Åpningselementene 113, 115, 117 og 118: hva gir det

Åpningselementene 113, 115, 117 og 118: hva gir det

Boris Zhuikov
"Trinity Option" №13 (207), 28. juni 2016

Om forfatteren

Boris Zhuikov – radiochemist, dr. Chem. Vitenskap, hode. Laboratoriet for radioisotopkomplekset ved Institutt for kjernefysisk forskning fra det russiske vitenskapsakademiet, som tidligere har jobbet i mange år på JINRs laboratorium for kjernefysiske reaktiver (Dubna), har studert egenskapene til nye elementer.

Oppdagelsen av nye elementer i det periodiske systemet i det periodiske systemet har alltid vekket interesse for allmennheten. Det er ikke så mye den vitenskapelige betydningen av disse funnene, men det faktum at alle gikk gjennom den periodiske loven på skolen, og noen husker også symbolene for elementene. Dette er forståelig, kjent. Men nå bak disse funnene er komplekse studier innen kjernefysikk og radiokjemi, hvor mange ikke har noen anelse om.

For tiden oppnås nye elementer bare ved tunge ion-akseleratorer. (Tidligere ble de funnet i jordbaserte mineraler, kjernefysiske reaktorprodukter og atomeksploder.) Sterke ioner akselerert i cyklotroner eller lineære akseleratorer bombarderer mål fra tunge elementer, og som et resultat av fusjonsreaksjonen med utslipp av en eller flere nøytroner, syntetiseres et nytt element med et sekvensnummer ( nukleær ladning) – summen av ladningene til kjerne av hendelsen ion og målkjernen.Deretter gjennomgår de dannede kjernene radioaktivt henfall. For syntese av de mest stabile isotoper velges slike kombinasjoner av kjerner, som inneholder så mange nøytroner som mulig, og sammensatte kjerner har lav exciteringsenergi. Utbyttet av de resulterende tunge elementene er ekstremt lite – enkelte atomer eller titalls atomer, noen ganger i løpet av flere måneder med bestråling ved akseleratoren. Halveringstiden er sekunder, og noen ganger fraksjoner av millisekunder. Det er ganske vanskelig å isolere kjernene til nye elementer fra hele blandingen av de resulterende produktene av nukleare reaksjoner og korrekt identifisere de oppnådde produktene. Til dette formål opprettes spesielle anlegg, som som resultat registrerer en nedbrytningskjede med utslipp av alfa partikler og dannelsen av isotoper av lettere elementer, noen ganger slutter kjeden med spontan atomfission.

I vårt land, fra 1950-tallet, ble det arbeidet med syntese av nye elementer i tunge ion-akseleratorer utført i Dubna under veiledning av akademiker. G. N. Flerov (1913-1990) – grunnleggeren av denne retningen. Nå utføres disse arbeidene under tilsyn av Acad. Yu. Ts. Oganesyan. Det er bare noen få akseleratorer og anlegg i verden hvor transaktinoide elementer kan oppnås (dvs.elementer med kjernefysisk ladning på Z mer enn 103).

Den siste beslutningen fra IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry [1]) anerkjente oppdagelsen av fire elementer samtidig – nummerert 113, 115, 117 og 118 – tiltrukket oppmerksomheten til den russiske befolkningen også fordi prioriteten i tre av dem – 115, 117 og 118 – anerkjent for det russisk-amerikanske samarbeidet, inkludert Laboratory of Nuclear Reactions. G. N. Florov fra Joint Institute for Nuclear Research (Dubna) (FLINR JINR), Livermore National Laboratory. E. Lawrence (LLNL), Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og Vanderbilt University. Prioriteten i oppdagelsen av element 113 er gjenkjent av en gruppe fra det japanske akseleratorforskningsenteret RIKEN.

Etablering av prioritet er ikke en lett oppgave, siden unøyaktigheter i de første rapportene om funn er uunngåelige i noen grad. Spørsmålet er – hvilke unøyaktigheter er betydelige, og hvilke som kan aksepteres og i hvilken grad er forfatterens konklusjoner begrunnet. IUPAC-avgjørelsen ble basert på rapporter fra den felles arbeidsgruppe av eksperter (fellesgruppe, JWP) [2, 3] og de tidligere utviklede åpningskriteriene. I henhold til eksisterende praksis får forfattere rett til å foreslå navn på nye elementer.

Fig. 2. Kart over radionuklider av transaktinoide elementer, inkludert noen kjernereaksjoner for å skaffe dem (tatt fra [4])

Element 113 Det foreslås å kalle nihonium (nihonium, Nh). Nihon er ett av to japanske navn på japansk, som betyr "Landet av det Rising Sun". Dette er det første objektet åpnet i Asia. Dubna-gruppen bestred dette mesterskapet.

Prioriteringsarbeidene ble publisert av JINR FLAR og RIKEN nesten samtidig i 2004, gruppen fra Dubna publiserte arbeidet enda litt tidligere. For syntesen av nye kjerner i Japan ble det brukt en "kald" fusjonsreaksjon, bombardering et sinkmål fra vismut 70Zn + 209Bi, med isotopdannelse 278113 (levetid – millisekunder og tiende millisekunder).

I Dubna ble det brukt en mer gunstig (med hensyn til utbytte og halveringstid) atomreaksjon av tung kalsiumisotop og americiumioner. 48Ca + 243Am, som fører til dannelsen av isotoper 288115 og 287115. Disse radionuklider, som utsender alfa partikler, henholdsvis første henfall, inn i 284113 og 283113 (levetiden er hundrevis av millisekunder), og deretter langs kjeden inn i de langsiktige isotoper av element 105 (dubnium, Db). 268Db ble isolert kjemisk og deretter ble spontan fisjon registrert.

Men de mellomliggende nuklider i disse forfallskjedene var ikke kjent på den tiden, og deres uavhengige fysiske identifikasjon ble ikke utført. Men den kjemiske isolasjonen og identifikasjonen av Db på grunnlag av ionbytter, utført ved JINR FLAR, ble den felles arbeidsgruppen ansett som ikke-selektiv og utilsiktet. Også forsøk på å undersøke de kjemiske egenskapene til elementet 113 ved gaskromatografi ble ikke tatt i betraktning, selv om denne fremgangsmåten tidligere tidligere ble brukt til å studere kjemien til andre transaktinoide elementer. Som et resultat konkluderte de at søknaden av Dubna i dette tilfellet ikke oppfyller kriteriene for åpning av varer.

Samtidig syntetiseres alle intermediære forfallsprodukter av isotopen i Japan 278113 (3 hendelser totalt for 8 års arbeid) ble bekreftet, inkludert i spesielle eksperimenter ved det nye forskningssenteret for tunge ioner Lanjo i Kina. Dermed ble prioriteten i oppdagelsen av element 113 anerkjent av den japanske gruppen.

Element 115 ble syntetisert i Dubna, og til ære for regionen der dette internasjonale senteret ligger, foreslo forfatterne navnet Muscovy (moscovium, Mc). Elementet ble oppnådd igjen i atomreaksjonen 48Ca + 243Er med utdanning 287115 og 288115 (henholdsvis levetid – tiere og hundrevis av millisekunder). Ble senere mottatt 289115 og andre isotoper av dette elementet. I motsetning til den første syklusen av kjemiske eksperimenter, som Dubninsk-gruppen gjennomførte selvstendig, senere, i 2007, ble den kjemiske isolasjonen av forfallsproduktet – 268Db ble utført allerede med involvering av amerikanske spesialister fra Livermore, og det var ganske overbevisende bevist at dette elementet – nedbrytingsproduktet fra det 115. elementet – tilhørte V-gruppen i det periodiske systemet.

Videre var samarbeidet fra tysk senter for studier med tyngde ioner i Darmstadt (GSI) i 2013 i stand til å gjenta Dubnins resultater på produksjon av isotoper av element 115 i en atomreaksjon 48Ca + 243Am. Dermed ble prioriteten i oppdagelsen av element 115 anerkjent for den russisk-amerikanske gruppen.

Element 117 Det foreslås å nevne tennesine, Ts til ære for den amerikanske staten Tennessee, der Oak Ridge National Laboratory ligger. Slutten i tittelen ligner astatin og andre elementer i halogengruppen (på engelsk). Dette elementet ble også syntetisert i Dubna, i en atomreaksjon 48Ca + 249Bk. Rollen til de amerikanske kollegaene fra Oak Ridge besto hovedsakelig i produksjonen av et unikt mål for Berkeley-249, som ble oppnådd ved en høyfluxreaktor ved ORNL.I 2010-2013 ble det kun registrert 13 nedbrytningskjeder. 293117 og 294117, med kjennetegnene (levetid og alfa-nedbrytingsenergi) av forfallsproduktet 289115 korresponderte med dataene som ble oppnådd tidligere for dette radionuklidet i en annen kjernereaksjon 48Ca + 243Am. Av denne grunn ble søknaden om oppdagelsen av dette element funnet å tilfredsstille de etablerte kriterier.

Element 118 Forfatterne foreslo navnet oganeson (oganesson, Og). Det skal være analogt med radon og andre inerte gasser, og dens oppdagelse fullfører den syvende perioden av det periodiske bordet. Det foreslås å nevne dette elementet til ære for Yuri Tsolakovich Oganesyan for sitt banebrytende bidrag til studiet av transaktinoide elementer og viktige nukleare og fysiske prestasjoner i oppdagelsen av superheavy-kjerner og studien av "øya nuklear stabilitet". I historien var det bare ett eksempel, da navnet på elementet ble tildelt den nåværende forskeren. Element 106 ble kåret til Siborg (Sg) i 1997 til ære for Glenn Seaborg (1912-1999), Nobelprisvinner, forfatter av oppdagelsen av plutonium og en rekke transplutoniumelementer.

I 2002-2012, i Dubna, da målet ble bestrålt 249Cf ioner 48Ca ble funnet flere hendelser av utdanning 294118 (levetid – ca. 1 millisekund), etterfulgt av en konsekvent forfall 290Lv (livermoria), 286Fl (flerovia) og 282Cn (coperinasjon). Livstids- og alfa-partikkelenergiene i disse Fl- og Cn-isotoper ble bekreftet av det amerikanske samarbeidet ved Berkeley-cyklotronen, derfor anbefalte den felles arbeidsgruppen å gjenkjenne oppdagelsen.

Det skal bemerkes at alle nylig foreslåtte navn og symboler på elementer ennå ikke er godkjent av IUPAC.

* * *

Hva er betydningen av oppdagelsen av disse nye elementene?

Spørsmålet "Hvor mye brød og kull kan dette gi?" helt feil. Fordelene med å utvikle en bestemt gren av grunnleggende vitenskap er ofte umulige å forutsi, og slike argumenter bør ikke hemme utviklingen. Forsøk på å forhåndsliste inntektene og de politiske fordelene av vitenskapelige funn er latterlig. Betraktninger av prestisje bør heller ikke på noen måte begrense utviklingen av retningen, fordi dens sanne betydning kan bli åpenbart mye senere. Omvendt kan store publiserte prestasjoner ikke ha noen vesentlig fortsettelse. Generelt bør vitenskapen styres av sin egen logikk, og ikke av logikken til mennesker langt fra den.Samfunnet må stole på forskere, og "tilfredsstille ens egen nysgjerrighet på offentlig bekostning" er en normal situasjon på dette feltet av menneskelig aktivitet. Og det er forskere, kvalifiserte spesialister som må bestemme hva de skal bruke penger på, og hva som kan vente eller er håpløst.

Et annet spørsmål er hvilken vitenskapelig betydning dette resultatet kan ha på oppdagelsen av nye elementer. Hva endrer det i vår forståelse av kjernens struktur og de kjemiske egenskapene til elementene generelt?

Fra et fysisk synspunkt kan disse resultatene være viktige for en bedre forståelse av kjernekonstruksjonen og kjernefysisk interaksjon. Siden 1960-årene har eksistensen av de såkalte stabilitetsområdene i nukleare ladninger Z = 114 og 126 som en manifestasjon av kjellkonstruksjonen blitt kalt kraftig. Derfor var det virkelig av fundamental betydning å skaffe de første transaktinoide-elementene, som hadde en langt lengre halveringstid enn det som var antatt av den gamle "drop" -modellen av strukturen til kjernen. Nå i shell-modellen, tviler ingen. Resultatene oppnådd for nye elementer og nye isotoper gjør det mulig å forfine de eksisterende modellene av kjernen og atomreaksjonene.Selv om fundamentalt nye fenomen ikke forventes, er et sett med nye data alltid nyttig. Det er åpenbart at eksisterende metoder ikke kan nå toppen av øya med de eksisterende metodene: det er bare ingen slike kombinasjoner i atomreaksjoner – det er ikke nok nøytroner i de resulterende isotoper. Tidligere mange år ble det gjort forsøk på å finne i naturlige prøver de SHEs som ville være så langvarige at de kunne forbli fra tidspunktet for dannelsen av solsystemet. Men disse forsøkene mislyktes. De tidligere oppgitte resultatene fant ingen eksperimentell eller teoretisk bekreftelse.

Fra et kjemisk synspunkt er situasjonen noe annerledes. Her kan du virkelig forvente fundamentalt nye fenomener. Poenget er de såkalte "relativistiske effektene". I atomer med en stor atomladning erverver elektroner relativistiske hastigheter, og den vanlige Schrödinger-ligningen som brukes til å beskrive atomer virker ikke lenger. Spesielt de p-elektroner som er kjent for alle "dumbbells" i VII-perioden gjennomgår endringer, og en av dem blir til en ball. Som et resultat forandrer den elektroniske strukturen av atomer. Nye elementer kan ha en betydelig avvik fra kjemiske egenskaper fra ekstrapolert fra det periodiske systemet og fremveksten av uvanlige kjemiske egenskaper.

I forhold til de "relativistiske effektene" er det mange spekulasjoner, åpenbart rettet mot å øke interessen for problemet. For eksempel ble det antydet at element 104 rutherford (Rf) – en formell analog av titan, zirkonium og hafnium – kan vise seg å være et p-element, tilsvarende i kjemiske egenskaper for å lede. Eller det ble hevdet at elementet 114 av multium (Fl) – en analog av bly – kan være en inert gass. Faktisk viser en forsiktig undersøkelse at selv om Rf-atomet har en uvanlig konfigurasjon av det ytre elektronskallet (ds2p), i sine kjemiske egenskaper er det et typisk d-element, en analog av hafnium. Og Fl, som har høy volatilitet (som følge av eventuelle ekstrapoleringer), forblir i kondensert tilstand et typisk metall. Generelt er det helt feil å tilordne avvik fra ekstrapolering i det periodiske systemet til "relativistiske effekter": det kan skyldes helt forskjellige grunner, for eksempel interkonfigurasjonsinteraksjon.

Uansett gir studiet av relativistiske effekter en bedre forståelse av de kjente egenskapene til de kjente og universelt brukte elementene.Det gir også en bedre forståelse av hvordan den elektroniske strukturen av atomer og molekyler, som kan beregnes, bestemmer deres spesifikke kjemiske egenskaper. Dette er fortsatt et langt fra fullstendig løst spørsmål. Ytterligere fremskritt i det periodiske systemet kan føre til dannelsen av en helt ny gruppe av elementer – g-elementer (fra element 121) med interessante egenskaper. Alle disse spørsmålene venter fortsatt på en detaljert studie.

Det skal imidlertid bemerkes at det i nyere funn ikke finnes noen studier av de kjemiske egenskapene til nye elementer i det hele tatt (bare nedbrytingsproduktet av element 115 – element 105, Db ble kjemisk skilt for å bekrefte enden av nedbrytningskjeden). Men en slik undersøkelse var vanskelig å utføre på grunn av lavt utbytte og korte halveringstider for de oppnådde isotoper. Likevel er dette mulig, selv om det krever en ny tilnærming til formuleringen av kjemiske eksperimenter.

Oppdagelsen av nye elementer gir et annet eksempel på at betydelige prestasjoner fra russiske forskere er mulige i nært samarbeid med forskere fra USA, Tyskland og andre utviklede land. Slike verk øker vår vitenskaps prestisje.


[1] Internasjonal Union for ren og anvendt kjemi.
[2] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T.Oppdagelse av elementene med atomnummer Z = 113, 115 og 117 (IUPAC teknisk rapport) // Ren Appl. Chem. 2016. V. 88. s. 139-153.
[3] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T. Oppdagelse av elementene med atomnummer Z = 118 (IUPAC teknisk rapport) // Ren appl. 2016. V. 88. s. 155-160.
[4] Hamilton H., Hofman S., Oganessian Y.T. Søk etter Superheavy Nuclei // Annu. Rev. Nucl. Part. Sci., 2013. V. 63. s. 383-405.


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

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