Унбигексиум - Unbihexium

Унбигексий , также известный как элемент 126 или эка-плутоний , представляет собой гипотетический химический элемент с атомным номером 126 и символом-заполнителем Ubh. Unbihexium и Ubh является временным названием IUPAC и символ , соответственно, пока элемент не обнаружен, подтвердил и постоянное название принято решения. В периодической таблице предполагается, что унбигексий будет суперактинидом g-блока и восьмым элементом в 8-м периоде . Унбигексий привлек внимание физиков-ядерщиков, особенно в ранних предсказаниях, нацеленных на свойства сверхтяжелых элементов, поскольку 126 может быть магическим числом протонов вблизи центра острова стабильности , приводящим к более длительным периодам полураспада, особенно для ³¹⁰ Ubh или ³⁵⁴ Ubh. который также может иметь магическое число нейтронов.

Ранний интерес к возможному увеличению стабильности привел к первой попытке синтеза унбигексия в 1971 году и поиску его в природе в последующие годы. Несмотря на несколько опубликованных наблюдений, более поздние исследования показывают, что эти эксперименты были недостаточно чувствительными; следовательно, унбигексий не был обнаружен естественным или искусственным путем. Прогнозы стабильности унбигексия сильно различаются для разных моделей; некоторые предполагают, что остров стабильности может вместо этого находиться с более низким атомным номером, ближе к копернициуму и флеровию .

Unbihexium предсказано быть химически активной superactinide, демонстрируя различную степень окисления от +1 до +8, и , возможно , будучи тяжелее конгенером из плутония . Также ожидается перекрытие уровней энергии орбиталей 5g, 6f, 7d и 8p, что затрудняет предсказание химических свойств этого элемента.

Вступление

Графическое изображение реакции ядерного синтеза . Два ядра сливаются в одно, испуская нейтрон . Реакции, в результате которых к этому моменту были созданы новые элементы, были похожими, с той единственной возможной разницей, что иногда выделялось несколько единичных нейтронов или ни одного.

Внешнее видео
Визуализация неудачного ядерного синтеза на основе расчетов Австралийского национального университета

Самые тяжелые атомные ядра образуются в ядерных реакциях, которые объединяют два других ядра неравных размеров в одно; грубо говоря, чем более неравны два ядра по массе, тем больше вероятность того, что они вступят в реакцию. Материал, состоящий из более тяжелых ядер, превращается в мишень, которую затем бомбардируют пучком более легких ядер. Два ядра могут слиться в одно только в том случае, если они достаточно близко подходят друг к другу; Обычно ядра (все положительно заряженные) отталкиваются друг от друга из-за электростатического отталкивания . Сильное взаимодействие может преодолеть это отталкивание , но только в очень небольшом расстоянии от ядра; Таким образом, ядра пучка сильно ускоряются , чтобы сделать такое отталкивание незначительным по сравнению со скоростью ядра пучка. Сближаясь самим по себе не достаточно для двух ядер к предохранителю: когда два ядра приближаются друг к другу, они обычно остаются вместе в течение приблизительно 10 ^-20  секунд , а затем способов части (не обязательно в той же композиции , как и до реакции) , а не образует единую ядро. Если слияние действительно происходит, временное слияние, называемое составным ядром , представляет собой возбужденное состояние . Чтобы потерять энергию возбуждения и перейти в более стабильное состояние, составное ядро ​​либо делится, либо выбрасывает один или несколько нейтронов , которые уносят энергию. Это происходит примерно через 10 ^-16  секунд после первоначального столкновения.

Луч проходит через цель и достигает следующей камеры - сепаратора; если новое ядро ​​произведено, оно переносится этим лучом. В сепараторе вновь образованное ядро ​​отделяется от других нуклидов (от исходного пучка и любых других продуктов реакции) и переносится на детектор с поверхностным барьером , который останавливает ядро. Отмечается точное место предстоящего удара о детектор; также отмечена его энергия и время прибытия. Передача занимает около ^10-6  секунд; Чтобы ядро ​​было обнаружено, оно должно выжить так долго. Ядро регистрируется снова после регистрации его распада и измерения местоположения, энергии и времени распада.

Устойчивость ядра обеспечивается сильным взаимодействием. Однако его диапазон очень мал; по мере того, как ядра становятся больше, его влияние на самые удаленные нуклоны ( протоны и нейтроны) ослабевает. В то же время ядро ​​разрывается электростатическим отталкиванием между протонами, так как оно имеет неограниченный радиус действия. Таким образом, ядра самых тяжелых элементов предсказываются теоретически и до сих пор наблюдались в основном распадом через моды распада, которые вызываются таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление ; эти режимы преобладают для ядер сверхтяжелых элементов . Альфа-распад регистрируется испускаемыми альфа-частицами , и продукты распада легко определить до фактического распада; если такой распад или серия последовательных распадов дает известное ядро, исходный продукт реакции можно определить арифметически. Однако в результате спонтанного деления образуются различные ядра, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним элементам.

Таким образом, информация, доступная физикам, стремящимся синтезировать один из самых тяжелых элементов, - это информация, собранная в детекторах: местоположение, энергия и время прибытия частицы к детектору, а также данные о ее распаде. Физики анализируют эти данные и пытаются сделать вывод, что это действительно было вызвано новым элементом и не могло быть вызвано другим нуклидом, чем заявленный. Часто предоставленных данных недостаточно для вывода о том, что новый элемент определенно был создан, и нет другого объяснения наблюдаемых эффектов; были допущены ошибки в интерпретации данных.

История

Попытки синтеза

Первая и единственная попытка синтезировать унбигексий, которая не увенчалась успехом, была предпринята в 1971 году в ЦЕРНе (Европейская организация ядерных исследований) Рене Бимботом и Джоном М. Александром с использованием реакции горячего синтеза :

²³²
₉₀ Чт
+ ⁸⁴
₃₆ Kr
→ ³¹⁶
₁₂₆ Убх
* → без атомов

Были обнаружены альфа-частицы высоких энергий (13-15 МэВ ), которые были приняты как возможное свидетельство синтеза унбигексия. Последующие неудачные эксперименты с более высокой чувствительностью предполагают, что чувствительность этого эксперимента 10 мб была слишком низкой; следовательно, образование ядер унбигексия в этой реакции было сочтено маловероятным.

Возможное естественное возникновение

Исследование, проведенное в 1976 году группой американских исследователей из нескольких университетов , показало , что первичные сверхтяжелые элементы, в основном ливерморий , унбиквадий , унбигексий и небисептиум, с периодом полураспада, превышающим 500 миллионов лет, могут быть причиной необъяснимых радиационных повреждений (особенно радиоореолов ) в организме человека. минералы. Это побудило многих исследователей искать их в природе с 1976 по 1983 год. Группа во главе с Томом Кэхиллом, профессором Калифорнийского университета в Дэвисе , заявила в 1976 году, что они обнаружили альфа-частицы и рентгеновские лучи с нужной энергией для вызывают наблюдаемое повреждение, подтверждая присутствие этих элементов, особенно унбигексия. Другие утверждали, что ничего не было обнаружено, и ставили под сомнение предложенные характеристики первичных сверхтяжелых ядер. В частности, они указали, что магическое число N = 228, необходимое для повышенной стабильности, могло бы создать избыточное нейтронами ядро ​​в unbihexium, которое может не быть бета-стабильным , хотя некоторые расчеты показывают, что ³⁵⁴ Ubh действительно может быть устойчивым к бета-распаду . Было высказано предположение, что эта активность вызвана ядерными трансмутациями в природном церии , что вызывает дополнительную неоднозначность этого заявленного наблюдения сверхтяжелых элементов.

Особое внимание в этих исследованиях уделяется унбигексию, поскольку его предполагаемое расположение на острове стабильности может увеличить его содержание по сравнению с другими сверхтяжелыми элементами. Предполагается, что любой встречающийся в природе унбигексий химически подобен плутонию и может существовать вместе с первичным ²⁴⁴ Pu в редкоземельном минерале бастнезите . В частности, предполагается, что плутоний и унбигексий будут иметь сходные валентные конфигурации, что приведет к существованию унбигексия в степени окисления +4 . Следовательно, если унбигексий встречается в природе, его можно будет извлечь, используя аналогичные методы накопления церия и плутония. Аналогичным образом, унбигексий также мог существовать в монаците с другими лантаноидами и актинидами, которые были бы химически подобными. Однако недавние сомнения в существовании первичного плутония- ²⁴⁴ ставят под сомнение эти прогнозы, поскольку отсутствие (или минимальное существование) плутония в бастнезите препятствует возможной идентификации унбигексия как его более тяжелого конгенера.

Возможные масштабы первичных сверхтяжелых элементов на Земле сегодня неизвестны. Даже если будет подтверждено, что они давно уже причинили радиационное повреждение, теперь они могли превратиться в простые следы или даже полностью исчезнуть. Также неясно, могут ли такие сверхтяжелые ядра вообще образовываться естественным образом, поскольку ожидается , что спонтанное деление завершит r-процесс, ответственный за образование тяжелых элементов между массовыми числами 270 и 290, задолго до того, как могут образоваться такие элементы, как унбигексий.

Недавняя гипотеза пытается объяснить спектр Звезды Пшибыльского естественным флеровием , унбинилием и унбигексием.

Именование

Согласно рекомендациям IUPAC 1979 г. , элемент следует временно называть unbihexium (символ Ubh ) до тех пор, пока он не будет обнаружен, не будет подтверждено открытие и не будет выбрано постоянное название. Хотя эти рекомендации широко используются в химическом сообществе на всех уровнях, от кабинетов химии до сложных учебников, они по большей части игнорируются учеными, которые работают теоретически или экспериментально над сверхтяжелыми элементами, которые называют его «элементом 126» с символом E126 , (126) , или 126 . Некоторые исследователи также называют унбигексий эка-плутонием , название, производное от системы, которую Дмитрий Менделеев использовал для предсказания неизвестных элементов, хотя такая экстраполяция может не работать для элементов G-блока без известных конгенеров, а эка-плутоний вместо этого будет относиться к элементу 146 или 148, когда этот термин предназначен для обозначения элемента, находящегося непосредственно под плутонием.

Трудности синтеза

Каждый элемент, начиная с менделевия и далее, образовывался в реакциях слияния-испарения, кульминацией которых стало открытие самого тяжелого из известных элементов оганессона в 2002 году и последнего теннессина в 2010 году. Эти реакции приблизились к пределу современных технологий; Например, для синтеза теннессина потребовалось 22 миллиграмма ²⁴⁹ Bk и интенсивный пучок ⁴⁸ Ca в течение шести месяцев. Интенсивность лучей в исследованиях сверхтяжелых элементов не может превышать 10 ¹² снарядов в секунду без повреждения цели и детектора, а создание большего количества все более редких и нестабильных актинидных целей непрактично. Следовательно, будущие эксперименты должны проводиться на таких объектах, как строящийся завод сверхтяжелых элементов (SHE-factory) в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) или RIKEN , что позволит проводить эксперименты в течение более длительных периодов времени с расширенными возможностями обнаружения. и разрешить иным образом недоступные реакции. Даже в этом случае, вероятно, будет большой проблемой синтез элементов помимо унбинилия (120) или унбиуния (121), учитывая их короткие предсказанные периоды полураспада и низкие предсказанные поперечные сечения .

Было высказано предположение, что синтез-испарение невозможно для достижения unbihexium. Поскольку ⁴⁸ Ca не может использоваться помимо элементов 118 или, возможно, 119, единственными альтернативами являются увеличение атомного номера снаряда или изучение симметричных или почти симметричных реакций. Один расчет предполагает, что сечение образования унбигексия из ²⁴⁹ Cf и ⁶⁴ Ni может быть на девять порядков ниже предела обнаружения; такие результаты также предполагаются отсутствием наблюдения унбинилия и унбибия в реакциях с более тяжелыми снарядами и экспериментальными ограничениями поперечного сечения. Если Z  = 126 представляет собой замкнутую протонную оболочку, составные ядра могут иметь большую вероятность выживания, и использование ⁶⁴ Ni может быть более целесообразным для получения ядер с 122 <  Z  <126, особенно для составных ядер около замкнутой оболочки при N  = 184. Однако поперечное сечение все еще может не превышать 1  фб , что создает препятствие, которое можно преодолеть только с помощью более чувствительного оборудования.

Прогнозируемые свойства

Ядерная стабильность и изотопы

Эта ядерная диаграмма, используемая Японским агентством по атомной энергии, предсказывает моды распада ядер до Z  = 149 и N  = 256. При Z  = 126 (вверху справа) линия бета-стабильности проходит через область нестабильности в направлении спонтанного деления ( период полураспада менее 1 наносекунды ) и простирается до «мыса» стабильности вблизи  закрытия оболочки с N = 228, где может существовать островок стабильности с центром, возможно, дважды магическим изотопом ³⁵⁴ Ubh.

На этой диаграмме показаны промежутки в оболочке в модели ядерной оболочки. Зазоры в оболочке создаются, когда требуется больше энергии для достижения оболочки на следующем более высоком уровне энергии, что приводит к особенно стабильной конфигурации. Для протонов щель в оболочке при Z  = 82 соответствует пику стабильности у свинца, и, хотя магические свойства Z  = 114 и Z  = 120 расходятся , щель в оболочке появляется при Z  = 126, что позволяет предположить, что - замыкание протонной оболочки на унбигексии.

Расширения модели ядерной оболочки предсказали, что следующие магические числа после Z  = 82 и N  = 126 (соответствующие ²⁰⁸ Pb , самому тяжелому стабильному ядру ) будут Z  = 126 и N  = 184, что делает ³¹⁰ Ubh следующим кандидатом на двойную магию. ядро. Эти предположения вызвали интерес к стабильности унбигексия еще в 1957 году; Гертруда Шарфф Гольдхабер была одним из первых физиков, предсказавших область повышенной стабильности в непосредственной близости от унбигексия и, возможно, с центром на нем. Это понятие « остров стабильности », состоящее из долгоживущих сверхтяжелых ядер, было популяризировано профессором Калифорнийского университета Гленном Сиборгом в 1960-х годах.

В этой области периодической таблицы N  = 184 и N  = 228 были предложены как закрытые нейтронные оболочки, а различные атомные номера, включая Z = 126, были предложены как закрытые протонные оболочки. Однако степень стабилизирующих эффектов в области унбигексия не ясна из-за предсказаний сдвига или ослабления замыкания протонной оболочки и возможной потери двойной магии . Более поздние исследования предсказывают, что остров стабильности вместо этого будет сосредоточен на бета-стабильных изотопах коперникия ( ²⁹¹ Cn и ²⁹³ Cn) или флеровия ( Z  = 114), что приведет к размещению унбигексия значительно выше острова и, в любом случае, к коротким периодам полураспада. оболочечных эффектов.

Более ранние модели предполагали существование долгоживущих ядерных изомеров, устойчивых к спонтанному делению в области около ³¹⁰ Ubh, с периодом полураспада порядка миллионов или миллиардов лет. Однако более точные расчеты еще в 1970-х годах дали противоречивые результаты; теперь считается, что островок стабильности не центрируется на ³¹⁰ Ubh, и, таким образом, не повысит стабильность этого нуклида. Вместо этого считается, что ³¹⁰ Ubh очень нейтронно-дефицитный и подвержен альфа-распаду и спонтанному делению менее чем за микросекунду, и он может даже находиться на уровне или за линией капель протона . Расчет 2016 г. свойств распада ^288-339 Ubh подтверждает эти прогнозы; изотопов легче , чем ³¹³ Ubh ( в том числе ³¹⁰ Ubh) действительно может лежать вне линии капли и распада путем испускания протонов , ^313-327 Ubh будет альфа - распад, возможно , достигая Флеровий и Ливерморий изотопов, и более тяжелые изотопы будут затухать от спонтанного деления . Это исследование и модель квантового туннелирования предсказывают период полураспада альфа-распада менее микросекунды для изотопов легче ³¹⁸ Ubh, что делает невозможным их экспериментальную идентификацию. Следовательно, изотопы ^318-327 Ubh могут быть синтезированы и обнаружены и даже могут составлять область повышенной устойчивости к делению около N  ~ 198 с периодом полураспада до нескольких секунд.

За пределами этой точки в различных моделях прогнозируется «море нестабильности», определяемое очень низкими барьерами деления (вызванными значительным увеличением кулоновского отталкивания в сверхтяжелых элементах) и, следовательно, периодом полураспада деления порядка ^10-18 секунд. Хотя точный предел стабильности для периодов полураспада в течение одной микросекунды варьируется, устойчивость к делению сильно зависит от  закрытия оболочки N  = 184 и N = 228 и быстро спадает сразу за пределами влияния закрытия оболочки. Однако такой эффект может быть уменьшен, если ядерная деформация в промежуточных изотопах может привести к сдвигу магических чисел; аналогичное явление наблюдалось в деформированном дважды магическом ядре ²⁷⁰ Hs. Этот сдвиг может затем привести к более длительным периодам полураспада, возможно, порядка дней, для изотопов, таких как ³⁴² Ubh, которые также будут находиться на линии бета-стабильности . Второй островок стабильности для сферических ядер может существовать в изотопах небигексия с гораздо большим количеством нейтронов, с центром на ³⁵⁴ Ubh и придающим дополнительную стабильность в N  = 228 изотонах вблизи линии бета-стабильности. Первоначально был предсказан короткий период полураспада в 39 миллисекунд для ³⁵⁴ Ubh в направлении спонтанного деления, хотя частичный период полураспада альфа для этого изотопа был предсказан 18 лет. Более поздний анализ показывает, что этот изотоп может иметь период полураспада порядка 100 лет, если закрытые оболочки обладают сильным стабилизирующим эффектом, помещая его на пике острова стабильности. Также возможно, что ³⁵⁴ Ubh не является дважды магическим, поскольку  оболочка Z = 126 предсказывается относительно слабой или, по некоторым расчетам, полностью отсутствующей. Это предполагает, что любая относительная стабильность в изотопах небигексия может быть связана только с замыканием нейтронной оболочки, которая может иметь или не иметь стабилизирующий эффект при Z  = 126.

Химическая

Ожидается, что унбигексиум станет шестым членом суперактинидного ряда. Он может иметь сходство с плутонием , поскольку оба элемента имеют восемь валентных электронов над сердцевиной из благородного газа. В суперактинидном ряду ожидается нарушение принципа Ауфбау из-за релятивистских эффектов , и ожидается перекрытие энергетических уровней 7d, 8p и особенно 5g и 6f орбиталей, что позволяет предсказывать их химические и атомные свойства. элементы очень сложные. Таким образом, предполагается, что основная электронная конфигурация унбигексия будет [ Og ] 5g ² 6f ³ 8s ² 8p ¹ или 5g ¹ 6f ⁴ 8s ² 8p ¹ , в отличие от [ Og ] 5g ⁶ 8s ^2, полученной из Aufbau.

Как и в случае с другими ранними суперактинидами, предсказывается, что унбигексий будет способен терять все восемь валентных электронов в химических реакциях, делая возможным множество степеней окисления до +8. Согласно прогнозам, степень окисления +4 будет наиболее распространенной в дополнение к +2 и +6. Унбигексий должен быть способен образовывать тетроксид UbhO ₄ и гексагалогениды UbhF ₆ и UbhCl ₆ , последний с достаточно сильной энергией диссоциации связи 2,68 эВ. Унбигексий также может образовывать стабильный монофторид UbhF. Расчеты показывают, что двухатомная молекула UbhF будет иметь связь между 5g-орбиталью унбигексия и 2p-орбиталью во фторе, таким образом характеризуя унбигексий как элемент, 5g-электроны которого должны активно участвовать в связывании. Также прогнозируется, что ионы Ubh ⁶⁺ (в частности, в UbhF ₆ ) и Ubh ⁷⁺ будут иметь электронные конфигурации [ Og ] 5g ² и [ Og ] 5g ¹ , соответственно, в отличие от [ Og ] 6f ¹ конфигурация, наблюдаемая в Ubt ⁴⁺ и Ubq ^5+, которая больше похожа на их гомологи актинидов . Активность 5g-электронов может влиять на химию суперактинидов, таких как унбигексий, новыми способами, которые трудно предсказать, поскольку ни один из известных элементов не имеет электронов на g- орбитали в основном состоянии.

Смотрите также

• Остров стабильности : флеровий - унбинилиум - унбигексиум

Заметки

Рекомендации

Библиография

• Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; и другие. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016». Китайская физика C . 41 (3). 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
        С. 030001-1–030001-17 , стр. 030001-18–030001-138, Таблица I. Таблица ядерных свойств и свойств распада NUBASE2016.
• Байзер, А. (2003). Концепции современной физики (6-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN   978-0-07-244848-1 . OCLC   48965418 .
• Хоффман, округ Колумбия ; Гиорсо, А .; Сиборг, GT (2000). Трансурановые люди: внутренняя история . World Scientific . ISBN   978-1-78-326244-1 .
• Краг, Х. (2018). От трансурановых к сверхтяжелым элементам: история спора и создания . Springer . ISBN   978-3-319-75813-8 .
• Загребаев, В .; Карпов, А .; Грейнер, В. (2013). «Будущее исследований сверхтяжелых элементов: какие ядра могут быть синтезированы в ближайшие несколько лет?» (PDF) . Журнал физики: Серия конференций . 420 . 012001. arXiv : 1207.5700 . Bibcode : 2013JPhCS.420a2001Z . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 420/1/012001 . ISSN   1742-6588 .