Сверхтяжелые элементы , также известные как трансактинидные элементы , трансактиниды или сверхтяжелые элементы , или сокращенно сверхтяжелые , являются химическими элементами с атомным номером больше 104. [1] Сверхтяжелые элементы - это те, которые находятся за актинидами 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 определения группы 3, принятого авторами, лоуренсий также может быть включен для завершения ряда 6d. [2] [3] [4] [5]
Гленн Т. Сиборг первым предложил концепцию актинидов , что привело к принятию ряда актинидов . Он также предложил ряд трансактинидов, охватывающий элементы 104-121 , и ряд суперактинидов, приблизительно охватывающий элементы 122-153 (хотя более поздние работы предполагают, что конец ряда суперактинидов приходится на элемент 157). Трансактинид сиборгий был назван в его честь. [6] [7]
Сверхтяжелые элементы радиоактивны и были получены только синтетическим путем в лабораториях. Ни один макроскопический образец любого из этих элементов никогда не был получен. Все сверхтяжелые элементы названы в честь физиков и химиков или важных мест, участвовавших в синтезе элементов.
ИЮПАК определяет элемент как существующий, если его время жизни превышает 10−14 секунд , что является временем, необходимым атому для образования электронного облака. [8]
Известные сверхтяжелые элементы входят в состав серий 6d и 7p в периодической таблице. За исключением резерфордия и дубния (и лоуренсия, если он включен), даже самые долгоживущие известные изотопы сверхтяжелых элементов имеют период полураспада в несколько минут или меньше. Спор о наименовании элементов затронул 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 скоро после подтверждения открытия.)
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. [14] 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. [15] 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. [15]
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. [15] [16] Это происходит потому, что во время попытки образования единого ядра электростатическое отталкивание разрывает формирующееся ядро. [15] 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. [15]
Результирующее слияние является возбужденным состоянием [19] — называемым составным ядром — и поэтому оно очень нестабильно. [15] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может расщепляться без образования более стабильного ядра. [20] 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. [20] 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. [21] [d]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры, сепаратора; если образуется новое ядро, оно переносится этим пучком. [23] 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. [23] Передача занимает около 10−6 секунд ; чтобы быть обнаруженным, ядро должно прожить это время. [26] Ядро регистрируется снова после того, как регистрируется его распад, и измеряются местоположение, энергия и время распада. [23]
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. [27] 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. [28] [29] Таким образом, теоретически предсказано [30] и до сих пор наблюдалось [31] , 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, [33] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [34] В обоих режимах распада ядрам препятствуют распадаться соответствующие энергетические барьеры для каждого режима, но они могут туннелироваться через них. [28] [29]
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. [36] Спонтанное деление вызвано электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро, и производит различные ядра в различных случаях деления идентичных ядер. [29] 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), [37] и на 30 порядков величины от тория (элемент 90) до фермия (элемент 100). [38] 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. [29] [39] 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. [29] [39] 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. [40] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [41], а также с теми, которые ближе к ожидаемому острову, [37] 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.) [23] 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]
Самым тяжелым элементом, известным в конце 19 века, был уран с атомной массой около 240 (теперь известно, что 238) а.е.м. Соответственно, он был помещен в последнюю строку периодической таблицы; это подпитывало спекуляции о возможном существовании элементов тяжелее урана и о том, почему A = 240, казалось, был пределом. После открытия благородных газов , начиная с аргона в 1895 году, рассматривалась возможность более тяжелых членов группы. Датский химик Юлиус Томсен в 1895 году предположил существование шестого благородного газа с Z = 86, A = 212 и седьмого с Z = 118, A = 292, последний из которых замыкал 32-элементный период, содержащий торий и уран. [52] В 1913 году шведский физик Иоганнес Ридберг расширил экстраполяцию Томсена периодической таблицы, 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. [53]
В 1914 году немецкий физик Рихард Суинн предположил, что элементы тяжелее урана, такие как около Z = 108, могут быть обнаружены в космических лучах . Он предположил, что эти элементы не обязательно имеют уменьшающиеся периоды 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. [54]
Работа, выполненная с 1961 по 2013 год в четырех лабораториях — Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в США, Объединенном институте ядерных исследований в СССР (позже в России), Центре исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца GSI в Германии и Riken в Японии — идентифицировала и подтвердила элементы от лоуренсия до оганесона в соответствии с критериями рабочих групп по трансфермию ИЮПАК — ИЮПАП и последующих совместных рабочих групп. Эти открытия завершают седьмую строку периодической таблицы. Следующие два элемента, унуненний ( Z = 119) и унбинилий ( Z = 120), еще не синтезированы. Они положат начало восьмому периоду.
Из-за их коротких периодов полураспада (например, наиболее стабильный известный изотоп сиборгий имеет период полураспада 14 минут, и периоды полураспада уменьшаются с увеличением атомного числа) и низкого выхода ядерных реакций , которые их производят, пришлось создать новые методы для определения их газовой фазы и химии раствора на основе очень малых образцов из нескольких атомов каждый. Релятивистские эффекты становятся очень важными в этой области периодической таблицы, заставляя заполненные 7s-орбитали, пустые 7p-орбитали и заполняющие 6d-орбитали все сжиматься внутрь к атомному ядру. Это вызывает релятивистскую стабилизацию 7s-электронов и делает 7p-орбитали доступными в низких возбужденных состояниях. [7]
Элементы 103–112, от лоуренсия до коперниция, образуют ряд 6d переходных элементов. Экспериментальные данные показывают, что элементы 103–108 ведут себя так, как и ожидалось для их положения в периодической таблице, как более тяжелые гомологи лютеция через осмий. Ожидается, что они будут иметь ионные радиусы между радиусами их гомологов переходных металлов 5d и их псевдогомологов актинидов : например, Rf 4+, как рассчитано, имеет ионный радиус 76 пм , между значениями для Hf 4+ (71 пм) и Th 4+ (94 пм). Их ионы также должны быть менее поляризуемыми, чем ионы их гомологов 5d. Ожидается, что релятивистские эффекты достигнут максимума в конце этого ряда, у рентгения (элемент 111) и коперниция (элемент 112). Тем не менее, многие важные свойства трансактинидов до сих пор экспериментально не известны, хотя теоретические расчеты были выполнены. [7]
Элементы 113–118, от нихония до оганессона, должны образовать ряд 7p, завершая седьмой период в периодической таблице. На их химию будет сильно влиять очень сильная релятивистская стабилизация 7s-электронов и сильный эффект спин-орбитальной связи, «разрывающий» подоболочку 7p на две секции, одну более стабилизированную (7p 1/2 , удерживающую два электрона) и одну более дестабилизированную (7p 3/2 , удерживающую четыре электрона). Более низкие степени окисления должны быть здесь стабилизированы, продолжая групповые тенденции, поскольку как электроны 7s, так и 7p 1/2 проявляют эффект инертной пары . Ожидается, что эти элементы в значительной степени продолжат следовать групповым тенденциям, хотя релятивистские эффекты будут играть все большую роль. В частности, большое расщепление 7p приводит к эффективному закрытию оболочки у флеровия (элемент 114) и, следовательно, к гораздо более высокой, чем ожидалось, химической активности для оганессона (элемент 118). [7]
Элемент 118 является последним синтезированным элементом. Следующие два элемента, 119 и 120 , должны образовать ряд 8s и быть щелочным и щелочноземельным металлом соответственно. Ожидается, что электроны 8s будут релятивистски стабилизированы, так что тенденция к более высокой реакционной способности вниз по этим группам изменится, и элементы будут вести себя больше как их гомологи 5 периода, рубидий и стронций . Орбиталь 7p 3/2 все еще релятивистски дестабилизирована, что потенциально дает этим элементам большие ионные радиусы и, возможно, даже возможность участвовать в химии. В этой области электроны 8p также релятивистски стабилизированы, что приводит к конфигурации валентных электронов 8s 2 8p 1 в основном состоянии для элемента 121 . Ожидается, что в структуре подоболочки при переходе от элемента 120 к элементу 121 произойдут большие изменения: например, радиус орбиталей 5g должен резко упасть 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. [7]
В элементе 121 ожидается начало серии суперактинидов , когда 8s-электроны и заполняющие подоболочки 8p 1/2 , 7d 3/2 , 6f 5/2 и 5g 7/2 определяют химию этих элементов. Полные и точные расчеты недоступны для элементов после 123 из-за чрезвычайной сложности ситуации: [55] орбитали 5g, 6f и 7d должны иметь примерно одинаковый уровень энергии, а в области элемента 160 орбитали 9s, 8p 3/2 и 9p 1/2 также должны быть примерно равны по энергии. Это приведет к тому, что электронные оболочки смешаются, так что концепция блока больше не будет применяться очень хорошо, а также приведет к новым химическим свойствам, которые сделают позиционирование этих элементов в периодической таблице очень трудным. [7]
Было предложено называть элементы за пределами Z = 126 сверхтяжелыми элементами . [56] Другие источники называют элементы около Z = 164 гипертяжелыми элементами . [57]
Сверхтяжелые элементы (
Z
> 102) балансируют на пределе массы и заряда.