Ubu
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概況 | |
---|---|
名稱·符號·序數 | Unbiunium·Ubu·121 |
元素類別 | 未知 可能為超錒系元素 |
族·週期·區 | 不適用·8·g |
標準原子質量 | 未知 |
電子排布 | [Og] 8s2 8p1 (預測[1]) 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8, 3 (預測) |
物理性質 | |
物態 | 固體(預測) |
原子性質 | |
氧化態 | 1,3(預測)[1][2] |
電離能 | 第一:429.4(預測)[1] kJ·mol−1 |
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Unbiunium(化學符號為Ubu)是一種尚未被發現的化學元素,原子序數是121。直到這個元素被發現、確認並確定了永久名稱之前,Unbiunium和Ubu分別為這個元素的暫時系統命名和化學符號。Ubu是第8週期的第三個元素,預測是擴展元素週期表中第一個位於g區的元素,位居第8週期的新元素系列超錒系元素之首。該元素可能處於理論上的超重元素穩定島之中。
Ubu至今為止尚未被合成,預計其可能是當前技術所能合成的最後幾個元素之一。Ubu的合成難度可能比所有已發現的人造元素都來得高,也比119號和120號元素更加難以合成。日本理化學研究所和俄羅斯杜布納聯合原子核研究所的團隊皆表示,在合成119號和120號元素的實驗結束後,他們計劃在未來嘗試合成121號元素。
Ubu在元素週期表中的位置表明它會與鑭和錒具有相似的性質。不過,相對論效應可能會導致Ubu的某些性質與直接用元素周期律推測的性質不同。例如:Ubu的價電子排布預計為s2p,而不是鑭和錒的s2d或依據馬德隆規則所推測的s2g排布,但預計這不會對其化學性質有太大影響。另一方面,預計其第一電離能將會顯著降低,大大超越依元素週期性預測的程度。
超重元素的合成
超重元素[a]的原子核是在兩個不同大小的原子核[b]的聚變中產生的。粗略地說,兩個原子核的質量之差越大,兩者就越有可能發生反應。[9]由較重原子核組成的物質會作為靶子,被較輕原子核的粒子束轟擊。兩個原子核只能在距離足夠近的時候,才能聚變成一個原子核。原子核都帶正電荷,會因為靜電排斥力而相互排斥,所以只有兩個原子核的距離足夠短時,強核力才能克服這個排斥力並發生聚變。粒子束因此被粒子加速器大大加速,以使這種排斥力與粒子束的速度相比變得微不足道。[10]施加到粒子束上以加速它們的能量可以使它們的速度達到光速的十分之一。但是,如果施加太多能量,粒子束可能會分崩離析。[10]
不過,只是靠得足夠近不足以使兩個原子核聚變:當兩個原子核逼近彼此時,它們通常會融為一體約10−20秒,之後再分開(分開後的原子核不需要和先前相撞的原子核相同),而非形成單一的原子核。[10][11]這是因為在嘗試形成單個原子核的過程中,靜電排斥力會撕開正在形成的原子核。[10]每一對目標和粒子束的特徵在於其截面,即兩個原子核彼此接近時發生聚變的概率。[c]這種聚變是量子效應的結果,其中原子核可以通過靜電排斥隧穿。如果兩個原子核可以在該階段之後保持靠近,則多個核相互作用會導致能量的重新分配和平衡。[10]
兩個原子核聚變產生的原子核處於非常不穩定,[10]被稱為複合原子核(英語:compound nucleus)的激發態。[13]複合原子核為了達到更穩定的狀態,可能會直接裂變,[14]或是放出一些中子來帶走激發能量。如果激發能量太小,無法放出中子,複合原子核就會放出γ射線來帶走激發能量。這個過程會在原子核碰撞後的10−16秒發生,並創造出更穩定的原子核。[14]原子核只有在10−14秒內不衰變,IUPAC/IUPAP聯合工作小組才會認為它是化學元素。這個值大約是原子核得到它的外層電子,顯示其化學性質所需的時間。[15][d]
衰變和探測
粒子束穿過目標後,會到達下一個腔室——分離室。如果反應產生了新的原子核,它就會被這個粒子束攜帶。[17]在分離室中,新的原子核會從其它核素(原本的粒子束和其它反應產物)中分離,[e]到達半導體探測器(英語:Semiconductor detector)後停止。這時標記撞擊探測器的確切位置、能量和到達時間。[17]這個轉移需要10−6秒的時間,因此原子核需要存在這麼長的時間才能被檢測到。[20]若衰變發生,衰變的原子核被再次記錄,並測量位置、衰變能量和衰變時間。[17]
原子核的穩定性源自於強核力,但強核力的作用距離很短,隨着原子核越來越大,強核力對最外層的核子(質子和中子)的影響減弱。同時,原子核會被質子之間,範圍不受限制的靜電排斥力撕裂。[21]強核力提供的核結合能以線性增長,而靜電排斥力則以原子序數的平方增長。後者增長更快,對重元素和超重元素而言變得越來越重要。[22][23]超重元素理論預測[24]及實際觀測到[25]的主要衰變方式,即α衰變和自發裂變都是這種排斥引起的。[f]幾乎所有會α衰變的核素都有超過210個核子,[27]而主要通過自發裂變衰變的最輕核素有238個核子。[25]有限位勢壘在這兩種衰變方式中抑制了原子核衰變,但原子核可以隧穿這個勢壘,發生衰變。[22][23]
放射性衰變中常產生α粒子是因為α粒子中的核子平均質量足夠小,足以使α粒子有多餘能量離開原子核。[29]自發裂變則是由靜電排斥力將原子核撕裂而致,會產生各種不同的產物。[23]隨着原子序數增加,自發裂變迅速變得重要:自發裂變的部分半衰期從92號元素鈾到102號元素鍩下降了23個數量級,[30]從90號元素釷到100號元素鐨下降了30個數量級。[31]早期的液滴模型因此表明有約280個核子的原子核的裂變勢壘(英語:Fission barrier)會消失,因此自發裂變會立即發生。[23][32]之後的核殼層模型表明有大約300個核子的原子核將形成一個穩定島,其中的原子核不易發生自發裂變,而是會發生半衰期更長的α衰變。[23][32]隨後的發現表明預測存在的穩定島可能比原先預期的更遠,還發現長壽命錒系元素和穩定島之間的原子核發生變形,獲得額外的穩定性。[33]對較輕的超重核素[34]以及那些更接近穩定島的核素[30]的實驗發現它們比先前預期的更難發生自發裂變,表明核殼層效應變得重要。[g]
α衰變由發射出去的α粒子記錄,在原子核衰變之前就能確定衰變產物。如果α衰變或連續的α衰變產生了已知的原子核,則可以很容易地確定反應的原始產物。[h]因為連續的α衰變都會在同一個地方發生,所以通過確定衰變發生的位置,可以確定衰變彼此相關。[17]已知的原子核可以通過它經歷的衰變的特定特徵來識別,例如衰變能量(或更具體地說,發射粒子的動能)。[i]然而,自發裂變會產生各種分裂產物,因此無法從其分裂產物確定原始核素。[j]
嘗試合成超重元素的物理學家可以獲得的信息是探測器收集到的信息,即原子核到達探測器的位置、能量、時間以及它衰變的信息。他們分析這些數據並試圖得出結論,確認它確實是由新元素引起的。如果提供的數據不足以得出創造出來的核素確實是新元素的結論,且對觀察到的現象沒有其他解釋,就可能在解釋數據時出現錯誤。[k]目標 | 發射體 | CN | 結果 |
---|---|---|---|
238Pu | 62Co | 300Ubu | 尚未嘗試 |
208Pb | 89Y | 297Ubu | 尚未嘗試 |
232Th | 71Ga | 303Ubu | 尚未嘗試 |
238U | 65Cu | 303Ubu | 尚未嘗試 |
237Np | 64Ni | 301Ubu | 尚未嘗試 |
244Pu | 59Co | 303Ubu | 尚未嘗試 |
243Am | 58Fe | 301Ubu | 尚未嘗試 |
248Cm | 55Mn | 303Ubu | 尚未嘗試 |
249Bk | 54Cr | 303Ubu | 尚未嘗試 |
249Cf | 51V | 300Ubu | 尚未嘗試 |
254Es | 50Ti | 304Ubu | 尚未嘗試 |
- 分離基於產生的原子核會比未反應的粒子束更慢地通過目標這一點。分離器中包含電場和磁場,它們對運動粒子的影響會因粒子的特定速度而被抵消。[18]飛行時間質譜法(英語:Time-of-flight mass spectrometry)和反衝能量的測量也有助於分離,兩者結合可以估計原子核的質量。[19]
- 超重元素的原子核的質量通常無法直接測量,所以是根據另一個原子核的質量間接計算得出的。[35]2018年,勞倫斯伯克利國家實驗室首次直接測量了超重原子核的質量,[36]它的質量是根據轉移後原子核的位置確定的(位置有助於確定其軌跡,這與原子核的質荷比有關,因為轉移是在有磁鐵的情況下完成的)。[37]
- 自發裂變是由蘇聯科學家格奧爾基·弗廖羅夫發現的,[38]而他也是杜布納聯合原子核研究所的科學家,所以自發裂變就成了杜布納聯合原子核研究所經常討論的課題。[39]勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家認為自發裂變的信息不足以聲稱合成元素,他們認為對自發裂變的研究還不夠充分,無法將其用於識別新元素,因為很難確定複合原子核是不是僅噴射中子,而不是質子或α粒子等帶電粒子。[16]因此,他們更喜歡通過連續的α衰變將新的同位素與已知的同位素聯繫起來。[38]
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