PDF Като руския химик Димитрий Иванович - Безплатно изтегляне в PDF

Кратко описание

1 ЯДРЕНА ФИЗИКА Място за тежки тежести Внимавайте за супер тежките елементи с техните химични свойства .

иванович

Описание

Място за тежки тежести Дали свръхтежките елементи със своите химични свойства се вписват в местата, запазени за тях в периодичната таблица? Матиас Череп и Андреас Тюрлер

Подобно на съвременните алхимици, изследователите многократно са добавяли нови елементи към периодичната система през последните десетилетия. Въпреки че експериментите винаги съдържат най-много един атом от свръхтежкия елемент, който се разпада за секунди, е възможно да се създадат и изследват химични съединения.

Ba La * Hf 57 72 Ra Ac + Rf

Трансактиниди = супер тежки елементи Th

- обикновено α-разпад с характерна α-енергия или по-неспецифичното спонтанно делене. През последните 50 години периодичната таблица нараства многократно, главно чрез методите на ядрената физика [3]. Днес той включва всички елементи от водород до елемент 118, с изключение на елемент 117 [4] (фиг. 1). При продължителни процедури Международният съюз за чиста и приложна физика (IUPAP) и Международният съюз за чиста и приложна химия (IUPAC) имат само официално признати елементи до атомен номер 112, както са открити. Така наречените Transactiniden следват Lawrencium (Lr, Z = 103). Започвайки с елемент 104, рутерфордий (Rf), това са Dubnium (Db), Seabor-

Фиг. 1 Периодичната таблица на елементите със супер тежките елементи.

1) Сиборг въведе концепцията за актиниди (на немски: Actinoiden или Actiniden) в периодичната таблица.

От рутерфордий с атомно число 104 може да се говори за свръхтежки елементи. Експериментите с трансактиниди показват, че химичното поведение може да се различава значително от това, което би дала обикновената екстраполация в група от периодичната таблица. Тъй като релативистките ефекти нарастват с квадрата на атомното число, те играят особено изразена роля със свръхтежки елементи. Удивително е, че дори е възможно да се правят прогнози за макроскопичните свойства на HsO4, без химик някога да има предвидими количества от това вещество в лабораторията.

Вестник Physik 8 (2009) №6

Д-р Matthias Skull, Nuclear Chemistry, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research GmbH, Planckstr. 1, 64291 Дармщат; Професор доктор. Андреас Тюрлер, Институт по радиохимия, ТУ Мюнхен, WaltherMeissner-Str. 3, 85748 Гархинг

ПРЕГЛЕД 121 120 119 118 294 0,89 ms

116 290 116 291 116 292 116 293 7.1 ms 18 ms 18 ms 61 ms

116 115 287 115 288 32 ms 87 ms

114 286 114 287 114 288 114 289 0,13 s 0,48 s 0,80 s 2,6 s

113 Фиг. 2 Нуклидната карта на трансактинидите (Z ≥ 104), нанесена вертикално атомния номер и хоризонтално неутронния номер. По аналогия с нуклидната карта на Карлсруе [5], жълтото означава α-разпад (излъчване на ядро ​​He), оранжево за улавяне на електроните и зелено за спонтанно делене. Червените линии означават шушулки. Интензивността на синия цвят показва силата на стабилизацията на черупката, цифрите показват полуживота.

Ds 269 Ds 270 Ds 271 179 ms 0,10 ms 56 ms

Hs 264 Hs 265 Hs 266 Hs 267 Hs 269 Hs 270 Hs 271 270 0.45ms 0.8 2.0 2.3 ms 50 ms 9.7 23 s 2-7 4s 10ss 2-7 ms ms Bh 260 Bh 261 Bh 262 Bh 264 Bh 265 Bh 266 Bh 267 Bh 270 Bh 271 Bh 272 35 ms 11,8 ms 102 8,0 0,97 s 0,94 s 1,1 s 17 s 61 s 9,8 s ms ms Sg 258 Sg 259 Sg 260 Sg 261 Sg 262 Sg 263 Sg 264 Sg 265 Sg 266 Sg 267 Sg 271 1,3ss 3.6 ms 0.23 s 15 ms 0.3 0.9 37 ms 9 16 359 ms 1.4 min 1.9 min 2.9 ms 0.48 ssss Db 256 Db 257 Db 258 Db 259 Db 260 Db 261 Db 262 Db 263 Db 266 Db 267 Db 268 1.5 s 0.8 1.5 4.3 s 0,51 s 1,5 s 1,8 s 34 s 27s 22 min 73min 29 hss Rf 253 Rf 254 Rf 255 Rf 256 Rf 257 Rf 258 Rf 259 Rf 260 Rf 261 Rf 262 Rf 263 Rf 267 48 μs 22 μs 1,64 s 6,2 ms 7,2 4,1 15 ms 2,5 s 21 ms 78 4,2 1,3 h 3 47 2,1 8,3 sssss ms s

gium (Sg), Bohrium (Bh), Hassium (Hs), Meitnerium (Mt), Darmstadtium (Ds) и Roentgenium (Rg). Всички изотопи на тези елементи са радиоактивни и се разпадат след много кратко време (фиг. 2). Но кои от тези елементи заслужават предиката супер тежък? Отговорът на този въпрос се е променил с течение на времето. Тъй като затварянията на черупките с „магически числа“ на протони и неутрони допълнително стабилизират ядрото, изчисленията на модела на черупката бяха извършени още през 60-те години. В района около елемент 114 те предсказаха остров на стабилност със свръхтежки елементи, който по това време беше далеч и който трябва да бъде заобиколен от дълбоко море от ядрена нестабилност.

112 282 112 283 112 284 112 285 0,82 ms 3,8 s 101 ms 34 s Rg 278 Rg 279 Rg 280 0,17 s 0,17 s 3,6 s

113 283 113 284 100 ms 0,48 s

Mt 274 Mt 275 Mt 276 0,45 s 9,7 ms 0,72 s

През март 1984 г. Готфрид Мунценберг и колегите му от Обществото за изследвания на тежки йони в Дармщад откриват елемент 108. Става все по-ясно, че самотният остров не съществува, но че плоските пясъчни брегове и рифове образуват мост към този остров. Днес знаем, че в допълнение към остров с относителна стабилност около Z = 114 (вероятно също Z = 120 или 126) и N = 184, които образуват стабилизирани черупки сферични ядра, има и друга област от стабилизирани черупки деформирани ядра, чийто център е Z = 108 и 2 70 N = 162 за двойното магическо ядро ​​10 8 Hs162. Ще срещнем този нуклид отново, когато разглеждаме химичните свойства. С днешните познания няма ясна граница

СИНТЕЗ НА СВРЪХТЕЖКИ ЕЛЕМЕНТИ За да се слее снарядът и целевото ядро ​​в ново, тежко ядро ​​при реакция на синтез, те трябва да се доближат толкова близо един до друг, че отблъскващите кулоновски сили на положително заредените ядра да бъдат преодолени и атрактивните ядрени сили да станат ефективни. Съставено ядро ​​от всички нуклони на снаряда и целта се създава чрез подходяща скорост на сблъсък. Други фактори обаче също играят важна роля. Поради промяната в условията на връзка в сложното ядро ​​в сравнение с изходните ядра, се освобождава предимно положителна „вътрешна” енергия. За съжаление, тази нежелана енергия на възбуждане, която зависи от избраните реакционни партньори, не може да бъде намалена чрез намаляване на енергията на снаряда, тъй като реакциите на синтез почти не се провеждат под кулоновската бариера. По време на образуването на съединението ядро ​​274Hs от сливането

Вестник Physik 8 (2009) №6

1 × 1017 частици лъч върху целта Фиг. I По време на сливането на 26Mg с 248 Cm се създава възбуденото съединение 274Hs и след излъчване на 26Mg и 248Cm (фиг.) Енергията на възбуждане е 30 до 50 MeV и по този начин е далеч над 7 MeV висока Фисурна бариера от 270Hs. Следователно при охлаждане повечето от съставните ядра веднага се губят отново чрез разделяне на два фрагмента (не е показано на фигурата). В много по-редки случаи ядрото може да използва енергията си на възбуждане постепенно

1 атом от пет неутрона от ядрото на остатъка от изпаряване 269Hs.

Намалявайте излъчването на неутрони с около 10 MeV всеки път. Тъй като неутронната емисия се конкурира с доминиращото делене във всяка стъпка, желаното ядро ​​от остатъци от изпаряване на свръхтежки елемент се получава много рядко от сложно ядро. Вероятността да се образуват 269Hs от 274Hs е около 10–9.

Тежка тежест във водата Поради позицията си в група 6 на периодичната система, морският боргиум трябва да се държи като по-леките елементи (хомолози) Cr, Mo и W, разположени над него. Б. образуват оксихалогениди. The

Фиг. 3 Централната част на апарата ARCA е белият блок с две изпъкнали списания, всяко от които съдържа 20 хроматографски колони. Пневматично задвижвани клапани (червени цилиндри) контролират посоката на потока на разтворите. Желаните фракции се напръскват върху кръгли дискове Ta и се изпаряват с горещ He от пръстеновидната дюза и IR лампа, така че се създава суха измервателна подготовка за α-спектроскопия.

Хроматографията позволява това да бъде проверено. За тази цел в ускорителя UNILAC на GSI първо се генерират отделни атоми 265Sg с полуживот 16 s чрез облъчване на 248Cm цел с 22Ne. Те спират в малка, пълна с газ камера и се прикрепват към клъстерите KCl, които летят с газа, и ги транспортират до ARCA (Автоматизиран апарат за бърза химия) [1, 2] (Фиг. 3). Там смес от азотна киселина и флуороводородна киселина разтваря клъстерите след кратко време за събиране. Разтворът се изпомпва през много малка хроматографска колона, която е пълна с катионен обменник. Предварителните тестове показаха, че колоната „измива“ (елуира) почти напълно и изключително шестовалентни йони Mo и W в рамките на десет секунди, като същевременно запазва всички останали видове. Следователно, в експеримента Sg, проба за а-спектроскопията се приготвя от елуираната фракция на всеки десет секунди. С 3900 циклични, еднакви разделения на всеки 45 s, беше възможно да се наблюдават три α-α разпадащи вериги на дъщерите 265Sg 261Rf и 257 No. Появата на Sg в пробата показва аналогията с Mo и W, т.е. H. Sg се държи като типичен

