Wyspa stabilności - Island of stability

W fizyce jądrowej The wyspą stabilności jest przewidzieć zestaw izotopów z elementów superciężkich które mogą mieć znacznie dłuższy okres półtrwania niż znane izotopy tych pierwiastków. Przewiduje się, że pojawi się jako "wyspa" na wykresie nuklidów , oddzielona od znanych stabilnych i długo żyjących pierwotnych radionuklidów . Jego teoretyczne istnienie przypisuje się stabilizującym efektom przewidywanych „ magicznych liczb ” protonów i neutronów w obszarze superciężkich mas.

Diagram opracowany przez Joint Institute for Nuclear Research przedstawiający zmierzone (w ramce) i przewidywane okresy półtrwania superciężkich nuklidów , uporządkowane według liczby protonów i neutronów. Przewidywane położenie wyspy stabilności wokół Z = 112 jest zakreślone.

Fizyka nuklearna
Jądro  · Nukleony  ( p , n )  · względu jądrowego  · siły jądrowe  · struktura jądrowego  · reakcji jądrowej
Modele jądra Ciecz spadek  · model powłokowy  · Interakcja modelu Higgsa  · Ab initio
Klasyfikacja nuklidów Izotopy – równe Z Izobary – równe A Izotony – równe N Izodiafery – równe N  −  Z       Izomery – równe wszystkim powyższym Jądra lustrzane  – Z ↔ N Stabilne  · Magiczne  · Parzyste/nieparzyste  · Halo  ( boromejskie )
Stabilność jądrowa Energia wiązania  · Stosunek p–n  · Linia kroplująca  · Wyspa stabilności  · Dolina stabilności  · Stabilny nuklid
Rozpad radioaktywny Alfa α  · Beta β  ( 2β ( 0v ), β + )  · Wychwytywanie K/L  · Izomeryczny  ( Gamma γ  · Konwersja wewnętrzna )  · Rozszczepienie samoistne  · Rozpad klastra  · Emisja neutronów  · Emisja protonów Decay energia  · łańcuch Decay  · rozpad produktu  · radiogeniczne nuklidu
Rozszczepienia jądrowego Spontaniczne  · Produkty  ( łamanie par )  · Rozszczepienie fotograficzne
Przechwytywanie procesów elektron ( 2× )  · neutron  ( s  · r )  · proton  ( p  · rp )
Procesy wysokoenergetyczne Spalacja ( promieniem kosmicznym )  · Fotodezintegracja
Nukleosynteza i astrofizyka jądrowa Fuzja jądrowa Procesy: Gwiezdny  · Wielki Wybuch  · Nuklidy supernowych : Pierwotne  · Kosmogeniczne  · Sztuczne
Fizyka jądrowa wysokich energii Plazma kwarkowo-gluonowa  · RHIC  · LHC
Naukowcy Alvarez  · Becquerel  · Bethe  · A. Bohr  · N. Bohr  · Chadwick  · Cockcroft  · Ir. Curie  · ks. Curie  · Pi. Curie  · Skłodowska-Curie  · Davisson  · Fermi  · Hahn  · Jensen  · Lawrence  · Mayer  · Meitner  · Oliphant  · Oppenheimer  · Proca  · Purcell  · Rabi  · Rutherford  · Soddy  · Strassmann  · Świątecki  · Szilárd  · Teller  · Thomson  · Walton  · Wigner
Portal fizyczny  Kategoria
v T mi

Poczyniono kilka przewidywań dotyczących dokładnego położenia wyspy stabilności, chociaż ogólnie uważa się, że centrum znajduje się w pobliżu izotopów koperniku i flerowu w pobliżu przewidywanej zamkniętej powłoki neutronowej przy N  = 184. Modele te silnie sugerują, że zamknięta powłoka będzie zapewniają dalszą stabilność w kierunku rozszczepienia i rozpadu alfa . Chociaż oczekuje się, że te efekty będą największe w pobliżu liczby atomowej Z  = 114 i N  = 184, oczekuje się, że obszar zwiększonej stabilności obejmie kilka sąsiednich pierwiastków, a także mogą istnieć dodatkowe wyspy stabilności wokół cięższych jąder, które są podwójnie magiczne (posiadając magiczne liczby protonów i neutronów). Szacunki stabilności pierwiastków na wyspie są zwykle około półokresu minut lub dni; niektóre szacunki przewidują okresy półtrwania na miliony lat.

Chociaż model powłoki jądrowej przewidujący liczby magiczne istnieje od lat 40. XX wieku, istnienie superciężkich nuklidów o długim czasie życia nie zostało ostatecznie wykazane. Podobnie jak reszta superciężkich pierwiastków, nuklidy na wyspie stabilności nigdy nie zostały znalezione w naturze; dlatego muszą być stworzone sztucznie w reakcji jądrowej, aby je zbadać. Naukowcy nie znaleźli sposobu na przeprowadzenie takiej reakcji, ponieważ prawdopodobne jest, że do zasiedlenia jąder w pobliżu centrum wyspy będą potrzebne nowe rodzaje reakcji. Niemniej jednak udana synteza superciężkich pierwiastków do Z  = 118 ( oganesson ) z do 177 neutronów wykazuje niewielki efekt stabilizujący wokół pierwiastków 110 do 114, który może trwać w nieznanych izotopach, wspierając istnienie wyspy stabilności.

Wstęp

Stabilność nuklidów

Wykres okresów półtrwania znanych nuklidów

Dlatego skład izotopu ( jądro atomowe ) jest określona przez liczbę protonów Z oraz liczby neutronów N , która sumują się do liczby masowej A . Liczba protonowa Z , zwana również liczbą atomową, określa położenie pierwiastka w układzie okresowym . Około 3300 nuklidy są powszechnie znane przedstawiony na wykresie z Z i N na jego osi, a okres półtrwania w rozpadu radioaktywnego wskazany dla każdego niestabilnego izotopu (patrz rysunek). Od 2019 r. zaobserwowano, że 252 nuklidy są stabilne (nigdy nie zaobserwowano rozpadu); ogólnie wraz ze wzrostem liczby protonów stabilne jądra mają wyższy stosunek neutronów do protonów (więcej neutronów na proton). Ostatnim pierwiastkiem w układzie okresowym, który ma stabilny izotop, jest ołów ( Z  = 82), którego stabilność (tj. okresy półtrwania najdłużej żyjących izotopów) generalnie maleje w cięższych pierwiastkach. Okresy półtrwania jąder zmniejszają się również, gdy występuje nierówny stosunek neutronów do protonów, tak że powstałe jądra mają za mało lub za dużo neutronów, aby były stabilne.

Stabilność jądra zależy od jego energii wiązania , wyższa energia wiązania zapewnia większą stabilność. Energia wiązania na nukleon wzrasta wraz z liczbą atomową do szerokiego plateau około A  = 60, a następnie spada. Jeśli jądro można podzielić na dwie części, które mają niższą energię całkowitą (konsekwencja defektu masy wynikającego z większej energii wiązania), jest ono niestabilne. Jądro może utrzymywać się razem przez skończony czas, ponieważ istnieje potencjalna bariera przeciwstawiająca się podziałowi, ale barierę tę można przekroczyć przez tunelowanie kwantowe . Im niższa bariera i masy odłamków , tym większe prawdopodobieństwo rozłamu na jednostkę czasu.

Protony w jądrze są związane ze sobą siłą , która równoważy odpychanie kulombowskie między dodatnio naładowanymi protonami. W cięższych jądrach potrzebna jest większa liczba nienaładowanych neutronów, aby zmniejszyć odpychanie i zapewnić dodatkową stabilność. Mimo to, gdy fizycy zaczęli syntetyzować pierwiastki, których nie ma w naturze, stwierdzili, że stabilność maleje wraz ze wzrostem ciężaru jąder. W ten sposób spekulowali, że układ okresowy pierwiastków może się skończyć. Odkrywców plutonu (94 elementów) uważane nazywania go „ultimium”, myśląc, że był ostatnim. Po odkryciu cięższych pierwiastków, z których niektóre rozpadały się w mikrosekundach, wydawało się, że niestabilność w odniesieniu do samorzutnego rozszczepienia ograniczy istnienie cięższych pierwiastków. W 1939 r. górna granica potencjalnej syntezy pierwiastków została oszacowana wokół pierwiastka 104 , a po pierwszych odkryciach pierwiastków transaktynowych we wczesnych latach sześćdziesiątych, ta górna granica przewidywania została rozszerzona na pierwiastek 108 .

Diagram przedstawiający poziomy energii znanych i przewidywanych powłok protonowych (po lewej i prawej stronie pokazano dwa różne modele). Szczeliny przy Z  = 82, 114, 120 i 126 odpowiadają zamknięciom skorupowym, które mają szczególnie stabilne konfiguracje, a zatem dają bardziej stabilne zarodki.

Magiczne liczby

Już w 1914 r. sugerowano możliwość istnienia superciężkich pierwiastków o liczbie atomowej znacznie przewyższającej uran — wówczas najcięższy znany pierwiastek — kiedy niemiecki fizyk Richard Swinne zaproponował, że superciężkie pierwiastki w okolicach Z  = 108 są źródłem promieniowania w promieniowaniu kosmicznym. . Chociaż nie poczynił żadnych ostatecznych obserwacji, w 1931 r. postawił hipotezę, że elementy transuranowe w okolicach Z  = 100 lub Z  = 108 mogą być stosunkowo długowieczne i prawdopodobnie istnieć w naturze. W 1955 roku amerykański fizyk John Archibald Wheeler również zaproponował istnienie tych pierwiastków; przypisuje mu się pierwsze użycie terminu „element superciężki” w artykule z 1958 roku opublikowanym przez Fredericka Wernera. Pomysł ten wzbudził szerokie zainteresowanie dopiero dekadę później, po ulepszeniu modelu powłoki jądrowej . W tym modelu jądro atomowe zbudowane jest w „powłokach”, analogicznie do powłok elektronowych w atomach. Niezależnie od siebie, neutrony i protony mają poziomy energii, które normalnie są blisko siebie, ale po wypełnieniu jednej powłoki potrzeba znacznie więcej energii, aby rozpocząć wypełnianie następnej. W ten sposób energia wiązania na nukleon osiąga lokalne maksimum, a jądra z wypełnionymi otoczkami są bardziej stabilne niż te bez. Ta teoria modelu powłoki jądrowej powstała w latach 30. XX wieku, ale dopiero w 1949 r. niemieccy fizycy Maria Goeppert Mayer i Johannes Hans Daniel Jensen i in. samodzielnie opracowali prawidłową formułę.

