Хассий — синтетический химический элемент ; он имеет символ Hs и атомный номер 108. Он очень радиоактивен : его самые стабильные известные изотопы имеют период полураспада приблизительно десять секунд. [a] Один из его изотопов, 270 Hs, имеет магические числа протонов и нейтронов для деформированных ядер, что дает ему большую устойчивость к спонтанному делению . Хассий — сверхтяжелый элемент ; он был получен в лаборатории в очень малых количествах путем слияния тяжелых ядер с более легкими. Природные проявления элемента были выдвинуты в качестве гипотез, но так и не были обнаружены.
В периодической таблице элементов хассий является трансактинидным элементом , членом 7-го периода и группы 8 ; таким образом, он является шестым членом 6d-ряда переходных металлов . Химические эксперименты подтвердили, что хассий ведет себя как более тяжелый гомолог осмия , легко реагируя с кислородом с образованием летучего тетроксида . Химические свойства хассия были охарактеризованы лишь частично, но они хорошо сопоставимы с химией других элементов группы 8.
Главным нововведением, которое привело к открытию хассия, была техника холодного синтеза, в которой сплавленные ядра не различались по массе так сильно, как в более ранних методах. Она основывалась на большей стабильности целевых ядер, что, в свою очередь, уменьшало энергию возбуждения. Это уменьшало количество нейтронных выбросов во время синтеза, создавая более тяжелые, более стабильные результирующие ядра. Техника была впервые опробована в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Московская область , РСФСР , Советский Союз , в 1974 году. ОИЯИ использовал эту технику для попытки синтеза элемента 108 в 1978, 1983 и 1984 годах; последний эксперимент привел к заявлению о том, что элемент 108 был получен. Позже, в 1984 году, заявление о синтезе последовало от Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) в Дармштадте , Гессен , Западная Германия . В отчете 1993 года рабочей группы Transfermium, сформированной Международным союзом теоретической и прикладной химии и Международным союзом теоретической и прикладной физики , сделан вывод о том, что отчет из Дармштадта сам по себе был окончательным, тогда как отчет из Дубны — нет, и основная заслуга была отдана немецким ученым. GSI официально объявила, что они хотели бы назвать элемент hassium в честь немецкой земли Гессен (Hassia на латыни), где находится объект в 1992 году; это название было принято как окончательное в 1997 году.
Сверхтяжелое [b] атомное ядро создается в ядерной реакции, которая объединяет два других ядра неравного размера [c] в одно; грубо говоря, чем более неравны два ядра с точки зрения массы , тем больше вероятность того, что они вступят в реакцию. [19] Материал, состоящий из более тяжелых ядер, превращается в мишень, которая затем бомбардируется пучком более легких ядер. Два ядра могут слиться в одно, только если они подойдут друг к другу достаточно близко; обычно ядра (все положительно заряженные) отталкиваются друг от друга из-за электростатического отталкивания . Сильное взаимодействие может преодолеть это отталкивание, но только на очень коротком расстоянии от ядра; таким образом, ядра пучка значительно ускоряются , чтобы сделать такое отталкивание незначительным по сравнению со скоростью ядра пучка. [20] Энергия, применяемая к ядрам пучка для их ускорения, может заставить их достичь скорости, составляющей одну десятую скорости света . Однако если приложить слишком много энергии, ядро пучка может развалиться. [20]
Для слияния двух ядер недостаточно просто сблизиться достаточно сильно: когда два ядра приближаются друг к другу, они обычно остаются вместе около 10-20 секунд , а затем расходятся (не обязательно в том же составе, что и до реакции), а не образуют единое ядро. [20] [21] Это происходит потому, что во время попытки образования единого ядра электростатическое отталкивание разрывает формирующееся ядро. [20] Каждая пара мишени и пучка характеризуется своим поперечным сечением — вероятностью того, что слияние произойдет, если два ядра приблизятся друг к другу, выраженной в терминах поперечной площади, которую должна поразить падающая частица, чтобы слияние произошло. [d] Это слияние может произойти в результате квантового эффекта, при котором ядра могут туннелировать через электростатическое отталкивание. Если два ядра могут оставаться близко после этой фазы, множественные ядерные взаимодействия приводят к перераспределению энергии и энергетическому равновесию. [20]
Результирующее слияние является возбужденным состоянием [24] — называемым составным ядром — и поэтому оно очень нестабильно. [20] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может расщепляться без образования более стабильного ядра. [25] 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. [25] 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. [26] [e]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры, сепаратора; если образуется новое ядро, оно переносится этим пучком. [28] В сепараторе вновь образованное ядро отделяется от других нуклидов (ядра исходного пучка и любых других продуктов реакции) [f] и передается в поверхностно-барьерный детектор , который останавливает ядро. Точное место предстоящего удара по детектору отмечается; также отмечаются его энергия и время прибытия. [28] Передача занимает около 10−6 секунд ; чтобы быть обнаруженным, ядро должно прожить это время. [31] Ядро регистрируется снова после того, как регистрируется его распад, и измеряются местоположение, энергия и время распада. [28]
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. [32] 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. [33] [34] Таким образом, теоретически предсказано [35] и до сих пор наблюдалось [36] , что сверхтяжелые ядра в основном распадаются через моды распада, которые вызваны таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление . [g] Почти все альфа-излучатели имеют более 210 нуклонов, [38] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [39] В обоих режимах распада ядрам препятствуют распадаться соответствующие энергетические барьеры для каждого режима, но они могут туннелироваться. [33] [34]
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. [41] Спонтанное деление вызвано электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро, и производит различные ядра в различных случаях деления идентичных ядер. [34] 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), [42] и на 30 порядков величины от тория (элемент 90) до фермия (элемент 100). [43] 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. [34] [44] 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. [34] [44] 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. [45] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [46], а также с теми, которые ближе к ожидаемому острову, [42] показали большую, чем предполагалось ранее, стабильность по отношению к спонтанному делению, что показывает важность оболочечных эффектов для ядер. [h]
Альфа-распады регистрируются испускаемыми альфа-частицами, и продукты распада легко определить до фактического распада; если такой распад или серия последовательных распадов производит известное ядро, исходный продукт реакции может быть легко определен. [i] (То, что все распады в цепочке распада действительно были связаны друг с другом, устанавливается по местоположению этих распадов, которые должны происходить в одном и том же месте.) [28] Известное ядро можно распознать по определенным характеристикам распада, которым оно подвергается, таким как энергия распада (или, более конкретно, кинетическая энергия испускаемой частицы). [j] Однако спонтанное деление производит различные ядра в качестве продуктов, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним ядрам. [k]
Информация, доступная физикам, стремящимся синтезировать сверхтяжелый элемент, таким образом, представляет собой информацию, собранную на детекторах: местоположение, энергия и время прибытия частицы к детектору, а также данные о ее распаде. Физики анализируют эти данные и стремятся сделать вывод, что это действительно было вызвано новым элементом и не могло быть вызвано другим нуклидом, чем тот, который заявлен. Часто предоставленных данных недостаточно для вывода о том, что новый элемент был определенно создан, и нет другого объяснения наблюдаемых эффектов; были допущены ошибки в интерпретации данных. [l]Ядерные реакции, использовавшиеся в 1960-х годах, приводили к высоким энергиям возбуждения, которые требовали выброса четырех или пяти нейтронов; эти реакции использовали мишени, сделанные из элементов с высокими атомными номерами, чтобы максимизировать разницу в размерах между двумя ядрами в реакции. Хотя это увеличивало вероятность синтеза из-за более низкого электростатического отталкивания между мишенью и снарядом, образовавшиеся составные ядра часто распадались и не выживали, чтобы сформировать новый элемент. Более того, процессы синтеза неизбежно производят ядра с низким содержанием нейтронов, поскольку более тяжелые элементы требуют больше нейтронов на протон для максимизации стабильности; [m] поэтому необходимый выброс нейтронов приводит к получению конечных продуктов, которые обычно имеют более короткое время жизни . Таким образом, световые лучи (от шести до десяти протонов) позволяли синтезировать элементы только до 106. [60]
Чтобы перейти к более тяжелым элементам, советский физик Юрий Оганесян из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Московская область , РСФСР , Советский Союз , предложил другой механизм, в котором бомбардируемым ядром будет свинец-208, имеющий магические числа протонов и нейтронов, или другое ядро, близкое к нему. [61] Каждый протон и нейтрон имеют фиксированное значение энергии покоя ; энергии покоя всех протонов равны, как и энергии покоя всех нейтронов. В ядре часть этой энергии направляется на связывание протонов и нейтронов; если ядро имеет магическое число протонов и/или нейтронов, то еще больше его энергии покоя направляется, что придает нуклиду дополнительную стабильность. Эта дополнительная стабильность требует больше энергии для внешнего ядра, чтобы разорвать существующее и проникнуть в него. [62] Больше энергии, направляемой на связывание нуклонов, означает меньшую энергию покоя, что, в свою очередь, означает меньшую массу (масса пропорциональна энергии покоя). Более равные атомные числа реагирующих ядер приводят к большему электростатическому отталкиванию между ними, но меньший избыток массы целевого ядра уравновешивает его. [61] Это оставляет меньше энергии возбуждения для вновь созданного составного ядра, что требует меньшего количества нейтронных выбросов для достижения стабильного состояния. [62] Из-за этой разницы в энергии первый механизм стал известен как «горячий синтез», а второй — как «холодный синтез». [63]
Холодный синтез был впервые объявлен успешным в 1974 году в ОИЯИ, когда он был испытан для синтеза еще не открытого элемента 106. [62] Эти новые ядра, как прогнозировалось, распадались путем спонтанного деления. Физики ОИЯИ пришли к выводу, что элемент 106 был получен в эксперименте, потому что ни одно делящееся ядро, известное в то время, не показало параметров деления, подобных тем, что наблюдались во время эксперимента, и потому что изменение любого из двух ядер в реакциях сводило на нет наблюдаемые эффекты. Физики из Лаборатории Лоуренса в Беркли (LBL; первоначально Радиационная лаборатория, RL, а позже Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли , LBNL) Калифорнийского университета в Беркли , Калифорния , США, также проявили большой интерес к новой технике. [62] Когда Оганесяна спросили о том, насколько далеко может зайти этот новый метод и являются ли свинцовые мишени физическим Клондайком , он ответил: «Клондайк может быть преувеличением [...] Но вскоре мы попытаемся получить элементы 107 ... 108 в этих реакциях». [62]
Синтез элемента 108 был впервые предпринят в 1978 году исследовательской группой под руководством Оганесяна в ОИЯИ. Группа использовала реакцию, которая генерировала элемент 108, а именно изотоп 270 108, [n] из слияния радия (а именно изотопа226
88Ра
) и кальций (48
20Ca
) . Исследователи не были уверены в интерпретации своих данных, и в их статье не было однозначного утверждения об открытии элемента. [64] В том же году другая группа в ОИЯИ исследовала возможность синтеза элемента 108 в реакциях между свинцом (208
82свинец
) и железо (58
26Фе
) ; они не были уверены в интерпретации данных, предполагая возможность того, что элемент 108 не был создан. [65]
В 1983 году в ОИЯИ были проведены новые эксперименты. [68] Эксперименты, вероятно, привели к синтезу элемента 108; висмута (209
83Би
) был подвергнут бомбардировке марганцем (55
25Мн
) для получения 263 108, свинца (207
82свинец
,208
82свинец
) был подвергнут бомбардировке железом (58
26Фе
) для получения 264 108, и калифорний (249
98Ср.
) был засыпан неоном (22
10Не
) для получения 270 108. [12] Эти эксперименты не были заявлены как открытие, и Оганесян объявил о них на конференции, а не в письменном отчете. [68]
В 1984 году исследователи ОИЯИ в Дубне провели эксперименты, поставленные идентично предыдущим; они бомбардировали висмутовые и свинцовые мишени ионами более легких элементов марганца и железа соответственно. Было зарегистрировано двадцать одно событие спонтанного деления; исследователи пришли к выводу, что они были вызваны 264 108. [69]
Позже в 1984 году исследовательская группа под руководством Питера Армбрустера и Готфрида Мюнценберга из Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI; Институт исследований тяжелых ионов ) в Дармштадте , Гессен , Западная Германия , попыталась создать элемент 108. Команда засыпала находкой (208
82свинец
) мишень с ускоренным железом (58
26Фе
) ядер. [70] Эксперимент GSI по созданию элемента 108 был отложен до момента создания ими элемента 109 в 1982 году, поскольку предыдущие расчеты предполагали, что четно-четные изотопы элемента 108 будут иметь периоды полураспада спонтанного деления менее одной микросекунды , что затрудняло их обнаружение и идентификацию. [71] Эксперимент с элементом 108 наконец-то был продолжен после того, как был синтезирован 266 109 и было обнаружено, что он распадается путем альфа-излучения, что предполагает, что изотопы элемента 108 будут делать то же самое, и это было подтверждено экспериментом, направленным на синтез изотопов элемента 106. GSI сообщила о синтезе трех атомов 265 108. Два года спустя они сообщили о синтезе одного атома четно-четного 264 108. [71]
В 1985 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) и Международный союз теоретической и прикладной физики (ИЮПАП) сформировали Рабочую группу по трансфермию (TWG) для оценки открытий и установления окончательных названий для элементов с атомными номерами больше 100. Партия провела встречи с делегатами трех конкурирующих институтов; в 1990 году они установили критерии признания элемента, а в 1991 году завершили работу по оценке открытий и распались. Эти результаты были опубликованы в 1993 году. [72]
Согласно отчету, работы 1984 года из ОИЯИ и GSI одновременно и независимо установили синтез элемента 108. Из двух работ 1984 года работа из GSI была признана достаточной как открытие сама по себе. Работа ОИЯИ, которая предшествовала работе GSI, «весьма вероятно» продемонстрировала синтез элемента 108. Однако это было определено ретроспективно с учетом работы из Дармштадта; работа ОИЯИ была сосредоточена на химической идентификации отдаленных внучатых дочерей изотопов элемента 108 (что не могло исключить возможность того, что эти дочерние изотопы имели других предшественников), в то время как работа GSI четко определила путь распада этих изотопов элемента 108. Отчет пришел к выводу, что основная заслуга должна быть присуждена GSI. [69] В письменных ответах на это постановление и ОИЯИ, и GSI согласились с его выводами. В том же ответе GSI подтвердил, что они и ОИЯИ смогли разрешить все конфликты между собой. [73]
Исторически, недавно открытый элемент был назван его первооткрывателем. Первое регулирование появилось в 1947 году, когда ИЮПАК постановил, что наименование требует регулирования в случае возникновения конфликтующих названий. [74] [o] Эти вопросы должны были решаться Комиссией по неорганической номенклатуре и Комиссией по атомным весам . Они рассматривали названия в случае конфликта и выбирали одно; решение основывалось на ряде факторов, таких как использование, и не было показателем приоритета заявки. Обе комиссии рекомендовали название Совету ИЮПАК, который был бы окончательной инстанцией. [74] Первооткрыватели имели право назвать элемент, но их название должно было быть одобрено ИЮПАК. [74] Комиссия по атомным весам в большинстве случаев дистанцировалась от наименования элементов. [74]
Согласно номенклатуре Менделеева для неназванных и неоткрытых элементов , хассий будет известен как «эка- осмий », как в «первый элемент после осмия в периодической таблице» (от санскритского eka, означающего «один»). В 1979 году ИЮПАК опубликовал рекомендации, согласно которым элемент должен был называться «уннилоктием» и присваиваться соответствующий символ «Uno», [75] систематическое название элемента в качестве заполнителя до тех пор, пока элемент не будет открыт, а затем открытие подтверждено, и не будет принято постоянное название. Хотя эти рекомендации широко соблюдались в химическом сообществе, конкурирующие физики в этой области игнорировали их. [76] [77] Они либо называли его «элементом 108», с символами E108 , (108) или 108 , либо использовали предложенное название «хассий». [78]
В 1990 году, пытаясь выйти из тупика в установлении приоритета открытия и наименования нескольких элементов, ИЮПАК подтвердил в своей номенклатуре неорганической химии , что после того, как существование элемента было установлено, первооткрыватели могли предложить название. (Кроме того, Комиссия по атомным весам была исключена из процесса наименования.) Первая публикация о критериях открытия элемента, выпущенная в 1991 году, указала на необходимость признания со стороны TWG. [74]
Армбрустер и его коллеги, официально признанные немецкие первооткрыватели, провели церемонию присвоения названий элементам 107–109, которые все были признаны открытыми GSI, 7 сентября 1992 года. Для элемента 108 ученые предложили название «хассий». [79] Оно происходит от латинского названия Hassia — немецкой земли Гессен, где расположен институт. [12] [73] Это название было предложено ИЮПАК в письменном ответе на их постановление о приоритете заявок на открытие элементов, подписанное 29 сентября 1992 года. [73]
Процесс наименования элемента 108 был частью более крупного процесса наименования ряда элементов, начиная с элемента 101 ; три команды — ОИЯИ, GSI и LBL — заявили об открытии нескольких элементов и праве называть эти элементы. Иногда эти претензии сталкивались; поскольку первооткрыватель считался имеющим право называть элемент, конфликты по поводу приоритета открытия часто приводили к конфликтам по поводу названий этих новых элементов. Эти конфликты стали известны как Трансфермиевые войны . [80] Различные предложения назвать весь набор элементов, начиная с 101 и далее, и они иногда назначали имена, предложенные одной командой, для использования для элементов, открытых другой. [p] Однако не все предложения были встречены с одинаковым одобрением; команды открыто протестовали против предложений по наименованию в нескольких случаях. [82]
В 1994 году Комиссия ИЮПАК по номенклатуре неорганической химии рекомендовала назвать элемент 108 «ганий» (Hn) в честь немецкого физика Отто Гана , чтобы элементы, названные в честь Гана и Лизы Мейтнер (было рекомендовано назвать элемент 109 мейтнерием, следуя предложению GSI), располагались рядом друг с другом, в честь их совместного открытия ядерного деления; [83] ИЮПАК прокомментировал, что они считают немецкое предложение неясным. [84] GSI выразил протест, заявив, что это предложение противоречит давней традиции предоставления первооткрывателю права предлагать название; [85] Американское химическое общество поддержало GSI. [12] Название «ганий», хотя и с другим символом Ha, уже было предложено и использовалось американскими учеными для элемента 105 , в отношении открытия которого у них был спор с ОИЯИ; таким образом, они протестовали против запутывающей перестановки названий. [86] После шумихи ИЮПАК сформировал специальный комитет из представителей национальных организаций-участников трех стран, где базируются конкурирующие институты; в 1995 году они разработали новый набор названий. Элемент 108 был снова назван ганием ; это предложение также было отклонено. [87] Окончательный компромисс был достигнут в 1996 году и опубликован в 1997 году; элемент 108 был назван хассием (Hs). [88] Одновременно с этим элементу 105 было присвоено название дубний (Db; от Дубны, места расположения ОИЯИ) , а название ганий не использовалось ни для одного элемента. [89] [90] [q]
Официальным обоснованием этого наименования, наряду с наименованием дармштадтий для элемента 110, было то, что оно завершило набор географических названий для местоположения GSI; этот набор был инициирован названиями 19-го века европий и германий . Этот набор послужил бы ответом на более раннее наименование америций , калифорний и берклий для элементов, открытых в Беркли. Армбрустер прокомментировал это: «Эта плохая традиция [r] была установлена Беркли. Мы хотели сделать это для Европы». [92] Позже, комментируя наименование элемента 112 , Армбрустер сказал: «Я сделал все, чтобы гарантировать, что мы не продолжим с немецкими учеными и немецкими городами». [92]
У хассия нет стабильных или встречающихся в природе изотопов. Несколько радиоактивных изотопов были синтезированы в лабораторных условиях, либо путем слияния двух атомов, либо путем наблюдения за распадом более тяжелых элементов. По состоянию на 2019 год количество всего когда-либо произведенного хассия составляло порядка сотен атомов. [101] [102] Было сообщено о тринадцати изотопах с массовыми числами от 263 до 277 (за исключением 274 и 276), шесть из которых — хассий-265, -266, -267, -269, -271 и -277 — имеют известные метастабильные состояния , [103] [w] хотя для хассия-277 это не подтверждено. [104] Большинство этих изотопов распадаются преимущественно через альфа-распад; это наиболее распространено для всех изотопов, для которых доступны всеобъемлющие характеристики распада, единственным исключением является хассий-277, который подвергается спонтанному делению. [103] Более легкие изотопы обычно синтезировались путем прямого слияния двух более легких ядер, тогда как более тяжелые изотопы обычно наблюдались как продукты распада ядер с большими атомными номерами. [95]
Атомные ядра имеют хорошо известные ядерные оболочки, и существование этих оболочек обеспечивает ядра дополнительной стабильностью. Если ядро имеет определенное количество протонов или нейтронов, называемых магическими числами, которые дополняют определенные ядерные оболочки, то ядро становится еще более стабильным по отношению к распаду. Самые высокие известные магические числа — 82 для протонов и 126 для нейтронов. Это понятие иногда расширяют, чтобы включить дополнительные числа между этими магическими числами, которые также обеспечивают некоторую дополнительную стабильность и указывают на закрытие «подоболочек». В отличие от более известных более легких ядер, сверхтяжелые ядра деформированы. До 1960-х годов модель жидкой капли была доминирующим объяснением структуры ядра. Она предполагала, что барьер деления исчезнет для ядер с примерно 280 нуклонами. [105] [106] Таким образом, считалось, что спонтанное деление произойдет почти мгновенно, прежде чем ядра смогут сформировать структуру, которая могла бы их стабилизировать; [60] оказалось, что ядра с Z ≈ 103 [x] были слишком тяжелыми, чтобы существовать в течение значительного периода времени. [107]
Более поздняя модель ядерных оболочек предполагала, что ядра с примерно тремястами 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, [105] [106] и следующее дважды магическое ядро (имеющее магические числа как протонов, так и нейтронов), как ожидается, будет находиться в центре острова стабильности в районе Z = 110–114 и предсказанного магического числа нейтронов N = 184. Последующие открытия предполагали, что предсказанный остров может быть дальше, чем первоначально предполагалось; они также показали, что ядра, промежуточные между долгоживущими актинидами и предсказанным островом, деформированы и получают дополнительную стабильность за счет эффектов оболочки. [106] Добавление к стабильности против спонтанного деления должно быть особенно большим против спонтанного деления, хотя увеличение стабильности против альфа-распада также будет выраженным. [106] Центр области на карте нуклидов, которая соответствовала бы этой стабильности для деформированных ядер, был определен как 270 Hs, причем 108, как ожидается, будет магическим числом для протонов для деформированных ядер — ядер, которые далеки от сферической формы, — а 162 — магическим числом для нейтронов для таких ядер. [108] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [109], а также с теми, которые ближе к ожидаемому острову, [60] показали большую, чем предполагалось ранее, стабильность против спонтанного деления, что показывает важность оболочечных эффектов для ядер.
Теоретические модели предсказывают область нестабильности для некоторых изотопов хассия, которая лежит около A = 275 [110] и N = 168–170, что находится между предсказанными замыканиями нейтронной оболочки при N = 162 для деформированных ядер и N = 184 для сферических ядер. [111] Предполагается, что нуклиды в этой области имеют низкие высоты барьеров деления, что приводит к коротким парциальным периодам полураспада в сторону спонтанного деления. Это предсказание подтверждается наблюдаемым одиннадцатимиллисекундным периодом полураспада 277 Hs и пятимиллисекундным периодом полураспада соседней изобары 277 Mt, поскольку было показано, что факторы помех от нечетного нуклона намного ниже, чем ожидалось. Измеренные периоды полураспада даже ниже, чем первоначально предсказанные для четно-четных 276 Hs и 278 Ds, что предполагает разрыв в стабильности вдали от замыканий оболочек и, возможно, ослабление замыканий оболочек в этой области. [111]
В 1991 году польские физики Зигмунт Патык и Адам Собичевский предсказали [112] , что 108 является протонным магическим числом для деформированных ядер, а 162 — нейтронным магическим числом для таких ядер. Это означает, что такие ядра постоянно деформированы в своем основном состоянии, но имеют высокие, узкие барьеры деления для дальнейшей деформации и, следовательно, относительно долгое время жизни до спонтанного деления. [113] [114] Вычислительные перспективы стабилизации оболочки для 270 Hs сделали его многообещающим кандидатом на деформированное дважды магическое ядро. [115] Экспериментальных данных мало, но существующие данные интерпретируются исследователями в поддержку назначения N = 162 в качестве магического числа. В частности, этот вывод был сделан на основе данных о распаде 269 Hs, 270 Hs и 271 Hs. [y] В 1997 году польский физик Роберт Смолянчук подсчитал, что изотоп 292 Hs может быть самым стабильным сверхтяжелым ядром по отношению к альфа-распаду и спонтанному делению вследствие предсказанного замыкания оболочки N = 184. [118] [119]
Известно, что хассий не встречается в природе на Земле; периоды полураспада всех его известных изотопов достаточно коротки, чтобы ни один изначальный хассий не сохранился до наших дней. Это не исключает возможности существования неизвестных, более долгоживущих изотопов или ядерных изомеров , некоторые из которых все еще могут существовать в следовых количествах, если они достаточно долгоживущие. Еще в 1914 году немецкий физик Рихард Суинн предложил элемент 108 в качестве источника рентгеновских лучей в ледяном щите Гренландии . Хотя Суинн не смог проверить это наблюдение и, таким образом, не претендовал на открытие, в 1931 году он предположил существование «областей» долгоживущих трансурановых элементов, включая один около Z = 108. [120]
В 1963 году советский геолог и физик Виктор Чердынцев, который ранее заявлял о существовании первичного кюрия -247, [121] заявил, что открыл элемент 108 — в частности, изотоп 267 108, который предположительно имел период полураспада от 400 до 500 миллионов лет — в природном молибдените и предложил временное название сергений (символ Sg); [122] [z] это название происходит от названия Шелкового пути и было объяснено как «происходящее из Казахстана » для него. [122] Его обоснование для утверждения, что сергений является более тяжелым гомологом осмия, заключалось в том, что минералы, предположительно содержащие сергений, образовывали летучие оксиды при кипячении в азотной кислоте , подобно осмию. [123]
Выводы Чердынцева подверглись критике со стороны советского физика Владимира Кулакова на том основании, что некоторые свойства, которые Чердынцев утверждал, что сергений имеет, не соответствовали тогдашней ядерной физике. Главные вопросы, поднятые Кулаковым, заключались в том, что заявленная энергия альфа-распада сергения была на много порядков ниже ожидаемой, а указанный период полураспада был на восемь порядков короче, чем можно было бы предсказать для нуклида, распадающегося по альфа-частицам с заявленной энергией распада. В то же время исправленный период полураспада в районе 10 16 лет был бы невозможен, поскольку это означало бы, что образцы содержали около ста миллиграммов сергения. [123] В 2003 году было высказано предположение, что наблюдаемый альфа-распад с энергией 4,5 МэВ может быть обусловлен низкоэнергетическим и сильно усиленным переходом между различными гипердеформированными состояниями изотопа хассия около 271Hs , что предполагает, что существование сверхтяжелых элементов в природе по крайней мере возможно, хотя и маловероятно. [124]
В 2006 году российский геолог Алексей Иванов выдвинул гипотезу, что изомер 271Hs может иметь период полураспада около(2,5 ± 0,5) × 10 8 лет, что объяснило бы наблюдение альфа-частиц с энергией около 4,4 МэВ в некоторых образцах молибденита и осмия . [125] Этот изомер 271 Hs мог бы быть получен в результате бета-распада 271 Bh и 271 Sg, которые, будучи гомологичными рению и молибдену соответственно, должны были бы встречаться в молибдените вместе с рением и молибденом , если бы они встречались в природе. Поскольку хассий гомологичен осмию, он должен был бы встречаться вместе с осмием в осмиридии, если бы он встречался в природе. Цепочки распада 271 Bh и 271 Sg являются гипотетическими, и прогнозируемый период полураспада этого гипотетического изомера хассия недостаточно велик для того, чтобы какое-либо достаточное количество осталось на Земле. [125] Возможно, что больше 271 Hs может быть отложено на Земле, поскольку Солнечная система проходит через спиральные рукава Млечного Пути ; это объяснило бы избытки плутония-239, обнаруженные на дне Тихого океана и Финского залива . Однако, минералы, обогащенные 271 Hs, как прогнозируется, будут иметь избытки его дочерних элементов урана-235 и свинца-207; они также будут иметь другие пропорции элементов, которые образуются во время спонтанного деления, таких как криптон , цирконий и ксенон . Естественное наличие хассия в таких минералах, как молибденит и осмирид, теоретически возможно, но очень маловероятно. [125]
В 2004 году ОИЯИ начал поиск природного хассия в подземной лаборатории Модан в Модане , Овернь-Рона-Альпы , Франция; это было сделано под землей, чтобы избежать помех и ложных срабатываний от космических лучей . [12] В 2008–09 годах эксперимент, проведенный в лаборатории, привел к обнаружению нескольких зарегистрированных событий нейтронной множественности (число испускаемых свободных нейтронов после того, как ядро столкнулось с нейтроном и расщепилось) выше трех в природном осмии, а в 2012–13 годах эти результаты были подтверждены в другом эксперименте, проведенном в лаборатории. Эти результаты намекали на то, что природный хассий потенциально может существовать в природе в количествах, которые позволяют его обнаружение средствами аналитической химии, но этот вывод основан на явном предположении, что существует долгоживущий изотоп хассия, к которому можно отнести зарегистрированные события. [126]
Поскольку 292 Hs может быть особенно устойчив к альфа-распаду и спонтанному делению, он рассматривался как кандидат на существование в природе. Однако этот нуклид, как предсказывают, очень нестабилен к бета-распаду, и любые бета-стабильные изотопы хассия, такие как 286 Hs, были бы слишком нестабильны в других каналах распада, чтобы их можно было наблюдать в природе. [119] Поиск 292 Hs в природе вместе с его гомологом осмием в Лаборатории Майера-Лейбница в Гархинге , Бавария , Германия, в 2012 году оказался безуспешным, установив верхний предел его распространенности на уровне3 × 10 −15 граммов хассия на грамм осмия. [127]
Различные расчеты показывают, что хассий должен быть самым тяжелым элементом 8-й группы на данный момент, в соответствии с периодическим законом . Его свойства должны в целом соответствовать ожидаемым для более тяжелого гомолога осмия; как и в случае со всеми трансактинидами , ожидается, что несколько отклонений возникнут из-за релятивистских эффектов . [128]
Было измерено очень мало свойств хассия или его соединений; это связано с его крайне ограниченным и дорогим производством [129] и тем фактом, что хассий (и его родители) распадаются очень быстро. Было измерено несколько отдельных свойств, связанных с химией, таких как энтальпия адсорбции тетраоксида хассия, но свойства металлического хассия остаются неизвестными, и доступны только прогнозы.
Релятивистские эффекты на хассии должны возникать из-за высокого заряда его ядер, что заставляет электроны вокруг ядра двигаться быстрее — настолько быстро, что их скорость становится сравнимой со скоростью света. [130] Существует три основных эффекта: прямой релятивистский эффект, косвенный релятивистский эффект и спин-орбитальное расщепление . (Существующие расчеты не учитывают взаимодействия Брейта , но они пренебрежимо малы, и их упущение может привести только к неопределенности текущих расчетов не более 2%.) [131]
С увеличением атомного числа увеличивается и электростатическое притяжение между электроном и ядром. Это приводит к увеличению скорости электрона, что приводит к увеличению его массы . Это, в свою очередь, приводит к сокращению атомных орбиталей , в частности s- и p1 /2 -орбиталей. Их электроны становятся более тесно связанными с атомом и их сложнее вытащить из ядра. Это прямой релятивистский эффект. Первоначально считалось, что он силен только для самых внутренних электронов, но позже было установлено, что он существенно влияет и на валентные электроны. [132]
Так как s- и p1 /2- орбитали находятся ближе к ядру, они берут на себя большую часть электрического заряда ядра («экранируют» его). Это оставляет меньше заряда для притяжения оставшихся электронов, орбитали которых, следовательно, расширяются, что облегчает их вытягивание из ядра. Это косвенный релятивистский эффект. [133] В результате сочетания прямого и косвенного релятивистских эффектов ион Hs + , по сравнению с нейтральным атомом, не имеет 6d-электрона, а не 7s-электрона. Для сравнения, Os + не имеет 6s-электрона по сравнению с нейтральным атомом. [4] Ионный радиус (в степени окисления +8) хассия больше, чем у осмия из-за релятивистского расширения 6p3 /2 -орбиталей, которые являются самыми внешними орбиталями для иона Hs8 + (хотя на практике такие сильно заряженные ионы были бы слишком поляризованы в химических средах, чтобы иметь большую реальность). [134]
Существует несколько видов электронных орбиталей, обозначаемых буквами s, p, d и f (предполагается, что g-орбитали начнут быть химически активными среди элементов после элемента 120 ). Каждая из них соответствует азимутальному квантовому числу l : s = 0, p = 1, d = 2 и f = 3. Каждому электрону также соответствует спиновое квантовое число s , которое может быть равно либо +1/2, либо −1/2. [135] Таким образом, полное квантовое число углового момента j = l + s равно j = l ± 1/2 (за исключением l = 0, для которого для обоих электронов на каждой орбитали j = 0 + 1/2 = 1/2). [135] Спин электрона релятивистски взаимодействует с его орбитой, и это взаимодействие приводит к расщеплению подоболочки на две с разными энергиями (та, у которой j = l − 1/2, имеет меньшую энергию, и, таким образом, эти электроны труднее извлечь): [136] например, из шести 6p-электронов два становятся 6p 1/2 , а четыре становятся 6p 3/2 . Это спин-орбитальное расщепление (иногда также называемое расщеплением подоболочки или jj- связью ). [137] [aa] Это наиболее заметно с p-электронами, [131] которые не играют важной роли в химии хассия, [9] но для d- и f-электронов они находятся в пределах того же порядка величины [131] (количественно спин-орбитальное расщепление выражается в единицах энергии, таких как электронвольты ). [135]
Эти релятивистские эффекты ответственны за ожидаемое увеличение энергии ионизации , уменьшение сродства к электрону и увеличение стабильности степени окисления +8 по сравнению с осмием; без них тенденции были бы обратными. [139] Релятивистские эффекты уменьшают энергию атомизации соединений хассия, поскольку спин-орбитальное расщепление d-орбитали снижает энергию связи между электронами и ядром и поскольку релятивистские эффекты уменьшают ионный характер связи. [139]
Предыдущие члены группы 8 имеют относительно высокие температуры плавления: Fe, 1538 °C; Ru , 2334 °C; Os, 3033 °C. Подобно им, хассий, как ожидается, будет твердым веществом при комнатной температуре [5], хотя его температура плавления не была точно рассчитана. Хассий должен кристаллизоваться в гексагональной плотноупакованной структуре ( c / a = 1,59), [5] подобно своему более легкому родственнику осмию. [5] Рассчитано, что чистый металлический хассий [5] [140] имеет объемный модуль упругости (сопротивление всестороннему сжатию) 450 ГПа , что сопоставимо с модулем алмаза , 442 ГПа. [141] Ожидается, что хассий будет одним из самых плотных из 118 известных элементов с прогнозируемой плотностью 27–29 г/см 3 по сравнению с 22,59 г/см 3, измеренными для осмия. [6] [7]
Ожидается, что атомный радиус хассия составит около 126 пм. [10] Из-за релятивистской стабилизации 7s-орбитали и дестабилизации 6d-орбитали ион Hs +, как предсказывают, будет иметь электронную конфигурацию [ Rn ] 5f 14 6d 5 7s 2 , отдавая 6d-электрон вместо 7s-электрона, что противоположно поведению его более легких гомологов. Ожидается, что ион Hs2 + будет иметь электронную конфигурацию [Rn] 5f 14 6d 5 7s 1 , аналогичную рассчитанной для иона Os2 + . [4] В химических соединениях хассий, как рассчитывается, демонстрирует связывающую характеристику для элемента d-блока , чья связь будет в основном выполняться 6d 3/2 и 6d 5/2 орбиталями; По сравнению с элементами предыдущих периодов, орбитали 7s, 6p 1/2 , 6p 3/2 и 7p 1/2 должны быть более важными. [142]
Хассий является шестым членом 6d ряда переходных металлов и, как ожидается, во многом похож на металлы платиновой группы . [144] Некоторые из этих свойств были подтверждены экспериментами по химии в газовой фазе. [145] [146] [147] Элементы группы 8 демонстрируют широкий спектр степеней окисления, но рутений и осмий легко демонстрируют свою групповую степень окисления +8; это состояние становится более стабильным по мере продвижения по группе. [143] [148] [149] Эта степень окисления встречается крайне редко: среди стабильных элементов только рутений, осмий и ксенон способны достигать ее в достаточно стабильных соединениях. [ab] Ожидается, что хассий последует за своими сородичами и будет иметь стабильное состояние +8, [146] но, как и они, он должен показывать более низкие стабильные степени окисления, такие как +6, +4, +3 и +2. [10] [152] Ожидается, что хассий(IV) будет более стабильным, чем хассий(VIII) в водном растворе. [153] Хассий должен быть довольно благородным металлом . [154] Стандартный восстановительный потенциал для пары Hs 4+ /Hs, как ожидается, составит 0,4 В. [10]
Группа 8 элементов показывает отличительную оксидную химию. Все более легкие члены имеют известные или гипотетические тетроксиды, MO 4 . [155] Их окислительная способность уменьшается по мере спуска в группе. FeO 4 неизвестен из-за его необычайно большого сродства к электрону — количества энергии, высвобождаемой при добавлении электрона к нейтральному атому или молекуле для образования отрицательного иона [156] — что приводит к образованию хорошо известного оксианиона феррата(VI) , FeO2−
4[157] Тетроксид рутения , RuO 4 , который образуется при окислении рутения (VI) в кислоте, легко восстанавливается до рутената (VI), RuO2−
4. [158] [159] Окисление металлического рутения на воздухе образует диоксид RuO 2 . [160] Напротив, осмий сгорает, образуя стабильный тетроксид OsO 4 , [161] [162] который образует комплекс с гидроксид-ионом, образуя комплекс осмия (VIII) - ата , [OsO 4 (OH) 2 ] 2− . [163] Следовательно, хассий должен вести себя как более тяжелый гомолог осмия, образуя стабильный, очень летучий тетроксид HsO 4 , [12] [145] [147] [148] [164] который подвергается комплексообразованию с гидроксидом , образуя хассат (VIII), [HsO 4 (OH) 2 ] 2− . [165] Тетроксид рутения и тетроксид осмия оба являются летучими из-за их симметричной тетраэдрической молекулярной геометрии и потому, что они являются нейтральными по заряду; тетроксид хассия должен быть аналогичным образом очень летучим твердым веществом. Экспериментально известно, что тенденция летучести тетроксидов группы 8 составляет RuO 4 < OsO 4 > HsO 4 , что подтверждает расчетные результаты. В частности, расчетные энтальпии адсорбции — энергии, необходимой для адгезии атомов, молекул или ионов из газа, жидкости или растворенного твердого вещества к поверхности — HsO 4 , −(45,4 ± 1) кДж/моль на кварце , очень хорошо согласуются с экспериментальным значением −(46 ± 2) кДж/моль. [166]
Первой целью химического исследования было образование тетроксида; он был выбран потому, что рутений и осмий образуют летучие тетроксиды, будучи единственными переходными металлами, которые демонстрируют стабильное соединение в степени окисления +8. [167] Несмотря на то, что этот выбор для газофазных химических исследований был ясен с самого начала, [148] химическая характеристика хассия долгое время считалась сложной задачей. [148] Хотя изотопы хассия были впервые синтезированы в 1984 году, только в 1996 году был синтезирован изотоп хассия, достаточно долгоживущий, чтобы позволить проводить химические исследования. К сожалению, этот изотоп хассия, 269 Hs, был синтезирован косвенно из распада 277 Cn; [148] не только методы непрямого синтеза не подходят для химических исследований, [168] но и реакция, которая произвела изотоп 277 Cn, имела низкий выход — его поперечное сечение было всего 1 пб [148] — и, таким образом, не давала достаточно атомов хассия для химического исследования. [144] Прямой синтез 269 Hs и 270 Hs в реакции 248 Cm( 26 Mg, x n) 274− x Hs ( x = 4 или 5) оказался более многообещающим, поскольку поперечное сечение для этой реакции было несколько больше и составляло 7 пб. [148] Этот выход все еще был примерно в десять раз ниже, чем для реакции, используемой для химической характеристики бория . [148] Новые методы облучения, разделения и обнаружения должны были быть внедрены, прежде чем хассий мог быть успешно охарактеризован химически. [148]
Рутений и осмий имеют очень схожую химию из-за лантаноидного сжатия , но железо демонстрирует некоторые отличия от них; например, хотя рутений и осмий образуют стабильные тетроксиды, в которых металл находится в степени окисления +8, железо этого не делает. [148] [155] При подготовке к химической характеристике хассия исследования были сосредоточены на рутении и осмии, а не на железе [148], поскольку ожидалось, что хассий будет похож на рутений и осмий, поскольку прогнозируемые данные по хассию близко соответствовали данным по этим двум элементам. [169] [170]
Первые химические эксперименты были проведены с использованием газовой термохроматографии в 2001 году с использованием синтетических радиоизотопов осмия 172 Os и 173 Os в качестве эталона. В ходе эксперимента было синтезировано семь атомов хассия с использованием реакций 248 Cm( 26 Mg,5n) 269 Hs и 248 Cm( 26 Mg,4n) 270 Hs. Затем они были термализованы и окислены в смеси газов гелия и кислорода с образованием молекул тетроксида хассия . [145] [147] [171]
Измеренная температура осаждения тетроксида хассия была выше, чем у тетроксида осмия, что указывало на то, что первый был менее летучим, и это помещало хассий прочно в группу 8. [145] [147] [172] Измеренная энтальпия адсорбции для HsO 4 ,−46 ± 2 кДж/моль , что значительно ниже прогнозируемого значения,−36,7 ± 1,5 кДж/моль , что указывает на то, что OsO 4 более летуч, чем HsO 4 , что противоречит более ранним расчетам, которые подразумевали, что они должны иметь очень схожую летучесть. Для сравнения, значение для OsO 4 равно−39 ± 1 кДж/моль . [173] (Расчеты, давшие более близкое соответствие экспериментальным данным, были сделаны после эксперимента, в 2008 году.) [166] Возможно, что тетроксид хассия взаимодействует иначе с нитридом кремния, чем с диоксидом кремния , химикатами, используемыми для детектора; необходимы дальнейшие исследования, чтобы установить, есть ли разница между такими взаимодействиями и повлияло ли это на измерения. Такие исследования будут включать более точные измерения ядерных свойств 269 Hs и сравнения с RuO 4 в дополнение к OsO 4 . [172]
В 2004 году ученые провели реакцию тетроксида хассия и гидроксида натрия, образовав хассат натрия (VIII), реакцию, хорошо известную для осмия. Это была первая кислотно-щелочная реакция с соединением хассия, в результате которой образовался хассат натрия (VIII): [165]
Группа из Университета Майнца планировала в 2008 году изучить электроосаждение атомов хассия с использованием нового объекта TASCA в GSI. Их целью было использовать реакцию 226 Ra( 48 Ca,4n) 270 Hs. [174] Ученые из GSI надеялись использовать TASCA для изучения синтеза и свойств соединения хассия(II) хассоцена, Hs( C 5 H 5 ) 2 , с использованием реакции 226 Ra( 48 Ca, x n). Это соединение аналогично более легким соединениям ферроцену , рутеноцену и осмоцену и, как ожидается, будет иметь два циклопентадиенильных кольца в заслоненной конформации , как рутеноцен и осмоцен, а не в шахматной конформации, как ферроцен. [152] Хассоцен, который, как ожидается, будет стабильным и очень летучим соединением, был выбран, потому что он имеет хассий в низкой формальной степени окисления +2 — хотя связь между металлом и кольцами в основном ковалентная в металлоценах — а не в высокой степени +8, которая ранее исследовалась, и релятивистские эффекты, как ожидалось, будут сильнее в более низкой степени окисления. Высокосимметричная структура хассоцена и его низкое число атомов облегчают релятивистские расчеты. [152] По состоянию на 2021 год [обновлять]нет экспериментальных отчетов о хассоцене. [175]