Нобелий — синтетический химический элемент ; он имеет символ No и атомный номер 102. Он назван в честь Альфреда Нобеля , изобретателя динамита и благодетеля науки. Радиоактивный металл , это десятый трансурановый элемент , второй трансфермий, и предпоследний член ряда актинидов . Как и все элементы с атомным номером более 100, нобелий может быть получен только в ускорителях частиц путем бомбардировки более легких элементов заряженными частицами. Известно, что существует в общей сложности двенадцать изотопов нобелия ; наиболее стабильным является 259 No с периодом полураспада 58 минут, но более короткоживущий 255 No (период полураспада 3,1 минуты) чаще всего используется в химии, потому что его можно производить в больших масштабах.
Химические эксперименты подтвердили, что нобелий ведет себя как более тяжелый гомолог иттербия в периодической таблице. Химические свойства нобелия не полностью известны: они в основном известны только в водном растворе . До открытия нобелия предсказывалось, что он будет показывать стабильную степень окисления +2 , а также состояние +3, характерное для других актинидов; эти предсказания позже подтвердились, поскольку состояние +2 намного более стабильно, чем состояние +3 в водном растворе , и трудно поддерживать нобелий в состоянии +3.
В 1950-х и 1960-х годах было сделано много заявлений об открытии нобелия из лабораторий Швеции , Советского Союза и Соединенных Штатов . Хотя шведские ученые вскоре отказались от своих заявлений, приоритет открытия и, следовательно, название элемента оспаривались между советскими и американскими учеными. Только в 1992 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) признал открытие советской группы. Тем не менее, нобелий, шведское предложение, было сохранено в качестве названия элемента из-за его давнего использования в литературе.
Сверхтяжелое [b] атомное ядро создается в ядерной реакции, которая объединяет два других ядра неравного размера [c] в одно; грубо говоря, чем более неравны два ядра с точки зрения массы , тем больше вероятность того, что они вступят в реакцию. [11] Материал, состоящий из более тяжелых ядер, превращается в мишень, которая затем бомбардируется пучком более легких ядер. Два ядра могут слиться в одно, только если они подойдут друг к другу достаточно близко; обычно ядра (все положительно заряженные) отталкиваются друг от друга из-за электростатического отталкивания . Сильное взаимодействие может преодолеть это отталкивание, но только на очень коротком расстоянии от ядра; таким образом, ядра пучка значительно ускоряются , чтобы сделать такое отталкивание незначительным по сравнению со скоростью ядра пучка. [12] Энергия, применяемая к ядрам пучка для их ускорения, может заставить их достичь скорости, составляющей одну десятую скорости света . Однако если приложить слишком много энергии, ядро пучка может развалиться. [12]
Для слияния двух ядер недостаточно просто сблизиться достаточно сильно: когда два ядра приближаются друг к другу, они обычно остаются вместе около 10-20 секунд , а затем расходятся (не обязательно в том же составе, что и до реакции), а не образуют единое ядро. [12] [13] Это происходит потому, что во время попытки образования единого ядра электростатическое отталкивание разрывает формирующееся ядро. [12] Каждая пара мишени и пучка характеризуется своим поперечным сечением — вероятностью того, что слияние произойдет, если два ядра приблизятся друг к другу, выраженной в терминах поперечной площади, которую должна поразить падающая частица, чтобы слияние произошло. [d] Это слияние может произойти в результате квантового эффекта, при котором ядра могут туннелировать через электростатическое отталкивание. Если два ядра могут оставаться близко после этой фазы, множественные ядерные взаимодействия приводят к перераспределению энергии и энергетическому равновесию. [12]
Результирующее слияние является возбужденным состоянием [16] — называемым составным ядром — и поэтому оно очень нестабильно. [12] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может расщепляться без образования более стабильного ядра. [17] В качестве альтернативы составное ядро может выбросить несколько нейтронов , которые унесут энергию возбуждения; если последней недостаточно для испускания нейтрона, слияние произведет гамма-луч . Это происходит примерно через 10−16 секунд после первоначального ядерного столкновения и приводит к созданию более стабильного ядра. [17] Определение Совместной рабочей группы ИЮПАК/ИЮПАП (JWP) гласит, что химический элемент может быть признан открытым только в том случае, если его ядро не распалось в течение 10−14 секунд . Это значение было выбрано в качестве оценки того, сколько времени требуется ядру, чтобы приобрести электроны и, таким образом, проявить свои химические свойства. [18] [e]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры, сепаратора; если образуется новое ядро, оно переносится этим пучком. [20] В сепараторе вновь образованное ядро отделяется от других нуклидов (ядра исходного пучка и любых других продуктов реакции) [f] и передается в поверхностно-барьерный детектор , который останавливает ядро. Точное место предстоящего удара по детектору отмечается; также отмечаются его энергия и время прибытия. [20] Передача занимает около 10−6 секунд ; чтобы быть обнаруженным, ядро должно прожить это время. [23] Ядро регистрируется снова после того, как регистрируется его распад, и измеряются местоположение, энергия и время распада. [20]
Стабильность ядра обеспечивается сильным взаимодействием. Однако его радиус действия очень мал; по мере увеличения размеров ядра его влияние на самые внешние нуклоны ( протоны и нейтроны) ослабевает. В то же время ядро разрывается электростатическим отталкиванием между протонами, и его радиус действия не ограничен. [24] Общая энергия связи , обеспечиваемая сильным взаимодействием, линейно увеличивается с числом нуклонов, тогда как электростатическое отталкивание увеличивается с квадратом атомного номера, т. е. последний растет быстрее и становится все более важным для тяжелых и сверхтяжелых ядер. [25] [26] Таким образом, теоретически предсказано [27] и до сих пор наблюдалось [28] , что сверхтяжелые ядра в основном распадаются через моды распада, которые вызваны таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление . [g] Почти все альфа-излучатели имеют более 210 нуклонов, [30] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [31] В обоих режимах распада ядрам препятствуют распадаться соответствующие энергетические барьеры для каждого режима, но они могут туннелироваться через них. [25] [26]
Альфа-частицы обычно производятся в радиоактивных распадах, поскольку масса альфа-частицы на нуклон достаточно мала, чтобы оставить некоторую энергию для альфа-частицы, которая может быть использована в качестве кинетической энергии для выхода из ядра. [33] Спонтанное деление вызвано электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро, и производит различные ядра в различных случаях деления идентичных ядер. [26] По мере увеличения атомного номера спонтанное деление быстро становится более важным: частичные периоды полураспада спонтанного деления уменьшаются на 23 порядка величины от урана (элемент 92) до нобелия (элемент 102), [34] и на 30 порядков величины от тория (элемент 90) до фермия (элемент 100). [35] Таким образом, более ранняя модель жидкой капли предполагала, что спонтанное деление будет происходить почти мгновенно из-за исчезновения барьера деления для ядер с примерно 280 нуклонами. [26] [36] Более поздняя модель ядерных оболочек предполагала, что ядра с примерно 300 нуклонами образуют остров стабильности , в котором ядра будут более устойчивы к спонтанному делению и в первую очередь будут подвергаться альфа-распаду с более длительными периодами полураспада. [26] [36] Последующие открытия предполагали, что предсказанный остров может быть дальше, чем первоначально предполагалось; они также показали, что ядра, промежуточные между долгоживущими актинидами и предсказанным островом, деформируются и получают дополнительную стабильность за счет оболочечных эффектов. [37] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [38] а также с теми, которые ближе к ожидаемому острову, [34] показали большую, чем предполагалось ранее, стабильность по отношению к спонтанному делению, что показывает важность оболочечных эффектов для ядер. [h]
