Wyprawa Na Wyspę Stabilności.pdf

na wysp« stabilnoæci

Wyprawa

Synteza pierwiastka 114 potwierdzi¸a stare teorie

sprzed kilkudziesi«ciu lat: na morzu krtkoýyciowych jder

superci«ýkich istniej wysepki stabilnoæci

Jurij C. Oganessian, W¸adimir K. Utionkow i Kenton J. Moody

36 å WIAT N AUKI Maj 2000

ku neptunu chemicy ruszyli w fa-

scynujc podrý w nieznane.

åwiat transuranowcw, atomw zawie-

rajcych wi«cej protonw niý uran, kt-

ry ma ich 92, wykazuje niezwyk¸e, je-

dyne w swoim rodzaju w¸aæciwoæci.

Ci«ýkie pierwiastki z duý liczb elek-

tronw okaza¸y si« bezcennym narz«-

dziem pozwalajcym wejrze w budo-

w« elektronow atomw i wizania

chemiczne. Znalaz¸y teý rozliczne za-

stosowania techniczne od broni jdro-

wej aý po czujniki dymu.

Na razie badania te doprowadzi¸y do

wyprodukowania 23 nowych pierwiast-

kw, ktre maj w swych jdrach wi«-

cej protonw niý atomy uranu. Spoærd

nich tylko dwa ãnajlýejszeÓ Ð neptun

i pluton Ð wyst«puj w przyrodzie.

Wytworzony ostatnio pierwiastek nu-

mer 114 zwieÄczy¸ pewien trudny etap

w tej wielkiej transuranowej wypra-

wie. Przypomina ona ryzykowne prze-

p¸yni«cie morza niestabilnoæci zbudo-

wanego z pierwiastkw zawierajcych

wi«cej niý 106 protonw w jdrach.

Bombardujc ci«ýkie jdra wiz-

kami jonw jder lýejszych, na-

ukowcy uzyskuj jdra super-

ci«ýkie, ktre s tak bardzo

niestabilne, ýe cz«sto dziel si«

juý w u¸amku sekundy po wy-

tworzeniu. Teraz, gdy osigni«-

to ãmagicznÓ liczb« 114, bada-

cze znaleli si« na drodze do

wyspy stabilnoæci, gdzie zbir jeszcze

ci«ýszych, sztucznie wyprodukowanych

pierwiastkw wykazuje zadziwiajc

stabilnoæ i d¸ugowiecznoæ.

D¸ugo wierzono, ýe wyspa stabilnoæci

niczym Eldorado istnieje, ale jest nie-

osigalna; fizycy jdrowi namierzyli j

teoretycznie juý w 1966 roku. Lecz w od-

rýnieniu od baæniowego odpowiedni-

ka po¸oýenie wyspy stabilnoæci nie by-

¸o ýadn tajemnic. Przewidziano, ýe jej

ærodek, czyli najbardziej stabilny punkt,

zajmie izotop pierwiastka o liczbie ato-

mowej 114 ze 184 neutronami w jdrze

i b«dzie on otoczony nieco mniej stabil-

nymi pierwiastkami o numerach pomi«-

dzy 109 i 115. Fizycy dok¸adnie wi«c

wiedzieli, dokd maj iæ; problem tkwi¸

tylko w tym, jak si« tam dosta i po

czym pozna, ýe si« dotar¸o do celu.

Pierwsze prby syntezy pierwiast-

kw podj«to w 1934 roku, kiedy na-

ukowcy rozpocz«li bombardowanie j-

der ci«ýkich pierwiastkw strumieniami

neutronw. Kaýdy neutron wychwy-

cony przez jdro atomowe tarczy pod-

lega rozpadowi beta, zmieniajc si«

w proton oraz elektron i wytwarzajc

pierwiastek, ktry ma o jeden proton

wi«cej niý jdro tarczy. W terminologii

chemicznej powsta¸y tak pierwiastek

ma liczb« atomow o jeden wi«ksz od

liczby atomowej pierwiastka stanowi-

cego tarcz«. Przypomnijmy, ýe liczba

atomowa pierwiastka to suma proto-

nw w jego jdrze atomowym i ona

w¸aænie definiuje pierwiastek oraz okre-

æla jego po¸oýenie w uk¸adzie okreso-

wym. Poza protonami jdro atomowe

zawiera takýe neutrony, ktre nie nio-

s ¸adunku elektrycznego. Wszystkie

atomy jednego pierwiastka musz mie

tak sam liczb« protonw, ale rýne je-

go ãizotopyÓ maj rýne liczby neutro-

nw i rýn stabilnoæ.

drowych (ZIBJ) w Dubnej ko¸o Moskwy

odkry¸, ýe bombardujc wizk ci«ý-

szych jonw lýejsze tarcze, moýna wy-

produkowa jdra o niýszej energii

wzbudzenia, a nast«pnie pozwoli im

po takiej fuzji utworzy stabiln konfi-

guracj«. Ta metoda znana jest dziæ pod

nazw ãzimnej fuzjiÓ, ale nie powinno

si« jej myli ze zdyskredytowanym pro-

cesem, ktry budzi¸ wiele emocji w la-

tach osiemdziesitych. Intensywne pra-

ce nad t metod rozpocz«¸y si« po roku

1975, kiedy w Laboratorium Ci«ýkich

Jonw w Darmstadcie w Niemczech ru-

szy¸ UNILAC (Universal Linear Acce-

lerator), na ktrym moýna przyspiesza

nawet bardzo ci«ýkie jony i to o zmien-

nych energiach.

Niestety, istniejce wwczas tech-

niki nie pozwala¸y rejestrowa pro-

dukowanych w ten sposb poýda-

nych pierwiastkw, poniewaý pod-

czas eksperymentu powstaje niewiele

atomw, a w dodatku jdra pochod-

ne, wytworzone w rozpadzie nowych

pierwiastkw, zanikaj tak szybko,

ýe trzeba je wykrywa podczas proce-

su syntezy. Tak wi«c przez

kilka lat nie udawa¸o si« za-

obserwowa ýadnych nowych

pierwiastkw.

Na pocztku lat osiemdzie-

sitych grupa badaczy z labo-

ratorium w Darmstadcie opra-

cowa¸a wyrafinowan i czu¸

metod« identyfikacji nowych

jder, powstajcych w reakcji fuzji, i by-

¸a w stanie wyodr«bni pierwiastki 107,

108 i 109. Przeprowadzenie syntezy i de-

tekcji wymaga¸o jednak pokonania

ogromnych barier Ð naukowcy musieli

pracowa na UNILAC-u bez przerwy

przez bite dwa tygodnie, aby wypro-

dukowa zaledwie jeden atom pier-

wiastka 109. Na szcz«æcie nie zrazi¸o ich

to i po ýmudnym dopasowywaniu in-

tensywnoæci wizki jonw i podwyý-

szeniu czu¸oæci urzdzeÄ detekcyjnych

w 1994 roku uzyskali pierwiastek 111,

a dwa lata pniej 112. Wytworzony

izotop pierwiastka 112 ma okres po¸o-

wicznego zaniku rwny 240 µs, lecz

niestety uda¸o si« wyprodukowa tyl-

ko dwa jego atomy w cigu trwajcego

25 dni eksperymentu.

Od 1994 roku grupy badaczy w

Niemczech, USA i Rosji doda¸y do ta-

blicy Mendelejewa szeæ nowych pier-

wiastkw o liczbach atomowych si«ga-

jcych aý do 118. Najwaýniejsz prze-

prowadzon syntez by¸a produkcja izo-

topw pierwiastka 114, ktra ostatecznie

dowiod¸a istnienia wyspy stabilnoæci.

Osigni«cie jej jest niezwykle waýne,

gdyý potwierdza teoretyczne przewi-

dywania, ýe dla pewnych ãmagicznychÓ

Pierwsze sukcesy

Tym sposobem do po¸owy lat pi«-

dziesitych uda¸o si« wyprodukowa

pierwiastki o numerach 93, 94, 99 i 100.

W tym samym czasie Ð naæwietlajc

ci«ýkie jdra strumieniami czstek alfa,

ktre s jdrami helu, a zatem przesu-

waj liczb« atomow o dwie jednostki Ð

uzyskano teý pierwiastki o liczbach

atomowych 95, 96, 97, 98 i 101.

Superci«ýkie pierwiastki

mog by nawet bardziej trwa¸e,

niý przewiduje to teoria.

Dzi«ki post«powi w budowie akce-

leratorw czstek naukowcy mogli

skierowa wizki jonw o wysokiej in-

tensywnoæci z¸oýone z lekkich pier-

wiastkw, takich jak bor (o liczbie ato-

mowej 5) na jdra pierwiastkw o

liczbach atomowych pomi«dzy 94 a 98,

by doprowadzi do ich syntezy. Aby

mog¸o dojæ do takiej fuzji, obydwa j-

dra powinny zderza si« z energi wy-

starczajc do pokonania si¸ ich elektro-

statycznego odpychania, wywo¸anych

przez dodatnio na¸adowane protony.

Reakcja ta wymaga tak wielkiej energii,

ýe powstajce w rezultacie zderzenia j-

dro jest bardzo gorce. Z kolei wysoka

temperatura jdrowa zwi«ksza praw-

dopodobieÄstwo, ýe nowy pierwiastek

raczej si« rozszczepi, niý ãuspokoiÓ,

tworzc stabiln konfiguracj«. Za po-

moc takiej w¸aænie techniki w latach

1958Ð1974 otrzymano pierwiastki o licz-

bach atomowych od 102 do 106. Nieste-

ty, podczas prb produkcji pierwiast-

kw o liczbach atomowych wyýszych

niý 106 tendencja do rozszczepienia

sprawia, ýe synteza nowych pierwiast-

kw staje si« niemoýliwa.

W 1974 roku jeden z nas (Oganessian)

w Zjednoczonym Instytucie BadaÄ J-

å WIAT N AUKI Maj 2000 37

P o wytworzeniu wiosn 1940 ro-

ZESPîü BADAWCZY ze Zjednoczonego Instytutu BadaÄ Jdrowych w Dubnej w Rosji pozuje do zdj«cia na tle uk¸adu eksperymental-

nego; separator masowy znajduje si« w lewym grnym rogu zdj«cia, a wystajce ramiona elementw tarczy s widoczne z prawej. W sk¸ad

zespo¸u wchodz dwaj autorzy artyku¸u: Utionkow (drugi z lewej) i Oganessian (czwarty z lewej) .

liczb protonw i neutronw wyst«puj

szczeglnie silnie zwizane jdra; po-

wstaj wtedy stabilne, zamkni«te po-

w¸oki, podobne do konfiguracji elektro-

nowych z zape¸nionymi pow¸okami

atomowymi, ktre daj gazom szlachet-

nym bezw¸adnoæ chemiczn i okreæla-

j periodycznoæ i reaktywnoæ pier-

wiastkw chemicznych.

Liczby magiczne, znane z modelu po-

w¸okowego jdra, wyst«pujce w rý-

nych miejscach uk¸adu okresowego,

a spoærd nich te, ktre pojawi¸y si«

dla o¸owiu (82 protony i 126 neutro-

nw), wprowadzono juý w 1948 roku.

Przewidywanie w 1966 roku nast«pnych

liczb magicznych przy 114 protonach

i 184 neutronach przeczy¸o jednak w-

czeænie obowizujcej teorii. W owym

czasie spodziewano si«, ýe okres po-

¸owicznego zaniku syntetyzowanych

pierwiastkw z uwagi na ich stabilnoæ

rozszczepieniow b«dzie mala¸ drama-

tycznie wraz ze wzrostem liczby maso-

wej jder. Przewidywanie kolejnych

liczb magicznych rodzi¸o spekulacje, ýe

gdzieæ daleko poza morzem niestabil-

noæci istnieje wyspa niezwykle d¸ugo-

ýyciowych jder.

Trudno tam dotrze, a powodem jest

m.in. to, ýe w jdrach superci«ýkich sto-

sunek liczby neutronw do protonw

jest wyýszy niý we wszystkich znanych

jdrach pierwiastkw stabilnych. Wy-

braliæmy reakcj«, ktra wprowadzi¸a

najwi«cej neutronw do jdra powstaj-

cego w procesie syntezy: napromienio-

waliæmy 244 Pu (pluton 244) Ð najci«ýszy

egzotyczny izotop plutonu Ð intensyw-

n wizk jonw 48 Ca (wapnia 48), rzad-

kiego, drogiego i bogatego w neutrony

izotopu wapnia. Oczekiwaliæmy, ýe re-

akcja fuzji spowoduje powstanie jdra

z¸oýonego ze 114 protonw i 178 neu-

tronw. Taki izotop by¸by najbliýszy po-

dwjnie magicznej konfiguracji 114 pro-

tonw i 184 neutronw.

Wiedzieliæmy, ýe jeýeli jdra 48 Ca i

244 Pu zderz si« z wystarczajc ener-

gi, by przezwyci«ýy swoje wzajemne

elektrostatyczne odpychanie, energia

38 å WIAT N AUKI Maj 2000

wzbudzenia powsta¸ych jder z¸oýo-

nych b«dzie wystarczajco niska, aby

przynajmniej cz«æ z nich nie uleg¸a roz-

szczepieniu. Wyparowanie trzech neu-

tronw sch¸odzi bowiem nowe jdra

poniýej bariery rozszczepienia, prowa-

dzc do powstania izotopu pierwiastka

114 ze 175 neutronami.

n oznak rozszczepienia naszych jder

superci«ýkich mog¸aby by seria rozpa-

dw alfa, jako ýe pierwiastek 114 roz-

pada si« do pierwiastka 112, ktry z

kolei rozpada si« do 110, a ten do pier-

wiastka 108 itd., aý produkty tej reakcji

opuszcz wysp« stabilnoæci i nastpi

rozszczepienie spontaniczne. Niestety,

rozpady alfa i rozszczepienia niepoý-

danych jder, takýe generowane w eks-

perymencie, rwnieý produkuj se-

kwencje przypadkowych zdarzeÄ, ktre

moýna wzi za sekwencj« rozpadu

pierwiastka 114. W cigu sekundy po-

skutecznie t¸umi teý rejestracj« niepo-

ýdanych produktw. Produkty fuzji

ci«ýkich jonw (mieszanina syntetyzo-

wanych jder 114 i innych produktw

fuzji) wybite z tarczy wchodz do ko-

mory gazowej umieszczonej pomi«dzy

biegunami magnesu dipolowego, wy-

pe¸nionej wodorem pod niskim ciænie-

niem. Wybite (z tarczy) ci«ýkie jony od-

dzia¸uj z atomami wodoru w komorze

i te, ktrych elektrony s zwizane ze

swoimi jdrami z niýsz energi niý do-

starczona w zderzeniu, s tracone. Pole

magnetyczne jest tak dobrane, aby tyl-

ko jdra nas interesujce dole-

cia¸y do macierzy detektorw.

Czstki z wizki 48 Ca, ktre nie

wesz¸y w reakcje, przelatuj

przez komor« wodorow z du-

ý pr«dkoæci i zostaj silnie zjo-

nizowane, tak ýe pole magne-

tyczne odchyla je z wizki po-

szukiwanych czstek. Wype¸nio-

ny gazem separator silnie zmniejsza tak-

ýe liczb« innych zb«dnych produktw

peryferyjnych reakcji jdrowych.

Produkty reakcji, opuszczajc magne-

sy dipolowe, s ogniskowane za pomo-

c uk¸adu magnesw kwadrupolowych,

a nast«pnie przechodz przez licznik

czasu przelotu (TOF Ð time-of-flight)

i zatrzymuj si« w detektorze czu¸ym

na pozycj«. Sygna¸ z licznika TOF po-

zwala nam odrýni uderzenie produk-

tw przechodzcych przez separator od

radioaktywnego rozpadu produktu,

ktry wczeæniej ugrzz¸ w detektorze.

Czas przelotu przez licznik TOF moýe

by uýyty do rozrýnienia pomi«dzy ni-

Jak to zrobiliæmy

Wczeæniejsze poszukiwania super-

ci«ýkich pierwiastkw w podobnych

reakcjach nie powiod¸y si«, ponie-

waý podczas kilkutygodniowe-

go eksperymentu powstaje zale-

dwie jedno takie jdro wærod

biliona innych rodzajw jder.

Dzi«ki kilkusetkrotnemu zwi«k-

szeniu czu¸oæci detekcji, w po-

rwnaniu z metodami stosowa-

nymi w poprzednich prbach,

byliæmy w stanie zaobserwowa

nowe pierwiastki powstajce w wy-

niku reakcji syntezy, zanim jeszcze si«

rozpad¸y.

Nasz eksperyment przeprowadzili-

æmy na cyklotronie ci«ýkich jonw w

ZIBJ. Jony 48 Ca przyspieszaliæmy do

pr«dkoæci rwnej w przybliýeniu jednej

dziesitej pr«dkoæci æwiat¸a i kierowa-

liæmy je na tarcz«, ktra zawiera¸a kil-

ka miligramw 244 Pu naniesionego elek-

trolitycznie na cienk foli« tytanow.

Aby wykry nowe jdra powsta¸e

w wyniku reakcji fuzji, musieliæmy zna-

le sposb oddzielenia interesujcych

nas produktw od pozosta¸ych wytwo-

rzonych w eksperymencie. Oczekiwa-

W czasie 40 dni naæwietlaÄ

uda¸o si« wytworzy

tylko jedno jdro superci«ýkie.

wstaj miliardy takich niepoýdanych

jder, a oczekiwana cz«stoæ produkcji

izotopu 114 jest duýo niýsza niý jeden

atom dziennie. W rezultacie niezwykle

waýne jest st¸umienie t¸a pochodzce-

go od niepoýdanych reakcji, a jedno-

czeænie wykrycie pierwiastka 114, jeýe-

li si« on tylko pojawi.

W tym celu naukowcy z Dubnej za-

projektowali wype¸niony gazem separa-

tor. Zapewnia on efektywn transmisj«

poszukiwanych przez nas produktw

oraz bardzo wydajn detekcj« sekwen-

cji rozpadw radioaktywnych, poprzez

ktre jdra superci«ýkie mog zamani-

festowa swoj obecnoæ; urzdzenie

MORZE

NIESTABILNOåCI

MAGICZNA

GîRA

WYSPA STABILNOåCI

OCEAN WIELKICH JDER zawiera wiele

niestabilnych okazw, czyli izotopw. J-

dro atomowe pierwiastka zawiera pewn

liczb« protonw, lecz zwykle ma ono kilka

odmian, zwanych izotopami. Kaýdy z izo-

topw ma inn liczb« neutronw i stabil-

noæ. Dla jder o liczbie protonw wi«kszej

od 106 szczeglnie wiele izotopw jest

wzgl«dnie niestabilnych i tworz one coæ

w rodzaju ãmorza niestabilnoæciÓ. W j«zy-

ku takich metafor niezwykle stabilny izo-

top o¸owiu Ð z 82 protonami i 126 neutrona-

mi Ð stanowi rodzaj magicznej gry. Juý od

1966 roku prowadzono teoretyczne spekula-

cje na temat wyspy stabilnoæci, w ærodku

ktrej leýa¸by izotop ze 114 protonami i 184

neutronami. Ostatnio uda¸o si« osign

brzegi owej wyspy, wytwarzajc izotop ze

114 protonami i 175 neutronami.

114

PROTONY

126

184 196

NEUTRONY

å WIAT N AUKI Maj 2000 39

skimi i wysokimi liczbami atomowymi.

