İstikrar adası - Island of stability

Gelen nükleer fizik , istikrar adası bir öngörülen kümesidir izotopların ait superheavy unsurları çok daha uzun olabilir yarı ömürler bu elemanların bilinen izotopları daha. Bilinen kararlı ve uzun ömürlü ilkel radyonüklidlerden ayrılmış , nüklid tablosunda bir "ada" olarak görünmesi tahmin edilmektedir . Teorik varlığı, süper ağır kütle bölgesindeki protonların ve nötronların tahmin edilen " sihirli sayılarının " dengeleyici etkilerine atfedilir .

Ağır ve süper ağır nüklidlerin ölçülen ve tahmin edilen yarı ömürlerinin yanı sıra beta stabilite çizgisini ve stabilite adasının tahmini konumunu gösteren bir diyagram.
Müşterek Nükleer Araştırma Enstitüsü tarafından, proton ve nötron sayısına göre sıralanmış , süper ağır nüklidlerin ölçülen (kutulanmış) ve tahmin edilen yarı ömürlerini gösteren bir diyagram . Z = 112 civarındaki stabilite adasının beklenen konumu daire içine alınmıştır.

Kararlılık adasının tam konumu ile ilgili çeşitli tahminler yapılmıştır, ancak genel olarak N  = 184'te öngörülen kapalı nötron kabuğunun yakınında kopernikyum ve flerovyum izotoplarının yakınında merkezlendiği düşünülür. Bu modeller, kapalı kabuğun olacağını kuvvetle önerir. fisyon ve alfa bozunmasına karşı daha fazla kararlılık sağlar . Bu etkilerin atom numarası Z  = 114 ve N  = 184'e yakın en büyük olması beklenirken , artan kararlılık bölgesinin birkaç komşu elementi kapsaması beklenir ve ayrıca daha ağır çekirdeklerin etrafında iki misli sihirli olan ilave kararlılık adacıkları olabilir. hem protonların hem de nötronların sihirli sayıları). Adadaki elementlerin kararlılığına ilişkin tahminler genellikle dakikalar veya günler gibi bir yarı ömür civarındadır; bazı tahminler milyonlarca yıllık yarı ömürleri tahmin ediyor.

Sihirli sayıları öngören nükleer kabuk modeli 1940'lardan beri var olmasına rağmen, uzun ömürlü süper ağır nüklidlerin varlığı kesin olarak kanıtlanamamıştır. Diğer süper ağır elementler gibi, kararlılık adasındaki nüklidler de doğada hiçbir zaman bulunmadı; bu nedenle, incelenmek üzere bir nükleer reaksiyonda yapay olarak oluşturulmaları gerekir . Bilim adamları böyle bir reaksiyonu gerçekleştirmenin bir yolunu bulamadılar, çünkü adanın merkezine yakın çekirdekleri doldurmak için yeni reaksiyon türlerine ihtiyaç duyulacak gibi görünüyor. Bununla birlikte, Z  = 118'e ( oganesson ) kadar süper ağır elementlerin 177'ye kadar nötronla başarılı sentezi, 110 ila 114 arasındaki elementler etrafında , bilinmeyen izotoplarda devam edebilen, kararlılık adasının varlığını destekleyen hafif bir stabilize edici etki gösterir .

Tanıtım

nüklid stabilitesi

Atom numarası Z ve nötron numarası N eksenlerine karşı çizilen nüklid yarı ömürlerinin tam tablosu.
Bilinen nüklidlerin yarı ömür tablosu

Bir bileşimi nüklidin ( atom çekirdeği ) ile tanımlanır proton sayısı Z ve nötron sayısı K için toplam kütle numarası A . Proton sayısı , Z , aynı zamanda, atom numarası adlı bir konumunu belirler elemanı olarak periyodik tablonun . Yaklaşık 3300 bilinen nüklidler yaygın temsil edilmektedir grafik ile Z ve N eksenleri ve yarı-ömrü için radyoaktif bozunma her kararsız nüklid için endikedir (şekle bakınız). 2019 itibariyle, 252 nüklidin stabil olduğu gözlemlendi (hiç bozunmadığı gözlemlenmedi); genel olarak, proton sayısı arttıkça, kararlı çekirdekler daha yüksek bir nötron-proton oranına (proton başına daha fazla nötron) sahiptir. İstikrarlı olan periyodik tablodaki son öğe izotop olan kurşun ( Z  = 82), kararlılık ile (en uzun ömürlü izotopların yani yarı ömürleri), genellikle ağır elementler azalmaktadır. Çekirdeklerin yarı ömürleri, dengesiz bir nötron-proton oranı olduğunda da azalır, öyle ki ortaya çıkan çekirdekler, kararlı olamayacak kadar az veya çok fazla nötrona sahiptir.

Bir çekirdeğin kararlılığı, bağlanma enerjisi ile belirlenir , daha yüksek bağlanma enerjisi, daha fazla kararlılık sağlar. Nükleon başına bağlanma enerjisi, atom numarasıyla birlikte A  = 60 civarında geniş bir platoya yükselir , sonra düşer. Bir çekirdek, daha düşük toplam enerjiye sahip iki parçaya bölünebiliyorsa ( daha büyük bağlanma enerjisinden kaynaklanan kütle kusurunun bir sonucu), kararsızdır. Çekirdek , bölünmeye karşı potansiyel bir bariyer olduğu için sonlu bir süre bir arada kalabilir , ancak bu bariyer kuantum tünelleme ile aşılabilir . Parçaların bariyeri ve kütleleri ne kadar düşükse, birim zaman başına bölünme olasılığı o kadar yüksek olur.

Bir çekirdekteki protonlar , pozitif yüklü protonlar arasındaki Coulomb itmesini dengeleyen güçlü kuvvet tarafından birbirine bağlanır . Daha ağır çekirdeklerde, itmeyi azaltmak ve ek stabilite sağlamak için daha fazla sayıda yüksüz nötron gerekir. Öyle olsa bile, fizikçiler doğada bulunmayan elementleri sentezlemeye başladıkça , çekirdekler ağırlaştıkça kararlılığın azaldığını gördüler. Böylece periyodik tablonun sonunun gelebileceğini tahmin ettiler. Plütonyumu keşfedenler (element 94), sonuncusu olduğunu düşünerek onu "ultimium" olarak adlandırmayı düşündüler. Bazıları mikrosaniyeler içinde bozunan daha ağır elementlerin keşfinden sonra, kendiliğinden fisyonla ilgili kararsızlığın daha ağır elementlerin varlığını sınırlayacağı görüldü . 1939'da, element 104 civarında potansiyel element sentezinin bir üst limiti tahmin edildi ve 1960'ların başlarında transactinide elementlerin ilk keşiflerini takiben , bu üst limit tahmini element 108'e kadar genişletildi .

Atom numarası 82, 114, 120 ve 126 olan, bilinen ve tahmin edilen proton kabuklarının enerji seviyelerini gösteren diyagram.
Bilinen ve tahmin edilen proton kabuklarının enerji seviyelerini gösteren diyagram (sol ve sağ iki farklı modeli göstermektedir). Z  = 82, 114, 120 ve 126'daki boşluklar, özellikle kararlı konfigürasyonlara sahip olan ve dolayısıyla daha kararlı çekirdeklerle sonuçlanan kabuk kapanışlarına karşılık gelir.

Sihirli sayılar

1914 gibi erken bir tarihte, Alman fizikçi Richard Swinne , Z  = 108 civarındaki süper ağır elementlerin kozmik ışınlarda bir radyasyon kaynağı olduğunu öne sürdüğünde, atom numaraları uranyumun (o zamanlar bilinen en ağır element) çok ötesinde olan süper ağır elementlerin olası varlığı önerildi. . Kesin gözlemler yapmamasına rağmen, 1931'de Z  = 100 veya Z  = 108 civarındaki uranyumötesi elementlerin nispeten uzun ömürlü olabileceğini ve muhtemelen doğada var olabileceğini varsaymıştır . 1955'te Amerikalı fizikçi John Archibald Wheeler de bu elementlerin varlığını öne sürdü; Frederick Werner ile birlikte yayınlanan 1958 tarihli bir makalede "süper ağır element" teriminin ilk kullanımıyla tanınır. Bu fikir, nükleer kabuk modelindeki gelişmelerden on yıl sonrasına kadar geniş ilgi görmedi . Bu modelde, atom çekirdeği, atomlardaki elektron kabuklarına benzer şekilde "kabuklar" içinde inşa edilmiştir . Birbirlerinden bağımsız olarak, nötronlar ve protonlar normalde birbirine yakın olan enerji seviyelerine sahiptir, ancak belirli bir kabuk doldurulduktan sonra, bir sonrakini doldurmaya başlamak için önemli ölçüde daha fazla enerji gerekir. Böylece, nükleon başına bağlanma enerjisi yerel bir maksimuma ulaşır ve dolgulu kabuklu çekirdekler, olmayanlardan daha kararlıdır. Bu nükleer kabuk modeli teorisi 1930'larda ortaya çıktı, ancak 1949'a kadar Alman fizikçiler Maria Goeppert Mayer ve Johannes Hans Daniel Jensen ve ark. bağımsız olarak doğru formülasyonu tasarladı.

Kabukların doldurulduğu nükleon sayılarına sihirli sayılar denir . Nötronlar için 2, 8, 20, 28, 50, 82 ve 126 sihirli sayıları gözlendi ve bir sonraki sayının 184 olacağı tahmin ediliyor. Protonlar bu sihirli sayıların ilk altısını paylaşıyor ve 126'nın bir sihirli sayı olduğu tahmin ediliyor. 1940'lardan beri proton sayısı. 16 O ( Z  = 8, N  = 8), 132 Sn ( Z  = 50, N  = 82) ve 208 Pb ( Z  = 82, N  = 126) gibi sihirli bir sayıya sahip nüklidlere atıfta bulunulur. "çifte büyü" olarak bulunur ve daha büyük bağlanma enerjilerinin bir sonucu olarak yakındaki nüklidlerden daha kararlıdır.