Альфа-распады регистрируются испускаемыми альфа-частицами, и продукты распада легко определить до фактического распада; если такой распад или серия последовательных распадов производит известное ядро, исходный продукт реакции может быть легко определен. [i] (То, что все распады в цепочке распада действительно были связаны друг с другом, устанавливается по местоположению этих распадов, которые должны происходить в одном и том же месте.) [20] Известное ядро можно распознать по определенным характеристикам распада, которым оно подвергается, таким как энергия распада (или, более конкретно, кинетическая энергия испускаемой частицы). [j] Однако спонтанное деление производит различные ядра в качестве продуктов, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним ядрам. [k]
Информация, доступная физикам, стремящимся синтезировать сверхтяжелый элемент, таким образом, представляет собой информацию, собранную на детекторах: местоположение, энергия и время прибытия частицы к детектору, а также данные о ее распаде. Физики анализируют эти данные и стремятся сделать вывод, что это действительно было вызвано новым элементом и не могло быть вызвано другим нуклидом, чем тот, который заявлен. Часто предоставленных данных недостаточно для вывода о том, что новый элемент был определенно создан, и нет другого объяснения наблюдаемых эффектов; были допущены ошибки в интерпретации данных. [l]
Открытие элемента 102 было сложным процессом и было заявлено группами из Швеции , США и Советского Союза . Первый полный и неопровержимый отчет о его обнаружении поступил только в 1966 году из Объединенного института ядерных исследований в Дубне (тогда в Советском Союзе). [49]
Первое объявление об открытии элемента 102 было сделано физиками из Нобелевского института в Швеции в 1957 году. Группа сообщила, что они бомбардировали мишень из кюрия ионами углерода-13 в течение двадцати пяти часов с получасовыми интервалами. Между бомбардировками на мишени проводилась ионообменная химия. Двенадцать из пятидесяти бомбардировок содержали образцы, испускающие (8,5 ± 0,1) МэВ альфа-частицы , которые находились в каплях, которые элюировались раньше фермия (атомный номер Z = 100) и калифорния ( Z = 98). Сообщаемый период полураспада составлял 10 минут и был отнесен либо к 251 102, либо к 253 102, хотя не исключалась возможность того, что наблюдаемые альфа-частицы были из предположительно короткоживущего изотопа менделевия ( Z = 101), созданного при захвате электронов элементом 102. [49] Группа предложила название нобелий (No) для нового элемента, [50] [51] которое было немедленно одобрено ИЮПАК, [52] решение, которое группа из Дубны охарактеризовала в 1968 году как поспешное. [53]
В 1958 году ученые Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли повторили эксперимент. Команда из Беркли, состоящая из Альберта Гиорсо , Гленна Т. Сиборга , Джона Р. Уолтона и Торбьёрна Сиккеланда , использовала новый линейный ускоритель тяжелых ионов (HILAC) для бомбардировки мишени из кюрия (95% 244 Cm и 5% 246 Cm) ионами 13 C и 12 C. Они не смогли подтвердить заявленную шведами активность в 8,5 МэВ, но вместо этого смогли обнаружить распады фермия-250, предположительно дочернего продукта 254 102 (полученного из кюрия-246), который имел очевидный период полураспада ~3 с. Вероятно, это назначение также было неверным, поскольку более поздняя работа в Дубне 1963 года показала, что период полураспада 254 No значительно больше (около 50 с). Более вероятно, что наблюдаемые альфа-распады произошли не от элемента 102, а от 250m Fm. [49]
