Elementy otwierające 113, 115, 117 i 118: co daje

Elementy otwierające 113, 115, 117 i 118: co daje

Boris Zhuikov
"Opcja Trójcy" №13 (207), 28 czerwca 2016

O autorze

Boris Zhuikov – radiochemik, dr. chemiczny Nauki, głowa. Laboratorium kompleksu radioizotopowego Instytutu Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk, które wcześniej pracowało przez wiele lat w Laboratorium Reakcji Jądrowych JINR (Dubna), badało właściwości nowych pierwiastków.

Odkrycie nowych elementów układu okresowego układu okresowego zawsze budziło zainteresowanie opinii publicznej. Nie tyle naukowe znaczenie tych odkryć, ile fakt, że wszyscy przeszli przez okresowe prawo w szkole, a niektórzy nawet pamiętają symbole dla żywiołów. Jest to zrozumiałe, znajome. Ale za tymi odkryciami kryją się złożone badania z zakresu fizyki jądrowej i radiochemii, o których wielu nie ma pojęcia.

Obecnie nowe pierwiastki uzyskuje się tylko w akceleratorach ciężkich jonów. (Wcześniej znaleziono je w minerałach lądowych, produktach reaktorów jądrowych i eksplozjach nuklearnych). Ciężkie jony przyspieszane w cyklotronach lub akceleratory liniowe bombardują cele z ciężkich pierwiastków, a w wyniku reakcji fuzji z emisją jednego lub kilku neutronów syntetyzowany jest nowy element o numerze sekwencyjnym ( ładunek jądrowy) – suma ładunków jądra incydentu i jądra docelowego.Następnie utworzone jądra ulegają rozpadowi radioaktywnemu. Do syntezy najbardziej stabilnych izotopów wybiera się takie kombinacje jąder, które zawierają możliwie jak najwięcej neutronów, a jądra złożone mają niską energię wzbudzenia. Wydajność otrzymywanych ciężkich pierwiastków jest niezwykle mała – pojedyncze atomy lub dziesiątki atomów, czasami w ciągu miesięcy po napromieniowaniu w akceleratorze. Okres półtrwania to sekundy, a czasem ułamki milisekund. Trudno jest wyizolować jądra nowych pierwiastków z całej mieszaniny powstałych produktów reakcji jądrowych i prawidłowo zidentyfikować uzyskane produkty. W tym celu tworzone są specjalne urządzenia, które w rezultacie rejestrują łańcuch zaniku z emisją cząsteczek alfa i powstawaniem izotopów lżejszych pierwiastków, czasami kończy się on spontanicznym rozszczepieniem jądrowym.

W naszym kraju, począwszy od lat pięćdziesiątych XX wieku, w Dubnie prowadzono prace nad syntezą nowych elementów w akceleratorach ciężkich jonów pod kierunkiem akademika. G. N. Flerov (1913-1990) – założyciel tego kierunku. Teraz te prace są prowadzone pod nadzorem Acad. Yu. Ts. Oganesyan. Na świecie jest tylko kilka akceleratorów i urządzeń, w których można uzyskać elementy transaktynoidowe (tj.elementy o ładunku jądrowym Z większe niż 103).

Ostatnia decyzja IUPAC (Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej [1]) uznająca odkrycie czterech elementów jednocześnie – o numerach 113, 115, 117 i 118 – przyciągnęła uwagę społeczeństwa rosyjskiego również dlatego, że priorytet w trzech z nich – 115, 117 i 118 – uznane za współpracę rosyjsko-amerykańską, w tym z Laboratorium reakcji jądrowych. G. N. Florov ze Wspólnego Instytutu Badań Jądrowych (Dubna) (FLINR JINR), Livermore National Laboratory. E. Lawrence (LLNL), Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Vanderbilt University. Priorytet w odkryciu elementu 113 jest uznawany przez grupę z japońskiego centrum badawczego RIKEN.

Ustalenie priorytetu nie jest łatwym zadaniem, ponieważ niedokładności w pierwszych raportach o odkryciu są do pewnego stopnia nieuniknione. Pytanie brzmi: jakie niedokładności są znaczące i które mogą zostać zaakceptowane oraz w jakim stopniu uzasadnione są wnioski autorów. Decyzja IUPAC została oparta na raportach Wspólnej Grupy Roboczej Ekspertów (Wspólna Grupa Robocza, JWP) [2, 3] oraz wcześniej opracowanych kryteriów otwarcia. Zgodnie z dotychczasową praktyką autorzy mają prawo zaproponować nazwy nowych elementów.

Ryc. 2 Mapa radionuklidów pierwiastków transaktyniowych, w tym niektóre reakcje jądrowe w celu ich uzyskania (zaczerpnięte z [4])

Element 113 proponuje się nazywać nihonium (nihonium, Nh). Nihon jest jednym z dwóch japońskich nazw w języku japońskim, co oznacza "Kraina Wschodzącego Słońca". To pierwszy produkt otwarty w Azji. Grupa Dubna zakwestionowała to mistrzostwo.

Prace priorytetowe zostały opublikowane przez JINR FLAR i RIKEN niemal równocześnie w 2004 roku, grupa z Dubna opublikowała pracę nawet nieco wcześniej. Do syntezy nowych jąder w Japonii użyto "zimnej" reakcji fuzji, bombardującej cel cynkowy z bizmutu 70Zn + 209Bi, z tworzeniem izotopów 278113 (czas życia – milisekundy i dziesiąte części milisekund).

W Dubna, korzystniej (pod względem wydajności i okresu półtrwania) zastosowano reakcję jądrową ciężkiego izotopu wapnia i jonów americium. 48Ca + 243Am, co prowadzi do powstawania izotopów 288115 i 287115. Te radionuklidy, emitujące cząstki alfa, najpierw rozpadu, odpowiednio, do 284113 i 283113 (żywotność to setki milisekund), a następnie wzdłuż łańcucha do długowiecznych izotopów pierwiastka 105 (dubnium, Db). 268Db wyizolowano chemicznie, a następnie zarejestrowano spontaniczne rozszczepienie.

Ale pośrednie nuklidy w tych łańcuchach rozpadu nie były znane w tym czasie, a ich niezależna fizyczna identyfikacja nie została przeprowadzona. Ale chemiczna izolacja i identyfikacja Db na podstawie wymiany jonowej, przeprowadzona w JINR FLAR, wspólna grupa robocza została uznana za nieselektywną i niejednoznaczną. Nie wzięto również pod uwagę prób zbadania chemicznych właściwości pierwiastka 113 za pomocą chromatografii gazowej, chociaż tę metodę z powodzeniem stosowano uprzednio do badania chemii innych elementów transaktywnych. W rezultacie doszli oni do wniosku, że wniosek Dubna w tym przypadku nie spełnia kryteriów dotyczących otwierania pozycji.

W tym samym czasie wszystkie produkty rozpadu pośredniego izotopu zsyntetyzowanego w Japonii 278Łącznie potwierdzono 113 (3 zdarzenia łącznie za 8 lat pracy), w tym w specjalnych eksperymentach w nowym centrum badawczym dla ciężkich jonów Lanjo w Chinach. Tak więc priorytet w odkryciu elementu 113 został uznany przez grupę japońską.

Element 115 został zsyntetyzowany w Dubna i na cześć regionu, w którym znajduje się to międzynarodowe centrum, autorzy zasugerowali nazwę Moscovy (moscovium, Mc). Pierwiastek otrzymano ponownie w reakcji jądrowej 48Ca + 243Jestem z edukacją 287115 i 288115 (czas życia – odpowiednio dziesiątki i setki milisekund). Został później otrzymany 289115 i inne izotopy tego pierwiastka. W przeciwieństwie do pierwszego cyklu eksperymentów chemicznych, które grupa Dubninska przeprowadziła samodzielnie, później, w 2007 r., Chemiczna izolacja produktu rozpadu – 268Db przeprowadzono już przy zaangażowaniu amerykańskich specjalistów z Livermore i przekonująco udowodniono, że ten pierwiastek – produkt rozpadu 115 elementu – należał do grupy V Układu Okresowego.

Co więcej, w 2013 roku współpraca z Niemieckiego Centrum Badań z Ciężkimi Jonom w Darmstadt (GSI) była w stanie powtórzyć wyniki Dubnina na produkcji izotopów pierwiastka 115 w reakcji jądrowej 48Ca + 243Am. Tak więc priorytet w odkryciu elementu 115 został uznany dla grupy rosyjsko-amerykańskiej.

Element 117 Proponuje się mianować tennesine, Ts na cześć amerykańskiego stanu Tennessee, w którym znajduje się Krajowe Laboratorium Oak Ridge. Koniec tytułu jest podobny do astatin i innych elementów grupy halogenowej (w języku angielskim). Ten pierwiastek został również zsyntetyzowany w Dubnie w reakcji jądrowej 48Ca + 249Bk. Rola amerykańskich kolegów z Oak Ridge polegała głównie na produkcji unikalnego celu Berkeley-249, który został uzyskany w reaktorze o wysokim przepływie w ORNL.W latach 2010-2013 zarejestrowano tylko 13 łańcuchów rozpadu. 293117 i 294117, z charakterystykami (trwałość i energia rozpadu alfa) produktu rozpadu 289115 odpowiadały danym uzyskanym wcześniej dla tego radionuklidu w innej reakcji jądrowej 48Ca + 243Am. Z tego powodu stwierdzono, że wniosek o odkrycie tego elementu spełnia ustalone kryteria.

Element 118 Autorzy zasugerowali nazwę oganeson (oganesson, Og). Powinien być analogiczny do radonu i innych gazów obojętnych, a jego odkrycie kończy siódmy okres układu okresowego. Proponuje się nazwać ten element na cześć Yuri Tsolakovicha Oganesyana za jego pionierski wkład w badania elementów transaktynoidów i ważnych osiągnięć jądrowych i fizycznych w odkryciu superheavy jądrowych i badania "wyspy stabilności jądrowej". W historii był jeszcze tylko jeden przykład, kiedy nazwa elementu została przypisana obecnemu naukowcowi. Element 106 został nazwany Siborg (Sg) w 1997 r. Na cześć Glenna Seaborga (1912-1999), laureata nagrody Nobla, autora odkrycia plutonu i szeregu elementów transplutonianowych.

W latach 2002-2012 w Dubnie, kiedy cel został napromieniowany 249Jony porcji 48Ca odkryto kilka wydarzeń edukacyjnych 294118 (żywotność – około 1 milisekundy), po którym następuje stały zanik 290Lv (livermoria), 286Fl (flerovia) i 282Cn (coperination). Żywotność i energia cząstek alfa tych izotopów Fl i Cn została potwierdzona przez amerykańską współpracę w cyklotronie Berkeley, dlatego też wspólna grupa robocza zaleciła rozpoznanie odkrycia.

Należy zauważyć, że wszystkie nowo proponowane nazwy i symbole pierwiastków nie zostały jeszcze zatwierdzone przez IUPAC.

* * *

Jakie jest znaczenie odkrycia tych nowych elementów?

Pytanie: "Ile to może dać chleb i węgiel?" całkowicie niepoprawne. Korzyści z rozwoju konkretnej dziedziny nauki podstawowej są często niemożliwe do przewidzenia, a takie argumenty nie powinny hamować jej rozwoju. Próby wstępnego wyliczenia dochodu i politycznych korzyści wynikających z odkryć naukowych są absurdalne. Względy prestiżowe również nie powinny w jakiś sposób ograniczać rozwoju kierunku, ponieważ jego prawdziwe znaczenie może zostać ujawnione znacznie później. Odwrotnie, szeroko nagłośnione osiągnięcia mogą nie mieć żadnej istotnej kontynuacji. Ogólnie rzecz biorąc, nauka powinna kierować się własną logiką, a nie logiką ludzi od niej dalekich.Społeczeństwo musi ufać naukowcom, a "zaspokajanie własnej ciekawości na koszt publiczny" jest normalną sytuacją w tej dziedzinie ludzkiej działalności. I to naukowcy, wykwalifikowani specjaliści powinni ustalić, na co wydać pieniądze, a co może poczekać lub jest beznadziejne.

Inną kwestią jest to, jakie znaczenie naukowe może mieć ten wynik na odkrycie nowych elementów. Co to zmienia w naszym rozumieniu struktury jądra i właściwości chemicznych pierwiastków?

Z fizycznego punktu widzenia wyniki te mogą być istotne dla lepszego zrozumienia struktury jądrowej i oddziaływania jądrowego. Od lat 60. XX w. Intensywnie dyskutowano o istnieniu tzw. Wysp stabilności w regionie ładunków jądrowych Z = 114 i 126 jako przejawu struktury jądra jądra. Dlatego tak ważne było uzyskanie pierwszych pierwiastków transaktinoidowych, które miały o wiele dłuższy okres półtrwania niż przewidywano w starym modelu "kropli" struktury jądra. Teraz w modelu powłoki nikt nie wątpi. Wyniki uzyskane dla nowych pierwiastków i nowych izotopów umożliwiają udoskonalenie istniejących modeli jądra i reakcji jądrowych.Chociaż nie oczekuje się zasadniczo nowych zjawisk, zawsze jest przydatny zbiór nowych danych. Oczywiste jest, że istniejące metody nie mogą dotrzeć na szczyt wyspy za pomocą istniejących metod: po prostu nie ma takich kombinacji w reakcjach jądrowych – w powstałych izotopach nie ma wystarczającej ilości neutronów. Wcześniej wiele lat próbowano znaleźć w próbkach naturalnych OWT, które byłyby tak długowieczne, że mogły pozostać od czasu powstania Układu Słonecznego. Ale te próby się nie powiodły. Wcześniej podane wyniki nie znalazły żadnego potwierdzenia eksperymentalnego ani teoretycznego.

Z chemicznego punktu widzenia sytuacja jest nieco inna. Tutaj naprawdę można spodziewać się zupełnie nowych zjawisk. Chodzi o tak zwane "efekty relatywistyczne". W atomach o dużym ładunku jądrowym elektrony uzyskują prędkości relatywistyczne, a zwykłe równanie Schrödingera używane do opisu atomów już nie działa. W szczególności p-elektrony znane wszystkim "hantlom" w VII okresie ulegają zmianom, a jeden z nich zamienia się w kulę. W rezultacie zmienia się struktura elektronowa atomów. Nowe pierwiastki mogą mieć znaczne odchylenia właściwości chemicznych od ekstrapolacji z układu okresowego i pojawienia się niezwykłych właściwości chemicznych.

W odniesieniu do "efektów relatywistycznych" istnieje wiele spekulacji, oczywiście mających na celu wzbudzenie zainteresowania tą kwestią. Na przykład zasugerowano, że element 104 rutherford (Rf) – formalny odpowiednik tytanu, cyrkonu i hafnu – może okazać się pierwiastkiem p, podobnym pod względem właściwości chemicznych do ołowiu. Lub twierdzono, że element 114 flerium (Fl) – analog ołowiu – może być gazem obojętnym. W rzeczywistości dokładne badanie ujawnia, że ​​chociaż atom Rf ma nietypową konfigurację zewnętrznej powłoki elektronowej (ds2p), w swoich właściwościach chemicznych, jest typowym elementem d, analogiem hafnu. Fl, o wysokiej lotności (jak wynika z wszelkich ekstrapolacji), w stanie skondensowanym pozostaje typowym metalem. Zasadniczo niepoprawne jest przypisywanie wszelkich odchyleń od ekstrapolacji w układzie okresowym do "efektów relatywistycznych": może to wynikać z zupełnie innych przyczyn, na przykład interkonfiguracyjnych interakcji.

W każdym razie badanie efektów relatywistycznych pozwala lepiej zrozumieć właściwości chemiczne dobrze znanych i powszechnie stosowanych pierwiastków.Pozwala również lepiej zrozumieć, w jaki sposób elektroniczna struktura atomów i cząsteczek, którą można obliczyć, określa ich specyficzne właściwości chemiczne. To wciąż daleko od w pełni rozwiązanego problemu. Dalszy postęp w układzie okresowym może doprowadzić do powstania zupełnie nowej grupy pierwiastków – elementów g (począwszy od elementu 121) o ciekawych właściwościach. Wszystkie te pytania wciąż czekają na szczegółowe badanie.

Należy jednak zauważyć, że w ostatnich odkryciach badania właściwości chemicznych nowych pierwiastków nie występują wcale (tylko produkt rozpadu pierwiastka 115 – pierwiastek 105, Db został chemicznie wyodrębniony, aby potwierdzić koniec łańcucha zaniku). Ale takie badanie było trudne do przeprowadzenia ze względu na niską wydajność i krótki okres półtrwania otrzymanych izotopów. Jest to jednak możliwe, chociaż wymaga nowego podejścia do formułowania eksperymentów chemicznych.

Odkrycie nowych elementów stanowi kolejny przykład tego, że znaczące osiągnięcia rosyjskich naukowców są możliwe w ścisłej współpracy z naukowcami ze Stanów Zjednoczonych, Niemiec i innych krajów rozwiniętych. Takie prace podnoszą prestiż naszej nauki.


[1] Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej.
[2] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T.Odkrycie pierwiastków o liczbach atomowych Z = 113, 115 i 117 (Raport techniczny IUPAC) // Pure Appl. Chem. 2016. V. 88. P. 139-153.
[3] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T. Odkrycie pierwiastków o liczbie atomowej Z = 118 (Raport techniczny IUPAC) // Czysty appl. 2016. V. 88. str. 155-160.
[4] Hamilton H., Hofman S., Oganessian Y.T. Szukaj Superheavy Nuclei // Annu. Rev. Nucl. Część. Sci.2013. V. 63. str. 383-405.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: