Унбиуний , также известный как экаактиний или элемент 121 , является гипотетическим химическим элементом ; он имеет символ Ubu и атомный номер 121. Унбиуний и Убу являются временными систематическими названием и символом ИЮПАК соответственно, которые используются до тех пор, пока элемент не будет открыт, подтвержден и не будет принято решение о постоянном названии. В периодической таблице элементов он, как ожидается, будет первым из суперактинидов и третьим элементом в восьмом периоде . Он привлек внимание из-за некоторых предсказаний, что он может находиться на острове стабильности . Он также, вероятно, будет первым из нового g-блока элементов.
Унбиуний пока не синтезирован. Ожидается, что он станет одним из последних немногих достижимых элементов с использованием современных технологий; предел может находиться где-то между элементами 120 и 124. Его также, вероятно, будет гораздо сложнее синтезировать, чем известные до сих пор элементы до 118, и еще сложнее, чем элементы 119 и 120. Команды в RIKEN в Японии и в ОИЯИ в Дубне , Россия, заявили о планах попытаться синтезировать элемент 121 в будущем после того, как они попытаются синтезировать элементы 119 и 120.
Положение унбиуния в периодической таблице предполагает, что он будет иметь свойства, схожие с лантаном и актинием ; однако релятивистские эффекты могут привести к тому, что некоторые из его свойств будут отличаться от тех, которые ожидаются при прямом применении периодических тенденций . Например, ожидается, что унбиуний будет иметь конфигурацию валентных электронов 2 p вместо s 2 d лантана и актиния или s 2 g, ожидаемых из правила Маделунга , но, как ожидается, это не сильно повлияет на его химию. С другой стороны, он значительно снизит свою первую энергию ионизации по сравнению с тем, что можно было бы ожидать от периодических тенденций.
Сверхтяжелое [a] атомное ядро создается в ядерной реакции, которая объединяет 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 прореагируют. [8] 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. [9] 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. [9]
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. [9] [10] Это происходит потому, что во время попытки образования единого ядра электростатическое отталкивание разрывает формирующееся ядро. [9] 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. [c] 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. [9]
Результирующее слияние является возбужденным состоянием [13] — называемым составным ядром — и поэтому оно очень нестабильно. [9] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может расщепляться без образования более стабильного ядра. [14] 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. [14] 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. [15] [d]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры, сепаратора; если образуется новое ядро, оно переносится этим пучком. [17] В сепараторе вновь образованное ядро отделяется от других нуклидов (ядра исходного пучка и любых других продуктов реакции) [e] и передается в поверхностно-барьерный детектор , который останавливает ядро. Точное место предстоящего удара по детектору отмечается; также отмечаются его энергия и время прибытия. [17] Передача занимает около 10−6 секунд ; чтобы быть обнаруженным, ядро должно прожить это время. [20] Ядро регистрируется снова после того, как регистрируется его распад, и измеряются местоположение, энергия и время распада. [17]
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. [21] 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. [22] [23] Таким образом, теоретически предсказано [24] и до сих пор наблюдалось [25] , что сверхтяжелые ядра в основном распадаются через моды распада, которые вызваны таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление . [f] Почти все альфа-излучатели имеют более 210 нуклонов, [27] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [28] В обоих режимах распада ядрам препятствуют распадаться соответствующие энергетические барьеры для каждого режима, но они могут туннелироваться через них. [22] [23]
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. [30] Спонтанное деление вызвано электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро, и производит различные ядра в различных случаях деления идентичных ядер. [23] 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), [31] и на 30 порядков величины от тория (элемент 90) до фермия (элемент 100). [32] 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. [23] [33] 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. [23] [33] 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. [34] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [35], а также с теми, которые ближе к ожидаемому острову, [31] показали большую, чем предполагалось ранее, стабильность по отношению к спонтанному делению, что показывает важность оболочечных эффектов для ядер. [g]
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. [h] (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.) [17] Известное ядро можно распознать по определенным характеристикам распада, которым оно подвергается, таким как энергия распада (или, более конкретно, кинетическая энергия испускаемой частицы). [i] Однако спонтанное деление производит различные ядра в качестве продуктов, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним ядрам. [j]
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. [k]Реакции синтеза, в результате которых образуются сверхтяжелые элементы , можно разделить на «горячий» и «холодный» синтез [l] в зависимости от энергии возбуждения образующегося составного ядра. В реакциях горячего синтеза очень легкие высокоэнергетические снаряды ускоряются в направлении очень тяжелых мишеней ( актинидов ), что приводит к образованию составных ядер с высокими энергиями возбуждения (~40–50 МэВ ), которые могут делиться или испарять несколько (от 3 до 5) нейтронов. [48] В реакциях холодного синтеза (которые используют более тяжелые снаряды, как правило, из четвертого периода , и более легкие мишени, обычно свинец и висмут ) полученные сплавленные ядра имеют относительно низкую энергию возбуждения (~10–20 МэВ), что снижает вероятность того, что эти продукты подвергнутся реакциям деления. По мере того, как сплавленные ядра остывают до основного состояния , им требуется испускание только одного или двух нейтронов. Однако реакции горячего синтеза, как правило, производят больше нейтронно-богатых продуктов, поскольку актиниды имеют самые высокие отношения нейтронов к протонам среди всех элементов, которые в настоящее время могут быть получены в макроскопических количествах; в настоящее время это единственный метод получения сверхтяжелых элементов, начиная с флеровия (элемент 114) и далее. [49]
Попытки синтезировать элементы 119 и 120 раздвигают границы современных технологий из-за уменьшающихся сечений реакций производства и их, вероятно, коротких периодов полураспада , [46] которые, как ожидается, составят порядка микросекунд. [1] [50] Более тяжелые элементы, начиная с элемента 121, вероятно, будут слишком короткоживущими, чтобы их можно было обнаружить с помощью современных технологий, распадаясь в течение микросекунды, прежде чем достигнуть детекторов. [46] Где находится эта граница в одну микросекунду периодов полураспада, неизвестно, и это может позволить синтезировать некоторые изотопы элементов 121–124, с точным пределом, зависящим от модели, выбранной для прогнозирования масс нуклидов. [50] Также возможно, что элемент 120 является последним элементом, достижимым с помощью современных экспериментальных методов, и что элементы от 121 и далее потребуют новых методов. [46]
Из-за невозможности синтеза элементов за пределами калифорния ( Z = 98) в достаточных количествах для создания мишени, с эйнштейнием ( Z = 99) в настоящее время рассматриваются мишени, практический синтез элементов за пределами оганесона требует более тяжелых снарядов, таких как титан -50, хром -54, железо -58 или никель -64. [51] [52] Однако это имеет недостаток, приводящий к более симметричным реакциям синтеза, которые являются более холодными и менее вероятными для успеха. [51] Например, реакция между 243 Am и 58 Fe, как ожидается, будет иметь поперечное сечение порядка 0,5 fb , на несколько порядков ниже, чем измеренные поперечные сечения в успешных реакциях; такое препятствие сделало бы эту и подобные реакции неосуществимыми для получения унбиуния. [53]
Синтез унбиуния был впервые предпринят в 1977 году путем бомбардировки мишени из урана-238 ионами меди -65 в Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) в Дармштадте , Германия :
Атомы не были идентифицированы. [54]
В настоящее время интенсивность пучка на объектах сверхтяжелых элементов приводит к тому, что в цель в секунду попадает около 10 12 снарядов; это невозможно увеличить без сжигания мишени и детектора, а производство большего количества все более нестабильных актинидов, необходимых для мишени, нецелесообразно. Команда Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне построила новую фабрику сверхтяжелых элементов (SHE-фабрику) с улучшенными детекторами и возможностью работы в меньших масштабах, но даже в этом случае продолжение работы за пределами элемента 120 и, возможно, 121 было бы большой проблемой. [56] Возможно, что эпоха реакций синтеза-испарения для получения новых сверхтяжелых элементов подходит к концу из-за все более коротких периодов полураспада до спонтанного деления и надвигающейся границы протонной капельной зоны , поэтому для достижения суперактинидов потребуются новые методы, такие как реакции ядерного переноса (например, выстреливание ядер урана друг в друга и предоставление им возможности обмениваться протонами, что потенциально приводит к получению продуктов с примерно 120 протонами). [56]
Поскольку поперечные сечения этих реакций слияния-испарения увеличиваются с асимметрией реакции, титан был бы лучшим снарядом, чем хром, для синтеза элемента 121, [57] хотя это требует мишени из эйнштейния . Это создает серьезные проблемы из-за значительного нагрева и повреждения мишени из-за высокой радиоактивности эйнштейния-254, но, тем не менее, это, вероятно, был бы наиболее многообещающий подход. Это потребовало бы работы в меньших масштабах из-за меньшего количества 254 Es, которое может быть произведено. Эта мелкомасштабная работа в ближайшем будущем может быть выполнена только на SHE-фабрике в Дубне. [58]
Изотопы 299 Ubu, 300 Ubu и 301 Ubu, которые могут быть получены в реакции между 254 Es и 50 Ti через каналы 3n и 4n, как ожидается, будут единственными достижимыми изотопами унбиуния с периодами полураспада, достаточно длинными для обнаружения. Тем не менее, сечения будут раздвигать пределы того, что в настоящее время может быть обнаружено. Например, в публикации 2016 года было предсказано, что сечение вышеупомянутой реакции между 254 Es и 50 Ti составит около 7 фб в канале 4n [59] , что в четыре раза ниже самого низкого измеренного сечения для успешной реакции. Расчет 2021 года дает столь же низкие теоретические сечения 10 фб для канала 3n и 0,6 фб для канала 4n этой реакции, а также сечения порядка 1–10 фб для реакций 249 Bk+ 54 Cr, 252 Es+ 50 Ti и 258 Md+ 48 Ca. [60] Однако 252 Es и 258 Md в настоящее время не могут быть синтезированы в достаточных количествах для формирования целевого материала. [ необходима цитата ]
Если синтез изотопов унбиуния в такой реакции будет успешным, полученные ядра будут распадаться через изотопы унунения, которые могут быть получены путем перекрестной бомбардировки в реакциях 248 Cm+ 51 V или 249 Bk+ 50 Ti, вплоть до известных изотопов теннессина и московия, синтезированных в реакциях 249 Bk+ 48 Ca и 243 Am+ 48 Ca. [46] Множественность возбужденных состояний, заселенных альфа-распадом нечетных ядер, может, однако, исключить явные случаи перекрестной бомбардировки, как это было показано в спорной связи между 293 Ts и 289 Mc. [61] [62] Ожидается, что более тяжелые изотопы будут более стабильными; Предполагается, что 320 Ubu будет самым стабильным изотопом унбиуния, но синтезировать его с помощью современных технологий невозможно, поскольку ни одна комбинация пригодной для использования мишени и снаряда не может обеспечить достаточное количество нейтронов. [2]
Команды RIKEN и ОИЯИ включили синтез элемента 121 в свои будущие планы. [58] [63] [64] Эти две лаборатории лучше всего подходят для таких экспериментов, поскольку они единственные в мире, где для реакций с такими низкими прогнозируемыми сечениями доступны большие времена пучка. [65]
Используя номенклатуру Менделеева для неназванных и неоткрытых элементов , унбиуний следует называть экаактинием . Используя рекомендации ИЮПАК 1979 года , элемент следует временно называть унбиунием (символ Ubu ) до тех пор, пока он не будет открыт, открытие не будет подтверждено и не будет выбрано постоянное название. [66] Хотя эти рекомендации широко используются в химическом сообществе на всех уровнях, от учебных заведений по химии до продвинутых учебников, они в основном игнорируются учеными, которые теоретически или экспериментально работают со сверхтяжелыми элементами, и называют его «элементом 121» с символом E121 , (121) или 121. [1 ]
Стабильность ядер значительно уменьшается с увеличением атомного номера после кюрия , элемента 96, период полураспада которого на четыре порядка больше, чем у любого известного в настоящее время элемента с более высоким номером. 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. [67] Тем не менее, по причинам, которые пока не совсем понятны, наблюдается небольшое увеличение ядерной стабильности около атомных номеров 110 – 114 , что приводит к появлению того, что в ядерной физике известно как « остров стабильности ». Эта концепция, предложенная профессором Калифорнийского университета Гленном Сиборгом и вытекающая из стабилизирующих эффектов замкнутых ядерных оболочек вокруг Z = 114 (или, возможно, 120 , 122 , 124 или 126 ) и N = 184 (и, возможно, также N = 228), объясняет, почему сверхтяжелые элементы существуют дольше, чем предсказывалось. [68] [69] Фактически, само существование элементов тяжелее резерфордия может быть подтверждено оболочечными эффектами и островом стабильности, поскольку спонтанное деление быстро привело бы к распаду таких ядер в модели, пренебрегающей такими факторами. [70]
Расчет периодов полураспада изотопов унбиуния от 290 Ubu до 339 Ubu, проведенный в 2016 году, показал, что изотопы от 290 Ubu до 303 Ubu не будут связаны и распадутся через испускание протонов , изотопы от 304 Ubu до 314 Ubu подвергнутся альфа-распаду, а изотопы от 315 Ubu до 339 Ubu подвергнутся спонтанному делению. Только изотопы от 309 Ubu до 314 Ubu будут иметь достаточно длительное время жизни в состоянии альфа-распада, чтобы их можно было обнаружить в лабораториях, начиная цепочки распада, заканчивающиеся спонтанным делением на московии , теннессине или унуненнии . Это представляет серьезную проблему для экспериментов, направленных на синтез изотопов унбиуния, если это правда, поскольку изотопы, альфа-распад которых можно было бы наблюдать, не могли быть достигнуты ни одной из ныне используемых комбинаций мишени и снаряда. [71] Расчеты, проведенные в 2016 и 2017 годах теми же авторами для элементов 123 и 125, предполагают менее мрачный результат, при этом цепочки альфа-распада от более доступных нуклидов 300–307 Ubt проходят через унбиуний и ведут к борию или нихонию . [72] Также было высказано предположение, что кластерный распад может быть значимым режимом распада в конкуренции с альфа-распадом и спонтанным делением в области после Z = 120, что может стать еще одним препятствием для экспериментальной идентификации этих нуклидов. [73] [74] [75]
Предполагается, что унбиуний станет первым элементом беспрецедентно длинного ряда переходов, называемых суперактинидами по аналогии с более ранними актинидами. Хотя его поведение, скорее всего, не будет сильно отличаться от лантана и актиния, [1] он, скорее всего, наложит ограничение на применимость периодического закона; от элемента 121 ожидается, что орбитали 5g, 6f, 7d и 8p 1/2 заполнятся вместе из-за их очень близких энергий, а вокруг элементов в конце 150-х и 160-х годов присоединятся подоболочки 9s, 9p 1/2 и 8p 3/2 , так что химия элементов сразу за 121 и 122 (последний, для которого были проведены полные расчеты), как ожидается, будет настолько схожей, что их положение в периодической таблице будет чисто формальным вопросом. [76] [1]
Исходя из принципа Ауфбау , можно было бы ожидать, что подоболочка 5g начнет заполняться на атоме унбиуния. Однако, хотя лантан и имеет значительное участие 4f в своей химии, у него еще нет 4f-электрона в его конфигурации газовой фазы основного состояния; большая задержка происходит для 5f, где ни атомы актиния, ни атомы тория не имеют 5f-электрона, хотя 5f вносит вклад в их химию. Прогнозируется, что похожая ситуация задержанного «радиального» коллапса может произойти для унбиуния, так что орбитали 5g не начнут заполняться до элемента 125, хотя некоторое химическое участие 5g может начаться раньше. Из-за отсутствия радиальных узлов в 5g-орбиталях, аналогичных 4f, но не 5f-орбиталям, ожидается, что положение унбиуния в периодической таблице будет более схожим с положением лантана, чем актиния среди его сородичей, и Пекка Пююккё предложил переименовать суперактиниды в «суперлантаниды» по этой причине. [77] Отсутствие радиальных узлов в 4f-орбиталях способствует их поведению, подобному ядру, в ряду лантаноидов, в отличие от более валентных 5f-орбиталей в актинидах; однако релятивистское расширение и дестабилизация 5g-орбиталей должны частично компенсировать их отсутствие радиальных узлов и, следовательно, меньшую протяженность. [78]
Ожидается, что унбиуний заполнит орбиталь 8p 1/2 из-за его релятивистской стабилизации с конфигурацией [Og] 8s 2 8p 1 . Тем не менее, конфигурация [Og] 7d 1 8s 2 , которая была бы аналогична лантану и актинию, как ожидается, будет низколежащим возбужденным состоянием всего при 0,412 эВ [79], а ожидаемая конфигурация [Og] 5g 1 8s 2 из правила Маделунга должна быть при 2,48 эВ [80] . Ожидается, что электронные конфигурации ионов унбиуния будут следующими: Ubu + , [Og]8s 2 ; Ubu 2+ , [Og]8s 1 ; и Ubu 3+ , [Og]. [81] Ожидается, что 8p-электрон унбиуния будет очень слабо связан, так что его прогнозируемая энергия ионизации 4,45 эВ ниже, чем у унуненния (4,53 эВ) и всех известных элементов, за исключением щелочных металлов от калия до франция . Подобное большое снижение энергии ионизации также наблюдается в лоуренсии , другом элементе, имеющем аномальную s 2 p-конфигурацию из-за релятивистских эффектов . [1]
Несмотря на изменение электронной конфигурации и возможность использования оболочки 5g, не ожидается, что унбиуний будет вести себя химически сильно иначе, чем лантан и актиний. Расчет 2016 года для монофторида унбиуния (UbuF) показал сходство между валентными орбиталями унбиуния в этой молекуле и орбиталями актиния в монофториде актиния (AcF); в обеих молекулах ожидается, что самая высокая занятая молекулярная орбиталь будет несвязывающей, в отличие от внешне более похожего монофторида нихония (NhF), где она связывающая. Нихоний имеет электронную конфигурацию [Rn] 5f 14 6d 10 7s 2 7p 1 с валентной конфигурацией s 2 p. Унбиуний, следовательно, может быть чем-то похож на лоуренсий, имея аномальную s 2 p конфигурацию, которая не влияет на его химию: ожидается, что энергии диссоциации связей, длины связей и поляризуемости молекулы UbuF продолжат тенденцию через скандий, иттрий, лантан и актиний, все из которых имеют три валентных электрона над ядром благородного газа. Ожидается, что связь Ubu–F будет сильной и поляризованной, как и для монофторидов лантана и актиния. [2]
Ожидается, что несвязывающие электроны на унбиунии в UbuF смогут связываться с дополнительными атомами или группами, что приведет к образованию тригалогенидов унбиуния UbuX 3 , аналогичных LaX 3 и AcX 3 . Следовательно, основная степень окисления унбиуния в его соединениях должна быть +3, хотя близость энергетических уровней валентных подоболочек может допускать более высокие степени окисления, как в элементах 119 и 120. [1] [2] [77] Релятивистские эффекты, по-видимому, малы для тригалогенидов унбиуния, причем UbuBr 3 и LaBr 3 имеют очень похожую связь, хотя первый должен быть более ионным. [82] Стандартный электродный потенциал для пары Ubu 3+ → Ubu прогнозируется как −2,1 В. [1]
настоящее время ОИЯИ строит первую в мире фабрику сверхтяжелых элементов для синтеза элементов 119, 120 и 121, а также для углубленного изучения свойств ранее полученных элементов.