Вестник Physik 8 (2009) №6

Детектор, съставен от 2 × 36 PIN диода

Фиг. 4 За химичния анализ на HsO4, смес от хелий и кислород в камерата спира синтезните продукти и ги транспортира през нагрят кварцов капиляр, за да завърши окислението и да задържа нелетливи продукти и аерозолни частици HsO4 достига до

Детектор, който отделя и отделя съединенията, съдържащи се в газа, според тяхната летливост. Силициевите детектори (PIN диоди) регистрират радиоактивното разпадане на отделените нуклиди. Времето между синтеза и пристигането на детектора е само няколко секунди.

Летливо съединение Подобно на по-лекия хомоложен елемент от група 8, осмий, калият трябва лесно да се преобразува с кислород, за да образува много летливото съединение HsO4. OsO4 е много токсично съединение, което мирише на озон или репичка (гръцки osme: мирис), топи се само при 40 ° C и кипи при 130 ° C. Това е идеалното 38

Вестник Physik 8 (2009) №6

4–6 7–9 10–12 13–15 16–18 19–21 22–24 25–27 28–30 31–33 34–36 Номер на детектора

Фиг. 5 В тази термохроматограма сигналът за HsO4 (тъмносин) се състои от общо само седем, този за OsO4 (светлосин) от приблизително 100 000 събития. Ясно се вижда

са различните летливости на HsO4 и OsO4. Формата на зоните на разделяне може да бъде описана много добре с помощта на модел на Монте Карло (червени и черни криви).

Фиг. 6 Известните изотопи на Hassium с техния полуживот в s, α-енергии на разпадане в MeV и дъщерни нуклиди. Полуживотът на Hs нуклидите не се измерва, а се изчислява от енергията на α-разпад.

2) Това свойство на живака е използвано за извличане на злато от Au при добива.

R E L AT I V I S T I S C H E E F F E K T E Силните релативистки ефекти в химията на свръхтежки елементи, които растат с квадрата на атомното число в група от периодичната таблица, се основават на високите скорости на електроните (около 60 до 80% от скоростта на светлината) в близост до тези атомни ядра. В първата стъпка това води до силно релативистично нарастване на масата на сферичните s и p1/s електрони, чиито енергийни нива рязко спадат и радиусите им се свиват („директен“ релативистки ефект). Това се отнася и за химически „активните“ външни електронни орбитали. Така че z. Б. 7s електронната орбитала в елемент 105 е релативистично свита с 25% и енергийно стабилизирана. Този ефект води до намаляване на ядрения заряд-

екранирани, а d и f орбиталите на външните обвивки се дестабилизират и разширяват („индиректен“ релативистки ефект). Третият релативистки ефект е спин-орбиталното свързване и разделяне на нивата с l> 0 (p, d, f и др. Електрони) на състояния с j = l ± ½. Всеки от тези три ефекта е от един и същ порядък. Заедно те причиняват толкова много промяна в относителното положение на енергийните нива и пространственото им разширяване в група от периодичната таблица, че химичните свойства също могат да се променят забележимо. Но е възможно и други ефекти, напр. Б. ефекти на черупката, така че да бъдат компенсирани и всъщност да се получат изненадващо подобни свойства.

Вестник Physik 8 (2009) №6

ПРЕГЛЕД от началото на релативисткия модел на изчисления на атоми, че елемент 112 би могъл да бъде почти толкова инертен и по подобен начин летлив, колкото благородния газ, изглежда не е вярно [15]. Въпреки това, най-модерните релативистки изчисления за взаимодействието на елемент 112 с Au се съгласяват добре с експеримента [16].

Вестник Physik 8 (2009) №6

АВТОРИТЕ Матиас Череп учи химия в Гисен и Майнц и докторат в Майнц през 1979 г. От 1985 г. той оглавява Работната група по ядрена химия, в която е член от 1976 г. В допълнение към докторските периоди в Лорънс Ливърмор и Националната лаборатория Лорънс Бъркли, той е провел голям брой експерименти по ядрена химия в целия свят и е ръководил редица големи международни сътрудничества в GSI. Основните му изследователски интереси са оптимизирането на синтеза и разделянето на свръхтежки елементи, особено с автоматизиран химически апарат. Андреас Тюрлер учи в университета в Берн и докторат през 1989 г. След тригодишен постдокт в Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ (заедно с Д. Хофман и Г. Т. Сиборг), той преминава към швейцарския институт „Пол Шерер“ (PSI) като научен сътрудник. След като завърши хабилитацията си в Берн, той прие катедрата по радиохимия в Техническия университет в Мюнхен през 2001 г., където беше. а. ангажирани в синтеза на нови радионуклиди за приложения на ядрената медицина.