десно|мини|upright=2.4|alt=Дијаграм који приказује измерена и предвиђена времена полураспада тешких и супертешких нуклида, као и линију бета стабилности и предвиђену локацију острва стабилности.|Дијаграм Уједињеног института за нуклеарна истраживања који приказује измерена (уоквирена) и предвиђена времена полураспада супертешких нуклида, поређана према броју протона и неутрона. Очекивана локација острва стабилности око је заокружена.
У нуклеарној физици, острво стабилности је предвиђени скуп изотопа супертешких елемената који могу имати знатно дужа времена полураспада од познатих изотопа ових елемената. Предвиђа се да ће се појавити као „острво” на табели нуклида, одвојено од познатих стабилних и дугоживећих примордијалних радионуклида. Његово теоријско постојање приписује се стабилизујућим ефектима предвиђених „магичних бројева” протона и неутрона у супертешком масеном региону.
Изнето је неколико предвиђања у вези са тачном локацијом острва стабилности, иако се генерално сматра да је центар близу изотопа коперницијума и флеровијума у близини предвиђене затворене неутронске љуске при N = 184. Ови модели снажно сугеришу да ће затворена љуска пружити додатну стабилност према фисији и алфа-распаду. Док се очекује да ће ови ефекти бити највећи близу атомског броја Z = 114 (флеровијум) и N = 184, очекује се да ће регион повећане стабилности обухватити неколико суседних елемената, а могу постојати и додатна острва стабилности око тежих језгара која су двоструко магична (имају магичне бројеве и протона и неутрона). Процене стабилности нуклида унутар острва обично су око времена полураспада од неколико минута или дана; неки оптимисти предлажу времена полураспада реда величине милиона година.
Иако нуклеарни модел љуске који предвиђа магичне бројеве постоји од 1940-их, постојање дугоживећих супертешких нуклида није дефинитивно доказано. Као и остатак супертешких елемената, нуклиди унутар острва стабилности никада нису пронађени у природи; стога се морају вештачки створити у нуклеарној реакцији да би се проучавали. Научници нису пронашли начин да изведу такву реакцију, јер је вероватно да ће бити потребни нови типови реакција за попуњавање језгара близу центра острва. Ипак, успешна синтеза супертешких елемената до Z = 118 (оганесон) са до 177 неутрона показује благи стабилизујући ефекат око елемената од 110 до 114 који се може наставити у тежим изотопима, што је у складу са постојањем острва стабилности.
Увод Стабилност нуклида
мини|лево|upright=1.2|alt=Комплетна табела времена полураспада нуклида уцртана према осама атомског броја Z и броја неутрона N.|Табела времена полураспада познатих нуклида
Састав нуклида (атомског језгра) дефинисан је бројем протона Z и бројем неутрона N, чији збир даје масени број A. Број протона Z, такође назван атомски број, одређује положај елемента у периодном систему. Приближно 3300 познатих нуклида се обично представља у табели са Z и N на осама и временом полураспада за радиоактивни распад назначеним за сваки нестабилни нуклид (видети слику). , примећено је да је 251 нуклид стабилан (никада није примећено да се распада); генерално, како се број протона повећава, стабилна језгра имају већи однос неутрона и протона (више неутрона по протону). Последњи елемент у периодном систему који има стабилан изотоп је олово (Z = 82), при чему стабилност (тј. времена полураспада најдуговечнијих изотопа) генерално опада код тежих елемената, посебно изван киријума (Z = 96). Времена полураспада језгара такође се смањују када постоји несразмеран однос неутрона и протона, тако да резултујућа језгра имају премало или превише неутрона да би била стабилна.
Стабилност језгра одређена је његовом енергијом везе, при чему већа енергија везе пружа већу стабилност. Енергија везе по нуклеону расте са атомским бројем до широког платоа око A = 60, а затим опада. Ако се језгро може поделити на два дела која имају нижу укупну енергију (последица дефекта масе који произилази из веће енергије везе), оно је нестабилно. Језгро се може одржати коначно време јер постоји потенцијална баријера која се супротставља цепању, али ова баријера се може прећи квантним тунеловањем. Што су баријера и масе фрагмената мањи, то је већа вероватноћа цепања у јединици времена.
Протони у језгру су повезани јаком силом, која уравнотежује Кулоново одбијање између позитивно наелектрисаних протона. У тежим језгрима, потребан је већи број ненаелектрисаних неутрона да би се смањило одбијање и обезбедила додатна стабилност. Ипак, како су физичари почели да синтетишу елементе који се не налазе у природи, открили су да стабилност опада како језгра постају тежа. Тако су спекулисали да би периодни систем могао доћи до краја. Откривачи плутонијума (елемент 94) размишљали су да га назову „ултимијум”, мислећи да је последњи. Након открића тежих елемената, од којих су се неки распадали у микросекундама, чинило се да ће нестабилност у односу на спонтану фисију ограничити постојање тежих елемената. Године 1939. процењена је горња граница потенцијалне синтезе елемената око елемента 104, а након првих открића трансактинидних елемената раних 1960-их, ово предвиђање горње границе проширено је на елемент 108.
Магични бројеви мини|десно|upright=1.2|alt=Дијаграм који приказује енергетске нивое познатих и предвиђених протонских љуски, са празнинама на атомским бројевима 82, 114, 120 и 126.|Дијаграм који приказује енергетске нивое познатих и предвиђених протонских љуски (лево и десно приказују два различита модела). Празнине при Z = 82, 114, 120 и 126 одговарају затварању љуски, које имају посебно стабилне конфигурације и стога резултирају стабилнијим језгрима.Још 1914. године сугерисано је могуће постојање супертешких елемената са атомским бројевима знатно изнад уранијума — тада најтежег познатог елемента — када је немачки физичар Рихард Свине предложио да су супертешки елементи око Z = 108 извор зрачења у космичким зрацима. Иако није изнео никаква дефинитивна запажања, хипотетисао је 1931. године да би трансуранијумски елементи око Z = 100 или Z = 108 могли бити релативно дуговечни и можда постојати у природи. Године 1955, амерички физичар Џон Арчибалд Вилер такође је предложио постојање ових елемената; њему се приписује прва употреба термина „супертешки елемент” у раду из 1958. године објављеном са Фредериком Вернером. Ова идеја није привукла шире интересовање све до деценију касније, након побољшања у нуклеарном моделу љуске. У овом моделу, атомско језгро је изграђено у „љускама”, аналогно електронским љускама у атомима. Независно једни од других, неутрони и протони имају енергетске нивое који су обично близу један другом, али након што се дата љуска попуни, потребно је знатно више енергије да се почне попуњавати следећа. Тако енергија везе по нуклеону достиже локални максимум и језгра са попуњеним љускама су стабилнија од оних без њих. Ова теорија нуклеарног модела љуске потиче из 1930-их, али тек 1949. године су немачки физичари Марија Геперт-Мајер и Јоханес Ханс Данијел Јенсен и др. независно осмислили исправну формулацију.
Бројеви нуклеона за које су љуске попуњене називају се магични бројеви. Магични бројеви 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 су примећени за неутроне, а следећи број се предвиђа да буде 184. Протони деле првих шест од ових магичних бројева, а 126 је предвиђен као магични протонски број још од 1940-их. Нуклиди са магичним бројем оба — као што су 16O (Z = 8, N = 8), 132Sn (Z = 50, N = 82) и 208Pb (Z = 82, N = 126) — називају се „двоструко магични” и стабилнији су од оближњих нуклида као резултат већих енергија везе.
Крајем 1960-их, сложеније моделе љуски формулисали су амерички физичар Вилијам Мајерси пољски физичар Владислав Свјатецки, и независно од њих немачки физичар Хајнер Мелднер (1939–2019). Са овим моделима, узимајући у обзир Кулоново одбијање, Мелднер је предвидео да би следећи протонски магични број могао бити 114 уместо 126. Чини се да су Мајерс и Свјатецки сковали термин „острво стабилности”, а амерички хемичар Глен Сиборг, касније откривач многих супертешких елемената, брзо је усвојио тај термин и промовисао га. Мајерс и Свјатецки су такође предложили да би нека супертешка језгра била дуговечнија као последица виших баријера фисије. Даља побољшања у нуклеарном моделу љуске совјетског физичара Вилена Струтинског довела су до појаве макроскопско-микроскопске методе, модела нуклеарне масе који узима у обзир и глатке трендове карактеристичне за модел течне капи и локалне флуктуације као што су ефекти љуске. Овај приступ је омогућио шведском физичару Свену Нилсону и др., као и другим групама, да направе прве детаљне прорачуне стабилности нуклида унутар острва. Са појавом овог модела, Струтински, Нилсон и друге групе су аргументовали постојање двоструко магичног нуклида (Z = 114, N = 184), уместо 310Ubh (Z = 126, N = 184) за који је предвиђено да буде двоструко магичан још 1957. године. Накнадно су процене протонског магичног броја варирале од 114 до 126, и још увек нема консензуса.
Открића +Најстабилнији изотопи супертешких елемената (Z ≥ 104)ЕлементАтомскибројНајстабилнијиизотопВреме полураспадаПубликацијеNUBASE 2020Радерфордијум104267Rf48 мин2,5 чДубнијум105268Db16 ч1,2 данаСиборгијум106269Sg14 мин5 минБоријум107270Bh2,4 мин3,8 минХасијум108269Hs9,7 с16 сМајтнеријум109278Mt4,5 с6 сДармштатијум110281Ds12,7 с14 сРендгенијум111282Rg1,7 мин2,2 минКоперницијум112285Cn28 с30 сНихонијум113286Nh9,5 с12 сФлеровијум114289Fl1,9 с2,1 сМосковијум115290Mc650 мс840 мсЛиверморијум116293Lv57 мс70 мсТенесин117294Ts51 мс70 мсОганесон118294Og690 μс700 μс
Интересовање за могуће острво стабилности расло је током 1960-их, јер су неки прорачуни сугерисали да би могло да садржи нуклиде са временима полураспада од милијарди година. Такође је предвиђено да буду посебно стабилни против спонтане фисије упркос њиховој великој атомској маси. Сматрало се да ако такви елементи постоје и ако су довољно дуговечни, могу постојати неколико нових примена као последица њихових нуклеарних и хемијских својстава. То укључује употребу у акцелераторима честица као изворима неутрона, у нуклеарном оружју као последица њихових предвиђених ниских критичних маса и великог броја неутрона емитованих по фисији, и као нуклеарно гориво за напајање свемирских мисија. Ове спекулације навеле су многе истраживаче да спроведу потраге за супертешким елементима 1960-их и 1970-их, како у природи тако и путем нуклеосинтезе у акцелераторима честица.
Током 1970-их спроведене су многе потраге за дуговечним супертешким језгрима. Експерименти усмерени на синтезу елемената у распону атомских бројева од 110 до 127 спроведени су у лабораторијама широм света. Ови елементи су тражени у реакцијама фузије и испаравања, у којима се тешка мета направљена од једног нуклида озрачује убрзаним јонима другог у циклотрону, а нови нуклиди се производе након што се ова језгра споје, а резултујући побуђени систем ослобађа енергију испаравањем неколико честица (обично протона, неутрона или алфа честица). Ове реакције се деле на „хладну” и „топлу” фузију, које респективно стварају системе са нижим и вишим енергијама побуђења; то утиче на принос реакције. На пример, очекивало се да реакција између 248Cm и 40Ar да изотопе елемента 114, а она између 232Th и 84Kr изотопе елемента 126. Ниједан од ових покушаја није био успешан, указујући на то да су такви експерименти можда били недовољно осетљиви ако су пресеци реакција били ниски — што је резултирало мањим приносима — или да су било која језгра доступна путем таквих реакција фузије и испаравања можда превише кратковечна за детекцију. Накнадни успешни експерименти откривају да времена полураспада и пресеци заиста опадају са повећањем атомског броја, што резултира синтезом само неколико кратковечних атома најтежих елемената у сваком експерименту; од 2022. године, највећи пријављени пресек за супертешки нуклид близу острва стабилности је за 288Mc у реакцији између 243Am и 48Ca.