Об атомных массах
наиболее устойчивых изотопов
трансурановых элементов
Сверхэлементами будем называть элементы с зарядом ядра больше 105. Есть подозрения, что среди этих элементов имеются так называемые “острова относительной стабильности” вокруг элементов с атомными номерами 114, 126, и, возможно, 164, у которых период распада будет значительно выше, чем
у окружающих элементов (первым “островом стабильности” можно считать торий и уран (Z = 90 и 92), которые на 5-10 порядков более устойчивы, чем окружающие элементы.Для науки сверхэлементы важны следующим. Если удастся синтезировать эти элементы в обозримом количестве, то при таких больших зарядах ядра и атомных масса будут наблюдаться интересные эффекты:
а) у делящихся изотопов существует понятие “критическая масса” - количество, необходимое для запуска цепной ядерной реакции. Для урана и плутония критическая масса измеряется килограммами, а соответствующая энергия – килотоннами тротилового эквивалента. В то время как для 114-го элемента эта величина составит соответственно примерно 1 мг и 1 кг тротилового эквивалента. Это даст практически неограниченный спектр возможностей для широкого внедрения почти неограниченных источников энергии.
б) строение энергетических уровней. У 126-го элемента будет заполняться уже новый, g-уровень энергии, что сделает его химические свойства совершенно непредсказуемыми. 119-й элемент (экафранций) – это будет супер-щелочной металл, который, вероятно, вообще не сможет существовать в нейтральном виде, а только в виде иона, чего ни у одного элемента еще не было. А в районе 164-го элемента, по некоторым гипотезам, все устройство периодической системы будет ломаться. Такое переплетение энергетических уровней также можно будет использовать, например, при создании т.н. “множественного фотоэффекта”, когда система поглощает несколько фотонов и испускает один с суммарной энергией. Более того, при атомных номерах, близких к 170, атомное ядро будет иметь такие большие размеры, что начнет захватывать нижние электроны с орбиты, т.е. будет господствовать такой тип радиоактивного распада, как электронный захват. Но если будет синтезировано одно ядро, без электронной оболочки, то такой атом будет более устойчивым. Получаем, что ядерные свойства элемента будут зависеть от его химического состояния, что открывает очень много возможностей. И, наконец, такие большие ядра будут как бы переходным этапом от собственно химического элемента к таким конгломератам нуклонов, какими являются нейтронные звезды. Все вышеизложенные примеры подчеркивают всю важность работ по синтезу "сверхэлементов"
К настоящему моменту российскими учеными в Дубне под руководством Ю.Ц.Оганесяна синтезированы элементы с атомными номерами вплоть до 118. И действительно, они стабильнее, чем должны быть: например, период распада 114-го элемента составляет около 30 секунд, что на несколько порядков выше, чем обычно бывает у элементов такого типа.
Однако цель еще не взята. У полученных изотопов 114-го элемента атомная масса составляет 286-289. А тот изотоп, который относится к центру острова стабильности, должен иметь массу 298. Девяти нейтронов не хватает. Существующие методы пока не позволяют эту проблему решить.
Состоят применяемые ныне методы в следующем. Берется мишень, например, из плутония-244 или иного массивного трансуранового элемента - с самым большим отношением числа нейтронов к числу протонов, какое только можно. И эту мишень обстреливают ионами, например, кальция-48 (у этого изотопа уникально большое отношение числа нейтронов к числу протонов – 1,4, тогда как для соседних атомов характерно соотношение 1,05-1,15). С помощью такого метода удается синтезировать малонейтронные изотопы элементов с атомным номером до 116, убедиться, что такие элементы могут существовать, оценить их химические свойства и убедиться в том, что они соответствуют их месту в таблице Менделеева. Но для прикладных задач такой метод недостаточен.
Нужный метод был предложен Г.Флеровым в книге “На пути к сверхэлементам”. Надо столкнуть два ядра с самой большой массой, какая возможна – например, урана или тория. При их слиянии образуется гигантское супер-ядро, которое тут же распадается, и в числе осколков деления попадаются и 114-й и 116-й элементы:
92
U238 + 92U238 → 298114 + 173Yb +5n92
U238 + 92U238 → 304116 + 172Er + 5n90
Th232 + 90Th232 → 298114 + 164Dy + 4n90
Th232 + 90Th232 → 304116 + 157Gd + 3nА вот использовать для столкновения более легкие элементы, например, последний стабильный – висмут – уже не получится. Потому что реакция должна пойти примерно так:
83
Bi209 + 83Bi209 → 298114 + 52Te120в то время как теллур-120 образоваться не может, т.к. он получился бы нейтроннодефицитным: нормальная масса теллура – 127. Синтез подобных ядер потребует уйму энергии, потому что наиболее устойчивый изотоп любого элемента – это изотоп с максимальной энергией связи.
Давайте посмотрим, какие еще элементы, кроме 114-го и 116-го, могут быть синтезированы в уран-урановой и торий-ториевой реакции (значения масс наиболее устойчивых изотопов берется по книге О.Спиридонова “Свет, физика, информация, жизнь” (М, 1993):
(в первом столбце – продукт реакции, во втором столбце – второй продукт реакции, если использовался торий, в третьем столбце – второй продукт реакции, если использовался уран)
93Np237 |
223 Fr + 4n |
239 Pa + 8n |
94 Pu244(239) |
222 Rn + 3n |
232 Th |
95 Am243 |
221 At |
227 Ac + 6n |
96 Cm247 |
217 Po |
226 Ra + 3n |
97 Bk247 |
209 Bi + 8n |
223 Fr + 6n |
98 Cf251 |
208 Pb + 5n |
222 Rn + 3n |
99 Es252 |
205 Tl + 7n |
224 At |
100 Fm257 |
201 Hg + 6n |
219 Po |
101 Md258 |
199 Au + 7n |
209 Bi + 9n |
102 Jl259 |
195 Pt + 10n |
208 Pb + 9n |
103 Rf260 |
192 Ir + 12n |
205 Tl + 12n |
104 Ku261 |
190 Os + 13n |
201 Hg + 14n |
105 Ns262 |
186 Re + 16n |
199 Au + 15n |
106 Sg270 |
183 W + 11n |
195 Pt + 11n |
107 (Bh)275 |
181 Ta + 8n |
192 Ir + 9n |
108 Hs280 |
178 Hf + 6n |
190 Os + 6n |
109 Mi285 |
179 Lu + 4n |
186 Re + 5n |
110 Ds290 |
173 Yb + 1n |
183 W + 3n |
111 Uuu295 |
167 Tm + 2n |
179 Ta + 2n |
112 Lr296 |
166 Er + 2n |
178 Hf + 2n |
113 Uut297 |
165 Ho + 2n |
175 Lu + 4n |
114 Db298 |
162 Dy + 4n |
175 Yb + 3n |
115Uup299 |
161 Tb + 4n |
173 Tm + 4n |
116 Fl300 |
160 Gd + 4n |
172 Er + 4n |
Взглянув на эту таблицу, мы видим, что при получении элементов с Z = 101-108 выделяется аномально большое число нейтронов. Так быть не должно. Опыт показывает, что количество нейтронов, выделяющихся в таких реакциях синтеза, должно быть от 3 до 6. Если их будет меньше, то система не сможет избавиться от излишней энергии, а если их будет больше, то на отрыв каждого нейтрона (преодоление ядерных сил) уйдет слишком большая энергия (каждый нуклон – это энергия связи). Заметим, кстати, что уже в синтезе элементов с зарядом ядра, превышающим 114, наблюдаются сложности. Также становиятся понятными трудности в синтезе элемента №111.
Поэтому провал для элементов с Z =101-108 можно объяснить одним из двух способов: либо реакции с их участием невозможны, т.к. эти элементы нестабильны в принципе, либо взятые нами значения атомных масс наиболее устойчивых изотопов неверны.
Попробуем оценить, чему должны быть равны атомные массы наиболее устойчивых изотопов элементов с Z =101-108 из расчета, что в ядерных реакциях с их участием должно выделяться 4-6 нейтронов.
№ |
Название |
Масса для Th-Th реакции |
Масса для U-U реакции |
Итоговая масса |
101 |
Менделевий |
259-261 |
261-263 |
259-263 |
102 |
Жолиотий |
263-265 |
262-264 |
262-265 |
103 |
Резерфордий |
266-268 |
266-268 |
266-268 |
104 |
Курчатовий |
268-270 |
269-271 |
268-271 |
105 |
Нильсборий |
272-274 |
271-273 |
271-274 |
106 |
Сиборгий |
275-277 |
275-277 |
275-277 |
107 |
(Борий) |
277-279 |
278-280 |
277-280 |
108 |
Нассий |
280-282 |
280-282 |
280-282 |
Результат похож на то, что должно быть: по некоторым данным, изотоп курчатовия (Z=104) с атомным номером 270 имел время жизни больше минуты.
После получения в 1990-е годы более тяжелых изотопов элементов 104-107 выяснилось, что с ростом нейтронов резко растет их время жизни, чего не было у элементов с меньшим зарядом ядра. Это можно объяснить как приближением к острову стабильности, так и тем, что при переходе от 103 элемента к 104 происходит скачок в массе наиболее стабильных изотопов, так же как и при переходе от астата к радону (разница в атомном номере тут составляет 18, что как раз объяснимо влиянием оболочечной модели)
При построении графиков зависимости времени жизни от массы ядра (время - в логарифмическом масштабе) выяснилось, что для нильсбория эта зависимость имеет вид четкой прямой линии, для курчатовия - вид степенной функции с показателем больше 1 (причем для четных и для нечетных изотопов были разные зависимости, и, что особенно удивительно, четно-нечетные изотопы курчатовия более устойчивы, чем чем четно-четные (аналогичный парадокс проявлялся уже в случае фермия, когда поразительную неустойчивость имеет четно-четное ядро с массой 258), а у сиборгия и 107-го элемента эта зависимость имела вид степенной функции с показателем меньше 1
Итак, экстраполяция дала следующие прогнозы для времени жизни наиболее устойчивых изотопов:
резерфордий-266: от 70 суток до 30 лет
резерфордий-
267: от 450 суток до 3000 летрезерфордий-
266: 6-30000 леткурчатовий-269 - от
4 суток до 3000 леткурчатовий-271
– до 35 сутокстборгий-275
– 1 чассиборгий-277
– 1 час