В 1959 году шведская группа попыталась объяснить неспособность группы из Беркли обнаружить элемент 102 в 1958 году, утверждая, что они его открыли. Однако более поздние работы показали, что не существует изотопов нобелия легче 259 No (более тяжелые изотопы не могли быть получены в шведских экспериментах) с периодом полураспада более 3 минут, и что результаты шведской группы, скорее всего, получены из тория -225, период полураспада которого составляет 8 минут, и который быстро претерпевает тройной альфа-распад до полония -213, энергия распада которого составляет 8,53612 МэВ. Эта гипотеза подкреплена тем фактом, что торий-225 может быть легко получен в используемой реакции и не будет выделен используемыми химическими методами. Более поздние работы с нобелием также показали, что двухвалентное состояние более стабильно, чем трехвалентное, и, следовательно, образцы, испускающие альфа-частицы, не могли содержать нобелий, поскольку двухвалентный нобелий не элюировался бы с другими трехвалентными актинидами. [49] Таким образом, шведская группа позже отказалась от своего заявления и связала активность с фоновыми эффектами. [52]
В 1959 году группа продолжила свои исследования и заявила, что им удалось получить изотоп, который распадался преимущественно путем испускания альфа-частицы с энергией 8,3 МэВ, с периодом полураспада 3 с и соответствующей 30%-ной ветвью спонтанного деления . Первоначально активность была отнесена к 254 102, но позже была изменена на 252 102. Однако они также отметили, что не было уверенности в том, что элемент 102 был получен из-за сложных условий. [49] Группа из Беркли решила принять предложенное шведской группой название «нобелий» для элемента. [52]
Тем временем в Дубне в 1958 и 1960 годах проводились эксперименты, направленные также на синтез элемента 102. В первом эксперименте 1958 года плутоний-239 и -241 бомбардировали ионами кислорода-16 . Было обнаружено несколько альфа-распадов с энергией чуть более 8,5 МэВ, и они были отнесены к 251,252,253 102, хотя группа писала, что нельзя исключать образование изотопов из примесей свинца или висмута (которые не дадут нобелий). Хотя более поздние эксперименты 1958 года отметили, что новые изотопы могут быть получены из примесей ртути , таллия , свинца или висмута, ученые по-прежнему придерживались своего вывода, что элемент 102 может быть получен в результате этой реакции, упоминая период полураспада менее 30 секунд и энергию распада (8,8 ± 0,5) МэВ. Более поздние эксперименты 1960 года доказали, что это были фоновые эффекты. Эксперименты 1967 года также снизили энергию распада до (8,6 ± 0,4) МэВ, но оба значения слишком высоки, чтобы соответствовать значениям 253 No или 254 No. [49] Команда из Дубны позже заявила в 1970 году и снова в 1987 году, что эти результаты не были окончательными. [49]
В 1961 году ученые из Беркли заявили об открытии элемента 103 в реакции калифорния с ионами бора и углерода. Они заявили о производстве изотопа 257 103, а также заявили, что синтезировали альфа-распадный изотоп элемента 102, который имел период полураспада 15 с и энергию альфа-распада 8,2 МэВ. Они приписали его к 255 102, не указав причину присвоения. Значения не согласуются с теми, которые сейчас известны для 255 No, хотя они согласуются с теми, которые сейчас известны для 257 No, и хотя этот изотоп, вероятно, сыграл роль в этом эксперименте, его открытие было неубедительным. [49]
