Островът на стабилност — определение в ядрена физика и супертежки елементи

Какво е „островът на стабилност“ в ядрената физика? Научете за супертежки елементи, магическите числа и възможността за дължоживотни изотопи като Убх‑310.

Химичните елементи извън оловото обикновено са радиоактивни и нямат стабилни изотопи. Това означава, че те се разпадат на по-леки елементи чрез различни радиактивни процеси. С изключение на плутония, техният период на полуразпад е от порядъка на секунди до минути (в зависимост от конкретния изотоп). Въпреки това във физиката съществува теория, според която сред супертежките елементи могат да се появят региони с относително по-дълги времена на живот — т.нар. острови на стабилност. Очаква се елементите от тези острови да имат изотопи с периоди на полуразпад, значително по-големи от средното за съседните супертежки ядра, понякога от порядъка на минути, часове или дори по-дълго.

Ядрена черупкова (shell) теория и „магически“ числа

Основната идея за островите на стабилност почива на модела на ядрените „черупки“. Хипотезата е, че атомнотоядро е изградено от конфитурации от нуклони (протони и неутрони), които заемaт дискретни квантови енергийни нива — подобно на електронните черупки в атомите. Когато определени „черупки“ са напълно запълнени, ядрото достига локален максимум на енергията на свързване на нуклоните и става по-устойчиво към разпад. Тези запълнени конфигурации съответстват на т.нар. магически числа за протони и неутрони.

Запълнената обвивка би имала „магически брой“ неутрони и протони. Едно от възможните магически числа на неутроните за сферичните ядра е 184, а някои от възможните съответстващи числа на протоните, които са обсъждани в теорията, включват 114, 120 и 126. Това води до прогнози, че най-стабилните сферични изотопи биха били флеровий-298, унбинилий-304 и унбихексий-310. Особено внимание заслужава Убх-310, който би бил „двойно магически“ — тоест и протонното му, и неутронното му число (126 и 184) са магически — и поради това се очаква да има много по-дълъг период на полуразпад от околните изотопи. (За сравнение, следващото по-леко двойно магическо сферично ядро е олово-208, най-тежкото стабилно ядро, което е и най-стабилният сред тежките елементи.)

Деформации и деформирани „магически“ числа

По-нататъшни изчисления и експериментални резултати показват, че много от големите ядра не са идеално сферични, а са деформирани. Деформациите променят разположението на енергийните нива и съответно — кои числа се проявяват като „магически“. За пример, последни теоретични и експериментални данни сочат, че Хасиум-270 може да се разглежда като двойно „магическо“ ядро в деформиран смисъл, със „деформирани“ магически числа около 108 и 162. Въпреки това действителният му период на полуразпад е от порядъка на секунди — при Хасиум-270 това е около 3,6 секунди — което показва, че дори „магическите“ конфигурации при супертежките ядра не гарантират големи времена на живот.

Производство, разпад и наблюдение

Синтезът на супертежки елементи обикновено се прави чрез реакции на сливане (fusion-evaporation) между по-леки ядра в ускорители на частици. Два основни подхода са „гореща“ и „студена“ синтеза, при които се използват различни комбинации от проектили и мишени и различни енергии на сблъсък. Главните проблеми при достигане на предполагаемия остров на стабилност са:

• невъзможността да се доставят и използват много неутронно-богати мишени и проектили;
• слабите сечения на синтез (много малка вероятност за образуване на желаното ядро);
• бързите процеси на α-разпад и спонтанно делене (fission), които често доминират разпада на супертежките ядра;
• сложността при отделяне и идентифициране на едва произвеждани атоми — често се откриват само единични разпадни вериги.

Разпадните канали, които ограничават устойчивостта, включват предимно α-разпад и спонтанно делене; β-разпадите имат по-малко значение за най-тежките ядра. Теоретичните модели предсказват, че ако се постигнат точните комбинации от протони и неутрони (например двойно магическите), полуживотите могат да нарастнат значително — но точните стойности зависят от детайлите на ядрената структура и от релативистичните ефекти при електронните обвивки.

Експериментален статус и химически свойства

До момента са произведени изотопи с числа на протоните, попадащи в зоните, свързвани с острова на стабилност, но тези синтезирани ядра често имат значително по-малък брой неутрони, отколкото е прогнозиран за центъра на острова — тоест те лежат по-близо до „китайската стена“, отколкото до „вътрешните брегове“ на острова. Това означава, че синтезираните изотопи остават кратко-живеещи и често не позволяват лесни химически експерименти.

Ако обаче бъдат произведени изотопи със значително по-дълъг живот, те могат да проявят интересни и непредсказуеми химични свойства. При много тежки елементи значителни стават и релативистичните ефекти върху електронната структура — това може да доведе до свойства, различни от тези, очаквани чрез просто екстраполиране на периодичната таблица. По тази причина изследванията на супертежките елементи са полезни не само за ядрената физика, но и за разширяване на нашето разбиране за химията в екстремни условия.

Практическите приложение към момента са ограничени и предимно изследователски: такива изотопи биха могли да служат като мишени в ускорителни експерименти, като източници на неутрони или за фундаментални тестове на ядрените модели. По-спекулативни приложения (например за индустриална употреба) са далечни, доколкото производството им е изключително трудно и скъпо.

Перспективи и заключение

Търсенето на острова на стабилност остава активна област както за теоретични изследвания, така и за експериментални опити в лаборатории като JINR (Дубна), GSI (Дармщат) и други водещи центрове. Комбинацията от усъвършенствани ускорители, по-чувствителни детектори и по-точни теоретични модели увеличава шансовете да се доближим до центъра на този „остров“. Дали ще открием ядра със значително дълги времена на живот — например достатъчни за детайлни химични изследвания — остава отворен въпрос, но перспективата е научно вълнуваща и продължава да мотивира международни усилия.

Произведени са изотопи с достатъчно протони, за да бъдат поставени на остров на стабилност, но с твърде малко неутрони, за да бъдат поставени дори на външните „брегове“ на острова. Възможно е тези елементи да притежават необичайни химични свойства и, ако имат изотопи с достатъчна продължителност на живота, да са достъпни за различни практически приложения (например като мишени на ускорители на частици, а също и като източници на неутрони).

Въпроси и отговори

Въпрос: Кои елементи са отвъд оловото?

В: Коя е теорията във физиката, която обяснява защо някои елементи имат по-дълъг период на полуразпад?

Въпрос: Какви са магическите числа за сферичните ядра?

Въпрос: Смята ли се, че хасиум-270 е двойно магичен?

В: Колко дълъг е периодът му на полуразпад?

В: Има ли някакви практически приложения за тези елементи?

Търсене по буква