1960'ların sonlarında, daha sofistike kabuk modelleri Amerikalı fizikçi William Myers ve Polonyalı fizikçi Władysław Świątecki ve bağımsız olarak Alman fizikçi Heiner Meldner (1939–2019) tarafından formüle edildi . Bu modellerle, Meldner, Coulomb itişini hesaba katarak, bir sonraki proton sihirli sayısının 126 yerine 114 olabileceğini tahmin etti. Myers ve Świątecki, "istikrar adası" terimini ortaya atmış görünüyorlar ve daha sonra bu adanın keşfini yapan Amerikalı kimyager Glenn Seaborg . süper ağır unsurların birçoğu, terimi hızla benimsedi ve tanıttı. Myers ve Świątecki ayrıca bazı süper ağır çekirdeklerin daha yüksek fisyon bariyerlerinin bir sonucu olarak daha uzun ömürlü olacağını öne sürdüler . Sovyet fizikçi Vilen Strutinsky tarafından nükleer kabuk modelinde daha fazla iyileştirmeler, hem sıvı damla modelinin özelliği olan düzgün eğilimleri hem de kabuk etkileri gibi yerel dalgalanmaları dikkate alan bir nükleer kütle modeli olan makroskopik-mikroskopik yöntemin ortaya çıkmasına neden oldu . Bu yaklaşım, İsveçli fizikçi Sven Nilsson ve arkadaşlarının yanı sıra diğer grupların ada içindeki çekirdeklerin kararlılığına ilişkin ilk ayrıntılı hesaplamaları yapmalarını sağladı. İki kat sihirli nüklidin varlığı için ileri bu model, Strutinsky, Nilsson ve diğer grupların ortaya çıkması ile 298 Fİ ( Z  = 114, N  = 184) yerine, 310 UBH ( Z  = 126, N  = 184) olarak 1957 gibi erken bir tarihte çift sihir olduğu tahmin edildi. Daha sonra, proton sihir sayısının tahminleri 114 ile 126 arasında değişti ve hala bir fikir birliği yok.

keşifler

Süper ağır elementlerin en kararlı izotopları ( Z ≥ 104)
eleman atom
numarası
En
kararlı
izotop
Yarım hayat
Yayınlar
NUBASE 2016
Rutherfordyum 104 267 Rf 1,3 saat 2,5 saat
dubniyum 105 268 Db 1,2 gün 1.1 gün
Seaborgiyum 106 269 Sg 14 dakika 5 dakika
Bohriyum 107 270 Bh 1 dakika 3,8 dk
hassiyum 108 269 Hs 9,7 sn 16 saniye
meitneryum 109 278 Mt 4,5 sn 7 saniye
Darmstadtium 110 281 D 12,7 sn 14 sn
röntgen 111 282 Rg 1,7 dk 1,6 dk
Kopernik 112 285 Cn 28 sn 32 sn
nihonyum 113 286 Nh 9,5 sn 7 saniye
flerovyum 114 289 Fl 1,9 sn 2,4 sn
Moskova 115 290 Mc 650 ms 410 ms
karaciğer 116 293 Sv 57 ms 80 ms
Tennessine 117 294 Ts 51 ms 70 ms
Oganesson 118 294 Og 690 µs 1,15 ms

Olası bir istikrar adasına olan ilgi, 1960'lar boyunca arttı, çünkü bazı hesaplamalar, yarı ömürleri milyarlarca yıl olan nüklidleri içerebileceğini öne sürdü. Ayrıca yüksek atomik kütlelerine rağmen spontan fisyona karşı özellikle kararlı oldukları tahmin edildi. Bu tür elementler varsa ve yeterince uzun ömürlüyse, nükleer ve kimyasal özelliklerinin bir sonucu olarak birkaç yeni uygulama olabileceği düşünülüyordu. Bu in kullanılmasını içerir parçacık hızlandırıcılar olarak nötron kaynağı olarak, nükleer silahların bir bunların tahmin edilen düşük bir sonucu olarak , kritik önemi ve fisyon başına yayılan nötron sayısının yüksek olması, ve benzeri gibi nükleer yakıt güç uzay için. Bu spekülasyonlar, birçok araştırmacıyı 1960'larda ve 1970'lerde hem doğada hem de parçacık hızlandırıcılarda nükleosentez yoluyla süper ağır elementler aramaya yöneltti .

1970'lerde, uzun ömürlü süper ağır çekirdekler için birçok araştırma yapıldı. Atom numarası 110 ile 127 arasında değişen elementleri sentezlemeye yönelik deneyler, dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlarda yapıldı. Bu elementler, bir nüklidden oluşan ağır bir hedefin bir siklotronda diğerinin hızlandırılmış iyonları tarafından ışınlandığı ve bu çekirdeklerin kaynaşmasından sonra yeni nüklidlerin üretildiği ve ortaya çıkan uyarılmış sistemin birkaç parçacığı buharlaştırarak enerjiyi serbest bıraktığı füzyon-buharlaşma reaksiyonlarında aranmıştır. (genellikle protonlar, nötronlar veya alfa parçacıkları). Bu reaksiyonlar, sırasıyla daha düşük ve daha yüksek uyarma enerjilerine sahip sistemler oluşturan "soğuk" ve "sıcak" füzyona ayrılır ; bu reaksiyonun verimini etkiler. Örneğin, 248 Cm ile 40 Ar arasındaki reaksiyonun 114 elementinin izotoplarını vermesi ve 232 Th ile 84 Kr arasındakinin ise 126 elementinin izotoplarını vermesi bekleniyordu. Bu girişimlerin hiçbiri başarılı olmadı, bu tür deneylerin başarılı olabileceğini gösteriyor. Eğer reaksiyon kesitleri düşükse (daha düşük verimle sonuçlanırsa) veya bu tür füzyon-buharlaşma reaksiyonları yoluyla ulaşılabilen herhangi bir çekirdeğin tespit için çok kısa ömürlü olabileceği durumlarda yeterince hassas değildir . Müteakip başarılı deneyler, artan atom numarası ile yarı ömürlerin ve kesitlerin gerçekten azaldığını ve her deneyde en ağır elementlerin sadece birkaç kısa ömürlü atomunun senteziyle sonuçlandığını ortaya koymaktadır.

Doğada benzer araştırmalar da başarısız oldu, bu da doğada süper ağır elementler varsa, bolluklarının cevherin molü başına 10-14 mol süper ağır elementten daha az olduğunu düşündürdü . Uzun ömürlü süper ağır çekirdekleri gözlemlemeye yönelik bu başarısız girişimlere rağmen , laboratuvarlarda birkaç yılda bir ışık iyon bombardımanı ve soğuk füzyon reaksiyonları yoluyla yeni süper ağır elementler sentezlendi ; İlk transactinid olan rutherfordium 1969'da keşfedildi ve Z  = 114'te tahmin edilen kararlılık adasına daha yakın sekiz proton olan copernicium'a 1996'da ulaşıldı. Bu çekirdeklerin yarı ömürleri çok kısa olmasına rağmen (sırasıyla) saniye ), rutherfordium'dan daha ağır elementlerin varlığı, kapalı mermilerin neden olduğu düşünülen dengeleyici etkilerin göstergesidir; bu tür etkileri dikkate almayan bir model , hızlı spontan fisyon nedeniyle bu elementlerin varlığını yasaklayacaktır.

Flerovyum, beklenen sihirli 114 proton ile, ilk başta 1998 yılında sentezlendi Nükleer Araştırma Ortak Enstitüsü içinde Dubna'da önderliğindeki fizikçiler bir grup tarafından, Rusya Yuri Oganessian . Ömrü 30.4 saniye olan tek bir element 114 atomu tespit edildi ve bozunma ürünlerinin yarılanma ömürleri dakikalarla ölçülebilirdi. Üretilen çekirdekler fisyon yerine alfa bozunmasına maruz kaldığından ve yarı ömürler, daha önce tahmin edilen veya süper ağır elementler için gözlemlenenlerden birkaç büyüklük mertebesi daha uzun olduğundan, bu olay adanın bir bozunma zinciri karakteristiğinin "ders kitabı örneği" olarak görülüyordu. istikrar adasının varlığına dair güçlü kanıtlar sunmaktadır. Orijinal 1998 zinciri tekrar gözlemlenmemesine ve ataması belirsiz kalmasına rağmen, sonraki yirmi yılda daha başarılı deneyler , yarı ömürlerinin başlangıçta tahmin edilen değerleri aştığı bulunan oganesson'a kadar tüm elementlerin keşfine yol açtı ; bu bozunma özellikleri, kararlılık adasının varlığını daha da desteklemektedir. Bununla birlikte, flerovyum izotoplarının bozunma zincirleri üzerine bir 2021 araştırması,  bilinen çekirdekler bölgesinde ( N  = 174) Z = 114'ten güçlü bir stabilize edici etki olmadığını ve ekstra stabilitenin ağırlıklı olarak nötron kabuğunun kapanmasının bir sonucu olacağını ileri sürmektedir. . Bilinen çekirdekler hala  maksimum stabilitenin beklendiği N = 184'ün birkaç nötron gerisine düşse de (en nötron açısından zengin teyit edilmiş çekirdekler, 293 Lv ve 294 Ts, yalnızca N  = 177'ye ulaşır ) ve adanın merkezinin tam konumu kalır. bilinmiyor, N  = 184'e daha yakın stabilite artışı eğilimi gösterildi. Örneğin, 277 Cn'den sekiz nötronu olan 285 Cn izotopunun yarılanma ömrü neredeyse beş kat daha uzundur. Bu eğilimin bilinmeyen daha ağır izotoplara doğru devam etmesi bekleniyor.

Birkaç alfa bozunmasından oluşan ve kendiliğinden fisyonla sonlanan Z süper ağır nüklidlerin bile gözlemlenen bozunma zincirlerinin bir diyagramı.
Çift sayılı, gözlenen bozunma zincirlerinin bir özeti Z geçici zincirleri 3, 5 atamaları, ve 8 daha büyük bir nötron fazla ile (izotoplar için stabilitesini artırmak için genel bir eğilim vardır dahil olmak üzere süper ağır elementler, N  -  Z , sayısındaki fark Protonlar ve nötronlar), özellikle 110, 112 ve 114 numaralı elementlerde bulunur, bu da kararlılık adasının merkezinin daha da ağır izotoplar arasında olduğunu kuvvetle önerir.

deforme çekirdekler

N  = 184 civarındaki kararlılık adası içindeki çekirdeklerin küresel olduğu tahmin edilse de , 1990'ların başlarından itibaren - Polonyalı fizikçiler Zygmunt Patyk ve 1991'de Adam Sobiczewski ile başlayan - bazı süper ağır elementlerin mükemmel küresel çekirdeklere sahip olmadığını öne sürüyor. Çekirdeğin şeklindeki bir değişiklik, kabuktaki nötron ve protonların konumunu değiştirir. Araştırmalar, küresel sihirli sayılardan uzaktaki büyük çekirdeklerin deforme olduğunu ve sihirli sayıların değişmesine veya yeni sihirli sayıların ortaya çıkmasına neden olduğunu gösteriyor. Mevcut teorik araştırma, Z  = 106–108 ve N  ≈ 160–164 bölgesinde, deforme olmuş çekirdekler için kabuk etkilerinin bir sonucu olarak çekirdeklerin fisyona karşı daha dirençli olabileceğini göstermektedir; bu nedenle, bu tür süper ağır çekirdekler yalnızca alfa bozunmasına uğrayacaktır. Hassium-270'in şimdi, deforme olmuş sihirli sayıları Z  = 108 ve N  = 162 olan , çift büyüyle deforme olmuş bir çekirdek olduğuna inanılıyor. Yarı ömrü 9 saniyedir. Bu dikkate aktinidler ve yakın stabilite adası arasındaki ara çekirdeklerin deforme yapısını dikkate modelleri ile tutarlıdır N  stabilite "yarımada" deforme sihirli numaraları ile ortaya çıktığı = 184, Z  = 108 ve N  arasında = 162. belirlenmesi N  = 162'ye yakın komşu hassium ve seaborgium izotoplarının bozunma özellikleri, deforme olmuş çekirdeklerde bu göreceli stabilite bölgesi için daha fazla güçlü kanıt sağlar. Bu aynı zamanda, kararlılık adasının (küresel çekirdekler için) kararlı çekirdekler bölgesinden tamamen izole edilmediğini, bunun yerine her iki bölgenin de nispeten kararlı, deforme olmuş çekirdeklerin bir kıstağıyla bağlantılı olduğunu kuvvetle önerir.

