научная статья по теме СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И R-ПРОЦЕСС Физика

Текст научной статьи на тему «СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И R-ПРОЦЕСС»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2009, том 72, № 6, с. 1070-1077

= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ и г-ПРОЦЕСС

© 2009 г. И. В. Панов1)*, И. Ю. Корнеев1), Ф.-К. Тилеманн2)

Поступила в редакцию 14.08.2008 г.

Обсуждается вероятность образования сверхтяжелых элементов (СТЭ) в астрофизическом г-процессе. Приведены оценки их выходов в зависимости от используемых данных. Предварительные расчеты показали, что выходы СТЭ в момент окончания г-процесса могут быть сравнимы с выходом урана, однако сильно зависят от используемых моделей прогнозирования характеристик запаздывающего, вынужденного и спонтанного деления. Работа посвящена 80-летию В.С. Имшенника.

РАС Б:26.30.-k, 25.85.-w, 25.85.Ec

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в природе обнаружено около 300 ядер — это ядра изотопов различных элементов, содержащие от 1 до 94 протонов. Все стабильные и долгоживущие ядра вместе с ядрами, полученными за последние 50 лет искусственным путем (примерно 2000), составляют менее четверти от всех существующих и образующихся в ядерных реакциях атомных ядер. В процессах нуклеосинтеза участвуют все ядра, образование которых не запрещено законами сохранения, причем в быстром нуклеосинтезе участвует до 70% из них (около 4000). Наиболее тяжелое искусственное ядро, полученное в экспериментах на ускорителях [1], содержит 118 протонов и имеет массовое число, равное 294.

Начатые Г.Н. Флеровым, уже много лет ведутся поиски ядер, значительно более тяжелых, чем до сих пор известные. Эти "сверхтяжелые" ядра пытаются как найти в природе, так и получить искусственно в экспериментах с тяжелыми ионами, проводящихся на ускорителях. Время жизни таких ядер должно быть достаточно большим, с тем чтобы небольшая их фракция могла выжить до наших дней и быть найдена в космических лучах, древних земных породах или урановых рудах. В природе сверхтяжелые элементы (СТЭ) могут быть образованы, в частности, в астрофизическом г-процессе [2], путь которого идет практически вдоль линии нейтронной стабильности [3] и при определенных условиях может достигать "острова стабильности". Относительный выход СТЭ сильно зависит как от астрофизического сценария, так и от

'-'Институт теоретической и экспериментальной физики,

Москва, Россия.

2)Институт физики, Университет Базеля, Швейцария.

E-mail: Igor.Panov@itep.ru

используемых ядерных данных. Поэтому, с одной стороны, поиски СТЭ могут указать на сценарии их образования в природе, а с другой — облегчить выбор теоретических моделей, чьи предсказания массовых барьеров и времен жизни экзотических ядер сильно различаются.

Почему сверхтяжелые ядра могут образовать остров стабильности — область относительно дол-гоживущих ядер с порядковым номером больше 100? При переходе в область тяжелых ядер кулоновские силы становятся сильнее, чем силы ядерного взаимодействия, и возникает спонтанное деление ядра. Кроме того, увеличение кулоновско-го отталкивания вызывает более быстрый распад ядер в результате альфа-распада. Но для ядер с еще большим атомным номером (2 > 100), несмотря на возможность для них спонтанного деления ядра и других каналов распада (альфа-распада для менее нейтроноизбыточных ядер и бета-распада для более нейтроноизбыточных), возникает дополнительная устойчивость ядер, связанная с их обо-лочечной структурой. При увеличении числа нуклонов в тяжелых изотопах трансактиноидов, протонных и (или) нейтронных оболочках возрастает и устойчивость ядра.

Заполнение одной основной оболочки приводит к дополнительной энергии связи, равной примерно 5 МэВ. Заполнение же обеих протонной и нейтронной оболочек, как у свинца с атомным номером 208 (2 = 82, N = 126), приводит к дополнительной энергии связи, равной приблизительно 10 МэВ. Согласно современным моделям величина барьера деления для 276 и N = 126) возрастает по сравнению со стабильными изотопами урана: примерно на 2 МэВ в расчетах Майерса—Святецкого [4] и на 11 МэВ в обобщенной модели Томаса—Ферми (ЕТРБ1) [5]. Заполнение обеих магических оболочек у следующих за свинцом ядер предсказано

для дважды магического ядра унунквадия (ипип-quadium) с массовым числом 298, что соответствует 2 = 114 и N = 184. Расчеты характеристик таких тяжелых и деформированных ядер — очень сложная задача. Учет влияния деформации на все характеристики ядра может дополнительно приводить к значительному изменению как энергий связи и барьеров деления, так и времени жизни относительно деления и альфа-распада.

Если СТЭ имеют длительный период полураспада, то они могли сохраниться на Земле до нашего времени. Их поиски уже велись ранее, главным образом в свинцовых минералах, но пока безуспешно.

Недавно группой Маринова [6] объявлено об обнаружении в исследуемых образцах монацита СТЭ с атомным номером 122. Утверждается, что зарегистрирован долгоживущий СТЭ с атомным номером 122 и относительной атомной массой 292. Элемент, названный экаторием, был обнаружен в очищенном природном тории. Кроме тория в виде двух изотопов с атомными массами 230 и 232, различных оксидов и гидридов, в образцах был найден неизвестный ранее элемент с атомным номером, близким к 122, и относительной атомной массой 292. Авторы [6] утверждают, что, изучая образец тория методом масс-спектрометрии, они обнаружили два события с массовым числом 292 и зарядовым числом около 122. Но анализа событий на иной возможный источник (например, ионизованных молекул, состоящих из нескольких атомов более легких элементов) проведено, видимо, не было. Поэтому, хотя измеренное значение отношения массы к заряду, возможно, и совпадает с ожидаемым для ядра с 2 = 122 и А = 292, но, безусловно, требует проверки. Более того, период полураспада, приводимый авторами [6], ^1015 с, на порядки превышает существующие оценки времени жизни относительно альфа-распада или спонтанного деления.

Понимание процессов, в которых СТЭ могли быть образованы в природе, чрезвычайно актуально. Одним из таких процессов может быть г-процесс — быстрый нуклеосинтез под действием нейтронов.

2. г-ПРОЦЕСС И НУКЛЕОСИНТЕЗ В ОБЛАСТИ АКТИНОИДОВ

Многочисленные исследования быстрого нуклеосинтеза (г-процесса), проведенные в 20-м веке, показали, что, несмотря на появление значительно более точных ядерных данных для быстрого нуклеосинтеза, расчетные ядерные характеристики в области актиноидов менее точны, чем параметры более легких элементов. Прежде всего это касается

расчетов энергий связи и барьеров деления в области актиноидов, особенно в области сильно нейтро-ноизбыточных ядер, близких к границе нейтронной стабильности, вдоль которой идет г-процесс.

В последние годы многие авторы занимались развитием теории и прогнозированием свойств ядер в области тяжелых и сверхтяжелых элементов, прежде всего ядерных масс и барьеров деления. Прогнозы этих величин были сделаны на основе как различных вариантов модели Томаса—Ферми, развиваемых Майерсом и Свя-тецким [4, 7] и Пирсоном с сотр. [5, 8], так и других моделей — макроскопически-микроскопических [9, 10], и на основе метода Хартри—Фо-ка [11, 12].

Кроме того, были выполнены расчеты скоростей вынужденного деления [13], чья роль оказалась намного важнее запаздывающего деления [14, 15], и более точный учет массового распределения продуктов деления [16, 17]. Появление более точных ядерных данных для актиноидов позволило рассмотреть вопрос о возможности продвижения процесса нуклеосинтеза, при наличии достаточно высокой плотности свободных нейтронов, в область СТЭ и попытаться дать ответ о возможности образования СТЭ в г-процессе.

Образование СТЭ требует, по-видимому, большей продолжительности г-процесса, такой, чтобы установившаяся в процессе деления обратная связь с областью продуктов деления приводила к стационарному течению г-процесса в области А от ^100 до 190—240 (см., например, [18]). Такая продолжительность нуклеосинтеза достижима, по-видимому, в сценариях, реализующих модель длительной нейтронной экспозиции [2], типа выброса в межзвездную среду сильно нейтронизованного вещества при слиянии нейтронных звезд в процессе эволюции тесных двойных систем [19, 20] или струй с поверхности нейтронных звезд, где начальное для г-процесса отношение числа нейтронов к зародышевым ядрам достаточно велико (более 300).

Такие условия, согласно последним данным о характеристиках движения потоков вещества с поверхности горячих нейтронных звезд [21, 22], могут быть достигнуты и в горячих ветрах над поверхностью нейтронных звезд в сбрасываемой оболочке сверхновой II типа за фронтом ударной волны в нагретой нейтринным излучением внутренней части гелиевого слоя [23, 24].

Перечисленные сценарии рассматриваются как основные для синтеза элементов с атомной массой А > 120 — главной компоненты г-процесса и образования наиболее тяжелых изотопов, включая, возможно, и образование СТЭ. Для описания образования элементов более легких масс существуют другие модели, например, модель гелиевой вспышки [25] или модель быстрого нуклеосинтеза,

индуцированного нейтринным импульсом от колла-псирующей сверхновой [26].

В настоящей работе мы рассматриваем нуклеосинтез при вероятных условиях протекания г-процесса в сценарии слияния нейтронных звезд, основываясь на расчетах состава вещества [27], выбрасываемого в открытое пространство. Не будем останавливаться на деталях сценария и частоте его осуществления в природе. Данный сценарий был выбран как возможный вариант для г-процесса, проходящего в среде с высоким содержанием нейтронов. Так, например, в выбрасываемой части вещества сливающихся нейтронных звезд избыток нейтронов п & 0.8, что в условиях г-процесса дает порядка нескольких сотен нейтронов на одно зародышевое ядро. Такое высокое отношение нейтронов к зародышевым ядрам приводит к быстрому преобразованию этих ядер в актиноиды [18] и их последующему делению. Поскольку поток нейтронов еще высок, ядра-продукты деления становятся новыми зародышевыми ядрами для г-процесса. В результате деления наиболее тяжелых ядер (в основном вынужденного [15]) и участия образующихся продуктов деления в быстром нуклеосинтезе устанавливается квазиравновесие выходов тяжелых ядер в области А & 100—260. В п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком