Izotopi 120. in 124. kemičnih elementov so nagnjeni k dolgoživosti • Igor Ivanov • Znanstvene novice o "Elementih" • Fizika, kemija

Izotopi 120. in 124. kemičnih elementov so nagnjeni k dolgoživosti

Sl. 1. Detektor INDRA v francoskem laboratoriju za pospeševanje GANIL, kjer so bili opisani rezultati pridobljeni. Fotografija iz phototheque.in2p3.fr

Francoski fiziki so eksperimentalno potrdili napovedi teoretikov, da so nekateri izotopi 120. in 124. elementa povečali stabilnost. Verjetno imajo ti elementi res dolgožive izotope.

Iskanje dolgoživih izotopov superzvezdnih elementov je eden najbolj fascinantnih odsekov jedrske fizike. Danes so bili številni transuranski elementi že sintetizirani, vendar so se vsi vedno izkazali za nestabilne. Teoretiki že dolgo napovedujejo, da med tem "morjem" nestabilnih izotopov obstajajo "otoki stabilnosti" – posebne skupine jeder z nepravilno dolgo življenjsko dobo.

Najpogostejši argument za to je napovedovanje modela jedrske lupine, ki je dobro deloval pri opisu navadnih jeder. V tem modelu polno napolnjena protonska ali nevtronska ovojnica daje jedru posebno stabilnost, kar dramatično poveča njegovo življenjsko dobo. Izračuni na podlagi modelov školjknapovedujejo takšne otoke stabilnosti nekje v regiji od 114. do 126. elementa (različne vrednosti so pridobljene v različnih modelih). Za takšne izotope, ki jih mnogi fiziki zdaj lovijo.

Dokument je še vedno sinteza elementov 116 in 118 v Skupnem centru za jedrske raziskave v Dubni v Moskvi. Dubna fiziki načrtujejo odkrivanje še težjih elementov, vendar je treba zapomniti, da je njihova neposredna sinteza v trčenju lažjih jeder zelo težka naloga. Prvič, lahko so le jedrci z zadostnim številom nevtronov bolj ali manj stabilni. Da bi jih sintetizirali, je potrebno potiskati svetlobne nevtronsko-presežne jedre, ki so same redke. Drugič, težje jedro, manj verjetno je, da se rodi, tako da se v dolgih mesecih delovanja pospeševalnika rojevajo samo nekaj jeder.

Glede na to eksperimentalni fiziki iščejo druge, morda ne tako neposredne, načine za preverjanje napovedi teoretikov. Ena takšna metoda je nedavno uspešno preskusila skupina fizikov, ki delajo z detektorjem INDRA na pospeševalniku težkega jedra GANIL v francoskem mestu Caen. Članek z rezultati njihovih poskusov se je nedavno pojavil v reviji Pisni pregledi fizike.

Francozi po dolgoživih izotopih superzvezdnih jeder niso začeli loviti, temveč so se odločili, da preprosto izmerijo življenjsko dobo jedrnih "nevtronskih" jeder, ki so sorazmerno enostavna. Za to so izvedli tri serije eksperimentov: obsevali so nikeljsko tarčo z jedrci urana (jedra z napetostjo Z = 120, nastale pri fuziji teh jeder), in germanijev cilj z jedrci svinca in urana (jedra z Z = 114 in 124).

Nastala jedra so zelo nestabilna, nestabilnost nestabilnosti pa je drugačna, v tem pogovoru pa je treba upoštevati nekaj številk. V tipičnih jedrskih reakcijah se delci premikajo s hitrostjo 1/10 hitrosti svetlobe, zato potujejo razdaljo, ki je enaka premeru težkega jedra (to je približno 10 Fermi ali 10-14 m), za približno 10-21 c. Ta čas se lahko imenuje tipičen jedrski čas. Če se ob združitvi dveh jeder oblikuje težko jedro, ki nima najmanjše stabilnosti, se bo takrat razgradi. Če obstaja dejavnik, ki zadrži razpad jedra, potem živi veliko dlje kot ta čas.

Kar je Francozu uspelo narediti, je ugotoviti, katera od jeder, ki so jih prejeli, živi več kot 1 ato sekundo (10-18 c), to je tisočkrat več kot tipični jedrski čas. To je bil dokaz, da se nekateri izotopi odlikujejo z večjo stabilnostjo.

Za to so avtorji prispevka uporabljali tako imenovani senčni učinek. Ideja te metode je naslednja (glej sliko 2). V kristalu so atomska jedra urejena redno – vzdolž kristalografskih ravnin (vendar zaradi toplotnih vibracij atomov ta red ni stroga, vendar približna). Če je majhen ciljni kristal obsevan s tokovom težkih jeder, se jedrni projektil združijo z jedri tarče in nato na istem mestu padejo na koščke, ki delijo v različnih smereh. Vendar pa tisti fragmenti, ki letijo po kristalografskih ravninah, ne bodo mogli doseči detektorja, saj bo njihova pot prešla skozi preostala jedra v tej ravnini. Zato je v detektorju rojenih jeder v tej smeri (to je, ko je kot ψ blizu nič) opazna realna senca iz kristalografske ravnine.

Sl. 2. Uporaba efekta sence za merjenje življenjske dobe nestabilnih atomskih jeder. Na levi: geometrija emisije hčerinskih jeder po razpadu nestabilnega jedra. Če se je propad pojavil neposredno na kristalografski ravnini, potem hčerinska jedra ne bo mogla leteti vzdolž ravnine, jih bodo absorbirale druge jedrske snovi. Če ima nestabilno jedro čas za premikanje, lahko produkti razpadanja gredo vzdolž kristalografske ravnine. Na desni: tipična odvisnost števila detektorjev od kota odstopanja od osi kristalov, dobljena v detektorju. "Napaka" pri majhnih kotih deformacije je senca iz kristalografske ravnine, vendar je ta senca delna. Glede na "globino" sence je mogoče določiti približno življenjsko dobo nestabilnih jeder. Sl. iz zgodbe Josepha Natovita (Joseph B. Natowitz) o članku, o katerem razpravljamo Fiz. Rev. Lett.

Če jedro ima visoko stabilnost, potem ne razpade takoj po združitvi, ampak po nekaj kratkem času. Časovni zamik reda 1 atosekunda zadostuje, da leti iz kristalografske ravnine in se razpade med ravninami. Otroške jedrte, ki so potopljene ravno vzdolž letala, se ne absorbirajo in mirno dosežejo detektor.Z drugimi besedami, v tej smeri ni sence.

V resnični situaciji bodo jedrca, ki se razširijo takoj in z zamudo. Zato bo senca nepopolna, kot na sl. 2 na desni. Toda že samo dejstvo opazovanja nepopolna senca kaže, da so vsaj nekatera jedra odložena za več sto tisoč krat bolj tipičnih jedrskih časov pred razpadom.

Metoda je bila, da so francoski fiziki preučevali stabilnost izotopov elementov 114, 120 in 124. Ta naloga ni bila enostavna, saj produkti razpadanja in njihova energija niso bili določeni in bi se lahko razlikovali v precej širokih mejah. Vendar pa so zaradi dobrih lastnosti detektorja v primeru jeder z Z = 120 in 124 lahko identificirali "dolgoživ" (t.j., ki živijo opazno daljši od 1 attosecond) dela jeder. Toda za jedra z Z = 114 ta učinek ni bil opazen.

Vprašanje se lahko pojavi: kakšna je uporaba teh nestabilnih jeder? Kakšna je razlika, če živijo v stotini atosekund ali sto attosecond?

Tu je, da so vsi ti nestabilni nevtronski izotopi zajamčeno obstajajo tudi težji, "nevtronski zadostni" izotopi.Tukaj se lahko pojavijo tudi prava dolga jetra, mogoče je do absolutne stabilnosti. Na izkušnjah še niso sintetizirani, vendar teoretiki aktivno preučujejo njihove lastnosti. In zdaj je mogoče, v kakšnem obsegu je verjeten eden ali drug teoretični model, mogoče testirati na jedrcih z "nevtronsko pomanjkljivostjo" s pomočjo novih eksperimentalnih podatkov.

Tako pridobljeni podatki zdaj posredno kažejo, da imajo lahko 120. in 124. kemični elementi dolgožive izotope, zato jih je vredno loviti.

Vir: M. Morjean et al. Meritve časov fisije: nova sonda v preobremenjenem elementu Fiz. Rev. Lett. 101, 072701 (11. avgust 2008); celotno besedilo – PDF, 290 Kb.

Glej tudi:
1) J. B. Natowitz. Kako stabilna so najtežja jedra? // Fizika 1, 12 (2008) – zgodba o delu, o katerem razpravljamo.
2) S. A. Karamyan. Meritve trajanja jedrskih reakcij s težkimi ioni // Etsha, 1986, vol 17, vol. 4, s. 753.
3) A. F. Tulinov. Vpliv kristalne rešetke na nekatere atomske in jedrske procese // Physics-Uspekhi, 1965, T. 87, vol. 4, s. 585.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: