Сверхтяжёлые элементы и их синтез¶

Сверхтяжёлые элементы — химические элементы с атомными номерами, превышающими номер фермия (Z = 100), то есть расположенные в периодической таблице за пределами актиноидов. В более узком смысле к ним относят элементы с атомным номером больше 103 (трансактиноиды), а также гипотетические «островные» ядра вблизи Z = 114–126. Все они радиоактивны, не встречаются в природе в ощутимых количествах и получаются искусственно в ядерных реакциях.

¶История

Первый трансактиноид — нептуний (Z = 93) — был синтезирован в 1940 году в США группой Эдвина Макмиллана и Филипа Абельсона при облучении урана нейтронами. В 1944–1945 годах Гленн Сиборг с сотрудниками получили америций и кюрий. К 1961 году были синтезированы элементы вплоть до лоуренсия (Z = 103).

С 1960-х годов центр тяжести исследований сместился в Дубну (СССР) и Беркли (США). В Дубне под руководством Георгия Флёрова разрабатывались методы «горячего» синтеза на ускорителях тяжёлых ионов. В 1999 году в Беркли был заявлен синтез элемента 118, позднее отозванный как ошибочный. Реальный синтез оганесона (Z = 118) состоялся в 2002 году в Дубне в коллаборации с Ливерморской национальной лабораторией.

¶Методы синтеза

Основной способ получения сверхтяжёлых ядер — слияние ядра-мишени и ускоренного иона-снаряда:

• «Холодный» синтез — облучение мишени из свинца или висмута ионами средней массы (например, цинка, кальция). Применялся для элементов до Z = 113.
• «Горячий» синтез — мишень из актиноидов (уран, плутоний, калифорний) и лёгкие ионы. Используется для получения элементов с Z ≥ 114.
• Реакции с пучками радиоактивных изотопов — перспективное направление для продвижения к «острову стабильности».

Вероятность слияния крайне мала: сечение реакции измеряется в пикобарнах (10⁻³⁶ см²). За месяц непрерывного облучения удаётся зафиксировать единичные события. Образующиеся ядра идентифицируют по цепочкам альфа-распада и спонтанному делению.

¶Остров стабильности

Теоретически предсказано, что вблизи заполненных ядерных оболочек (Z = 114, 120, 126; N = 184) время жизни ядер резко возрастает. Экспериментально «остров стабильности» пока не достигнут: полученные изотопы флеровия и оганесона живут секунды и миллисекунды. Тем не менее тенденция к росту периодов полураспада у изотопов с большим числом нейтронов подтверждается.

¶Полученные элементы

Названия элементов утверждаются ИЮПАК после независимого подтверждения. Так, в 2016 году официально закреплены названия нихоний, московий, теннессин и оганесон.

¶Значение и перспективы

Сверхтяжёлые элементы не имеют практического применения из-за короткого времени жизни и микроскопических количеств. Их изучение позволяет проверять модели ядерной структуры, релятивистские эффекты в электронных оболочках и предсказания о границах периодической таблицы. Синтез элементов с Z > 118 требует новых ускорительных установок (например, комплекса FAIR в Германии и проекта DRIBs в Дубне) и мишеней из редких изотопов.