Dodatkowo detektor czu¸y na pozycj«

obniýa poziom t¸a, poniewaý umoýli-

wia identyfikacj« i odrzucenie niepo-

trzebnych reakcji. Wszystkie te udosko-

nalenia pozwoli¸y nam na rejestracj«

i pomiary poszukiwanego przez nas

pierwiastka 114.

Pierwszy eksperyment prowadzili-

æmy przez 40 dni listopada i grudnia

1998 roku. Zaobserwowaliæmy sygna¸y

pe¸nych trzech rozszczepieÄ sponta-

nicznych, æwiadczcych, ýe wytworzo-

ne zosta¸y trzy zsyntetyzowane jdra

z¸oýone i przesz¸y przez separator, za-

nim nastpi¸o ich rozszczepienie. Dwa

z nich ýy¸y prawie milisekund« i by¸y

to nie interesujce nas reakcje wywo¸a-

ne przez rozpad 244 Am (ameryku 244).

Tylko jedno z zarejestrowanych zdarzeÄ

(jeden atom na 40 dni naæwietlaÄ!) zosta-

wi¸o ælad w detektorze w postaci im-

plantu i trzech nast«pujcych po nim

rozpadw alfa (kolejne emisje dwch

protonw i dwch neutronw, kaýda

prowadzca do powstania lýejszego

pierwiastka z niýsz liczb atomow);

wszystkie te reakcje zasz¸y w tym sa-

mym miejscu macierzy detektorw.

Jest to w¸aænie oznaka rozpadu, jakie-

go oczekiwaliæmy: zwizki mi«dzy ener-

giami i czasami rozpadu by¸y zgodne

z oszacowaniami teoretycznymi dla roz-

szczepienia izotopu pierwiastka 114 i je-

go pochodnych. Czas przelotu wytwo-

rzonego w wyniku reakcji jdra odrzutu

i jego energia zdeponowana w detekto-

rze rwnieý potwierdza¸y przewidywa-

nia, a analiza zdarzeÄ przypadkowych

wskazuje, ýe prawdopodobieÄstwo po-

wstania takiego zdarzenia w detekto-

rze z przypadkowych korelacji zliczeÄ

t¸a wynosi mniej niý 1%.

Z kolei izotop pierwiastka 108 ze 169

neutronami znajduje si« poza brze-

giem wyspy stabilnoæci i rozpada si«

drog rozszczepienia spontanicznego.

W kolejnym eksperymencie przepro-

wadzonym w Dubnej wyproduko-

wano lýejszy izotop pierwiastka 114 ze

173 neutronami, ktry po¸oýony jest

bliýej brzegu wyspy stabilnoæci. Ten

lýejszy izotop ma czas po¸owicznego

zaniku oko¸o 5 s, po czym drog roz-

padu alfa przechodzi w jdro pier-

wiastka 112; jdro pochodne rozpada

si« po 3 min w wyniku rozszczepienia

spontanicznego.

Potwierdziliæmy zatem istnienie wy-

spy stabilnoæci i zmierzyliæmy wielkoæ

efektw wywo¸anych jej istnieniem.

Czas ýycia pierwiastka 114 ze 175 neu-

tronami jest ponad 1000 razy d¸uýszy

niý czas ýycia izotopu ze 171 neutrona-

mi, ktry jest produkowany jako cz«æ

¸aÄcucha rozpadu pierwiastka 118 i zo-

sta¸ niedawno odkryty w laboratorium

LawrenceÕa w Berkeley. Nasz izotop

pierwiastka 112 ze 173 neutronami ýy-

je ponad milion razy d¸uýej niý izotop

üaÄcuch rozpadw

Izotop pierwiastka 114 ze 175 neutro-

nami ma czas po¸owicznego zaniku

rwny 30.4 s. Rozpada si« do pierwiast-

ka 112; a ten, z czasem po¸owicznego

zaniku 15.4 min, do pierwiastka 110;

z kolei 110, z czasem po¸owicznego za-

niku rwnym 1.6 min, rozpada si« do

pierwiastka 108.

40 å WIAT N AUKI Maj 2000

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: