Сверхтяжелый элемент - Superheavy element

Трансактинидные элементы
в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
Z  ≥ 104 (Rf)

Сверхтяжелые элементы , также известные как трансактиниды , трансактиниды или сверхтяжелые элементы , представляют собой химические элементы с атомными номерами больше 103. Сверхтяжелые элементы находятся непосредственно за актинидами в периодической таблице; Самый тяжелый актинид - лоуренсий (атомный номер 103). По определению сверхтяжелые элементы также являются трансурановыми элементами , то есть имеют атомные номера больше, чем уран (92).

Гленн Т. Сиборг первым предложил концепцию актинидов , которая привела к принятию серии актинидов . Он также предложил серию трансактинидов, варьирующуюся от элемента 104 до 121, и серию суперактинидов, приблизительно охватывающую элементы от 122 до 153 (хотя более поздние работы предполагают, что конец серии суперактинидов происходит вместо этого на элементе 157). В его честь был назван трансактинид сиборгий .

Сверхтяжелые элементы радиоактивны и были получены синтетическим путем в лабораториях. Ни один из этих элементов никогда не собирался в макроскопическом образце. Все сверхтяжелые элементы названы в честь физиков и химиков или важных мест, участвующих в синтезе элементов.

ИЮПАК определяет элемент как существующий, если его время жизни превышает 10 -14 секунд, то есть время, необходимое ядру для формирования электронного облака.

Известные сверхтяжелые элементы составляют часть 6d и 7p серий периодической таблицы. За исключением резерфордия и дубния , даже самые долгоживущие изотопы сверхтяжелых элементов имеют короткие периоды полураспада, составляющие минуты или меньше. Элемент именование полемика задействованы элементы 102-109. Таким образом, некоторые из этих элементов использовали систематические названия в течение многих лет после подтверждения их открытия. (Обычно систематические названия заменяются постоянными названиями, предложенными первооткрывателями относительно вскоре после подтверждения открытия.)

Вступление

Синтез сверхтяжелых ядер

Графическое изображение реакции ядерного синтеза
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.

Сверхтяжелое атомное ядро создается в результате ядерной реакции, объединяющей 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 бомбардирует пучок более легких ядер. Два ядра могут сливаться 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. Энергия, приложенная к ядрам пучка для их ускорения, может заставить их развивать скорость до одной десятой скорости света . Однако, если приложить слишком много энергии, ядро ​​пучка может развалиться.

Пройдя достаточно близко , сам 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 разделить путей (не обязательно в одной и ту же композиции , как и до реакции) , а не форма а одно ядро. Это происходит потому, что во время попытки образования одного ядра электростатическое отталкивание разрывает формирующееся ядро. Каждая пара мишени и луча характеризуется своим поперечным сечением - вероятностью того, что слияние произойдет, если два ядра приблизятся друг к другу, выраженную в терминах поперечной площади, в которую должна попасть падающая частица, чтобы произошло слияние. Этот синтез может происходить в результате квантового эффекта, при котором ядра могут туннелировать посредством электростатического отталкивания. Если два ядра могут оставаться рядом в течение этой фазы, множественные ядерные взаимодействия приводят к перераспределению энергии и энергетическому равновесию.

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

Результирующее слияние представляет собой возбужденное состояние, называемое составным ядром, и поэтому оно очень нестабильно. Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может делиться без образования более стабильного ядра. В качестве альтернативы составное ядро ​​может испускать несколько нейтронов , которые уносят энергию возбуждения; если последнего недостаточно для выброса нейтронов, слияние произведет гамма-излучение . Это происходит примерно через 10 -16  секунд после первоначального ядерного столкновения и приводит к созданию более стабильного ядра. В определении совместной рабочей группы (JWP) IUPAC / IUPAP говорится, что химический элемент может быть признан обнаруженным только в том случае, если его ядро ​​не распалось в течение 10-14 секунд. Это значение было выбрано для оценки того, сколько времени требуется ядру, чтобы получить свои внешние электроны и, таким образом, проявить свои химические свойства.

Распад и обнаружение

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, и его диапазон не ограничен. Полная энергия связи, обеспечиваемая сильным взаимодействием, линейно увеличивается с числом нуклонов, тогда как электростатическое отталкивание увеличивается пропорционально квадрату атомного номера, то есть последнее растет быстрее и становится все более важным для тяжелых и сверхтяжелых ядер. Таким образом, сверхтяжелые ядра предсказываются теоретически и до сих пор наблюдались преимущественно распадом посредством мод распада, вызванных таким отталкиванием: альфа-распадом и спонтанным делением . Почти все альфа-излучатели имеют более 210 нуклонов, а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. В обоих режимах распада ядрам препятствуют соответствующие энергетические барьеры для каждой моды, но они могут быть туннелированы.

Аппарат для создания сверхтяжелых элементов
Схема установки для создания сверхтяжелых элементов на базе Дубненского газонаполненного сепаратора отдачи, установленного в Лаборатории ядерных реакций им . Флерова ОИЯИ. Траектория внутри детектора и устройства фокусировки луча изменяется из-за дипольного магнита в первом и квадрупольных магнитов во втором.

Альфа-частицы обычно образуются при радиоактивных распадах, потому что масса альфа-частицы на нуклон достаточно мала, чтобы оставить некоторую энергию для использования альфа-частицы в качестве кинетической энергии для выхода из ядра. Самопроизвольное деление вызывается электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро ​​на части и приводящим к образованию различных ядер в разных случаях деления идентичных ядер. По мере увеличения атомного номера спонтанное деление быстро становится более важным: частичные периоды полураспада спонтанного деления уменьшаются на 23 порядка величины от урана (элемент 92) до нобелия (элемент 102) и на 30 порядков величины от тория (элемент 90). до фермия (элемент 100). Таким образом, более ранняя модель жидкой капли предполагала, что спонтанное деление произойдет почти мгновенно из-за исчезновения барьера деления для ядер с примерно 280 нуклонами. Более поздняя модель ядерной оболочки предположила, что ядра с примерно 300 нуклонами образуют островок стабильности, в котором ядра будут более устойчивы к спонтанному делению и в первую очередь будут подвергаться альфа-распаду с более длительными периодами полураспада. Последующие открытия показали, что предсказанный остров может оказаться дальше, чем предполагалось изначально; они также показали, что ядра, промежуточные между долгоживущими актинидами и предсказанным островом, деформируются и приобретают дополнительную стабильность за счет оболочечных эффектов. Эксперименты на более легких сверхтяжелых ядрах, а также на ядрах, расположенных ближе к ожидаемому острову, показали большую, чем ожидалось ранее, устойчивость к спонтанному делению, показывая важность оболочечных эффектов на ядра.

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 может быть легко определен. (То, что все распады в цепочке распадов действительно были связаны друг с другом, устанавливается по местоположению этих распадов, которые должны находиться в одном и том же месте.) Известное ядро ​​можно распознать по особым характеристикам распада, которому оно подвергается, таким как энергия распада (точнее, кинетическая энергия испускаемой частицы). 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 сверхтяжелый элемент, - 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

Ранние предсказания

Тяжелый элемент известен в конце 19 - го века был уран, с атомной массой около 240 (теперь известно, 238)  а.е.м. . Соответственно, он был помещен в последнюю строку периодической таблицы; это подпитывало предположения о возможном существовании элементов тяжелее урана и о том, почему A  = 240 кажется пределом. После открытия благородных газов , начиная с открытия аргона в 1895 году, была рассмотрена возможность более тяжелых членов группы. Датский химик Юлиус Томсен предположил в 1895 году существование шестого благородного газа с Z  = 86, A  = 212 и седьмого с Z  = 118, A  = 292, последний закрывает 32-элементный период, содержащий торий и уран. В 1913 году шведский физик Йоханнес Ридберг расширил экстраполяцию Томсена таблицы Менделеева, включив в нее еще более тяжелые элементы с атомными номерами до 460, но он не верил, что эти сверхтяжелые элементы существуют или встречаются в природе.

В 1914 году немецкий физик Ричард Суинн предположил, что  в космических лучах могут быть обнаружены элементы тяжелее урана, например, около Z = 108 . Он предположил, что эти элементы могут не обязательно иметь уменьшающийся период полураспада с увеличением атомного номера, что привело к предположениям о возможности некоторых более долгоживущих элементов при Z = 98–102 и Z = 108–110 (хотя и разделенных короткоживущими элементами. ). Суинн опубликовал эти предсказания в 1926 году, полагая, что такие элементы могут существовать в ядре Земли , в железных метеоритах или в ледяных шапках Гренландии, где они были заперты из-за своего предполагаемого космического происхождения.

Открытия

Работа, выполненная с 1964 по 2013 год в четырех лабораториях - Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в США, Объединенном институте ядерных исследований в СССР (позднее в России), GSI Центре исследований тяжелых ионов Гельмгольца в Германии и RIKEN в Японии - определила и подтвердили наличие элементов от резерфордия до оганессона в соответствии с критериями рабочих групп IUPAC - IUPAP по трансфермию и последующих совместных рабочих групп. Эти открытия завершают седьмую строку периодической таблицы. Остальные два трансактинида, унунений (элемент 119) и унбинилий (элемент 120), еще не синтезированы. У них начнется восьмой период.

Список элементов

Характеристики

Из-за их короткого периода полураспада (например, наиболее стабильный известный изотоп сиборгия имеет период полураспада 14 минут, и период полураспада постепенно уменьшается справа от группы) и низкому выходу ядерных реакций, которые Для их производства потребовалось разработать новые методы определения их газовой фазы и химического состава растворов на основе очень маленьких образцов, состоящих из нескольких атомов каждый. Релятивистские эффекты становятся очень важными в этой области периодической таблицы, заставляя заполненные 7s-орбитали, пустые 7p-орбитали и заполненные 6d-орбитали сжиматься внутрь к ядру атома. Это вызывает релятивистскую стабилизацию 7s-электронов и делает 7p-орбитали доступными в состояниях низкого возбуждения.

Элементы с 103 по 112, от лоуренсия до копернициума, могут быть взяты для образования 6d серии переходных элементов. Экспериментальные данные показывают, что элементы 103–108 ведут себя так, как ожидалось для их положения в периодической таблице, как более тяжелые гомологи лютеция через осмий. Ожидается, что они будут иметь ионные радиусы между ионными радиусами их 5d-гомологов переходных металлов и их актинидных псевдогомологов: например, рассчитано , что Rf 4+ имеет ионный радиус 76  пм , между значениями для Hf 4+ (71 пм) и Th 4+. (94 вечера). Их ионы также должны быть менее поляризуемыми, чем ионы их 5d-гомологов. Ожидается, что релятивистские эффекты достигнут максимума в конце этого ряда, у рентгения (элемент 111) и коперниция (элемент 112). Тем не менее, многие важные свойства трансактинидов еще не известны экспериментально, хотя теоретические расчеты были выполнены.

Элементы 113–118, от нихония до оганессона, должны образовывать серию 7p, завершая седьмой период в периодической таблице. Их химия будет находиться под сильным влиянием очень сильной релятивистской стабилизации 7s-электронов и сильного эффекта спин-орбитальной связи, «разрывающего» подоболочку 7p на две части, еще одну стабилизированную (7p 1/2 , содержащую два электрона) и одну. более дестабилизированный (7p 3/2 , содержащий четыре электрона). Кроме того, 6d-электроны все еще дестабилизированы в этой области и, следовательно, могут вносить некоторый характер переходного металла в первые несколько 7p-элементов. Здесь следует стабилизировать более низкие степени окисления, продолжая групповые тенденции, поскольку и 7s, и 7p 1/2 электроны демонстрируют эффект инертной пары . Ожидается, что эти элементы будут в значительной степени следовать групповым тенденциям, хотя релятивистские эффекты будут играть все более важную роль. В частности, большое расщепление 7p приводит к эффективному закрытию оболочки у флеровия (элемент 114) и, следовательно, к гораздо более высокой, чем ожидалось, химической активности оганессона (элемент 118).

Элемент 118 - это последний синтезированный элемент. Следующие два элемента, элементы 119 и 120 , должны образовывать серию 8s и быть щелочным и щелочноземельным металлами соответственно. Ожидается, что 8s-электроны будут релятивистски стабилизированы, так что тенденция к более высокой реакционной способности этих групп изменит направление на противоположное, и элементы будут вести себя больше как их гомологи периода 5, рубидий и стронций . Тем не менее, орбиталь 7p 3/2 все еще релятивистски дестабилизирована, что потенциально дает этим элементам большие ионные радиусы и, возможно, даже может участвовать химически. В этой области 8p-электроны также стабилизируются релятивистски, что приводит к основной конфигурации валентных электронов 8s 2 8p 1 для элемента 121 . Ожидается, что при переходе от элемента 120 к элементу 121 в структуре подоболочки произойдут большие изменения: например, радиус орбиталей 5g должен резко упасть с 25  единиц Бора в элементе 120 в возбужденной конфигурации [Og] 5g 1 8s 1. до 0,8 единиц Бора в элементе 121 в возбужденной конфигурации [Og] 5g 1 7d 1 8s 1 , в явлении, называемом «радиальный коллапс». Элемент 122 должен добавить еще один электрон 7d или еще один 8p к электронной конфигурации элемента 121. Элементы 121 и 122 должны быть аналогичны актинию и торию соответственно.

В элементе 121 ожидается начало суперактинидной серии, когда 8s-электроны и заполняющие подоболочки 8p 1/2 , 7d 3/2 , 6f 5/2 и 5g 7/2 определяют химию этих элементов. Полные и точные вычисления недоступны для элементов за пределами 123 из-за чрезвычайной сложности ситуации: орбитали 5g, 6f и 7d должны иметь примерно одинаковый уровень энергии, а в области элемента 160 - 9s, 8p 3/2. , и 9p 1/2 орбитали также должны быть примерно равны по энергии. Это вызовет смешение электронных оболочек, так что блочная концепция больше не будет применяться очень хорошо, а также приведет к новым химическим свойствам, которые очень затруднят размещение этих элементов в периодической таблице; Ожидается, что элемент 164 будет смешивать характеристики элементов групп 10 , 12 и 18 .

Помимо сверхтяжелых элементов

Было предложено, чтобы элементы, превышающие Z = 126, назывались сверхтяжелыми элементами .

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Библиография