Liczby nukleonów, dla których wypełnione są muszle, nazywamy liczbami magicznymi . Liczby magiczne 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126 zaobserwowano dla neutronów, a następna liczba ma wynosić 184. Protony dzielą pierwsze sześć z tych magicznych liczb, a 126 zostało przepowiedziane jako magiczne liczba protonów od lat 40. XX wieku. Nuklidy o magicznej liczbie każdego z nich — na przykład ¹⁶ O ( Z  = 8, N  = 8), ¹³² Sn ( Z  = 50, N  = 82) i ²⁰⁸ Pb ( Z  = 82, N  = 126) — są określane jako jako "podwójna magia" i są bardziej stabilne niż pobliskie nuklidy w wyniku większej energii wiązania.

Pod koniec lat 60. bardziej wyrafinowane modele powłok zostały opracowane przez amerykańskiego fizyka Williama Myersa i polskiego fizyka Władysława Świąteckiego oraz niezależnie przez niemieckiego fizyka Heinera Meldnera (1939–2019). Dzięki tym modelom, uwzględniając odpychanie kulombowskie, Meldner przewidział, że następną magiczną liczbą protonów może być 114 zamiast 126. Wydaje się, że Myers i Świątecki ukuli termin „wyspa stabilności”, a amerykański chemik Glenn Seaborg , późniejszy odkrywca wiele superciężkich elementów szybko przyjęło ten termin i go promowało. Myers i Świątecki sugerowali również, że niektóre superciężkie jądra będą miały dłuższą żywotność w wyniku wyższych barier rozszczepienia . Dalsze udoskonalenia modelu powłoki jądrowej dokonane przez radzieckiego fizyka Vilena Strutinskiego doprowadziły do ​​powstania metody makroskopowo-mikroskopowej, modelu masy jądrowej, który uwzględnia zarówno gładkie trendy charakterystyczne dla modelu kropli cieczy, jak i lokalne fluktuacje, takie jak efekty powłoki. Takie podejście umożliwiło szwedzkiemu fizykowi Svenowi Nilssonowi i in., a także innym grupom, dokonanie pierwszych szczegółowych obliczeń stabilności jąder na wyspie. Wraz z pojawieniem się tego modelu, Strutinsky, Nilsson i inne grupy argumentowali za istnieniem podwójnie magicznego nuklidu ²⁹⁸ Fl ( Z  = 114, N  = 184), zamiast ³¹⁰ Ubh ( Z  = 126, N  = 184), co było przewidywano, że będzie podwójnie magiczna już w 1957 roku. Następnie szacunki liczby magicznej protonów wahały się od 114 do 126 i nadal nie ma zgody.

Odkrycia

Zainteresowanie możliwą wyspą stabilności rosło w latach sześćdziesiątych, ponieważ niektóre obliczenia sugerowały, że może ona zawierać nuklidy o okresie połowicznego rozpadu miliardów lat. Przewidywano również, że będą szczególnie odporne na spontaniczne rozszczepienie pomimo ich dużej masy atomowej. Uważano, że jeśli takie pierwiastki istnieją i są wystarczająco długowieczne, może istnieć kilka nowych zastosowań w wyniku ich właściwości jądrowych i chemicznych. Obejmują one zastosowanie w akceleratorach cząstek jako źródła neutronów , w broni jądrowej w wyniku ich przewidywanych niskich mas krytycznych i dużej liczby neutronów emitowanych podczas rozszczepienia oraz jako paliwo jądrowe do zasilania misji kosmicznych. Te spekulacje skłoniły wielu badaczy do poszukiwania superciężkich pierwiastków w latach 60. i 70., zarówno w przyrodzie, jak i poprzez nukleosyntezę w akceleratorach cząstek.

W latach 70. przeprowadzono wiele poszukiwań długożyciowych jąder superciężkich. Eksperymenty mające na celu syntezę pierwiastków o liczbie atomowej od 110 do 127 przeprowadzono w laboratoriach na całym świecie. Pierwiastków tych poszukiwano w reakcjach syntezy i parowania, w których ciężki cel złożony z jednego nuklidu jest napromieniowywany przez przyspieszone jony innego w cyklotronie , a nowe nuklidy powstają po fuzji tych jąder, a powstały wzbudzony układ uwalnia energię poprzez odparowanie kilku cząstek (zwykle protony, neutrony lub cząstki alfa). Reakcje te dzielą się na „zimną” i „gorącą” fuzję, które odpowiednio tworzą układy o niższych i wyższych energiach wzbudzenia ; wpływa to na wydajność reakcji. Na przykład oczekiwano, że reakcja między ²⁴⁸ Cm a ⁴⁰ Ar da izotopy pierwiastka 114, a między ²³² Th i ⁸⁴ Kr spodziewano się, że da izotopy pierwiastka 126. Żadna z tych prób nie powiodła się, co wskazuje, że takie eksperymenty mogą były niewystarczająco czułe, jeśli przekroje poprzeczne reakcji były niskie – co skutkowało niższą wydajnością – lub że jakiekolwiek jądra osiągalne w takich reakcjach fuzji-odparowywania mogą być zbyt krótkotrwałe do wykrycia. Kolejne udane eksperymenty ujawniają, że okresy półtrwania i przekroje rzeczywiście zmniejszają się wraz ze wzrostem liczby atomowej, co skutkuje syntezą tylko kilku krótko żyjących atomów najcięższych pierwiastków w każdym eksperymencie.

Podobne poszukiwania w przyrodzie również zakończyły się niepowodzeniem, co sugeruje, że jeśli superciężkie pierwiastki istnieją w przyrodzie, ich liczebność wynosi mniej niż ^10-14 moli superciężkich pierwiastków na mol rudy. Pomimo tych nieudanych prób obserwacji superciężkich jąder o długim czasie życia, nowe superciężkie pierwiastki były syntetyzowane co kilka lat w laboratoriach poprzez bombardowanie lekkimi jonami i reakcje zimnej fuzji; rutherford, pierwszy transaktynid , został odkryty w 1969, a copernicium, osiem protonów bliżej wyspy stabilności przewidywanej na Z  = 114, osiągnięto w 1996. Mimo że okresy półtrwania tych jąder są bardzo krótkie (rzędu sekund ), samo istnienie pierwiastków cięższych niż rutherford wskazuje na efekty stabilizujące, które, jak sądzi się, są powodowane przez zamknięte muszle; model nie rozważa takie efekty byłoby zakazać istnienia tych elementów na skutek gwałtownego spontanicznego rozszczepienia.

Flerow, z oczekiwanymi magicznymi 114 protonami, został po raz pierwszy zsyntetyzowany w 1998 r. w Połączonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej w Rosji przez grupę fizyków kierowaną przez Jurija Oganessiana . Wykryto pojedynczy atom pierwiastka 114 o czasie życia 30,4 sekundy, a produkty jego rozpadu miały okresy półtrwania mierzalne w minutach. Ponieważ wytworzone jądra uległy raczej rozpadowi alfa niż rozszczepieniu, a okresy półtrwania były o kilka rzędów wielkości dłuższe niż te wcześniej przewidywane lub obserwowane dla pierwiastków superciężkich, zdarzenie to było postrzegane jako „podręcznikowy przykład” łańcucha rozpadu charakterystycznego dla wyspy stabilności, dostarczając mocnych dowodów na istnienie wyspy stabilności w tym regionie. Chociaż oryginalny łańcuch z 1998 roku nie został ponownie zaobserwowany, a jego przypisanie pozostaje niepewne, dalsze udane eksperymenty w ciągu następnych dwóch dekad doprowadziły do ​​odkrycia wszystkich pierwiastków aż do oganesson , których okresy półtrwania przekraczały początkowo przewidywane wartości; te właściwości rozpadu dodatkowo wspierają obecność wyspy stabilności. Jednak badanie z 2021 r. nad łańcuchami rozpadu izotopów flerowu sugeruje, że nie ma silnego efektu stabilizującego z Z  = 114 w regionie znanych jąder ( N  = 174), a dodatkowa stabilność byłaby głównie konsekwencją zamknięcia powłoki neutronowej . Chociaż znane jądra wciąż mają kilka neutronów poniżej N  = 184, gdzie oczekuje się maksymalnej stabilności (najbogatsze w neutrony potwierdzone jądra, ²⁹³ Lv i ²⁹⁴ Ts, osiągają tylko N  = 177), a dokładna lokalizacja środka wyspy pozostaje nieznany,  wykazano tendencję do zwiększania stabilności bliższą N = 184. Na przykład izotop ²⁸⁵ Cn, z ośmioma neutronami więcej niż ²⁷⁷ Cn, ma okres półtrwania o prawie pięć rzędów wielkości dłuższy. Oczekuje się, że trend ten będzie kontynuowany w nieznanych, cięższych izotopach.

Podsumowanie obserwowanych łańcuchów rozpadów w elementach superciężkich o parzystej Z , w tym próbne przyporządkowania w łańcuchach 3, 5 i 8. Istnieje ogólna tendencja do zwiększania stabilności izotopów o większym nadmiarze neutronów ( N  −  Z , różnica w liczbie protonów i neutronów), zwłaszcza pierwiastków 110, 112 i 114, co silnie sugeruje, że centrum wyspy stabilności znajduje się wśród jeszcze cięższych izotopów.

Zdeformowane jądra

Choć  przewiduje się , że jądra w obrębie wyspy stabilności około N = 184 będą sferyczne , badania z początku lat 90. – począwszy od polskich fizyków Zygmunta Patyka i Adama Sobiczewskiego w 1991 roku – sugerują, że niektóre superciężkie pierwiastki nie mają idealnie kulistych jąder. Zmiana kształtu jądra zmienia położenie neutronów i protonów w powłoce. Badania wskazują, że duże jądra znajdujące się dalej od sferycznych liczb magicznych są zdeformowane , powodując przesunięcie liczb magicznych lub pojawienie się nowych liczb magicznych. Aktualne badania teoretyczne wskazują, że w obszarze Z  = 106–108 i N  ≈ 160–164 jądra mogą być bardziej odporne na rozszczepienie w wyniku efektów powłokowych dla jąder zdeformowanych; tak więc takie superciężkie jądra ulegałyby jedynie rozpadowi alfa. Hass-270 jest obecnie uważany za podwójnie magiczne zdeformowane jądro, ze zdeformowanymi liczbami magicznymi Z  = 108 i N  = 162. Jego okres półtrwania wynosi 9 sekund. Jest to zgodne z modelami, które uwzględniają zdeformowaną naturę jąder pośrednich między aktynowcami a wyspą stabilności w pobliżu N  = 184, w których „półwysep” stabilności wyłania się przy zdeformowanych liczbach magicznych Z  = 108 i N  = 162. Wyznaczenie Właściwości rozpadu sąsiednich izotopów hasu i seaborgium w pobliżu N  = 162 dostarczają dalszych mocnych dowodów na istnienie tego obszaru względnej stabilności w jądrach zdeformowanych. To również silnie sugeruje, że wyspa stabilności (dla jąder sferycznych) nie jest całkowicie odizolowana od regionu stabilnych jąder, ale raczej, że oba regiony są zamiast tego połączone przez przesmyk stosunkowo stabilnych jąder zdeformowanych.

Przewidywane właściwości rozpadu

Diagram przedstawiający przewidywane tryby rozpadu superciężkich jąder, z obserwowanymi jądrami z czarnymi konturami. Przewiduje się, że najbardziej ubogie w neutrony jądra, jak również te znajdujące się bezpośrednio za zamknięciem powłoki przy N  = 184, ulegają głównie spontanicznemu rozszczepieniu (SF), podczas gdy rozpad alfa (α) może dominować w jądrach z niedoborem neutronów bliżej wyspy i znaczący Rozgałęzienia rozpadu beta (β) lub wychwytywania elektronów (EC) mogą pojawić się najbliżej środka wyspy około ²⁹¹ Cn i ²⁹³ Cn.

W półtrwania jąder na wyspie samej stabilności są nieznane, ponieważ żaden z nuklidów, które byłyby „na wyspie” zostały spełnione. Wielu fizyków uważa, że ​​okresy półtrwania tych jąder są stosunkowo krótkie, rzędu minut lub dni. Niektóre obliczenia teoretyczne wskazują, że ich okresy półtrwania mogą być długie, rzędu 100 lat, a być może nawet 10 ⁹ lat.

Przewiduje się, że zamknięcie powłoki przy N  = 184 spowoduje dłuższe częściowe okresy półtrwania dla rozpadu alfa i spontanicznego rozszczepienia. Uważa się, że zamknięcie powłoki będzie skutkować wyższymi barierami rozszczepienia dla jąder około ²⁹⁸ Fl, silnie utrudniając rozszczepienie i być może powodując okresy półtrwania rozszczepienia o 30 rzędów wielkości większe niż w jądrach, na które nie ma wpływu zamknięcie powłoki. Na przykład izotop ²⁸⁴ Fl z niedoborem neutronów (z N  = 170) ulega rozszczepieniu z okresem półtrwania 2,5 milisekundy i jest uważany za jeden z najbardziej ubogich w neutrony nuklidów o zwiększonej stabilności w pobliżu N  = 184 zamknięcie powłoki. Przewiduje się, że poza tym punktem niektóre nieodkryte izotopy ulegną rozszczepieniu o jeszcze krótszych okresach półtrwania, ograniczając istnienie i możliwość obserwacji superciężkich jąder daleko od wyspy stabilności (a mianowicie dla N  < 170 oraz dla Z  > 120 i N  > 184). Jądra te mogą ulegać rozpadowi alfa lub spontanicznemu rozszczepieniu w ciągu mikrosekund lub mniej, z pewnymi okresami półtrwania rozszczepienia szacowanymi na około ^10-20 sekund przy braku barier rozszczepienia. W przeciwieństwie do tego, ²⁹⁸ Fl (przewiduje się, że leży w obszarze maksymalnych efektów powłoki) może mieć znacznie dłuższy okres półtrwania przy spontanicznym rozszczepieniu, prawdopodobnie rzędu 10 ¹⁹ lat.

W centrum wyspy może istnieć konkurencja między rozpadem alfa i spontanicznym rozszczepieniem, chociaż dokładny stosunek zależy od modelu. Okresy połowicznego rozpadu alfa 1700 jąder o 100 ≤  Z  ≤ 130 zostały obliczone w modelu tunelowania kwantowego z eksperymentalnymi i teoretycznymi wartościami Q rozpadu alfa i są zgodne z obserwowanymi okresami półtrwania dla niektórych najcięższych izotopów.

Przewiduje się również, że najdłużej żyjące nuklidy leżą na linii stabilności beta , ponieważ przewiduje się, że rozpad beta będzie konkurować z innymi trybami rozpadu w pobliżu przewidywanego środka wyspy, szczególnie w przypadku izotopów pierwiastków 111–115. W przeciwieństwie do innych przewidywanych trybów rozpadu dla tych nuklidów, rozpad beta nie zmienia liczby masowej. Zamiast tego neutron jest przekształcany w proton lub odwrotnie, tworząc sąsiednią izobarę bliżej środka stabilności (izobar o najmniejszym nadmiarze masy ). Na przykład w nuklidach, takich jak ²⁹¹ F1 i ²⁹¹ Nh, mogą istnieć znaczące gałęzie rozpadu beta ; nuklidy te mają tylko kilka neutronów więcej niż znane nuklidy i mogą rozpadać się „wąską ścieżką” w kierunku centrum wyspy stabilności. Możliwa rola rozpadu beta jest wysoce niepewna, ponieważ przewiduje się , że niektóre izotopy tych pierwiastków (takie jak ²⁹⁰ Fl i ²⁹³ Mc) mają krótsze częściowe okresy półtrwania dla rozpadu alfa. Rozpad beta zmniejszyłby konkurencję i spowodowałby, że rozpad alfa pozostałby dominującym kanałem rozpadu, chyba że w superodkształconych izomerach tych nuklidów istnieje dodatkowa stabilność w kierunku rozpadu alfa .

Ten wykres przewidywanych trybów rozpadu, zaczerpnięty z badań teoretycznych Japońskiej Agencji Energii Atomowej , przewiduje środek wyspy stabilności około ²⁹⁴ Ds; byłby to najdłużej żyjący z kilku stosunkowo długowiecznych nuklidów ulegających rozpadowi alfa (zakreślone). Jest to obszar, w którym linia beta-stabilności przecina obszar ustabilizowany zamknięciem powłoki przy N  = 184. Po lewej i prawej stronie okresy półtrwania zmniejszają się, gdy rozszczepienie staje się dominującym trybem rozpadu, zgodnie z innymi modelami.

Biorąc pod uwagę wszystkie tryby rozpadu, różne modele wskazują na przesunięcie środka wyspy (tj. najdłużej żyjącego nuklidu) z ²⁹⁸ Fl na niższą liczbę atomową oraz konkurencję między rozpadem alfa i spontanicznym rozszczepieniem w tych nuklidach; obejmują one 100-letnie okresy półtrwania dla ²⁹¹ Cn i ²⁹³ Cn, 1000-letni okres półtrwania dla ²⁹⁶ Cn, 300-letni okres półtrwania dla ²⁹⁴ Ds i 3500-letni okres półtrwania dla ²⁹³ Ds, przy czym ²⁹⁴ Ds i ²⁹⁶ Cn dokładnie przy N  = 184 zamknięciu skorupy. Stwierdzono również, że ten obszar zwiększonej stabilności dla pierwiastków o 112 ≤  Z  ≤ 118 może zamiast tego być konsekwencją odkształcenia jądrowego, a prawdziwy środek wyspy stabilności dla sferycznych superciężkich jąder leży w okolicy ³⁰⁶ Ubb ( Z  = 122 , N  = 184). Model ten definiuje wyspę stabilności jako region o największej odporności na rozszczepienie, a nie najdłuższy całkowity okres półtrwania; Przewiduje się, że nuklid ³⁰⁶ Ubb ma krótki okres półtrwania w odniesieniu do rozpadu alfa.

Innym potencjalnie znaczącym sposobem rozpadu dla najcięższych superciężkich pierwiastków zaproponowali rozpad klasterowy przez rumuńskich fizyków Dorina N. Poenaru i Radu A. Gherghescu oraz niemieckiego fizyka Waltera Greinera . Oczekuje się, że jego stosunek rozgałęzień w stosunku do rozpadu alfa wzrośnie wraz z liczbą atomową tak, że może konkurować z rozpadem alfa około Z  = 120 i być może stać się dominującym sposobem rozpadu dla cięższych nuklidów około Z  = 124. większa rola poza centrum wyspy stabilności (choć nadal pod wpływem efektów powłoki), chyba że środek wyspy znajduje się w większej liczbie atomowej niż przewidywano.

Możliwe naturalne wystąpienie

Chociaż okresy połowicznego rozpadu wynoszące setki lub tysiące lat byłyby stosunkowo długie dla superciężkich pierwiastków, są one zdecydowanie za krótkie, aby takie nuklidy istniały pierwotnie na Ziemi. Dodatkowo, niestabilność jąder pośrednich pomiędzy pierwotnymi aktynowcami ( ²³² Th , ²³⁵ U i ²³⁸ U ) a wyspą stabilności może hamować wytwarzanie jąder w obrębie wyspy w procesie r- procesowej nukleosyntezy. Różne modele sugerują, że samorzutne rozszczepienie będzie dominującym sposobem rozpadu jąder z A  > 280, a rozszczepienie indukowane neutronami lub opóźnione beta – odpowiednio wychwytywanie neutronów i rozpad beta, po którym następuje natychmiastowe rozszczepienie – staną się głównymi kanałami reakcji. W rezultacie rozpad beta w kierunku wyspy stabilności może zachodzić tylko w bardzo wąskiej ścieżce lub może zostać całkowicie zablokowany przez rozszczepienie, uniemożliwiając w ten sposób syntezę nuklidów w obrębie wyspy. Uważa się, że brak obserwacji superciężkich nuklidów, takich jak ²⁹² Hs i ²⁹⁸ Fl w przyrodzie, jest konsekwencją niskiej wydajności w procesie r wynikającym z tego mechanizmu, a także zbyt krótkich okresów półtrwania, aby umożliwić utrzymanie mierzalnych ilości w naturze.

Pomimo tych przeszkód w ich syntezie, badanie opublikowane w 2013 roku przez grupę rosyjskich fizyków pod kierownictwem Walerija Zagrzebajewa sugeruje, że najdłużej żyjące izotopy koperniku mogą występować w ilości ^{10-12 w} stosunku do ołowiu, dzięki czemu mogą być wykrywalne w promieniowaniu kosmicznym. . Podobnie w eksperymencie z 2013 roku grupa rosyjskich fizyków kierowana przez Aleksandra Bagulyę poinformowała o możliwej obserwacji trzech kosmogenicznych superciężkich jąder w kryształach oliwinu w meteorytach. Liczbę atomową tych jąder oszacowano na między 105 a 130, przy czym jedno jądro prawdopodobnie ograniczone było między 113 a 129, a ich czas życia oszacowano na co najmniej 3000 lat. Chociaż ta obserwacja nie została jeszcze potwierdzona w niezależnych badaniach, silnie sugeruje istnienie wyspy stabilności i jest zgodna z teoretycznymi obliczeniami okresów półtrwania tych nuklidów.

Możliwa synteza i trudności

Renderowanie trójwymiarowe wyspy stateczności wokół N  = 178 i Z  = 112

Wytwarzanie jąder na wyspie stabilności okazuje się bardzo trudne, ponieważ jądra dostępne jako materiały wyjściowe nie dostarczają niezbędnej sumy neutronów. Wiązki jonów radioaktywnych (takie jak ⁴⁴ S) w połączeniu z celami aktynowymi (takie jak ²⁴⁸ cm ) mogą umożliwić wytwarzanie bardziej bogatych w neutrony jąder bliżej centrum wyspy stabilności, chociaż takie wiązki nie są obecnie dostępne w wymaganych natężeniach do przeprowadzania takich eksperymentów. Kilka cięższych izotopów, takich jak ²⁵⁰ Cm i ²⁵⁴ Es, może nadal być użytecznych jako cele, umożliwiając produkcję izotopów z jednym lub dwoma neutronami więcej niż znane izotopy, chociaż produkcja kilku miligramów tych rzadkich izotopów w celu stworzenia celu jest trudna. Może być również możliwe do badania innych kanałów reakcyjnych w tym samym ⁴⁸ Ca indukowane reakcji syntezy odparowywanie zamieszkujących najbardziej znane izotopami bogatymi w neutrony, mianowicie PXN i αxn (emisja protonu lub cząstek alfa , odpowiednio, a następnie przez kilka neutronów). Może to umożliwić syntezę wzbogaconych neutronami izotopów pierwiastków 111–117. Chociaż przewidywane przekroje poprzeczne są rzędu 1–900  fb , czyli mniejsze niż w kanałach xn (emisja tylko neutronów), nadal może być możliwe generowanie w tych reakcjach nieosiągalnych w inny sposób izotopów pierwiastków superciężkich. Niektóre z tych cięższych izotopów (takie jak ²⁹¹ Mc, ²⁹¹ Fl i ²⁹¹ Nh) mogą również podlegać wychwytywaniu elektronów (przekształcaniu protonu w neutron) oprócz rozpadu alfa o stosunkowo długim okresie półtrwania, rozpadu na jądra, takie jak ²⁹¹ Cn które mają leżeć w pobliżu centrum wyspy stabilności. Pozostaje to jednak w dużej mierze hipotetyczne, ponieważ nie zsyntetyzowano jeszcze żadnych superciężkich jąder w pobliżu linii stabilności beta, a przewidywania dotyczące ich właściwości różnią się znacznie w różnych modelach.

Proces powolnego wychwytywania neutronów stosowany do produkcji nuklidów tak ciężkich jak ²⁵⁷ Fm jest blokowany przez krótkożyciowe izotopy fermu, które ulegają spontanicznemu rozszczepieniu (na przykład ²⁵⁸ Fm ma okres półtrwania 370 µs); jest to znane jako „luka fermowa” i zapobiega syntezie cięższych pierwiastków w takiej reakcji. Możliwe byłoby ominięcie tej luki, jak również innego przewidywanego obszaru niestabilności około A  = 275 i Z  = 104–108, w serii kontrolowanych wybuchów jądrowych o wyższym strumieniu neutronów (około tysiąc razy większym niż strumienie w istniejących reaktorów), który naśladuje astrofizyczny proces r . Po raz pierwszy zaproponowana w 1972 przez Meldnera taka reakcja może umożliwić wytwarzanie makroskopowych ilości superciężkich pierwiastków w obrębie wyspy stabilności; rola rozszczepienia w pośrednich superciężkich nuklidach jest wysoce niepewna i może silnie wpływać na wydajność takiej reakcji.

Ten wykres nuklidów używany przez Japońską Agencję Energii Atomowej pokazuje znane (w ramkach) i przewidywane tryby rozpadu jąder do Z  = 149 i N  = 256. Obszary o zwiększonej stabilności są widoczne wokół przewidywanych zamknięć powłoki przy N  = 184 ( ²⁹⁴ Ds – ²⁹⁸ Fl) i N  = 228 ( ³⁵⁴ 126), oddzielone przerwą krótkożyciowych jąder rozszczepienia ( t _1/2  < 1 ns; nie zabarwione na wykresie).

Może być również możliwe generowanie izotopów na wyspie stabilności, takich jak ²⁹⁸ Fl w reakcjach przenoszenia multinukleonu w niskoenergetycznych zderzeniach jąder aktynowców (takich jak ²³⁸ U i ²⁴⁸ Cm). Ten odwrotny mechanizm kwazirozszczepienia (częściowa fuzja, po której następuje rozszczepienie, z przesunięciem od równowagi masy, co skutkuje bardziej asymetrycznymi produktami) może zapewnić ścieżkę do wyspy stabilności, jeśli efekty powłoki wokół Z  = 114 są wystarczająco silne, chociaż lżejsze elementy, takie jak Przewiduje się, że nobel i seaborgium ( Z  = 102–106) będą miały wyższe plony. Wstępne badania reakcji transferu ²³⁸ U +  ²³⁸ U i ²³⁸ U +  ²⁴⁸ Cm nie pozwoliły na wytworzenie pierwiastków cięższych niż mendelewium ( Z  = 101), chociaż zwiększona wydajność w tej ostatniej reakcji sugeruje, że użycie jeszcze cięższych celów, takich jak ²⁵⁴ Es (jeśli są dostępne) mogą umożliwiać produkcję superciężkich elementów. Wynik ten potwierdzają późniejsze obliczenia sugerujące, że wydajność superciężkich nuklidów (z Z  ≤ 109) będzie prawdopodobnie wyższa w reakcjach przenoszenia z użyciem cięższych celów. Badanie reakcji ²³⁸ U +  ²³² Th z 2018 r. przeprowadzone w Texas A&M Cyclotron Institute przez Sarę Wuenschel i in. odkryli kilka nieznanych rozpadów alfa, które można prawdopodobnie przypisać nowym, bogatym w neutrony izotopom superciężkich pierwiastków o 104 <  Z  < 116, chociaż wymagane są dalsze badania, aby jednoznacznie określić liczbę atomową tych produktów. Wynik ten silnie sugeruje, że efekty powłokowe mają znaczący wpływ na przekroje poprzeczne i że wyspa stabilności może być prawdopodobnie osiągnięta w przyszłych eksperymentach z reakcjami przenoszenia.

Inne wyspy stabilności

Dalsze zamknięcia poszycia poza główną wyspą stateczności w pobliżu Z  = 112–114 mogą spowodować powstanie dodatkowych wysp stateczności. Chociaż przewidywania co do lokalizacji kolejnych magicznych liczb różnią się znacznie, uważa się, że wokół cięższych podwójnie magicznych jąder istnieją dwie znaczące wyspy; pierwsza blisko ³⁵⁴ 126 (z 228 neutronami), a druga blisko ⁴⁷² 164 lub ⁴⁸² 164 (z 308 lub 318 neutronami). Nuklidy w obrębie tych dwóch wysp stabilności mogą być szczególnie odporne na spontaniczne rozszczepienie i mieć mierzalne w latach okresy połowicznego rozpadu alfa, dzięki czemu mają stabilność porównywalną do pierwiastków w pobliżu flerowu . Inne obszary względnej stabilności mogą również pojawiać się ze słabszymi zamknięciami otoczki protonowej w beta-stabilnych nuklidach; takie możliwości obejmują regiony w pobliżu ³⁴² 126 i ⁴⁶² 154. Znacznie większe odpychanie elektromagnetyczne między protonami w tak ciężkich jądrach może znacznie zmniejszyć ich stabilność i prawdopodobnie ograniczyć ich istnienie do zlokalizowanych wysp w pobliżu efektów powłokowych. Może to skutkować odizolowaniem tych wysp od głównego wykresu nuklidów , ponieważ nuklidy pośrednie i być może pierwiastki w „morze niestabilności” szybko uległyby rozszczepieniu i zasadniczo nie istniałyby. Możliwe jest również, że poza obszarem względnej stabilności wokół pierwiastka 126, cięższe jądra będą znajdowały się poza progiem rozszczepienia określonym przez model kropli cieczy i tym samym ulegają rozszczepieniu z bardzo krótkim czasem życia, czyniąc je zasadniczo nieistniejącymi nawet w pobliżu większych liczb magicznych .

Przypuszcza się również, że w obszarze poza A  > 300 może istnieć cały „ kontynent stabilności ” składający się z hipotetycznej fazy stabilnej materii kwarkowej , składającej się raczej z swobodnie płynących w górę i w dół kwarków niż kwarków połączonych w protony i neutrony. Teoretycznie taka forma materii jest stanem podstawowym materii barionowej z większą energią wiązania na barion niż materia jądrowa , co sprzyja rozpadowi materii jądrowej poza ten próg masy na materię kwarkową. Jeśli taki stan materii istnieje, prawdopodobnie mógłby zostać zsyntetyzowany w tych samych reakcjach syntezy, prowadzących do normalnych superciężkich jąder, i byłby ustabilizowany przed rozszczepieniem w wyniku silniejszego wiązania, które wystarcza do przezwyciężenia odpychania kulombowskiego.

Zobacz też

• Wyspa inwersji
• Tabela nuklidów

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Wyspa ahoj! ( Nature , 2006, z diagramem JINR ciężkich nuklidów i przewidywanej wyspy stabilności)
• Czy superciężkie pierwiastki (takie jak Z  = 116 lub 118) mogą powstać w supernowej? Czy możemy je obserwować? ( Cornell , 2004 – „może”)
• Druga pocztówka z wyspy stabilności ( CERN , 2001; nuklidy o 116 protonach i masie 292)
• Pierwsza pocztówka z wyspy stabilności jądrowej ( CERN , 1999; pierwsze kilka Z  = 114 atomów)