Isotoper av 120 og 124 kjemiske elementer har en tendens til lang levetid • Igor Ivanov • Vitenskapsnyheter om "Elements" • Fysikk, kjemi

Isotoper av 120 og 124 kjemiske elementer har en tendens til lang levetid

Fig. 1. INDRA-detektoren i det franske akseleratorlaboratoriet GANIL, hvor de beskrevne resultatene ble oppnådd. Bilde fra phototheque.in2p3.fr

Franske fysikere eksperimentelt bekreftet teoretikernes spådommer om at enkelte isotoper av 120 og 124 elementer har økt stabilitet. Sannsynligvis har disse elementene virkelig langlivede isotoper.

Søket etter langvarige isotoper av superheavy-elementer er en av de mest fascinerende delene av atomfysikk. I dag har mange transurane elementer allerede blitt syntetisert, men alle av dem viste seg alltid å være ustabile. Teoretikere har lenge spådd at blant dette "sjøen" av ustabile isotoper kan det eksistere "øyer med stabilitet" – spesielle grupper av kjerner med en anomaløst lang levetid.

Det vanligste argumentet til fordel for dette er prediksjonen av atomskallmodellen, som har fungert bra for beskrivelsen av vanlige kjerner. I denne modellen gir en fullfylt proton eller neutronhylse kjernen en spesiell stabilitet som dramatisk øker levetiden. Beregninger basert på skallmodellerDe forutsier slike øyer med stabilitet et sted i regionen fra det 114. til det 126. elementet (forskjellige verdier er oppnådd i forskjellige modeller). Det er for slike isotoper at mange fysikere nå jakter.

En rekord er fortsatt syntese av elementene 116 og 118 på Joint Center for Nuclear Research i Dubna, Moskva-regionen. Dubna fysikere har planer om å oppdage enda tyngre elementer, men det må huskes at deres direkte syntese i kollisjonen av lettere kjerner er en svært vanskelig oppgave. For det første kan bare kjerne med tilstrekkelig antall nøytroner være mer eller mindre stabile. For å syntetisere dem, er det nødvendig å presse lys nøytron-overskytende kjerner, som selv er sjeldne. For det andre, jo tyngre kjernen, desto mindre sannsynlig er det å bli født, slik at i de lange månedene av akseleratoren er bare noen få kjerner født.

I lys av dette søker eksperimentelle fysikere også etter andre, kanskje ikke så direkte, måter å verifisere spådommer fra teoretikere. En slik metode ble vellykket testet nylig av en gruppe fysikere som arbeider med INDRA-detektoren på GANIL-tungnukle-akseleratoren i den franske byen Caen. En artikkel med resultatene av deres eksperimenter dukket opp nylig i tidsskriftet Fysisk gjennomgangstavler.

Franskmennene begynte ikke å jage etter de langvarige isotoper av superheavy-kjerner, men bestemte seg for å bare måle levetiden til "nøytron-mangelfulle" kjerner, som er relativt enkle å oppnå. For å gjøre dette gjennomførte de tre serier av eksperimenter – bestrålet et nikkelmål med urankjerner (kjerner med en belastning på Z = 120 dannet ved fusjon av disse kjernene), og et germaniummål med bly og urankjerne (kjerne med Z = 114 og 124 ble dannet).

De resulterende kjernene er svært ustabile, men ustabiliteten av ustabilitet er forskjellig, og i denne samtalen bør enkelte tall holdes i tankene. Ved typiske atomreaksjoner beveger partiklene seg med hastigheter i størrelsesorden 1/10 av lysets hastighet, og derfor reiser de en avstand som er lik diameteren av en tung kjerne (det vil si ca. 10 Fermi eller 10-14 m), for ca. 10-21 a. Denne tiden kan kalles typisk atomartid. Hvis det dannes en tung kjerne ved sammenslåing av to kjerne, som ikke har den minste stabilitet, vil den gå opp i løpet av den tiden. Hvis det er en faktor som holder tilbake oppløsningen av kjernen, så lever den mye lenger enn denne tiden.

Det franske klarte å gjøre var å finne ut hvilken av kjernene de mottok, leve mer enn 1 åo sekund (10-18 c), det vil si tusenvis av ganger lenger enn typisk atomartid. Dette var beviset på at noen isotoper utmerker seg ved økt stabilitet.

For dette brukte forfatterne av papiret den såkalte skyggeeffekten. Tanken med denne metoden er som følger (se figur 2). I en krystall er atomkjerner ordnet på vanlig måte – langs krystallografiske planer (imidlertid på grunn av termiske vibrasjoner av atomer, er denne rekkefølgen ikke streng, men omtrentlig). Hvis en liten målkrystall bestråles med en strøm av tunge kjerne, smelter prosjektilkjernene seg sammen med målkjernene og faller på samme sted i stykker-fragmenter som flyter fra hverandre. Imidlertid vil de fragmentene som flyr ut langs de krystallografiske planene ikke kunne nå detektoren, siden deres sti vil passere gjennom resten av kjernene i dette flyet. Derfor, i detektoren av fødte kjerner i denne retningen (det vil si når vinkelen ψ er nær null), vil den virkelige skyggen fra det krystallografiske planet bli observert.

Fig. 2. Bruke skyggeeffekten til å måle levetiden til ustabile atomkjerner. Til venstre: geometrien av utslipp av datterkjerne etter forfall av en ustabil kjernen. Hvis henfallet skjedde direkte på det krystallografiske planet, vil datterkjernene ikke kunne fly langs flyet, de vil bli absorbert av andre kjerner. Hvis den ustabile kjernen har tid til å bevege seg, kan forfallsproduktene også gå langs det krystallografiske planet. Til høyre: typisk avhengighet av antall detektorteller på vinkelen av avviket fra krystallaksen, oppnådd i detektoren. "Sviktet" ved små avbøyningsvinkler er skyggen fra det krystallografiske planet, men denne skyggen er delvis. I henhold til "dybden" av skyggen er det mulig å bestemme omtrentlig levetid for ustabile kjerner. Fig. fra historien om Joseph Natovitz (Joseph B. Natowitz) om artikkelen under diskusjon i Phys. Rev. Lett.

Hvis kjernen har en høy stabilitet, faller den fra hverandre ikke umiddelbart etter fusjonen, men etter kort tid. En tidsforsinkelse i rekkefølgen på 1 attosekund er tilstrekkelig for at den kan fly ut av det krystallografiske planet og disintegreres mellom flyene. Barnekjerner som har fløy ut strengt langs flyet, absorberes ikke lenger og kommer til detektoren rolig.Med andre ord er det ingen skygge i denne retningen.

I en reell situasjon vil det være kjerne som bryter opp både umiddelbart og med forsinkelse. Derfor vil skyggen være ufullstendig, som i fig. 2 til høyre. Men allerede selve faktumet av observasjon en ufullstendig skygge antyder at minst noen av kjernene er forsinket med hundrevis og tusen ganger mer typisk atomtid før forfall.

Det var denne metoden at de franske fysikerne pleide å studere stabiliteten til isotoperne i elementene 114, 120 og 124. Denne oppgaven var ikke lett, siden nedbrytningsproduktene og deres energi ikke var løst og kunne variere innenfor ganske brede grenser. På grunn av detektorens gode egenskaper i tilfelle av kjerner med Z = 120 og 124, var de imidlertid i stand til å identifisere den "langlivede" (dvs. levende merkbart lengre enn 1 attosekund) del av kjernene. Men for kjerner med Z = 114 ble denne effekten ikke observert.

Spørsmålet kan oppstå: Hva er bruken av disse ustabile kjernene? Hvilken forskjell gjør det hvis de bor i ett hundre eller to hundre attosekund?

Poenget her er at alle disse ustabile neutron-mangelfulle isotoper garantert Det er også tyngre "neutron-tilstrekkelige" isotoper.Her kan de også dukke opp de virkelige langleverandørene, det er mulig opp til absolutt stabilitet. På erfaring har de ennå ikke blitt syntetisert, men teoretikere studerer aktivt deres egenskaper. Og nå, hvorvidt en eller annen teoretisk modell er plausibel, kan nå testes på "neutron-mangelfulle" kjerner ved hjelp av nye eksperimentelle data.

Dermed viser dataene som nå er indirekte at de 120. og 124. kjemiske elementene kan ha langvarige isotoper, og derfor er det verdt å jakte på dem.

kilde: M. Morjean et al. Fisjonstidsmålinger: En ny sonde til superheavy elementstabilitet // Phys. Rev. Lett. 101, 072701 (11. august 2008); fulltekst – PDF, 290 Kb.

Se også:
1) J. B. Natowitz. Hvor stabile er de tyngste kjernene? // Fysikk 1, 12 (2008) – en historie om arbeidet som diskuteres.
2) S. A. Karamyan. Målinger av varigheten av kjerneaktige reaksjoner med tunge ioner // Etsha, 1986, vol. 17, vol. 4, s. 753.
3) A.F. Tulinov. Krystallgitterets innflytelse på noen atom- og nukleare prosesser // Physics-Uspekhi, 1965, T. 87, vol. 4, s. 585.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

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