Нихоний — синтетический химический элемент ; он имеет символ Nh и атомный номер 113. Он чрезвычайно радиоактивен : его наиболее стабильный известный изотоп нихоний-286 имеет период полураспада около 10 секунд. В таблице Менделеева нихоний — трансактинидный элемент в p-блоке . Он является членом периода 7 и группы 13 .
Впервые сообщалось, что нихоний был создан в 2003 году российско-американским сотрудничеством в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Россия, и в 2004 году группой японских ученых в Рикене в Вако , Япония. В подтверждении их утверждений в последующие годы участвовали независимые группы ученых, работавшие в США, Германии, Швеции и Китае, а также первоначальные заявители в России и Японии. В 2015 году Совместная рабочая группа IUPAC/IUPAP признала этот элемент и передала Riken приоритет открытия и права на наименование элемента. Команда Riken предложила название нихоний в 2016 году, которое было одобрено в том же году. Название происходит от общепринятого японского названия Японии (日本, нихон ) .
О нихонии известно очень мало, поскольку его производят в очень небольших количествах, которые распадаются в течение нескольких секунд. Аномально долгая жизнь некоторых сверхтяжелых нуклидов, в том числе некоторых изотопов нихония, объясняется теорией « острова стабильности ». Эксперименты подтверждают теорию: период полураспада подтвержденных изотопов нихония увеличивается с миллисекунд до секунд по мере добавления нейтронов и приближения к острову. Было подсчитано, что нихоний обладает свойствами, аналогичными свойствам его гомологов бора , алюминия , галлия , индия и таллия . Все, кроме бора, являются постпереходными металлами , и ожидается, что нихоний также будет постпереходным металлом. Он также должен показать несколько основных отличий от них; например, нихоний должен быть более стабильным в состоянии окисления +1 , чем в состоянии +3, как таллий, но в состоянии +1 нихоний должен вести себя больше как серебро и астат , чем таллий. Предварительные эксперименты 2017 года показали, что элементарный нихоний не очень летуч ; его химия остается в значительной степени неисследованной.
Сверхтяжелое [a] атомное ядро создается в результате ядерной реакции, объединяющей два других ядра неравного размера [b] в одно; грубо говоря, чем более неравны два ядра по массе, тем больше вероятность того, что они вступят в реакцию. [16] Материал, состоящий из более тяжелых ядер, превращается в мишень, которая затем бомбардируется пучком более легких ядер. Два ядра могут слиться в одно только в том случае, если они приблизятся друг к другу достаточно близко; Обычно ядра (все положительно заряженные) отталкивают друг друга из-за электростатического отталкивания . Сильное взаимодействие может преодолеть это отталкивание, но только на очень небольшом расстоянии от ядра; Таким образом, ядра пучка сильно ускоряются , чтобы сделать такое отталкивание незначительным по сравнению со скоростью ядра пучка. [17] Энергия, приложенная 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. [17]
Одного сближения недостаточно для слияния двух ядер: когда два ядра сближаются друг с другом, они обычно остаются вместе примерно 10–20 секунд , а затем расходятся (не обязательно в том же составе, что и до реакции), а не образуют одно ядро. [17] [18] Это происходит потому, что во время попытки образования одного ядра электростатическое отталкивание разрывает образующееся ядро. [17] Каждая пара мишени и пучка характеризуется своим поперечным сечением — вероятностью того, что синтез произойдет, если два ядра сближаются друг с другом, выраженной через поперечную площадь, на которую должна попасть падающая частица, чтобы произошел синтез. . [c] Этот синтез может произойти в результате квантового эффекта, при котором ядра могут туннелировать за счет электростатического отталкивания. Если два ядра смогут оставаться рядом после этой фазы, множественные ядерные взаимодействия приведут к перераспределению энергии и энергетическому равновесию. [17]
В результате слияния возникает возбужденное состояние [21] , называемое составным ядром , и поэтому оно очень нестабильно. [17] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может делиться без образования более стабильного ядра. [22] Альтернативно, составное ядро может выбросить несколько нейтронов , которые унесут энергию возбуждения; если последнего недостаточно для выброса нейтронов, слияние приведет к образованию гамма-излучения . Это происходит примерно через 10–16 секунд после первоначального ядерного столкновения и приводит к созданию более стабильного ядра. [22] В определении Объединенной рабочей группы IUPAC/IUPAP (JWP) говорится, 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 внешние электроны и, таким образом, проявить свои химические свойства. [23] [д]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры — сепаратора; если образуется новое ядро, оно уносится этим лучом. [25] В сепараторе вновь образовавшееся ядро отделяется от других нуклидов (из исходного пучка и любых других продуктов реакции) [e] и переносится в детектор с поверхностным барьером , который останавливает ядро. Отмечается точное место предстоящего воздействия на детекторе; также отмечена его энергия и время прибытия. [25] Передача занимает около 10-6 секунд ; Чтобы быть обнаруженным, ядро должно выжить так долго. [28] Ядро снова записывается после регистрации его распада и измерения местоположения, энергии и времени распада. [25]
Стабильность ядра обеспечивается сильным взаимодействием. Однако его радиус действия очень короток; по мере увеличения размеров ядра его влияние на самые внешние нуклоны ( протоны и нейтроны) ослабевает. При этом ядро разрывается за счет электростатического отталкивания между протонами, и его радиус действия не ограничен. [29] Полная энергия связи , обеспечиваемая сильным взаимодействием, увеличивается линейно с числом нуклонов, тогда как электростатическое отталкивание увеличивается пропорционально квадрату атомного номера, т.е. последнее растет быстрее и становится все более важным для тяжелых и сверхтяжелых ядер. [30] [31] Таким образом, теоретически предсказаны сверхтяжелые ядра [32] и до сих пор наблюдалось [33] преимущественно распад через моды распада, которые вызваны таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление . [f] Почти все альфа-излучатели имеют более 210 нуклонов, [35] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [36] В обоих режимах распада ядра сдерживаются соответствующими энергетическими барьерами для каждого режима, но они могут быть проложен через туннель. [30] [31]
Альфа-частицы обычно образуются в результате радиоактивного распада, поскольку масса альфа-частицы на нуклон достаточно мала, чтобы оставить некоторую энергию, которую альфа-частица может использовать в качестве кинетической энергии для выхода из ядра. [38] Спонтанное деление вызвано электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро на части и производящим различные ядра в разных случаях деления одинаковых ядер. [31] 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), [39] и на 30 порядков величины. от тория (90-й элемент) до фермия (100-й элемент). [40] Таким образом, более ранняя модель жидкой капли предполагала, что спонтанное деление будет происходить почти мгновенно из-за исчезновения барьера деления для ядер с числом около 280 нуклонов. [31] [41] Более поздняя модель ядерной оболочки предположила, что ядра, содержащие около 300 нуклонов, образуют остров стабильности , в котором ядра будут более устойчивы к спонтанному делению и в основном будут подвергаться альфа-распаду с более длительным периодом полураспада. [31] [41] Последующие открытия показали, что предсказанный остров может находиться дальше, чем первоначально предполагалось; они также показали, что ядра, промежуточные между долгоживущими актинидами и предсказанным островом, деформируются и приобретают дополнительную стабильность за счет оболочечных эффектов. [42] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [43] , а также с ядрами, расположенными ближе к ожидаемому острову, [39] показали большую, чем предполагалось ранее, устойчивость к спонтанному делению, показывая важность оболочечных эффектов на ядрах. [г]
Альфа-распад регистрируется по испускаемым альфа-частицам, а продукты распада легко определить еще до фактического распада; если в результате такого распада или серии последовательных распадов образуется известное ядро, можно легко определить исходный продукт реакции. [h] (То, что все распады внутри цепочки распада действительно были связаны друг с другом, устанавливается по расположению этих распадов, которое должно находиться в одном и том же месте.) [25] Известное ядро можно распознать по специфическим характеристикам распада он подвергается воздействию энергии распада (или, точнее, кинетической энергии испускаемой частицы). [i] Однако в результате спонтанного деления в качестве продуктов образуются различные ядра, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним элементам. [Дж]
Таким образом, информация, доступная физикам, стремящимся синтезировать сверхтяжелый элемент, — это информация, собранная на детекторах: местоположение, энергия и время прибытия частицы в детектор, а также время ее распада. Физики анализируют эти данные и стремятся прийти к выводу, что это действительно было вызвано новым элементом и не могло быть вызвано другим нуклидом, чем заявленный. Часто предоставленных данных недостаточно для вывода о том, что новый элемент определенно был создан, и нет другого объяснения наблюдаемым эффектам; допущены ошибки в интерпретации данных. [к]Синтез элементов со 107 по 112 проводился в Центре исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца в Дармштадте , Германия, с 1981 по 1996 год. Эти элементы были получены с помощью реакций холодного синтеза [l] , в которых мишени изготавливались из таллия , свинца и Висмут , имеющий стабильную конфигурацию из 82 протонов, бомбардируется тяжелыми ионами элементов 4-го периода . При этом создаются слитые ядра с низкими энергиями возбуждения за счет стабильности ядер мишеней, что значительно увеличивает выход сверхтяжелых элементов . Холодный синтез был впервые предложен Юрием Оганесяном и его командой в 1974 году в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Советский Союз. Было обнаружено, что выходы реакций холодного синтеза значительно уменьшаются с увеличением атомного номера; образовавшиеся ядра имели сильный нейтронный дефицит и недолговечны. Команда GSI попыталась синтезировать элемент 113 посредством холодного синтеза в 1998 и 2003 годах, бомбардируя висмут-209 цинком - 70; обе попытки оказались безуспешными. [57] [58]
Столкнувшись с этой проблемой, Оганесян и его команда в ОИЯИ вновь обратили внимание на более старый метод горячего синтеза, при котором тяжелые актинидные мишени бомбардировались более легкими ионами. Кальций-48 был предложен в качестве идеального снаряда, поскольку он очень богат нейтронами для легкого элемента (в сочетании с уже богатыми нейтронами актинидами) и минимизирует нейтронный дефицит образующихся нуклидов. Будучи вдвойне магическим , это придало бы стабильность слитым ядрам. В сотрудничестве с командой Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) в Ливерморе, штат Калифорния , США, они предприняли попытку изучения элемента 114 (который, по предсказаниям, был магическим числом , замыкающим протонную оболочку, и более стабильным, чем элемент 113). ). [57]
В 1998 году коллаборация ОИЯИ–ЛЛНЛ начала попытку получить элемент 114, бомбардируя мишень из плутония-244 ионами кальция-48: [57]
