О́стров стаби́льности в ядерной физике — гипотетическая трансурановая область на карте изотопов, для которой (в соответствии с теорией оболочечного строения ядра и , удостоенных в 1963 году Нобелевской премии по физике) вследствие предельного заполнения в ядре протонных и нейтронных оболочек, время жизни изотопов значительно превышает время жизни «соседних» трансурановых изотопов, делая возможным долгоживущее и стабильное существование таких элементов, в том числе в природе.
На острове, а точнее островах стабильности, есть пики и спуски относительной стабильности разных элементов. Наиболее яркими кандидатами на принадлежность первому Острову стабильности долгое время рассматривались изотопы элементов, имеющих порядковые номера 114 и 126 и соответственно так называемые магическое и дважды магическое числовые значения ядер по оболочечной теории.
Первые изотопы элемента 114, синтезированные в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ), действительно имеют нетипично большой период полураспада См. также свободно доступный препринт , несколько отличающийся от статьи в Phys. Rev. C , что подтверждает оболочечную теорию. В мае 2006 года российские учёные под руководством Юрия Оганесяна из ОИЯИ объявили, что им удалось подтвердить существование первого долгоживущего изотопа элемента 114 и получить экспериментальное подтверждение существования Острова стабильности — в ходе этого эксперимента в дополнение к ранее проведённым физическим экспериментам была проведена химическая идентификация цепочек распада. Элемент флеровий (114), как и элемент ливерморий (116), был признан IUPAC в декабре 2011 года и получил зарегистрированное официальное название в мае 2012 года.
Было сделано несколько предсказаний относительно точного местоположения острова стабильности, хотя обычно считается, что он сосредоточен вблизи изотопов коперниция и флеровия вблизи предсказанной замкнутой нейтронной оболочки при N = 184. Эти модели убедительно предполагают, что заполненная оболочка обеспечит дополнительную устойчивость к делению и альфа-распаду. Хотя ожидается, что эти эффекты будут наибольшими вблизи атомного номера Z = 114 и N = 184, ожидается, что область повышенной стабильности будет охватывать несколько соседних элементов, а также могут существовать дополнительные острова стабильности вокруг более тяжёлых ядер, которые являются дважды магическими (имеющими магические числа как протонов, так и нейтронов). Оценки стабильности нуклидов на острове обычно составляют период полураспада, составляющий минуты или дни; по некоторым оценкам — период полураспада составит миллионы лет.
Хотя модель ядерной оболочки, предсказывающая магические числа, существует с 1940-х годов, существование долгоживущих сверхтяжёлых нуклидов окончательно не продемонстрировано. Как и остальные сверхтяжёлые элементы, нуклиды острова стабильности никогда не были обнаружены в природе; таким образом, они должны быть созданы искусственно в ходе изучаемой ядерной реакции. Учёные не нашли способа осуществить такую реакцию, поскольку вполне вероятно, что для заселения ядер вблизи центра острова потребуются новые типы реакций. Тем не менее успешный синтез сверхтяжёлых элементов до Z = 118 (оганессон) с числом нейтронов до 177 демонстрирует небольшой стабилизирующий эффект вокруг элементов со 110 по 114, который может продолжаться и в неизвестных изотопах, что согласуется с существованием острова стабильности.
Введение
Стабильность нуклидов
Состав нуклида (атомного ядра) определяется количеством протонов Z и количеством нейтронов N, которые в сумме дают массовое число A. Число протонов Z или атомный номер определяет положение элемента в периодической системе химических элементов Менделеева. Примерно 3300 известных нуклидов обычно представляются на диаграмме с координатами Z и N по осям и периодом полураспада, указанным для каждого нестабильного нуклида , 251 нуклид считается стабильным (распад никогда не наблюдался); обычно с увеличением числа протонов стабильные ядра имеют более высокое отношение количества нейтронов к протонам (больше нейтронов на один протон). Последний элемент таблицы Менделеева, имеющий стабильный изотоп, — свинец (Z = 82), со стабильностью (то есть периоды полураспада самых долгоживущих изотопов), как правило, уменьшающимися в более тяжёлых элементах, особенно за пределами кюрия (Z = 96). Период полураспада ядер также уменьшается, когда существует однобокое соотношение количества нейтронов к протонам, так что образующиеся ядра имеют слишком мало или слишком много нейтронов, чтобы быть стабильными.
Стабильность ядра определяется его энергией связи: чем выше энергия связи, тем более стабилен нуклид. Энергия связи на нуклон увеличивается с увеличением атомного номера до широкого плато наблюдаемого вокруг атомного номера A = 60, а затем снижается. Если ядро можно разделить на две части, имеющие меньшую общую энергию (следствие дефекта массы, возникающего из-за большей энергии связи), оно нестабильно. Ядро может сохраняться вместе в течение конечного времени, поскольку существует потенциальный барьер, препятствующий распаду, но этот барьер можно преодолеть с помощью квантового туннелирования. Чем меньше барьер и массы осколков, тем больше вероятность распада в единицу времени.
Протоны в ядре связаны сильным взаимодействием, которое уравновешивает кулоновское отталкивание между положительно заряженными протонами. В более тяжёлых ядрах необходимо большее количество незаряженных нейтронов, чтобы уменьшить отталкивание и придать им дополнительную стабильность. Несмотря на это, когда физики начали синтезировать элементы, которых нет в природе, они обнаружили, что стабильность снижается по мере того, как ядра становятся тяжелее. Таким образом, они предположили, что периодическая система элементов имеет ограничение на атомный номер. Первооткрыватели плутония (94-го элемента) подумывали назвать его «ультимием» (), считая его последним. После открытия более тяжёлых элементов, некоторые из которых распались за микросекунды, стало казаться, что нестабильность в отношении спонтанного деления ограничит существование более тяжёлых элементов. В 1939 году верхний предел потенциального синтеза элементов был оценён вокруг элемента 104, а после первых открытий трансактинидных элементов в начале 1960-х годов этот верхний предел предсказания был распространён на элемент 108.
Магические числа
Ещё в 1914 году было высказано предположение о возможном существовании сверхтяжёлых элементов с атомными номерами, значительно превосходящими атомные номера урана — тогда самого тяжёлого из известных элементов, — когда немецкий физик Рихард Свинне предположил, что сверхтяжёлые элементы вокруг Z = 108 были источником излучения космических лучей. Хотя он не сделал никаких окончательных наблюдений, в 1931 году он выдвинул гипотезу, что трансурановые элементы вокруг Z = 100 или Z = 108 могут быть относительно долгоживущим и, возможно, существовать в природе. В 1955 году американский физик Дж. Уилер также предположил существование таких элементов; ему приписывают первое использование термина «сверхтяжёлый элемент» в статье 1958 года, опубликованной совместно с Фредериком Вернером. Эта идея вызвала широкий интерес лишь десять лет спустя, после усовершенствования модели оболочечного строения ядра. В этой модели атомное ядро построено в виде «оболочек», аналогичных электронным оболочкам в атомах. Независимо друг от друга нейтроны и протоны имеют энергетические уровни, которые обычно расположены близко друг к другу, но после заполнения одной оболочки требуется значительно больше энергии, чтобы начать заполнять следующую. Таким образом, энергия связи на нуклон достигает локального максимума и ядра с заполненными оболочками более стабильны, чем без них. Эта теория возникла в 1930-х годах, но только в 1949 году немецкие физики М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсен и другие самостоятельно разработали корректную формулировку.
Число нуклонов, которыми полностью заполняются оболочки, называют магическими числами. Для нейтронов наблюдались магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126, а следующее число, по прогнозам, будет 184. Протоны разделяют первые шесть из этих магических чисел, а число 126 было предсказано как магическое число протона с 1940-х годов. Нуклиды с магическим числом каждого, например 16O (Z = 8, N = 8), 132Sn (Z = 50, N = 82) и 208Pb (Z = 82, N = 126) — называются «дважды магическими» и более стабильны, чем близлежащие нуклиды, из-за большей энергии связи.
В конце 1960-х годов более сложные оболочечные модели были сформулированы американским физиком Уильямом Майерсом (William Myers) и польским физиком и независимо немецким физиком Хайнером Мельднером. С помощью этих моделей, принимая во внимание кулоновское отталкивание, Х. Мельднер предсказал, что следующее магическое число протонов может оказаться равным 114 вместо 126. У. Майерс и В. Свёнтецкий, по-видимому, придумали термин «остров стабильности», а американский химик Г. Сиборг, позже открывший многие сверхтяжёлые элементы, быстро принял этот термин и пропагандировал его. У. Майерс и В. Свентецкий также предположили, что некоторые сверхтяжёлые ядра будут более долгоживущими из-за более высоких барьеров деления. Дальнейшие усовершенствования модели ядерной оболочки советским физиком В. Струтинским привели к появлению макроскопически-микроскопического метода — модели ядерной массы, которая учитывает как плавные тенденции, характерные для модели жидкой капли, так и локальные флуктуации, вызванные оболочечными эффектами. Этот подход позволил шведскому физику С. Нильссону и др., а также другим группам провести первые подробные расчёты стабильности ядер на их острове. С появлением этой модели В. Струтинский, С. Нильссон и другие группы предсказали существование дважды магического нуклида 298Fl (Z = 114, N = 184), а не 310Ubh (Z = 126, N = 184), которому ещё в 1957 году преписывалось свойство быть дважды магическим. Впоследствии оценки магического числа протона колебались от 114 до 126, но единого мнения до сих пор нет.
Открытия +Наиболее стабильные изотопы сверхтяжёлых элементов (Z ⩾ 104) Элемент Атомное число Наиболее стабильный изотоп Период полураспада Публикации NUBASE 2020 Резерфордий 104 267Rf 48 мин 2,5 ч Дубний 105 268Db 16 ч 1,2 сут Сиборгий 106 269Sg 14 мин 5 мин Борий 107 270Bh 2,4 мин 3,8 мин Хассий 108 269Hs 9,7 с 16 с Мейтнерий 109 278Mt 4,5 с 6 с Дармштадтий 110 281Ds 12,7 с 14 с Рентгений 111 282Rg 1,7 мин 2,2 мин Коперниций 112 285Cn 28 с 30 с Нихоний 113 286Nh 9,5 с 12 с Флеровий 114 289Fl 1,9 с 2,1 с Московий 115 290Mc 650 мс 840 мс Ливерморий 116 293Lv 57 мс 70 мс Теннессин 117 294Ts 51 мс 70 мс Оганессон 118 294Og 690 мкс 700 мкс Интерес к возможному острову стабильности рос на протяжении 1960-х годов, поскольку некоторые расчёты предполагали, что он может содержать нуклиды с периодом полураспада в миллиарды лет. Было также предсказано, что они будут особенно устойчивы к спонтанному делению, несмотря на их высокую атомную массу. Считалось, что если такие элементы существуют и достаточно долговечны, может быть несколько новых применений вследствие их ядерных и химических свойств. К ним относятся использование в ускорителях частиц в качестве источников нейтронов, в ядерном оружии из-за их предсказанной низкой критической массы и испускаемых при делении большого количества нейтронов , а также в качестве ядерного топлива для космических миссий. Эти предположения побудили многих исследователей провести поиск сверхтяжёлых элементов в 1960-х и 1970-х годах как в природе, так и посредством нуклеосинтеза в ускорителях частиц.