificially, in particular, on charged particle accelerators. Especially vigorous growth in the synthesis and research of new heavy transfermium elements occurred during the last 20 years, when about 20 new heavy and superheavy elements were synthesized in various world research centers with powerful accelerator complexes. In the present article, authors discuss the current situation on the synthesis of new elements with an atomic number greater than 110 and the prospects for further advancement in the region of superheavy elements.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал
    Вісник Міжнародної академії наук. Російська секція
    Наукова стаття на тему '150 РОКІВ ВІД ДНЯ ВІДКРИТТЯ Д. І. Менделєєвим періодичного СИСТЕМИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ'

    Текст наукової роботи на тему «150 РОКІВ ВІД ДНЯ ВІДКРИТТЯ Д. І. Менделєєвим періодичного СИСТЕМИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ»

    ?150 РОКІВ ВІД ДНЯ ВІДКРИТТЯ Д. І. Менделєєвим періодичного СИСТЕМИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

    Ю. Ц. Оганесян, Ю. Е. Пеніонжкевіч

    Об'єднаний Інститут Ядерних Досліджень, Дубна, Росія

    150 Years Since the Discovery of the Periodic System of Chemical Elements by Dmitry Mendeleev

    Yu. C. Oganesyan, Yu. E. Penionzhkevich

    Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia

    2019 рік оголошено ЮНЕСКО роком Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. 150 років тому видатний російський учений Д. І. Менделєєв систематизував існуючі тоді хімічні елементи за хімічними властивостями і створив систему елементів. З тих пір до існуючих шістдесяти хімічних елементів додалося майже стільки ж. Зараз таблиця налічує 118 хімічних елементів, більшість з яких були синтезовані штучно, в тому числі і на прискорювачах заряджених частинок. Особливо бурхливий сплеск синтезу і дослідження нових важких трансферміевих елементів стався в останні 20 років, коли в різних світових наукових центрах, що мають потужні прискорювальні комплекси, було синтезовано близько 20 нових важких і надважких елементів. У представленій статті автори обговорюють сучасну ситуацію по синтезу нових елементів з порядковим номером більше 110 і перспективи подальшого просування в область надважких елементів.

    Ключові слова: періодична система хімічних елементів, важкі трансферміевие елементи, прискорювач заряжсенних частинок..

    The year 2019 has been declared by UNESCO as the year of the Periodic Table of Elements. 150 years ago, an outstanding Russian scientist D. I. Mendeleev systematized the chemical elements existing at that time by chemical properties and created a table of elements. Since then, almost 60 chemical elements have been added to those existing 150 years ago. Now the table has 118 chemical elements, most of which were synthesized artificially, in particular, on charged particle accelerators. Especially vigorous growth in the synthesis and research of new heavy transfermium elements occurred during the last 20 years, when about 20 new heavy and superheavy elements were synthesized in various world research centers with powerful accelerator complexes. In the present article, authors discuss the current situation on the synthesis of new elements with an atomic number greater than 110 and the prospects for further advancement in the region of superheavy elements.

    Keywords: periodic system of chemical elements, heavy transfermium elements, charged particle accelerator.

    17 лютого (1 березня) 1869 Менделєєв склав в набір рукопис «Досвід системи елементів, заснованої на їхній атомній вазі і хімічній подібності» - перший варіант періодичної таблиці елементів. Остаточне формулювання Періодичного закону - фундаментального закону природи була дана вченим в липні 1871 р Особливість Періодичного закону серед інших фундаментальних законів полягає в тому, що він не виражений у вигляді математичного рівняння і його графічним (табличним) вираженням є розроблена Менделєєвим Періодична система елементів. Відкриття періодичної таблиці елементів було зроблено не випадково, це був результат величезної праці, тривалої і копіткої роботи, яка була витрачена і самим Дмитром Івановичем, і безліччю хіміків з числа його попередників і сучасників. «Коли я став остаточно оформ-

    *

    лять мою класифікацію елементів, я написав на окремих картках кожен елемент і його сполуки, і потім, розташувавши їх в порядку груп і рядів, отримав першу наочну таблицю періодичного закону. Але це був лише заключний акорд, підсумок всього попереднього праці ... »- говорив учений. Менделєєв підкреслював, що його відкриття було підсумком, що завершив собою двадцятилітнє роздум про зв'язки між елементами, обдумування з усіх боків взаємин елементів.

    Рукопис статті, яка містить таблицю під назвою «Досвід системи елементів, заснованої на їхній атомній вазі і хімічній подібності», була закінчена і здана в друк з позначками для складачів і з датою «17 лютого 1869 г.». Повідомлення про відкриття Менделєєва було зроблено редактором «Російського хімічного суспільства» професором Н. А. Меншуткіним на засіданні суспільства 22 лютого (6 березня) 1869 р.

    У першому варіанті системи елементи були розставлені вченим по дев'ятнадцяти горизонтальних рядах і по шести вертикальним стовпцях. 17 лютого (1 березня) відкриття періодичного закону аж ніяк не завершилося, а тільки почалося. Його розробку і поглиблення Дмитро Іванович продовжував ще протягом майже трьох років. У 1870 р Менделєєв в «Основах хімії» опублікував другий варіант системи ( «Природну систему елементів»): горизонтальні стовпці елементів-аналогів перетворилися в вісім вертикально розташованих груп; шість вертикальних стовпців першого варіанту перетворилися в періоди, що починалися лужним металом і закінчуються галогеном. Кожен період був розбитий на два ряди; елементи різних ввійшли в групу рядів утворили підгрупи.

    З моменту відкриття періодичної таблиці вона поповнилася десятками нових елементів, відкритих в природі і штучно синтезованих на прискорювачах. Особливо великих успіхів в цьому напрямку досягли фізики і хіміки останнім часом, заповнивши останні клітини таблиці аж до 118 елемента. Про таблиці Менделєєва написано багато монографій і статей. У представленій статті ми хотіли ознайомити читачів з останніми досягненнями зі штучного синтезу важких і надважких елементів. Багато елементів важче урану були синтезовані в реакціях послідовного захоплення нейтронів ядрами ізотопу урану - 235і в тривалих опромінюваннях на потужних ядерних реакторах. великі перио-

    Тільки 63 хімічні елементи були відомі 136 років тому {1869 перша публікація Д.І. Менделєєва)

    11____

    ін іііаші

    Мал. 1. Тільки 63 хімічні елементи були відомі в 1880 році.

    ди напіврозпаду нових нуклідів дозволяли відокремлювати їх від інших побічних продуктів реакції радіохімічними методами з подальшим вимірюванням їх властивостей радіоактивного розпаду. Ці піонерські роботи проф. Г. Сиборга і його колег, проведені в 1940-1953 рр. в Радіаційної національної лабораторії (Берклі, США) привели до відкриття восьми штучних елементів з Z = 93-100. Найбільш важкий штучно синтезований ізотоп - 25 ^ т (Т1 / 2 ~ 100 днів.). Подальше просування в область більш важких ядер було практично неможливо через виключно короткого періоду напіврозпаду наступного ізотопу - 25 ^ т (Т5Р = 0,3 мілісекунди). Спроби обійти це обмеження в імпульсних потоках нейтронів великої потужності, що виникають при ядерному вибуху, не дали бажаних результатів: як і раніше найбільш важким ядром, був 25 ^ т.

    Елементи важче Fm ^ = 100) були синтезовані в реакціях з прискореними важкими іонами, коли в ядро-мішень вноситься комплекс протонів і нейтронів. Фізика важких іонів стала в останні роки одним з основних напрямків науки про атомне ядро. Важкі іони - це іони елементів з Z > 2 і А > 4 (важчих за гелій). Вза-імодействіе важких іонів з ядрами характеризується корінною перебудовою беруть участь і реакції ядерних систем, що містять сотні нуклонів. Все це призводить до різноманітності каналів реакції - шляхів, за якими проходять зміни взаємодіючих ядер. При цьому може відбуватися як повне злиття іона з ядром, так і передача від іона до ядра або навпаки різного числа нуклонів (від одного до декількох десятків або цілого згустку ядерної матерії). Утвориться ядерна система може бути нестійкою і розпадатися за дуже

    короткий час (~ 10-20 с), а може досягти теплового рівноваги і існувати дуже велике по ядерним масштабами час.

