Isotoperne fra de 120. og 124. kemiske elementer har en tendens til lang levetid • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Fysik, Kemi

Isotoperne fra de 120. og 124. kemiske elementer har en tendens til lang levetid

Fig. 1. INDRA-detektoren i det franske acceleratorlaboratorium GANIL, hvor de beskrevne resultater blev opnået. Foto fra phototheque.in2p3.fr

Franske fysikere bekræftede eksperimentelt teoretikernes forudsigelser om, at nogle isotoper af 120 og 124 elementer har øget stabiliteten. Sandsynligvis har disse elementer virkelig langlivede isotoper.

Søgningen efter langvarige isotoper af superheavy-elementer er en af ​​de mest fascinerende dele af atomfysikken. I dag er mange transuraniske elementer allerede blevet syntetiseret, men alle viste sig altid at være ustabile. Teoretikere har længe forudsagt, at der blandt disse "hav" af ustabile isotoper kan eksistere "stabilitetsøer" – særlige grupper af kerne med en anomaløst lang levetid.

Det mest almindelige argument til fordel for dette er forudsigelsen af ​​den nukleare skal-model, som har fungeret godt for beskrivelsen af ​​almindelige kerner. I denne model giver en fuldt fyldt proton eller neutronkuvert kernen en særlig stabilitet, som dramatisk øger levetiden. Beregninger baseret på skalmodellerde forudsiger sådanne øer af stabilitet et sted i regionen fra det 114. til det 126. element (forskellige værdier opnås i forskellige modeller). Det er for sådanne isotoper, at mange fysikere nu jager.

Posten er stadig syntese af elementer 116 og 118 på Joint Center for Nuclear Research i Dubna, Moskva Region. Dubna fysikere har planer om at opdage endnu tungere elementer, men det skal huskes, at deres direkte syntese i kollisionen af ​​lette kerner er en meget vanskelig opgave. For det første kan kun kerne med et tilstrækkeligt antal neutroner være mere eller mindre stabile. For at syntetisere dem er det nødvendigt at skubbe lysnutron-overskydende kerner, som selv er sjældne. For det andet er jo tyngre kernen, jo mindre sandsynlig er den at blive født, således at i de lange måneder af acceleratoren kun er der født nogle få kerner.

I lyset heraf søger eksperimentelle fysikere også efter andre, måske ikke så direkte, måder at kontrollere forudsigelser fra teoretikere. En sådan metode blev for nylig testet af en gruppe fysikere, der arbejder med INDRA-detektoren på GANIL-tunge nukleareaccelerator i den franske by Caen. En artikel med resultaterne af deres eksperimenter fremkom for nylig i tidsskriftet Fysiske Review Letters.

Franskmændene begyndte ikke at jage efter de langvarige isotoper af superheavy-kerner, men besluttede sig simpelthen for at måle levetiden for "neutron-mangelfulde" kerner, som er relativt enkle at opnå. For at gøre dette gennemførte de tre serier af eksperimenter: De bestrålede et nikkelmål med urankerner (kerner med en ladning på Z = 120 dannet ved fusion af disse kerner), og et germaniummål med bly og urankerner (kerner med Z = 114 og 124 blev dannet).

De resulterende kerner er meget ustabile, men ustabiliteten af ​​ustabilitet er anderledes, og i denne samtale skal nogle tal huskes. Ved typiske nukleare reaktioner flytter partikler med hastigheder i størrelsesordenen 1/10 af lysets hastighed, og derfor rejser de en afstand svarende til diameteren af ​​en tung kerne (dvs. ca. 10 Fermi eller 10-14 m), for ca. 10-21 a. Denne gang kan kaldes typisk atomtid. Hvis der ved sammensmeltningen af ​​to kerner dannes en tung kerne, som ikke besidder den mindste stabilitet, vil den desintegreres i omkring den tid. Hvis der er en faktor, der tilbageholder kernenes opløsning, lever den meget længere end denne gang.

Hvad frankerne formåede at gøre, var at finde ud af, hvilken af ​​de kerne de modtog, lever mere end 1 atto sekund (10-18 c), det vil sige tusindvis af gange længere end den typiske atomtid. Dette var beviset for, at nogle isotoper skelnes af øget stabilitet.

For dette brugte forfatterne af papiret den såkaldte skyggeeffekt. Ideen med denne metode er som følger (se figur 2). I en krystal er atomkerner regelmæssigt arrangeret – langs krystallografiske planer (dog på grund af termiske vibrationer af atomer er denne rækkefølge ikke streng, men omtrentlig). Hvis en lille målkrystal bestråles med en strøm af tunge kerner, smelter projektilkernerne sammen med kerne af målet og falder derefter på samme sted i stykker-fragmenter, der flyver fra hinanden i forskellige retninger. Imidlertid vil de kernefragmenter, der flyver ud langs de krystallografiske planer, ikke være i stand til at nå detektoren, da deres vej vil passere gennem resten af ​​kernerne i dette plan. Derfor i denektor af fødte kerner i denne retning (det vil sige når vinklen ψ er tæt på nul), vil den reelle skygge fra det krystallografiske plan blive observeret.

Fig. 2. Brug af skyggeffekten til at måle levetiden for ustabile atomkerner. Til venstre: geometrien af ​​udledningen af ​​datterkerner efter forfald af en ustabil kerne. Hvis henfaldet skete direkte på det krystallografiske plan, så vil datterkernerne ikke kunne flyve langs flyet, de vil blive absorberet af andre kerner. Hvis den ustabile kerne har tid til at bevæge sig, kan nedbrydningsprodukterne også gå langs det krystallografiske plan. Til højre: Typisk afhængighed af antallet af detektorer tæller på vinklen af ​​afvigelse fra krystalaksen opnået i detektoren. "Fejl" ved små afvigelsesvinkler er skyggen fra det krystallografiske plan, men denne skygge er delvis. Ifølge skygens "dybde" er det muligt at bestemme den omtrentlige levetid for ustabile kerne. Fig. fra historien om Joseph Natovitz (Joseph B. Natowitz) om artiklen under drøftelse i Phys. Rev. Lett.

Hvis kernen har en høj stabilitet, falder den fra hinanden ikke umiddelbart efter fusionen, men efter lidt kort tid. En tidsforsinkelse af rækkefølgen på 1 attosekund er tilstrækkelig til at flyve ud af det krystallografiske plan og desintegreres mellem planerne. Børnekerner, der er fløjet ud strengt langs flyet, absorberes ikke længere og kommer roligt til detektoren.Med andre ord er der ingen skygge i denne retning.

I en reel situation vil der være kerner, der bryder op både med det samme og med forsinkelse. Derfor vil skyggen være ufuldstændig, som i fig. 2 til højre. Men allerede selve observationen en ufuldstændig skygge antyder at i det mindste nogle af kernerne forsinkes af hundreder og tusinder gange mere typisk atomtid før henfald.

Det var denne metode, at de franske fysikere plejede at studere stabiliteten af ​​isotoperne i elementerne 114, 120 og 124. Denne opgave var ikke let, da nedbrydningsprodukterne og deres energi ikke var fikset og kunne variere inden for ret store grænser. På grund af detektorens gode egenskaber i tilfælde af kerne med Z = 120 og 124 var de imidlertid i stand til at identificere den "langlivede" (det vil sige at leve i meget længere tid end 1 attosekund) en del af kernerne. Men for kerne med Z = 114 blev denne virkning ikke observeret.

Spørgsmålet kan opstå: Hvad er brugen af ​​disse ustabile kerne? Hvilken forskel gør det, hvis de bor i et hundrede eller to hundrede eller to hundrede sekunder?

Pointen her er, at alle disse ustabile neutron-mangelfulde isotoper garanteret der er også tungere "neutron-tilstrækkelige" isotoper.Her kan de også fremstå som de virkelige langlever, det er muligt op til absolut stabilitet. På erfaring er de endnu ikke blevet syntetiseret, men teoretikere studerer aktivt deres egenskaber. Og nu kan omfanget af, hvilken en eller anden teoretisk model er plausibel, nu testes på "neutron-mangelfulde" kerner ved hjælp af nye eksperimentelle data.

Således indikerer de indhentede data indirekte, at de 120 og 124 kemiske elementer kan have langlivede isotoper, og derfor er det værd at jage på dem.

Kilde: M. Morjean et al. Fissionstidsmålinger: En ny Probe til Superheavy Element Stability // Phys. Rev. Lett. 101, 072701 (11. august 2008); fuldtekst – PDF, 290 Kb.

Se også:
1) J. B. Natowitz. Hvor stabile er de tungeste kerner? // Fysik 1, 12 (2008) – en historie om det diskuterede værk.
2) S. A. Karamyan. Målinger af varigheden af ​​nukleare reaktioner med tunge ioner // Etsha, 1986, vol. 17, vol. 4, s. 753.
3) A.F. Tulinov. Krystalgitterets indflydelse på nogle atom- og nukleare processer // Physics-Uspekhi, 1965, T. 87, vol. 4, s. 585.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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