Супертежок елемент

Супертешки елементи, познати и како задактиноидни елементи, задактиноиди — хемиски елементи со атомски број поголем од 104. ^[1] Наттешките елементи се оние надвор од актиноидите во периодниот систем; последниот актинид е лоренциум (атомски број 103). По дефиниција, супертешките елементи се исто така задураниумски елементи, т.е. имаат атомски број поголем од оној на ураниумот (92). Во зависност од дефиницијата за групата 3 усвоена од авторите, може да се вклучи и лоренциум за да се заврши серијата 6d.^[2][3][4][5]

Глен Т. Сиборг прв го предложил концептот на актиноид, што довело до прифаќање на серијата актиноиди. Тој, исто така, предложил задактинидна серија која се движи од елементот 104 до 121 и серија суперактиноиди што приближно опфаќа елементи од 122 до 153 (иако поновата работа сугерира дека крајот на серијата суперактиноиди ќе се појави на елементот 157 наместо тоа). Во негова чест бил именуван еден од овој тип, сиборгиум. ^{[6] [7]}

Супертешките се радиоактивни и се добиваат единствено вештачки во лаборатории. Никогаш не е произведен макроскопски примерок од кој било од овие елементи. Супертешките се сите именувани по физичари и хемичари или важни места вклучени во синтезата на елементите.

Меѓународниот сојуз за чиста и применета хемија дефинира дека постои елемент ако неговиот животен век е подолг од 10⁻¹⁴ секунди, што е времето потребно за атомот да формира електронски облак. ^[8]

Познатите супертешки делови се дел од сериите 6d и 7p во периодниот систем. Освен за радерфордиум и дубниум (и лоренциум доколку е вклучен), сите познати изотопи на супертешки имаат полураспад од минути или помалку. Контроверзноста за именување на елементите вклучувала елементи 102 – 109. Некои од овие елементи на тој начин користеле систематски имиња многу години откако нивното откритие било потврдено. (Обично систематските имиња се заменуваат со трајни имиња предложени од откривачите релативно брзо по потврдувањето на откритието.)

Вовед

Синтеза на супертешки јадра

Графички приказ на реакција на јадрено соединување. Две јадра се спојуваат во едно, испуштајќи неутрон. Реакциите што создаале нови елементи до овој момент биле слични, со единствената можна разлика што понекогаш биле ослободени неколку единечни неутрони, или воопшто немало такви.

Претешкото ^{[б 1]} атомско јадро се создава во јадрена реакција која комбинира две други јадра со нееднаква големина ^{[б 2]} во едно; колку понееднакви се двете јадра во однос на масата, толку е поголема можноста двете да реагираат. ^[14] Материјалот направен од потешките јадра се прави цел, која потоа е бомбардирана од снопот на полесни јадра. Две јадра можат да се спојат во едно само доколку се приближат доволно блиску едно до друго; нормално, јадрата (сите позитивно наелектризирани) се одбиваат меѓусебно поради електростатско одбивање. Силното заемнодејство може да ја надмине оваа одбивност, но само на многу кратко растојание од јадрото; јадрата на зракот на тој начин се многу забрзани со цел таквото одбивање да биде незначително во споредба со брзината на јадрото на зракот. ^[15] Енергијата што се применува на јадрата на зракот за да ги забрза може да предизвика тие да достигнат брзина до една десетина од брзината на светлината. Меѓутоа, доколку се примени премногу енергија, јадрото на зракот може да се распадне.^[15]

Самото приближување не е доволно за две јадра да се спојат: кога две јадра се приближуваат едно до друго, тие обично остануваат заедно околу 10⁻²⁰ секунди и потоа се разделуваат (не мора да бидат во истиот состав како пред реакцијата) наместо да формираат едно јадро. ^[16] Ова се случува затоа што при обидот за формирање на едно јадро, електростатското одбивање го раскинува јадрото што се формира. Секој пар на цел и зрак се карактеризира со неговиот пресек - веројатноста дека ќе дојде до јадрено соединување доколку две јадра се приближат едно кон друго изразено во однос на попречната област што треба да ја погоди упадната честичка за да дојде до соединувањето. ^{[б 3]} Оваа соединување може да настане како резултат на квантниот ефект во кој јадрата можат да тунелираат преку електростатско одбивање. Доколку двете јадра можат да останат блиску покрај таа фаза, повеќекратните јадрени заемни дејства резултираат со прераспределба на енергијата и енергетска рамнотежа.

Надворешни видеоснимки

Visualization of unsuccessful nuclear fusion, based on calculations from the Australian National University[18]

Добиеното спојување претставува возбудена состојба ^[19] - наречена сложено јадро - и затоа е многу нестабилно. За да се постигне постабилна состојба, привременото спојување може да се расцепи без да се формира постабилно јадро. ^[20] Алтернативно, сложеното јадро може да исфрли неколку неутрони, кои би ја однеле енергијата на возбудувањето; доколку второто не е доволно за исфрлање на неутрони, спојувањето би создало гама-зрак. Ова се случува околу 10⁻¹⁶ секунди по првичниот јадрен судир и резултира со создавање на постабилно јадро. Дефиницијата на Заедничката работна група на МСЧПХ и МСЧПФ вели дека хемискиот елемент може да се препознае како откриен само доколку неговото јадро не се распадне во рок од 10⁻¹⁴ секунди. Оваа вредност била избрана како проценка за тоа колку време му е потребно на јадрото да стекне електрони и на тој начин да ги прикаже неговите хемиски својства.^{[21] [б 4]}

Распаѓање и откривање

Зракот поминува низ целта и стигнува до следната комора, сепараторот; доколку се произведе ново јадро, тоа се носи со овој зрак.^[23] Во сепараторот, новопроизведеното јадро е одвоено од другите нуклиди (оној на оригиналниот зрак и сите други продукти на реакцијата){{Efn|Ова раздвојување се заснова на тоа што добиените јадра се движат покрај целта побавно отколку јадрата на нереагираните зраци. Сепараторот содржи електрични и магнетни полиња чии ефекти врз подвижната честичка се поништуваат за одредена брзина на честичка.^[24] Таквото раздвојување може да биде потпомогнато и со мерење на време на летот и мерење на енергијата на повратен удар; комбинација од двете може да овозможи да се процени масата на јадрото.^[25] и се пренесува во детектор со површинска бариера, кој го запира јадрото. Означена е точната местоположба на претстојното влијание врз детекторот; означени се и неговата енергија и времето на пристигнување. Преносот трае околу 10⁻⁶ секунди; за да биде откриено, јадрото мора да преживее толку долго. Јадрото повторно се забележува откако ќе се регистрира неговото распаѓање и се мерат местоположбата, енергијата и времето на распаѓање.^[23]

Стабилноста на јадрото е обезбедена од силното заемно дејство. Сепак, неговиот опсег е многу краток; како што јадрата стануваат поголеми, неговото влијание врз најоддалечените нуклеони (протони и неутрони) слабее. Во исто време, јадрото е растргнато со електростатско одбивање помеѓу протоните, а неговиот опсег не е ограничен.^[26] Вкупната врзувачка енергија обезбедено од големото заемно дејство се зголемува линеарно со бројот на нуклеоните, додека електростатското одбивање се зголемува со квадратот на атомскиот број, односно вториот расте побрзо и станува сè поважен за тешките и супертешките јадра.^[27][28] Така, супертешките јадра се теоретски предвидени^[29] и досега е забележано^[30] дека претежно се распаѓаат преку начини на распаѓање кои се предизвикани од таквото одбивање: алфа-распад и спонтано цепење.^{[б 5]} Речиси сите алфа емитери имаат над 210 нуклеони,^[32] и најлесниот нуклид кој примарно е подложен на спонтано цепење има 238.^[33] Во двата режима на распаѓање, јадрата се спречени да се распаѓаат со соодветните енергетски бариери за секој режим, но тие можат да бидат тунелирани.^[27][28]

Алфа честичките најчесто се произведуваат во радиоактивни распаѓања бидејќи масата на алфа честичка по нуклеон е доволно мала за да остави малку енергија за алфа честичката да се употреби како кинетичка енергија за да го напушти јадрото. ^[35] Спонтаното цепење е предизвикано од електростатско одбивање што го раскинува јадрото и создава различни јадра во различни случаи на идентични јадра. Како што се зголемува атомскиот број, спонтаното цепење брзо станува поважно: делумниот полураспад на спонтаното цепење се намалува за 23 редови на големина од ураниум (елемент 92) до нобелиум (елемент 102), ^[36] и до 30 редови на големина од ториум (елемент 90) до фермиум (елемент 100). Така, претходниот „модел на течни капки“ сугерирал дека спонтаното цепење ќе се случи скоро веднаш поради исчезнувањето на бариерата за цепење за јадра со околу 280 нуклеони. ^[37] Подоцнежниот јадрен слоест модел сугерира дека јадрата со околу 300 нуклеоните би формирале остров на стабилност во кој јадрата ќе бидат поотпорни на спонтаното цепење и првенствено ќе претрпат алфа распаѓање со подолг полураспад. Последователните откритија сугерирале дека предвидениот остров може да биде подалеку од првично предвиденото; тие, исто така, покажале дека јадрата меѓу долговечните актиноиди и предвидениот остров се деформирани и добиваат дополнителна стабилност од ефектите на обвивката. ^[38] Експериментите на полесни супертешки јадра, како и оние поблиску до очекуваниот остров, покажале поголема стабилност од претходно очекуваната против спонтаното цепење, покажувајќи ја важноста на ефектите на обвивката врз јадрата. ^{[б 6]}

Алфа-распадите се регистрирани од емитираните алфа честички, а распадните производи лесно се одредуваат пред вистинското распаѓање; доколку таквото распаѓање или низа последователни распаѓања произведе познато јадро, оригиналниот производ на реакцијата може лесно да се одреди. ^{[б 7]} (Дека сите распаѓања во ланецот на распаѓање навистина биле поврзани едни со други, се утврдува од местоположбата на овие распаѓања, кои мора да бидат на истото место.) Познатото јадро може да се препознае по специфичните карактеристики на распаѓањето што го претрпува, како што е енергијата на распаѓање (или поконкретно, кинетичката енергија на емитираната честичка). ^{[б 8]} Спонтаното цепење, сепак, произведува различни јадра како производи, така што оригиналниот нуклид не може да се одреди од неговите ќерки.

Според тоа, информациите достапни за физичарите кои имаат за цел да вештачки да создадат супертежок елемент се информациите собрани во детекторите: местоположбата, енергија и времето на пристигнување на честичката до детекторот и оние на неговото распаѓање. Физичарите ги анализираат овие податоци и се обидуваат да заклучат дека тие навистина биле предизвикани од нов елемент и дека не можел да биде предизвикан од различен нуклид од оној што се тврди. Честопати, обезбедените податоци се недоволни за заклучок дека дефинитивно е создаден нов елемент и нема друго објаснување за набљудуваните ефекти; биле направени грешки при толкувањето на податоците. ^{[б 9]}

Историја

Рани предвидувања

Најтешкиот елемент познат на крајот на 19 век бил ураниумот, со атомска маса од околу 240 (денес се знае дека е 238) аму. Соодветно на тоа, тој бил ставен во последниот ред од периодниот систем; ова ги поттикнало шпекулациите за можното постоење на елементи потешки од ураниумот и зошто А = 240 се сметало дека е граница. По откривањето на благородните гасови, почнувајќи со аргон во 1895 година, била разгледана можноста за потешки членови на групата. Данскиот хемичар Јулиус Томсен во 1895 година предложил постоење на шести благороден гас со Z. = 86, А = 212 и седми со Z = 118, А = 292, последното затворање период од 32 елементи што содржи ториум и ураниум.^[47] Во 1913 година, шведскиот физичар Јоханес Ридберг ја проширил Томсеновата екстраполација на периодниот систем за да вклучи уште потешки елементи со атомски броеви до 460, но тој не веруваl дека овие супертешки елементи постојат или се случиле во природата.^[48]

Во 1914 година, германскиот физичар Ричард Свин предложил дека елементите потешки од ураниумот, како оние околу Z. = 108, може да се најде во космичките зраци. Тој сугерирал дека овие елементи можеби нема нужно да имаат намален полураспад со зголемување на атомскиот број, што доведува до шпекулации за можноста за некои подолготрајни елементи во Z. = 98–102 и Z = 108–110 (иако разделени со краткотрајни елементи). Свин ги објавил овие предвидувања во 1926 година, верувајќи дека такви елементи може да постојат во Земјиното јадро, железните метеорити или ледените капи на Гренланд каде што биле затворени од нивното наводно космичко потекло.^[49]

Откритија

Работата изведена од 1961 до 2013 година во четири лаборатории - Националната лабораторија „Лоренс Беркли“ во САД, Заедничкиот институт за јадрени истражувања во СССР (подоцна Русија), Центарот за истражување на тешки јони во ХелмхолцГерманија и Рикен во Јапонија - ги идентификувале и потврдиле елементите лоренциум до критериумите на Групацијата за работа на МСЧПХ-МСЧПФ. Овие откритија го комплетираат седмиот ред од периодниот систем. Следните два елементи, унунениум ( Z = 119) и унбинилиум (Z = 120), сè уште не се синтетизирани. Тие би ја започнале осмата периода.

Список на елементи

• 103 лоренциум , Lr, за Ернест Лоренс; понекогаш, но не секогаш вклучено^[2][3]
• 104 Радерфордиум, Rf, за Ернест Радерфорд
• 105 Дубниум, Db, за градот Дубна, во близина на Москва
• 106 Сиборгиум, Sg, за Глен Т. Сиборг
• 107 Бориум, Bh, за Нилс Бор
• 108 Хасиум, Хс, за Хасија (Хесе), локација на Дармштат
• 109 Мајтнериум, Mt, за Лиза Мајтнер
• 110 Дармштатиум, Ds, за Дармштат)
• 111 Рендгениум, Rg, за Вилхем Рентген
• 112 Копернициум, Cn, за Никола Коперник
• 113 Нихониум, Nh, за Нихон (Јапонија), локација на институтот Рикен
• 114 Флеровиум, Fl, за рускиот физичар Георги Фљоров
• 115 Московиум, Mc, за Москва
• 116 Ливермориум, Lv, за Националната лабораторија Лоренс Ливермор
• 117 Тенесин, Тс, за Тенеси, локација на Национална лабораторија Оук Риџ
• 118 Оганесон, Og, за рускиот физичар Јуриј Оганесјан

Карактеристики

Поради нивниот краток полураспад (на пример, најстабилниот познат изотоп на сиборгиумот има полураспад од 14 минути, а полураспадот се намалува со зголемување на атомскиот број) и нискиот принос на јадрени реакции што ги произведуваат, морало да се создадат нови методи за да се одреди нивната гасна фаза и хемија на растворот врз основа на многу мали примероци од неколку атоми. Релативистичките ефекти стануваат многу важни во овој регион на периодниот систем, предизвикувајќи пополнети 7s орбитали, празни 7p орбитали и пополнување на 6d орбитали за сите да се собираат навнатре кон атомското јадро. Ова предизвикува релативистичка стабилизација на електроните 7s и ги прави 7p орбиталите достапни во состојби на ниска возбуда..^[7]

Елементите од 103 до 112, лоренциум до копернициум, ја формираат 6d серијата на преодни елементи. Експерименталните докази покажуваат дека елементите 103-108 се однесуваат како што се очекува за нивната местоположба во периодниот систем, како потешки хомолози на лутециум преку осмиум. Од нив се очекува да имаат јонски полупречник помеѓу оние на нивните хомологи од 5d преодни метали и нивните актиниодни псевдохомолози: на пример, Rf⁴⁺ се пресметува дека има јонски полупречник од 76 pm, помеѓу вредностите за Hf⁴⁺ (71 pm) и Th⁴⁺ (94 pm). Нивните јони исто така треба да бидат помалку поларизирани од оние на нивните 5d хомологи. Релативистичките ефекти се очекуваат да достигнат максимум на крајот од оваа серија, кај ренген (елемент 111) и копернициум (елемент 112). Сепак, многу важни својства на задактиниодите сè уште не се познати експериментално, иако се направени теоретски пресметки.^[7]

Елементите од 113 до 118, нихониум до оганесон, треба да формираат серија од 7p, со што ќе се комплетира седмата периода во периодниот систем. Нивната хемија ќе биде под големо влијание од многу силната релативистичка стабилизација на електроните 7s и силниот ефект на спојување спин-орбита што ја „откинува“ 7p подобвивката на два дела, еден повеќе стабилизиран (7p_1/2, кој држи два електрони) и еден повеќе дестабилизиран (7p_3/2, задржувајќи ги четирите електрони). Овде треба да се стабилизираат пониски состојби на оксидација, продолжувајќи ги групните трендови, бидејќи и електроните 7s и 7p_1/2 го покажуваат ефектот на внатрешен пар. Се очекува овие елементи во голема мера да продолжат да ги следат групните трендови, иако релативистичките ефекти играат сè поголема улога. Особено, големото разделување 7p резултира со ефективно затворање на обвивката кај флеровиумот (елемент 114) и оттука многу повисока од очекуваната хемиска активност за оганесонот (елемент 118).^[7]

Оганесонот е последниот познат елемент. Следните два елементи, 119 и 120, треба да формираат серија 8s и да бидат соодветно алкални и земноалкални метали. Електроните 8s се очекува да бидат релативистички стабилизирани, така што трендот кон поголема реактивност по овие групи ќе се промени и елементите ќе се однесуваат повеќе како нивните периодични хомолози, рубидиум и стронциум. Орбиталата 7p_3/2 сè уште е релативистички дестабилизирана, што потенцијално ќе им даде на овие елементи поголеми јонски полупречници и можеби дури и ќе можат да учествуваат хемиски. Во овој регион, електроните 8p се исто така релативистички стабилизирани, што резултира со конфигурација на валентните електрони во основна состојба 8s²8p¹ за елементот 121. Се очекува да се случат големи промени во структурата на подобвивката при преминувањето од елементот 120 до елементот 121: на пример, полупречникот на орбиталите од 5 треба драстично да се намали, од 25 борски единици во елементот 120 во возбудена [Og] 5g¹ 8s¹ конфигурација до 0,8 борски единици во елементот 121 во возбудената [Og] 5g¹ 7d¹ 8s¹ конфигурација, во феноменот наречен „радијален колапс“. Елементот 122 треба да додаде или дополнителни 7d или дополнителни 8p електрони на електронската конфигурација на елементот 121. Елементите 121 и 122 треба да бидат слични на актиниум и ториум соодветно.^[7]

Во елементот 121, се очекува да започне серијата суперактиниоди, кога електроните 8s и пополнувањето 8p_1/2, 7d_3/2, 6f_5/2, и 5g_7/2 ја одредуваат хемијата на овие елементи. Целосните и точни пресметки не се достапни за елементи над 123 поради екстремната сложеност на ситуацијата:^[50] орбиталите 5g, 6f и 7d треба да имаат приближно исто ниво на енергија, а во областа на елементот 160, орбиталите, 8p_3/2, и 9p_1/2 исто така треба да бидат приближно еднакви по енергија. Ова ќе предизвика електронските обвивки да се мешаат така што блоковиот концепт повеќе не се применува многу добро, а исто така ќе резултира со нови хемиски својства што ќе ја отежнат давањето на местоположбата на овие елементи во периодниот систем.^[7]

Надвор од супертешки елементи

Предложено е елементите надвор од Z = 126 да се нарекуваат надвор од супертешките елементи.^[51] Други извори се однесуваат на елементите околу Z = 164 како хипертешки елементи.^[52]

Белешки

1. Во јадрената физика, елементот се нарекува тежок доколку неговиот атомски број е висок; оловото (елемент 82) е еден пример за таков тежок елемент. Терминот „супертешки елементи“ обично се однесува на елементи со атомски број поголем од 103 (иако има и други дефиниции, како што е атомскиот број поголем од 100^[9] или 112;^[10] понекогаш, терминот е претставен како еквивалент на терминот „задактиниод“, што става горна граница пред почетокот на хипотетичката суперактиниодна серија).^[11] Термините „тешки изотопи“ (на даден елемент) и „тешки јадра“ ​​значат она што може да се разбере во заедничкиот јазик - изотопи со голема маса (за даден елемент) и јадра со голема маса, соодветно.
2. Во 2009 година, тим на Заедничкиот институт за јадрени истражувања (ЗИЈИ) предводен од Оганесјан ги објавиле резултатите од нивниот обид да создадат хасиум во симетрична¹³⁶Xe + ¹³⁶Xe реакција. Тие не успеале да набљудуваат ниту еден атом во таква реакција, ставајќи ја горната граница на пресекот, мерката за веројатност за јадрената реакција, како 2.5 pb.^[12] За споредба, реакцијата што резултирала со откривање на хасиум, ²⁰⁸Pb + ⁵⁸Fe, имала пресек на~20 pb (поконкретно, 19+19
   -11 pb), како што проценуваат откривачите.^[13]
3. Количината на енергија што се применува на честичката на зракот за да се забрза, исто така може да влијае на вредноста на пресекот. На пример, во 28
   14Si
   + 1
   0n
   → 28
   13Al
   + 1
   1p
   реакција, пресекот непречено се менува од 370 mb при 12,3 MeV до 160 mb при 18,3 MeV, со широк врв на 13,5 MeV со максимална вредност од 380 mb.^[17]
4. Оваа бројка, исто така, ја означува општоприфатената горна граница за животниот век на сложеното јадро.^[22]
5. Не сите начини на распаѓање се предизвикани од електростатско одбивање. На пример, бета-распаѓањето е предизвикано од слабото заемно дејство.^[31]
6. Веќе станало познато во 1960-тите дека основните состојби на јадрата се разликуваат по енергија и форма, како и дека одредени волшебни броеви на нуклеони одговараат на поголема стабилност на јадрото. Сепак, се претпоставувало дека нема јадрена структура во супертешките јадра бидејќи тие се премногу деформирани за да формираат една..^[36]
7. Бидејќи масата на јадрото не се мери директно, туку се пресметува од онаа на друго јадро, таквото мерење се нарекува индиректно. Можни се и директни мерења, но во најголем дел тие останале недостапни за супертешки јадра.^[39] Првото директно мерење на масата на супертешко јадро било објавено во 2018 година во Националната лабораторија Лоренс Беркли (НЛЛБ).^[40] Масата беше одредена од местоположбата на јадрото по преносот (местоположбата помага да се одреди нејзината траекторија, која е поврзана со односот маса-полнење на јадрото, бидејќи преносот бил извршен во присуство на магнет).^[41]
8. Доколку распаѓањето се случило во вакуум, тогаш бидејќи вкупниот импулс на изолиран систем пред и по распаѓањето мора да се зачува, јадрото-ќерка исто така би добило мала брзина. Односот на двете брзини, и соодветно на односот на кинетичките енергии, би бил обратен на односот на двете маси. Енергијата на распаѓање е еднаква на збирот на познатата кинетичка енергија на алфа честичката и онаа на јадрото ќерка.^[32] Пресметките важат и за експеримент, но разликата е во тоа што јадрото не се движи по распаѓањето бидејќи е врзано за детекторот.
9. На пример, елементот 102 бил погрешно идентификуван во 1957 година на Нобеловиот институт за физика во Стокхолм, Шведска.^[42] Немало претходни дефинитивни тврдења за создавање на овој елемент, а на елементот му било доделено име од неговите шведски, американски и британски откривачи, nobelium. Подоцна се покажало дека идентификацијата била неточна.^[43] Следната година, РЛ не можел да ги репродуцира шведските резултати и наместо тоа ја објавил нивната синтеза на елементот; тоа тврдење подоцна било отфрлено.^[43] Заедничкиот институт за јадрени истражувања (ЗИЈИ) инсистирал на тоа дека тие се првите што го создале елементот и предложиле свое име за новиот елемент, joliotium;^[44] Советското име исто така не било прифатено (ЗИЈИ подоцна се осврнал на именувањето на елементот 102 како„избрзано“).^[45] Ова име било предложено на Меѓународниот сојуз за чиста и применета хемија во писмен одговор на нивната одлука за тврдењата за приоритет на откривање на елементи, потпишана на 29 септември 1992 г..^[45] Името „нобелиум“ останало непроменето поради неговата широка употреба.^[46]