Унбибиум - Unbibium

Унбибий , также известный как элемент 122 или эка-торий , является гипотетическим химическим элементом в периодической таблице с символом-заполнителем Ubb и атомным номером 122. Унбибий и Ubb - это временное систематическое название и символ ИЮПАК соответственно, которые используются до элемент обнаружен, подтвержден, и принято решение о постоянном названии. Ожидается, что в периодической таблице элементов за унбиунием будет второй элемент суперактинидов и четвертый элемент 8-го периода . Ожидается, что, как и унбиуний, он будет находиться в пределах « острова стабильности» , потенциально придавая дополнительную стабильность некоторым изотопам, особенно ³⁰⁶ Ubb, который, как ожидается, будет иметь магическое число нейтронов (184).

Несмотря на несколько попыток, унбибий еще не был синтезирован, и не было обнаружено существования каких-либо изотопов природного происхождения. В настоящее время нет планов попыток синтезировать унбибий. В 2008 году было заявлено, что он был обнаружен в образцах природного тория, но теперь это утверждение было отклонено недавним повторением эксперимента с использованием более точных методов.

Ожидается, что химически унбибий будет иметь некоторое сходство с церием и торием . Однако релятивистские эффекты могут привести к тому, что некоторые его свойства будут отличаться; например, ожидается, что он будет иметь электронную конфигурацию в основном состоянии [ Og ] 7d ¹ 8s ² 8p ¹ или [Og] 8s ² 8p ² , несмотря на его предсказанное положение в серии суперактинидов g-блоков.

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 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. 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 быть обнаруженным, ядро ​​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

Термоядерное испарение

Две попытки синтезировать унбибий были предприняты в 1970-х годах, и обе они были продиктованы ранними предсказаниями об острове стабильности при N  = 184 и Z  > 120, и, в частности, о том, могут ли сверхтяжелые элементы потенциально встречаться в природе. Первые попытки синтезировать унбибий были предприняты в 1972 г. Флеровым и соавт. в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) с использованием реакций горячего синтеза, индуцированных тяжелыми ионами:

²³⁸
₉₂U
+ ^66,68
₃₀Zn
→ ^{304 306}
₁₂₂Ubb
* → без атомов

Еще одна неудачная попытка синтезировать унбибий была предпринята в 1978 году в GSI Helmholtz Center, где мишень из природного эрбия подверглась бомбардировке ионами ксенона-136 :

^нац
₆₈Э
+ ¹³⁶
₅₄Xe
→ ^{298,300,302,303,304,306}
Ubb
* → без атомов

Атомов обнаружено не было, и был измерен предел текучести 5  нб (5000  пб ). Текущие результаты (см. Флеровий ) показали, что чувствительность этих экспериментов была слишком низкой, по крайней мере, на 3 порядка. В частности, ожидалось , что реакция между ¹⁷⁰ Er и ¹³⁶ Xe даст альфа-эмиттеры с периодом полураспада в микросекунды, которые распадутся до изотопов флеровия с периодом полураспада, который, возможно, увеличится до нескольких часов, поскольку предсказано, что флеровий будет находиться около центр острова стабильности. После двенадцати часов облучения в этой реакции ничего не было обнаружено. После аналогичной безуспешной попытки синтезировать унбиуний из ²³⁸ U и ⁶⁵ Cu был сделан вывод, что период полураспада сверхтяжелых ядер должен быть меньше одной микросекунды или сечения очень малы. Более поздние исследования синтеза сверхтяжелых элементов показывают, что оба вывода верны.

В 2000 году Центр исследований тяжелых ионов Гельмгольца Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) провел очень похожий эксперимент с гораздо более высокой чувствительностью:

²³⁸
₉₂U
+ ⁷⁰
₃₀Zn
→ ³⁰⁸
₁₂₂Ubb
* → без атомов

Эти результаты показывают, что синтез таких более тяжелых элементов остается серьезной проблемой и требует дальнейшего улучшения интенсивности пучка и эффективности экспериментов. Чувствительность следует увеличить до 1  фб в будущем для более качественных результатов.

Деление составного ядра

В период с 2000 по 2004 год в Лаборатории ядерных реакций им . Флерова было проведено несколько экспериментов по изучению характеристик деления различных сверхтяжелых составных ядер, таких как ³⁰⁶ Ubb . Были использованы две ядерные реакции, а именно ²⁴⁸ Cm + ⁵⁸ Fe и ²⁴² Pu + ⁶⁴ Ni. Результаты показывают, как сверхтяжелые ядра делятся преимущественно за счет вытеснения ядер с закрытой оболочкой, таких как ¹³² Sn ( Z  = 50, N  = 82). Было также обнаружено, что выход для пути синтеза-деления был одинаковым для снарядов с ⁴⁸ Ca и ⁵⁸ Fe, что предполагает возможное будущее использование снарядов с ⁵⁸ Fe для образования сверхтяжелых элементов.