Работа над элементом 102 также продолжалась в Дубне, и в 1964 году там были проведены эксперименты по обнаружению дочерних продуктов альфа-распада изотопов элемента 102 путем синтеза элемента 102 из реакции мишени из урана-238 с ионами неона . Продукты переносились вдоль серебряной фольги-ловушки и очищались химическим путем, и были обнаружены изотопы 250 Fm и 252 Fm. Выход 252 Fm был интерпретирован как доказательство того, что его родительский 256 102 также был синтезирован: поскольку было отмечено, что 252 Fm также может быть получен непосредственно в этой реакции путем одновременного испускания альфа-частицы с избыточными нейтронами, были приняты меры для того, чтобы 252 Fm не мог попасть непосредственно в фольгу-ловушку. Период полураспада, обнаруженный для 256 102, составил 8 с, что намного выше более современного значения 1967 года (3,2 ± 0,2) с. [49] Дальнейшие эксперименты были проведены в 1966 году для 254 102, используя реакции 243 Am ( 15 N ,4n) 254 102 и 238 U( 22 Ne,6n) 254 102, обнаружив период полураспада (50 ± 10) с: в то время несоответствие между этим значением и более ранним значением Беркли не было понято, хотя более поздние работы доказали, что образование изомера 250m Fm было менее вероятным в экспериментах в Дубне, чем в экспериментах в Беркли. Оглядываясь назад, результаты Дубны по 254 102, вероятно, были правильными и теперь могут считаться окончательным обнаружением элемента 102. [49]
Еще один очень убедительный эксперимент из Дубны был опубликован в 1966 году (хотя он был представлен в 1965 году), снова с использованием тех же двух реакций, который пришел к выводу, что 254 102 действительно имел период полураспада намного больше, чем 3 секунды, заявленные Беркли. [49] Более поздние работы в 1967 году в Беркли и в 1971 году в Национальной лаборатории Ок-Ридж полностью подтвердили открытие элемента 102 и прояснили более ранние наблюдения. [52] В декабре 1966 года группа из Беркли повторила эксперименты из Дубны и полностью подтвердила их, и использовала эти данные, чтобы наконец правильно приписать изотопы, которые они ранее синтезировали, но еще не могли идентифицировать в то время, и таким образом заявили, что открыли нобелий в 1958-1961 годах. [52]
В 1969 году группа ученых из Дубны провела химические эксперименты с элементом 102 и пришла к выводу, что он ведет себя как более тяжелый гомолог иттербия . Российские ученые предложили название джолиотий (Jo) для нового элемента в честь Ирен Жолио-Кюри , которая недавно умерла, что создало спор о наименовании элементов , который не был разрешен в течение нескольких десятилетий, причем каждая группа использовала свои собственные предложенные названия. [52] [54]
В 1992 году рабочая группа IUPAC - IUPAP Transfermium (TWG) пересмотрела претензии на открытие и пришла к выводу, что только работа Дубны 1966 года правильно обнаружила и приписала распады ядрам с атомным номером 102 на тот момент. Таким образом, команда Дубны официально признана первооткрывателями нобелия, хотя возможно, что он был обнаружен в Беркли в 1959 году. [49] Это решение было подвергнуто критике со стороны Беркли в следующем году, назвав повторное открытие случаев элементов 101-103 «бесполезной тратой времени», в то время как Дубна согласилась с решением IUPAC. [53]
В 1994 году в рамках попытки разрешения спора о наименовании элементов ИЮПАК ратифицировал названия для элементов 101–109. Для элемента 102 он ратифицировал название нобелий (No) на том основании, что оно укрепилось в литературе в течение 30 лет, и что Альфред Нобель должен быть увековечен таким образом. [55] Из-за возмущения по поводу названий 1994 года, которые в основном не уважали выбор первооткрывателей, последовал период комментариев, и в 1995 году ИЮПАК назвал элемент 102 флеровием (Fl) в рамках нового предложения, в честь Георгия Флерова или его одноименной Лаборатории ядерных реакций имени Флерова . [56] Это предложение также не было принято, и в 1997 году название нобелий было восстановлено. [55] Сегодня название флеровий , с тем же символом, относится к элементу 114. [ 57]
В периодической таблице нобелий расположен справа от актинида менделевия , слева от актинида лоуренсия и ниже лантанида иттербия . Металлический нобелий пока не был получен в больших количествах, и в настоящее время получение больших количеств невозможно. [59] Тем не менее, был сделан ряд прогнозов и получены некоторые предварительные экспериментальные результаты относительно его свойств. [59]
Лантаноиды и актиноиды в металлическом состоянии могут существовать как двухвалентные (например, европий и иттербий ) или трехвалентные (большинство других лантаноидов) металлы. Первые имеют конфигурации f n s 2 , тогда как вторые имеют конфигурации f n −1 d 1 s 2 . В 1975 году Йоханссон и Розенгрен исследовали измеренные и предсказанные значения когезионных энергий ( энтальпий кристаллизации) металлических лантаноидов и актиноидов , как двухвалентных, так и трехвалентных металлов. [60] [61] Был сделан вывод, что увеличенная энергия связи конфигурации [Rn]5f 13 6d 1 7s 2 по сравнению с конфигурацией [Rn]5f 14 7s 2 для нобелия была недостаточной для компенсации энергии, необходимой для продвижения одного 5f-электрона до 6d, как это верно также для очень поздних актинидов: таким образом, ожидалось, что эйнштейний , фермий , менделевий и нобелий будут двухвалентными металлами, хотя для нобелия это предсказание еще не подтверждено. [60] Растущее преобладание двухвалентного состояния задолго до завершения ряда актинидов объясняется релятивистской стабилизацией 5f-электронов, которая увеличивается с увеличением атомного номера: следствием этого является то, что нобелий преимущественно двухвалентен, а не трехвалентен, в отличие от всех других лантаноидов и актинидов. [62] В 1986 году было подсчитано, что металл нобелий имеет энтальпию сублимации между 126 кДж/моль, значение, близкое к значениям для эйнштейния, фермия и менделевия и подтверждающее теорию о том, что нобелий образует двухвалентный металл. [59] Как и другие двухвалентные поздние актиниды (за исключением снова трехвалентного лоуренсия), металлический нобелий должен иметь гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. [2] Двухвалентный металл нобелий должен иметь металлический радиус около 197 пм . [59] Температура плавления нобелия, как было предсказано, составляет 800 °C, то же значение, что и для соседнего элемента менделевия. [63] Его плотность, как предсказано, составляет около 9,9 ± 0,4 г/см 3 . [2]
Химия нобелия не полностью охарактеризована и известна только в водном растворе, в котором он может принимать степени окисления +3 или +2 , причем последняя более стабильна. [50] До открытия нобелия в основном ожидалось, что в растворе он будет вести себя как другие актиниды, причем трехвалентное состояние будет преобладающим; однако Сиборг предсказал в 1949 году, что состояние +2 также будет относительно стабильным для нобелия, поскольку ион No2 + будет иметь электронную конфигурацию основного состояния [Rn]5f14 , включая стабильную заполненную оболочку 5f14 . Прошло девятнадцать лет, прежде чем это предсказание подтвердилось. [64]
В 1967 году были проведены эксперименты по сравнению химического поведения нобелия с поведением тербия , калифорния и фермия . Все четыре элемента реагировали с хлором , и полученные хлориды осаждались вдоль трубки, по которой они переносились газом. Было обнаружено, что полученный хлорид нобелия прочно адсорбировался на твердых поверхностях, что доказывало, что он не очень летуч , как хлориды трех других исследованных элементов. Однако ожидалось, что и NoCl 2 , и NoCl 3 будут демонстрировать нелетучее поведение, и, следовательно, этот эксперимент не дал окончательного ответа на вопрос о том, какова предпочтительная степень окисления нобелия. [64] Определение благоприятствования нобелия состоянию +2 пришлось отложить до следующего года, когда были проведены эксперименты по катионообменной хроматографии и соосаждению примерно на пятидесяти тысячах атомов 255 No, в результате чего было обнаружено, что он ведет себя иначе, чем другие актиниды, и больше похож на двухвалентные щелочноземельные металлы . Это доказало, что в водном растворе нобелий наиболее стабилен в двухвалентном состоянии, когда отсутствуют сильные окислители . [64] Более поздние эксперименты в 1974 году показали, что нобелий элюируется со щелочноземельными металлами, между Ca 2+ и Sr 2+ . [64] Нобелий является единственным известным элементом f-блока, для которого состояние +2 является наиболее распространенным и стабильным в водном растворе. Это происходит из-за большой энергетической щели между 5f и 6d орбиталями в конце ряда актинидов. [65]
Ожидается, что релятивистская стабилизация подоболочки 7s значительно дестабилизирует дигидрид нобелия, NoH 2 , а релятивистская стабилизация спинора 7p 1/2 над спинором 6d 3/2 означает, что возбужденные состояния в атомах нобелия имеют вклад 7s и 7p вместо ожидаемого вклада 6d. Длинные расстояния No–H в молекуле NoH 2 и значительный перенос заряда приводят к экстремальной ионности с дипольным моментом 5,94 D для этой молекулы. Ожидается, что в этой молекуле нобелий будет демонстрировать поведение, подобное поведению основной группы , в частности, действуя как щелочноземельный металл с его конфигурацией валентной оболочки n s 2 и 5f-орбиталями, подобными ядру. [66]
Комплексообразующая способность нобелия с хлорид -ионами наиболее близка к комплексообразующей способности бария , который образует комплексы довольно слабо. [64] Его комплексообразующая способность с цитратом , оксалатом и ацетатом в водном растворе 0,5 М нитрата аммония находится между таковой кальция и стронция, хотя она несколько ближе к таковой стронция. [64]
Стандартный восстановительный потенциал пары E °(No 3+ →No 2+ ) был оценен в 1967 году как находящийся между +1,4 и +1,5 В ; [64] позднее, в 2009 году, было обнаружено, что он составляет всего около +0,75 В. [67] Положительное значение показывает, что No 2+ более стабилен, чем No 3+ , и что No 3+ является хорошим окислителем. Хотя приведенные значения для E °(No 2+ →No 0 ) и E °(No 3+ →No 0 ) различаются в разных источниках, принятые стандартные оценки составляют −2,61 и −1,26 В. [64] Было предсказано, что значение для пары E °(No 4+ →No 3+ ) составит +6,5 В. [64] Энергии Гиббса образования для No 3+ и No 2+ оцениваются как −342 и −480 кДж/моль соответственно. [64]
Атом нобелия имеет 102 электрона. Ожидается, что они будут расположены в конфигурации [Rn]5f 14 7s 2 ( символ основного состояния 1 S 0 ), хотя экспериментальная проверка этой электронной конфигурации еще не была сделана по состоянию на 2006 год. Шестнадцать электронов в подоболочках 5f и 7s являются валентными электронами . [59] При образовании соединений три валентных электрона могут быть потеряны, оставляя после себя ядро [Rn]5f 13 : это соответствует тенденции, установленной другими актинидами с их электронными конфигурациями [Rn]5f n в триположительном состоянии. Тем не менее, более вероятно, что теряются только два валентных электрона, оставляя после себя стабильное ядро [Rn]5f 14 с заполненной оболочкой 5f 14 . Первый потенциал ионизации нобелия был измерен в 1974 году и составил максимум (6,65 ± 0,07) эВ , исходя из предположения, что 7s-электроны будут ионизироваться раньше 5f-электронов; [68] это значение еще не было уточнено из-за редкости нобелия и его высокой радиоактивности. [69] Ионный радиус гексакоординированного и октакоординированного No 3+ был предварительно оценен в 1978 году как около 90 и 102 пм соответственно; [64] ионный радиус No 2+ был экспериментально найден равным 100 пм с точностью до двух значащих цифр . [59] Энтальпия гидратации No 2+ была рассчитана как 1486 кДж/моль. [64]
Известно четырнадцать изотопов нобелия с массовыми числами 248–260 и 262; все они радиоактивны. [5] Кроме того, известны ядерные изомеры с массовыми числами 250, 251, 253 и 254. [70] [71] Из них самым долгоживущим изотопом является 259 No с периодом полураспада 58 минут, а самым долгоживущим изомером является 251m No с периодом полураспада 1,7 секунды. [70] [71] Однако, по прогнозам, еще не открытый изотоп 261 No будет иметь еще более длительный период полураспада — 3 часа. [5] Кроме того, более короткоживущий 255 No (период полураспада 3,1 минуты) чаще используется в химических экспериментах, поскольку его можно производить в больших количествах при облучении калифорния-249 ионами углерода-12 . [72] После 259 No и 255 No следующими наиболее стабильными изотопами нобелия являются 253 No (период полураспада 1,62 минуты), 254 No (51 секунда ), 257 No (25 секунд), 256 No (2,91 секунды) и 252 No (2,57 секунды). [72] [70] [71] Все остальные изотопы нобелия имеют периоды полураспада менее секунды, а самый короткоживущий известный изотоп нобелия ( 248 No) имеет период полураспада менее 2 микросекунд . [5] Изотоп 254 No особенно интересен с теоретической точки зрения, поскольку он находится в середине ряда вытянутых ядер от 231 Pa до 279 Rg , а образование его ядерных изомеров (из которых известны два) контролируется протонными орбиталями, такими как 2f 5/2 , которые располагаются чуть выше сферической протонной оболочки; его можно синтезировать в реакции 208 Pb с 48 Ca. [73]
Периоды полураспада изотопов нобелия плавно увеличиваются от 250 No до 253 No. Однако при 254 No появляется провал , а за его пределами периоды полураспада четно-четных изотопов нобелия резко падают, поскольку спонтанное деление становится доминирующим режимом распада. Например, период полураспада 256 No составляет почти три секунды, а 258 No — всего 1,2 миллисекунды. [72] [70] [71] Это показывает, что в нобелии взаимное отталкивание протонов накладывает ограничение на область долгоживущих ядер в ряду актинидов . [74] Четно-нечетные изотопы нобелия в основном продолжают иметь более длинные периоды полураспада по мере увеличения их массовых чисел, с провалом в тенденции при 257 No. [72] [70] [71]
Изотопы нобелия в основном производятся путем бомбардировки актинидных мишеней ( урана , плутония , кюрия , калифорния или эйнштейния ), за исключением нобелия-262, который производится как дочерний элемент лоуренсия-262. [72] Наиболее часто используемый изотоп, 255 No, может быть получен путем бомбардировки кюрия -248 или калифорния-249 углеродом-12: последний метод более распространен. Облучение 350 мкг см −2 мишени калифорния-249 тремя триллионами (3 × 10 12 ) ионами углерода-12 с энергией 73 МэВ в секунду в течение десяти минут может произвести около 1200 атомов нобелия-255. [72]
После получения нобелия-255 его можно отделить аналогично тому, как это используется для очистки соседнего актинида менделевия. Импульс отдачи полученных атомов нобелия-255 используется для того, чтобы физически переместить их далеко от мишени, из которой они производятся, помещая их на тонкую фольгу металла (обычно бериллия , алюминия , платины или золота ) сразу за мишенью в вакууме: это обычно сочетается с улавливанием атомов нобелия в газовой атмосфере (часто гелии ) и переносом их вместе с газовой струей из небольшого отверстия в реакционной камере. Используя длинную капиллярную трубку и включая аэрозоли хлорида калия в гелиевый газ, атомы нобелия можно транспортировать на десятки метров . [75] Тонкий слой нобелия, собранный на фольге, затем можно удалить разбавленной кислотой без полного растворения фольги. [75] Затем нобелий можно выделить, используя его тенденцию к образованию двухвалентного состояния, в отличие от других трехвалентных актинидов: при обычно используемых условиях элюирования (бис-(2-этилгексил) фосфорная кислота (HDEHP) в качестве неподвижной органической фазы и 0,05 М соляной кислоты в качестве подвижной водной фазы или при использовании 3 М соляной кислоты в качестве элюента из колонок с катионообменной смолой) нобелий будет проходить через колонку и элюироваться, в то время как другие трехвалентные актиниды останутся на колонке. [75] Однако, если используется прямая «улавливающая» золотая фольга, процесс усложняется необходимостью отделения золота с помощью анионообменной хроматографии перед выделением нобелия путем элюирования из хроматографических экстракционных колонок с использованием HDEHP. [75]
