Теннессин — синтетический химический элемент ; он имеет символ Ts и атомный номер 117. Он имеет второй по величине атомный номер и самую большую атомную массу среди всех известных элементов и является предпоследним элементом 7-го периода периодической таблицы . Он назван в честь американского штата Теннесси , где расположены ключевые научно-исследовательские институты, участвовавшие в его открытии (однако ИЮПАК утверждает, что элемент назван в честь «региона Теннесси»).
Открытие теннессина было официально объявлено в Дубне , Россия, российско-американским сотрудничеством в апреле 2010 года, что делает его самым последним открытым элементом по состоянию на 2024 год [обновлять]. Один из его дочерних изотопов был создан непосредственно в 2011 году, частично подтвердив результаты эксперимента. Сам эксперимент был успешно повторен тем же сотрудничеством в 2012 году и совместной немецко-американской группой в мае 2014 года. В декабре 2015 года Совместная рабочая группа Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) и Международного союза теоретической и прикладной физики (ИЮПАП), которая оценивает заявления об открытии новых элементов, признала элемент и предоставила приоритет российско-американской группе. В июне 2016 года ИЮПАК опубликовал декларацию, в которой говорилось, что первооткрыватели предложили название теннессин , которое было официально принято в ноябре 2016 года. [b]
Теннессин может находиться на « острове стабильности », концепции, которая объясняет, почему некоторые сверхтяжелые элементы более стабильны, несмотря на общую тенденцию к снижению стабильности элементов за висмутом в периодической таблице. Синтезированные атомы теннессина просуществовали десятки и сотни миллисекунд . В периодической таблице теннессин, как ожидается, будет членом группы 17, галогенов . [c] Некоторые из его свойств могут существенно отличаться от свойств более легких галогенов из-за релятивистских эффектов . В результате ожидается, что теннессин будет летучим металлом , который не образует анионы и не достигает высоких степеней окисления . Тем не менее, ожидается, что несколько ключевых свойств, таких как его температуры плавления и кипения и его первая энергия ионизации , будут следовать периодическим тенденциям галогенов.
Сверхтяжелое [d] атомное ядро создается в ядерной реакции, которая объединяет два других ядра неравного размера [e] в одно; грубо говоря, чем более неравны два ядра с точки зрения массы , тем больше вероятность того, что они прореагируют. [15] 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; ядра пучка, таким образом, значительно ускоряются , чтобы сделать такое отталкивание незначительным по сравнению со скоростью ядра пучка. [16] Энергия, применяемая к ядрам пучка для их ускорения, может заставить их достичь скорости, достигающей одной десятой скорости света . Однако если приложить слишком много энергии, ядро пучка может развалиться. [16]
Для слияния двух ядер недостаточно просто приблизиться друг к другу: 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. [16] [17] Это происходит потому, что во время попытки образования единого ядра электростатическое отталкивание разрывает формирующееся ядро. [16] 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. [f] 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. [16]
Результирующее слияние является возбужденным состоянием [20] — называемым составным ядром — и поэтому оно очень нестабильно. [16] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может расщепляться без образования более стабильного ядра. [21] 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. [21] 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. [22] [g]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры, сепаратора; если образуется новое ядро, оно переносится этим пучком. [24] В сепараторе вновь образованное ядро отделяется от других нуклидов (ядра исходного пучка и любых других продуктов реакции) [h] и передается в поверхностно-барьерный детектор , который останавливает ядро. Точное место предстоящего удара по детектору отмечается; также отмечаются его энергия и время прибытия. [24] Передача занимает около 10−6 секунд ; чтобы быть обнаруженным, ядро должно прожить это время. [27] Ядро регистрируется снова после того, как регистрируется его распад, и измеряются местоположение, энергия и время распада. [24]
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. [28] 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. [29] [30] Таким образом, теоретически предсказано [31] и до сих пор наблюдалось [32] , что сверхтяжелые ядра в основном распадаются через моды распада, которые вызваны таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление . [i] Почти все альфа-излучатели имеют более 210 нуклонов, [34] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [35] В обоих режимах распада ядрам препятствуют распадаться соответствующие энергетические барьеры для каждого режима, но они могут туннелироваться через них. [29] [30]
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. [37] Спонтанное деление вызывается электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро, и производит различные ядра в различных случаях деления идентичных ядер. [30] 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), [38] и на 30 порядков величины от тория (элемент 90) до фермия (элемент 100). [39] 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. [30] [40] 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. [30] [40] 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. [41] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [42], а также с теми, которые ближе к ожидаемому острову, [38] показали большую, чем предполагалось ранее, стабильность по отношению к спонтанному делению, что показывает важность оболочечных эффектов для ядер. [j]
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. [k] (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.) [24] Известное ядро можно распознать по определенным характеристикам распада, которым оно подвергается, таким как энергия распада (или, более конкретно, кинетическая энергия испускаемой частицы). [l] Однако спонтанное деление производит различные ядра в качестве продуктов, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним ядрам. [m]
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. [n]В декабре 2004 года группа Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Московская область , Россия, предложила провести совместный эксперимент с Окриджской национальной лабораторией (ORNL) в Окридже , штат Теннесси , США, по синтезу элемента 117 — названного так из-за 117 протонов в его ядре . Их предложение включало слияние мишени из берклия ( элемент 97) и пучка кальция (элемент 20), проводимое посредством бомбардировки мишени из берклия ядрами кальция: [53] это завершит серию экспериментов, проведенных в ОИЯИ по слиянию мишеней из актинидов с пучком кальция-48, которые к настоящему времени дали новые элементы 113 – 116 и 118 . ORNL — тогда единственный в мире производитель берклия — не мог тогда предоставить элемент, поскольку они временно прекратили производство, [53] а его повторное начало было бы слишком дорогостоящим. [54] Планы по синтезу элемента 117 были приостановлены в пользу подтверждения элемента 118, который был получен ранее в 2002 году путем бомбардировки калифорниевой мишени кальцием. [55] Требуемый берклий-249 является побочным продуктом при производстве калифорния-252, и получение необходимого количества берклия было еще более сложной задачей, чем получение калифорния, а также дорогостоящим: это стоило бы около 3,5 миллионов долларов, и стороны согласились ждать коммерческого заказа на производство калифорния, из которого можно было бы извлечь берклий. [54] [56]
Команда ОИЯИ стремилась использовать берклий, поскольку кальций-48 , изотоп кальция, используемый в пучке, имеет 20 протонов и 28 нейтронов, что дает отношение нейтрон-протон 1,4; и это самое легкое стабильное или почти стабильное ядро с таким большим избытком нейтронов. Благодаря избытку нейтронов, полученные ядра должны были быть тяжелее и ближе к искомому острову стабильности . [o] Из 117 намеченных протонов у кальция их 20, и поэтому им нужно было использовать берклий, в ядре которого 97 протонов. [3]
В феврале 2005 года руководитель группы ОИЯИ — Юрий Оганесян — провел коллоквиум в ORNL. На нем также присутствовали представители Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе, которые ранее работали с ОИЯИ над открытием элементов 113–116 и 118, и Джозеф Гамильтон из Университета Вандербильта , соавтор Оганесяна. [58]
Гамильтон проверил, производил ли высокопоточный реактор ORNL калифорний для коммерческого заказа: требуемый берклий можно было получить в качестве побочного продукта. Он узнал, что этого не было, и в ближайшем будущем не предвиделось такого заказа. Гамильтон продолжал следить за ситуацией, время от времени проводя проверки. (Позже Оганесян назвал Гамильтона «отцом 117» за выполнение этой работы.) [58]
ORNL возобновил производство калифорния весной 2008 года. Гамильтон отметил возобновление летом и заключил сделку о последующем извлечении берклия [59] (цена составила около 600 000 долларов США). [60] Во время симпозиума в сентябре 2008 года в Университете Вандербильта в Нэшвилле , штат Теннесси, посвященного празднованию его 50-летия на физическом факультете, Гамильтон познакомил Оганесяна с Джеймсом Роберто (тогда заместителем директора по науке и технологиям в ORNL). [61] Они установили сотрудничество между ОИЯИ, ORNL и Вандербильтом. [56] Кларис Фелпс была частью команды ORNL, которая сотрудничала с ОИЯИ; [62] это особенно примечательно, поскольку из-за этого ИЮПАК признает ее первой афроамериканской женщиной, причастной к открытию химического элемента. [62] [63] [64] [65] В число сотрудничающих учреждений также вошли Университет Теннесси (Ноксвилл) , Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса , Научно-исследовательский институт усовершенствованных реакторов (Россия) и Университет Невады (Лас-Вегас) . [66]
В ноябре 2008 года Министерство энергетики США , осуществлявшее надзор за реактором в Ок-Ридже , разрешило научное использование извлеченного берклия. [67]
Производство длилось 250 дней и закончилось в конце декабря 2008 года, [68] в результате чего было получено 22 миллиграмма берклия, достаточного для проведения эксперимента. [69] В январе 2009 года берклий был извлечен из высокопоточного изотопного реактора ORNL; [67] затем он охлаждался в течение 90 дней, а затем обрабатывался в Центре радиохимической инженерии и разработок ORNL для разделения и очистки материала берклия, что заняло еще 90 дней. [56] Его период полураспада составляет всего 330 дней: это означает, что по истечении этого времени половина произведенного берклия распадется . Из-за этого мишень из берклия необходимо было быстро перевезти в Россию; чтобы эксперимент был жизнеспособным, его нужно было завершить в течение шести месяцев с момента отправки из Соединенных Штатов. [56] Мишень была упакована в пять свинцовых контейнеров для перелета из Нью-Йорка в Москву. [56] Российские таможенники дважды отказывались пропустить цель в страну из-за отсутствия или неполноты документов. В течение нескольких дней цель пять раз пересекла Атлантический океан. [56] По прибытии в Россию в июне 2009 года берклий был немедленно передан в Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР) в Димитровграде , Ульяновская область , где он был нанесен в виде тонкого слоя толщиной 300 нанометров на титановую пленку. [68] В июле 2009 года его перевезли в Дубну, [68] где он был установлен в ускорителе частиц в ОИЯИ. [69] Пучок кальция-48 был получен путем химического извлечения небольших количеств кальция- 48 , присутствующего в природном кальции, с обогащением его в 500 раз. [67] Эта работа была выполнена в закрытом городе Лесной , Свердловская область , Россия. [67]
Эксперимент начался в конце июля 2009 года. [67] В январе 2010 года ученые Лаборатории ядерных реакций имени Флерова объявили внутри компании, что они обнаружили распад нового элемента с атомным номером 117 через две цепочки распада: одну из нечетно-нечетных изотопа, претерпевающего 6 альфа-распадов перед спонтанным делением , и одну из нечетно-четных изотопа, претерпевающего 3 альфа-распада перед делением. [70] Полученные в ходе эксперимента данные были отправлены в LLNL для дальнейшего анализа. [71] 9 апреля 2010 года в журнале Physical Review Letters был опубликован официальный отчет , в котором изотопы были идентифицированы как 294 117 и 293 117, которые, как было показано, имеют периоды полураспада порядка десятков или сотен миллисекунд . Работа была подписана всеми сторонами, в той или иной степени участвовавшими в эксперименте: ОИЯИ, ORNL, LLNL, НИИАР, Вандербильт, Университет Теннесси ( Ноксвилл , Теннесси , США) и Университет Невады ( Лас-Вегас , Невада , США), которые оказали поддержку в анализе данных. [72] Изотопы были образованы следующим образом: [73] [p]
Все дочерние изотопы (продукты распада) элемента 117 ранее были неизвестны; [73] поэтому их свойства не могли быть использованы для подтверждения заявления об открытии. В 2011 году, когда один из продуктов распада ( 289 115) был синтезирован напрямую, его свойства совпали с измеренными в заявленном косвенном синтезе из распада элемента 117. [74] Первооткрыватели не подали заявление о своих открытиях в 2007–2011 годах, когда Совместная рабочая группа рассматривала заявления об открытиях новых элементов. [75]
Команда из Дубны повторила эксперимент в 2012 году, создав семь атомов элемента 117 и подтвердив свой более ранний синтез элемента 118 (произведенный спустя некоторое время, когда значительное количество мишени берклия -249 бета-распалось до калифорния -249). Результаты эксперимента совпали с предыдущим результатом; [8] затем ученые подали заявку на регистрацию элемента. [ необходима цитата ] В мае 2014 года совместное немецко-американское сотрудничество ученых из ORNL и Центра исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте , Гессен , Германия, заявило о подтверждении открытия элемента. [7] [76] Команда повторила эксперимент из Дубны, используя ускоритель Дармштадта, создав два атома элемента 117. [7]
В декабре 2015 года JWP официально признала открытие 293 117 в связи с подтверждением свойств его дочернего элемента 289 115 [77], и, таким образом, перечисленные первооткрыватели — ОИЯИ, LLNL и ORNL — получили право предложить официальное название для элемента. (Вандербильт был исключен из первоначального списка первооткрывателей из-за ошибки, которая была позже исправлена.) [78]
В мае 2016 года Лундский университет ( Лунд , Сконе , Швеция) и GSI выразили некоторые сомнения относительно синтезов элементов 115 и 117. Цепочки распада, приписанные 289 115, изотопу, инструментальному в подтверждении синтезов элементов 115 и 117, были обнаружены на основе нового статистического метода, как слишком разные, чтобы принадлежать одному и тому же нуклиду с достаточно высокой вероятностью. Было обнаружено, что сообщенные цепочки распада 293 117, одобренные как таковые JWP, требуют разделения на отдельные наборы данных, приписанные различным изотопам элемента 117. Было также обнаружено, что заявленная связь между цепочками распада, сообщенными как от 293 117 и 289 115, вероятно, не существует. (С другой стороны, цепи из неутвержденного изотопа 294 117 оказались конгруэнтными.) Множественность состояний, обнаруженных, когда нуклиды, которые не являются четными-четными, подвергаются альфа-распаду, не является неожиданностью и способствует отсутствию ясности в перекрестных реакциях. Это исследование критиковало отчет JWP за игнорирование тонкостей, связанных с этим вопросом, и считало «проблемным» то, что единственным аргументом в пользу принятия открытий элементов 115 и 117 была связь, которую они считали сомнительной. [79] [80]
8 июня 2017 года два члена команды Дубны опубликовали журнальную статью, отвечающую на эту критику, анализируя свои данные по нуклидам 293 117 и 289 115 с помощью общепринятых статистических методов, и отметили, что исследования 2016 года, указывающие на неконгруэнтность, дали проблемные результаты при применении к радиоактивному распаду: они исключили из 90% доверительного интервала как среднее, так и экстремальное время распада, а цепочки распада, которые были бы исключены из выбранного ими 90% доверительного интервала, наблюдались с большей вероятностью, чем те, которые были бы включены. Повторный анализ 2017 года пришел к выводу, что наблюдаемые цепочки распада 293 117 и 289 115 согласуются с предположением о том, что на каждом этапе цепочки присутствует только один нуклид, хотя было бы желательно иметь возможность напрямую измерять массовое число исходного ядра каждой цепочки, а также функцию возбуждения реакции 243 Am + 48 Ca. [ 81]
Используя номенклатуру Менделеева для неназванных и неоткрытых элементов , элемент 117 должен быть известен как экастатин . Используя рекомендации Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) 1979 года, элемент был временно назван унунсептием (символ Uus ), образованным от латинских корней «один», « один» и «семь», что отсылает к атомному номеру элемента 117. [ 82] Многие ученые в этой области называли его «элементом 117», с символом E117 , (117) или 117. [4] Согласно руководящим принципам ИЮПАК, действующим на момент утверждения открытия, постоянные названия новых элементов должны были заканчиваться на «-ium»; это включало элемент 117, даже если элемент был галогеном , которые традиционно имеют названия, заканчивающиеся на «-ine»; [83] Однако новые рекомендации, опубликованные в 2016 году, рекомендовали использовать окончание «-ine» для всех новых элементов группы 17. [84]
После первоначального синтеза в 2010 году Дон Шонесси из LLNL и Оганесян заявили, что наименование является деликатным вопросом, и его избегали, насколько это было возможно. [85] Однако Гамильтон, который преподает в Университете Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси , заявил в том году: «Я сыграл решающую роль в том, чтобы собрать группу и получить цель 249 Bk, необходимую для открытия. В результате этого я собираюсь дать название элементу. Я не могу сказать вам название, но это привнесет отличие в регион». [72] В интервью 2015 года Оганесян, рассказав историю эксперимента, сказал: «И американцы назвали это tour de force, они продемонстрировали, что могут сделать [это] без права на ошибку. Что ж, скоро они назовут 117-й элемент». [86]
В марте 2016 года группа исследователей договорилась о проведении телефонной конференции с участием представителей сторон, заинтересованных в названии элемента 117 «теннессин». [58] В июне 2016 года ИЮПАК опубликовал декларацию, в которой говорилось, что первооткрыватели представили свои предложения по названию новых элементов 115, 117 и 118 в ИЮПАК; предложение для элемента 117 было «теннессин» с символом Ts , в честь «региона Теннесси». [b] Предложенные названия были рекомендованы для принятия Отделом неорганической химии ИЮПАК; официальное принятие должно было произойти по истечении пятимесячного срока после публикации декларации. [87] В ноябре 2016 года названия, включая «теннессин», были официально приняты. Опасения, что предложенный символ Ts может конфликтовать с обозначением тозильной группы, используемым в органической химии, были отклонены, после того как существующие символы имели такие двойные значения: Ac ( актиний и ацетил ) и Pr ( празеодим и пропил ). [88] Церемония присвоения названий московию , теннессину и оганесону состоялась 2 марта 2017 года в Российской академии наук в Москве ; отдельная церемония только для теннессина прошла в ORNL в январе 2017 года. [89]
За исключением ядерных свойств, никаких свойств теннессина или его соединений не было измерено; это связано с его крайне ограниченным и дорогим производством [60] и тем фактом, что он распадается очень быстро. Свойства теннессина остаются неизвестными, и доступны только прогнозы.
Стабильность ядер быстро уменьшается с увеличением атомного номера после кюрия , элемента 96, период полураспада которого на четыре порядка больше, чем у любого последующего элемента. Все изотопы с атомным номером выше 101 подвергаются радиоактивному распаду с периодом полураспада менее 30 часов. Ни один элемент с атомным номером выше 82 (после свинца ) не имеет стабильных изотопов. [90] Это происходит из-за постоянно растущего кулоновского отталкивания протонов, так что сильная ядерная сила не может удерживать ядро вместе от спонтанного деления в течение длительного времени. Расчеты показывают, что при отсутствии других стабилизирующих факторов элементы с более чем 104 протонами не должны существовать. [91] Однако исследователи в 1960-х годах предположили, что закрытые ядерные оболочки вокруг 114 протонов и 184 нейтронов должны противодействовать этой нестабильности, создавая « остров стабильности », где нуклиды могут иметь периоды полураспада, достигающие тысяч или миллионов лет. Хотя ученые все еще не достигли острова, само существование сверхтяжелых элементов (включая теннессин) подтверждает, что этот стабилизирующий эффект реален, и в целом известные сверхтяжелые нуклиды становятся экспоненциально более долгоживущими по мере приближения к предсказанному местоположению острова. [92] [93] Теннессин является вторым по тяжести элементом, созданным до сих пор, и все его известные изотопы имеют периоды полураспада менее одной секунды. Тем не менее, это больше значений, предсказанных до их открытия: предсказанные времена жизни для 293 Ts и 294 Ts, использованные в статье об открытии, составляли 10 мс и 45 мс соответственно, в то время как наблюдаемые времена жизни составляли 21 мс и 112 мс соответственно. [73] Команда из Дубны считает, что синтез элемента является прямым экспериментальным доказательством существования острова стабильности. [94]
Было подсчитано, что изотоп 295 Ts будет иметь период полураспада около 18 миллисекунд , и, возможно, этот изотоп можно будет получить с помощью той же реакции берклия-кальция, которая использовалась при открытии известных изотопов 293 Ts и 294 Ts. Вероятность того, что эта реакция даст 295 Ts, оценивается, самое большее, в одну седьмую от вероятности получения 294 Ts. [27] [95] [96] Расчеты с использованием модели квантового туннелирования предсказывают существование нескольких изотопов теннессина вплоть до 303 Ts. Ожидается, что наиболее стабильным из них будет 296 Ts с периодом полураспада альфа-распада 40 миллисекунд. [97] Исследование изотопов элемента с помощью модели жидкой капли показывает схожие результаты; это предполагает общую тенденцию к повышению стабильности изотопов тяжелее 301 Ts, с частичными периодами полураспада, превышающими возраст Вселенной для самых тяжелых изотопов, таких как 335 Ts, если не учитывать бета-распад. [98] Более легкие изотопы теннессина могут быть получены в реакции 243 Am+ 50 Ti, которая рассматривалась как запасной план группой из Дубны в 2008 году, если 249 Bk окажется недоступным. [99]
Ожидается, что теннессин будет членом группы 17 в периодической таблице, ниже пяти галогенов; фтора , хлора , брома , йода и астата , каждый из которых имеет семь валентных электронов с конфигурацией n s 2 n p 5 . [100] [q] Для теннессина, находящегося в седьмом периоде (ряду) периодической таблицы, продолжение тенденции предсказывает конфигурацию валентных электронов 7s 2 7p 5 , [4] и, следовательно, можно ожидать, что он будет вести себя подобно галогенам во многих отношениях, которые связаны с этим электронным состоянием. Однако, спускаясь вниз по группе 17, металличность элементов увеличивается; например, йод уже демонстрирует металлический блеск в твердом состоянии, и ожидается, что астат будет металлом. [101] Таким образом, экстраполяция, основанная на периодических тенденциях, предсказывает, что теннессин будет довольно летучим металлом. [102]
Расчеты подтвердили точность этой простой экстраполяции, хотя экспериментальная проверка этого в настоящее время невозможна, поскольку периоды полураспада известных изотопов теннессина слишком коротки. [102] Вероятно, возникнут значительные различия между теннессином и предыдущими галогенами, в основном из-за спин-орбитального взаимодействия —взаимодействия между движением и спином электронов. Спин-орбитальное взаимодействие особенно сильно для сверхтяжелых элементов, поскольку их электроны движутся быстрее — со скоростями, сравнимыми со скоростью света — чем в более легких атомах. [103] В атомах теннессина это понижает уровни энергии электронов 7s и 7p, стабилизируя соответствующие электроны, хотя два из уровней энергии электронов 7p более стабилизированы, чем четыре других. [104] Стабилизация 7s-электронов называется эффектом инертной пары ; эффект, который разделяет подоболочку 7p на более стабилизированную и менее стабилизированную части, называется расщеплением подоболочки. Специалисты по вычислительной химии понимают расщепление как изменение второго ( азимутального ) квантового числа l с 1 до 1/2 и 3/2 для более и менее стабилизированных частей подоболочки 7p соответственно. [105] [r] Для многих теоретических целей конфигурация валентных электронов может быть представлена так, чтобы отражать расщепление подоболочки 7p как 7s2
7п2
1/27п3
3/2. [4]
Различия существуют и для других электронных уровней. Например, уровни электронов 6d (также разделенные на два, четыре из которых являются 6d 3/2 , а шесть — 6d 5/2 ) оба подняты, поэтому они близки по энергии к уровням 7s, [104] хотя химия электронов 6d никогда не была предсказана для теннессина. Разница между уровнями 7p 1/2 и 7p 3/2 аномально высока; 9,8 эВ . [104] Расщепление подоболочки 6p астата составляет всего 3,8 эВ, [104] и его химия 6p 1/2 уже была названа «ограниченной». [106] Эти эффекты приводят к тому, что химия теннессина отличается от химии его верхних соседей (см. ниже).
Первая энергия ионизации теннессина — энергия, необходимая для удаления электрона из нейтрального атома — по прогнозам составит 7,7 эВ, что ниже, чем у галогенов, снова следуя тенденции. [4] Как и его соседи в периодической таблице, теннессин, как ожидается, будет иметь самое низкое сродство к электрону — энергию, выделяющуюся при добавлении электрона к атому — в своей группе; 2,6 или 1,8 эВ. [4] Электрон гипотетического водородоподобного атома теннессина — окисленного таким образом, что у него есть только один электрон, Ts 116+ — по прогнозам будет двигаться так быстро, что его масса в 1,90 раза больше массы неподвижного электрона, что можно объяснить релятивистскими эффектами . Для сравнения, этот показатель для водородоподобного астата составляет 1,27, а для водородоподобного йода — 1,08. [107] Простые экстраполяции законов относительности указывают на сокращение атомного радиуса . [107] Расширенные расчеты показывают, что радиус атома теннессина, образовавшего одну ковалентную связь, будет равен 165 пм , тогда как радиус астата будет равен 147 пм. [108] После удаления семи внешних электронов теннессин в конечном итоге становится меньше: 57 пм [4] для теннессина и 61 пм [109] для астата.
Температуры плавления и кипения теннессина неизвестны; более ранние работы предсказывали около 350–500 °C и 550 °C, соответственно, [4] или 350–550 °C и 610 °C, соответственно. [110] Эти значения превышают значения астата и более легких галогенов, следуя периодическим тенденциям . Более поздняя работа предсказывает температуру кипения теннессина 345 °C [111] (температура кипения астата оценивается как 309 °C, [112] 337 °C, [113] или 370 °C, [114] хотя были зарегистрированы экспериментальные значения 230 °C [115] и 411 °C [109] ). Ожидается, что плотность теннессина будет между 7,1 и 7,3 г/см 3 . [5]
Известные изотопы теннессина, 293 Ts и 294 Ts, слишком короткоживущие, чтобы позволить химические эксперименты в настоящее время. Тем не менее, многие химические свойства теннессина были рассчитаны. [116] В отличие от более легких элементов группы 17, теннессин может не демонстрировать химическое поведение, обычное для галогенов. [9] Например, фтор, хлор, бром и йод обычно принимают электрон для достижения более стабильной электронной конфигурации благородного газа , получая восемь электронов ( октет ) в своих валентных оболочках вместо семи. [117] Эта способность ослабевает по мере увеличения атомного веса вниз по группе; теннессин будет наименее склонным элементом группы 17 принимать электрон. Из окислительных состояний, которые он, как ожидается, образует, ожидается, что −1 будет наименее распространенным. [4] Стандартный восстановительный потенциал пары Ts/Ts − , как прогнозируется, составит −0,25 В; это значение отрицательно, в отличие от всех более легких галогенов. [2]
У теннессина есть еще одна возможность завершить свой октет — образовав ковалентную связь . Как и галогены, когда встречаются два атома теннессина, ожидается, что они образуют связь Ts–Ts, чтобы получить двухатомную молекулу . Такие молекулы обычно связаны через одинарные сигма-связи между атомами; они отличаются от пи-связей , которые разделены на две части, каждая из которых смещена в направлении, перпендикулярном линии между атомами, и противоположны друг другу, а не расположены непосредственно между атомами, которые они связывают. Сигма-связь, как было рассчитано, демонстрирует сильный антисвязывающий характер в молекуле At 2 и не столь выгодна энергетически. Прогнозируется, что теннессин продолжит эту тенденцию; сильный пи-характер должен наблюдаться в связи Ts 2 . [4] [118] Прогнозируется, что молекула хлорида теннессина (TsCl) пойдет дальше, будучи связанной одинарной пи-связью. [118]
Помимо нестабильного состояния −1, предсказываются еще три состояния окисления: +5, +3 и +1. Состояние +1 должно быть особенно стабильным из-за дестабилизации трех внешних электронов 7p 3/2 , образуя стабильную, полузаполненную конфигурацию подоболочки; [4] астат демонстрирует похожие эффекты. [119] Состояние +3 должно быть важным, снова из-за дестабилизированных электронов 7p 3/2 . [110] Состояние +5, как предсказывают, будет редким, поскольку электроны 7p 1/2 стабилизированы противоположным образом. [4] Состояние +7 не было показано — даже вычислительно — достижимым. Поскольку электроны 7s в значительной степени стабилизированы, была выдвинута гипотеза, что теннессин фактически имеет только пять валентных электронов. [120]
Простейшим возможным соединением теннессина будет моногидрид TsH. Ожидается, что связь будет обеспечиваться электроном 7p 3/2 теннессина и электроном 1s водорода. Несвязывающая природа спинора 7p 1/2 заключается в том, что теннессин, как ожидается, не образует чисто сигма- или пи-связи. [121] Следовательно, дестабилизированный (таким образом расширенный) спинор 7p 3/2 отвечает за связь. [122] Этот эффект удлиняет молекулу TsH на 17 пикометров по сравнению с общей длиной 195 пм. [121] Поскольку p-электронные связи теннессина составляют две трети сигма-связи, связь лишь на две трети слабее, чем была бы, если бы теннессин не имел спин-орбитальных взаимодействий. [121] Таким образом, молекула следует тенденции для галогенгидридов, демонстрируя увеличение длины связи и уменьшение энергии диссоциации по сравнению с AtH. [4] Молекулы Tl Ts и Nh Ts можно рассматривать аналогично, принимая во внимание противоположный эффект, показанный тем фактом, что p 1/2 электроны элемента стабилизированы. Эти две характеристики приводят к относительно небольшому дипольному моменту (произведению разницы между электрическими зарядами атомов и смещением атомов) для TlTs; всего 1,67 D , [с] положительное значение, подразумевающее, что отрицательный заряд находится на атоме теннессина. Для NhTs сила эффектов, как предсказывают, вызывает перенос электрона от атома теннессина к атому нихония, при этом значение дипольного момента составляет −1,80 D. [124] Спин-орбитальное взаимодействие увеличивает энергию диссоциации молекулы TsF, поскольку оно снижает электроотрицательность теннессина, в результате чего связь с чрезвычайно электроотрицательным атомом фтора имеет более ионный характер. [121] Монофторид теннессина должен обладать самой сильной связью среди всех монофторидов группы 17. [121]
Теория VSEPR предсказывает изогнутую Т-образную молекулярную геометрию для трифторидов группы 17. Все известные трифториды галогенов имеют эту молекулярную геометрию и имеют структуру AX 3 E 2 — центральный атом, обозначенный A, окруженный тремя лигандами , X, и двумя неподеленными электронными парами , E. Если игнорировать релятивистские эффекты, TsF 3 должен следовать своим более легким сородичам , имея изогнутую Т-образную молекулярную геометрию. Более сложные предсказания показывают, что эта молекулярная геометрия не будет энергетически выгодной для TsF 3 , предсказывая вместо этого тригональную плоскую молекулярную геометрию (AX 3 E 0 ). Это показывает, что теория VSEPR может быть непоследовательной для сверхтяжелых элементов. [120] Молекула TsF 3 , как предсказано, будет значительно стабилизирована спин-орбитальными взаимодействиями; Возможным объяснением может быть большая разница в электроотрицательности между теннессином и фтором, что придает связи частично ионный характер. [120]
Haire
была вызвана, но не определена (см. страницу справки ).Если бы эта тенденция была соблюдена, элемент 117, вероятно, был бы довольно нестабильным металлом. Полностью релятивистские расчеты согласуются с этим ожиданием, однако они нуждаются в экспериментальном подтверждении.