У изотопов 120-го и 124-го химических элементов обнаружена склонность к долгожительству

Рис. 1. Детектор INDRA во французской ускорительной лаборатории GANIL, на котором были получены описываемые результаты. Фото с сайта phototheque.in2p3.fr

Французские физики экспериментально подтвердили прогнозы теоретиков о том, что некоторые изотопы 120-го и 124-го элементов обладают повышенной устойчивостью. Возможно, у этих элементов существуют и по-настоящему долгоживущие изотопы.

Поиск долгоживущих изотопов сверхтяжелых элементов — один из самых увлекательных разделов ядерной физики. На сегодня уже синтезировано много трансурановых элементов, но все они неизменно оказывались нестабильными. Теоретики уже давно предсказывают, что среди этого «моря» нестабильных изотопов могут существовать «острова стабильности» — особые группы ядер с аномально большим временем жизни.

Самый распространенный аргумент в пользу этого — предсказания модели ядерных оболочек, которая хорошо зарекомендовала себя при описании обычных ядер. В этой модели полностью заполненная протонная или нейтронная оболочка придает ядру особую устойчивость, резко увеличивая его время существования. Расчеты, основанные на «оболочечных» моделях, предсказывают такие острова стабильности где-то в области от 114-го до 126-го элемента (в разных моделях получаются разные значения). Именно за такими изотопами сейчас охотятся многие физики.

Рекордом пока остается синтез элементов 116 и 118 в Объединенном центре ядерных исследований в подмосковной Дубне. У дубненских физиков есть планы по открытию и более тяжелых элементов, но надо помнить, что их прямой синтез в столкновении более легких ядер — очень трудная задача. Во-первых, более или менее устойчивыми могут быть только ядра с достаточным количеством нейтронов. Для того чтобы их синтезировать, надо сталкивать легкие нейтроно-избыточные ядра, которые сами по себе редки. Во-вторых, чем тяжелее ядро, тем меньше вероятность его рождения, так что за долгие месяцы работы ускорителя рождается всего несколько ядер.

В свете этого физики-экспериментаторы ищут и другие, может быть не столь прямые, способы проверить предсказания теоретиков. Один такой метод успешно опробовала недавно группа физиков, работающих с детектором INDRA на ускорителе тяжелых ядер GANIL во французском городе Кан. Статья с результатами их экспериментов появилась на днях в журнале Physical Review Letters.

Французы не стали гнаться за долгоживущими изотопами сверхтяжелых ядер, а решили просто измерить время жизни «нейтроно-дефицитных» ядер, получить которые относительно просто. Для этого они провели три серии экспериментов — облучали никелевую мишень ядрами урана (при слиянии этих ядер образовывались ядра с зарядом Z = 120), а также германиевую мишень ядрами свинца и урана (образовывались ядра с Z = 114 и 124 соответственно).

Получаемые при этом ядра очень нестабильны, однако нестабильность нестабильности — рознь, и в этом разговоре следует держать в голове некоторые числа. В типичных ядерных реакциях частицы движутся со скоростями порядка 1/10 скорости света, и значит, проходят расстояние, равное диаметру тяжелого ядра (то есть около 10 ферми, или 10^–14 м), за время порядка 10^–21 с. Это время можно назвать типичным ядерным временем. Если при слиянии двух ядер образуется тяжелое ядро, не обладающее ни малейшей стабильностью, то оно распадется примерно за такое время. Если же имеется какой-то фактор, который сдерживает распад ядра, то оно живет намного дольше этого времени.

То, что удалось сделать французам, — это выяснить, какие из полученных ядер живут больше 1 аттосекунды (10^–18 c), то есть в тысячи раз дольше типичного ядерного времени. Именно это и стало доказательством того, что некоторые изотопы отличаются повышенной устойчивостью.

Для этого авторы работы воспользовались так называемым эффектом теней. Идея этого метода состоит в следующем (см. рис. 2). В кристалле атомные ядра расположены регулярным образом — вдоль кристаллографических плоскостей (впрочем, из-за тепловых колебаний атомов этот порядок не строгий, а приблизительный). Если маленький кристаллик-мишень облучить потоком тяжелых ядер, то налетающие ядра сливаются с ядрами мишени и тут же, в том же самом месте разваливаются на ядра-осколки, которые разлетаются в разные стороны. Однако те ядра-осколки, которые вылетают вдоль кристаллографических плоскостей, не смогут дойти до детектора, так как их путь пройдет сквозь остальные ядра в этой плоскости. Поэтому в детекторе рожденных ядер в этом направлении (то есть при угле ψ близком к нулю) будет наблюдаться самая настоящая тень от кристаллографической плоскости.

Рис. 2. Использование эффекта теней для измерения времени жизни нестабильных атомных ядер. Слева: геометрия вылета дочерних ядер после распада нестабильного ядра. Если распад произошел прямо на кристаллографической плоскости, то дочерние ядра не смогут лететь вдоль плоскости, они будут поглощены другими ядрами. Если же нестабильное ядро успело сдвинуться, то продукты распада могут идти и вдоль кристаллографической плоскости. Справа: типичная зависимость количества отсчетов детектора от угла отклонения от оси кристалла, получаемая в детекторе. «Провал» при малых углах отклонения — это и есть тень от кристаллографической плоскости, но эта тень частичная. По «глубине» тени можно определить примерное время жизни нестабильных ядер. Рис. из рассказа Джозефа Натовитца (Joseph B. Natowitz) об обсуждаемой статье в Phys. Rev. Lett.

Если же ядро обладает повышенной устойчивостью, то оно разваливается не сразу после слияния, а спустя некоторое небольшое время. Задержки по времени порядка 1 аттосекунды достаточно для того, чтобы оно вылетело из кристаллографической плоскости и распалось между плоскостями. Дочерние ядра, вылетевшие строго вдоль плоскости, уже не поглощаются и преспокойно долетают до детектора. Иными словами, никакой тени в этом направлении нет.

В реальной ситуации будут ядра, распадающиеся как сразу, так и с задержкой. Поэтому тень получится неполной, как на рис. 2 справа. Но уже сам факт наблюдения неполной тени говорит о том, что по крайней мере некоторые ядра перед распадом задерживаются на времена в сотни и тысячи раз больше типичного ядерного времени.

Именно этот метод и использовали французские физики для изучения устойчивости изотопов элементов 114, 120 и 124. Задача эта была непростая, поскольку продукты распада и их энергия были не фиксированы и могли меняться в довольно широких пределах. Однако благодаря хорошим характеристикам детектора в случае ядер с Z = 120 и 124 они смогли выделить «долгоживущую» (то есть живущую заметно дольше 1 аттосекунды) часть ядер. А вот у ядер с Z = 114 такого эффекта не наблюдалось.

Может возникнуть вопрос: какой прок от этих нестабильных ядер? Какая разница, живут они одну сотую аттосекунды или сто аттосекунд?

Дело тут в том, что у всех этих нестабильных нейтроно-дефицитных изотопов гарантированно существуют и более тяжелые, «нейтроно-достаточные» изотопы. Вот они-то и могут оказаться настоящими долгожителями, возможно вплоть до абсолютной стабильности. На опыте они пока не синтезированы, однако их свойства активно изучают теоретики. И вот то, насколько правдоподобна та или иная теоретическая модель, можно теперь проверить на «нейтроно-дефицитных» ядрах с помощью новых экспериментальных данных.

Таким образом, полученные сейчас данные косвенно указывают на то, что 120-й и 124-й химические элементы могут иметь долгоживущие изотопы, и значит, за ними стоит поохотиться.

Источник: M. Morjean et al. Fission Time Measurements: A New Probe into Superheavy Element Stability // Phys. Rev. Lett. 101, 072701 (11 August 2008); полный текст — PDF, 290 Кб.

См. также:
1) J. B. Natowitz. How stable are the heaviest nuclei? // Physics 1, 12 (2008) — рассказ про обсуждаемую работу.
2) С. А. Карамян. Измерения длительности ядерных реакций с тяжелыми ионами // ЭЧАЯ, 1986, т. 17, вып. 4, с. 753.
3) А. Ф. Тулинов. Влияние кристаллической решетки на некоторые атомные и ядерные процессы // УФН, 1965, т. 87, вып. 4, с. 585.

Игорь Иванов

Последние новости: Физика, Химия, Игорь Иванов

1 апреля Какой сорт вина лучше индуцирует сверхпроводимость?

8 марта Почему зебры полосатые?

3 февраля Исследована гидродинамика процесса письма

22 ноября Расшифрована структура каталитического центра нитрогеназы — фермента, расщепляющего атмосферный азот

16 ноября Критическая температура сверхпроводника может быть увеличена магнитным полем

23 сентября Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино

1 сентября Концепция плаща-невидимки может помочь двигаться в жидкости без сопротивления

17 августа Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения

11 августа Поверхности нормальных и раковых клеток — фракталы разной размерности

29 июля Электризация тел может приводить к мозаичному распределению зарядов на их поверхности

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):