Был обнаружен одиночный атом, который, как предполагалось, был изотопом 289 114: результаты были опубликованы в январе 1999 года. [59] Несмотря на многочисленные попытки повторить эту реакцию, изотоп с такими свойствами распада больше никогда не был обнаружен, и точная идентичность этой деятельности неизвестно. [60] Статья Сигурда Хофмана и др., 2016 г. считали, что наиболее вероятным объяснением результата 1998 года является то, что два нейтрона были испущены образовавшимся составным ядром, что привело к 290 114 и захвату электронов к 290 113, в то время как во всех других образованных цепочках было испущено больше нейтронов. Это могло быть первое сообщение о цепочке распада изотопа элемента 113, но в то время оно не было признано, и его отнесение до сих пор не определено. [10] Подобная долгоживущая активность, наблюдавшаяся командой ОИЯИ в марте 1999 г. в реакции 242 Pu + 48 Ca, может быть связана с дочерним элементом электронного захвата 287 114, 287 113; это задание также является предварительным. [9]
Подтвержденное ныне открытие элемента 114 было сделано в июне 1999 г., когда команда ОИЯИ повторила первую реакцию 244 Pu + 48 Ca с 1998 г.; [61] [62] После этого команда ОИЯИ использовала ту же технику горячего синтеза для синтеза элементов 116 и 118 в 2000 и 2002 годах соответственно посредством реакций 248 Cm + 48 Ca и 249 Cf + 48 Ca. Затем они обратили свое внимание на недостающие элементы с нечетными номерами, поскольку нечетные протоны и, возможно, нейтроны будут препятствовать распаду путем спонтанного деления и приводить к более длинным цепочкам распада. [57] [63]
Первое сообщение об элементе 113 было в августе 2003 года, когда он был идентифицирован как продукт альфа-распада элемента 115 . Элемент 115 был получен путем бомбардировки мишени из америция -243 снарядами из кальция-48. Коллаборация ОИЯИ–ЛЛНЛ опубликовала свои результаты в феврале 2004 г.: [63]
Наблюдались еще четыре альфа-распада, закончившиеся спонтанным делением изотопа элемента 105 дубния . [63]
Пока коллаборация ОИЯИ-ЛЛНЛ изучала реакции синтеза с 48 Ca, группа японских ученых из Центра ускорительных наук Рикен Нишина в Вако , Япония, под руководством Косуке Мориты изучала реакции холодного синтеза. Прежде чем основать собственную команду в Рикене, Морита ранее изучал синтез сверхтяжелых элементов в ОИЯИ. В 2001 году его команда подтвердила открытия GSI элементов 108 , 110 , 111 и 112. Затем они предприняли новую попытку открытия элемента 113, используя ту же реакцию 209 Bi + 70 Zn, которую GSI предпринял безуспешно в 1998 году. ожидался гораздо более низкий выход, чем для метода горячего синтеза с кальцием-48, применяемого ОИЯИ, команда Райкена решила использовать холодный синтез, поскольку синтезированные изотопы будут альфа-распадом до известных дочерних нуклидов и сделают открытие гораздо более достоверным и не потребуют использования радиоактивные цели. [64] В частности, изотоп 278 113, который, как ожидается, будет получен в этой реакции, распадется до известного изотопа 266 Bh, который был синтезирован в 2000 году командой Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL) в Беркли. [65]
Бомбардировка 209 Bi 70 Zn в Рикене началась в сентябре 2003 года. [66] В июле 2004 года команда обнаружила одиночный атом 278 113 и опубликовала свои результаты в сентябре: [67]
Команда Райкена наблюдала четыре альфа-распада 278 113, создав цепочку распада, проходящую через 274 Rg, 270 Mt и 266 Bh, а затем завершившуюся спонтанным делением 262 Db. [67] Данные о распаде альфа-распада 266 Bh, которые они наблюдали, совпали с данными 2000 года, что подтверждает их утверждение. Спонтанное деление его дочери 262 Db ранее не было известно; американская группа наблюдала только альфа-распад этого нуклида. [65]
Когда объявляется об открытии нового элемента, Объединенная рабочая группа (JWP) Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) и Международного союза теоретической и прикладной физики (IUPAP) собирается для рассмотрения заявлений в соответствии с их критериями. за открытие нового элемента, а также определяет научный приоритет и права на наименование элементов. Согласно критериям JWP, открытие должно продемонстрировать, что элемент имеет атомный номер, отличный от всех ранее наблюдавшихся значений. Желательно также, чтобы это повторили другие лаборатории, хотя это требование отменяется в тех случаях, когда данные очень высокого качества. Такая демонстрация должна установить свойства, физические или химические, нового элемента и установить, что они принадлежат ранее неизвестному элементу. Основными методами, используемыми для определения атомного номера, являются перекрестные реакции (создание заявленных нуклидов как родительских или дочерних элементов других нуклидов, полученных в результате другой реакции) и привязка цепочек распада к известным дочерним нуклидам. Для JWP приоритет подтверждения имеет приоритет над датой первоначальной претензии. Обе команды намеревались подтвердить свои результаты этими методами. [68]
В июне 2004 г. и снова в декабре 2005 г. коллаборация ОИЯИ-ЛЛНЛ подкрепила свои претензии на открытие элемента 113, проведя химические эксперименты с 268 Db , конечным продуктом распада 288 115. Это было ценно, поскольку ни один из нуклидов в этом распаде не содержался. цепи были ранее известны, так что их утверждение не было подтверждено какими-либо предыдущими экспериментальными данными, а химические эксперименты укрепили бы аргументы в пользу их утверждения, поскольку химия дубния известна. 268 Db был успешно идентифицирован путем извлечения конечных продуктов распада, измерения активности спонтанного деления (SF) и использования методов химической идентификации, чтобы подтвердить, что они ведут себя как элемент 5-й группы (известно, что дубний находится в 5-й группе). [1] [69] Для предложенного 268 Дб были подтверждены как период полураспада, так и режим распада, что подтверждает отнесение родительского и дочернего ядер к элементам 115 и 113 соответственно. [69] [70] Дальнейшие эксперименты в ОИЯИ в 2005 году подтвердили наблюдаемые данные о распаде. [65]
