Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США смогли подтвердить производство сверхтяжелого элемента 114, спустя десять лет после того, как группа в России, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, впервые заявила о сделали это. Поиск 114 долгое время был ключевой частью поисков долгожданного острова стабильности ядерной науки.
Хейно Ницше, глава группы ядерной и радиохимии тяжелых элементов в отделе ядерных исследований (NSD) лаборатории Беркли и профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, и Кен Грегорич, старший научный сотрудник NSD, руководил бригадой, которая независимо подтвердила производство нового элемента, впервые выпущенного группой «Дубненский газонаполненный сепаратор отката».
Используя прибор под названием Berkeley Gas-filled Separator (BGS) на 88-дюймовом циклотроне Berkeley Lab, исследователи смогли подтвердить создание двух отдельных ядер элемента 114, каждое из которых представляет собой отдельный изотоп, имеющий 114 протонов, но разное количество нейтронов, и каждый из них распадается по отдельному пути.
«Проверив производство элемента 114, мы сняли любые сомнения в обоснованности утверждений дубненской группы», - говорит Ницше. «Это доказывает, что самые интересные сверхтяжелые элементы действительно могут быть получены в лаборатории».
Проверка элемента 114 сообщается в Physical Review Letters. Помимо Ницше и Грегорича, в команду лаборатории Беркли входили Лив Ставестра, которая сейчас работает в Институте энергетических технологий в Кьеллере, Норвегия; Постдокторант лаборатории Беркли Ян Дворжак; и аспиранты Калифорнийского университета Митч Андре Гарсия, Ирена Драгоевич и Пол Эллисон при лабораторной поддержке постдокторанта Калифорнийского университета в Беркли Зузаны Дворжаковой.
Царство сверхтяжелого
Элементы тяжелее урана, элемент 92 - атомный номер относится к числу протонов в ядре - радиоактивны и распадаются за время, меньшее, чем возраст Земли; таким образом, они не встречаются в природе (хотя следы переходного нептуния и плутония иногда можно найти в урановой руде). Элементы до 111 и недавно подтвержденного 112 были получены искусственно - элементы с более низкими атомными номерами в ядерных реакторах и ядерных взрывах, более высокие - в ускорителях - и обычно распадаются очень быстро, в течение нескольких секунд или долей секунды.
Начиная с конца 1950-х годов ученые, в том числе Гертруда Шарфф-Гольдхабер из Брукхейвена и теоретик Владислав Святецкий, который недавно переехал в Беркли и является отставным членом NSD лаборатории Беркли, подсчитали, что сверхтяжелые элементы с определенными комбинациями протонов и нейтроны, расположенные в оболочках в ядре, будут относительно стабильны, в конечном итоге достигнув «острова стабильности», где их время жизни может измеряться минутами или днями - или даже, как думают некоторые оптимисты, миллионами лет. Ранние модели предполагали, что таким стабильным элементом может быть элемент со 114 протонами и 184 нейтронами. Гленн Сиборг, давний химик-ядерщик из лаборатории Беркли, в то время председатель Комиссии по атомной энергии, поощрял поиски сверхтяжелых элементов с необходимыми «магическими числами» нуклонов.
«Люди мечтали о сверхтяжелых элементах с 1960-х годов», - говорит Грегорич. «Но необычно, что важные результаты, такие как заявление группы из Дубны о том, что они произвели 114, так долго остаются неподтвержденными. Ученые начали задаваться вопросом, существуют ли сверхтяжелые элементы на самом деле».
Чтобы создать сверхтяжелое ядро, нужно выстрелить атомом одного вида в мишень, сделанную из другого вида; общее количество протонов как в ядрах-снарядах, так и в ядрах-мишенях должно быть как минимум равно количеству протонов в карьере. Подтверждение результатов Дубны означало наведение пучка ионов 48Ca - кальция, ядра которого имеют 20 протонов и 28 нейтронов - на мишень, содержащую 242Pu, изотоп плутония с 94 протонами и 148 нейтронами. Универсальный источник ионов с усовершенствованным электронно-циклотронным резонансом 88-дюймового циклотрона легко создавал пучок высокозаряженных ионов кальция, атомов с недостатком 11 электронов, которые 88-дюймовый циклотрон затем ускорял до желаемой энергии.
Четыре сегмента мишени из оксида плутония были установлены на колесе диаметром 9,5 см (около 4 дюймов), которое вращалось от 12 до 14 раз в секунду для рассеивания тепла под бомбардировкой циклотронного луча.
«Известно, что с плутонием трудно обращаться, - говорит Ницше, - и каждая группа делает свои цели по-своему, но многолетний опыт дал нам в Беркли полное понимание этого процесса». (Опыт особенно велик в лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли - не в последнюю очередь потому, что Гленн Сиборг открыл здесь плутоний в начале 1941 года.)
При взаимодействии снаряда и ядра мишени в мишени вылетает множество различных видов продуктов ядерных реакций. Поскольку ядра сверхтяжелых элементов редки и недолговечны, и группа в Дубне, и группа в Беркли используют газонаполненные сепараторы, в которых разбавленный газ и настроенные магнитные поля сметают с пути обильные обломки столкновений луча и цели, в идеале оставляя только составные ядра с желаемой массой достигают детектора. Газонаполненный сепаратор Беркли пришлось модифицировать для удержания радиоактивных веществ, прежде чем можно было использовать радиоактивные мишени.
В целом, говорит Грегорич, «высокая интенсивность луча 88-дюймового циклотрона вместе с эффективным подавлением фона BGS позволяет нам искать продукты ядерных реакций с очень малыми поперечными сечениями, т.е., очень низкая вероятность производства. В случае со 114-м элементом это оказалось всего два ядра за восемь дней почти непрерывного проведения эксперимента».
Отслеживание изотопов 114
Исследователи идентифицировали два изотопа как 286114 (114 протонов и 172 нейтрона) и 287114 (114 протонов и 173 нейтрона).). Первый, 286114, распался примерно за десятую долю секунды, испустив альфа-частицу (2 протона и 2 нейтрона, ядро гелия), став, таким образом, «дочерним» ядром элемента 112, которые впоследствии спонтанно распались на более мелкие ядра. Последний, 287114, распался примерно за полсекунды, испустив альфа-частицу с образованием 112, который также затем испустил альфа-частицу с образованием дочернего элемента 110, прежде чем спонтанно распался на более мелкие ядра..
Успех группы Беркли в обнаружении этих двух 114 ядер и отслеживании их распада зависел от сложных методов обнаружения, сбора данных и параллельного анализа данных. После прохождения BGS ядро-кандидат попадает в камеру детектора. Если атом элемента-кандидата 114 обнаруживается и затем видно, что он распадается в результате испускания альфа-частиц, циклотронный пучок мгновенно отключается, так что дальнейшие события распада могут быть зарегистрированы без фоновых помех.
В дополнение к таким автоматическим методам улучшения сбора данных, данные были проанализированы полностью независимыми программами, одна из которых была написана Грегоричем и усовершенствована членом команды Лив Ставсетрой, а другая написана членом команды Яном Дворжаком.
«Одним из сюрпризов было то, что 114 ядер имели гораздо меньшие поперечные сечения - гораздо меньше шансов сформироваться - чем сообщила группа из Дубны», - говорит Ницше. «Мы рассчитывали получить около шести в нашем восьмидневном эксперименте, но получили только два. Тем не менее, режимы распада, времена жизни и энергии соответствовали отчетам из Дубны и убедительно подтверждали их достижения».
Говорит Грегорич: «Основываясь на идеях 1960-х годов, мы думали, что когда мы доберемся до элемента 114, мы достигнем острова стабильности. Более поздние теории предполагают повышенную стабильность при других числах протонов, возможно, 120, возможно, 126. Работа, которую мы делаем сейчас, поможет нам решить, какие теории верны и как мы должны модифицировать наши модели».
Нитше добавляет: «За последние 20 лет было обнаружено много относительно стабильных изотопов, которые лежат между известными изотопами тяжелых элементов и островом стабильности - по сути, их можно рассматривать как «ступеньки» на этот остров. Вопрос в том, как далеко простирается Остров - от 114 до, возможно, 120 или 126? И как высоко оно поднимается из Моря Нестабильности».
Накопленный опыт в отделе ядерных исследований лаборатории Беркли; недавно модернизированный газонаполненный сепаратор Беркли, который может использовать радиоактивные мишени; более мощный и универсальный ионный источник VENUS, который вскоре будет введен в эксплуатацию под руководством руководителя программы эксплуатации Даниэлы Лейтнер, - все это дополняет 88-дюймовый циклотрон лаборатории Беркли, сохраняющий высокую конкурентоспособность в продолжающемся поиске стабильного острова в море ядерной нестабильности..