    Перші досліди з важкими іонами показали, що в реакціях зіткнення двох ядер можна отримати складові ядра з дуже високою температурою, яка може досягати значень кілька МеВ, що більше ніж 1010 К. А при дотичному зіткненні спин ядра може досягати 50, 60 і навіть 80 Ь , і це ядро ​​може бути сильно деформоване з співвідношенням осей 3: 1, і після всього цього таке ядро ​​може ще виживати. Після цього стало ясно, що важкі іони є прекрасним інструментом, щоб досліджувати ядра з такими екстремальними характеристиками: високою температурою, з великим кутовим моментом і сильно-деформованими. І тоді по всьому світу стали будуватися спеціальні прискорювачі важких іонів, потім почали створюватися національні лабораторії для досліджень з важкими іонами: в США, Франції, Німеччини, Італії, Японії. А потім вже стали будуватися колайдери для прискорення важких іонів: у Брукхевен-ні (США), в ЦЕРН, в Німеччині. У Дубні теж створюється коллайдер важких іонів № КА. Таким чином цей напрям - фізика важких іонів стала швидко і ефективно розвиватися в Світі.

    В даний час відомо дуже мало про рух такого масштабу в ядрах. Особливо мало відомостей про динаміку великомасштабних змін форми ядра, і зокрема про зв'язок між колективним рухом багатьох нуклонів ядра і рухом окремих його часток. Ядерні реакції, викликані легкими частинками, не дозволяли досліджувати ці процеси, і тільки з появою пучків прискорених важких іонів з'явилися умови їх для детального вивчення.

    При зіткненні важких іонів з ядрами в повній мірі проявляється настільки цікаве і важливе властивість ядерного речовини, як його в'язкість. Це властивість характеризує інтенсивність обміну енергії між колективними ступенями свободи, що описують геометричну форму ядра в цілому, і внутрішніми ступенями свободи, що визначають рух окремих нуклонів щодо фіксованої форми. Отримання даних про величину ядерної в'язкості, про її залежності від енергії збудження, нуклон-ного складу ядра має принципово важливе значення для розуміння динаміки взаємодії важких іонів з ядрами, зокрема для вирішення питання про можливість злиття найбільш важких ядер і про величину енергії збудження утворилася складовою системи.

    Унікальні властивості важких іонів дозволяють отримувати і досліджувати ядра, що істотно відрізняються від відомих по нуклонів складу або знаходяться в незвичайних станах. Виключне різноманіття ядерних реакцій з важкими іонами, величезне число можливих комбінацій іон-ядро мішені відкривають сприятливі перспективи для по-

    лучения ізотопів відомих елементів з великим надлишком або недоліком нейтронів, що лежать на кордоні, або навіть за кордоном нуклонной стабільності. Тільки в реакціях з важкими іонами можна отримувати ядра з атомним номером на 20-30 одиниць більше, ніж найважчі ядра мішені. Тому такі реакції є єдиним способом отримання нових трансуранових елементів. Відомо, що стабільність цих елементів швидко падає з ростом їх атомного номера. З точки зору класичних уявлень, закладених Н. Бором і Дж.Уилер, важке ядро ​​з Z >110 стає абсолютно нестійким по відношенню до спонтанного поділу (його час життя має становити всього ~ 10-20 с). Однак Оболо-Чечня структура ядер може істотно підвищити його стабільність. Дослідження властивостей трансуранових елементів з Z >104 показали, що їх часи життя по відношенню до спонтанного поділу зменшуються значно повільніше, ніж це випливає з класичних уявлень. Теоретичні розрахунки, що враховують оболочечную структуру ядер, пояснюють це і передбачають існування області стабільних важких ядер поблизу замкнутих оболонок з 114 протонів і 184 нейтронів. Останні експерименти, проведені в Дубні, показали, що досягнутий острів стабільності надважких ядер. Таким чином, фізика важких іонів, займається дослідженням ядерної матерії в екстремальних станах (екзотичних ядер) і ядерних перетворень, що відбуваються в екстремальних умовах. Важкі іони дозволяють отримувати ядра з дуже високою енергією збудження (гарячі ядра), з гранично великим кутовим моментом ( «шалено» обертаються ядра), сільнодеформірованние ядра (супер і гіпердеформація, ядра з незвичайною конфігурацією форми), ядра з аномально високим числом нейтронів або протонів (нейтроноізбиточних і протоно-хати-точні ядра), надважкі ядра з числом протонів ^ 110. Вивчення властивостей ядерної матерії в екстремальних станах дає важливу інформацію про властивості мікросвіту і таким чином дозволяє моделювати різні процеси, що відбуваються у Всесвіті. Реакції з важкими іонами надають унікальну можливість отримати ядра поблизу кордонів стабільності і проникнути в область хімічних елементів другої сотні.

