Ii-bob labaratoriya ishi

1.1 Sun'iy elementlar. Radioaktiv kimyoviy element
O'ta og'ir elementlar tomonidan atom yadrolarining mavjudligi bo'yicha ham cheklovlar mavjud. Z> 92 bo'lgan elementlar in vivo topilmadi. Suyuq tomchilar modelidan foydalangan holda hisob-kitoblar Z2 / A ≈ 46 (taxminan 112 element) bo'lgan yadrolar uchun bo'linish to'sig'ining yo'qolishini taxmin qiladi. O'ta og'ir yadrolarning sintezi muammosida ikkita savol guruhini ajratib ko'rsatish kerak.

1. 
   O'ta og'ir yadrolar qanday xususiyatlarga ega bo'lishi kerak? Bu mintaqada sehrli raqamlar bo'ladimi Z va N. O'ta og'ir yadrolarning asosiy parchalanish kanallari va yarim umri qanday?
   
2. 
   O'ta og'ir yadrolarni, bombardimon yadrolarining turlarini, kutilayotgan kesmalarni, birikma yadroning kutilayotgan qo'zg'alish energiyalarini va qo'zg'alish kanallarini sintez qilish uchun qanday reaksiyalardan foydalanish kerak?
   

O'ta og'ir yadrolarning hosil bo'lishi maqsadli yadro va tushayotgan zarraning to'liq qo'shilishi natijasida sodir bo'lganligi sababli, ikkita to'qnashuvchi yadroning birikma yadroga qo'shilish jarayoni dinamikasini tavsiflovchi nazariy modellarni yaratish,kerak.
O'ta og'ir elementlarning sintezi muammosi Z, N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (sehrli raqamlar) bo'lgan yadrolarning radioaktiv parchalanishning turli usullariga nisbatan barqarorligini oshirishi bilan chambarchas bog'liq. Bu hodisa qobiq modeli doirasida tushuntiriladi - sehrli raqamlar to'ldirilgan qobiqlarga mos keladi. Tabiiyki, Z va N larda quyidagi sehrli sonlarning mavjudligi haqida savol tug'iladi. Agar ular N> 150, Z> 101 atom yadrolarining N-Z diagrammasi hududida mavjud bo'lsa, yarim yemirilish davri oshgan o'ta og'ir yadrolarni kuzatish kerak, ya'ni.
Barqarorlik oroli bo'lishi kerak. Bu ishda Vuds-Sakson potentsialidan foydalangan holda bajarilgan hisob-kitoblarga asoslanib, spin-orbitaning o'zaro ta'sirini hisobga olgan holda, Z = 114, ya'ni keyingi to'ldirilgan yadro uchun yadro barqarorligining oshishi kutilishi kerakligi ko'rsatilgan. proton qobig'i Z = 114 ga to'g'ri keladi, to'ldirilgan neytron qobig'i N soniga to'g'ri keladi. ~ 184. Yopiq qobiqlar bo'linish to'sig'ining balandligini sezilarli darajada oshirishi va shunga mos ravishda yadroning ishlash muddatini oshirishi mumkin.
Shunday qilib, yadrolarning ushbu hududida (Z = 114, N ~ 184), Barqarorlik orolini qidiring. Xuddi shu natija ishda mustaqil ravishda olingan.
Z = 101-109 bo'lgan yadrolar 1986 yilgacha kashf etilgan va shunday nomlangan: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobeliy), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Ruterfordium, 106 - Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium) Dubnalik tadqiqotchilarning kashfiyotdagi xizmatlarini hisobga olgan holda. katta raqam og'ir elementlarning izotoplari (102-105), 1997 yilda Sof va amaliy kimyo Bosh Assambleyasi qarori bilan Z = 105 bo'lgan element Dubnium (Db) deb nomlandi. Bu element ilgari Ha (Gannium) deb nomlangan.

Guruch. 12.3. Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112) izotoplarining parchalanish zanjirlari.
O'ta og'ir yadrolarni o'rganishning yangi bosqichi 1994 yilda boshlandi, bunda aniqlash samaradorligi sezilarli darajada oshdi va o'ta og'ir yadrolarni kuzatish texnikasi takomillashtirildi. Natijada Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) va Cn (Z = 112) izotoplari,ochildi.

O'ta og'ir yadrolarni olish uchun 50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn va 82 Se tezlashtirilgan nurlar ishlatilgan. Maqsad sifatida 208 Pb va 209 Bi izotoplari ishlatilgan. Yadro reaksiyalari laboratoriyasida 110-elementning turli izotoplari sintez qilingan. G.N. Flerov 244 Pu (34 S, 5n) 272 110 va GSI (Darmshtadt) da 208 Pb (62 Ni, n) 269 110. Izotoplar 269 Ds, 271 Ds, 272 Rg va 277 Cn qayd etilgan. parchalanish zanjirlari (12.3-rasm).

O'ta og'ir elementlarni ishlab chiqarishda kimyoviy elementlarning kutilayotgan xususiyatlarini, ular hosil bo'lishi mumkin bo'lgan reaktsiyalarni hisoblash uchun foydalaniladigan nazariy modellar muhim rol o'ynaydi.
O'ta og'ir yadrolarning parchalanish xususiyatlari turli nazariy modellar asosida hisoblab chiqilgan. Ushbu hisob-kitoblardan birining natijalari rasmda ko'rsatilgan. 12.4. Juft-juft o'ta og'ir yadrolarning yarimparchalanish davri o'z-o'zidan bo'linish (a), a-emirilish (b), b-emirilish (c) va barcha mumkin bo'lgan parchalanish jarayonlari (d) uchun berilgan.
O'z-o'zidan bo'linishga nisbatan eng barqaror yadro (12.4a-rasm) Z = 114 va N = 184 bo'lgan yadrodir. Buning uchun o'z-o'zidan bo'linishga nisbatan yarimparchalanish davri ~ 10 16 yil. 114-elementning eng barqaror izotoplaridan 6-8 neytron bilan farq qiladigan izotoplari uchun yarim yemirilish davri 200 ga kamayadi.10-15 darajali buyurtmalar. a-emirilishga nisbatan yarim yemirilish davrlari rasmda ko'rsatilgan. 12.5b. Eng barqaror yadro Z = 114 va N = 184 (T 1/2 = 10 15 yil) da joylashgan.b-emirilishga nisbatan barqaror yadrolar shaklda ko'rsatilgan. 12,4 qorong'u nuqtalarda. Shaklda. 12.4d markaziy kontur ichida joylashgan juft-juft yadrolar uchun ~ 10 5 yil bo'lgan umumiy yarim umrni ko'rsatadi.
Shunday qilib, parchalanishning barcha turlarini hisobga olgandan so'ng, Z = 110 va N = 184 yaqinidagi yadrolar "barqarorlik oroli" ni tashkil qiladi. 294 110 yadrosining yarim yemirilish davri taxminan 10 9 yilni tashkil qiladi. Z qiymati va qobiq modeli tomonidan bashorat qilingan sehrli raqam 114 o'rtasidagi farq bo'linish (Z = 114 bo'lgan yadro eng barqaror) va a-emirilish (qaysi yadrolarga nisbatan past bo'lsa) o'rtasidagi raqobat bilan bog'liq. Z barqaror). Toq-juft va juft-toq yadrolar ga nisbatan yarim yemirilish davriga ega a-emirilish va o'z-o'zidan bo'linish kuchayadi va b-emirilishga nisbatan ular kamayadi.
Shuni ta'kidlash kerakki, yuqoridagi hisob-kitoblar hisob-kitoblarda qo'llaniladigan parametrlarga kuchli bog'liq bo'lib, ular faqat eksperimental aniqlash uchun etarlicha uzoq umrga ega bo'lgan o'ta og'ir yadrolarning mavjudligining ko'rsatkichlari sifatida qaralishi mumkin.
Guruch. 12.4. Juft va hatto o‘ta og‘ir yadrolar uchun hisoblangan yarim yemirilish davri (raqamlar yarim yemirilish davrini yillar bo‘yicha ko‘rsatadi):
a - o'z-o'zidan bo'linishga nisbatan, b - a-emirilish, c - e-qo'lga olish va b-emirilish, d - barcha parchalanish jarayonlari uchun
O'ta og'ir yadrolarning muvozanat shakli va ularning yarimparchalanish davrlarini yana bir hisoblash natijalari rasmda ko'rsatilgan. 12.5, 12.6. Shaklda. 12.5 Z = 104-120 bo'lgan yadrolar uchun muvozanat deformatsiya energiyasining neytronlar va protonlar soniga bog'liqligini ko'rsatadi. Deformatsiya energiyasi muvozanat va sferik shakldagi yadrolarning energiyalari o'rtasidagi farq sifatida aniqlanadi. Ushbu ma'lumotlardan ko'rinib turibdiki, Z = 114 va N = 184 mintaqalarida asosiy holatda sferik shaklga ega bo'lgan yadrolar bo'lishi kerak. Hozirgacha topilgan barcha o'ta og'ir yadrolar (12.5-rasmda qorong'u romblar bilan ko'rsatilgan) deformatsiyalangan. Ochiq romblar b-emirilishga nisbatan barqaror yadrolarni ko'rsatadi. Bu yadrolar a-emirilish yoki bo'linish natijasida parchalanishi kerak. Asosiy parchalanish kanali alfa parchalanishi bo'lishi kerak.
Juft-juft b-barqaror izotoplarning yarim yemirilish davri 2-rasmda keltirilgan. 12.6. Ushbu bashoratlarga ko'ra, ko'pchilik yadrolar uchun yarimparchalanish muddati allaqachon kashf etilgan o'ta og'ir yadrolar uchun kuzatilganidan (0,1-1 ms) ancha uzoqroq bo'lishi kutilmoqda. Masalan, 292 Ds yadrosi uchun umr bo'yi ~ 51 yil prognoz qilingan.
Shunday qilib, zamonaviy mikroskopik hisob-kitoblarga ko'ra, o'ta og'ir yadrolarning barqarorligi N = 184 neytronlar uchun sehrli raqamga yaqinlashganda keskin ortadi. Yaqin vaqtgacha Z = 112 Cn (kopernitsiy) elementining yagona izotopi 277 Cn izotopi bo'lgan. yarim yemirilish davri 0,24 ms. Og'irroq izotopi 283 Cn 48 Ca + 238 U sovuq termoyadroviy reaksiyada sintez qilindi. Nurlanish vaqti 25 kun edi. Maqsaddagi 48 Ca ionlarining umumiy soni 3,5 × 10 18 ni tashkil qiladi. Ikkita holat qayd etildi, ular hosil bo'lgan 283 Cn izotopining o'z-o'zidan bo'linishi deb talqin qilindi. Ushbu yangi izotopning yarim yemirilish davri T 1/2 = 81 s deb taxmin qilinadi. Shunday qilib, ko'rish mumkinki, 283 Cn izotopidagi neytronlar soni 277 Cn izotopiga nisbatan 6 birlikka ko'payishi hayot vaqtini 5 darajaga oshiradi.

Shaklda. Ishdan olingan 12.7 a-emirilishning eksperimental o'lchangan davrlari yadrolarning qobiq tuzilishini hisobga olmagan holda suyuqlik tomchisi modeliga asoslangan nazariy hisob-kitoblar natijalari bilan taqqoslanadi. Ko'rinib turibdiki, barcha og'ir yadrolar uchun, engil uran izotoplari bundan mustasno, qobiq effektlari ko'pchilik yadrolar uchun yarim yemirilish davrini 2-5 darajaga oshiradi. Yadroning qobiq tuzilishi o'z-o'zidan bo'linishga nisbatan yarimparchalanish davriga yanada kuchli ta'sir qiladi. Pu izotoplari uchun yarimparchalanish davrining ortishi bir necha darajali va 260 Sg izotopi uchun ortadi.

Guruch. 12.7. Yadroning qobiq strukturasini hisobga olmagan holda suyuqlik tushishi modeli asosida transuran elementlarining eksperimental o‘lchangan (● exp) va nazariy hisoblangan (○ Y) yarim yemirilish davri. Yuqori raqam a-emirilishning yarim yemirilish davri, pastki ko'rsatkich spontan bo'linish uchun yarim yemirilish davri.
Seiborgiy izotoplarining Sg (Z = 106) o'lchangan umri turli nazariy modellarning bashoratlari bilan solishtirganda ko'rsatilgan. N = 164 bo'lgan izotopning ishlash muddati N = 162 bo'lgan izotopning ishlash muddati bilan solishtirganda deyarli bir darajaga kamayishi diqqatga sazovordir.
Barqarorlik oroliga eng yaqin yondashuvga 76 Ge + 208 Pb reaktsiyasida erishish mumkin. O'ta og'ir deyarli sharsimon yadro sintez reaktsiyasida hosil bo'lishi mumkin, keyin g-kvanta yoki bitta neytron emissiyasi.
Hisob-kitoblarga ko'ra, hosil bo'lgan yadro 284 114 yarimparchalanish davri ~ 1 ms bo'lgan alfa zarrachalarining emissiyasi bilan parchalanishi kerak. Qo'shimcha ma'lumot N = 162 mintaqadagi qobiqni to'ldirishni 271 Hs va 267 Sg yadrolarining a-emirilishlarini o'rganish orqali olish mumkin. Ushbu yadrolarning yarimparchalanish davri 1 minutni tashkil qiladi. va 1 soat. 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271,273 Ds yadrolar uchun izomeriya kutiladi, buning sababi N = 162 mintaqada j = 1/2 va j = 13/2 bilan pastki qobiqlarni to'ldirishda deformatsiyalangan yadrolar uchun. zamin holati.
208 Pb nishon yadrosi bilan hodisa 50 Ti va 56 Fe ionlarining sintezi reaksiyalari uchun Rf (Z = 104) va Hs (Z = 108) elementlarini hosil qilish uchun eksperimental o'lchangan qo'zg'alish funktsiyalarini ko'rsatadi.
Olingan birikma yadrosi bir yoki ikkita neytronning emissiyasi bilan sovutiladi. Og'ir ion sintez reaktsiyalarining qo'zg'alish funktsiyalari haqidagi ma'lumotlar o'ta og'ir yadrolarni ishlab chiqarish uchun ayniqsa muhimdir. Og'ir ionlarning sintez reaktsiyasida Kulon kuchlari va sirt taranglik kuchlarining ta'sirini aniq muvozanatlash kerak. Agar tushayotgan ionning energiyasi etarlicha katta bo'lmasa, u holda ikkilik yadro tizimining sintezi uchun eng yaqin yondashuvning masofasi etarli bo'lmaydi. Agar tushayotgan zarrachaning energiyasi juda katta bo'lsa, unda hosil bo'lgan tizim yuqori qo'zg'alish energiyasiga ega bo'ladi va u yuqori ehtimollik bilan bo'laklarga bo'linadi. Birlashish samarali tarzda to'qnashuvchi zarrachalar energiyalarining juda tor diapazonida sodir bo’ladi

12.10-rasm. 64 Ni va 208 Pb sintezi uchun potentsial diagramma.
Minimal miqdordagi neytronlar (1-2) chiqishi bilan termoyadroviy reaktsiyalar alohida qiziqish uyg'otadi, chunki sintezlangan o'ta og'ir yadrolarda eng katta N / Z nisbatiga ega bo'lish maqsadga muvofiqdir. Shaklda. 12.10 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds reaksiyasida yadrolarning sintez potentsialini ko'rsatadi. Eng oddiy hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, yadroviy sintez uchun tunnel effekti ehtimoli ~ 10-21 ni tashkil qiladi, bu kuzatilgan kesimdan sezilarli darajada past. Buni quyidagicha tushuntirish mumkin.
Yadro markazlari orasidagi 14 fm masofada 236,2 MeV boshlang'ich kinetik energiya Kulon potensiali bilan to'liq qoplanadi. Bu masofada faqat yadro yuzasida joylashgan nuklonlar aloqa qiladi. Bu nuklonlarning energiyasi past. Binobarin, nuklonlar yoki juft nuklonlar bir yadrodagi orbitallarni tark etib, sherik yadroning erkin holatlariga o`tish ehtimoli katta. Nuklonlarning snaryad yadrosidan nishon yadrosiga o'tishi, ayniqsa, qo'rg'oshinning qo'sh sehrli izotopi 208 Pb nishon sifatida ishlatilganda jozibador bo'ladi. 208 Pb da h 11/2 proton pastki qavati va h 9/2 va i 13/2 neytron pastki qavatlari to'ldiriladi.
Dastlab, proton almashinuvi proton-proton tortishish kuchlari tomonidan rag'batlantiriladi va h 9/2 pastki qavat to'ldirilgandan so'ng, proton-neytron tortishish kuchlari tomonidan rag'batlantiriladi. Xuddi shunday, neytronlar erkin i 11/2 pastki qavatga o'tadi va allaqachon to'ldirilgan i 13/2 pastki qavatdagi neytronlar tomonidan tortiladi. Juftlanish energiyasi va katta orbital burchak impulsi tufayli bir juft nuklonning o'tishi bitta nuklonning ko'chishiga qaraganda ko'proq. 64 Ni 208 Pb dan ikkita proton o'tkazilgandan so'ng, kulon to'sig'i 14 MeV ga kamayadi, bu o'zaro ta'sir qiluvchi ionlarning yaqinroq aloqa qilishiga va nuklonlarni uzatish jarayonining davom etishiga yordam beradi.
Asarlarda [V.V. Volkov. Chuqur noelastik uzatmalarning yadro reaksiyalari. M. Energoizdat, 1982; V.V. Volkov. Izv. SSSR Fanlar akademiyasi, fizich seriyasi, 1986 yil 50-bet. 1879] termoyadroviy reaktsiyaning mexanizmi batafsil o'rganildi. Ko'rsatilishicha, qo'lga olish bosqichida, tushayotgan zarrachaning kinetik energiyasi to'liq yo'qolganidan keyin ikkilik yadro tizimi hosil bo'ladi va yadrolardan birining nuklonlari asta-sekin qobiq bilan boshqa yadroga o'tkaziladi. Ya'ni, yadrolarning qobiq tuzilishi murakkab yadro hosil bo'lishida muhim rol o'ynaydi. Ushbu model asosida murakkab yadrolarning qo'zg'alish energiyasini va sovuq sintez reaktsiyalarida Z = 102-112 elementlarning hosil bo'lish kesimini juda yaxshi tasvirlash mumkin edi.
Shunday qilib, Z = 107-112 transuranik elementlarning sintezidagi taraqqiyot sovuq termoyadroviy reaktsiyalarning "kashfiyoti" bilan bog'liq bo'lib, unda 208 Pb va 209 Bi sehrli izotoplari Z = 22-30 ionlari bilan nurlangan. Sovuq sintez reaktsiyasida hosil bo'lgan yadro zaif isitiladi va bitta neytronning chiqishi natijasida soviydi. Z = 107-112 bo'lgan kimyoviy elementlarning izotoplari birinchi marta shunday olingan. Bu kimyoviy elementlar 1978-1998 yillarda olingan. Germaniyada Darmshtadtdagi GSI tadqiqot markazida maxsus ishlab chiqilgan tezlatgichda. Biroq, bu usul bilan keyingi rivojlanish - og'irroq yadrolarga - to'qnashuvchi yadrolar orasidagi potentsial to'siqning o'sishi tufayli qiyin bo'lib chiqadi. Shu sababli, Dubnada o'ta og'ir yadrolarni ishlab chiqarishning boshqa usuli amalga oshirildi. Maqsadlar sun'iy ravishda olingan kimyoviy elementlarning eng og'ir izotoplari edi: plutoniy Pu (Z = 94), amerisiy Am (Z = 95), kuriy Cm (Z = 96), berkeliy Bk (Z = 97) va kaliforniy Cf (Z =) 98) ... Tezlashtirilgan ionlar sifatida 48 Ca (Z = 20) kaltsiy izotopi tanlangan. Separator va orqaga qaytish yadrosi detektorining sxematik ko'rinishi shaklda ko'rsatilgan. 12.11.

Guruch. 12.11. Dubna shahrida o'ta og'ir elementlarni sintez qilish bo'yicha tajribalar olib boriladigan orqaga qaytish yadrosi separatorining sxematik ko'rinishi.

Qaytaruvchi yadrolarning magnit separatori reaktsiyaning qo'shimcha mahsuloti fonini 10 5 -10 7 marta kamaytiradi. Reaktsiya mahsulotlarini ro'yxatga olish pozitsiyaga sezgir kremniy detektori yordamida amalga oshirildi. Orqaga qaytish yadrolarining energiyasi, koordinatalari va parvoz vaqti o'lchandi. To'xtagandan so'ng, aniqlangan parchalanish zarralaridan keyingi barcha signallar implantatsiya qilingan yadroning to'xtash nuqtasidan kelishi kerak. Ishlab chiqilgan texnika yuqori darajadagi ishonchlilik bilan (≈ 100%) detektorda to'xtatilgan o'ta og'ir yadro va uning parchalanish mahsulotlari o'rtasida aloqa o'rnatish imkonini berdi. Ushbu usul o'ta og'ir elementlarni ishonchli aniqlash uchun ishlatilgan
Z = 110-118 (12.2-jadval).Z = 110-118 bo'lgan o'ta og'ir kimyoviy elementlarning xususiyatlari ko'rsatilgan: massa soni A, m - massa soni A, spin-paritet JP, yadroviy