Elementi za otvaranje 113, 115, 117 i 118: što daje

Elementi za otvaranje 113, 115, 117 i 118: što daje

Boris Zhuikov
"Opcija Trojstva" №13 (207), 28. lipnja 2016. godine

O autoru

Boris Zhuikov – radiokemičar, dr. Chem. Znanosti, glava. Laboratorij radioizotopnog kompleksa Instituta za nuklearna istraživanja Ruske akademije znanosti, koji je već dugi niz godina radio u Laboratoriju nuklearnih reakcija JINR-a (Dubna), proučava svojstva novih elemenata.

Otkriće novih elemenata Periodnog stoljeća Periodnog stola oduvijek je izazvalo interes javnosti. To nije toliko znanstveno značenje tih otkrića, već činjenica da su svi prolazili kroz periodički zakon u školi, a neki se čak sjećaju simbola za elemente. Ovo je razumljivo, poznato. No sada su iza tih otkrića složene studije nuklearne fizike i radiokemije o kojima mnogi nemaju pojma.

Trenutačno se novi elementi dobivaju samo kod teških ionskih ubrzivača. (Prethodno su pronađeni u zemaljskim mineralima, proizvodima nuklearnog reaktora i nuklearnim eksplozijama.) Teški ioni ubrzani u ciklotrima ili linearni akceleratori bombardiraju ciljeve iz teških elemenata, a kao rezultat fuzije reakcije s emisijom jednog ili više neutrona, sintetizira se novi element s rednim brojem ( nuklearni naboj) – zbroj naboja nukleusa incidentnog iona i ciljne jezgre.Tada nastale jezgre prolaze radioaktivnim raspadom. Za sintezu najstabilnijih izotopa, odabrane su takve kombinacije jezgri, koje sadrže što je moguće više neutrona, a kompozitne jezgre imaju nisku energiju ekscitacije. Prinos dobivenih teških elemenata je izuzetno mali – pojedinačni atomi ili desetaka atoma, ponekad preko mjesec dana zračenja na akceleratoru. Poluživot je sekundi, a ponekad i frakcije milisekundi. Prilično je teško izolirati jezgre novih elemenata iz cijele mješavine dobivenih produkata nuklearnih reakcija i ispravno identificirati dobivene proizvode. U tu svrhu stvaraju se posebni objekti koji kao rezultat registriraju lanac propadanja s emisijom alfa čestica i stvaranjem izotopa lakših elemenata, ponekad lanac završava spontanom nuklearnom fizionom.

U našoj zemlji, počevši od pedesetih godina prošlog stoljeća, u Dubni je vodio rad na sintezi novih elemenata u teškim akceleratorima iona pod vodstvom akademika. G. N. Flerov (1913-1990) – utemeljitelj ovog smjera. Sada se ti radovi provode pod nadzorom Acada. Yu. Ts. Oganesyan. Postoji samo nekoliko akceleratora i objekata u svijetu gdje se mogu dobiti transactinoidni elementi (tj.elementi s nuklearnim nabojem od Z više od 103).

Posljednja odluka IUPAC-a (Međunarodna unija čiste i primijenjene kemije [1]) koja je otkrila otkriće četiriju elemenata odjednom – brojčano 113, 115, 117 i 118 – privukla je pažnju ruske javnosti i zato što je prioritet u tri od njih – 115, 117 i 118 – priznat za rusko-američku suradnju, uključujući Laboratorij za nuklearne reakcije. G. N. Flerova Zajednički institut za nuklearna istraživanja (Dubna) (FLINR, JINR), Livermore National Laboratory. E. Lawrence (LLNL), Nacionalni laboratorij Oak Ridge (ORNL) i Sveučilište Vanderbilt. Prioritet u otkriću elementa 113 priznaje skupina japanskog istraživačkog centra za ubrzavanje RIKEN-a.

Utvrđivanje prioriteta nije lagan zadatak, jer su netočnosti u prvim izvješćima otkrivanja neizbježne do određene mjere. Pitanje je – koje su nepreciznosti značajne i koje se one mogu prihvatiti iu kojoj su mjeri opravdani autori zaključaka. Odluka IUPAC-a temeljena je na izvješćima Zajedničke radne skupine stručnjaka (Zajedničke radne skupine, JWP) [2, 3] i prethodno razvijenim kriterijima otvaranja. Prema postojećoj praksi autori imaju pravo predlagati imena novih elemenata.

Sl. 2. Karta radionuklida transactinoidnih elemenata, uključujući i neke nuklearne reakcije za njihovo dobivanje (preuzete iz [4])

Element 113 predlaže se nazvati nijonium (nijonium, Nh). Nihon je jedno od dva japanska imena na japanskom jeziku, što znači "zemlja izlazećeg sunca". Ovo je prva stavka otvorena u Aziji. Dubna grupa osporila je ovo prvenstvo.

Radovi o prioritetima objavili su JINR FLAR i RIKEN gotovo istodobno 2004. godine, a grupa iz Dubne objavila je rad nešto ranije. Za sintezu novih jezgri u Japanu korištena je reakcija hladne fuzije, bombardirajući cinkovu metu iz bizmuta. 70Zn + 209Bi, s izotopom 278113 (životni vijek – milisekundi i desetke milisekundi).

U Dubni, povoljnija (u smislu prinosa i poluživota) korištena je nuklearna reakcija teških izotopa kalcija i američkih iona. 48Ca + 243Am, što dovodi do formiranja izotopa 288115 i 287115. Ovi radionuklidi, emitirajući alfa čestice, prvo propadaju, odnosno, u 284113 i 283113 (životno vrijeme – stotine milisekundi), a potom i lanac u dugotrajne izotope elementa 105 (dubnium, Db). 268Db je bio kemijski izoliran i zatim je zabilježena spontana fisija.

Međutim, srednji niuklići u tim lancima raspadanja nisu bili poznati u to vrijeme, a njihova neovisna fizička identifikacija nije provedena. Ali kemijska izolacija i identifikacija Db na osnovi ionske izmjene, provedena na JINR FLAR-u, zajednička radna skupina bila je neselektivna i neuvjerljiva. Također, nisu uzeti u obzir pokušaji ispitivanja kemijskih svojstava elementa 113 plinskom kromatografijom, iako je ova metoda prethodno uspješno korištena za proučavanje kemije ostalih transactinoidnih elemenata. Kao rezultat toga, zaključili su da primjena Dubne u ovom slučaju ne ispunjava kriterije za otvaranje predmeta.

Istodobno, svi produkti srednjeg raspadanja izotopa sintetizirani su u Japanu 278113 (ukupno 3 događaja za 8 godina rada), uključujući posebne eksperimente u novom istraživačkom centru za teške ione Lanjo u Kini. Dakle, prioritet u otkriću elementa 113 prepoznaje japanska skupina.

Element 115 sintetiziran je u Dubni, au čast regije u kojoj se nalazi ovo međunarodno središte, autori su predložili ime Muscovy (moscovium, Mc). Element je ponovno dobiven u nuklearnoj reakciji 48Ca + 243Ja sam s obrazovanjem 287115 i 288115 (životni vijek – desetke i stotine milisekundi). Kasnije je primljena 289115 i drugih izotopa ovog elementa. Za razliku od prvog ciklusa kemijskih pokusa, koje je Dubninskova grupa vodila samostalno, kasnije, 2007. godine, kemijska izolacija proizvoda propadanja – 268Db je već proveden uz sudjelovanje američkih stručnjaka iz Livermorea i bilo je sasvim uvjerljivo dokazano da je taj element – produkt propadanja 115. elementa – bio u V skupini Periodnog sustava.

Štoviše, tijekom 2013. godine suradnje Njemačkog centra za studije s teškim ionima u Darmstadtu (GSI) uspjele su ponoviti Dubninove rezultate proizvodnje izotopa elementa 115 u nuklearnoj reakciji 48Ca + 243Am. Dakle, prioritet u otkriću elementa 115 bio je priznat za rusko-američku skupinu.

Element 117 Predloženo je ime tennesine, Ts u čast američke države Tennessee, gdje se nalazi Oak Ridge National Laboratory. Završetak u naslovu sličan je astatinu i ostalim elementima halogene skupine (na engleskom). Taj je element također sintetiziran u Dubni, u nuklearnoj reakciji 48Ca + 249Bk. Uloga američkih kolega iz Oak Ridgea uglavnom se sastojala u proizvodnji jedinstvenog cilja Berkeley-249, koji je dobiven u reaktoru visokog protoka ORNL-a.U razdoblju od 2010. do 2013. registrirano je samo 13 lanaca propadanja. 293117 i 294117, sa svojstvima (životni vijek i energija alfa-propadanja) proizvoda propadanja 289115 odgovara podacima prethodno dobivenim za ovaj radionuklid u drugoj nuklearnoj reakciji 48Ca + 243Am. Zbog toga je pronađeno da prijava za otkriće ovog elementa zadovoljava utvrđene kriterije.

Element 118 Autori su predložili ime oganeson (oganesson, Og). Trebao bi biti analogan radonu i ostalim inertnim plinovima, a otkriće dovršava sedmo razdoblje periodičnog stola. Predloženo je spomenuti ovaj element u čast Yuri Tsolakovich Oganesyan za njegov pionirski doprinos proučavanju transactinoidnih elemenata i važnih nuklearnih i fizičkih dostignuća u otkriću superjake jezgre i proučavanja "otoka nuklearne stabilnosti". U povijesti je postojao samo još jedan primjer, kada se naziv elementa dodjeljuje sadašnjem znanstveniku. Element 106 zvao se Siborg (Sg) 1997. godine u čast Glenn Seaborg (1912-1999), nobelovca, autor otkrića plutonija i nekoliko transplutonijevih elemenata.

U razdoblju 2002-2012, u Dubni, kada je cilj bio ozračen 249Cf iona 48Ca je pronađen nekoliko događaja obrazovanja 294118 (životni vijek – oko 1 milisekunde), nakon čega slijedi dosljedno propadanje 290Lv (livermoria), 286Fl (flerovia) i 282Cn (pokrivanje). Energija života i alfa čestica tih fl i cn izotopa potvrđena je američkom suradnjom na Berkeley ciklotrnu, stoga je zajednička radna skupina preporučila prepoznavanje otkrića.

Valja napomenuti da sve novo predložene nazive i simbole elemenata još nisu odobrili IUPAC.

* * *

Kakvo je značenje otkrića tih novih elemenata?

Pitanje "Koliko to može dati kruh i ugljen?" apsolutno netočno. Prednosti razvoja određene grane temeljne znanosti često su nemoguće predvidjeti, a takvi argumenti ne bi trebali spriječiti njegov razvoj. Pokušaji unaprijed navesti prihode i političke prednosti znanstvenih otkrića su smiješni. Razmatranja prestiža također ne bi smjele ograničiti razvoj smjera, jer se njezino pravo značenje može otkriti puno kasnije. Obrnuto, široko publicirana dostignuća možda neće imati značajan nastavak. Općenito, znanost bi trebala biti vođena vlastitom logikom, a ne logikom ljudi daleko od njega.Društvo mora vjerovati znanstvenicima, a "zadovoljavanje vlastite znatiželje na javni trošak" normalna je situacija u ovom području ljudske djelatnosti. A to su znanstvenici, kvalificirani stručnjaci koji moraju odrediti što potrošiti novac i što može čekati ili je beznadno.

Drugo je pitanje što znanstveno značenje ovaj rezultat može imati na otkriću novih elemenata. Što se mijenja u našem razumijevanju strukture jezgre i kemijskim svojstvima elemenata općenito?

S fizikalnog stajališta, ti rezultati mogu biti važni za bolje razumijevanje nuklearne strukture i nuklearne interakcije. Od 1960-ih godina snažno se raspravljalo o postojanju tzv. Otoka stabilnosti u području nuklearnih naboja Z = 114 i 126 kao manifestacije strukture ljuske jezgri. Dakle, dobivanje prvih transactinoidnih elemenata, koji je imao puno dulje poluvrijeme nego što je predvidio stari "kap" model strukture jezgre, bio je zaista od temeljne važnosti. Sada u modelu ljuske nitko ne sumnja. Dobiveni rezultati za nove elemente i nove izotope omogućuju preciziranje postojećih modela jezgre i nuklearnih reakcija.Premda se ne očekuju potpuno nove pojave, skup novih podataka uvijek je koristan. Očito je da postojeće metode ne mogu dosegnuti vrh otoka s postojećim metodama: jednostavno nema takvih kombinacija u nuklearnim reakcijama – nema dovoljno neutrona u nastalim izotopima. Rani su se mnogobrojni pokušaji pronašli u prirodnim uzorcima SHEs koji bi bili tako dugo živjeli da mogu ostati od vremena formiranja Sunčevog sustava. Ali ti su pokušaji bili neuspješni. Prethodno navedeni rezultati nisu pronašli nikakvu eksperimentalnu ili teorijsku potvrdu.

S kemijske točke gledišta, situacija je nešto drugačija. Ovdje možete zaista očekivati ​​iznimno nove fenomene. Točka su takozvani "relativistički učinci". U atomima s velikim nuklearnim nabojem, elektroni dobivaju relativističke brzine, a uobičajena Schrodingerova jednadžba koja se koristi za opisivanje atoma ne radi više. Konkretno, p-elektroni poznati svima "bućicama" u VII. Dobu mijenjaju se, a jedan od njih pretvara u kuglu. Kao rezultat toga, elektronička struktura atoma se mijenja. Novi elementi mogu imati značajno odstupanje kemijskih svojstava od ekstrapoliranih iz periodičnog stola i pojave neobičnih kemijskih svojstava.

U odnosu na "relativističke efekte" postoje mnoge spekulacije, očito usmjerene na povećanje interesa u pitanju. Na primjer, predloženo je da element 104 rutherford (Rf) – formalni analog titana, cirkonija i hafnija – može postati p-element, slično kemijskim svojstvima za vodu. Ili je tvrdio da element 114 flerij (Fl) – analog olova – može biti inertni plin. Zapravo pažljivo ispitivanje otkriva da, iako Rf atom ima neobičnu konfiguraciju vanjske ljuske elektrona (ds2p), u svojim kemijskim svojstvima, to je tipični d-element, analogni od hafnija. I Fl, koji ima visoku volatilnost (kao što proizlazi iz bilo kakvih ekstrapolacija), u kondenziranom stanju ostaje tipični metal. Općenito, apsolutno je netočno pripisati bilo kakvo odstupanje od ekstrapolacije u Periodnom sustavu na "relativističke efekte": to može biti posljedica sasvim različitih razloga, na primjer interkonfiguracijske interakcije.

U svakom slučaju, proučavanje relativističkih efekata omogućuje bolje razumijevanje kemijskih svojstava dobro poznatih i univerzalno korištenih elemenata.Također omogućuje bolje razumijevanje kako elektronička struktura atoma i molekula, koja se može izračunati, određuje njihova specifična kemijska svojstva. Ovo je još uvijek daleko od potpuno riješenog pitanja. Daljnji napredak na Periodni sustav može dovesti do stvaranja sasvim nove skupine elemenata – g-elemenata (polazeći od elementa 121) sa zanimljivim svojstvima. Sva ta pitanja i dalje čekaju detaljnu studiju.

Međutim, valja napomenuti da u novijim otkrićima, studije o kemijskim svojstvima novih elemenata se uopće ne pojavljuju (samo produkt propadanja elementa 115 – element 105, Db je bio kemijski odijeljen da potvrdi kraj lanca propadanja). No, takva je studija bila teška provesti zbog niskih prinosa i kratkog poluživota dobivenih izotopa. Ipak, to je moguće, iako zahtijeva novi pristup formuliranju kemijskih pokusa.

Otkrivanje novih elemenata daje još jedan primjer činjenice da su značajni uspjesi ruskih znanstvenika mogući u bliskoj suradnji sa znanstvenicima iz Sjedinjenih Država, Njemačke i drugih razvijenih zemalja. Takva djela podižu prestiž naše znanosti.


[1] Međunarodna unija čiste i primijenjene kemije.
[2] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T.Otkrivanje elemenata s atomskim brojevima Z = 113, 115 i 117 (IUPAC tehničko izvješće) // Pure Appl. Chem, 2016. V. 88. P. 139-153.
[3] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T. Otkriće elemenata atomskim brojevima Z = 118 (IUPAC Tehničko izvješće) // Čisti appl, 2016. V. 88. P. 155-160.
[4] Hamilton H., Hofman S., Oganessian Y.T. Pretraživanje superjeznih jezgri // Annu. Rev. Nucl. Dio. Sci., 2013. V. 63. P. 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: :???: :?: :!: