Впервые с 1979 года учёные синтезировали новый богатый нейтронами изотоп урана – ²⁴¹U.

Новый изотоп урана ²⁴¹U состоит из 92 протонов и 149 нейтронов. Атомы любого элемента всегда имеют одинаковое число протонов, а их изотопы отличаются количеством нейтронов. Чтобы элемент можно было считать «богатым нейтронами», их число должно быть нетипично высоким для конкретного элемента. По численности протонов уран входит в семейство актиноидов: все эти нуклиды радиоактивны, однако уран относится к группе из 4 самых радиоактивных элементов в таблице Менделеева – вместе с радием, полонием и торием. Изотопы являются одним из важнейших объектов физико-химических исследований, необходимых для получения специфических свойств различных материалов, а также, например, для радиоизотопных исследований в медицине, геологии, палеонтологии и археологии.

В рамках нового исследования японские учёные из Организации по изучению высокоэнергетических ускорителей (KEK) на базе Токийского университета синтезировали, а затем измеряли массу и заряд 19 различных изотопов из семейства актиноидов с точностью расчёта до одной миллионной доли. Именно в ходе данного эксперимента они обнаружили и идентифицировали ²⁴¹U – первый за более чем 40 лет богатый нейтронами изотоп урана. Исследователи получили новый изотоп при помощи японского ускорителя частиц RIKEN, «расстреляв» изотоп платины ¹⁹⁸Pt изотопом урана ²³⁸U. В результате феномена, известного как многонуклонный перенос, атомы поменялись нейтронами и протонами, и миру явился ²⁴¹U. Затем учёные измеряли его массу, засекая время, необходимое новоиспечённому атому для преодоления установленной дистанции по специальной среде.

Изотопы бывают стабильными – то есть они сохраняют ту же атомную конфигурацию по истечении любого времени – и радиоактивными. Нестабильный изотоп пребывает в состоянии радиоактивного распада, по мере которого он теряет протоны, а соответственно и заряд / массу. Темпы этого процесса измеряются в виде периода полураспада, на протяжении которого количество «выживших» частиц закономерно уменьшается в среднем вдвое. Это значение является константой, и именно на принципе неизменности периода полураспада нестабильных изотопов базируется методика радиоизотопного датирования.

По словам одного из соавторов исследования Тоситаки Нивасэ, его команда ещё не замеряла период полураспада нового изотопа. Однако, по предварительным теоретическим расчётам экспертов, он составляет примерно 40 минут, что довольно мало. Для сравнения, период полураспада ¹⁴C – изотопа углерода, лежащего в основе метода радиоизотопного, а точнее радиоуглеродного датирования, составляет 5730 лет. Самый долгий подтверждённый период полураспада из всех радионуклидов имеет изотоп теллура ¹²⁸Te – 2,2⋅10²⁴ лет или 2,2 септиллиона лет, что примерно в 160 триллионов раз больше оценочного возраста Вселенной. В свою очередь самым «шустрым» считается изотоп водорода ⁷H или септий, который распадается за 23 иоктосекунды или 10⁻²³ секунды. Нивасэ отметил, что пока им удалось произвести ничтожно малое число новых изотопов урана ²⁴¹U, чтобы можно было говорить о перспективах его применения как в научных исследованиях, так и за их пределами в реальном мире. Возможно, этот недочёт учёным удастся исправить в ходе последующих экспериментов.

Источник: Discovery of New Isotope ²⁴¹U and Systematic High-Precision Atomic Mass Measurements of Neutron-Rich Pa-Pu Nuclei Produced via Multinucleon Transfer Reactions / T. Niwase, Y. X. Watanabe, Y. Hirayama, M. Mukai, P. Schury, A. N. Andreyev, T. Hashimoto, S. Iimura, H. Ishiyama, Y. Ito, S. C. Jeong, D. Kaji, S. Kimura, H. Miyatake, K. Morimoto, J.-Y. Moon, M. Oyaizu, M. Rosenbusch, A. Taniguchi, and M. Wada