Изотопы резерфордия - Isotopes of rutherfordium

Резерфордий ( ₁₀₄ Rf) является синтетическим элементом и поэтому не имеет стабильных изотопов . Стандартный атомный вес не может быть дан. Первым синтезированным изотопом был либо ²⁵⁹ Rf в 1966 году, либо ²⁵⁷ Rf в 1969 году. Известно 16 радиоизотопов от ²⁵³ Rf до ²⁷⁰ Rf (3 из которых, ²⁶⁶ Rf, ²⁶⁸ Rf и ²⁷⁰ Rf не подтверждены) и 4 изомера . Самый долгоживущий изотоп - это ²⁶⁷ Rf с периодом полураспада 2,5 часа, а самый долгоживущий изомер - это ^261m Rf с периодом полураспада 81 секунда.

Список изотопов

Нуклеосинтез

Сверхтяжелые элементы, такие как резерфордий, производятся путем бомбардировки более легких элементов в ускорителях частиц, что вызывает реакции синтеза . В то время как большинство изотопов резерфордия могут быть синтезированы напрямую этим способом, некоторые более тяжелые изотопы наблюдались только как продукты распада элементов с более высокими атомными номерами .

В зависимости от задействованных энергий первые делятся на «горячие» и «холодные». В реакциях горячего синтеза очень легкие высокоэнергетические снаряды ускоряются в направлении очень тяжелых целей ( актинидов ), в результате чего образуются составные ядра с высокой энергией возбуждения (~ 40–50  МэВ ), которые могут либо делиться, либо испаряться несколько (3-5) нейтроны. В реакциях холодного синтеза образовавшиеся конденсированные ядра имеют относительно низкую энергию возбуждения (~ 10–20 МэВ), что снижает вероятность того, что эти продукты будут подвергаться реакциям деления. Когда слитые ядра охлаждаются до основного состояния , им требуется испускание только одного или двух нейтронов, что позволяет производить больше продуктов, богатых нейтронами. Последняя концепция отличается от концепции, в которой ядерный синтез, как утверждалось, достигается при условиях комнатной температуры (см. Холодный синтез ).

Исследования горячего термоядерного синтеза

Впервые синтез резерфордия был предпринят в 1964 году командой из Дубны с использованием реакции горячего синтеза неоновых снарядов-22 с мишенями из плутония- 242:

²⁴²
₉₄Пу
+ ²²
₁₀Ne
→ ^{264 − х}
₁₀₄Rf
+ 3 или 5
п
.

Первое исследование предоставило доказательства спонтанного деления с периодом полураспада 0,3 секунды, а другое - 8 секунд. В то время как первое наблюдение было в конечном итоге опровергнуто, последнее в конечном итоге стало ассоциироваться с изотопом ²⁵⁹ Rf. В 1966 году советская группа повторила эксперимент, использовав химическое исследование летучих хлоридных продуктов. Они определили летучий хлорид со свойствами эка-гафния, который быстро распадается в результате спонтанного деления. Это дало убедительные доказательства образования RfCl ₄ , и, хотя период полураспада не был точно измерен, более поздние данные позволили предположить, что продукт, скорее всего, был ²⁵⁹ Rf. Команда повторила эксперимент несколько раз в течение следующих нескольких лет, а в 1971 году они пересмотрели период полураспада изотопа при спонтанном делении на 4,5 секунды.

В 1969 году исследователи из Калифорнийского университета под руководством Альберта Гиорсо попытались подтвердить первоначальные результаты, полученные в Дубне. В реакции кюрия- 248 с кислородом-16 они не смогли подтвердить результат советской группы, но смогли наблюдать спонтанное деление ²⁶⁰ Rf с очень коротким периодом полураспада 10–30 мс:

²⁴⁸
₉₆См
+ ¹⁶
₈О
→ ²⁶⁰
₁₀₄Rf
+ 4
п
.

В 1970 году американская группа также изучила ту же реакцию с кислородом-18 и идентифицировала ²⁶¹ Rf с периодом полураспада 65 секунд (позже уточненным до 75 секунд). Более поздние эксперименты в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии также показали образование короткоживущего изомера ²⁶² Rf (который подвергается спонтанному делению с периодом полураспада 47 мс) и активность спонтанного деления с большим временем жизни, предположительно отнесенным к ²⁶³ Rf. .

Схема экспериментальной установки, использованной при открытии изотопов ²⁵⁷ Rf и ²⁵⁹ Rf

Реакция калифорния- 249 с углеродом-13 была также исследована группой Гиорсо, которая указала на образование короткоживущего ²⁵⁸ Rf (который подвергается спонтанному делению за 11 мс):

²⁴⁹
₉₈Cf
+ ¹³
₆C
→ ²⁵⁸
₁₀₄Rf
+ 4
п
.

Пытаясь подтвердить эти результаты, используя вместо этого углерод-12 , они также наблюдали первые альфа-распады от ²⁵⁷ Rf.

Реакция берклия- 249 с азотом- 14 была впервые изучена в Дубне в 1977 году, а в 1985 году исследователи подтвердили образование изотопа ²⁶⁰ Rf, который быстро подвергается спонтанному делению за 28 мс:

²⁴⁹
₉₇Bk
+ ¹⁴
₇N
→ ²⁶⁰
₁₀₄Rf
+ 3
п
.

В 1996 году изотоп ²⁶² Rf был обнаружен в LBNL в результате слияния плутония-244 с неоном-22:

²⁴⁴
₉₄Пу
+ ²²
₁₀Ne
→ ^{266 − х}
₁₀₄Rf
+ 4 или 5
п
.

Команда определила период полураспада 2,1 секунды, в отличие от более ранних отчетов 47 мс, и предположила, что два периода полураспада могут быть связаны с разными изомерными состояниями ²⁶² Rf. Исследования той же реакции, проведенные группой в Дубне, привели к наблюдению в 2000 году альфа-распадов ²⁶¹ Rf и спонтанных делений ^261m Rf.

О реакции горячего термоядерного синтеза с использованием урановой мишени впервые сообщили в Дубне в 2000 году:

²³⁸
₉₂U
+ ²⁶
₁₂Mg
→ ^{264 − х}
₁₀₄Rf
+ х
п
(х = 3, 4, 5, 6).

Они наблюдали распады от ²⁶⁰ Rf и ²⁵⁹ Rf, а затем от ²⁵⁹ Rf. В 2006 году в рамках своей программы по изучению урановых мишеней в реакциях горячего синтеза команда LBNL также наблюдала ²⁶¹ Rf.

Исследования холодного синтеза

Первые эксперименты по холодному синтезу с использованием элемента 104 были проведены в 1974 году в Дубне с использованием легких ядер титана-50, нацеленных на мишени из изотопа свинца-208:

²⁰⁸
₈₂Pb
+ ⁵⁰
₂₂Ti
→ ^{258 − х}
₁₀₄Rf
+ х
п
(х = 1, 2 или 3).

Измерение активности спонтанного деления было отнесено к ²⁵⁶ Rf, в то время как более поздние исследования, проведенные в Институте Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), также измеряли свойства распада для изотопов ²⁵⁷ Rf и ²⁵⁵ Rf.

В 1974 г. исследователи из Дубны исследовали реакцию свинца-207 с титаном-50 с образованием изотопа ²⁵⁵ Rf. В исследовании, проведенном GSI в 1994 году с использованием изотопа свинца-206, было обнаружено ²⁵⁵ Rf, а также ²⁵⁴ Rf. ²⁵³ Rf был аналогичным образом обнаружен в том же году, когда вместо него использовался свинец-204.

Исследования распада

Большинство изотопов с атомной массой ниже 262 также наблюдались как продукты распада элементов с более высоким атомным номером , что позволяет уточнить их ранее измеренные свойства. Более тяжелые изотопы резерфордия наблюдались только как продукты распада. Например, с 2004 года в цепочке распада дармштадция- 279 наблюдались несколько событий альфа-распада, оканчивающихся на ²⁶⁷ Rf :

²⁷⁹
₁₁₀Ds
→ ²⁷⁵
₁₀₈Hs
+
α
→ ²⁷¹
₁₀₆Sg
+
α
→ ²⁶⁷
₁₀₄Rf
+
α
.

Далее он подвергся спонтанному делению с периодом полураспада около 1,3 часа.

Исследования по синтезу изотопа дубний-263 в 1999 г. в Бернском университете выявили события, соответствующие захвату электрона с образованием ²⁶³ Rf. Была отделена фракция резерфордия, и было обнаружено несколько событий спонтанного деления с длительным периодом полураспада около 15 минут, а также альфа-распад с периодом полураспада около 10 минут. Сообщения о цепочке распада флеровия- 285 в 2010 году показали пять последовательных альфа-распадов, которые заканчиваются на ²⁶⁵ Rf, который далее подвергается спонтанному делению с периодом полураспада 152 секунды.

Некоторые экспериментальные доказательства были получены в 2004 году для еще более тяжелого изотопа ²⁶⁸ Rf в цепочке распада изотопа московия :

²⁸⁸
₁₁₅Mc
→ ²⁸⁴
₁₁₃Nh
+
α
→ ²⁸⁰
₁₁₁Rg
+
α
→ ²⁷⁶
₁₀₉Mt
+
α
→ ²⁷²
₁₀₇Bh
+
α
→ ²⁶⁸
₁₀₅Db
+
α
 ? →²⁶⁸
₁₀₄Rf
+
ν
_е.

Однако последний шаг в этой цепочке был неопределенным. После наблюдения пяти событий альфа-распада, которые генерируют дубний- 268, были обнаружены события спонтанного деления с длительным периодом полураспада. Неясно, были ли эти события следствием прямого спонтанного деления ²⁶⁸ Дб, или ²⁶⁸ Дб приводили к событиям захвата электронов с длительными периодами полураспада для генерации ²⁶⁸ Rf. Если последний образуется и распадается с коротким периодом полураспада, эти две возможности нельзя различить. Принимая во внимание , что захват электрона из ²⁶⁸ Db не могут быть обнаружены, эти события спонтанного деления может быть связано с ²⁶⁸ Rf, в этом случае период полураспада этого изотопа не могут быть извлечены. Аналогичный механизм предложен для формирования еще более тяжелого изотопа ²⁷⁰ Rf как недолговечной дочери ²⁷⁰ Db (в цепочке распада ²⁹⁴ Ts, впервые синтезирован в 2010 году) , который затем претерпевает спонтанное деление:

²⁹⁴
₁₁₇Ц
→ ²⁹⁰
₁₁₅Mc
+
α
→ ²⁸⁶
₁₁₃Nh
+
α
→ ²⁸²
₁₁₁Rg
+
α
→ ²⁷⁸
₁₀₉Mt
+
α
→ ²⁷⁴
₁₀₇Bh
+
α
→ ²⁷⁰
₁₀₅Db
+
α
 ? →²⁷⁰
₁₀₄Rf
+
ν
_е.

Согласно отчету 2007 года о синтезе нихония , изотоп ²⁸² Nh подвергся аналогичному распаду с образованием ²⁶⁶ Db, который подвергается спонтанному делению с периодом полураспада 22 минуты. Учитывая, что электронный захват ²⁶⁶ Db не может быть обнаружен, эти события спонтанного деления могут быть связаны с ²⁶⁶ Rf, и в этом случае период полураспада этого изотопа не может быть извлечен.

Ядерная изомерия

Предлагаемая в настоящее время схема уровней распада для ²⁵⁷ Rf ^{g, m} из исследований, опубликованных в 2007 г. Hessberger et al. в GSI

Несколько ранних исследований по синтезу ²⁶³ Rf показали, что этот нуклид распадается в основном за счет спонтанного деления с периодом полураспада 10–20 минут. Совсем недавно исследование изотопов гассия позволило синтезировать атомы ²⁶³ Rf, распадающиеся с более коротким периодом полураспада, равным 8 секундам. Эти два разных режима распада должны быть связаны с двумя изомерными состояниями, но конкретное отнесение затруднено из-за небольшого количества наблюдаемых событий.

Во время исследования синтеза изотопов резерфордия с использованием реакции ²⁴⁴ Pu ( ²² Ne, 5n) ²⁶¹ Rf было обнаружено, что продукт подвергается исключительному альфа-распаду 8,28 МэВ с периодом полураспада 78 секунд. Более поздние исследования в GSI по синтезу изотопов коперниция и хассия дали противоречивые данные, поскольку было обнаружено , что ²⁶¹ Rf, образующийся в цепочке распада, подвергается альфа-распаду с энергией 8,52 МэВ с периодом полураспада 4 секунды. Более поздние результаты показали преобладающую ветвь деления. Эти противоречия вызвали некоторые сомнения в открытии копернициума. Первый изомер в настоящее время обозначается ^261a Rf (или просто ²⁶¹ Rf), тогда как второй обозначается ^261b Rf (или ^261m Rf). Однако считается, что первое ядро ​​принадлежит высокоспиновому основному состоянию, а последнее - низкоспиновому метастабильному состоянию. Открытие и подтверждение ^261b Rf послужило доказательством открытия копернициума в 1996 году.

Детальное спектроскопическое исследование образования ядер ²⁵⁷ Rf с использованием реакции ²⁰⁸ Pb ( ⁵⁰ Ti, n) ²⁵⁷ Rf позволило идентифицировать изомерный уровень в ²⁵⁷ Rf. Работа подтвердила, что ^257g Rf имеет сложный спектр с 15 линиями альфа. Диаграмма структуры уровней была рассчитана для обоих изомеров. Аналогичные изомеры описаны также для ²⁵⁶ Rf.

Будущие эксперименты

Команда GSI планирует провести первые подробные спектроскопические исследования изотопа ²⁵⁹ Rf. Это будет производиться в новой реакции:

${\ displaystyle {\ ce {{^ {238} _ {92} U} + {^ {24} _ {12} Mg} -> {^ {259} _ {104} Rf} + 3_ {0} ^ { 1} n}}}$

Химические выходы изотопов

Холодный синтез

В таблице ниже представлены сечения и энергии возбуждения для реакций холодного синтеза, непосредственно производящих изотопы резерфордия. Данные, выделенные жирным шрифтом, представляют собой максимумы, полученные в результате измерений функции возбуждения. + представляет наблюдаемый канал выхода.

Горячий синтез

В таблице ниже представлены сечения и энергии возбуждения для реакций горячего синтеза, непосредственно производящих изотопы резерфордия. Данные, выделенные жирным шрифтом, представляют собой максимумы, полученные в результате измерений функции возбуждения. + представляет наблюдаемый канал выхода.

использованная литература

• Изотопные массы из:
  • М. Ван; G. Audi; AH Wapstra; Кондев Ф.Г .; М. Маккормик; X. Xu; и другие. (2012). «Оценка атомной массы AME2012 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Китайская физика C . 36 (12): 1603–2014. Bibcode : 2012ChPhC..36 .... 3M . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 36/12/003 .
  • Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), " Оценка ядерных свойств и свойств распада N UBASE " , Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729 .... 3A , doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11 0,001
• Изотопные составы и стандартные атомные массы из:
  • де Лаэтер, Джон Роберт ; Бёльке, Джон Карл; Де Бьевр, Поль; Хидака, Хироши; Пайзер, Х. Штеффен; Росман, Кевин-младший; Тейлор, Филип DP (2003). «Атомный вес элементов. Обзор 2000 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 75 (6): 683–800. DOI : 10.1351 / pac200375060683 .
  • Визер, Майкл Э. (2006). «Атомный вес элементов 2005 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. DOI : 10,1351 / pac200678112051 . Выложите резюме .
• Данные о периоде полураспада, спине и изомерах выбраны из следующих источников.
  • Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), " Оценка ядерных свойств и свойств распада N UBASE " , Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729 .... 3A , doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11 0,001
  • Национальный центр ядерных данных . «База данных NuDat 2.x» . Брукхейвенская национальная лаборатория .
  • Холден, Норман Э. (2004). «11. Таблица изотопов». В Лиде, Дэвид Р. (ред.). CRC Справочник по химии и физике (85-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.

внешние ссылки

• http://www.radiochemistry.org/periodictable/elements/isotopes_data/104.html
• http://www-phynu.cea.fr/science_en_ligne/carte_potentiels_microscopiques/choix/isotopes/z104_eng.html
• http://www.springermaterials.com/docs/info/978-3-540-70609-0_7730.html