5. Реакции горячего слияния атомных ядер ⁴⁸Ca и актинидов

    Использование в качестве налетающей частицы изотопа ⁴⁸Ca имеет ряд преимуществ:

• Это дважды магическое ядро Z = 20, N = 28, поэтому при его слиянии с ядром мишени энергия возбуждения составного ядра будет уменьшаться до 30 − 35 МэВ
• Асимметрия зарядов сливающихся ядер уменьшает их кулоновское расталкивание
  V_с ~ Z₁ · Z₂ = 20×(92÷98), что увеличивает вероятность образования составного ядра при более низкой энергии возбуждения.
• Изотоп ⁴⁸Ca имеет наибольшее отношение N/Z среди стабильных изотопов.

    Идентификация полученных сверхтяжелых изотопов проводилась в ЛЯР ОИЯИ с помощью сепаратора ядер отдачи, схематически показанного на рис. 12 [83].

Рис. 12. Схематический вид сепаратора ядер отдачи DGFRS (Dubna Gas-Filled Recoil Separator) [83]

Пучок ускоренных ионов ⁴⁸Ca падает на вращающуюся мишень; продукты реакции, образующиеся после испарения нейтронов, попадают в камеру, заполненную водородом под давлением 10^-3 атм (газонаполненный сепаратор). В результате взаимодействия с газовой средой уменьшается зарядовая дисперсия ядер отдачи и разделение в магнитном поле ядер отдачи от фоновых событий происходит наиболее эффективно. Ядра отдачи, прошедшие через магнитный сепаратор, имплантируются в позиционно-чувствительный детектор, имеющий площадь ~ 50 см². Детектор состоит из 12 стрипов, позволяющих определить координаты точки имплантации в детектор. Детектор регистрирует время попадания в детектор и координаты имплантированных ядер отдачи, энергии α-частиц распада и продукты деления (два совпадающих по времени сигнала с энергией ~ 200 МэВ). Перед основным детектором расположены два тонких кремниевых детектора с помощью которых определяется время пролета ядер отдачи. Расстояние между мишенью и детектором составляет ~ 4 метра, время пролета сверхтяжелых ядер от мишени до детектора − около 1 мкс. Детектор окружен восемью боковыми детекторами для регистрации α-частиц и осколков деления от распада имплантированных ядер.
    Магнитный сепаратор ядер отдачи уменьшал фон побочных продуктов реакции в 10⁵ − 10⁷ раз. Регистрация продуктов реакции осуществлялась с помощью позиционно-чувствительного кремниевого детектора. Измерялись энергия, координаты и время пролета ядер отдачи. После имплантации иона в детектор все последующие сигналы от регистрируемых частиц распада должны исходить из точки остановки имплантированного иона. Созданная методика позволяла с высокой степенью надёжности (~100%) установить связь между остановившимся в детекторе сверхтяжелым ядром и продуктами его распада. С помощью такой методики были надёжно идентифицированы сверх­тяжелые элементы Z = 110 — 118.
    Определение атомных номеров сверхтяжелых изотопов проводилось на основе

• измерений характеристик распада: периода полураспада и энергии α-распада,
• измерения функции возбуждения реакции образования составного ядра,
• химической идентификации изотопов Db (Z = 105) и Cn (Z = 112) в цепочке распадов.

    В результате экспериментов по облучению мишеней ^235,238U, ²³⁷Np, ^242,244Pu, ²⁴³Am, ^245,248Cm и ²⁴⁹Cf ускоренными ионами ⁴⁸Ca в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова (ОИЯИ, Дубна) были открыты новые сверхтяжелые химические элементы с атомными номерами
Z = 113 − 118 и 21 новый изотоп ранее известных химических элементов с Z = 104 − 112. Работы были выполнены в коллаборации с Ливерморской Национальной Лабораторией, Национальной Лабораторией Ок-Ридж и университетом Вандербильта (США). Первые эксперименты, результатом которых стало открытие элементов с четным Z =114 и 116 в реакциях с использованием ^242,244Pu [84, 85] и ^245,248Cm [86, 87], были проведены в 1998 − 2005 годах.
    Химический элемент 113 был практически одновременно получен в 2004 году в лаборатории RIKEN японского института физико-химических исследований и в ЛЯР ОИЯИ. Японские исследователи для синтеза 113-го элемента использовали реакцию холодного слияния
⁷⁰Zn + ²⁰⁹Bi → ²⁷⁸113 + n [88]. Три цепочки α-распадов ²⁷⁸113, полученные в 2004 [89], в 2007 [90] и в 2012 [91] , показаны на рис. 13.

Рис.13. Цепочки распада 113-го химического элемента [88]

В ЛЯР ОИЯИ в 2004 году в реакции было обнаружено образование химического элемента Z = 115, идентифицированное по цепочкам α-распадов с образованием изотопов ^283,284113 [92]. Позднее изотоп ²⁸²113 был получен в реакции [93]. Цепочки α-распадов изотопов ²⁸²113 и ^287,288,289115, открытых в Дубне, показаны на рис. 14. Для каждого изотопа указаны время жизни и энергия α-распада (в МэВ). На рисунке также приведены число событий и год публикации экспериментальных результатов [1] .

Рис. 14. Цепочки распадов изотопов ²⁸²113, 2^87,288,289115 и ^293,294117, полученных в ЛЯР ОИЯИ [94]. Для каждого изотопа указаны время жизни и энергия α-распада E_α в МэВ. Внизу цепочек жирным шрифтом указано число событий (год публикации) [1]

    Два изотопа 117 химического элемента синтезированы российско-американской коллаборацией [95, 96] в реакции 249Bk + 48Ca. На рис. 14 показаны цепочки распадов изотопов ^293,294117, оканчивающиеся спонтанным делением изотопов ²⁸¹Rg и ²⁷⁰Db.
    Химический элемент 118 был синтезирован в реакции под действием ⁴⁸Ca на изотопе ²⁴⁹Cf:

⁴⁸Ca + ²⁴⁹Cf → ²⁹⁴118 + 3n.

В течение 2006 − 2012 г. было обнаружено несколько случаев образования изотопа ²⁹⁴118 [97, 98]. Период полураспада этого изотопа около одной миллисекунды. Цепочка последовательных
α-распадов показана на рис. 15 слева. Распад дочернего ядра ²⁸⁶Fl происходит как в результате спонтанного деления, так и за счет испускания α-частицы. Дополнительным подтверждением образования 118-го элемента стало наблюдение цепочек распада и , независимо образующихся в реакциях

²⁴⁵Cm + ⁴⁸Ca → ²⁹⁰Lv + 3n и ²⁴²Pu + 48 Ca → ²⁸⁶Fl + 3n,

исследованных ранее.

Рис.15. Цепочка распадов изотопа ²⁹⁴118 (слева), полученного в российско-американской коллаборации [97, 98]. Для каждого изотопа указаны время жизни и энергия α-распада Е_α в МэВ. Также приведены цепочки, подтверждающие образование дочерних ядер ²⁹⁰Lv и ²⁸⁶Fl  [2]

    На рис. 16 проведено сравнение экспериментально полученных значений периодов полураспада Т_α и энергий α-распадов Е_α для четно-четных изотопов 2 = 100 — 118 с результатами теоретической аппроксимации по формуле Вайолы - Сиборга [99]

Рис.15. Экспериментальные значения периодов полураспада (Т_α) и энергий а-распадов (Q_α) для Z-четных нуклидов с Z > 100 [51]. Темные точки − ядра с четным числом нейтронов, светлые − с нечетным, линии − расчет по формуле Вайолы -Сиборга [99]

Из полученных данных видно повышение стабильности атомных ядер вблизи деформированной оболочки Z = 108, N = 162 и сферической оболочки Z = 110 − 118 и N = 184 [51].