Развитие цивилизации, изменение условий существования и новые цели человечества требуют разработки новых материалов, зачастую не существующих в природе.
Одним из фундаментальных прорывов может стать технология создания сверхтяжелых атомов с количеством нуклонов от 1000 до 10 000.
На данный момент синтез сверхтяжёлых атомов с количеством нуклонов порядка 10 000 является теоретической возможностью, так как современные технологии позволяют получать элементы лишь до 118-го (Оганесон, известен один радиоизотоп с массовым числом 294) с гораздо меньшим числом нуклонов. Однако гипотетическая возможность их создания открывает беспрецедентные перспективы для физики, материаловедения, медицины и космических исследований.
Что считается «сверхтяжёлыми ядрами»?
Сверхтяжёлыми называют ядра с атомным номером Z>100. В природе они не обнаружены: элементы с Z>92 (трансурановые) не сохранились со времён формирования Солнечной системы из‑за их радиоактивного распада.
При условии стабильности таких ядер возможно:
- Создание новых материалы с уникальными свойствами
Высокая плотность и прочность могли бы найти применение в авиационной и космической отраслях, например, для создания сверхлёгких и сверхпрочных конструкций. - Получение энергоэффективных технологий
Изучение процессов синтеза и распада могло бы привести к разработке новых методов управления ядерной энергией, включая более безопасные реакторы или даже термоядерные установки. - Разработка принципиально новых наноматериалов
Экзотические ядра могли бы стать основой для создания наноструктур с нестандартными электронными и магнитными свойствами.
Природный "запрет" на чрезмерную самоорганизацию
Естественный запрет на самопроизвольное образование сверхтяжёлых ядер в настоящее время описывается совокупностью теоретических моделей ядерной физики — прежде всего жидкокапельной моделью и оболочечной моделью ядра, дополненными современными расчётами.
Ключевые теории, объясняющие запрет
А. Жидкокапельная модель ядра
Модель представляет ядро как заряженную каплю несжимаемой жидкости. Она предсказывает:
- Рост кулоновского отталкивания. С увеличением числа протонов (Z) электростатическое отталкивание между ними усиливается.
- Исчезновение барьера деления. При значении параметра Z^2/A≈46 (где A - массовое число) потенциальный барьер, препятствующий делению, практически исчезает. Для Z≈112 ядро становится крайне неустойчивым и мгновенно делится на осколки.
Это означает: даже если бы такое ядро случайно образовалось, оно распалось бы за доли секунды.
Б. Оболочечная модель ядра
Дополняет капельную модель, учитывая квантовую структуру ядра:
- Магические числа. Ядра с заполненными протонными/нейтронными оболочками (магические числа: Z=2,8,20,28,50,82; N=126) обладают повышенной стабильностью.
- «Остров стабильности». Расчёты предсказывают следующую магическую оболочку при Z=114 и N≈184. Ядра вблизи этой комбинации могут иметь значительно увеличенные периоды полураспада (от миллисекунд до часов/дней) — это гипотетический «остров стабильности».
Однако даже в этой области самопроизвольное (естественное) образование тяжелых ядер крайне маловероятно. При наличии такой возможности образование и существование Вселенной было бы весьма сомнительно. Либо это была бы другая Вселенная.
Основные методы синтеза
- Традиционный метод с использованием кальция-48
Мишени из тяжёлых элементов (например, плутония, урана) бомбардируют ионами кальция-48. Этот метод позволил синтезировать элементы до Оганесона (Z=118). Однако для элементов с более высокими атомными номерами требуются новые подходы из-за ограничений в эффективности и доступности материалов. - Новые методы с другими ионами Титан-50 и плутоний-244
В 2024 году учёные из США и Европы использовали пучок титана-50 для облучения мишеней из плутония-244, что привело к синтезу изотопа ливермория (Z=116). Это первый случай успешного синтеза сверхтяжёлого элемента с использованием немагических ядер (магические ядра отличаются повышенной устойчивостью и большей распространённостью в природе, чем другие, немагические, ядра). - Аргон-40 и берклий-249
Китайские учёные предложили использовать аргон-40 вместо кальция-48 для синтеза элемента №119. Этот метод требует меньшей энергии пучка и может упростить получение сверхтяжёлых ядер. - Эксперименты с другими комбинациями
Проводились попытки синтеза элементов с атомными номерами 119 и 120 с использованием реакций между хромом-54 и кюрием-248, а также титаном-50 и берклием-249, но они не привели к успеху.
Экспериментальные установки
- Циклотрон ДЦ-280 в Дубне. Базовая установка «Фабрики сверхтяжёлых элементов» в ОИЯИ. Позволяет ускорять ионы до высоких энергий и изучать свойства полученных ядер. Планируется синтез элементов 119 и 120.
- Ускорители в Ливерморской лаборатории. Используются для экспериментов с различными ионами, включая титан-50.
Что на сегодняшний день изучается в науке?
- 1. Холодный ядерный синтез
В 1989 году Флейшман и Понс заявили о возможности ядерного синтеза при комнатной температуре в электрохимической ячейке. Однако:
- их результаты не удалось воспроизвести в независимых экспериментах;
- научное сообщество в целом считает эти данные недостоверными. - Мюонный катализ
Это единственный экспериментально подтверждённый способ «низкотемпературного» слияния протонов:
- мюон (тяжёлый аналог электрона) образует мезоатом с протоном, уменьшая кулоновский барьер;
- два протона могут сблизиться достаточно для ядерного синтеза;
- процесс требует затрат энергии на производство мюонов, поэтому не является энергетически выгодным. - Квантовое туннелирование
В некоторых теоретических моделях рассматривается вероятность туннелирования протонов через кулоновский барьер при низких температурах, но вероятность такого события крайне мала и экспериментальных подтверждений нет.
Цели и перспективы
Современные исследования направлены на:
- Поиск «острова стабильности» — области на N-Z диаграмме, где сверхтяжёлые ядра могут иметь более длительный период полураспада.
- Изучение структуры атомного ядра и проверку существующих теорий ядерной физики.
- Синтез элементов с атомными номерами 119 и 120 (унбинилий и унбиквадий), которые начнут девятый период таблицы Менделеева.
- Разработка новых теоретических моделей по возможности создания сверхтяжелых атомов.
- Создание системы манипулирования для сборки атома с помощью новых технологий удержания протонов и нейтронов.
Проблемы и вызовы
- Короткий период полураспада полученных ядер, что затрудняет их изучение.
- Сложность подбора мишеней и снарядов с нужным количеством протонов и нейтронов.
- Ограниченная доступность материалов для мишеней, таких как берклий-249 или калифорний-248.
Синтез сверхтяжёлых ядер — это сложная и многолетняя работа, требующая международного сотрудничества и использования передовых технологий. Современные исследования фокусируются на разработке новых методов бомбардировки, улучшении ускорителей и поиске оптимальных комбинаций ядер для получения элементов с более высокими атомными номерами. Успех в этой области не только расширит таблицу Менделеева, но и углубит понимание фундаментальных законов природы.
Новая физика и понимание свойств материи
Хотя существующие технологии и уровень понимания фундаментальных законов природы и позволяют вести исследования, возможно, ответ будет найден при получении принципиально новых данных о фундаментальных свойствах пространства, времени, существующих полях и их взаимодействии.
Источники и Дополнительная литература:
Синтез сверхтяжелых элементов
https://www.osnmedia.ru/1000/sintez-sverhtyazhelyh-elementov/
Тонкие квантовые эффекты определяют, как распадаются некоторые ядра
https://physicsworld.com/a/subtle-quantum-effects-dictate-how-some-nuclei-break-apart/
Зачем нужны новые сверхтяжелые элементы
https://hi-tech.mail.ru/news/46971-v_dubne_mozhno_vosproizvesti_sotvorenie_mira/#anchor690617
В ПОИСКАХ СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР
https://www.nkj.ru/archive/articles/52904/
Магические ядра
https://bigenc.ru/c/magicheskie-iadra-b698
Сверхтяжелые ядра (Z > 100)
http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/a44.htm
Применение интенсивных лазеров низкой частоты для ядерного синтеза
https://new-science.ru/fiziki-nashli-sposob-sdelat-termojadernyj-sintez-v-milliardy-raz-jeffektivnee-s-pomoshhju-lazerov/