1.1.2. Принцип синтеза новых ядер.
Для того чтобы произошла ядерная реакция между двумя ядрами, их необходимо столкнуть с энергией, которая определяется энергией их кулоновского расталкивания:
где Z1 и Z2 - заряды двух ядер, Rl и R2 - их радиусы и -расстояние между их поверхностями. При контакте иона с ядрами ( = 0) кулоновская энергия отталкивания, например, для реакции Ag + Аг составляет 100 МэВ, а для взаимодействия двух ядер урана 700 МэВ. Соответствующую энергию ядра получают после их разгона на ускорителях тяжелых ионов. Тяжелыми ионами называют положительно заряженные ионизованные атомы элементов тяжелее гелия. Ионизация атомов осуществляется в специальных ионных источниках, куда подают пары веществ тех элементов, которые хотят ускорить. При высокой температуре (несколько тысяч градусов) в источнике вещество превращается в плазму, частично ионизируется, а затем инжектируется в ускорительную систему.
1.2. Проблема синтеза сверхтяжелых элементов.
1.2.1.Острова стабильности.
Ограничения на существование атомных ядер есть и со стороны сверхтяжелых элементов. Элементы с Z > 92 в естественных условиях не обнаружены. Расчеты по жидкокапельной модели предсказывают исчезновение барьера деления для ядер с Z2/A46 (примерно 112 элемент).
Так как образование сверхтяжелых ядер происходит в результате полного слияния ядра мишени и налетающей частицы необходимо создание теоретических моделей, описывающих динамику процесса слияния двух сталкивающихся ядер в компаунд-ядро.
Проблема синтеза сверхтяжелых элементов тесно связана с тем фактом, что ядра с Z = 8, 20, 28, 50, 82 (магические числа) обладают повышенной стабильностью по отношению к различным модам радиоактивного распада. Это явление интерпретируется в рамках оболочечной модели. Магические числа соответствуют заполненным оболочкам. Естественно возникает вопрос о существовании следующих магических чисел по Z и N. В случае, если они существуют в области N-Z-диаграмм атомных ядер N > 150, Z . 101, должны наблюдаться сверхтяжелые ядра, имеющие повышенные периоды полураспада, т.е. должен существовать второй остров стабильности. В работе [F.A. Gareev, B.N. Kalinkin, A. Sobiczewski Phys Lett 22 (1966), 500] на основе расчетов, выполненных с использованием потенциала Вудса-Саксона с учетом спин-орбитального взаимодействия, было показано, что повышение стабильности ядер следует ожидать для ядра с Z = 114, то есть следующая заполненная протонная оболочка соответствует Z = 114. Замкнутые оболочки могут существенно увеличить высоту барьера деления и соответственно увеличить время жизни ядра. Таким образом в этой области ядер (Z = 114, N~184) следует искать следующих остров стабильности. Этот же результат был независимо получен в работе [H. Meldner Ask Phys 36, 9,1967, 593].
Ядра с Z = 101-109 были открыты до 1986 года [G. Munzenberg Rep. Prog. Phys. 51, 1998, p.57] и получили названия: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium), 106 - Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium). Учитывая заслуги исследователей из Дубны в открытии большого числа изотопов тяжелых элементов (102-105), в 1997 году решением Генеральной Ассамблеи чистой и прикладной химии элементу с Z = 105 было присвоено имя Dubnium (Db). Этот элемент ранее назывался Ha (Hannium).
Новый этап в исследовании сверхтяжелых ядер начался в 1994 году, когда была существенно повышена эффективность регистрации и усовершенствована методика наблюдения сверхтяжелых ядер. Как результат были обнаружены изотопы 110, 111 и 112 элементов [S. Hofmann et al. Z. Phys A350, 1995, p.277; S. Hofmann et al. Z. Phys A350, 1995, p.281; S. Hofmann et al. Z. Phys A354, 1996, p.229].
Для получения сверхтяжелых ядер использовались ускоренные пучки Ti50, V51, Fe58, Ni62, Ni64, Zn70 и Se82. В качестве мишеней применялись изотопы Pb208 и Bi209. Различные изотопы 110 элемента были синтезированы в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова с помощью реакции Pu244 (S34,5n)272110 и в GSI (Дармштадт) в реакции Pb208 (Ni62,n)269110. Изотопы 110269, 110271, 111272 и 112277 регистрировались по их цепочкам распада (рис. 1).
Согласно предсказаниям о существовании второго острова стабильности для большинства ядер ожидаются периоды полураспада гораздо большие, чем наблюдались для уже обнаруженных сверхтяжелых ядер (0.1-1 мс). Так например, для ядра 110292 предсказывается время жизни ~ 51 год.
Таким образом, согласно современным микроскопическим расчетам, стабильность сверхтяжелых ядер резко возрастает по мере приближения к магическому числу по нейтронам N = 184. До недавнего времени единственным изотопом элемента с Z = 112 был изотоп 112277, имеющий период полураспада 0.24 мс. Более тяжелый изотоп 112283 был синтезирован в реакции холодного слияния Ca48 + U238. Время облучения 25 дней. Полное число ионов Ca48 на мишени - 3.5·10^18. Зарегистрированы два случая, которые были интерпретированы как спонтанное деление образовавшегося изотопа 112283. Для периода полураспада этого нового изотопа получена оценка T1/2 = 81 c. Таким образом видно, что увеличение числа нейтронов в изотопе 112283 по сравнению с изотопом 112277 на 6 единиц увеличивает время жизни на 5 порядков.