Будущее

Предсказанные моды распада сверхтяжелых ядер. Линия синтезированных богатых протонами ядер, как ожидается, будет прервана вскоре после Z  = 120 из-за сокращения периодов полураспада примерно до Z  = 124, увеличения вклада спонтанного деления вместо альфа-распада с Z  = 122 и далее до тех пор, пока он не станет доминирующим. от Z  = 125, а линия капель протонов около Z  = 130. Белое кольцо обозначает ожидаемое местоположение острова стабильности; два квадрата, обведенные белым цветом, обозначают ²⁹¹ Cn и ²⁹³ Cn, которые, по прогнозам, являются самыми долгоживущими нуклидами на острове с периодом полураспада в века или тысячелетия.

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 повышенным уровнем обнаружения. возможности и разрешить иным образом недоступные реакции.

Возможно, что реакции термоядерного испарения не подойдут для открытия унбибия или более тяжелых элементов. Различные модели предсказывают все более короткие периоды полураспада альфа и спонтанного деления для изотопов с Z  = 122 и N  ~ 180 порядка микросекунд или меньше, что делает обнаружение практически невозможным с существующим оборудованием. Растущее преобладание спонтанного деления также может разорвать возможные связи с известными ядрами ливермория или оганессона и затруднить идентификацию и подтверждение; аналогичная проблема возникла на пути к подтверждению цепочки распада ²⁹⁴ Og, не имеющей якоря с известными ядрами. По этим причинам, возможно, потребуется изучить другие методы производства, такие как реакции многонуклонного переноса, способные заселять более долгоживущие ядра. Подобное переключение в экспериментальной технике произошло, когда горячий синтез с использованием снарядов ⁴⁸ Ca использовался вместо холодного синтеза (в котором сечения быстро уменьшаются с увеличением атомного номера) для заселения элементов с Z  > 113.

Тем не менее, было предложено несколько реакций синтеза-испарения, приводящих к унбибию, в дополнение к уже безуспешным попыткам, хотя ни одно учреждение не имеет непосредственных планов предпринять попытки синтеза, вместо этого сосредоточив внимание сначала на элементах 119, 120 и, возможно, 121. Поскольку сечения увеличиваются с увеличением Из-за асимметрии реакции пучок хрома был бы наиболее предпочтительным в сочетании с калифорнийской мишенью, особенно если предсказанная замкнутая нейтронная оболочка при N  = 184 могла бы быть достигнута в более нейтронно-богатых продуктах и ​​придала бы дополнительную стабильность. В частности, реакция между⁵⁴
₂₄Cr
а также ²⁵²
₉₈Cf
генерирует составное ядро ³⁰⁶
₁₂₂Ubb
и достигают оболочки при N  = 184, хотя аналогичная реакция с²⁴⁹
₉₈Cf
цель считается более осуществимой из-за наличия нежелательных продуктов деления от²⁵²
₉₈Cf
и трудности с накоплением необходимого количества целевого материала. Один из возможных вариантов синтеза унбибия может происходить следующим образом:

²⁴⁹
₉₈Cf
+ ⁵⁴
₂₄Cr
→ ³⁰⁰
₁₂₂Ubb
+ 3 ¹
₀
п

Если эта реакция будет успешной и альфа-распад останется преобладающим над спонтанным делением, то полученное ³⁰⁰ Ubb распадется до ²⁹⁶ Ubn, которые могут заселиться при перекрестной бомбардировке между ²⁴⁹ Cf и ⁵⁰ Ti. Хотя эта реакция является одним из наиболее многообещающих вариантов синтеза унбибия в ближайшем будущем, максимальное сечение, по прогнозам, составит 3  фбн , что на порядок меньше, чем наименьшее измеренное сечение в успешной реакции. Также были предложены более симметричные реакции ²⁴⁴ Pu + ⁶⁴ Ni и ²⁴⁸ Cm + ⁵⁸ Fe, которые могут давать больше нейтронно-богатых изотопов. С увеличением атомного номера необходимо также знать об уменьшении высоты барьера деления , что приводит к снижению вероятности выживания составных ядер , особенно сверх предсказанных магических чисел при Z  = 126 и N  = 184.

Заявленное открытие как естественный элемент

В 2008 году группа под руководством израильского физика Амнона Маринова из Еврейского университета в Иерусалиме заявила, что обнаружила отдельные атомы унбибия-292 в природных отложениях тория в количестве от 10 ^-11 до 10 ^{-12 по} отношению к торию. Это был первый случай за 69 лет, когда новый элемент был заявлен как обнаруженный в природе после открытия Маргаритой Перей в 1939 году франция . В иске Маринова и соавт. был раскритикован частью научного сообщества, и Маринов говорит, что отправил статью в журналы Nature и Nature Physics, но оба отклонили ее, не отправив на рецензирование. Утверждается, что атомы унбибия-292 являются супердеформированными или гипердеформированными изомерами с периодом полураспада не менее 100 миллионов лет.

Критика метода, ранее использовавшегося для предполагаемой идентификации более легких изотопов тория с помощью масс-спектрометрии , была опубликована в Physical Review C в 2008 году. Опровержение группы Маринова было опубликовано в Physical Review C после опубликованного комментария.

Повторение эксперимента с торием с использованием более совершенного метода масс-спектрометрии на ускорителе (AMS) не подтвердило результатов, несмотря на 100-кратное улучшение чувствительности. Этот результат проливает сомнение результаты сотрудничества Маринов с учетом их требований долгоживущих изотопов тория , рентгения и unbibium. По-прежнему возможно, что следы унбибия могут присутствовать в некоторых образцах тория, хотя, учитывая современные представления о сверхтяжелых элементах, это очень маловероятно.

Именование

Используя терминологию Менделеева для безымянных и неоткрытых элементов , unbibium вместо этого должен быть известен как Ека торий . После рекомендаций ИЮПАК в 1979 году элемент с тех пор в основном упоминается как унбибий с атомным символом ( Ubb ) в качестве его временного названия до тех пор, пока элемент не будет официально обнаружен и синтезирован, и не будет принято решение о постоянном названии. Ученые в основном игнорируют это соглашение об именах и вместо этого просто называют унбибий «элементом 122» с символом ( 122 ), а иногда даже E122 или 122 .

Прогнозируемые свойства

Ядерная стабильность и изотопы

Диаграмма стабильности нуклидов, использованная дубненской командой в 2010 году. Характеризованные изотопы показаны рамками. Ожидается, что за пределами элемента 118 (оганессон, последний известный элемент) линия известных нуклидов быстро войдет в область нестабильности без периодов полураспада в течение одной микросекунды после элемента 121 ; это создает трудности при идентификации более тяжелых элементов, таких как унбибий. Эллиптическая область охватывает прогнозируемое местоположение острова стабильности.

Стабильность ядер сильно снижается с увеличением атомного номера после плутония , самого тяжелого первичного элемента , так что все изотопы с атомным номером выше 101 распадаются радиоактивно с периодом полураспада менее суток, за исключением дубния- 268. Никакие элементы с атомными номерами выше 82 (после свинца ) не имеют стабильных изотопов. Тем не менее, из - за причины , пока еще не очень хорошо понимает, есть небольшой повышенная стабильность ядер вокруг атомных номеров 110 - 114 , что приводит к появлению того , что известно в области ядерной физики , как « островок стабильности ». Эта концепция, предложенная профессором Калифорнийского университета Гленном Сиборгом , объясняет, почему сверхтяжелые элементы служат дольше, чем предполагалось.

В этой области периодической таблицы N  = 184 было предложено как замкнутая нейтронная оболочка , и различные атомные номера были предложены как замкнутые протонные оболочки, такие как Z  = 114, 120, 122, 124 и 126. Островок стабильность будет характеризоваться более длительным периодом полураспада ядер, расположенных вблизи этих магических чисел, хотя степень стабилизирующих эффектов неясна из-за предсказаний ослабления замыканий протонной оболочки и возможной потери двойной магии . Более поздние исследования предсказывают, что остров стабильности вместо этого будет сосредоточен на бета-стабильных изотопах коперния ²⁹¹ Cn и ²⁹³ Cn, что приведет к размещению унбибия значительно выше острова и короткому периоду полураспада независимо от эффектов оболочки. Повышенная стабильность элементов 112–118 также объясняется сплюснутой формой таких ядер и сопротивлением спонтанному делению. Та же самая модель также предлагает ³⁰⁶ Ubb в качестве следующего сферического дважды магического ядра, тем самым определяя истинный остров стабильности для сферических ядер.

Области ядер различной формы, как предсказывает приближение взаимодействующих бозонов

Модель квантового туннелирования предсказывает период полураспада изотопов ^{унбибия 284–322} Ubb при альфа-распаде порядка микросекунд или меньше для всех изотопов легче ³¹⁵ Ubb, что подчеркивает значительную проблему экспериментального наблюдения этого элемента. Это согласуется со многими прогнозами, хотя точное местоположение границы в 1 микросекунду зависит от модели. Кроме того, ожидается, что спонтанное деление станет основной модой распада в этой области с периодом полураспада порядка фемтосекунд, предсказанным для некоторых четно-четных изотопов из-за минимальных помех, возникающих из-за спаривания нуклонов и потери стабилизирующих эффектов дальше от магических чисел. . Расчет в 2016 году периодов полураспада и вероятных цепочек распада изотопов ^280–339 Ubb дает подтверждающие результаты: ^280–297 Ubb будет несвязанным протоном и, возможно , ^{распадется за} счет испускания протона , ^298–314 Ubb будет иметь период полураспада в альфа-диапазоне порядка микросекунд, а те, которые тяжелее ³¹⁴ Ubb, будут преимущественно распадаться спонтанным делением с короткими периодами полураспада. Для более легких альфа-излучателей, которые могут заселяться в реакциях слияния-испарения, предсказываются некоторые длинные цепочки распада, ведущие к известным или достижимым изотопам более легких элементов. Кроме того, изотопы ^308–310 Ubb, по прогнозам, будут иметь период полураспада менее 1 микросекунды, что слишком мало для обнаружения из-за значительно более низкой энергии связи для нейтронных чисел, находящихся непосредственно над  закрытием оболочки N = 184. В качестве альтернативы, второй островок стабильности с полными периодами полураспада приблизительно 1 секунда может существовать около Z  ~ 124 и N  ~ 198, хотя до этих ядер будет трудно или невозможно добраться с использованием современных экспериментальных методов. Однако эти прогнозы сильно зависят от выбранных моделей ядерной массы, и неизвестно, какие изотопы унбибия будут наиболее стабильными. Тем не менее, эти ядра будет трудно синтезировать, поскольку никакая комбинация получаемой мишени и снаряда не может обеспечить достаточное количество нейтронов в составном ядре. Даже для ядер, доступных в реакциях слияния, спонтанное деление и, возможно, также кластерный распад могут иметь значительные ответвления, что создает еще одно препятствие для идентификации сверхтяжелых элементов, поскольку они обычно идентифицируются по их последовательным альфа-распадам.

Химическая

Предполагается, что по химическому составу унбибий похож на церий и торий, у которых также есть четыре валентных электрона над ядром благородного газа, хотя он может быть более реактивным. Кроме того, unbibium, по прогнозам, принадлежит к новому блоку валентность атомов г-электроны, хотя 5g орбиталь не ожидается , чтобы начать заполнение примерно до элемента 125. Прогнозируемого основного состояния электронной конфигурация unbibium не является либо [ Og ] 7d ¹ 8s ² 8p ¹ или 8s ² 8p ² , в отличие от ожидаемого [ Og ] 5g ² 8s ^2, в котором орбиталь 5g начинает заполняться на элементе 121. (Ожидается, что конфигурации ds ² p и s ² p ² будут разделены только около 0,02 эВ.) В суперактинидах релятивистские эффекты могут вызвать нарушение принципа Ауфбау и создать перекрытие орбиталей 5g, 6f, 7d и 8p; Эксперименты по химии коперникия и флеровия убедительно указывают на возрастающую роль релятивистских эффектов. Таким образом, химию элементов, следующих за унбибием, становится труднее предсказать.

Унбибий, скорее всего, образует диоксид Ubb O ₂ и тетрагалогениды, такие как Ubb F ₄ и Ubb Cl ₄ . Предполагается, что основная степень окисления будет +4, как у церия и тория. Первая энергия ионизации 5,651 эВ и вторая энергия ионизации 11,332 эВ предсказаны для анбибия; эта и другие рассчитанные энергии ионизации ниже, чем аналогичные значения для тория, что позволяет предположить, что унбибий будет более активным, чем торий.

Примечания

использованная литература

Библиография

• Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
• 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.
• Хоффман, округ Колумбия; Ли, DM; Першина, В. (2006). «Трансактиниды и элементы будущего». In Morss, LR; Эдельштейн, Нью-Мексико; Фугер, Дж. (Ред.). Химия актинидных и трансактинидных элементов . 3 (3-е изд.). Дордрехт, Нидерланды: Springer . п. 1652–1752. ISBN 1-4020-3555-1.
• Краг, Х. (2018). От трансурановых к сверхтяжелым элементам: история споров 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?». Журнал физики: Серия конференций . 420 . 012001. arXiv : 1207.5700 . Bibcode : 2013JPhCS.420a2001Z . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 420/1/012001 . ISSN  1742-6588 . S2CID  55434734 .

внешние ссылки

• Chemistry-Blog: Независимый анализ иска Маринова 122
• Карта нуклидов 2014 г.