Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Лента.ру: "В поисках стабильности"

Ключевые слова:  117-й элемент, История, ОИЯИ, Синтез новых химических элементов, Таблица Менделеева

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

29 мая 2014

В настоящее время синтез трансурановых элементов в основном проводится в четырех странах: США, России, Германии и Японии. В России новые элементы получают в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, в США — в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннеси и Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе, в Германии — в Центре по изучению тяжелых ионов Гельмгольца (он же — Институт тяжелых ионов) в Дармштадте, в Японии — в Институте физико-химических исследований (RIKEN).

Всего ученые синтезировали 26 трансурановых элементов, начиная с нептуния (N=93) и заканчивая элементом с номером N=118. Немецкие ученые из Центра по изучению тяжелых ионов Гельмгольца в серии экспериментов 2013–2014 годов планировали получить следующий, 119 элемент таблицы Менделеева, но потерпели неудачу. Они обстреливали ядра берклия (N=97) ядрами титана (N=22), однако анализ данных эксперимента не показал наличия нового элемента. На пути к острову стабильности, начиная с 1940 года, на котором ученые пытаются найти устойчивые изотопы трансурановых элементов.

Модели атомных ядер

В отличие от физики элементарных частиц, в которой современные исследователи чаще всего имеют дело с релятивистскими скоростями (скоростями, сравнимыми со скоростью света), в физике атомного ядра рассматриваются существенно нерелятивистские эффекты. Поэтому обычным математическим аппаратом для ядерной физики служит нерелятивистская квантовая механика, основным уравнением которой является уравнение Шредингера. В физике же частиц используется релятивистское обобщение квантовой механики на случай квантовых полей — квантовая теория поля.

Магические числа — это ряд 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (только для нейтронов), в котором каждое число равно количеству нуклонов в ядре. Ядра с таким числом нуклонов имеют наиболее сильную энергию связи по сравнению со своими соседями в таблице нуклидов, в которой нуклиды размещены следующим образом: по горизонтали слева направо по возрастанию указано число протонов, а по вертикали сверху вниз — число нейтронов.

Ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и электронейтральных нейтронов. Массы этих частиц примерно равны; в отличие от бесструктурных электронов нуклоны состоят из кварков. Протон состоит из одного d-кварка и двух u-кварков, нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. В свободном состоянии кварки не наблюдаются. Это явление получило название асимптотической свободы — в калибровочной теории при увеличении расстояния между частицами сила взаимодействия между ними значительно возрастает. Кварки в нуклонах, а также протоны и нейтроны в ядре взаимодействуют посредством ядерных (сильных) сил.

Основная трудность, возникающая при построении моделей атомного ядра, заключается в необходимости учета большого количества параметров, описывающих динамику системы. Например, уже в случае классической механики аналитическое решение задачи трех тел в общем случае неизвестно. Поэтому для предсказания свойств ядер используют специальные модели, в которые введены допущения, уменьшающие число параметров, но и ограничивающие область применимости теории.

Традиционно разделяют три группы ядерных моделей. Одночастичные ядерные модели используют представление о ядре как совокупности независимых частей; теории с сильным взаимодействием описывают коррелированное движение частиц в ядре. Обобщенные модели включают в себя оба представления. Количество различных ядерных моделей велико, и не все они используют одинаковые исходные положения.

Нуклиды — виды атомов некоторого химического элемента, находящиеся в основном или определенном изомерном состоянии (изотоны и изотопы). Элементы с одинаковым зарядовым числом (числом протонов в ядре), но разными массовыми числами (суммарным количеством протонов и нейтронов) называются изотопами. Например, водород имеет изотоп тритий, в котором атомное ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Изотонами называют элементы с одинаковым числом нуклонов. В таблице нуклидов изотоны и изотопы располагаются на одинаковых вертикалях и горизонталях, соответственно.

В 1936 году Нильс Бор предложил капельную (гидродинамическую) модель атомного ядра. В ней ядро представляется каплей со смесью протонной и нейтронной жидкостей, которая описывается уравнениями классической гидродинамики. В этой модели используется аналогия между поведением молекул в жидкости и нуклонов в ядре. Объем капли пропорционален числу нуклонов (не более 300 частиц), заряженная ядерная жидкость считается несжимаемой. Плотность жидкости равна плотности ядерного вещества и не меняется внутри объема, но резко уменьшается у поверхности капли. Независимые движения нуклонов в такой модели невозможны, однако при колебании поверхности капля может развалиться, что интерпретируется как распад ядра.

Капельная модель качественно описывает описывает свойства ядра как целого (например, насыщение — пропорциональность энергии связи ядра массовому числу) и приводит к правильным формулам для энергии связи (формуле Вайцзеккера) и зависимости радиуса ядра от его массового числа (суммы протонов и нейтронов в ядре). К недостаткам модели можно отнести использование большого числа гидродинамических параметров, которые имеют отношение к физике ядра только на уровне аналогий. Также капельная модель не объясняет устойчивость ядер с магическим числом протонов и нейтронов.

pic_1.jpegРис. 1. В таблице Менделеева ядра с номерами от 93 до 118 получены искусственным путем. Изображение: Alessio Rolleri/ wikimedia.org.

В 1950 году Мария Гёпперт-Майер и Ханс Йенсен предложили оболочечную модель, которая успешно объяснила наличие устойчивых ядер с магическим числом протонов и нейтронов. Модель связывает устойчивость атомного ядра с заполнением энергетических уровней оболочек, которые, по аналогии с электронными оболочками атома, образуют ядро. Каждые нуклон и протон в такой модели находятся на определенной оболочке (расстоянии от центра атома или энергетическом уровне) и двигаются независимо друг от друга в некотором самосогласованном поле. Независимость движений нуклонов в ядре в оболочечной модели противоречит гидродинамической модели. Считается, что чем более полно заполнены энергетические уровни ядра, тем более устойчивым является изотоп. Модель хорошо объясняет устойчивость атомных ядер, спины и магнитные моменты, но применима лишь к невозбужденным или легким и средним по массовому числу ядрам.

Коллективная модель была разработана в 1950-х годах Оге Бором, Джеймсом Рейнуотером и Беном Моттельсоном на основе объединения капельной и оболочечной моделей. В этом случае ядро состоит из остова — внутренней части, в которой находятся нуклоны на заполненных оболочках, и внешней оболочки. Остов может менять свою форму под действием наружных нуклонов, а те, в свою очередь, движутся в поле остова. Деформации остова описываются гидродинамической моделью, а движение нуклонов во внешней оболочке — оболочечной. Теория хорошо описывает квадрупольные электромагнитные переходы между уровнями энергии ядер.

Другие модели позволяют объяснить различные тонкие свойства атомных ядер. Например, в оптической модели ядра используется аналогия с прохождением частиц света через полупрозрачную пластину. Такое представление применяется для описания упругого рассеяния нуклонов на ядрах.

Остров стабильности

В соответствии с оболочечной моделью ядра, в которых полностью заполнены энергетические оболочки, характеризуются высокой стабильностью. Такие элементы образуют так называемый «остров стабильности» в отличие от неустойчивых ядер соседних элементов. Исследования ученых по синтезу трансурановых элементов как раз и направлены на достижение этого острова. Первыми элементами, относящимися к острову стабильности, должны стать изотопы, имеющие порядковые номера 114 и 126; такие номера соответствуют магическому и дважды магическому числам. Изотопы флеровия (114-й элемент), полученные в Дубне, имеют период полураспада до 2,7 секунд. Согласно оболочечной теории, должен существовать изотоп Fl-298 c магическим числом нейтронов N=184 с периодом полураспада до 10 минут. Ученым пока не удалось синтезировать такое ядро.

pic_1_10.jpg

Рис. 2. «Карта» с изображением «острова стабильности». Изображение: НИИ ЯФ МГУ.

Для сравнения, соседние элементы с числами протонов в ядре, равными 113 и 115, имеют периоды полураспада до 19,6 секунды (для Uut-286) и 0,156 секунды (для Uup-289) соответственно. 113-й и 115-й элементы еще официально не зарегистрированы Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).

Синтез элементов и установки

preview_1_7.jpg

Рис. 3. Георгий Флеров.
Фото: ОИЯИ.

Большинство первых трансурановых элементов были получены при участии Гленна Сиборга в американской Радиационной лаборатории Лоуренса в Беркли. Первый элемент — нептуний Np-239 — был синтезирован в 1940 году Эдвином Макмилланом и Филиппом Абельсоном. Самый долгоживущий изотоп этого элемента, Np-237, имеет период полураспада более двух миллионов лет. Изотоп был открыт с помощью бомбардировки U-238 нейтронами. Поскольку изотоп имеет время жизни, малое по сравнению со временем существования Земли, его содержание на планете ничтожно мало.

Второй трансурановый элемент — плутоний — не имеет стабильных изотопов. Pu-239 имеет период полураспада, равный 24100 годам, низкое тепловыделение (образец имеет температуру, сравнимую с температурой человеческого тела) и критическую массу, равную десяти килограммам, что делает его удобным для использования в качестве начинки для ядерной бомбы. Критическая масса — минимальное количество вещества, необходимое для самоподдерживающейся цепной реакции.

112-й элемент — нобелий — впервые был синтезирован в 1963–1967 годах в ОИЯИ под руководством Георгия Флерова. Позднее трансурановые элементы получались группами ученых из США, СССР и ФРГ. К настоящему времени трансурановые элементы синтезированы до 118-го включительно. Изотоп 117 элемента был получен бомбардировкой берклия-249 с Z=97 ионами кальция-48 на ускорителе У-400 Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. 117-й и 118-й элементы также еще официально не зарегистрированы ИЮПАК.

Циклотрон У-400 в Дубне заработал в Лаборатории ядерных реакций в 1978 году. По сравнению с установкой У-200 диаметр циклотрона увеличился с двух метров до четырех. К 1993 году был введен в эксплуатацию циклотрон У-400М, который позволяет получать пучки ядер с удельной энергией связи 35–45 мегаэлектронвольт. Такие ядра (на низкой энергии) потом могут направляться в ускоритель У-400.

pic_2_2.png

Рис. 4. Рисунок из патента Эрнеста Лоуренса, демонстрирующий работу циклотрона. Фото: .wikimedia.org.

Циклотрон представляет собой тип нерелятивистских ускорителей, в которых заряженная частица движется в однородном магнитном поле большого электромагнита. Циклотрон имеет два дуанта (в виде буквы D), выполняющих роль электродов, к которым приложено электрическое напряжение. Полярность электродов меняется каждый раз, когда частица совершает половину своего оборота. Это увеличивает скорость, энергию и диаметр траектории частицы, оставляя период ее вращения постоянным. Таким образом, в циклотроне однородное магнитное поле заставляет частицу под действием центростремительной составляющей силы Лоренца двигаться по окружности, радиус которой увеличивается под влиянием электрического поля, так что частица раскручивается по спирали.

pic_3_38.jpg

Рис. 5. Национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе. Фото: llnl.gov/ wikipedia.org.

pic_4_26.jpg

Рис. 6. Сепаратор в Дармштадте. Фото: Gaby Otto/ GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH. Сепаратор предназначен для разделения различных видов изотопов.

pic_5_28.jpg

Рис. 7. Лаборатория ядерных реакций в ОИЯИ. Фото: ОИЯИ.

pic_6.jpeg

Рис. 8. Сепаратор в Японии. Фото: nishina.riken.jp.

Пытаясь достичь острова стабильности, ученые продолжают синтезировать новые изотопы трансурановых элементов. Кроме фундаментального значения такие исследования приводят к большому числу прикладных открытий и технологий, широко используемых в различных областях человеческой жизни, например в радиомедицине, экологии, производстве оружия.


Источник: NNN, Лента




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Беспозвоночное магматического периода
Беспозвоночное магматического периода

Биоразлагаемые полимеры
6 мая 2022 г. в 10:00 мск. через Zoom (в дистанционном формате) состоится лекция "Полимерные материалы. Биоразлагаемые полимеры" д.х.н., проф., зам. декана химического факультета МГУ С.С.Карлова.

Жизненный цикл полимерных материалов
5 мая 2022 г. в 15:00 мск. через Zoom (в дистанционном формате) состоится лекция "Жизненный цикл полимерных материалов" члена - корреспондента РАН, профессора, доктора химических наук, заведующего кафедрой высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ А.А.Ярославова.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Насадка на фотокамеру из метаматериала как компактный поляриметр. Напечатанные на принтере композиты из нанокристаллов целлюлозы и эпоксидной смолы по прочности подобны перламутру. Дилемма “поле или частота” в магнитной гипертермии. Коллоидный аптасенсор на основе SERS для определения коронавируса SARS-CoV-2. Украшение из иттрия сберегает водород.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2022 году
коллектив авторов
24 - 27 мая пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Пятилетка Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!": что было и что может быть в будущем
Е.А.Гудилин , А.А.Семенова
Уже более 15 лет живет и развивается Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". За всю историю Олимпиады было предложено много инновационных решений, охват олимпиадой составил более 50 000 участников по всей Российской Федерации и странам ближнего зарубежья. В статье приводятся статистические данные по Олимпиаде и возможные пути ее дальнейшего развития.

Жизненный цикл материалов
Коллектив авторов
В рамках Научно – Образовательной Школы МГУ “Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды” с 8 февраля 2022 года и до 31 марта 2022 года факультет наук о материалах и химический факультет МГУ начинают чтение уникального курса "Жизненный цикл материалов".

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.