В ноябре и декабре 2004 года команда Райкена изучала реакцию 205 Tl + 70 Zn, направляя луч цинка на таллиевую , а не на висмутовую мишень, пытаясь напрямую получить 274 Rg в результате перекрестной бомбардировки, поскольку это непосредственный дочерний элемент 274 Rg. из 278 113. Реакция оказалась неудачной, так как мишень из таллия была физически слабой по сравнению с более часто используемыми мишенями из свинца и висмута, значительно ухудшилась и стала неоднородной по толщине. Причины этой слабости неизвестны, поскольку таллий имеет более высокую температуру плавления, чем висмут. [71] Затем команда Райкена повторила первоначальную реакцию 209 Bi + 70 Zn и в апреле 2005 года произвела второй атом 278 113, цепочка распада которого снова завершилась спонтанным делением 262 Db. Данные распада несколько отличались от данных первой цепочки: это могло быть связано с тем, что альфа-частица вылетела из детектора, не отдав полной энергии, или с тем, что часть промежуточных продуктов распада образовалась в метастабильных изомерных состояниях . [65]
В 2006 году группа из Исследовательского центра тяжелых ионов в Ланьчжоу , Китай, исследовала реакцию 243 Am + 26 Mg, в результате которой образовались четыре атома 266 Bh. Все четыре цепи стартовали с альфа-распада до 262 Дб; три цепочки закончились там спонтанным делением, как в цепочках 278 113, наблюдавшихся на Рикене, а оставшаяся продолжилась через еще один альфа-распад до 258 Lr, как в цепочках 266 Bh, наблюдавшихся на LBNL. [68]
В июне 2006 года коллаборация ОИЯИ-ЛЛНЛ заявила, что синтезировала новый изотоп элемента 113 непосредственно путем бомбардировки мишени из нептуния -237 ускоренными ядрами кальция-48:
Обнаружено два атома 282 113. Целью этого эксперимента был синтез изотопов 281-113 и 282-113 , которые могли бы заполнить пробел между изотопами, полученными в результате горячего синтеза ( 283-113 и 284-113 ) и холодного синтеза ( 278-113 ). После пяти альфа-распадов эти нуклиды достигнут известных изотопов лоуренсия , если предположить, что цепочки распада не были прерваны преждевременно спонтанным делением. Первая цепочка распада завершилась делением после четырех альфа-распадов, предположительно происходящих от 266 Db или его дочернего элемента электронного захвата 266 Rf. Во второй цепочке спонтанного деления не наблюдалось даже после четырех альфа-распадов. Пятый альфа-распад в каждой цепочке мог быть пропущен, поскольку 266 Db теоретически может подвергаться альфа-распаду, и в этом случае первая цепочка распада закончилась бы на известном 262 Lr или 262 No, а вторая могла бы продолжиться до известного долгого времени. жил 258 Md, период полураспада которого составляет 51,5 дня, что превышает продолжительность эксперимента: это могло бы объяснить отсутствие события спонтанного деления в этой цепочке. В отсутствие прямого обнаружения долгоживущих альфа-распадов эти интерпретации остаются неподтвержденными, и до сих пор нет известной связи между какими-либо сверхтяжелыми нуклидами, полученными в результате горячего синтеза, и известной основной частью карты нуклидов. [72]
JWP опубликовала свой отчет об элементах 113–116 и 118 в 2011 году. Она признала, что сотрудничество ОИЯИ-ЛЛНЛ открыло элементы 114 и 116, но не приняло претензий ни одной из команд на элемент 113 и не приняло заявления ОИЯИ-ЛЛНЛ об обнаружении элементов 113–116 и 118. элементы 115 и 118. Заявление ОИЯИ-ЛЛНЛ на элементы 115 и 113 было основано на химической идентификации их дочернего дубния, но JWP возражал, что современная теория не может различить сверхтяжелые элементы 4- й и 5-й групп по их химическим свойствам с достаточным количеством уверенность в разрешении этого задания. [65] Свойства распада всех ядер в цепочке распада элемента 115 ранее не были охарактеризованы до экспериментов ОИЯИ, ситуация, которую JWP обычно считает «проблемной, но не обязательно исключительной», и с небольшим количеством атомов произведенные без каких-либо известных дочерей и перекрестных реакций, JWP посчитала, что их критерии не были выполнены. [65] JWP не приняла заявление команды Райкена также из-за несоответствий в данных о распаде, небольшого количества образующихся атомов элемента 113 и отсутствия однозначных привязок к известным изотопам. [65]
В начале 2009 года команда Райкена синтезировала продукт распада 266 Bh непосредственно в реакции 248 Cm + 23 Na, чтобы установить его связь с 278 113 в результате перекрестной бомбардировки. Они также установили разветвленный распад 262 Db, который иногда подвергался спонтанному делению, а иногда претерпевал ранее известный альфа-распад до 258 Lr. [73] [74]
В конце 2009 года коллаборация ОИЯИ-ЛЛНЛ изучила реакцию 249 Bk + 48 Ca, пытаясь получить элемент 117 , который распадется на элементы 115 и 113 и подтвердит их утверждения в перекрестной реакции. Теперь к ним присоединились ученые из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) и Университета Вандербильта в Теннесси , США, [57] , которые помогли получить редкую и высокорадиоактивную мишень из берклия , необходимую для завершения кампании ОИЯИ по синтезу кальция-48. самые тяжелые элементы таблицы Менделеева. [57] Были синтезированы два изотопа элемента 117, распавшиеся на элемент 115, а затем на элемент 113: [75]
Полученные новые изотопы 285 113 и 286 113 не перекрывались с ранее заявленными изотопами 282 113, 283 113 и 284 113, поэтому эту реакцию нельзя было использовать в качестве перекрестной бомбардировки для подтверждения заявлений 2003 или 2006 годов. [68]
В марте 2010 года команда Райкена снова попыталась синтезировать 274 Rg напрямую посредством реакции 205 Tl + 70 Zn с использованием модернизированного оборудования; они снова потерпели неудачу и покинули этот маршрут перекрестной бомбардировки. [71]
После еще 450 дней облучения висмута цинковыми снарядами Рикен произвел и идентифицировал еще 278 113 атомов в августе 2012 года . [76] Хотя цены на электроэнергию резко выросли после землетрясения и цунами в Тохоку в 2011 году , и Рикен приказал закрыть программы ускорителей. Чтобы сэкономить деньги, команде Мориты разрешили продолжить один эксперимент, и они выбрали попытку подтвердить синтез элемента 113. [77] В этом случае наблюдалась серия из шести альфа-распадов, приводящих к изотопу менделевия :
Эта цепочка распада отличалась от предыдущих наблюдений в Рикене главным образом модой распада 262 Дб, которая, как ранее наблюдалось, подвергалась спонтанному делению, но в этом случае вместо этого произошел альфа-распад; Хорошо известен альфа-распад 262 Дб до 258 Лр . Команда подсчитала, что вероятность случайного совпадения равна 10 −28 или совершенно незначительна. [76] Полученный атом 254 Md затем подвергся захвату электрона до 254 Fm , который претерпел седьмой альфа-распад в цепочке до долгоживущего 250 Cf , период полураспада которого составляет около тринадцати лет. [78]
Эксперимент с 249 Bk + 48 Ca был повторен в ОИЯИ в 2012 и 2013 гг. с устойчивыми результатами, а затем снова в GSI в 2014 г. [68] В августе 2013 г. группа исследователей из Лундского университета в Лунде , Швеция, и в GSI объявила, что они повторили эксперимент 243 Am + 48 Ca 2003 года, подтвердив результаты коллаборации ОИЯИ–ЛЛНЛ. [66] [79] В том же году эксперимент 2003 года был повторен в ОИЯИ, теперь также был создан изотоп 289 115, который мог бы послужить перекрестной бомбардировкой для подтверждения открытия изотопа элемента 117 293 117 , а также его дочь 285 113 как часть его цепочки распада. [68] Подтверждение 288 115 и его дочерей было опубликовано командой LBNL в августе 2015 года. [80]
В декабре 2015 года выводы нового отчета JWP были опубликованы IUPAC в пресс-релизе, в котором элемент 113 был присужден Riken; элементы 115, 117 и 118 были присуждены коллаборациям с участием ОИЯИ. [81] Совместное объявление IUPAC и IUPAP в 2016 году должно было совпасть с публикацией отчетов JWP, но только IUPAC принял решение о досрочном выпуске, поскольку новость о том, что Riken получил признание за элемент 113, просочилась в японские газеты. [82] Впервые в истории группа азиатских физиков назвала новый элемент. [81] ОИЯИ посчитал присуждение Riken элемента 113 неожиданным, сославшись на собственное производство элементов 115 и 113 в 2003 году и указав на прецеденты элементов 103 , 104 и 105 , когда IUPAC присудил совместную оценку ОИЯИ и LBNL. . Они заявили, что уважают решение ИЮПАК, но отложили определение своей позиции до официальной публикации отчетов JWP. [83]
Полные отчеты JWP были опубликованы 21 января 2016 года. JWP признала открытие элемента 113, отдав приоритет Riken. Они отметили, что, хотя отдельные энергии распада каждого нуклида в цепочке распада 278 113 были противоречивыми, теперь было подтверждено, что их сумма согласована, что убедительно свидетельствует о том, что начальное и конечное состояния в 278 113 и его дочернем 262 Db были одинаковыми для все три события. Распад 262 Db на 258 Lr и 254 Md был ранее известен, что прочно привязало цепочку распада 278 113 к известным областям карты нуклидов. JWP считала, что коллаборации ОИЯИ и ЛЛНЛ в 2004 и 2007 годах, в результате которых был получен элемент 113 как дочерний элемент элемента 115, не соответствовали критериям открытия, поскольку они не смогли убедительно определить атомные номера своих нуклидов посредством перекрестных бомбардировок, которые считались Это необходимо, поскольку их цепочки распада не были связаны с ранее известными нуклидами. Они также считали, что опасения предыдущей JWP по поводу химической идентификации дочернего соединения дубния не были должным образом решены. JWP признала, что в результате сотрудничества ОИЯИ-ЛЛНЛ-ОРНЛ-Вандербильта в 2010 году были обнаружены элементы 117 и 115, и признала, что элемент 113 был получен как их дочерний элемент, но не придала этой работе общего признания. [68] [71] [84]
После публикации отчетов JWP Сергей Димитриев, директор лаборатории Флерова ОИЯИ, где были сделаны открытия, отметил, что доволен решением IUPAC, упомянув время, которое Рикен потратил на эксперимент, и хорошие отношения с Моритой. , который изучил основы синтеза сверхтяжелых элементов в ОИЯИ. [57] [83]
Аргумент суммы, выдвинутый JWP в одобрении открытия элемента 113, позже был раскритикован в исследовании Лундского университета и GSI в мае 2016 года, поскольку он действителен только в том случае, если в цепочке распада не происходит гамма-распада или внутреннего преобразования . что маловероятно для нечетных ядер, и неопределенность энергий альфа-распада, измеренных в цепочке распада 278 113, была недостаточно мала, чтобы исключить эту возможность. Если это так, то сходство времен жизни промежуточных дочерних элементов становится бессмысленным аргументом, поскольку разные изомеры одного и того же нуклида могут иметь разные периоды полураспада: например, основное состояние 180 Та имеет период полураспада в несколько часов, а Распад возбужденного состояния 180m Ta никогда не наблюдался. Это исследование нашло повод усомниться и раскритиковать одобрение ИЮПАК открытий элементов 115 и 117, но данные Райкена для элемента 113 оказались совпадающими, а данные команды ОИЯИ для элементов 115 и 113, вероятно, таковы. , тем самым подтвердив одобрение ИЮПАК открытия 113-го элемента. [85] [86] Два члена команды ОИЯИ опубликовали журнальную статью, опровергающую эту критику в отношении совпадения их данных по элементам 113, 115 и 117, в июне 2017 года. [87]
Используя номенклатуру Менделеева для безымянных и неоткрытых элементов , нихоний будет известен как эка-таллий . В 1979 году ИЮПАК опубликовал рекомендации, согласно которым элемент должен был называться унунтрием (с соответствующим символом Uut ), [88] систематическое имя элемента в качестве заполнителя , пока открытие элемента не будет подтверждено и не будет принято решение о названии. . Рекомендации широко использовались в химическом сообществе на всех уровнях, от уроков химии до продвинутых учебников, но в основном игнорировались учеными в этой области, которые называли его «элементом 113» с символом E113 , (113) или даже просто 113 . [1]
До признания JWP их приоритета японская команда неофициально предлагала различные названия: japonium , в честь их родной страны; [89] нишинаниум , в честь японского физика Ёсио Нисины , «отца-основателя современных физических исследований в Японии»; [90] и рикений , после ин-та. [89] После признания команда Riken собралась в феврале 2016 года, чтобы определиться с названием. Морита выразил желание, чтобы это название было в честь того факта, что элемент 113 был открыт в Японии. Рассматривался вариант японского языка , благодаря которому неяпонцам было легко определить связь с Японией, но он был отклонен, поскольку японский язык считается этническим оскорблением . Название нихониум было выбрано после часа размышлений: оно происходит от нихон (日本) , одного из двух японских вариантов произношения названия Японии. [91] Первооткрыватели также намеревались сослаться на поддержку своих исследований со стороны японского народа (Рикен почти полностью финансируется государством), [92] восстановить утраченную гордость и доверие к науке среди тех, кто пострадал от ядерной катастрофы на Фукусиме-дайити , [93] и отдают дань уважения открытию японским химиком Масатакой Огавой в 1908 году рения , который он назвал «ниппониум» с символом Np в честь другого японского произношения названия Японии. [84] Поскольку заявление Огавы не было принято, название «ниппоний» не могло быть повторно использовано для нового элемента, а его символ Np с тех пор использовался для обозначения нептуния . [м] В марте 2016 года Морита предложил ИЮПАК название «нихоний» с символом Nh. [84] Это название воплотило в жизнь то, что было национальной мечтой японской науки с момента заявления Огавы. [77]
Бывший президент IUPAP Сесилия Ярлског пожаловалась на Нобелевском симпозиуме по сверхтяжелым элементам в замке Бэкаског , Швеция, в июне 2016 года на недостаточную открытость в процессе одобрения новых элементов, и заявила, что, по ее мнению, работа JWP была ошибочен и должен быть переделан новым JWP. Опрос физиков показал, что многие считают, что критика отчета JWP Лунда-GSI 2016 года была хорошо обоснованной, но выводы сохранятся, если работа будет переделана, а новый президент Брюс МакКеллар постановил, что предложенные имена должны быть опубликованы в совместном пресс-релизе IUPAP-IUPAC. [82] Таким образом, IUPAC и IUPAP обнародовали предложение нихония в июне того же года [93] и установили пятимесячный срок для сбора комментариев, после чего название будет официально установлено на конференции. [96] [97] Название было официально утверждено в ноябре 2016 года. [98] Церемония присвоения имени новому элементу прошла в Токио , Япония, в марте 2017 года, на ней присутствовал Нарухито , тогдашний наследный принц Японии. [99]
Нихоний не имеет стабильных или встречающихся в природе изотопов. Несколько радиоактивных изотопов были синтезированы в лаборатории либо путем слияния двух атомов, либо путем наблюдения за распадом более тяжелых элементов. Сообщалось о восьми различных изотопах нихония с атомными массами 278, 282–287 и 290 ( 287 Nh и 290 Nh не подтверждены); все они распадаются через альфа-распад на изотопы рентгения . [103] Были признаки того, что нихоний-284 может также распадаться путем захвата электронов до коперниция -284, хотя оценки частичного периода полураспада для этой ветви сильно различаются в зависимости от модели. [104] Сообщалось также о спонтанной ветви деления нихония- 285 . [101]
Стабильность ядер быстро снижается с увеличением атомного номера после кюрия , элемента 96, период полураспада которого более чем в десять тысяч раз превышает период полураспада любого последующего элемента. Все изотопы с атомным номером выше 101 подвергаются радиоактивному распаду с периодом полураспада менее 30 часов: это происходит из-за постоянно возрастающего кулоновского отталкивания протонов, так что сильные ядерные силы не могут долго удерживать ядро вместе против спонтанного деления. . Расчеты показывают, что в отсутствие других стабилизирующих факторов элементы с числом протонов более 103 существовать не должны. Исследователи в 1960-х годах предположили, что замкнутые ядерные оболочки вокруг 114 протонов и 184 нейтронов должны противодействовать этой нестабильности и создать « остров стабильности », содержащий нуклиды с периодом полураспада, достигающим тысяч или миллионов лет. Существование острова пока не доказано, но существование сверхтяжелых элементов (в том числе нихония) подтверждает, что стабилизирующий эффект реален, и в целом известные сверхтяжелые нуклиды становятся более долгоживущими по мере приближения к предсказанному местоположению острова. [105] [106]
Все изотопы нихония нестабильны и радиоактивны; более тяжелые изотопы нихония более стабильны, чем более легкие, поскольку они находятся ближе к центру острова. Самый стабильный из известных изотопов нихония 286 Nh также является и самым тяжелым; его период полураспада составляет 8 секунд. Сообщается также, что изотоп 285 Nh, а также неподтвержденные 287 Nh и 290 Nh имеют период полураспада более секунды. Изотопы 284 Nh и 283 Nh имеют период полураспада 0,90 и 0,12 секунды соответственно. Остальные два изотопа имеют период полураспада от 0,1 до 100 миллисекунд: 282 Nh имеет период полураспада 61 миллисекунду, а 278 Nh, самый легкий из известных изотопов нихония, также является самым короткоживущим с периодом полураспада 1,4 миллисекунды. . Такое быстрое увеличение периодов полураспада вблизи замкнутой нейтронной оболочки при N = 184 наблюдается в рентгении, коперниции и нихонии (элементы со 111 по 113), где каждый дополнительный нейтрон умножает период полураспада в 5 раз. 20. [106] [107]
Измерено очень мало свойств нихония или его соединений; это связано с его крайне ограниченным и дорогим производством [108] и тем, что он очень быстро распадается. Свойства нихония по большей части остаются неизвестными и доступны лишь предсказания.