    В якості одного з прикладів можна привести радіаційний вплив прискорених важких іонів на речовину. Високі питомі втрати енергії іонів при їх проходженні через речовину викликають сильну деструкцію матеріалів при дуже слабкому рівні наведеної радіоактивності. Це відкриває широкі можливості використання важких іонів для моделювання радіаційних пошкоджень, що викликаються швидкими нейтронами в конструкційних матеріалах атомних реакторів, а також в майбутніх термоядерних установках. Число таких прикладів можна значно помножити - це і легування напівпровідникових ма-

    ріалів, і виробництво ядерних фільтрів, які можна віднести до нанотехнологій, і отримання радіоактивних ізотопів для медицини. В даний час в цілому ряді країн є наукові центри, де працюють вже кілька десятків прискорювачів, на яких отримані інтенсивні пучки іонів з енергіями до декількох тисяч МеВ / нуклон. На пучках цих іонів проводиться широке коло досліджень, як фундаментальних, так і прикладних. Підводячи деякий підсумок сказаному в цілому, можна відзначити, що фізика важких іонів - це перш за все фізика екстремальних ядерних станів і фізика ядерних перетворень, що відбуваються в екстремальних умовах. В цьому її своєрідність і основна перевага. До опису процесів, що відбуваються при взаємодії важких іонів з ядрами і характеристик ядер, що утворюються в цих процесах, доречно нагадати про основні поняття, що використовуються в ядерній фізиці для опису властивостей ядер. Однак повернемося до синтезу трансферміевих ядер в реакціях з важкими іонамі.Етот тип реакції відрізняється від реакцій з захопленням нейтронів. При захопленні нейтрона, що не володіє електричним зарядом, енергія збудження нового ядра складає всього 6-8 МеВ. На відміну від цього, при злитті ядер мішені навіть з легкими іонами, такими як гелій (4Не) або вуглець (12С), важкі ядра будуть нагріті до енергії Ех = 20-40 МеВ. З подальшим збільшенням атомного номера ядра-снаряда йому необхідно буде повідомляти все більшу енергію для подолання електричних сил расталкивания позитивно заряджених ядер (Куло-ського бар'єру реакції). Ця обставина призводить до зростання енергії збудження (нагрівання) компаунд ядра, що утворюється після злиття двох ядер - снаряда і мішені. Його охолодження (перехід в основний стан Ех = 0) буде відбуватися за допомогою випускання нейтронів і гамма-променів. Однак нагріте важке ядро ​​лише в 1/100 частці випадків зможе випустити нейтрон. В основному воно буде ділитися на два осколка, тому що енергія ядра істотно вище висоти його бар'єру поділу. Імовірність виживання нагрітого ядра різко падає зі збільшенням температури (або енергії Ех) через збільшення числа випаровуваних нейтронів, з якими сильно конкурує розподіл. Для того щоб охолодити ядро, нагріте до енергії близько 40 МеВ, необхідно випарувати 4 або 5 нейтронів. Щоразу з випусканням нейтрона буде конкурувати розподіл, внаслідок чого ймовірність виживання буде всього (1/100) 4-5 = 10-8-10-10. Ситуація ускладнюється тим, що з ростом температури ядра зменшується стабілізуючий ефект оболонок, отже зменшується висота бар'єру поділу та подільність ядра різко зростає. Обидва ці фактори призводять до виключно малу ймовірність утворення надважких нуклідів.

    Просування в область елементів важче 106 стало можливим після відкриття в 1974 р в Дубні реакцій «холодного злиття». У цих реакціях в якості мішеневого матеріалу використовуються «магічні» отрута-

    ра стабільних ізотопів - 208РЬ ^ = 82, N = 126) або 209В1 ^ = 83, N = 126), які бомбардуються іонами важче аргону. У процесі злиття висока енергія зв'язку нуклонів в «магічному» ядрі-мішені призводить до поглинання енергії при перебудові двох взаємодіючих ядер в важке ядро ​​сумарної маси. Ця різниця в енергіях «упаковки» нуклонів у взаємодіючих ядрах і в кінцевому ядрі компенсує в значній мірі енергію необхідну для подолання високого кулонівського бар'єру реакції. В результаті, важке ядро ​​має енергію збудження всього 12-20 МеВ. В якійсь мірі подібна реакція подібна процесу «зворотного розподілу». Дійсно, якщо розподіл ядра урану на два осколка відбувається з виділенням енергії, (вона використовується в атомних електростанціях), то в зворотної реакції, при злитті осколків, що утворюється ядро ​​урану буде майже холодним. Тому при синтезі елементів в реакціях холодного злиття важкого ядра досить випустити всього один або два нейтрона, щоб перейти в основний стан.

    Реакції холодного злиття масивних ядер були успішно використані для синтезу 6 нових елементів, від 107 до 112-го в Національному ядерно-фізичному центрі GSI в Дармштадті (Німеччина), а також в Національному центрі RIKEN (Токіо) для синтезу 110113 елементів. Обидві групи мають намір рухатися далі, до більш важких елементів, використовуючи більш важкі снаряди. Однак спроби синтезу все більш важких елементів в реакціях холодного злиття пов'язані з великими труднощами. Зі збільшенням атомного заряду іонів ймовірність їх злиття з ядрами мішені 208РЬ або 209В1 сильно зменшується через зростання кулонівських сил відштовхування пропорційних, як відомо, твору зарядів ядер. Від елемента 104, який може бути отриманий в реакції 208РЬ + 50Т = 1 804) до елементу 112 в реакції

    208РЬ + 7<^ П = 2460), ймовірність злиття

    зменшується більш ніж в 104 разів.

    Крім цього компаунд ядра, отримані в реакціях холодного злиття, мають відносно мале число нейтронів. У розглянутому вище випадку освіти 112-го елемента кінцеве ядро ​​з Z = 112 має тільки 165 нейтронів, в той час як підйом стабільності очікується для числа нейтронів N>170. Ядра з великим надлишком нейтронів можуть бути в принципі отримані, якщо в якості мішеней використовувати штучні елементи: плутоній ^ = 94), америцій ^ = 95), кюрий ^ = 96) або калифорний ^ = 98), напрацьовуються в ядерних реакторах, а в якості снаряда - рідкісний ізотоп кальцію - 48Са. Можна синтезувати надважкі елементи аж до 118-го. Для синтезу елементів з ^ 118 потрібні пучки ще більш важких іонів. При злитті таких важких ядер істотну роль відіграють процеси квазіделенія, значно зменшує ймовірність утворення складеного ядра. Таким чином, весь процес

    Мал. 2. Сценарій освіти надважкого ядра в реакції злиття.

    формування «холодного» (що знаходиться в основному стані) надважкого ядра В, яке є кінцевим продуктом «<охолодження »порушеної ядра С, утвореного в реакції злиття двох важких ядер А1 + А2 ^ В + п, рд, у, можна розкласти на три стадії, зображені схематично на рис. 2.

    Можна синтезувати надважкі елементи аж до 118-го. Для синтезу елементів з Z>118 потрібні пучки ще більш важких іонів. При злитті таких важких ядер істотну роль грають конкуруючі процеси, наприклад квазіделенія, значно зменшує ймовірність утворення складеного ядра. Таким чином, весь процес формування «<холодного »(що знаходиться в основному стані) надважкого ядра В, яке є кінцевим продуктом«<охолодження »порушеної ядра С, утвореного в реакції злиття двох важких ядер А1 + А2 ^ В + п, рд, у, можна розкласти на три стадії, зображені схематично на рис. 2.

    На першій стадії реакції стикаються ядра долають кулонівський бар'єр і приходять в тісний контакт з перекриттям їх поверхонь. Цей процес конкурує з пружним і квазі-пружним розсіюванням ядер (включаючи реакції малонуклонних передач) з утворенням двох фрагментів, близьких за масою до снаряду і мішені. Ця конкуренція сильно залежить від енергії ядер, що стикаються і від прицільного параметра, тобто орбітального моменту відносного руху ядер.

    На другій стадії реакції конфігурація двох дотичних ядер повинна трансформуватися в конфігурацію щодо сферически-симетричного складеного ядра. В ході цієї еволюції важка ядерна система може розпастися на два фрагменти ^ і ^ без утворення складеного ядра. Цей процес і називають квазі-розподілом.

    Якщо складене ядро ​​все ж утворюється, то воно має кутовий момент 1 і деяку енергію збудження Е *. Ділильні бар'єри важких ядер досить малі, і основним каналом розпаду збуджених станів цих ядер є поділ. Якщо в конкуренції з розподілом порушеній складеному ядру вдасться випустити кілька легких частинок і гамма-квантів, які понесуть енергію збудження і кутовий момент цього ядра, то в результаті утворюється так званий випарний залишок, т. Е. Ядро В, що знаходиться в основному стані. Перетин освіти випарного залишку надважкого ядра визначається виразом, що включає в себе ймовірність формування складеного ядра РШ в конкуренції з квазіделеніем. Таким чином, два основних фактори роблять дуже малими перетину освіти надважких елементів: мала ймовірність утворення складеного ядра в конкуренції з домінуючим процесом квазіделенія (Рсм) і мала ймовірність виживання порушеної складеного ядра (РхпЕтЯ).

    Оцінки перетинів освіти надважких елементів в реакціях «<гарячого »синтезу з пучком 48Са з

    Рис.3. Сучасна таблиця хімічних елементів Д. І. Менделєєва

    використанням важких актінідних мішеней показав, що ці реакції являтся оптимальними аж до 118 елемента. Ядро атома 48Са містить 20 протонів і 28 нейтронів - обидва значення відповідають замкнутим оболонок. У реакціях злиття з ядрами 48Са буде також працювати їх «магічна» структура (цю роль в реакціях холодного злиття грали магічні ядра мішені - 208РЬ), в результаті чого енергія збудження надважких ядер буде близько 30-35 МеВ. Їх перехід в основний стан буде супроводжуватися емісією трьох нейтронів і гамма променів. Можна очікувати що при цій енергії збудження ефект ядерних оболонок ще присутній в нагрітих надважких ядрах, що підвищує їхня здатність до виживання. Асиметрія мас взаємодіючих ядер • Z2 < 2000) в цьому випадку зменшує їх кулоновское відштовхування і тим самим збільшує ймовірність злиття. Незважаючи на ці, здавалося б, очевидні переваги, всі попередні спроби синтезу надважких елементів в реакціях з іонами 48Са, вжиті в різних лабораторіях в 1977-1985 рр. виявилися безуспішними.

    Однак розвиток експериментальної техніки в останні роки і, перш за все, отримання інтенсивних пучків іонів 48Са на прискорювачах нового покоління, дозволили збільшити чутливість експери-

    мента майже в 1000 разів. Ці досягнення були використані в новій спробі синтезу надважких елементів. Саме в реакціях злиття прискорених іонів 48Са в Дубні на рубежі ХХ1века були синтезовано 6 нових елементів, починаючи з 113-го і закінчуючи 118-м, отриманим в реакції злиття 48Ca (Z = 20) з найбільш важкою мішенню 249Cf (Z = 98). У листопаді 2016 року Міжнародним союзом теоретичної і прикладної хімії (IUPAC) і Міжнародним союзом чистої і прикладної фізики (IUPAP) було затверджено відкриття нових хімічних елементів періодичної таблиці Д. І. Менделєєва з атомними номерами 113, 115, 117 і 118.

    Для елемента з атомним номером 113 автори його відкриття з RIKEN (Nishina Center for Accelerator-Based Science, Japan) запропонували назву «Ніхон» (nihonium) і символ Nh. Ніхон - один з варіантів японської вимови слова Японія і означає буквально «Країна висхідного сонця». Всі інші елементи, включаючи 114-й (флеровій), а також зі 115-го по 118-й відкриті в Лабораторії ядерних реакцій ім. Г. Н. Флерова ОІЯД.

    Для елемента з атомним номером 115 запропоновано назву «Московія» (moscovium) і символ Mc, а для елемента з атомним номером 117 - «теннессін»

    Мал. 4. Карта нуклідів важких і надважких елементів.

    ^ ЕппезБте) і символ Тб. Назви дані на честь місця або географічної області і запропоновані спільно авторами відкриттів з Об'єднаного інституту ядерних досліджень в Дубні (Росія), Окриджской національної лабораторії (США), Університету Вандер-Більта (США) і Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (США). Назва «мос-ковий» віддає належне місту Дубна Московської області. Назва «теннессін» дано в знак визнання внеску регіону Теннессі, в тому числі Окриджской національної лабораторії, Університету Вандербіль-та і Університету Теннессі в Ноксвілл в дослідження надважких елементів.

    Для елемента з атомним номером 118 співпрацюють команди авторів його відкриття з ОІЯД (Росія) і Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (США) запропонували назву «оганесон» (Oganesson) і символ Og. Пропозиція слід традиції надання честі і відображає визнання новаторського внеску професора Ю.Ц. Оганесяна в дослідження трансактінідних елементів.

    При синтезі Z-парних нуклідів - ізотопів 112, 114 і 116 елементів - спостерігаються довгі ланцюжки розпадів, що закінчуються спонтанним поділом ядер з Z = 104-110, час життя яких склад-

    ляло від секунд до годин в залежності від атомного номера і нейтронного складу ядра. До теперішнього часу отримані дані про властивості розпаду 29 нових ядер з Z = 104-118; вони представлені на карті (рис. 4). Властивості важких ядер розташованих в області трансактіноідов, їх тип розпаду, енергії і часи розпадів добре узгоджуються з передбаченнями сучасної теорії. Гіпотеза про існування островів стабільності надважких ядер, що значно розширюють світ елементів, здається, вперше знайшла експериментальне підтвердження.

    У 2019 року в Лабораторії ядерних реакцій запущена фабрика надважких елементів, основою якої є високоинтенсивний циклотрон важких іонів. Рішення другої частини вимагає кардинальної зміни постановки дослідів; воно може бути знайдено в створенні нової експериментальної методики, виходячи з властивостей надважких елементів.

    На рис. 4 показана карта нуклідів для важких і надважких елементів. Для ядер всередині овалів, що відповідають різним реакціям синтезу (показані на малюнку), наведені періоди напіврозпаду і енергії випускаються альфа-частинок (жовті квадрати). Дані представлені на карті, що розділяє області за вкладом ефекту ядерних оболонок в енергію зв'язку

    ядра. За відсутності ядерної структури все поле було б білого кольору. У міру потемніння ефект оболонок зростає. Дві сусідні зони відрізняються на величину всього 1 МеВ. Цього, однак, досить для значного збільшення стабільності ядер щодо спонтанного ділення, в результаті чого нукліди, розташовані поблизу «магічних» чисел протонів і нейтронів зазнають насамперед альфа - розпад. З іншого боку, в ізотопи 110-го і 112-го елементів збільшення числа нейтронів на 8 атомних одиниць призводить до зростання періодів альфа - розпаду ядер більш ніж в 105 разів. Подальше просування в область Z>118 пов'язано з вибором відповідної реакції. Перетин реакцій злиття з актініднимі ми-

    48Са

    шенямі іонів важче катастрофічно падає і не дає шансів на отримання нових трансуранових ядер.

    Найбільш важкою мішенню, яку можна використовувати для отримання надважких ядер в реакціях злиття, є калифорний (Z = 98, T1 / 2 (249Cf) = 351 рік). Якщо в якості снаряда використовувати прискорені іони кальцію (Z = 20), то можна синтезувати 118-й елемент. Для синтезу елементів з Z>18 потрібні пучки ще більш важких іонів. Отже, щоб отримати надважкі елементи з Z>118, необхідно використовувати снаряди важчі, ніж 48Ca Імовірність злиття при цьому значно падає. На рис. 5 показані передбачені перетину освіти елементів 119 і 120 в реакціях 50Ti + 249Bk, 50Ti + 249Cf і 54Сг + 248Cm і верхня межа експериментальних перетинів, отримані в GSI (Дармштадт, Німеччина). На сьогоднішній день (2019 г.) ці елементи ще не синтезовані, однак відповідні експерименти тривають в Дубні, в GSI і в лабораторії RIKEN (Японія). Як вже зазначалося вище, через що збільшується нахилу лінії стабільності до нейтронної осі (зростання відносини N / Z зі збільшенням A) в реакціях злиття стабільних ядер утворюються лише протонно-надлишкові ізотопи важких елементів, що лежать зліва від лінії стабільності.

    Найближчим часом планується синтезувати елементи 119 та 120 в реакціях злиття 50Ti + 249Bk, 50Ti + 249С? І 54Сг + 248Cm. Ізотопи цих елементів також будуть перебувати в області протонно-надлишкових ядер, далеко від острова стабільності. Існування цього острова побічно доводиться збільшенням на кілька порядків часу життя відомих ізотопів елементів 112 і 113 при їх наближенні до острова стабільності: T1 / 2 (277112) = 0,7мс, T1 / 2 (285112) = 30с, T1 / 2 (278113) = 0,24мс, T1 / 2 (286113) = 13с.

    Мал. 1. Тільки 63 хімічні елементи були відомі в 1880 році.

