Die Isotope der 120. und 124. chemischen Elemente neigen zur Langlebigkeit • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Physik, Chemie

Die Isotope der chemischen Elemente 120 und 124 neigen zur Langlebigkeit

Abb. 1. Der INDRA-Detektor im französischen Beschleunigerlabor GANIL, wo die beschriebenen Ergebnisse erhalten wurden. Foto von phototheque.in2p3.fr

Französische Physiker bestätigten experimentell die Vorhersagen der Theoretiker, dass einige Isotope des 120. und 124. Elements eine erhöhte Stabilität aufweisen. Wahrscheinlich haben diese Elemente wirklich langlebige Isotope.

Die Suche nach langlebigen Isotopen superschwerer Elemente ist einer der faszinierendsten Abschnitte der Kernphysik. Heute wurden bereits viele transurane Elemente synthetisiert, aber alle erwiesen sich als instabil. Theoretiker haben lange vorhergesagt, dass unter diesem "Meer" instabiler Isotope "Inseln der Stabilität" existieren können – spezielle Gruppen von Kernen mit einer anomal langen Lebensdauer.

Das häufigste Argument dafür ist die Vorhersage des Kernschalenmodells, das für die Beschreibung gewöhnlicher Kerne gut funktioniert hat. In diesem Modell verleiht eine vollständig gefüllte Protonen- oder Neutronenhülle dem Kern eine besondere Stabilität, die seine Lebensdauer dramatisch erhöht. Berechnungen basierend auf Shell-ModellenSie prognostizieren solche Stabilitätsinseln irgendwo in der Region vom 114. bis zum 126. Element (unterschiedliche Werte werden in verschiedenen Modellen erhalten). Für solche Isotope jagen jetzt viele Physiker.

Ein Rekord ist immer noch die Synthese der Elemente 116 und 118 im Gemeinsamen Zentrum für Kernforschung in Dubna, Region Moskau. Dubna-Physiker haben vor, noch schwerere Elemente zu entdecken, aber man muss sich daran erinnern, dass ihre direkte Synthese bei der Kollision leichterer Kerne eine sehr schwierige Aufgabe ist. Erstens können nur Kerne mit einer ausreichenden Anzahl von Neutronen mehr oder weniger stabil sein. Um sie zu synthetisieren, ist es notwendig, leichte Neutronenüberschußkerne, die selbst selten sind, zu drücken. Zweitens, je schwerer der Kern ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass er geboren wird, so dass in den langen Betriebsmonaten des Beschleunigers nur wenige Kerne entstehen.

Vor diesem Hintergrund suchen Experimentalphysiker auch nach anderen, vielleicht nicht so direkten Wegen, die Vorhersagen der Theoretiker zu überprüfen. Eine solche Methode wurde kürzlich von einer Gruppe von Physikern erfolgreich getestet, die mit dem INDRA-Detektor am GANIL-Beschleuniger des schweren Kerns in der französischen Stadt Caen arbeiteten. Ein Artikel mit den Ergebnissen ihrer Experimente erschien kürzlich in der Zeitschrift Physische Überprüfungsschreiben.

Die Franzosen begannen nicht, den langlebigen Isotopen superschwerer Kerne nachzuspüren, sondern beschlossen, einfach die Lebensdauer von "neutronenarmen" Kernen zu messen, die relativ einfach zu erhalten sind. Dazu führten sie drei Versuchsreihen durch: Bestrahlen eines Nickelziels mit Urankernen (Kerne mit einer Ladung von Z = 120 bei der Fusion dieser Kerne) und eines Germaniumtargets mit Blei- und Urankernen (Kerne mit Z = 114 und 124).

Die resultierenden Kerne sind sehr instabil, aber die Instabilität der Instabilität ist anders, und in diesem Gespräch sollten einige Zahlen berücksichtigt werden. In typischen Kernreaktionen bewegen sich Teilchen mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 1/10 der Lichtgeschwindigkeit, und daher durchlaufen sie eine Strecke, die gleich dem Durchmesser eines schweren Kerns ist (dh etwa 10 Fermi oder 10-14 m), für etwa 10-21 c. Diese Zeit kann als typische nukleare Zeit bezeichnet werden. Wenn sich bei der Vereinigung zweier Kerne ein schwerer Kern bildet, der nicht die geringste Stabilität besitzt, so wird er in dieser Zeit zerfallen. Wenn es einen Faktor gibt, der den Zerfall des Kerns zurückhält, dann lebt er viel länger als diese Zeit.

Was die Franzosen schafften, war herauszufinden, welche der Kerne, die sie erhielten, mehr als 1 Atto Sekunde (10-18 c), also tausendmal länger als die typische Kernzeit. Dies war der Beweis, dass einige Isotope sich durch erhöhte Stabilität auszeichnen.

Die Autoren der Arbeit verwendeten dazu den sogenannten Schatteneffekt. Die Idee dieser Methode ist wie folgt (siehe 2). In einem Kristall sind die Atomkerne regelmäßig angeordnet – entlang kristallographischer Ebenen (aufgrund thermischer Schwingungen von Atomen ist diese Reihenfolge jedoch nicht streng, sondern ungefähr). Wenn ein kleiner Zielkristall mit einem Strom schwerer Kerne bestrahlt wird, verschmelzen die Projektilkerne mit den Kernen des Ziels und zerfallen dann an derselben Stelle – Fragmente, die in verschiedene Richtungen auseinander fliegen. Diese Fragmente, die entlang der kristallographischen Ebenen herausfliegen, werden jedoch nicht in der Lage sein, den Detektor zu erreichen, da ihr Weg durch den Rest der Kerne in dieser Ebene verläuft. Daher wird im Detektor von Kernen, die in dieser Richtung erzeugt werden (dh in einem Winkel ядер nahe Null), ein realer Schatten von der kristallographischen Ebene beobachtet.

Abb. 2. Mit dem Schatteneffekt die Lebensdauer instabiler Atomkerne messen. Auf der linken Seite: Die Geometrie der Emission von Tochterkernen nach dem Zerfall eines instabilen Kerns. Wenn der Zerfall direkt auf der kristallographischen Ebene auftritt, können die Tochterkerne nicht entlang der Ebene fliegen, sie werden von anderen Kernen absorbiert. Wenn der instabile Kern Zeit hat sich zu bewegen, können die Zerfallsprodukte auch entlang der kristallographischen Ebene verlaufen. Auf der rechten Seite: typische Abhängigkeit der Anzahl der Detektorzählungen vom Winkel der Abweichung von der Kristallachse, der im Detektor erhalten wird. Das "Versagen" bei kleinen Ablenkungswinkeln ist der Schatten von der kristallographischen Ebene, aber dieser Schatten ist partiell. Entsprechend der "Tiefe" des Schattens ist es möglich, die ungefähre Lebensdauer von instabilen Kernen zu bestimmen. Abb. aus der Geschichte von Joseph Natovitz (Joseph B. Natowitz) über den Artikel in der Diskussion Phys. Rev. Lett.

Wenn der Kern eine hohe Stabilität aufweist, fällt er nicht sofort nach der Fusion auseinander, sondern nach kurzer Zeit. Eine Zeitverzögerung in der Größenordnung von 1 Attosekunde ist ausreichend, um aus der kristallographischen Ebene herauszufliegen und zwischen den Ebenen zu zerfallen. Kinderkerne, die streng entlang der Ebene ausgeflogen sind, werden nicht mehr absorbiert und erreichen ruhig den Detektor.Mit anderen Worten, es gibt keinen Schatten in dieser Richtung.

In einer realen Situation wird es Kerne geben, die sich sofort und verzögert auflösen. Daher wird der Schatten unvollständig sein, wie in Abb. 2 rechts. Aber schon die Tatsache der Beobachtung ein unvollständiger Schatten legt nahe, dass zumindest einige der Kerne um hunderte und tausende Male typischer Nuklearzeit vor dem Zerfall verzögert sind.

Mit dieser Methode untersuchten die französischen Physiker die Stabilität der Isotope der Elemente 114, 120 und 124. Diese Aufgabe war nicht einfach, da die Zerfallsprodukte und ihre Energie nicht festgelegt waren und in ziemlich weiten Grenzen variieren konnten. Aufgrund der guten Eigenschaften des Detektors im Fall von Kernen mit Z = 120 und 124 konnten sie jedoch den "langlebigen" Teil der Kerne identifizieren, der länger als 1 Attosekunde dauerte. Aber für Kerne mit Z = 114 wurde dieser Effekt nicht beobachtet.

Die Frage kann sich stellen: Was nützen diese instabilen Kerne? Welchen Unterschied macht es, wenn sie in hundert Attosekunden oder hundert Attosekunden leben?

Der Punkt hier ist, dass all diese instabilen Neutronen-defizienten Isotope garantiert es gibt auch schwerere, "neutronen-ausreichende" Isotope.Hier können sie auch die echten Langleber erscheinen, es ist bis zur absoluten Stabilität möglich. Auf der Erfahrung sind sie noch nicht synthetisiert worden, aber Theoretiker studieren aktiv ihre Eigenschaften. Und nun kann das Ausmaß, in dem das eine oder andere theoretische Modell plausibel ist, nun mit Hilfe neuer experimenteller Daten an "neutronenarmen" Kernen getestet werden.

Somit zeigen die nun erhaltenen Daten indirekt an, dass die 120. und 124. chemischen Elemente langlebige Isotope aufweisen können, und daher lohnt es sich, nach ihnen zu suchen.

Quelle: M. Morjeanet al. Fission Time Measurements: Eine neue Sonde in die superschwere Elementstabilität // Phys. Rev. Lett. 101, 072701 (11. August 2008); Volltext – PDF, 290 Kb.

Siehe auch:
1) J. B. Natowitz. Wie stabil sind die schwersten Kerne? // Physics 1, 12 (2008) – eine Geschichte über die Arbeit in der Diskussion.
2) S. A. Karamyan. Messungen der Dauer von Kernreaktionen mit schweren Ionen // Etsha, 1986, Bd. 17, Bd. 4, s. 753.
3) A. F. Tulinov. Der Einfluss des Kristallgitters auf einige atomare und nukleare Prozesse // Physics-Uspekhi, 1965, T. 87, vol. 4, s. 585.

Igor Iwanow


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