Recherche des éléments superlourds par synthèse nucléaire ⁽¹⁾

¹ Laboratoire de Chimie Nucléaire de l’Institut de Physique Nucléaire, Faculté des Sciences — F 91 - Orsay, France.

Résumé

Après avoir rappelé les raisons qui incitent à prévoir l'existence d'une nouvelle zone de stabilité dans la région Z = 112 à 126 et N = 184, on indique succinctement quelles propriétés très particulières devraient posséder ces noyaux. Propriétés nucléaires et propriétés chimiques. Les problèmes posés pour en réaliser la synthèse sont les suivants : atteindre le rapport N/Z le plus près possible de la stabilité bêta, créer le noyau superlourd presque sans énergie d'excitation et cependant franchir la barrière de potentiel coulombien dans le cas du bombardement par particules chargées, éviter que le noyau de fusion fissionne.

Les méthodes actuellement possibles dans les laboratoires sont passées en revue. On insiste surtout sur la fusion d’une cible lourde et d’un projectile de A moyen. Le noyau composé formé doit être le plus sphérique possible et se désexciter par émission gamma et éventuellement émission alpha. On montre comment les désintégrations alpha permettent de se rapprocher de l’îlot de stabilité dans la mesure où le noyau de fusion est aux environs de ³¹⁰126. Les effets de moments angulaires et leurs implications sur la limitation des sections efficaces sont discutés. On montre que les réactions du krypton sur l'uranium et le thorium sont parmi les plus intéressantes.

D’autres méthodes sont possibles, transferts de gros agrégats, fission d’un énorme noyau né de la fusion de deux noyaux d’uranium. On dispose de moins d’informations théoriques et expérimentales pour juger de leurs chances de succès.

Les techniques d’identification de nouveaux noyaux placés loin des éléments connus sont décrites : essais de trouver des indices favorables par observation de propriétés particulières (énergie anormale de fragments de fission, du nombre de neutrons, caractéristiques chimiques spéciales des éléments 117, 118, 119 et 120...) et surtout détermination de la masse par mesure de la quantité de mouvement (spectrométrie magnétique) de l'énergie (détecteurs à jonctions) et du temps de vol. Enfin, on montrera que la détermination de A et de Z peut être effectuée avec un spectromètre de masse dont la source thermoionique agit en sélectionnant soit les alcalins (Z = 119), soit les alcalino-terreux (Z = 120).

Abstract

A brief account is given first of the main arguments for the possible existence of a new stability area around Z = 112-126 and N = 184. The peculiar properties of these nuclei of the island of stability are described, particularly the fissility, the alpha decay and the chemical behaviour. The problems to be resolved for the synthesis are the following:

i) to reach the ratio N/Z as close as possible from the beta stability;

ii) to make the superheavy nucleus at a low excitation energy and nevertheless to overcome the Coulomb barrier, when the projectiles are charged particles.

(iii) to reduce the fission width of the fusioning nucleus.

A review is made of the laboratory technics available, with a particular emphasis on the fusion process between an heavy target and a projectile of medium A. The compound nucleus should be produced in a spherical shape and should de-excite mostly by gamma radiation and possibly by alpha decay. It is shown how alpha decay permits to reach daughter nuclei closer from the stability island, when the fusioning nucleus is around ³¹⁰126. This « overshoot » technic is explained. Also the large angular momenta brought by the heavy projectile have a limiting effect on the compound nucleus cross section. An estimation of the critical value of 1h is given, ech being the upper limit of the angular momentum at which a fusion nucleus is still formed.

Reactions induced on uranium and thorium targets by krypton ions are discussed.

Amongst other methods, the transfer reactions of big clusters, and the fission of a very heavy species resulting from the fusion of two uranium nuclei, are described very briefly.

A review is made of the technics which are proposed for the identification of nuclei located far away from the known elements. First trials are planned in order to observe peculiar properties like the high kinetic energy of the fission fragments, the large number of neutrons per fission, which have been predicted for superheavy species. A great help is given by the recoil range measurements and the helium jet technic. A more elaborate experiment resolves the mass of the recoiling product by measurements of its momentum (magnetic spectrometer) of its kinetic energy (solid state detectors in the focus plane of the magnet) and of its time of flight.

Thirdly, it is shown that the identification in Z and A might be done with a mass spectrometer in which the thermoionic source selects alcaline (Z = 119) or alcalino-earth (Z = 120).