Де кінець системи Менделєєва? Частина друга.

Менделєєв

Говорячи про межу періодичної системи, про її кінець, ми повинні знайти відповідь на питання: де межа синтезу нових елементів? Де той останній елемент, за яким ядерний синтез вже не матиме сенсу? Тут ми знову зробимо маленький відступ. Якщо простежити за історією відкриття ізотопів радіоактивних елементів, то виявляється цікава деталь. Спочатку вчені виявляли ізотопи з великими періодами напіврозпаду (сотні і десятки років, роки і дні), потім проникли в область годин і хвилин; далі їм вдалося «зловити» ізотопи, які жили секунди і десяті частки секунд.

Подібно до того, як вдосконалення мікроскопа дозволяло розглядати все більш і більш дрібні частинки, розвиток радіометричної техніки давав можливість «засікати» ізотопи з більш короткими періодами напіврозпаду. Отже, чим досконалішою буде апаратура, тим менш довговічні ізотопи вдасться виявити. Тільки тоді, коли ізотоп буде розпадатися фактично в момент утворення (його період напіврозпаду виявиться порядку 10 в мінус 20 ступені секунд), ніякі експериментальні хитрування вже не дозволять його зафіксувати.

У якого ж за рахунком трансуранового елемента слід чекати ізотопу з подібним періодом напіврозпаду? Щоб спробувати дати відповідь, розберемося спочатку в те, які види радіоактивного перетворення властиві важким ядрам?

По-перше, альфа-розпад, випускання ядер гелію; про його закономірність ми вже сказали раніше кілька слів. По-друге, мимовільне ділення ядер; воно в невеликому ступені проявляється вже у урану і торію (наприклад, період напіврозпаду урану-238 по такому розподілу становить 81016 років), а починаючи з фермію (порядковий номер 100), стає досить імовірним (так, фермій-255 має період напіврозпаду по мимовільному поділу рівний 20 рокам).

По-третє, так зване захоплення. Воно полягає в тому, що ядро за певних умов може поглинати електрон з найближчою електронною оболонкою. На честь цієї оболонки, яку фізики звуть К-оболонкою, захоплення і отримало своє ім’я. Оскільки електрон несе негативний заряд, то при К-захопленні загальний заряд ядра зменшується на одиницю; утворюється ядро ізотопу нового елемента, у якого порядковий номер також на одиницю менше, ніж у вихідного.

Який же з цих видів радіоактивних перетворень – альфа-розпад, мимовільне ділення або К-захоплення – виявиться фатальним для надважких трансуранових елементів? Для якого з них період напіврозпаду раніше всього досягне критичного мінімуму – 10 в мінус 20 ступені секунд?

Відразу покінчимо з К-захопленням. Візьмемо до уваги, що з ростом заряду ядра найближча до ядра К-оболонка присувається до нього все тісніше і тісніше. У урану, наприклад, К-оболонка розташована набагато ближче до ядра, ніж, скажімо, у калію або свинцю. Тепер уявімо собі, що важкі ядра трансуранових елементів були б схильні радіоактивним перетворенням тільки за допомогою К-захоплення. Тоді, стверджує теорія, можна було б безперешкодно синтезувати все нові і нові центурії аж до воістину ядра-гіганта із зарядом, рівним 137. Чому 137? А тому, що у такого атома К-оболонка виявилася б в безпосередній близькості від ядра, і електрони з неї моментально як би «провалювалися» в ядро. Про елементи з більш високими порядковими номерами тому не мало б сенсу говорити.

Число 137 давало б, таким чином, фізикам своєрідний ключ до синтезу більше 40 трансуранових елементів. Штучні елементи могли б скласти третину від усіх елементів періодичної системи.

Але вся біда в тому, що альфа-розпад і мимовільне ділення у надважких ядер куди більш вірогідні, ніж К-захоплення. Образно кажучи, цим ядрам легше віддати Богові альфа-частинку або «розколотися» навпіл, ніж захопити електрон з К-оболонки. Значить, саме першим двом можливостям судилося визначити нижню межу періодичної системи.

Відомий американський вчений Гленн Сіборг, чиє ім’я пов’язане з синтезом майже всіх трансуранових елементів, показав, що їх здатність до мимовільного поділу визначається величиною відносини квадрата заряду ядра до суми нейтронів і протонів в ньому. Чим більше це відношення, тим менше період напіврозпаду по мимовільному поділу. Для урану-238 він складає 35,5; в ізотопу, який би розпадався миттєво, він повинен дорівнювати приблизно 47. Така величина досягається у елементів із зарядами ядер 114-116.

Отже, якби ядра трансуранів розпадалися лише шляхом самовільного розподілу, нижня межа періодичної системи відсунулася б все ж таки досить далеко. Але головна роль належить все-таки альфа-розпаду, і саме від нього повинен загинути останній елемент таблиці Менделєєва.

Як ми вже знаємо, починаючи з нептунію, енергії альфа-розпаду ізотопів зростають; при цьому зменшується період напіврозпаду. У нептунію (порядковий номер 93) самий довгоживучий альфа-активний ізотоп розпадається наполовину за 2 мільйони років; у берклію (порядковий номер 97) – за 7000 років, а у ейнштейнію (порядковий номер 99) всього за 320 днів. У подальших елементів тривалість життя альфа-активних ізотопів зменшується ще швидше. Вчені передбачають, що у ізотопів елементів із зарядом ядра, рівним або більшим 104, «довговічність» вже не буде перевищувати мільйонної частки секунди. Правда, окремі ізотопи, ймовірно, будуть мати дещо великі періоди напіврозпаду. Справа в тому, що в цій області ядер з’явиться «магічна» оболонка з 152 нейтронів, і ті ядра, яким «пощастить» нею володіти, виявляться стійкіше своїх сусідів.

Іншими словами, оболонка з 152 нейтронів буде настільки ж стабільною, як 126-нейтронна. Однак ізотопи зі 153, 154 і т. д. нейтронами будуть ще більшою мірою схильні альфа-розпаду. Тому вчені припускають: у елементів із зарядами ядер 105-107 періоди напіврозпаду ізотопів по альфа-випромінюванню будуть вельми близькими до мінімального критичного значення.

Якщо, таким чином, орієнтуватися на альфа-розпад, то межа синтезу трансуранових елементів вже не за горами.

Далі буде.

Автор: Д. Трифонов.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *