Хассий-долгожитель

Часть ускорителя UNILAC, в котором в результате бомбардировки ионами магния-26 мишени из кюрия-248 родился дважды магический хассий-270 с периодом полураспада около 22 секунд (фото с сайта focus.aps.org)

Интернациональный коллектив физиков сообщил о получении чрезвычайно долгоживущего изотопа хассия, 108-го элемента периодической системы. Эту работу выполнили 24 исследователя из Германии, России, США, Швейцарии, Японии, Китая и Польши.

Хассий (hassium) впервые был синтезирован в 1984 году на линейном ускорителе UNILAC Института физики тяжелых ионов (Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH, GSI), расположенного в окрестностях Дармштадта в федеральной земле Гессен (Германия). Имя нового элемента было выбрано в честь старого латинского названия Гессена — Hassia. В тех экспериментах удалось изготовить лишь несколько атомов короткоживущего изотопа хассия, период полураспада которого удалось определить лишь приблизительно; во всяком случае, он не превышал половины миллисекунды. Его ядра состояли из 108 протонов и 156 нейтронов, так что массовое число изотопа (сумма чисел протонов и нейтронов) было равно 264.

Физики давно ожидали, что более тяжелый изотоп хассия с массовым числом 270 (108 протонов и 162 нейтрона) окажется гораздо стабильнее. Этот вывод покоится на общепринятых теориях ядерной материи, из которых вытекает, что ядро обладает слоистой структурой. Согласно этой модели, внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, каждая из которых может вмещать определенное максимальное число нуклонов. Ядра с полностью заполненными оболочками особенно устойчивы по отношению к распадам. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из магических чисел надежно определены в экспериментах — это, например, 2, 8 и 20.

Магические числа сверхтяжелых искусственных элементов пока что устанавливаются лишь путем теоретических расчетов. Эти вычисления дают основания считать, что протонное число 108 и нейтронное число 162 — магические. Отсюда следует, что ядра хассия-270 являются магическими как по протонам, так и по нейтронам (дважды магическими) и в силу этого должны отличаться повышенной стабильностью.

Новый изотоп был получен посредством бомбардировки ионами магния-26 (12 протонов и 14 нейтронов) мишени, изготовленной из 96-го элемента — кюрия-248 (96 протонов и 152 нейтрона). Эти ионы разгонялись на том же дармштадтском ускорителе UNILAC, где 22 года назад был впервые синтезирован хассий. В отдельных и очень редких случаях ядра магния на чрезвычайно короткое время сливались с ядрами кюрия, после чего эти композиты теряли по несколько нуклонов. В итоге возникали ядра хассия-269 и хассия-270, а также еще некоторых сверхтяжелых элементов.

Пока что синтезированы только четыре атома хассия-270. Исследователям не удалось точно зарегистрировать моменты рождения этих нуклидов, и потому они не смогли непосредственно измерить их время жизни. Косвенные оценки, основанные на определении энергий альфа-частиц, рождающихся при распаде хассия-270, свидетельствуют о том, что его период полураспада приблизительно равен 22 секундам. Период полураспада хассия-269 в этих экспериментах оценить не удалось, однако более ранние измерения, выполненные в Германии и Японии, показывают, что он составляет около 14 секунд. Во всяком случае, по сравнению с хассием-264 эти изотопы выглядят поистине мафусаилами.

Каждый синтез ранее неизвестного сверхтяжелого элемента или его изотопа интересен и сам по себе, однако у всех этих экспериментов есть одна сверхзадача, причем фундаментальной важности. Физики-ядерщики практически уверены, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Следовательно, можно предполагать, что изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить намного дольше своих соседей. Особые надежды возлагаются на последний изотоп, поскольку он оказывается дважды магическим. Есть основания ожидать, что нуклиды с такой структурой будут жить очень долго, во всяком случае по меркам своего ближайшего окружения. Все новосозданные члены периодической системы с номерами от 110 и выше распадаются через доли секунды или секунды после рождения. Расчеты показывают, что время жизни гипотетических долгоживущих нуклидов будет измеряться как минимум часами, но не исключено, что и многими годами.

Это еще неоткрытое семейство называют островом ядерной стабильности. Его существование много лет назад предположил американский радиохимик Гленн Теодор Сиборг, Нобелевский лауреат 1951 года и многолетний председатель Комиссии по атомной энергии. Он был руководителем или ключевым членом команд, создавших все девять элементов от 94-го (плутоний) до 102-го (нобелий), а также 106-й элемент, названный в его честь сиборгием. Синтез сверхтяжелых элементов, помимо всего прочего, шаг за шагом приближает ученых к заветному острову.

Источник: J. Dvorak et al. Doubly Magic Nucleus Hs₁₆₂ // Phys. Rev. Lett. 97, 242501 (2006).

См. также:
Магические числа в ядерной физике — обсуждение в блогах на «Элементах».

Алексей Левин