Ученым удалось получить шесть никогда ранее не наблюдавшихся изотопов различных элементов. И хотя «остров стабильности» еще за горизонтом, полученные экспериментальные данные помогут уточнить модель оболочечного строения ядра.
Шесть новых изотопов: По ступеням альфа-распада
Шесть новых изотопов и вероятный остров стабильности на диаграмме тяжелых нуклидов.

Группа ученых обнаружила шесть изотопов, которые ни разу не были замечены ранее. Это изотопы сверхтяжелых элементов, имеющих номера со 104 по 114. Получив новый изотоп элемента 114, все еще остающегося безымянным (хотя некоторые называют его «временным» именем «унунквадий»), исследователи наблюдали последовательную эмиссию альфа-частиц, в результате которой один за другим образовались впервые замеченные изотопы коперниция (элемента 112), дармштадтия (элемента 110), хассия (элемента 108), сиборгия (элемента 106) и резерфордия (элемента 104). Изотоп резерфордия оказался последним в цепочке, распавшись в результате спонтанного деления ядра.

Информация, полученная в ходе эксперимента, будет способствовать более глубокому пониманию теории оболочечного строения ядра, на основе которой предсказано существование острова стабильности — предполагаемой группы изотопов-долгожителей, существующей среди моря других, неустойчивых изотопов сверхтяжелых элементов.

«Мы предприняли попытку получить новые изотопы сверхтяжелых элементов путем ускорения изотопов кальция-48 на 88-дюймовом циклотроне LBNL и бомбардировки ими плутония-242 в газонаполненном сепараторе, — говорит Хейно Ницше (Heino Nitsche) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (LBNL, США), руководитель исследования. — Установка во многом напоминала ту, которую мы использовали год назад для подтверждения существования элемента 114».

В исследовательскую группу вошли ученые из LBNL, Калифорнийского университета в Беркли, Ливерморской национальной лаборатории, Университета штата Орегон (США), Центра исследования тяжелых ионов в Дармштадте (Германия) и Института энергетических технологий в Норвегии. Многие из них были в команде, подтвердившей существование элемента 114 в сентябре 2009 года.

Десять лет назад ученые из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне впервые получили элемент 114 (подробнее о «рецепте приготовления» этого элемента читайте — «Вселенная своими руками: люди как боги»). Исследователям доводилось наблюдать и более тяжелые элементы, но эти наблюдения так и не были подтверждены в ходе независимых экспериментов.

Стабильность ядра элемента частично определяется его оболочечным строением. Эта модель предполагает расположение протонов и нейтронов на различных энергетических уровнях в атомном ядре. На каждом энергетическом уровне может находиться ограниченное число нуклонов. Ядро с полностью заполненной внешней оболочкой называется «магическим» и является стабильным. Оболочки существуют отдельно для протонов и нейтронов, поэтому возможен случай «дважды магического ядра», у которого заполнены и протонная, и нейтронная внешние оболочки. На основании этого в 1960-х годах была предсказана область повышенной стабильности, называемая «островом стабильности».

Ученые поставили перед собой задачу создания стабильных изотопов сверхтяжелых элементов путем бомбардировки ядер-мишеней (богатых как протонами, так и нейтронами) пучками изотопов с нужным количеством протонов, чтобы получить составное ядро с требуемыми свойствами. Исследователи из Беркли использовали в качестве мишени плутоний-242 (242Pu), а в качестве снарядов — кальций-48 (48Ca).

Вероятность того, что при взаимодействии двух изотопов получатся нужные составные ядра, очень мала. Чтобы это произошло, необходимо направить на мишень очень интенсивные пучки кальция. А еще нужен детектор, способный выделить среди множества продуктов реакции необходимые ядра по уникальным картинам распада. Газонаполненный сепаратор и 88-дюймовый циклотрон в Беркли оказались самым подходящим для этого оборудованием.

На протяжении долгого времени считалось, что элемент 114 лежит в области стабильности, и если бы удалось получить его «дважды магический» изотоп со 184 нейтронами (298114), он мог бы оказаться «долгожителем». Но все полученные на данный момент изотопы элемента 114 содержали гораздо меньшее число нейтронов, и их период полураспада исчислялся секундами или долями секунды. Кроме того, современные модели предсказывают, что «магическим» окажется число протонов 120 или 126, поэтому «обитание» 114-го элемента на острове стабильности остается под вопросом.

Ницше считает крайне маловероятным получение 298114 с доступным в настоящее время (да и в ближайшем будущем) уровнем техники. «Но при этом мы можем многое узнать о модели атомных оболочек, сравнивая её теоретические предсказания с экспериментальными данными», говорит он.

Исследователям из США и Германии удалось получить изотопы 286114, 287114, 288114 и 289114, которые распались за одну десятую секунды, одну вторую секунды, две трети секунды и две секунды соответственно. Этих небольших промежутков времени достаточно, чтобы прервать серию альфа-распадов. Альфа-частицы, имеющие два протона и два нейтрона, фактически являются ядрами гелия. Многие тяжелые ядра распадаются, испуская альфа частицы, и превращаясь в элемент с порядковым номером (и числом протонов) на 2 меньшим, чем было изначально. В результате спонтанного деления образуются гораздо более легкие ядра.

Поэтому исследовательская группа Беркли решила использовать следующую стратегию получения новых изотопов: вместо того, чтобы создавать изотопы элемента 114 с большим числом нейтронов (и большим периодом полураспада), ученые поставили перед собой цель получить менее стабильные изотопы. Их короткий период полураспада позволил наблюдать рождение новых изотопов других элементов до того, как спонтанное деление прекратило процесс альфа-распада.

Общее количество нуклонов в изотопах 48Са и 242Pu составляет 290 (114 протонов и 176 нейтронов). Для получения бедного нейтронами изотопа 285114, энергия пучка кальция должна быть тщательно отрегулирована, чтобы возбудить получившееся ядро в достаточной мере для «улетучивания» пяти лишних нейтронов.

Исследователям потребовалось более трех недель, чтобы их эксперименты увенчались успехом, и они смогли наблюдать ожидаемую цепочку альфа-распадов. Первые два изотопа, 285114 и 281Cn, распались менее чем за пятую долю секунды. Третий, 277Ds, прожил лишь восемь тысячных долей секунды. До распада 273Hs прошло около трети секунды, а 269Sg «задержался» на три минуты и пять секунд, но все-таки сумел испустить альфа-частицу. А вот его «преемник», 265Rf, распался в результате спонтанного деления через две с половиной минуты.

В целом, экспериментальные данные подтвердили теоретические предсказания, но были и некоторые различия. В частности, более тяжелые изотопы (285114 и 281Cn) показали меньшую энергию альфа-распада, чем предсказывает теория. Эти расхождения могут быть использованы для уточнения теоретических моделей, используемых для прогнозирования поведения сверхтяжелых элементов. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

По сообщению BERKELEY LAB News Center