Сверхтяжелые элементы , также известные как трансактинидные элементы , трансактиниды или сверхтяжелые элементы , или для краткости сверхтяжелые элементы, представляют собой химические элементы с атомным номером больше 103. Сверхтяжелые элементы — это элементы, находящиеся за пределами актинидов в периодической таблице; последний актинид — лоуренсий (атомный номер 103). По определению, сверхтяжелые элементы также являются трансурановыми элементами , т. е. имеющими атомные номера больше, чем у урана (92). В зависимости от принятого авторами определения группы 3 для завершения 6d серии может быть включен и лоуренсий. [1] [2] [3] [4]
Гленн Т. Сиборг первым предложил концепцию актинидов , которая привела к принятию ряда актинидов . Он также предложил ряд трансактинидов в диапазоне от элемента 104 до 121 и ряд суперактинидов, охватывающий примерно элементы со 122 по 153 (хотя более поздние работы предполагают, что конец ряда суперактинидов приходится на элемент 157). Трансактинид сиборгий был назван в его честь. [5] [6]
Сверхтяжелые вещества радиоактивны и могут быть получены только синтетическим путем в лабораториях. Ни один макроскопический образец ни одного из этих элементов никогда не был получен. Все сверхтяжелые вещества названы в честь физиков и химиков или важных мест, участвующих в синтезе элементов.
ИЮПАК определяет, что элемент существует, если его время жизни превышает 10–14 секунд , то есть время, необходимое атому для формирования электронного облака. [7]
Известные сверхтяжелые вещества входят в ряды 6d и 7p периодической таблицы. За исключением резерфордия и дубния (и лоуренсия, если он включен), даже самые долгоживущие известные изотопы сверхтяжелых веществ имеют период полураспада в несколько минут или меньше. Споры об именах элементов затрагивали элементы 102–109 . Таким образом, некоторые из этих элементов использовали систематические названия в течение многих лет после подтверждения их открытия. (Обычно систематические названия заменяются постоянными названиями, предложенными первооткрывателями относительно вскоре после подтверждения открытия.)
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 с точки зрения массы , тем больше вероятность того, что они вступят в реакцию. [13] 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. [14] Энергия, приложенная к ядрам пучков для их ускорения, может привести к тому, что они достигнут скорости, достигающей одной десятой скорости света . Однако если приложить слишком много энергии, ядро пучка может развалиться. [14]
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. [14] [15] Это происходит потому, что во время попытки образования одного ядра электростатическое отталкивание разрывает образующееся ядро. [14] Каждая пара мишени и пучка характеризуется своим поперечным сечением — вероятностью того, что слияние произойдет, если два ядра сблизятся 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. [14]
В результате слияния возникает возбужденное состояние [18] , называемое составным ядром , и поэтому оно очень нестабильно. [14] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может делиться без образования более стабильного ядра. [19] 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. [19] 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. [20] [д]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры — сепаратора; если образуется новое ядро, оно уносится этим лучом. [22] 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. [22] Передача занимает около 10-6 секунд ; Чтобы быть обнаруженным, ядро должно выжить так долго. [25] Ядро записывается снова, как только регистрируется его распад, и измеряются местоположение, энергия и время распада. [22]
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 дальность его действия не ограничена. [26] Полная энергия связи , обеспечиваемая сильным взаимодействием, линейно возрастает 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. [27] [28] Таким образом, теоретически предсказаны сверхтяжелые ядра [29] и до сих пор наблюдалось [30] преимущественное распад через моды распада, которые вызваны таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление . [f] Почти все альфа-излучатели имеют более 210 нуклонов, [32] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [33] В обоих режимах распада ядра сдерживаются соответствующими энергетическими барьерами для каждого режима, но они могут быть проложен туннелем. [27] [28]
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. [35] Спонтанное деление вызвано электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро и производящим различные ядра в разных случаях деления одинаковых ядер. [28] 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), [36] и на 30 порядков величины. от тория (90-й элемент) до фермия (100-й элемент). [37] 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. [28] [38] 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. [28] [38] 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. [39] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [40] , а также с ядрами, расположенными ближе к ожидаемому острову, [36] 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.) [22] 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]
Самым тяжелым элементом, известным в конце XIX века, был уран с атомной массой около 240 (сейчас известно, что это 238) а.е.м. Соответственно, его поместили в последнюю строку таблицы Менделеева; это породило предположения о возможном существовании элементов тяжелее урана и о том, почему A = 240 кажется пределом. После открытия благородных газов , начиная с аргона в 1895 году, рассматривалась возможность существования более тяжелых членов группы. Датский химик Юлиус Томсен предположил в 1895 году существование шестого благородного газа с Z = 86, A = 212 и седьмого с Z = 118, A = 292, последнего замыкающего 32-элементный период , содержащий торий и уран. [51] В 1913 году шведский физик Йоханнес Ридберг расширил экстраполяцию таблицы Менделеева Томсена, включив в нее еще более тяжелые элементы с атомными номерами до 460, но он не верил, что эти сверхтяжелые элементы существуют или встречаются в природе. [52]
В 1914 году немецкий физик Рихард Свинн предположил, что элементы тяжелее урана, например элементы с Z = 108, можно обнаружить в космических лучах . Он предположил, что эти элементы не обязательно могут иметь уменьшающийся период полураспада с увеличением атомного номера, что привело к предположениям о возможности существования некоторых более долгоживущих элементов при Z = 98–102 и Z = 108–110 (хотя и разделенных короткоживущими элементами). ). Суинн опубликовал эти предсказания в 1926 году, полагая, что такие элементы могут существовать в ядре Земли , железных метеоритах или ледяных шапках Гренландии , где они были заперты с момента своего предполагаемого космического происхождения. [53]
Работы, выполненные с 1961 по 2013 год в четырех лабораториях – Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в США, Объединенном институте ядерных исследований в СССР (позже России), Центре исследований тяжелых ионов GSI имени Гельмгольца в Германии и Рикене в Японии – идентифицировали и подтвердил переход элементов лоуренсий в оганессон в соответствии с критериями рабочих групп IUPAC – IUPAP по трансфермиуму и последующих совместных рабочих групп. Эти открытия завершают седьмую строку таблицы Менделеева. Следующие два элемента — унунений ( Z = 119) и унбинилий ( Z = 120) пока не синтезированы. Они начнут восьмой период.
Из-за их короткого периода полураспада (например, самый стабильный из известных изотопов сиборгия имеет период полураспада 14 минут, а период полураспада уменьшается с увеличением атомного номера) и низкого выхода ядерных реакций , которые их производят, новые необходимо было создать методы определения их химии в газовой фазе и растворе на основе очень маленьких образцов, состоящих из нескольких атомов каждый. Релятивистские эффекты становятся очень важными в этой области таблицы Менделеева, заставляя заполненные 7s-орбитали, пустые 7p-орбитали и заполняющие 6d-орбитали сжиматься внутрь к атомному ядру. Это вызывает релятивистскую стабилизацию 7s-электронов и делает 7p-орбитали доступными в состояниях низкого возбуждения. [6]
Элементы с 103 по 112, от лоуренция до коперниция, образуют 6d серию переходных элементов. Экспериментальные данные показывают, что элементы 103–108 ведут себя так, как и ожидалось для их положения в таблице Менделеева, как более тяжелые гомологи от лютеция до осмия. Ожидается, что они будут иметь ионные радиусы между ионными радиусами их 5d-гомологов переходных металлов и их актинидных псевдогомологов: например, Rf 4+, по расчетам, имеет ионный радиус 76 пм , между значениями для Hf 4+ (71 пм) и Th 4+. (94 вечера). Их ионы также должны быть менее поляризуемыми, чем ионы их 5d-гомологов. Ожидается, что релятивистские эффекты достигнут максимума в конце этого ряда, при рентгении (элемент 111) и копернице (элемент 112). Тем не менее, многие важные свойства трансактинидов до сих пор экспериментально не известны, хотя теоретические расчеты и проводились. [6]
Элементы со 113 по 118, от нихония до оганессона, должны образовывать серию 7p, завершая седьмой период в периодической таблице. На их химический состав будет сильно влиять очень сильная релятивистская стабилизация 7s-электронов и сильный эффект спин-орбитального взаимодействия, «разрывающий» подоболочку 7p на две части: одну более стабилизированную (7p 1/2 , удерживающую два электрона) и одну более дестабилизирован (7p 3/2 , удерживающий четыре электрона). Здесь должны быть стабилизированы более низкие степени окисления, продолжая групповые тенденции, поскольку как 7s, так и 7p 1/2 электроны проявляют эффект инертной пары . Ожидается, что эти элементы в значительной степени будут продолжать следовать групповым тенденциям, хотя релятивистские эффекты будут играть все большую роль. В частности, большое расщепление 7p приводит к эффективному закрытию оболочки флеровия (элемент 114) и, следовательно, к гораздо более высокой, чем ожидалось, химической активности оганессона (элемент 118). [6]
Элемент 118 — последний элемент, который был синтезирован. Следующие два элемента, 119 и 120 , должны образовывать серию 8s и представлять собой щелочной и щелочноземельный металл соответственно. Ожидается, что электроны 8s будут релятивистски стабилизированы, так что тенденция к более высокой реакционной способности в этих группах изменится, и элементы будут вести себя больше как их гомологи 5-го периода, рубидий и стронций . Орбиталь 7p 3/2 все еще релятивистски дестабилизирована, что потенциально придает этим элементам больший ионный радиус и, возможно, даже дает возможность участвовать в химическом процессе. В этой области электроны 8p также релятивистски стабилизированы, что приводит к образованию конфигурации валентных электронов в основном состоянии 8s 2 8p 1 для элемента 121 . Ожидается, что при переходе от элемента 120 к элементу 121 в структуре подоболочки произойдут большие изменения: например, радиус 5g-орбиталей должен резко уменьшиться с 25 единиц Бора в элементе 120 в возбужденной конфигурации [Og] 5g 1 8s 1 . до 0,8 единиц Бора в элементе 121 в возбужденной конфигурации [Og] 5g 1 7d 1 8s 1 , в явлении, называемом «радиальный коллапс». Элемент 122 должен добавить либо еще один 7d, либо еще один 8p электрон к электронной конфигурации элемента 121. Элементы 121 и 122 должны быть похожи на актиний и торий соответственно. [6]
Ожидается , что с элемента 121 начнется серия суперактинидов , когда 8s-электроны и заполнение подоболочек 8p 1/2 , 7d 3/2 , 6f 5/2 и 5g 7/2 определяют химию этих элементов. Для элементов после 123 полные и точные расчеты недоступны из-за крайней сложности ситуации: [54] орбитали 5g, 6f и 7d должны иметь примерно одинаковый энергетический уровень, а в районе элемента 160 — 9s, 8p. 3/2 и 9p 1/2 орбитали также должны быть примерно равны по энергии. Это приведет к смешиванию электронных оболочек, так что концепция блоков больше не будет применима, а также приведет к появлению новых химических свойств, которые очень затруднят позиционирование этих элементов в периодической таблице. [6]
Было предложено называть элементы за пределами Z = 126 запредельными сверхтяжелыми элементами . [55] Другие источники называют элементы с Z = 164 сверхтяжелыми элементами . [56]
Сверхтяжелые элементы (
Z
> 102) балансируют на пределе массы и заряда.