Нихоний — первый член ряда элементов 7p и самый тяжелый элемент 13-й группы периодической таблицы, после бора , алюминия , галлия , индия и таллия . Все элементы 13-й группы, кроме бора, являются металлами, и ожидается, что нихоний последует их примеру. Предполагается, что нихоний будет иметь множество отличий от своих более легких гомологов. Основной причиной этого является спин-орбитальное (СО) взаимодействие , которое особенно сильно для сверхтяжелых элементов , поскольку их электроны движутся гораздо быстрее, чем в более легких атомах, со скоростями, близкими к скорости света . [5] Что касается атомов нихония, он понижает энергетические уровни электронов 7s и 7p (стабилизируя эти электроны), но два из энергетических уровней электронов 7p стабилизируются больше, чем остальные четыре. [110] Стабилизация 7s-электронов называется эффектом инертной пары , а разделение подоболочки 7p на более и менее стабилизированные части называется расщеплением подоболочки. Химики-вычислители рассматривают раскол как изменение второго, азимутального квантового числа l с 1 на 1/2 и 3/2 для более и менее стабилизированных частей подоболочки 7p соответственно. [5] [p] Для теоретических целей конфигурация валентных электронов может быть представлена как отражение расщепления подоболочки 7p как 7s 2 7p 1/2 1 . [1] Ожидается, что первая энергия ионизации нихония составит 7,306 эВ , что является самым высоким показателем среди металлов группы 13. [1] Аналогичное расщепление подоболочки должно существовать для электронных уровней 6d, четыре из которых представляют собой 6d 3/2 , а шесть - 6d. 5/2 . Оба этих уровня подняты так, чтобы быть близкими по энергии к уровням 7s, достаточно высокими, чтобы быть химически активными. Это позволило бы создать экзотические соединения нихония без более легких аналогов 13-й группы. [110]
Периодические тенденции предсказывают, что атомный радиус нихония больше, чем у таллия, поскольку он находится на один период дальше в периодической таблице, но расчеты показывают, что атомный радиус нихония составляет около 170 пм, такой же, как у таллия, из-за релятивистская стабилизация и сжатие его 7s и 7p 1/2 орбиталей. Таким образом, ожидается, что нихоний будет намного плотнее таллия, с прогнозируемой плотностью примерно от 16 до 18 г/см 3 по сравнению с 11,85 г/см 3 таллия , поскольку атомы нихония тяжелее атомов таллия, но имеют такой же объем. [1] [109] Ожидается, что объемный нихоний будет иметь гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру, как и таллий. [6] Согласно прогнозам, температуры плавления и кипения нихония составят 430 °C и 1100 °C соответственно, что превышает значения для индия и таллия, что соответствует периодическим тенденциям. [1] [2] Нихоний должен иметь модуль объемного сжатия 20,8 ГПа, что примерно вдвое меньше, чем у таллия (43 ГПа). [7]
Ожидается, что химический состав нихония будет сильно отличаться от химического состава таллия. Это различие возникает из-за спин-орбитального расщепления оболочки 7p, в результате чего нихоний оказывается между двумя относительно инертными элементами с закрытой оболочкой ( коперницием и флеровием ). [111] Ожидается, что нихоний будет менее реакционноспособным, чем таллий, из-за большей стабилизации и, как следствие, химической инертности подоболочки 7s в нихонии по сравнению с подоболочкой 6s в таллии. [4] Стандартный электродный потенциал для пары Nh + /Nh прогнозируется равным 0,6 В. Нихоний должен быть довольно благородным металлом . [4]
Элементы металлической группы 13 обычно находятся в двух степенях окисления : +1 и +3. Первый результат является результатом участия в связи только одного p-электрона, а второй приводит к участию всех трех валентных электронов: двух в s-подоболочке и одного в p-подоболочке. Спускаясь по группе, энергии связи уменьшаются, и состояние +3 становится менее стабильным, поскольку энергии, выделяемой при образовании двух дополнительных связей и достижении состояния +3, не всегда достаточно, чтобы перевесить энергию, необходимую для вовлечения s-электронов. Следовательно, для алюминия и галлия +3 является наиболее стабильным состоянием, но +1 приобретает значение для индия, а благодаря таллию оно становится более стабильным, чем состояние +3. Ожидается, что нихоний продолжит эту тенденцию и будет иметь +1 как наиболее стабильную степень окисления. [1]
Простейшим соединением нихония является моногидрид NhH. Связь обеспечивается 7p 1/2 электроном нихония и 1s электроном водорода. SO-взаимодействие приводит к уменьшению энергии связи моногидрида нихония примерно на 1 эВ [1] и уменьшению длины связи нихоний-водород, поскольку связывающая 7p 1/2 -орбиталь релятивистски сжимается. Это уникально среди моногидридов элемента 7p; все остальные имеют релятивистское расширение длины связи вместо сокращения. [112] Другим эффектом взаимодействия SO является то, что связь Nh–H, как ожидается, будет иметь значительный характер пи-связи (боковое перекрытие орбиталей), в отличие от почти чистой сигма-связи (лобовое перекрытие орбиталей) в моногидриде таллия (TlH ). [113] Аналогичный монофторид (Nh F ) также должен существовать. [109] Предполагается, что нихоний(I) будет более похож на серебро (I), чем на таллий(I): [1] ожидается, что ион Nh + будет более охотно связывать анионы , так что NhCl должен быть хорошо растворим в избытке соляной кислоты. или аммиак ; TlCl нет. В отличие от Tl + , который в растворе образует сильноосновный гидроксид ( TlOH ), катион Nh + вместо этого должен полностью гидролизоваться до амфотерного оксида Nh2O , который будет растворим в водном растворе аммиака и слабо растворим в воде. [4]
Ожидается , что адсорбционное поведение нихония на золотых поверхностях в термохроматографических экспериментах будет ближе к поведению астата , чем к поведению таллия. Дестабилизация подоболочки 7p 3/2 эффективно приводит к закрытию валентной оболочки в конфигурации 7s 2 7p 2 , а не в ожидаемой конфигурации 7s 2 7p 6 с ее стабильным октетом. Таким образом, нихонию, как и астату, можно считать, что ему не хватает одного p-электрона до закрытой валентной оболочки. Следовательно, хотя нихоний находится в 13-й группе, он имеет некоторые свойства, аналогичные элементам 17-й группы. ( Теннессин в группе 17 обладает некоторыми свойствами, подобными группе 13, поскольку он имеет три валентных электрона вне закрытой оболочки 7s 2 7p 2. [114] ) Ожидается, что нихоний сможет получить электрон для достижения этой конфигурации закрытой оболочки. , образуя степень окисления -1, как и галогены ( фтор , хлор , бром , йод и астат). Это состояние должно быть более стабильным, чем для таллия, поскольку расщепление SO подоболочки 7p больше, чем расщепление подоболочки 6p. [5] Нихоний должен быть наиболее электроотрицательным из элементов металлической группы 13, [1] даже более электроотрицательным, чем теннессин, родственный галогенам периода 7: в соединении NhTs ожидается, что отрицательный заряд будет находиться на атоме нихония, а не на атоме 7. чем атом теннессина. [109] Окисление -1 должно быть более стабильным для нихония, чем для теннессина. [1] [115] По расчетам, сродство нихония к электрону составляет около 0,68 эВ, что выше, чем у таллия при 0,4 эВ; Ожидается, что у теннессина оно составит 1,8 эВ, самое низкое в своей группе. [1] Теоретически предсказано, что нихоний должен иметь энтальпию сублимации около 150 кДж/моль и энтальпию адсорбции на поверхности золота около -159 кДж/моль. [116]
Ожидается значительное участие 6d в связи Nh-Au, хотя ожидается, что она будет более нестабильной, чем связь Tl-Au, и полностью обусловлена магнитными взаимодействиями. Это повышает вероятность того, что нихоний имеет некоторый характер переходного металла . [111] На основании небольшой энергетической щели между 6d и 7s электронами для нихония были предложены высшие степени окисления +3 и +5. [1] [4] Некоторые простые соединения с нихонием в степени окисления +3 представляют собой тригидрид (NhH 3 ), трифторид (NhF 3 ) и трихлорид (Nh Cl 3 ). Предполагается, что эти молекулы будут иметь Т-образную форму , а не тригонально-плоские, как их борные аналоги: [q] это связано с влиянием 6d 5/2 -электронов на связь. [113] [r] Более тяжелые трибромид нихония (Nh Br 3 ) и трииодид (Nh I 3 ) являются тригонально-планарными из-за повышенного стерического отталкивания между периферийными атомами; соответственно, они не демонстрируют значительного участия 6d в своих связях, хотя большая энергетическая щель 7s–7p означает, что они демонстрируют меньшую гибридизацию sp 2 по сравнению с их борными аналогами. [113]
Связь в более легких молекулах NhX 3 можно рассматривать как связь линейного NhX+
2виды (аналогичные HgF 2 или AuF−
2) с дополнительной связью Nh–X, включающей 7p-орбиталь нихония, перпендикулярную двум другим лигандам. Ожидается, что все эти соединения будут очень нестабильны в отношении потери молекулы X 2 и восстановления до нихония(I): [113]
Таким образом, нихоний продолжает тенденцию к понижению группы 13 пониженной стабильности степени окисления +3, поскольку все пять этих соединений имеют более низкие энергии реакции, чем неизвестный йодид таллия (III). [s] Состояние +3 стабилизируется для таллия в анионных комплексах, таких как TlI−
4Ожидается, что наличие возможного вакантного координационного центра на более легких Т-образных тригалогенидах нихония позволит осуществить аналогичную стабилизацию NhF.−
4и, возможно, NhCl−
4. [113]
Степень окисления +5 неизвестна для всех более легких элементов группы 13: расчеты предсказывают, что пентагидрид нихония (NhH 5 ) и пентафторид (NhF 5 ) должны иметь квадратно-пирамидальную молекулярную геометрию , но также и то, что оба они будут очень термодинамически нестабильны к потере Молекула X 2 и восстановление до нихония(III). Опять же, ожидается некоторая стабилизация анионных комплексов, таких как NhF.−
6. Строение молекул трифторида и пентафторида нихония такое же, как у трифторида и пентафторида хлора . [113]
Химические характеристики нихония до сих пор однозначно не определены. [116] [121] Изотопы 284 Nh, 285 Nh и 286 Nh имеют период полураспада, достаточно длительный для химического исследования. [116] С 2010 по 2012 год в ОИЯИ были проведены предварительные химические эксперименты по определению летучести нихония. Был исследован изотоп 284 Nh, образовавшийся как дочерний изотоп 288 Mc, полученный в реакции 243 Am+ 48 Ca. Атомы нихония синтезировались в камере отдачи, а затем переносились по капиллярам из политетрафторэтилена (ПТФЭ) при температуре 70 °C с помощью газа-носителя к детекторам, покрытым золотом. Было произведено от десяти до двадцати атомов 284 Nh, но ни один из этих атомов не был зарегистрирован детекторами, что позволяет предположить, что либо нихоний по летучести аналогичен благородным газам (и, таким образом, диффундировал слишком быстро, чтобы его можно было обнаружить), либо, что более правдоподобно, что чистый нихоний не очень летуч и поэтому не может эффективно проходить через капилляры из ПТФЭ. [116] Образование гидроксида NhOH должно облегчить транспортировку, поскольку ожидается, что гидроксид нихония будет более летучим, чем элементарный нихоний, и эту реакцию можно облегчить, добавив больше водяного пара в газ-носитель. Кажется вероятным, что такое образование не является кинетически выгодным, поэтому более долгоживущие изотопы 285 Nh и 286 Nh считались более желательными для будущих экспериментов. [116] [122]
Эксперимент 2017 года в ОИЯИ по получению 284 Nh и 285 Nh посредством реакции 243 Am + 48 Ca как дочерних 288 Mc и 289 Mc позволил избежать этой проблемы, удалив поверхность кварца и используя только ПТФЭ. После химического разделения не наблюдалось атомов нихония, что указывает на неожиданно большое удерживание атомов нихония на поверхностях ПТФЭ. Этот экспериментальный результат для предела взаимодействия атомов нихония с поверхностью ПТФЭ (−Δ HОбъявления из ПТФЭ
(Nh) > 45 кДж/моль) существенно противоречит предыдущей теории, которая ожидала более низкое значение 14,00 кДж/моль. Это говорит о том, что разновидность нихония, участвовавшая в предыдущем эксперименте, скорее всего, была не элементарным нихонием, а скорее гидроксидом нихония, и что для дальнейшего исследования поведения элементарного нихония потребуются высокотемпературные методы, такие как вакуумная хроматография . [123] Бром, насыщенный трибромидом бора , был предложен в качестве газа-носителя для экспериментов по химии нихония; это окисляет более легкий родственный нихонию таллий до таллия (III), предоставляя возможность исследовать степени окисления нихония, аналогично более ранним экспериментам, проведенным с бромидами элементов 5-й группы, включая сверхтяжелый дубний . [124]
Японские учёные, открывшие атомный элемент 113, планируют назвать его «нихоний», сообщили в среду источники, близкие к этому вопросу.
Вместо того, чтобы изначально предлагать
Japanium
, производное от латыни или французского языка, лидер группы Морита, похоже, придерживается своего собственного языка.
Bloomberg
была вызвана, но так и не определена (см. страницу справки ).