Сверхтяжелые элементы

Сверхтяжёлые элементы: структура, синтез, стабильность

Сверхтяжёлыми элементами называют атомные ядра с атомным номером Z > 104, т.е. те, которые находятся за пределами известных стабильных элементов и даже за пределами тяжелых трансурановых элементов. Эти ядра подчиняются тем же законам ядерной физики, что и более лёгкие, однако влияние кулоновского отталкивания между протонами и квантовых эффектов оболочечной структуры становится критическим.

Главной проблемой существования сверхтяжёлых элементов является уменьшение времени жизни с ростом заряда ядра. Кулоновское отталкивание приводит к нестабильности по отношению к спонтанному делению и α-распаду. Тем не менее, расчёты, основанные на оболочечных эффектах, предсказывают существование так называемого острова стабильности в области Z ≈ 114, N ≈ 184, где ядерная структура обеспечивает относительное увеличение времени жизни.

Оболочечные эффекты и остров стабильности

Квантовая оболочечная модель предсказывает, что некоторые конфигурации нуклонов особенно устойчивы, если соответствуют замкнутым оболочкам по числу протонов и нейтронов — магическим числам. В обычных ядрах такими числами являются 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. В области сверхтяжёлых ядер прогнозируются новые магические числа, в том числе:

Для протонов: Z = 114, 120, 126
Для нейтронов: N = 184

Если ядро обладает магическими числами одновременно по Z и N, то оно называется дважды магическим, и его устойчивость может быть существенно выше, чем у соседних ядер. Теоретически возможны ядра с временем жизни от долей секунды до минут и даже часов.

Методы синтеза сверхтяжёлых элементов

Синтез сверхтяжёлых элементов осуществляется в лабораторных условиях при столкновении тяжёлых ионов с мишенями, содержащими тяжёлые ядра. Используются две основные методики:

1. Горячий синтез

Основан на использовании тяжёлых мишеней (обычно актиноидов, таких как кюрий, калифорний, берклий) и лёгких, но ускоренных ионов (чаще всего кальций-48, ⁴⁸Ca).

Пример реакции:

²⁴⁹Cf+⁴⁸Ca→²⁹⁷Og^*→²⁹⁴Og + 3n

Образуется составное возбужденное ядро, которое теряет энергию испарением нейтронов.
Преимущество метода: высокая вероятность слияния.
Недостаток: формируются в основном ядра с небольшими значениями нейтронного числа N.

2. Холодный синтез

Использует мишени из свинца и висмута, ионизируемые среднетяжёлыми ионами, такими как хром или железо.

Пример реакции:

²⁰⁸Pb+⁷⁰Zn→²⁷⁸Cn^*→²⁷⁷Cn + n

Здесь возбуждённость составного ядра минимальна, испаряется всего один нейтрон.
Позволяет получить более нейтронно-богатые ядра, но вероятность слияния значительно ниже.

Ядерные свойства сверхтяжёлых элементов

Исследование свойств сверхтяжёлых ядер позволяет проверить фундаментальные принципы ядерных взаимодействий при экстремальных значениях Z и N. Среди важнейших характеристик:

Время жизни

Обычно измеряется от микросекунд до нескольких секунд.
Для ядер вблизи предполагаемого острова стабильности (например, ²⁹³Mc) наблюдаются значительно большие времена жизни — до долей секунды и более.

Спектр распадов

Альфа-распад — основной канал распада для большинства сверхтяжёлых ядер.
Спонтанное деление становится доминирующим при увеличении массы и заряда.
Для некоторых ядер возможно электронное захватывание или β⁺-распад, особенно при большой удаленности от стабильных изотопов.

Химические свойства

Несмотря на крайне малые количества и короткое время жизни, некоторые элементы (например, рентгений, коперниций, флеровий) подвергались химическим исследованиям, которые подтверждают периодическую систематику и уникальные релятивистские эффекты в электронной оболочке.

Современное состояние исследований

Исследования в области сверхтяжёлых ядер ведутся в ряде ведущих центров:

Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Россия) — лидер в синтезе новых элементов, включая открытия элементов с Z=114–118.
GSI (Дармштадт, Германия) — участник синтеза элементов Z=107–112.
Ливерморская национальная лаборатория (США) — сотрудничает с ОИЯИ и участвует в анализе свойств новых ядер.

Официально признанные элементы до настоящего времени охватывают область до Z = 118 (оганесон). Ведутся поиски элементов Z = 119 и 120, однако вероятность их образования в текущих реакциях крайне мала.

Теоретические прогнозы и модельные подходы

Существование сверхтяжёлых ядер и их стабильность изучаются с использованием различных моделей:

Микроскопические модели (Hartree-Fock, HFB, DFT) описывают структуру ядра с учётом взаимодействий нуклонов.
Макроскопически-микроскопические модели (модель жидкой капли + оболочечные поправки) позволяют предсказывать массы, энергии связи, барьеры деления.
Статистические модели распада дают оценки вероятности альфа-распада, испарения нейтронов и деления.

Ключевыми параметрами, определяющими стабильность, являются:

Энергия деления и её барьер.
Энергия связи на нуклон.
Уровень деформации ядра.
Конфигурационные эффекты: ориентация, спин, изоспиновое взаимодействие.

Физика за пределами таблицы Менделеева

Сверхтяжёлые элементы служат лабораторией для проверки моделей сильного взаимодействия, квантовой хромодинамики при низких энергиях и границ применимости ядерных моделей. Более того, исследования в этой области помогают понять механизм образования тяжёлых ядер в астрофизических процессах (например, в r-процессе при слиянии нейтронных звёзд).

Вопрос о возможности существования стабильных или относительно стабильных ядер за пределами Z=126 остаётся открытым. Теоретические модели допускают существование ядер с необычными геометриями (кольцевидные, кластерные), гипотетических конфигураций с гиперонами или кварковой материей.

Перспективы и вызовы

Несмотря на большие успехи, синтез сверхтяжёлых элементов сталкивается с рядом серьёзных трудностей:

Крайне низкие сечения реакций (порядка пикобарн и менее).
Ограниченное количество мишеней, особенно актиноидов с большим числом нейтронов.
Необходимость высокой чувствительности детекторов и длительного времени эксперимента.

Будущие достижения будут зависеть от развития ускорительной техники, технологий радиохимии и новых подходов в теоретической физике. Особое внимание уделяется возможности создания мишеней на основе изотопов ²⁵⁴Es, ²⁵⁷Fm и перспективных проектам с ускорителями типа SHE Factory.