    висновок

    Останнім часом обговорюються можливості глибоко-непружних реакцій передачі з пучками Кг, Хе і і (і + і) для синтезу важких і надважких ядер. Була досліджена реакція і + і при енергії пучка урану 7,38 МеВ / нуклон. Були отримані масові розподілу продуктів реакції (квазіделенія), з яких випливає, що з відносно великою ймовірністю утворюються продукти набагато важче урану. Крім того в масовому розподілі спостерігається якась структура (бамп в області маси 208), що свідчить про збереження при таких взаємодіях оболонкових ефектів. А, отже, це може бути одним з методів синтезу ядер поблизу оболонкових чисел, в тому числі і надважких ядер з числом нейтронів 182. Обговорюються і можливості інших реакцій з важкими іонами, що супроводжуються вильотом високоенергетичних легких заряджених частинок. Такі частинки з енергією поблизу кінематичного межі для двухтельной реакції можуть понести всю енергію збудження утворився системи.

    В даний час стало можливим отримання і прискорення короткоживучих радіоактивних, в тому числі нейтронно-надлишкових ядер, які, в принципі, могли б бути використані для синтезу нейтронно-збагачених ізотопів надважких елементів, розташованих в центрі «острова стабільності». Все це можна досліджувати за допомогою пучків прискорених важких іонів, які як вже зазначалося в даний час є практично єдиним інструментом для синтезу і вивчення властивостей нових екзотичних ядер.

    Відомості про авторів:

    Оганесян Юрій Цолаковіч - доктор фізико-математичних наук, професор, науковий керівник Лабораторії ядерних реакцій ім. Г. Н.Флерова Об'єднаного інституту ядерних досліджень, Дубна, академік РАН, АН Вірменії та Сербії, лауреат Державних премій (1975, 2010), наукових премій ім. М. В. Ломоносова, І. В. Курчатова, Г. Н. Флерова, А. Гумбольда, Л. Мейтнер. Почесний доктор Університету ім. Гете (Німеччина), Університету Мессіна (Італія).

    Пеніонжкевіч Юрій Ерастовіч - доктор фізико-математичних наук, професор, керівник наукових сектором Лабораторії ядерних реакцій ім. Г. Н. Флерова

    Об'єднаного інституту ядерних досліджень, Дубна, академік-секретар відділення природних наук Російської секції Міжнародної академії наук

    (Здоров'я та Екологія). E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    i7ТсЮ ^ 111Щ з

    ussia, Saint Petersburg June 29 - July 04, 2020

    ЗДь.ШО'П * Г " '

    The main goal of the Symposium EXON 2020 will be to discuss the latest results on the production and study of the properties of the lightest to the heaviest nuclei as well as the plans for future joint investigations in the field of exotic nuclei.

    The topics of the Symposium will be the following:

    • Properties of light exotic nuclei,

    • Superheavy elements. Synthesis and properties,

    • Rare processes and decays,

    • Radioactive beams. Production and research programs,

    • Experimental facilities and future projects.

    Organized by:

    JINR (Dubna)

    RIKEN (Wako-shi) NSCL (Michigan)

    (^ ?? ^ GSI (Darmstadt) GANIL (Caen)

    International Organizing Committee

    V. Matveev Russia

    M. Lswitowicz France

    T. Uesaka Japan

    S. Yennello USA

    A. Maj Poland

    Co-Chairmen

    B. Sherrill W. Trzaska E. Vardachi D. Verney

    Yu. Oganessian JINR, Dubna Russia H En, yo RIKEN, Japan

    France A, Navin GANIL. France

    Japan

    Ch, Scheidenberger GSI, Germany G, Bollen MSU, USA

    Poland

    South Africa Local Organizing Committee:

    ygA Yu. Penionzhkevich Chairman

    Finland Yu. Sobolev Scientific secretary

    Yu. Sobolev S. Dmitriev

    D. Kamanin

    E. Kuznetsova M.Naumenko V. Ivanshin

    Dubna JINR Dubna JINR Dubna JINR Dubna JINR Dubna JINR

    Contacts:

    http://exon2020.jinr.org.ua Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ / ВАЖКІ ТРАНСФЕРМІЕВИЕ ЕЛЕМЕНТИ / Прискорювач ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК / PERIODIC SYSTEM OF CHEMICAL ELEMENTS / HEAVY TRANSFERMIUM ELEMENTS / CHARGED PARTICLE ACCELERATOR

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити