Физики подбираются к острову стабильности

Группа российских и американских учёных провела новую серию опытов, направленных на синтез изотопов элемента с атомным числом Z = 117, который должен находиться вблизи острова стабильности.

Первый «синтетический» элемент тяжелее урана — нептуний — был получен при бомбардировке урана нейтронами в 1940-м. За прошедшие семьдесят с лишним лет экспериментаторы открыли множество ещё более тяжёлых нуклидов, распадные свойства которых подчиняются общей закономерности: период полураспада их самого долгоживущего изотопа уменьшается по мере увеличения атомного числа.

Возможность нарушения этой закономерности и выделения острова стабильности, отделённого от хорошо знакомого всем «континента», который образуют устойчивые нуклиды с относительно небольшими атомными числами, заложена в общепринятую оболочечную модель строения ядра. Последняя утверждает, что ядра с заполненными нейтронными или протонными оболочками должны быть более устойчивы, чем соседние трансурановые элементы.

Хотя теоретическая задача о точном определении центра острова стабильности и его размеров пока не решена, физики предполагают, что он находится вблизи нейтронного числа N = 184 и атомных чисел 114 или 120. Вплотную к последним значениям в прошлом веке подобрались сотрудники германского Центра исследования тяжёлых ионов им. Гельмгольца, создавшие элементы с Z = 108–112 в опытах со свинцовыми и висмутовыми мишенями.

К сожалению, наблюдавшиеся тогда реакции синтеза могли выдать только богатые протонами изотопы с недостаточно высоким N, которые на остров стабильности наверняка не попадают.



Остров стабильности на карте нуклидов. Разным цветам соответствуют разные периоды полураспада ядер (синему — наименьший, коричневому — наибольший). (Иллюстрация Wikimedia Commons).

Более перспективная методика, опробованная в дубнинском Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ), дала возможность получить сразу шесть элементов с Z = 113–118. Российские учёные использовали утяжелённые мишени из урана и трансурановых элементов, на которые направлялись пучки относительно лёгких атомов кальция-48.

Получаемые здесь нуклиды имели бóльшие нейтронные числа, подходящие ближе к заветному N = 184.

До 2010 года в ряду синтезированных в Дубне нуклидов сохранялся пробел между 116-м и 118-м элементами. Наблюдение ядра со 117 протонами осложнялось тем, что требуемый материал мишени — трудный в получении берклий-249 с 97 протонами — имеет небольшой период полураспада в 330 дней. Чтобы провести реакцию 249Вк + 48Ca, россиянам пришлось обращаться за помощью к американским коллегам из Окриджской национальной лаборатории, передавшим в Дубну несколько миллиграммов ценнейшего изотопа берклия.

В начале марта нынешнего года в ОИЯИ было отправлено ещё 12 миллиграммов 249Вк, и физики смогли выполнить вторую серию экспериментов с берклиевыми мишенями. Её результатом стала регистрация сразу семи цепочек распада, две из которых относились к изотопу 294117, а оставшиеся пять — к 293117.

Новые измерения дополнили данные, собранные в 2010-м, и позволили строго охарактеризовать свойства элемента с Z = 117: теперь нам известно, что периоды полураспада 294117 и 293117 составляют 50 (+60, –18) и 27 (+12, –6) мс. Продукты распада 117-го элемента также живут относительно долго, что согласуется с предсказаниями оболочечной модели; очевидно, эти изотопы, как и наблюдавшийся в тех же опытах 294118, образованию которого способствовало превращение части мишенного 249Вк в калифорний-249, действительно лежат у берегов острова стабильности.

Рост числа зафиксированных в ОИЯИ цепочек распада 117-го элемента также увеличивает шансы на скорое официальное признание его открытия.

Что же касается путешествия к центральной части острова стабильности, то одними лишь реакциями синтеза наподобие тех, что реализуются в Дубне или Центре исследования тяжёлых ионов им. Гельмгольца, здесь обойтись не получится, так как они всегда будут выдавать не самые устойчивые ядра с излишком протонов и недостатком нейтронов.

Возможно, к центру острова физиков приведут β±распады полученных в таких реакциях изотопов 291:115 или 291:114, позволяющие им избавиться от «лишних» протонов, или процессы нейтронного захвата в мощных потоках нейтронов, создаваемых импульсными реакторами следующего поколения и воздействующих на тяжёлые ядра.

Источник