Öngörülen bozunma özellikleri

Bilinen ve tahmin edilen süper ağır çekirdeklerin dört ana bozunma modunu (alfa, elektron yakalama, beta ve kendiliğinden fisyon) gösteren bir diyagram.
Süper ağır çekirdeklerin tahmin edilen bozunma modlarını gösteren bir diyagram, gözlemlenen çekirdeklere siyah anahatlar verilmiştir. N  = 184'te kabuk kapanmasının hemen ötesindekilerin yanı sıra en nötron eksikliği olan çekirdeklerin ağırlıklı olarak kendiliğinden fisyona (SF) maruz kalacağı tahmin edilirken, adaya daha yakın nötron eksikliği olan çekirdeklerde alfa bozunması (α) baskın olabilir ve önemli ölçüde beta bozunması (β) veya elektron yakalama (EC) dalları adanın merkezine en yakın 291 Cn ve 293 Cn civarında görünebilir .

Yarı ömürleri istikrar kendisi adasında çekirdeklerinin gözlenmiştir "Adada" olacağını nüklitlerin hiç biri bilinmemektedir. Birçok fizikçi, bu çekirdeklerin yarı ömürlerinin dakikalar veya günler gibi nispeten kısa olduğuna inanır. Bazı teorik hesaplamalar kendi yarı ömürleri 100 yıl sırasına, uzun ya da muhtemelen sürece 10 olabileceğini göstermektedir 9 yıldır.

N  = 184'teki kabuk kapanmasının, alfa bozunması ve kendiliğinden fisyon için daha uzun kısmi yarı ömürlerle sonuçlanacağı tahmin edilmektedir . Kabuk kapanmasının, 298 Fl civarında çekirdekler için daha yüksek fisyon bariyerleri ile sonuçlanacağına, fisyonun güçlü bir şekilde engelleneceğine ve belki de kabuk kapanmasından etkilenmeyen çekirdeklerinkinden 30 kat daha büyük fisyon yarı ömürleriyle sonuçlanacağına inanılmaktadır . Örneğin, nötron eksikliği olan 284 Fl izotopu ( N  = 170 ile) 2.5 milisaniyelik bir yarı ömürle fisyona uğrar ve N  = civarında artan stabiliteye sahip en nötron eksikliği olan nüklidlerden biri olduğu düşünülür. 184 kabuk kapatma. Bu noktanın ötesinde, bazı keşfedilmemiş izotopların, daha da kısa yarı ömürleri ile fisyona uğrayacakları tahmin edilmektedir, bu da, kararlılık adasından uzaktaki süper ağır çekirdeklerin varlığını ve olası gözlemini sınırlandırmaktadır (yani, N  < 170 ve ayrıca Z  > 120 ve N  > için). 184). Bu çekirdekler , fisyon bariyerlerinin yokluğunda 10 -20 saniye civarında tahmin edilen bazı fisyon yarı ömürleri ile mikrosaniye veya daha kısa sürede alfa bozunmasına veya kendiliğinden fisyona uğrayabilir . Buna karşılık, 298 Fl (maksimum kabuk etkileri bölgesinde yer aldığı tahmin edilmektedir), muhtemelen 10 19 yıl civarında çok daha uzun bir kendiliğinden fisyon yarı ömrüne sahip olabilir .

Adanın merkezinde, tam oran modele bağlı olsa da, alfa bozunması ve kendiliğinden fisyon arasında rekabet olabilir. 100 ≤ Z  ≤ 130 olan 1700 çekirdeğin alfa bozunması yarı ömürleri,  hem deneysel hem de teorik alfa bozunumu Q değerleri ile bir kuantum tünelleme modelinde hesaplanmıştır ve en ağır izotopların bazıları için gözlenen yarı ömürlerle uyumludur.

En uzun ömürlü nüklidlerin de beta-kararlılık çizgisinde olduğu tahmin edilmektedir , çünkü beta bozunmasının adanın tahmin edilen merkezine yakın diğer bozunma modlarıyla, özellikle de 111-115 elementlerin izotopları için rekabet edeceği tahmin edilmektedir. Bu nüklidler için öngörülen diğer bozunma modlarının aksine, beta bozunması kütle numarasını değiştirmez. Bunun yerine, bir nötron bir protona dönüştürülür veya tam tersi, kararlılık merkezine daha yakın bir bitişik izobar (en düşük kütle fazlalığına sahip izobar) üretir . Örneğin, 291 Fl ve 291 Nh gibi nüklidlerde önemli beta bozunma dalları bulunabilir ; bu nüklidlerin bilinen nüklidlerden sadece birkaç tane daha fazla nötronu vardır ve kararlılık adasının merkezine doğru "dar bir yol" yoluyla bozunabilir. Beta bozunmasının olası rolü, bu elementlerin bazı izotoplarının ( 290 Fl ve 293 Mc gibi) alfa bozunması için daha kısa kısmi yarı ömürlere sahip olduğu tahmin edildiğinden , oldukça belirsizdir . Beta bozunması rekabeti azaltacak ve bu nüklidlerin süperdeforme olmuş izomerlerinde alfa bozunmasına karşı ek stabilite olmadığı sürece alfa bozunmasının baskın bozunma kanalı olarak kalmasıyla sonuçlanacaktır .

KTUY modeline göre bilinen ve tahmin edilen süper ağır çekirdeklerin dört ana bozunma modunu (alfa, elektron yakalama, beta ve kendiliğinden fisyon) gösteren bir diyagram.
Japonya Atom Enerjisi Kurumu'nun teorik araştırmasından elde edilen bu tahmini bozunma modları çizelgesi, kararlılık adasının merkezini 294 Ds civarında tahmin ediyor ; esas olarak alfa bozunmasına (daire içine alınmış) maruz kalan, nispeten uzun ömürlü birkaç nüklidin en uzun ömürlüsü olacaktır. Bu, beta-kararlılık çizgisinin, N  = 184'te kabuk kapanması tarafından stabilize edilen bölgeyi kestiği bölgedir . Diğer modellerle tutarlı olarak, fisyon baskın bozunma modu haline geldikçe, sola ve sağa, yarı ömürler azalır.

Tüm bozunma modları göz önüne alındığında, çeşitli modeller adanın merkezinin (yani en uzun yaşayan nüklid) 298 Fl'den daha düşük bir atom numarasına kaymasını ve bu nüklidlerde alfa bozunması ile kendiliğinden fisyon arasındaki rekabeti gösterir; Bunlar için 100 yıllık yarılanma ömürleri bulunmaktadır 291 Cn ve 293 Cn için 1000 yıllık yarılanma ömrü 296 Cn için 300 yıllık bir yarılanma ömrü 294 Ds ve bir 3500 yıllık yarılanma ömrü 293 Ds ile 294 Ds ve 296 Cn tam olarak N  = 184 kabuk kapağında. 112 ≤ Z  ≤ 118 olan elementler için bu gelişmiş kararlılık bölgesinin  bunun yerine nükleer deformasyonun bir sonucu olabileceği ve küresel süper ağır çekirdekler için kararlılık adasının gerçek merkezinin 306 Ubb ( Z  = 122) civarında olduğu öne sürülmüştür. , N  = 184). Bu model, kararlılık adasını, en uzun toplam yarı ömürden ziyade fisyona karşı en büyük dirence sahip bölge olarak tanımlar; nüklit 306 EZ yine alfa bozunması ile ilgili kısa bir yarı-ömre sahip olduğu tahmin edilmektedir.

En ağır süper ağır elementler için potansiyel olarak önemli bir başka bozunma modu, Rumen fizikçiler Dorin N. Poenaru ve Radu A. Gherghescu ve Alman fizikçi Walter Greiner tarafından küme bozunması olarak önerildi . Bu dallanma oranının alfa bozunması göre etrafında alfa bozunması ile rekabet edebilir, böylece atom numarası ile artması beklenmektedir Z  = 120, ve örneğin yaklaşık ağır nüklidlere için baskın bozunma modu olmak Z  Bu nedenle = 124., oyuna beklenen Adanın merkezi tahmin edilenden daha yüksek bir atom numarasına sahip değilse, stabilite adasının merkezinin ötesinde daha büyük bir rol (hala kabuk etkilerinden etkilenmesine rağmen).

Olası doğal oluşum

Yüzlerce veya binlerce yıllık yarı ömürleri, süper ağır elementler için nispeten uzun olsa da, bu tür nüklidlerin ilkel olarak Dünya'da var olması için çok kısadır . Ek olarak, primordial aktinit ( 232 Th , 235 U ve 238 U ) ile stabilite adası arasındaki çekirdek ara maddesinin kararsızlığı, r- prosesi nükleosentezinde ada içinde çekirdek üretimini engelleyebilir . Çeşitli modeller kendiliğinden fisyon baskın bozunma ile çekirdeklerin modu olabileceğini düşündürmektedir A  > 280 ve nötron kaynaklı ya da beta-gecikmeli fisyon -respectively nötron yakalama ve beta bozunması hemen ardından fisyon-birincil reaksiyon kanallarının olur. Sonuç olarak, kararlılık adasına doğru beta bozunması yalnızca çok dar bir yol içinde meydana gelebilir veya fisyon tarafından tamamen bloke edilebilir, böylece ada içindeki nüklidlerin sentezi engellenebilir. Doğada 292 Hs ve 298 Fl gibi süper ağır nüklidlerin gözlemlenmemesinin, bu mekanizmadan kaynaklanan r- işlemindeki düşük verimin ve ayrıca yarı ömürlerin ölçülebilir miktarların devam etmesine izin vermeyecek kadar kısa olmasının bir sonucu olduğu düşünülmektedir. doğada.

Sentezlerinin önündeki bu engellere rağmen, Valeriy Zagrebaev liderliğindeki bir grup Rus fizikçi tarafından yayınlanan 2013 tarihli bir araştırma , en uzun ömürlü copernicium izotoplarının kurşuna göre 10 −12 bolluğunda meydana gelebileceğini ve bu sayede kozmik ışınlarda tespit edilebileceğini öne sürüyor. . Benzer şekilde, 2013 yılındaki bir deneyde, Aleksandr Bagulya liderliğindeki bir grup Rus fizikçi , meteorlardaki olivin kristallerinde üç kozmojenik süper ağır çekirdeğin olası gözlemini bildirdi . Bu çekirdeklerin atom numarasının 105 ile 130 arasında olduğu, bir çekirdeğin muhtemelen 113 ile 129 arasında sınırlı olduğu ve ömürlerinin en az 3.000 yıl olduğu tahmin ediliyordu. Bu gözlem bağımsız çalışmalarda henüz doğrulanmamış olsa da, kararlılık adasının varlığını kuvvetle önerir ve bu nüklidlerin yarı ömürlerinin teorik hesaplamaları ile tutarlıdır.

Olası sentez ve zorluklar

Elementlerin kararlılığına karşı proton Z ve nötron N sayısına karşı grafikte düşükten yükseğe doğru çapraz olarak uzanan bir "dağ zinciri" ve yüksek N ve Z'de bir "kararlılık adası" gösteren bir 3B grafik.
N  = 178 ve Z  = 112 civarındaki kararlılık adasının 3 boyutlu gösterimi

Kararlılık adasında çekirdek üretimi, başlangıç ​​materyali olarak mevcut olan çekirdekler, gerekli nötron toplamını vermediği için çok zor olduğunu kanıtlamaktadır. Aktinid hedefleri ( 248 Cm gibi) ile kombinasyon halinde radyoaktif iyon ışınları ( 44 S gibi ), kararlılık adasının merkezine daha yakın nötron bakımından zengin çekirdeklerin üretilmesine izin verebilir, ancak bu tür ışınlar şu anda gerekli yoğunluklarda mevcut değildir. bu tür deneyler yapmak. 250 Cm ve 254 Es gibi birkaç ağır izotop hala hedef olarak kullanılabilir, bu da bilinen izotoplardan bir veya iki daha fazla nötronlu izotopların üretilmesine izin verir, ancak bu nadir izotopların birkaç miligramlık bir hedef oluşturmak için üretimi zordur. Bilinen nötron açısından en zengin izotopları, yani pxn ve αxn'yi ( sırasıyla bir proton veya alfa partikülünün emisyonu , ardından birkaç tane takip eden) dolduran aynı 48 Ca2 kaynaklı füzyon-buharlaşma reaksiyonlarında alternatif reaksiyon kanallarını araştırmak da mümkün olabilir . nötronlar) kanalları. Bu, 111-117 elementlerinin nötronla zenginleştirilmiş izotoplarının sentezine izin verebilir. Tahmin edilen kesitler 1-900 fb mertebesinde , xn (yalnızca nötronların emisyonu) kanallarındakilerden daha küçük olmasına rağmen,  bu reaksiyonlarda aksi takdirde ulaşılamayan süper ağır elementlerin izotoplarını oluşturmak yine de mümkün olabilir. Bu ağır izotoplardan bazıları ( 291 Mc, 291 Fl ve 291 Nh gibi), nispeten uzun yarı ömürleri olan alfa bozunmasına ek olarak 291 Cn gibi çekirdeklere bozunmaya ek olarak elektron yakalamaya da (bir protonu bir nötrona dönüştürerek ) maruz kalabilir. istikrar adasının merkezine yakın olduğu tahmin edilmektedir. Bununla birlikte, beta-kararlılık çizgisine yakın hiçbir süper ağır çekirdek henüz sentezlenmediğinden ve özelliklerinin tahminleri farklı modellerde önemli ölçüde değiştiğinden, bu büyük ölçüde varsayımsal kalmaktadır.

257 Fm kadar ağır nüklidler üretmek için kullanılan yavaş nötron yakalama işlemi, kendiliğinden fisyona uğrayan kısa ömürlü fermiyum izotopları tarafından bloke edilir (örneğin, 258 Fm, 370 µs'lik bir yarı ömre sahiptir); bu "fermiyum boşluğu" olarak bilinir ve böyle bir reaksiyonda daha ağır elementlerin sentezini engeller. Bu boşluğu ve ayrıca A  = 275 ve Z  = 104-108 civarında bir başka tahmin edilen kararsızlık bölgesini, daha yüksek bir nötron akısına sahip bir dizi kontrollü nükleer patlamada (mevcut durumdaki akılardan yaklaşık bin kat daha büyük) atlamak mümkün olabilir. astrofiziksel r- sürecini taklit eden reaktörler) . İlk olarak 1972'de Meldner tarafından önerilen böyle bir reaksiyon, kararlılık adası içinde makroskopik miktarlarda süper ağır elementlerin üretilmesini sağlayabilir; ara süper ağır nüklidlerde fisyon rolü oldukça belirsizdir ve böyle bir reaksiyonun verimini güçlü bir şekilde etkileyebilir.

Tahmin edilen bozunma modlarını ve beta-kararlılık çizgisini gösteren Z = 149 ve N = 256'ya kadar olan nüklidlerin JAEA grafiği
Bu bilinen (kutulu) Japonya Atomic Energy Agency gösterir kullandığı nüklidlerin grafik ve en fazla çekirdeklerin tahmin modları çürüme Z  = 149 ve N  artan kararlılık 256 bölgeler tahmin edilen kabuk kapakları çevresinde görebilir = N  = 184 ( 294 Ds – 298 Fl) ve N  = 228 ( 354 126), kısa ömürlü bir fisyon çekirdeği boşluğu ile ayrılır ( t 1/2  < 1 ns; çizelgede renklendirilmemiştir).

Aktinid çekirdeklerinin düşük enerjili çarpışmalarında ( 238 U ve 248 Cm gibi) çok nükleon transfer reaksiyonlarında 298 Fl gibi kararlılık adasında izotoplar üretmek de mümkün olabilir . Bu ters yarı bölünme (kısmi füzyon ve ardından parçalanma, daha asimetrik ürünlerle sonuçlanan kütle dengesinden uzaklaşma) mekanizması, eğer Z  = 114 civarındaki kabuk etkileri yeterince güçlüyse stabilite adasına giden bir yol sağlayabilir . nobelium ve seaborgium'un ( Z  = 102-106) daha yüksek verime sahip olduğu tahmin edilmektedir. 238 U +  238 U ve 238 U +  248 Cm transfer reaksiyonlarının ön çalışmaları, mendelevyumdan ( Z  = 101) daha ağır elementler üretmede başarısız olmuştur , ancak ikinci reaksiyondaki artan verim, 254 gibi daha ağır hedeflerin kullanıldığını düşündürmektedir. Es (varsa) süper ağır elementlerin üretilmesini sağlayabilir. Bu sonuç, süper ağır nüklidlerin ( Z  ≤ 109 ile) veriminin, daha ağır hedefler kullanan transfer reaksiyonlarında muhtemelen daha yüksek olacağını öne süren daha sonraki bir hesaplama ile desteklenmektedir . Sara Wuenschel ve arkadaşları tarafından Texas A&M Cyclotron Enstitüsünde 238 U +  232 Th reaksiyonunun 2018 yılındaki bir çalışması . 104 < Z  < 116 ile süper ağır elementlerin muhtemelen yeni, nötron açısından zengin izotoplarına atfedilebilecek birkaç bilinmeyen alfa bozunumu buldu  , ancak ürünlerin atom numarasını açık bir şekilde belirlemek için daha fazla araştırma yapılması gerekiyor. Bu sonuç, kabuk etkilerinin enine kesitler üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu ve transfer reaksiyonları ile gelecekteki deneylerde stabilite adasına muhtemelen ulaşılabileceğini kuvvetle önerir.

Diğer istikrar adaları

Z  = 112-114 civarında ana stabilite adasının ötesindeki diğer kabuk kapanışları , ilave stabilite adalarına yol açabilir. Bir sonraki sihirli sayıların konumu için tahminler önemli ölçüde değişse de, daha ağır çift sihirli çekirdeklerin etrafında iki önemli adanın var olduğu düşünülmektedir; birincisi 354 126'ya yakın (228 nötronlu) ve ikincisi 472 164 veya 482 164'e yakın (308 veya 318 nötronlu). Bu iki kararlılık adası içindeki nüklitler, özellikle kendiliğinden fisyona karşı dirençli olabilir ve alfa bozunumu yarı ömürleri yıllarla ölçülebilir olabilir, bu nedenle flerovyum civarındaki elementlerle karşılaştırılabilir stabiliteye sahip olabilir . Diğer nispi kararlılık bölgeleri de beta-kararlı nüklidlerde daha zayıf proton kabuğu kapanışları ile ortaya çıkabilir; bu tür olasılıklar, 342 126 ve 462 154'e yakın bölgeleri içerir . Bu tür ağır çekirdeklerdeki protonlar arasındaki büyük ölçüde daha büyük elektromanyetik itme , kararlılıklarını büyük ölçüde azaltabilir ve muhtemelen varlıklarını kabuk etkilerinin yakınındaki lokalize adalarla sınırlayabilir. Bu, ara nüklidler ve belki de bir "kararsızlık denizi"ndeki elementler hızla fisyona uğrayacak ve esasen var olmayacakları için, bu adaların ana nüklid tablosundan izole edilmesi sonucunu doğurabilir . Ayrıca element 126'nın etrafındaki nispi kararlılık bölgesinin ötesinde, daha ağır çekirdeklerin sıvı damla modeli tarafından verilen bir fisyon eşiğinin ötesinde uzanması ve dolayısıyla çok kısa ömürlerle fisyona uğraması, onları daha büyük sihirli sayıların yakınında bile esasen varolmaz hale getirmesi de mümkündür. .

Ayrıca ötesinde bölgede ileri sürmüşlerdir edilmiş A  > 300, tüm bir " denge kıtası " kararlı bir hipotetik fazdan oluşan kuark madde serbest içeren, akıcı yukarı ve aşağı kuark yerine kuark , proton ve nötronlara bağlanmış, mevcut olabilir. Maddenin bu tür bir şekilde bir taban durumuna olduğu varsayımı ileri sürülmüştür Baryonik madde daha büyük bir ortalama bağlanma enerjisi ile baryon'ait daha nükleer madde zerre madde içine, bu kütle eşiğinin ötesinde nükleer maddenin çürüme lehine. Eğer maddenin bu hali mevcutsa, normal süper ağır çekirdeklere yol açan aynı füzyon reaksiyonlarında sentezlenebilir ve Coulomb itmesini yenmek için yeterli olan daha güçlü bağlanmasının bir sonucu olarak fisyona karşı stabilize edilebilir.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

bibliyografya

Dış bağlantılar