Нейтронные копилки: изотопные истории

      Комментарии к записи Нейтронные копилки: изотопные истории отключены

Нейтронные копилки: изотопные истории

на данный момент известно приблизительно три много стабильных изотопов и в десять раз больше радиоактивных, по большей части взятых в лабораториях. Стабильные изотопы относительно легких элементов в большинстве случаев содержат приблизительно поровну нуклоны обеих разновидностей — протоны и нейтроны.

Национальная циклотронная лаборатория, расположенная в кампусе Мичиганского университета, располагает двумя ускорителями на сверхпроводящих магнитах, каковые в большинстве случаев трудятся в тандеме. Первая машина доводит энергию ионов до 40−50 МэВ на нуклон, вторая — приблизительно до 140 МэВ. Как раз они и употреблялись в опыте.

В качестве снарядов выступали стабильные ядра кальция-48, имеющего восемь избыточных нейтронов если сравнивать с главным изотопом кальцием-40, а мишенью послужила вольфрамовая пластинка приблизительно миллиметровой толщины. Отдельные ядра кальция при соударениях с ядрами вольфрама захватывали их нейтроны и в один момент теряли личные протоны. В следствии рождались нестабильные нуклонные конгломераты, каковые скоро распадались и преобразовывались в ядра алюминия-40 и магния-42, живущие не меньше миллисекунды.

Конечно, такие события происходили нечасто, приблизительно одно на квадриллион (1015). По крайней мере, экспериментаторам удалось зарегистрировать три ядра магния-40 и двадцать три ядра алюминия-42. Помимо этого, было зарегистрировано одно событие, соответствующее еще более тяжелому алюминию-43.

Для извлечения данной информации продукты реакций было нужно два раза отcепарировать и пропустить через совокупность высокочувствительных детекторов.

Ядра стабильных изотопов легких элементов в большинстве случаев складываются из приблизительно протонов и равного количества нейтронов. Так, ядро углерода-12 составлено из шести протонов и шести нейтронов, а кислорода — из восьми. Это правило не в полной мере универсально, богатый нейтронами кальций-48 владеет очень устойчивым два раза волшебным ядром и потому живет фактически всегда (его период полураспада практически в миллион раза больше возраста отечественной Вселенной).

Но к более тяжелым элементам оно уже неприменимо. Протоны отталкиваются друг от друга по закону Кулона, и не смотря на то, что в самых легких ядрах такое отталкивание возможно компенсировано межнуклонным притяжением при равном числе нейтронов и протонов, уже на третьем десятке элементов периодической совокупности для компенсации необходимы дополнительные нейтроны, скрепляющие ядра наподобие клея (а ядерные силы, в отличие от кулоновских, действуют только на весьма малом расстоянии).

Так что по мере возрастания ядерного номера в ядрах накапливается избыток нейтронов. У самых тяжелых стабильных изотопов их число превышает число протонов приблизительно в полтора раза.

Линии судьбы

Линия протонной устойчивости прослежена впредь до сверхтяжелых элементов. Нейтронную линию выяснить сложнее, и по сей день она точно узнана только для первых восьми элементов — от водорода до кислорода. Для следующей тройки — фтора, натрия и неона — она выяснена только примерно (так, имеется основания считать, что натрий может иметь не более 26 нейтронов). алюминий и Магний занимают двенадцатое и тринадцатое места в таблице Менделеева.

Новые опыты в Ист-Лансинге продемонстрировали, что ядро магния «выдерживает» не меньше 28 нейтронов. Это куда больше числа нейтронов у трех его стабильных изотопов — 12, 13 и 14. Единственный стабильный изотоп алюминия содержит 14 нейтронов, но в прошлом физики ухитрились взять множество радиоактивных вариантов этого элемента. Самый легкий из них содержит 9 нейтронов, а самый тяжелый — 28.

Сейчас же оказалось, что природа разрешает существовать и алюминию-42 с 29 нейтронами, и алюминию-43 — с тридцатью.

От первого лица

«Моя несколько вот уже лет двадцать занимается экспериментальным определением линии нейтронной устойчивости. Эта работа производится и в других государствах, в частности во Франции, — поведал «ПМ» доктор химических наук Мичиганского университета Дэвид Морриссей. — Что касается последних опытов, то самым громадным сюрпризом было рождение алюминия-42. Он содержит нечетные числа нейтронов и протонов, а такие ядра отличаются минимальной устойчивостью.

Возможно сохранять надежду, что удастся создать и более тяжелые изотопы этого элемента, скажем, алюминий-45, но это весьма непросто. Надеюсь, мы продолжим опыты будущим летом».

«Отечественная несколько еще в июне прошлого года сказала о получении тридцатинейтронного кремния-44, — додаёт второй участник опыта, сотрудник Лаборатории ядерных реакций дубнинского Объединенного университета ядерных изучений Олег Тарасов. — Все эти результаты разрешают уточнить параметры моделей, каковые употребляются для расчета особенностей ядер. Также, они демонстрируют потенциал отечественной лаборатории как по части оборудования, другими словами спектрометров и ускорителей, так и по части квалификации научных кадров.

В 1990-х наилучшими возможностями владели исследователи, трудящиеся на французском Громадном национальном ускорителе тяжелых ионов. Позже пальма первенства перешла к японцам. А сейчас — к Мичиганскому университету».

В отыскивании острова стабильности

А что же сулят эти результаты химикам? Данный вопрос «Популярная механика» задала научному сотруднику Мюнхенского технического университета Александру Якушеву, что вот уже много лет трудится с неестественными изотопами сверхтяжелых элементов. «Физики из Дубны сейчас взяли в реакциях слияния актинидных мишеней с все тем же кальцием-48 около тридцати новых изотопов химических элементов впредь до элемента 118.

Кое-какие из них являются долгожителями и распадаются только спустя пара секунд по окончании появления на свет — этого достаточно, дабы совершить анализ их химических особенностей. Химиков так же, как и прежде манит остров стабильности, предсказанный в районе Z=114 и N=184, где время судьбы ядер должно повыситься еще на пара порядков, но высадиться в том месте еще запрещено из-за нехватки нейтронов.

До тех пор пока что нет возможности изыскать такую комбинацию мишени и налетающей частицы, дабы в сумме оказался достаточный нейтронный избыток. Не считая сложных реакций многонуклонной передачи между сверхтяжелыми ядрами (такими как столкновение двух ядер урана) другим методом может оказаться бомбардировка мишени радиоактивными нейтроноизбыточными изотопами (само собой разумеется, не столь экзотическими, как представленные в работе ученых из Ист-Лансинга). Так что поиск границы нейтронной стабильности идет рука об руку с получением интенсивных пучков нейтроноизбыточных изотопов, столь нужных для прыжка на остров стабильности».

Волшебство чисел

В соответствии с современным моделям ядра атома имеют оболочечную структуру. Причем ядра с всецело заполненными протонными и/либо нейтронными оболочками более стабильны, чем ядра с другим числом нейтронов либо протонов. Количество нейтронов либо протонов в всецело заполненных оболочках именуются волшебными числами — это 2, 8, 20, 28, 50, 82. Существует кроме этого волшебное число 126 для нейтронной оболочки.

В случае если число нейтронов N либо число протонов Z равняется одному из волшебных чисел, ядро именуется волшебным. А вдруг и N и Z волшебные, ядра именуются два раза волшебными, к примеру 4He, 16O, 40Ca (это самое тяжелое стабильное ядро с N=Z). Более тяжелые ядра с N=Z имеют избыток протонов и распадаются в следствии бета-распада.

Карта изотопов

Изотопы комфортно размещать на диаграмме, где по горизонтали — число нейтронов, а по вертикали — протонов. Граница со стороны горизонтальной оси именуется линией нейтронной устойчивости, со стороны вертикальной — протонной. Первая задает предельное количество нейтронов, которое возможно добавить к данному количеству протонов, для получения ядра с ненулевым временем судьбы.

Линия протонной устойчивости, наоборот, задает минимум нейтронов, талантливых слиться с определенным числом протонов. Так, для алюминия с его 13 протонами данный минимум образовывает 9 нейтронов. Уберите из ядра алюминия-22 единственный нейтрон, и оно срочно начнет плеваться протонами.

Логика стабильности

На карте изотопов прекрасно видно, что все реально существующие изотопы сосредоточены на достаточно узкой полосе. Сперва ее наклон к оси абсцисс образовывает приблизительно 45 градусов, а после этого пара значительно уменьшается. В центре полосы концентрируются стабильные изотопы, а по бокам — склонные к тем либо иным распадам. Тут-то и появляется неясность.

Ясно, что ядра не смогут складываться из одних протонов, потому, что их разбивали бы силы электрического отталкивания. Но нейтроны помой-му должны увеличивать межпротонные дистанции и тем самым это отталкивание ослаблять.

А ядерные силы, каковые объединяют нуклоны в ядре, действуют одинаково и на протоны, и на нейтроны. Исходя из этого, казалось бы, чем больше в ядре нейтронов, тем оно стабильней. А коль не так долго осталось ждать это не верно, то по какой причине?

Ядерная материя подчиняется законам квантовой механики. Ее компоненты, нуклоны обоих видов, имеют полуцелый спин, а потому, как и все другие такие частицы (фермионы), подчиняются принципу Паули, что запрещает однообразным фермионам занимать одно да и то же квантовое состояние. Это указывает, что количество фермионов данного вида в определенном состоянии может выражаться только двумя числами — 0 (состояние не занято) и 1 (состояние заполнено).

В квантовой механике, в отличие от хорошей, все состояния дискретны. Ядро не разваливается вследствие того что нуклоны в нем стянуты воедино ядерными силами. Это возможно наглядно представить таковой картиной — частицы сидят в колодце и просто так оттуда выскочить не смогут (физики именуют таковой колодец потенциальной ямой).

нейтроны и Протоны не однообразны, исходя из этого в первом приближении рассаживаются в двух ямах, а не в одной (имеется и более продвинутая модель с одной-единственной неспециализированной ямой, но ее используют для узкого учета межнуклонных сотрудничеств). И в протонной и в нейтронной ямах имеется комплект уровней энергии, каковые смогут занимать провалившиеся в них частицы. Глубина каждой ямы зависит от усредненного силового сотрудничества между ее пленниками.

Потому, что протоны взаимно отталкиваются электрическими силами, а нейтроны — нет, протоны спаяны не сильный, нежели нейтроны, и их потенциальная яма не так глубока. Для легких ядер это различие мало, но оно увеличивается по мере повышения заряда ядра. А вот энергии самых верхних непустых уровней в обеих ямах должны совпадать.

Если бы верхний заполненный нейтронный уровень был выше верхнего протонного, ядро имело возможность бы снизить собственную суммарную энергию, «заставив» занимающий его нейтрон претерпеть бета-распад и превратиться в протон. А коль не так долго осталось ждать такое превращение было бы энергетически удачным, оно бы со временем обязательно произошло и ядро выяснилось бы нестабильным. Тот же самый финал имел бы место, если бы какой-то протон посмел превышать собственный энергетический масштаб.

Но в случае если протонная и нейтронная ямы владеют практически равной глубиной, что характерно для легких ядер, то нейтронов и числа протонов также выясняются приблизительно однообразными. По мере перемещения на протяжении таблицы Менделеева число протонов увеличивается и дно их потенциальной ямы все посильнее поднимается над дном нейтронного колодца. Исходя из этого тяжелые ядра должны иметь в собственном составе больше нейтронов, нежели протонов.

А вот в случае если искусственно сделать эту отличие через чур большой (скажем, бомбардируя ядро медленными нейтронами, каковые не разбивают его на осколки, а просто «приклеиваются»), нейтронный уровень очень сильно встанет над протонным и ядро распадется. Эта схема, само собой разумеется, предельно упрощена, но в принципе верна.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№63, январь 2008).

ЧТО ВНУТРИ ЖУЮЩЕЙ КОПИЛКИ ?! РОЖА КОПИЛКА или FACEBANK


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: