Super těžký prvek - Superheavy element

Supertěžké prvky , známé také jako transaktinidové prvky , transaktinidy nebo supertěžké prvky , jsou chemické prvky s atomovým číslem větším než 103. Supertěžké prvky jsou bezprostředně za aktinidy v periodické tabulce; nejtěžším aktinidem je lawrencium (atomové číslo 103). Podle definice jsou supertěžké prvky také transuranické prvky , tj. Mají atomová čísla větší než uran (92).

Glenn T. Seaborg nejprve navrhl koncept aktinidů , což vedlo k přijetí série aktinidů . Navrhl také řadu transaktinidů v rozmezí od prvku 104 do 121 a řadu superaktinidů přibližně pokrývající prvky 122 až 153 (i když novější práce naznačují, že konec řady superaktinidů nastane místo toho v prvku 157). Na jeho počest byl pojmenován transactinide seaborgium .

Supertěžké prvky jsou radioaktivní a byly získány pouze synteticky v laboratořích. Žádný z těchto prvků nebyl nikdy shromážděn v makroskopickém vzorku. Supertěžké prvky jsou pojmenovány podle fyziků a chemiků nebo podle důležitých míst zapojených do syntézy prvků.

IUPAC definuje prvek, který existuje, pokud je jeho životnost delší než 10 - ¹⁴ sekund, což je doba, za kterou jádro vytvoří elektronový oblak.

Známé supertěžké prvky jsou součástí řady 6d a 7p v periodické tabulce. S výjimkou rutherfordia a dubnia mají i nejdéle trvající izotopy supertěžkých prvků krátký poločas minut nebo méně. Spor o pojmenování prvků zahrnoval prvky 102–109. Některé z těchto prvků tak používaly systematická jména mnoho let poté, co byl jejich objev potvrzen. (Systematická jména jsou obvykle nahrazována trvalými názvy navrženými objeviteli relativně krátce po potvrzení objevu.)

Úvod

Syntéza supertěžkých jader

Grafické znázornění reakce jaderné fúze . Dvě jádra se spojí v jedno a vyzařuje neutron . Reakce, které do tohoto okamžiku vytvořily nové prvky, byly podobné, s jediným možným rozdílem, že někdy bylo uvolněno několik singulárních neutronů, nebo vůbec žádné.

V jaderné reakci vzniká supertěžké atomové jádro, které spojuje další dvě jádra nestejné velikosti do jednoho; zhruba, čím nerovnější jsou dvě jádra z hlediska hmotnosti, tím větší je možnost, že ta dvě reagují. Z materiálu vyrobeného z těžších jader je vyroben cíl, který je poté bombardován paprskem lehčích jader. Dvě jádra mohou splynout v jedno pouze tehdy, když se k sobě dostanou dostatečně blízko; normálně se jádra (všechna kladně nabitá) navzájem odpuzují kvůli elektrostatickému odpuzování . Silná interakce může překonat tento odpor, ale jen ve velmi krátké vzdálenosti od jádra; paprsková jádra jsou tedy značně zrychlena , aby byla taková odpudivost bezvýznamná ve srovnání s rychlostí jádra paprsku. Energie aplikovaná na jádra paprsků k jejich zrychlení může způsobit, že dosáhnou rychlosti až jedné desetiny rychlosti světla . Pokud se však použije příliš mnoho energie, jádro paprsku se může rozpadnout.

Přiblížit se dostatečně blízko nestačí k tomu, aby se dvě jádra spojila: když se k sobě přiblíží dvě jádra, obvykle zůstanou pohromadě přibližně 10 - ²⁰  sekund a poté se rozdělí (nemusí být ve stejném složení jako před reakcí), než aby vytvořily jediné jádro. Stává se to proto, že během pokusu o vytvoření jediného jádra elektrostatické odpuzování roztrhne jádro, které se tvoří. Každý pár cíle a paprsku je charakterizován svým průřezem - pravděpodobností, že fúze nastane, pokud se k sobě přiblíží dvě jádra, vyjádřeno v příčné oblasti, do které musí dopadající částice zasáhnout, aby fúze nastala. Tato fúze může nastat v důsledku kvantového efektu, při kterém mohou jádra tunelovat elektrostatickým odpuzováním. Pokud mohou dvě jádra zůstat blízko po tuto fázi, více jaderných interakcí má za následek přerozdělení energie a energetickou rovnováhu.

Externí video
Vizualizace neúspěšné jaderné fúze na základě výpočtů z Australské národní univerzity

Výsledná fúze je vzrušený stav - tvořené složeným jádrem - a proto je velmi nestabilní. Aby se dosáhlo stabilnějšího stavu, může se dočasné sloučení štěpit bez vytvoření stabilnějšího jádra. Alternativně může složené jádro vysunout několik neutronů , které by odnesly excitační energii; pokud toto není dostatečné pro vypuzení neutronů, fúze by vytvořila gama paprsek . K tomu dochází přibližně za ^10–16  sekund po počáteční jaderné srážce a výsledkem je vytvoření stabilnějšího jádra. Definice Společné pracovní skupiny IUPAC/IUPAP (JWP) uvádí, že chemický prvek lze rozpoznat jako objevený pouze tehdy, pokud se jeho jádro nerozpadlo do 10 až ¹⁴ sekund. Tato hodnota byla zvolena jako odhad toho, jak dlouho trvá jádru získat jeho vnější elektrony a zobrazit tak jeho chemické vlastnosti.

Rozpad a detekce

Paprsek prochází cílem a dosáhne další komory, separátoru; pokud se vytvoří nové jádro, je neseno tímto paprskem. V separátoru je nově vytvořené jádro odděleno od ostatních nuklidů (původního paprsku a jakýchkoli dalších reakčních produktů) a přeneseno do detektoru povrchové bariéry , který jádro zastaví. Je vyznačeno přesné umístění nadcházejícího nárazu na detektor; také jsou označeny jeho energie a čas příjezdu. Přenos trvá přibližně ^10–6  sekund; aby bylo jádro detekováno, musí přežít tak dlouho. Jádro je zaznamenáno znovu, jakmile je registrován jeho rozpad, a je změřeno umístění, energie a čas rozpadu.

Stabilitu jádra zajišťuje silná interakce. Jeho dosah je však velmi krátký; jak se jádra zvětšují, jeho vliv na nejvzdálenější nukleony ( protony a neutrony) slábne. Současně je jádro roztrženo elektrostatickým odpuzováním mezi protony a jeho dosah není omezen. Celková vazebná energie poskytovaná silnou interakcí roste lineárně s počtem nukleonů, zatímco elektrostatická odpudivost se zvyšuje se čtvercem atomového čísla, tj. Toto roste rychleji a stává se stále důležitější pro těžká a supertěžká jádra. Supertěžká jádra jsou tedy teoreticky předpovězena a dosud bylo pozorováno, že se převážně rozpadají způsoby rozpadu, které jsou způsobeny takovým odpuzováním: alfa rozpad a spontánní štěpení . Téměř všechny alfa zářiče mají více než 210 nukleonů a nejlehčí nuklid primárně podléhající spontánnímu štěpení má 238. V obou režimech rozpadu je jádru bráněno v rozpadu odpovídajícími energetickými bariérami pro každý režim, ale mohou být tunelovány skrz.

Schéma zařízení pro vytváření supertěžkých prvků, založené na Dubna Gas-Filled Recoil Separator zřízeném ve Flerově laboratoři jaderných reakcí v JINR. Trajektorie uvnitř detektoru a paprskového zaostřovacího zařízení se mění v důsledku dipólového magnetu v prvním a čtyřpólových magnetů v druhém.

Částice alfa se běžně vyrábějí v radioaktivních rozpadech, protože hmotnost částice alfa na nukleon je dostatečně malá na to, aby zanechala nějakou energii pro částici alfa, která bude použita jako kinetická energie k opuštění jádra. Spontánní štěpení je způsobeno elektrostatickým odpuzováním, které roztrhá jádro od sebe a vytvoří různá jádra v různých případech identického štěpení jader. Jak se atomové číslo zvyšuje, spontánní štěpení se rychle stává důležitějším: částečné poločasy spontánního štěpení se snižují o 23 řádů od uranu (prvek 92) na nobelium (prvek 102) a o 30 řádů od thoria (prvek 90) na fermium (prvek 100). Dřívější model kapalných kapek tedy naznačoval, že spontánní štěpení nastane téměř okamžitě kvůli vymizení štěpné bariéry u jader s asi 280 nukleony. Pozdější model jaderné skořápky naznačoval, že jádra s asi 300 nukleony vytvoří ostrov stability, ve kterém budou jádra odolnější vůči spontánnímu štěpení a budou primárně procházet alfa rozpadem s delšími poločasy rozpadu. Následné objevy naznačovaly, že předpovídaný ostrov může být dále, než se původně předpokládalo; také ukázali, že jádra mezi dlouhými aktinidy a předpovězeným ostrovem jsou deformována a získávají další stabilitu díky skořepinovým efektům. Experimenty na lehčích supertěžkých jádrech, stejně jako na těch blíže očekávanému ostrovu, ukázaly větší, než se původně očekávalo stabilitu proti spontánnímu štěpení, což ukazuje důležitost skořápkových účinků na jádra.

Alfa rozpady jsou registrovány emitovanými alfa částicemi a produkty rozpadu lze snadno určit před skutečným rozpadem; pokud takový rozpad nebo série po sobě jdoucích rozpadů vytvoří známé jádro, lze původní produkt reakce snadno určit. (Že všechny rozpady v řetězci rozpadu spolu skutečně souvisely, je dáno umístěním těchto rozpadů, které musí být na stejném místě.) Známé jádro lze rozpoznat podle specifických charakteristik rozpadu, kterým prochází, jako je energie rozpadu (nebo konkrétněji kinetická energie emitované částice). Spontánní štěpení však produkuje různá jádra jako produkty, takže původní nuklid nelze určit z jeho dcer.

Informace dostupné fyzikům usilující o syntézu supertěžkého prvku jsou tedy informace shromážděné v detektorech: umístění, energie a čas příjezdu částice do detektoru a informace o jejím rozpadu. Fyzici tato data analyzují a snaží se dojít k závěru, že to bylo skutečně způsobeno novým prvkem a nemohlo to být způsobeno jiným nuklidem, než který tvrdil. Za předpokladu, že data jsou dostačující pro závěr, že nový prvek byl definitivně vytvořen, a pro pozorované efekty neexistuje jiné vysvětlení; došlo k chybám při interpretaci dat.

Dějiny

Rané předpovědi

Nejtěžším prvkem známým na konci 19. století byl uran s atomovou hmotností přibližně 240 (nyní 238)  amu . Podle toho byl umístěn v posledním řádku periodické tabulky; to podnítilo spekulace o možné existenci prvků těžších než uran a proč se  zdálo, že limitem je A = 240. Po objevu vzácných plynů , počínaje argonem v roce 1895, byla zvažována možnost těžších členů skupiny. Dánský chemik Julius Thomsen navrhl v roce 1895 existenci šestého vzácného plynu se Z  = 86, A  = 212 a sedmého se Z  = 118, A  = 292, posledního uzavření 32prvkové periody obsahující thorium a uran. V roce 1913 švédský fyzik Johannes Rydberg rozšířil Thomsenovu extrapolaci periodické tabulky tak, aby zahrnovala ještě těžší prvky s atomovými čísly až 460, ale nevěřil, že tyto supertěžké prvky existují nebo se vyskytují v přírodě.

V roce 1914 německý fyzik Richard Swinne navrhl, aby  se v kosmickém záření nacházely prvky těžší než uran, například ty kolem Z = 108 . Naznačil, že tyto prvky nemusí mít se zvyšujícím se atomovým číslem nutně klesající poločasy, což vedlo ke spekulacím o možnosti některých prvků s delší životností při Z = 98–102 a Z = 108–110 (byť odděleny prvky s krátkou životností ). Swinne publikoval tyto předpovědi v roce 1926 v domnění, že takové prvky mohou existovat v zemském jádru , v železných meteoritech nebo v ledovcích Grónska, kde byly uzavřeny před jejich údajným kosmickým původem.

Objevy

Práce prováděné v letech 1964 až 2013 ve čtyřech laboratořích - Národní laboratoři Lawrence Berkeley v USA, Společném institutu pro jaderný výzkum v SSSR (později Rusko), Centru GSI Helmholtz pro těžký iontový výzkum v Německu a RIKEN v Japonsku - byly identifikovány a potvrdila prvky od rutherfordia po oganesson podle kritérií pracovních skupin IUPAC - IUPAP pro transfermium a následných společných pracovních skupin. Tyto objevy doplňují sedmou řadu periodické tabulky. Zbývající dva transaktinidy, ununenium (prvek 119) a unbinilium (prvek 120), dosud nebyly syntetizovány. Začali by osmou třetinu.

Seznam prvků

• 103 Lawrencium , Lr (dříve Lw) (pojmenovaný po Ernestu Lawrencovi )
• 104 Rutherfordium , RF (pro Ernesta Rutherforda )
• 105 Dubnium , Db (pro město Dubna , nedaleko Moskvy )
• 106 Seaborgium , Sg (pro Glenn T. Seaborg )
• 107 Bohrium , Bh (pro Nielse Bohra )
• 108 Hassium , Hs (pro Hassia , kde Darmstadt se nachází)
• 109 Meitnerium , Mt (pro Lise Meitner )
• 110 Darmstadtium , Ds (pro Darmstadt )
• 111 Roentgenium , Rg (pro Wilhelma Conrada Röntgena )
• 112 Copernicium , Cn (pro Nikolause Koperníka )
• 113 Nihonium , NH (pro Nihon, Japonsko , kde se nachází institut RIKEN )
• 114 Flerovium , Fl (pro ruský fyzik Georgy Flyorov )
• 115 Moscovium , Mc (pro Moskvu )
• 116 Livermorium , Lv (pro národní laboratoř Lawrence Livermore )
• 117 Tennessine , Ts (pro Tennessee , umístění národní laboratoře Oak Ridge )
• 118 Oganesson , Og (pro fyzika Jurije Oganessiana )

Charakteristika

Vzhledem k jejich krátkým poločasům (například nejstabilnější známý izotop seaborgium má poločas rozpadu 14 minut a poločasy se postupně snižují vpravo od skupiny) a nízký výtěžek jaderných reakcí, které k jejich výrobě musely být vytvořeny nové metody ke stanovení jejich chemie v plynné fázi a v roztoku na základě velmi malých vzorků po několika atomech. V této oblasti periodické tabulky jsou velmi důležité relativistické efekty , které způsobují, že naplněné 7s orbitaly, prázdné 7p orbitaly a vyplnění 6d orbitálů se všechny smršťují dovnitř směrem k atomovému jádru. To způsobí relativistickou stabilizaci 7s elektronů a orbitaly 7p jsou přístupné ve stavech nízké excitace.

Prvky 103 až 112, lawrencium až copernicium, mohou být použity k vytvoření řady 6d přechodových prvků. Experimentální důkazy ukazují, že prvky 103–108 se chovají podle očekávání pro svou polohu v periodické tabulce, jako těžší homology lutetia přes osmium. Očekává se, že budou mít iontové poloměry mezi poloměry svých homologů 5d přechodových kovů a jejich aktinidových pseudohomologů: například Rf ⁴⁺ má vypočtený iontový poloměr 76  pm , mezi hodnotami Hf ⁴⁺ (71 pm) a Th ⁴⁺ (94 hodin). Jejich ionty by také měly být méně polarizovatelné než ionty jejich 5d homologů. Očekává se, že relativistické efekty dosáhnou maxima na konci této řady, u roentgenium (prvek 111) a copernicium (prvek 112). Nicméně mnoho důležitých vlastností transaktinidů není dosud experimentálně známo, ačkoli byly provedeny teoretické výpočty.

Prvky 113 až 118, nihonium přes oganesson, by měly tvořit řadu 7p, čímž dokončí sedmé období v periodické tabulce. Jejich chemie bude velmi ovlivněna velmi silnou relativistickou stabilizací elektronů 7s a silným spojovacím efektem spin-orbity, který „roztrhne“ 7p subshell na dvě části, jedna stabilizovanější (7p _1/2 , držící dva elektrony) a jedna destabilizovanější (7p _3/2 , držící čtyři elektrony). Kromě toho jsou 6d elektrony v této oblasti stále destabilizovány, a proto mohou být schopny přispět určitým charakterem přechodného kovu k prvním několika prvkům 7p. Zde by měly být stabilizovány nižší oxidační stavy, pokračující skupinové trendy, protože elektrony 7s a 7p _1/2 vykazují efekt inertního páru . Očekává se, že tyto prvky budou do značné míry i nadále sledovat skupinové trendy, i když relativistické efekty hrají stále větší roli. Zejména velké štěpení 7p má za následek účinné uzavření skořápky u flerovia (prvek 114), a tudíž mnohem vyšší, než se očekávalo chemické aktivity pro oganesson (prvek 118).

Prvek 118 je posledním prvkem, který byl syntetizován. Další dva prvky, prvky 119 a 120 , by mělo tvořit 8S sérii a být alkalických a kovů alkalických zemin , resp. Očekává se, že elektrony 8 s budou relativisticky stabilizovány, takže trend směrem k vyšší reaktivitě u těchto skupin obrátí směr a prvky se budou chovat více jako jejich perioda 5 homologů, rubidia a stroncia . Nicméně orbitál 7p _3/2 je stále relativisticky destabilizovaný, což potenciálně dává těmto prvkům větší iontové poloměry a možná je dokonce schopen se chemicky účastnit. V této oblasti jsou elektrony 8p také relativisticky stabilizovány, což má za následek elementární stav 8s ² 8p ¹ valenční elektronové konfigurace pro prvek 121 . Očekává se, že dojde k velkým změnám ve struktuře subshell při přechodu z prvku 120 na prvek 121: například poloměr 5g orbitálů by měl drasticky klesnout, z 25  Bohrových jednotek v prvku 120 v excitované [Og] 5g ¹ 8s ¹ konfiguraci až 0,8 Bohrových jednotek v prvku 121 v excitované [Og] 5g ¹ 7d ¹ 8s ¹ konfiguraci, ve jevu zvaném „radiální kolaps“. Prvek 122 by měl přidat ke konfiguraci elektronu prvku 121 buď dalších 7d, nebo dalších 8p elektronů. Prvky 121 a 122 by měly být podobné aktiniu a thoriu .

Očekává se, že u prvku 121 začne řada superaktinidů , když 8s elektrony a výplňové 8p _1/2 , 7d _3/2 , 6f _5/2 a 5g _7/2 subshell určují chemii těchto prvků. Úplné a přesné výpočty nejsou k dispozici pro prvky nad 123 kvůli extrémní složitosti situace: orbitaly 5g, 6f a 7d by měly mít přibližně stejnou energetickou úroveň a v oblasti prvku 160 9s, 8p _3/2 , a 9p _1/2 orbitaly by měly být také přibližně stejné v energii. To způsobí, že se elektronové obaly mísí, takže koncepce bloku se již příliš dobře neuplatňuje, a také to povede k novým chemickým vlastnostem, které velmi ztěžují umístění těchto prvků v periodické tabulce; Očekává se, že prvek 164 bude mísit charakteristiky prvků skupiny 10 , 12 a 18 .

Mimo superheavy prvky

Bylo navrženo, aby prvky za Z = 126 byly nazývány za superheavy prvky .

Viz také

• Bose – Einsteinův kondenzát (také známý jako Superatom )

Poznámky

Reference

Bibliografie

• Audi, G .; Kondev, FG; Wang, M .; a kol. (2017). „Hodnocení jaderných vlastností NUBASE2016“. Čínský Physics C . 41 odst. 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . doi : 10,1088/1674-1137/41/3/030001 .
       s. 030001-1–030001-17 , s. 030001-18–030001-138, tabulka I. Tabulka jaderných a rozpadových vlastností NUBASE2016
• Beiser, A. (2003). Pojmy moderní fyziky (6. vydání). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-244848-1. OCLC  48965418 .
• Hoffman, DC ; Ghiorso, A .; Seaborg, GT (2000). The Transuranium People: Inside Story . World Scientific . ISBN 978-1-78-326244-1.
• Kragh, H. (2018). Od transuranic k Superheavy Elements: Příběh sporu a stvoření . Springer . ISBN 978-3-319-75813-8.
• Zagrebaev, V .; Karpov, A .; Greiner, W. (2013). „Budoucnost výzkumu supertěžkých prvků: Která jádra by bylo možné syntetizovat během několika příštích let?“ . Journal of Physics: Conference Series . 420 . 012001. doi : 10,1088/1742-6596/420/1/012001 . ISSN  1742-6588 .