Hạt nhân nhân tạo

2

Tất cả các vật chất của cơ thể đều bao gồm các nguyên tử của 88 nguyên tố được tìm thấy trên Trái đất. Hầu hết các nguyên tố này là hỗn hợp của các nguyên tử thuộc nhiều loại khác nhau về khối lượng. Những nguyên tử như vậy của cùng một nguyên tố, chỉ khác nhau về khối lượng, được gọi là đồng vị. Tất cả 88 nguyên tố tự nhiên đều có khoảng 400 đồng vị tự nhiên, với trung bình khoảng 4,5 đồng vị trên mỗi nguyên tố.

Một số lượng đáng kể các đồng vị đã thu được trong phòng thí nghiệm và nhân tạo. Ngày nay có hơn 1.200 đồng vị như vậy được biết đến. Chúng được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân do con người thực hiện. Trong số đó không chỉ có các đồng vị của các nguyên tố tồn tại trong tự nhiên mà còn có các đồng vị của các nguyên tố tổng hợp thu được trong dòng neutron từ các lò phản ứng hạt nhân và trong các chùm hạt được gia tốc từ các máy gia tốc hiện đại.

Các yếu tố nhân tạo từ lâu đã tìm thấy những ứng dụng thực tế quan trọng. Vì vậy, nguyên tố số 94, plutonium, là một trong những nền tảng của năng lượng hạt nhân hiện đại và nó được sản xuất theo tấn. Để thăm dò giếng dầu và điều trị trẻ sơ sinh more_NE nguyên tố thứ 98) với số khối là 252. Hiện nay việc sản xuất đồng vị polyhyssic đã được thiết lập ở quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, điều thú vị nhất trong sản xuất đồng vị là việc tổng hợp và nghiên cứu hạt nhân nguyên tử mới nằm ngoài rìa dưới của bảng tuần hoàn.

Thông thường, các nguyên tố mới thu được bằng cách tổng hợp (phản ứng tổng hợp) hai hạt nhân nguyên tử ổn định.

Để hai hạt nhân tạo thành một chất hạt nhân duy nhất, chúng phải chạm vào bề mặt của chúng. Điều này không dễ để đạt được. Tất cả các nguyên tử của hạt nhân đều mang điện tích dương và khi đến gần chúng sẽ đẩy nhau một lực rất lớn. Lực này được xác định theo định luật Coulomb và bằng

$$F = \frac{q_1 q_2}{r^2},$$

(1)

trong đó $q_1$ và $q_2$ là điện tích của hạt nhân nguyên tử và $r$ là khoảng cách giữa tâm của chúng. Các hạt nhân có thể được coi là những quả bóng tích điện đều (Hình 1), bán kính của nó được xác định theo công thức

$$r = 1.5 \cdot 10^{-13} \sqrt{A} (cm).$$

(2)

Công thức này thu được nếu chúng ta giả sử rằng mật độ vật chất hạt nhân trong nguyên tử của tất cả các nguyên tố là không đổi. Khi đó thể tích của hạt nhân $V$ sẽ tỷ lệ thuận với số $A$ số 0 chứa trong nó (nucleon được gọi là proton và neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử), giống như thể tích của một năng lượng mật mã dày đặc tỷ lệ thuận với số lượng sức mạnh mật mã chứa trong nó: $V = kA$ hoặc

$$r \approx 10^{-4} \text{Å}$$

Cơm. 1.

4

thời điểm bằng tổng bán kính của chúng, tức là $r_1 + r_2$ (Hình 3). Công việc $P$ hoàn thành vào thời điểm này sẽ được biểu thị bằng chữ cái $B$. Khi đó phương trình (3) và (4) sẽ có dạng:

$$\begin{cases} B + (m + M) \frac{v^2}{2} = \frac{mv_0^2}{2}, \\ (m + M) v = mv_0. \end{cases}$$

Sau khi loại trừ phương trình $v$ khỏi hệ này, chúng ta tìm thấy các giá trị động năng tối thiểu mà lõi đạn phải có để khoảng cách giữa các hạt nhân trở nên bằng $r_1 + r_2$:

$$E = \frac{mv_0^2}{2} = B \left( 1 + \frac{m}{M} \right).$$

Do đó, để phản ứng nhiệt hạch xảy ra dẫn đến hình thành hạt nhân mới thì năng lượng của các hạt được gia tốc (hạt nhân phóng) phải lớn hơn $B \left( 1 + \frac{m}{M} \right)$.

Tuy nhiên, một phép tính chính xác hơn theo các định luật cơ học lượng tử lại dẫn đến một kết quả không ngờ tới. Hóa ra ngay cả khi $E < B \left( 1 + \frac{m}{M} \right)$, hạt nhân đôi khi có thể hợp nhất thành một giọt duy nhất. Nhưng khả năng xảy ra một vụ sáp nhập “hàng rào phụ” như vậy, như người ta gọi, là rất nhỏ.

Bây giờ chúng ta chỉ cần xác định công $B$, và khi đó giá trị năng lượng mong muốn $E$ sẽ được biết.

Trong trường nhà máy điện, công thực hiện khi di chuyển một đơn vị điện tích từ điểm 1 đến điểm 2 bằng hiệu điện thế của điện trường tại các điểm này $\varphi_2 - \varphi_1$. Điện trường của một quả bóng tích điện đều bên ngoài nó được xác định theo công thức $\varphi = \frac{q}{R}$, trong đó $q$ là điện tích của quả bóng và $R$ là khoảng cách đến tâm quả bóng.

Do đó, công $P$ khi di chuyển điện tích $q_2$ từ điểm 1 đến điểm 2 bằng $q_2 \left( \frac{q_1}{R_2} - \frac{q_1}{R_1} \right)$. Trong trường hợp của chúng tôi, $R_1 = \infty$ và $\frac{1}{R_1} = 0$, $R_2 = r_1 + r_2$. Do đó, sử dụng công thức (2), chúng ta có thể viết

$$B = \frac{q_1 q_2}{r_1 + r_2} = \frac{Z_1 Z_2 e^2}{1,5 \cdot 10^{-13} \left( \sqrt{A_1} + \sqrt{A_2} \right)}.$$

Năng lượng $B$ được gọi là trần tiềm năng hoặc đơn giản là trần. Đối với hạt nhân nhẹ, “chiều cao” của hạt trần là vài triệu electron ($Mэθ$), và trong quá trình hợp nhất các hạt nhân nặng, hạt trần đạt tới hàng trăm triệu electron. Nếu chúng ta đặt giá trị số của điện tích electron vào công thức (7) và biểu thị năng lượng $B$ bằng hàng triệu electron, thì chúng ta sẽ nhận được một sự tương ứng đơn giản về chiều cao của hàng rào thế năng:

$$B = \frac{0,96 Z_1 Z_2}{A_1^{1/3} + A_2^{1/3}}.$$

Nếu khối lượng của hạt nhân minsheni lớn hơn đáng kể so với khối lượng của hạt nhân phóng, do đó chúng ta có thể coi $1 + \frac{m}{M} \approx 1$, thì động năng của hạt được gia tốc ánh sáng cần thiết để thực hiện phản ứng hạt nhân sẽ bằng thế năng $B$ [xem. công thức (6)]. Đây là ý nghĩa vật lý của đại lượng này.

Nhà vật lý thực nghiệm bắt đầu lên kế hoạch cho một thí nghiệm tổng hợp hạt nhân nguyên tử mới với việc tính toán các giá trị $B$ và $E$. Để làm điều này, anh ta sử dụng công thức (8) và (6). Khi biết năng lượng $E$, có thể đánh giá xem hạt nhân nguyên tử tăng tốc lắp đặt nào sẽ được sử dụng để thực hiện thí nghiệm này hoặc thí nghiệm kia. Như vậy, để phản ứng tổng hợp hạt nhân neon ($A=22$, $Z=10$) và hạt nhân uranium ($A=238$, $Z=92$), động năng của hạt nhân neon phải lớn hơn 106 $Mэθ$. Hiện nay hạt nhân neon chỉ có thể được tăng tốc tới năng lượng này tại hai máy gia tốc trên thế giới: tại máy cyclotron được lắp đặt trong Phòng thí nghiệm Phản ứng Hạt nhân của Liên Hiệp Quốc.

5

Cơm. 4.

tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân ở thị trấn Dubna gần Moscow (Hình 4), và tại máy gia tốc tuyến tính hạt nhân nguyên tử ở Berkeley, Hoa Kỳ.

Vì vậy, nhà vật lý đã xác định các đặc tính của hạt nhân được gia tốc mà ông cần, chọn một máy gia tốc phù hợp cho mục đích này và lắp đặt một máy thu nhỏ “nặng” trên đường đi của các hạt nhân được gia tốc. Điều gì xảy ra khi “vỏ” bắt đầu rơi xuống chiếc mini?

Trước khi trả lời câu hỏi này, các điều kiện để chỉ định hạt nhân được gọi là đồng vị và nguyên tố theo cách này: gần ký hiệu hóa học của nguyên tố ở trên cùng bên trái, chúng ta sẽ viết số lớn A, và ở dưới cùng - số nguyên tử. Ví dụ, hạt nhân của đồng vị uranium có số khổng lồ 238 trong ký hiệu này sẽ được viết như sau: $^{238}U$. Đôi khi số nguyên tử không được viết vì ký hiệu hóa học của nguyên tố đó đã xác định số proton trong hạt nhân của nó ($^{238}U$).

Sau khi lõi đạn chạm tới lõi minsheni, các lực hấp dẫn hạt nhân đặc biệt bắt đầu phát huy tác dụng, bản chất của lực này vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Các lực này tác dụng trong khoảng cách rất ngắn. Khi hạt nhân chạm vào các bề mặt, lực hạt nhân sẽ bù đắp nhiều hơn cho sự va đập tĩnh điện và hạt nhân nguyên tử hợp nhất thành một “giọt” hạt nhân duy nhất - một hạt nhân hợp chất:

$$\frac{22}{10}Ne + \frac{238}{92}U \rightarrow \frac{260}{102}X.$$

Sự hình thành hạt nhân hợp chất là giai đoạn đầu tiên của quá trình tổng hợp hạt nhân nguyên tử mới. Một hạt nhân hợp chất chưa thể được gọi là nguyên tử. Nó không ổn định và thời gian tồn tại của nó quá ngắn để hình thành nguyên tử: đơn giản là các electron không có thời gian để chiếm vị trí của chúng trên quỹ đạo.

Trong phản ứng (9), chúng ta gán cho hạt nhân một số lượng lớn bằng tổng các số khối của các cấu tạo

6

lõi ero. Tuy nhiên, trong các phản ứng hạt nhân tổng hợp các nguyên tố mới, theo quy luật, khối lượng của hạt nhân hợp chất lớn hơn tổng khối lượng của các hạt nhân tham gia phản ứng. Điều gì gây ra sự dư thừa này?

Theo thư từ của Einstein, năng lượng $E$ có liên quan đến khối lượng: $E = mc^2$, trong đó $c$ là tốc độ ánh sáng. Do đó, để tăng khối lượng lên lượng $\Delta M = M_{\text{соct}} - (M + m)$, cần phải có năng lượng $E^* = \Delta Mc^2$. Một phần động năng của hạt được gia tốc được chuyển hóa thành động năng của hạt nhân hợp chất $M_{\text{соct}} \frac{V^2}{2} \approx (M + m) \frac{V^2}{2}$. Do đó, chuyển động tịnh tiến của hạt nhân hợp phần và năng lượng được hấp thụ trong quá trình tổng hợp là nguyên nhân

$$\varepsilon = \frac{(M + m) V^2}{2} + \Delta Mc^2.$$

Khi xử lý hạt nhân hợp chất là kết quả của phản ứng tổng hợp các hạt được gia tốc như carbon $^{12}_{6}$C, oxy $^{16}_{8}$O, heon $^{22}_{10}$Ne, argon $^{40}_{18}$Ar với hạt nhân nặng, giá trị $\varepsilon$ nhỏ hơn đáng kể so với động năng $\frac{mv_0^2}{2}$ cần thiết để vượt qua rào cản Coulomb $B$. Như vậy,

$$\frac{mv_0^2}{2} - \varepsilon = E - \frac{(M + m) V^2}{2} - \Delta Mc^2 = B - \Delta Mc^2 = B + Q = E^*.$$

Giá trị $Q = -\Delta Mc^2$, bằng năng lượng tiêu tốn để xử lý một hạt nhân hợp chất, được gọi là năng lượng xử lý của hạt nhân này. Động năng dư thừa $E^*$ còn lại trong hạt nhân hợp phần gọi là năng lượng kích thích của hạt nhân hợp chất.

Năng lượng $E^*$ trong quá trình hợp nhất hạt nhân phức tạp với hạt nhân bia nặng đạt giá trị đáng kể. Do đó, giá trị của $B$peak hoặc hợp lưu của $^{22}_{10}$Ne với $^{238}_{92}$U [xem công thức (9)] bằng 98,1 MeV. Đồng thời $Q = -56,1$ Mev.

Và do đó $E^* = B + Q = 42$ Mev. Năng lượng như vậy làm nóng hạt nhân hợp chất rất nhiều, nó trở nên không ổn định, bắt đầu dao động và theo quy luật, trong một thời gian rất ngắn, nó bị phân chia thành các hạt nhân có số nguyên tử gần 50.

Thời gian tồn tại của hạt nhân hợp phần (chính xác hơn là thời gian tồn tại trung bình) nằm trong khoảng $10^{-14} - 10^{-18}$ giây, tùy thuộc vào năng lượng kích thích của hạt nhân hợp chất. Theo ý tưởng hàng ngày, đó là một giá trị rất nhỏ. Nhưng nó khá lớn so với đơn vị thời gian “hạt nhân”. Đơn vị này là thời gian trôi qua giữa hai lần va chạm liên tiếp của một nucleon với các hạt nhân nucleon khác. Thời gian này có thể được ước tính từ các tin nhắn sau. Để duy trì bên trong hạt nhân, một nucleon phải tương tác với các hạt lân cận của nó ở khoảng cách cỡ $10^{-13}$ cm. Tốc độ của nucleon trong hạt nhân xấp xỉ bằng $10^9$ cm/giây. Do đó, đối với đơn vị thời gian hạt nhân, chúng ta nhận được $10^{-22}$ giây. Do đó, trong suốt thời gian tồn tại của một hạt nhân phức hợp, chẳng hạn như $10^{-18}$ giây, mỗi nucleon sẽ trải qua khoảng $10^4$ va chạm. Trong trường hợp này, hạt nhân hợp chất “quên” phương pháp xử lý nó và xác suất phân rã của nó theo cách này hay cách khác chỉ được xác định bởi năng lượng kích thích của nó.

Trong một số trường hợp, một hạt nhân được nung nóng mạnh sẽ “làm bay hơi” nhiều neutron lần lượt. Các neutron có năng lượng cao nhất rời khỏi giọt hạt nhân, do đó nó nguội đi mạnh mẽ và trở thành hạt nhân nguyên tử ổn định của một nguyên tố mới. Sự bay hơi của neutron xảy ra cùng với sự nóng lên bề mặt của một giọt vật chất thông thường, khi các nguyên tử có nhiều năng lượng hơn bay ra ngoài, điều này tạo ra động năng lớn hơn động năng trung bình của các nguyên tử ở nhiệt độ nhất định. Những giọt nguyên tử bay ra khỏi bề mặt và nguội đi

7

từ một giọt. Một lõi nóng lên, giống như một giọt nước thông thường, có thể được đặc trưng bởi nhiệt độ. Đồng thời $kT = \frac{mv^2}{2}$. Ở đây $k$ là hằng số Boltzmann, $T$ là nhiệt độ của hạt nhân, $\frac{mv^2}{2}$ là động năng trung bình của nucleon.

Thông thường, một nucleon mang năng lượng cỡ 10 MeV khỏi hạt nhân hợp phần. Do đó, trong trường hợp hợp nhất uranium với neon, khi năng lượng của hạt nhân neon được gia tốc vượt quá một chút độ cao barrera $B$ và $E^* = 42$ MeV, bốn neutron được phát ra từ hạt nhân hợp chất. Phản ứng này được viết như sau:

$$\begin{array}{c} I \\ 238 U + 22 N e \rightarrow 260 X' \\ 102 \\ \end{array} \begin{array}{c} 256 X + 4 N e \\ 102 \\ \end{array}$$

Ở đây $1/0 n$ là ký hiệu của neutron (giống như bất kỳ đồng vị nào, số khối ở trên cùng bên trái, giá trị điện tích ở dưới cùng bằng 0). Số lượng nucleon trong phản ứng hạt nhân không thay đổi. Do đó, tổng các chỉ số trên ở vế phải (II) của phương trình phản ứng bằng tổng các chỉ số trên ở vế trái (I), có tính đến hệ số 4 ở phía trước ký hiệu nơtron. Điện tích cũng được bảo toàn nên tổng các chỉ số dưới được bảo toàn.

Trong phản ứng tổng hợp uranium với neon, các nhà khoa học Dubna đã thu được những nguyên tử đầu tiên của nguyên tố số 102. Để chuẩn bị cho các thí nghiệm, họ đã thực hiện các phép tính giống hệt như những gì được thực hiện trong bài viết này.

Người ta đã nói rằng phản ứng hình thành nguyên tố thứ hai này chỉ xảy ra trong những trường hợp hiếm hoi. Người ta có thể chứng minh bằng thực nghiệm rằng cứ 100 triệu hạt nhân cấu thành thì chỉ có một hạt nhân đồng vị $256 X$ được phân bố. Trong các trường hợp khác, hạt nhân được chia thành các mảnh:

$$\begin{array}{c} 238 U + 22 N e \rightarrow 260 X' \\ 102 \\ \end{array} \begin{array}{c} 256 X + 4 N e \\ 102 \\ \end{array}$$

Trong những trường hợp hiếm hoi, khi hạt nhân neon chỉ nhường một phần nucleon của nó cho uranium, các đồng vị khác của nguyên tố 102 được hình thành.

Trong bối cảnh tất cả các sản phẩm phụ này của sự tương tác giữa hạt nhân được gia tốc với hạt nhân minshen và đăng ký

Hạt nhân của nguyên tố mới phân rã. Tách bức xạ của nguyên tố này khỏi bức xạ của các sản phẩm lạ là phần khó nhất trong thí nghiệm phát hiện đồng vị của các nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn một trăm. Khó khăn trở lại khi số nguyên tử tăng lên. Vì vậy, nếu trong phản ứng kết hợp neon với sao Diêm Vương, chúng ta thu được hạt nhân của nguyên tố số 104, được gọi là “kuchatovium” để tưởng nhớ nhà vật lý kiệt xuất Liên Xô I.V. Kurchatov, khi đó một hạt nhân được hình thành cho 10 tỷ hạt nhân hợp chất:

$$\begin{array}{c} 242 P u + 22 N e \rightarrow \\ 264 K u - \\ 10 \text{ миллиардов делений.} \end{array}$$

Hơn nữa, trong các thiết bị tăng tốc mạnh nhất, chỉ một lõi curitovium được phân phối trong vòng vài giờ. Đi đến nghiên cứu tính chất của nó bằng sự phân rã của từng nguyên tử hạt nhân. Chưa hết, mặc dù hiệu quả thấp như vậy. v.v … phản ứng tổng hợp của các hạt tích điện nặng, hiện nay không còn cách nào hiệu quả hơn để thu được hạt nhân của các nguyên tố hạt nhân ở xa.

Trong các phản ứng nhiệt hạch, về mặt kỹ thuật, các đồng vị Tc, curium St, berkelium Bk, californium Cf, mendelevium Md, kurchatovium Ku, các nguyên tố số 102, 103, 105 lần đầu tiên thu được trong các phản ứng nhiệt hạch.