Расширенная периодическая таблица теоретизирует о химических элементах за пределами известных и доказанных в настоящее время. Элемент с самым высоким известным атомным номером — оганесон ( Z = 118), который завершает седьмой период (строку) в периодической таблице . Все элементы в восьмом периоде и далее, таким образом, остаются чисто гипотетическими.
Элементы после 118 будут помещены в дополнительные периоды, когда будут обнаружены, выстроенные (как и в случае с существующими периодами) для иллюстрации периодически повторяющихся тенденций в свойствах элементов. Ожидается, что любые дополнительные периоды будут содержать больше элементов, чем седьмой период, поскольку они, как рассчитано, имеют дополнительный так называемый g-блок , содержащий по крайней мере 18 элементов с частично заполненными g- орбиталями в каждом периоде. Таблица из восьми периодов, содержащая этот блок, была предложена Гленном Т. Сиборгом в 1969 году. [1] [2] Первый элемент g-блока может иметь атомный номер 121 и, таким образом, будет иметь систематическое название унбиуний . Несмотря на многочисленные поиски, ни один элемент в этой области не был синтезирован или обнаружен в природе. [3]
Согласно орбитальному приближению в квантово-механических описаниях атомной структуры, g-блок будет соответствовать элементам с частично заполненными g-орбиталями, но эффекты спин-орбитальной связи существенно снижают обоснованность орбитального приближения для элементов с высоким атомным номером. Версия расширенного периода Сиборга имела более тяжелые элементы, следующие шаблону, установленному более легкими элементами, поскольку она не учитывала релятивистские эффекты . Модели, которые учитывают релятивистские эффекты, предсказывают, что шаблон будет нарушен. Пекка Пюиккё и Буркхард Фрике использовали компьютерное моделирование для расчета положений элементов до Z = 172 и обнаружили, что некоторые были смещены из правила Маделунга . [4] В результате неопределенности и изменчивости в прогнозах химических и физических свойств элементов за пределами 120 в настоящее время нет единого мнения об их размещении в расширенной периодической таблице.
Элементы в этой области, вероятно, будут крайне нестабильны по отношению к радиоактивному распаду и подвергаться альфа-распаду или спонтанному делению с чрезвычайно короткими периодами полураспада , хотя элемент 126 , как предполагается, находится в пределах острова стабильности , который устойчив к делению, но не к альфа-распаду. Другие острова стабильности за пределами известных элементов также могут быть возможны, включая один, теоретически предполагаемый вокруг элемента 164, хотя степень стабилизирующих эффектов от закрытых ядерных оболочек не определена. Неясно, сколько элементов за пределами ожидаемого острова стабильности физически возможно, является ли период 8 полным или есть ли период 9. Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) определяет элемент как существующий, если его время жизни превышает 10−14 секунд (0,01 пикосекунды или 10 фемтосекунд), что является временем, необходимым для образования ядром электронного облака . [5]
Еще в 1940 году было отмечено, что упрощенная интерпретация релятивистского уравнения Дирака сталкивается с проблемами с электронными орбиталями при Z > 1/α ≈ 137, что предполагает, что нейтральные атомы не могут существовать за пределами элемента 137, и что периодическая таблица элементов, основанная на электронных орбиталях, поэтому нарушается в этой точке. [6] С другой стороны, более строгий анализ вычисляет аналогичный предел как Z ≈ 168–172, где подоболочка 1s ныряет в море Дирака , и что вместо этого не нейтральные атомы не могут существовать за пределами этой точки, а голые ядра, таким образом, не создавая препятствий для дальнейшего расширения периодической системы. Атомы за пределами этого критического атомного числа называются сверхкритическими атомами.
Впервые существование элементов за пределами актинидов было предложено еще в 1895 году, когда датский химик Ганс Петер Йорген Юлиус Томсен предсказал, что торий и уран образуют часть периода из 32 элементов, который закончится химически неактивным элементом с атомным весом 292 (недалеко от 294 для единственного известного изотопа оганесона ). В 1913 году шведский физик Иоганнес Ридберг аналогичным образом предсказал, что следующий благородный газ после радона будет иметь атомный номер 118, и чисто формально вывел еще более тяжелые конгенеры радона при Z = 168, 218, 290, 362 и 460, именно там, где принцип Ауфбау предсказывает их наличие. В 1922 году Нильс Бор предсказал электронную структуру этого следующего благородного газа при Z = 118 и предположил, что причина, по которой элементы за ураном не были обнаружены в природе, заключалась в том, что они были слишком нестабильны. Немецкий физик и инженер Рихард Суинне опубликовал обзорную статью в 1926 году, содержащую прогнозы относительно трансурановых элементов (возможно, он придумал этот термин), в которой он предвосхитил современные прогнозы об острове стабильности : он впервые выдвинул гипотезу в 1914 году, что периоды полураспада не должны строго уменьшаться с атомным номером, но вместо этого предположил, что могут быть некоторые более долгоживущие элементы при Z = 98–102 и Z = 108–110, и предположил, что такие элементы могут существовать в ядре Земли , в железных метеоритах или в ледяных шапках Гренландии , где они были заперты из своего предполагаемого космического происхождения. [7] К 1955 году эти элементы были названы сверхтяжелыми элементами. [8]
Первые предсказания относительно свойств неоткрытых сверхтяжелых элементов были сделаны в 1957 году, когда впервые была исследована концепция ядерных оболочек и была выдвинута теория о существовании острова стабильности вокруг элемента 126. [9] В 1967 году были проведены более строгие расчеты, и было выдвинуто предположение, что остров стабильности сосредоточен вокруг тогда еще не открытого флеровия (элемент 114); это и другие последующие исследования побудили многих исследователей искать сверхтяжелые элементы в природе или пытаться синтезировать их на ускорителях. [8] Многочисленные поиски сверхтяжелых элементов проводились в 1970-х годах, но все они дали отрицательные результаты. По состоянию на апрель 2022 года [update]были предприняты попытки синтеза каждого элемента вплоть до унбисептия ( Z = 127) включительно, за исключением унбитрия ( Z = 123) [10] [11] [12], при этом самым тяжелым успешно синтезированным элементом был оганесон в 2002 году, а самым последним открытием стал теннессин в 2010 году. [10]
Поскольку было предсказано, что некоторые сверхтяжелые элементы лежат за пределами семипериодной периодической таблицы, дополнительный восьмой период, содержащий эти элементы, был впервые предложен Гленном Т. Сиборгом в 1969 году. Эта модель продолжила модель в установленных элементах и ввела новый g-блок и серию суперактинидов, начинающуюся с элемента 121, увеличив количество элементов в периоде 8 по сравнению с известными периодами. [1] [2] [8] Однако эти ранние расчеты не учитывали релятивистские эффекты, которые нарушают периодические тенденции и делают простую экстраполяцию невозможной. В 1971 году Фрике рассчитал периодическую таблицу до Z = 172 и обнаружил, что некоторые элементы действительно имеют другие свойства, которые нарушают установленную закономерность, [4] а расчет 2010 года Пекки Пююккё также отметил, что несколько элементов могут вести себя иначе, чем ожидалось. [13] Неизвестно, насколько далеко периодическая таблица может простираться за пределы известных 118 элементов, поскольку более тяжелые элементы, как предсказывают, становятся все более нестабильными. Гленн Т. Сиборг предположил, что с практической точки зрения конец периодической таблицы может наступить уже около Z = 120 из-за ядерной нестабильности. [14]
В настоящее время не существует единого мнения о размещении элементов после атомного номера 120 в периодической таблице.
Всем гипотетическим элементам дается систематическое название элемента Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) для использования до тех пор, пока элемент не будет открыт, подтвержден и официальное название не будет одобрено. Эти названия обычно не используются в литературе, и вместо этого элементы упоминаются по их атомным номерам; поэтому элемент 164 обычно не называется «unhexquadium» или «Uhq» (систематическое название и символ), а скорее «элемент 164» с символом «164», «(164)» или «E164». [15]
В элементе 118 предполагается, что орбитали 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 7s и 7p заполнены, а остальные орбитали не заполнены. Простая экстраполяция из принципа Ауфбау предсказывает, что восьмая строка заполнит орбитали в порядке 8s, 5g, 6f, 7d, 8p; но после элемента 120 близость электронных оболочек делает размещение в простой таблице проблематичным.
Не все модели показывают, что высшие элементы следуют образцу, установленному более легкими элементами. Буркхард Фрике и др., которые провели расчеты до элемента 184 в статье, опубликованной в 1971 году, также обнаружили, что некоторые элементы смещаются от правила упорядочения энергии Маделунга в результате перекрытия орбиталей; это вызвано возрастающей ролью релятивистских эффектов в тяжелых элементах (они описывают химические свойства до элемента 184, но рисуют таблицу только до элемента 172.) [4] [16]
Формат Фрике и др. больше сосредоточен на формальных электронных конфигурациях, чем на вероятном химическом поведении. Они помещают элементы 156–164 в группы 4–12, поскольку формально их конфигурации должны быть от 7d 2 до 7d 10 . Однако они отличаются от предыдущих d-элементов тем, что оболочка 8s недоступна для химической связи: вместо этого доступна оболочка 9s. Таким образом, элемент 164 с 7d 10 9s 0 отмечен Фрике и др. как аналог палладия с 4d 10 5s 0 , и они считают, что элементы 157–172 имеют химические аналогии с группами 3–18 (хотя они неоднозначны относительно того, являются ли элементы 165 и 166 больше похожими на элементы групп 1 и 2 или больше похожими на элементы групп 11 и 12 соответственно). Таким образом, элементы 157–164 помещены в их таблице в группу, которую авторы не считают химически наиболее аналогичной. [17]
Нефедов , Тржасковская и Яржемский провели расчеты до 164 (результаты опубликованы в 2006 году). Они считали элементы с 158 по 164 гомологами групп с 4 по 10, а не с 6 по 12, отмечая сходство электронных конфигураций с переходными металлами периода 5 (например, элемент 159 7d 4 9s 1 против Nb 4d 4 5s 1 , элемент 160 7d 5 9s 1 против Mo 4d 5 5s 1 , элемент 162 7d 7 9s 1 против Ru 4d 7 5s 1 , элемент 163 7d 8 9s 1 против Rh 4d 8 5s 1 , элемент 164 7d 10 9s 0 против Pd 4d 10 5s 0 ). Таким образом, они согласны с Фрике и др. относительно химически наиболее аналогичных групп, но отличаются от них тем, что Нефедов и др. на самом деле размещают элементы в химически наиболее аналогичные группы. Rg и Cn отмечены звездочкой, чтобы отразить отличающиеся конфигурации от Au и Hg (в оригинальной публикации они изображены как смещенные в третьем измерении). Фактически Cn, вероятно, имеет аналогичную конфигурацию Hg, а разница в конфигурации между Pt и Ds не отмечена. [18]
Пекка Пююккё использовал компьютерное моделирование для расчета положений элементов до Z = 172 и их возможных химических свойств в статье, опубликованной в 2011 году. Он воспроизвел орбитальный порядок Фрике и др. и предложил уточнение их таблицы, формально присвоив слоты элементам 121–164 на основе ионных конфигураций. [13]
Для того чтобы вести учет электронов, Пююккё размещает некоторые элементы в неправильном порядке: так, 139 и 140 помещены в группы 13 и 14, чтобы отразить необходимость заполнения оболочки 8p 1/2 , и он различает отдельные серии 5g, 8p 1/2 и 6f. [13] Фрике и др. и Нефедов и др. не пытаются разбить эти серии. [17] [18]
Химик-вычислитель Андрей Кульша предложил две формы расширенной периодической таблицы до 172, которые основываются на версиях Нефедова и др. до 164 и уточняют их со ссылкой на расчеты Пююккё. [19] На основании их вероятных химических свойств элементы 157–172 помещаются обеими формами как родственные элементы восьмого периода от иттрия до ксенона в пятом периоде; [19] это расширяет размещение Нефедова и др. элементов 157–164 под иттрием через палладий [18] и согласуется с химическими аналогиями, приведенными Фрике и др. [17]
Кулша предложил два способа работы с элементами 121–156, у которых нет точных аналогов среди более ранних элементов. В его первой форме (2011 г., после публикации статьи Пююккё) [19] элементы 121–138 и 139–156 помещены в два отдельных ряда (вместе называемых «ультрапереходными элементами»), связанных добавлением подоболочки 5g 18 в ядро, поскольку согласно расчетам Пююккё степеней окисления [13] они должны, соответственно, имитировать лантаноиды и актиниды. [19] [20] Во втором предложении (2016 г.) элементы 121–142 образуют g-блок (поскольку они имеют активность 5g), в то время как элементы 143–156 образуют f-блок, помещенный под актинием через нобелий. [21]
Таким образом, период 8 включает 54 элемента, а следующий благородный элемент после 118 — 172. [22]
В 2023 году Смитс, Дюльманн, Инделикато, Назаревич и Швердтфегер предприняли еще одну попытку разместить элементы со 119 по 170 в периодической таблице на основе их электронных конфигураций. Конфигурации нескольких элементов (121–124 и 168) не позволяли разместить их однозначно. Элемент 145 появляется дважды, некоторые места имеют двойное заполнение, а другие пусты. [23]
Были предприняты попытки синтезировать элементы 8 периода вплоть до унбисептия, за исключением унбитрия. Все такие попытки оказались безуспешными. Попытка синтезировать унуненний, первый элемент 8 периода, продолжается по состоянию на 2024 год [update].
Синтез элемента 119 ( унуненний ) был впервые предпринят в 1985 году путем бомбардировки мишени из эйнштейния-254 ионами кальция-48 на ускорителе superHILAC в Беркли, Калифорния:
Ни один атом не был идентифицирован, что привело к предельному сечению в 300 нб . [24] Более поздние расчеты показывают, что поперечное сечение реакции 3n (которая привела бы к 299 119 и трем нейтронам в качестве продуктов) на самом деле было бы в шестьсот тысяч раз ниже этой верхней границы, в 0,5 пб. [25]
С апреля по сентябрь 2012 года была предпринята попытка синтезировать изотопы 295 119 и 296 119 путем бомбардировки мишени из берклия -249 титаном -50 в Центре исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте , Германия. [26] [27] На основании теоретически предсказанного сечения ожидалось, что атом унуненния будет синтезирован в течение пяти месяцев с начала эксперимента. [28] Более того, поскольку берклий-249 распадается на калифорний -249 (следующий элемент) с коротким периодом полураспада 327 дней, это позволило одновременно искать элементы 119 и 120. [29]
Первоначально планировалось, что эксперимент будет продолжаться до ноября 2012 года [30] , но он был остановлен раньше, чтобы использовать мишень 249 Bk для подтверждения синтеза теннессина (таким образом, изменив снаряды на 48 Ca). [31] Эта реакция между 249 Bk и 50 Ti была предсказана как наиболее благоприятная практическая реакция для образования элемента 119 [27] , поскольку она довольно асимметрична [28] , хотя также несколько холодная. [31] (Реакция между 254 Es и 48 Ca была бы лучше, но приготовление миллиграммовых количеств 254 Es для мишени затруднительно.) [28] Тем не менее, необходимое изменение с «серебряной пули» 48 Ca на 50 Ti делит ожидаемый выход элемента 119 примерно на двадцать, поскольку выход сильно зависит от асимметрии реакции синтеза. [28]
Из-за предсказанных коротких периодов полураспада команда GSI использовала новую «быструю» электронику, способную регистрировать события распада в течение микросекунд. [27] Атомы элемента 119 не были идентифицированы, что подразумевает предельное поперечное сечение в 70 фб. [31] Предсказанное фактическое поперечное сечение составляет около 40 фб, что находится на пределе современных технологий. [28]
Команда RIKEN в Вако , Япония, начала бомбардировать мишени из кюрия -248 пучком ванадия -51 в январе 2018 года [32] для поиска элемента 119. В качестве мишени был выбран кюрий, а не более тяжелый берклий или калифорний, поскольку эти более тяжелые мишени трудно подготовить. [33] Мишени из 248 Cm были предоставлены Национальной лабораторией Оук-Ридж . RIKEN разработал высокоинтенсивный пучок ванадия. [34] Эксперимент начался на циклотроне, пока RIKEN модернизировал свои линейные ускорители; модернизация была завершена в 2020 году. [35] Бомбардировку можно продолжать на обеих машинах до тех пор, пока не будет замечено первое событие; в настоящее время эксперимент проводится с перерывами не менее 100 дней в году. [36] [33] Усилия команды RIKEN финансируются Императором Японии . [37] Группа ученых из ОИЯИ планирует в будущем попытаться синтезировать элемент 119, вероятно, используя реакцию 243 Am + 54 Cr, но точные временные рамки пока не были обнародованы. [38] [39]
После успешного получения оганесона в реакции между 249 Cf и 48 Ca в 2006 году группа ученых из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне начала аналогичные эксперименты в марте-апреле 2007 года в надежде создать элемент 120 (унбинилий) из ядер 58 Fe и 244 Pu . [40] [41] Изотопы унбинилия, как предполагается, имеют периоды полураспада альфа-частиц порядка микросекунд . [42] [43] Первоначальный анализ показал, что атомы элемента 120 не были получены, что обеспечивает предел в 400 фб для сечения при изучаемой энергии. [44]
Российская команда планировала модернизировать свои объекты, прежде чем снова попытаться провести реакцию. [44]
В апреле 2007 года группа исследователей из Центра исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте , Германия, попыталась создать элемент 120, используя уран -238 и никель -64: [45]
Атомы не были обнаружены, что обеспечивает предел в 1,6 пб для поперечного сечения при предоставленной энергии. GSI повторил эксперимент с более высокой чувствительностью в трех отдельных запусках в апреле-мае 2007 г., январе-марте 2008 г. и сентябре-октябре 2008 г., все с отрицательными результатами, достигнув предела поперечного сечения в 90 фб. [45]
В июне-июле 2010 года и снова в 2011 году, после модернизации оборудования, позволяющей использовать больше радиоактивных мишеней, ученые GSI попытались осуществить более асимметричную реакцию синтеза: [46]
Ожидалось, что изменение реакции в пять раз увеличит вероятность синтеза элемента 120, [47], поскольку выход таких реакций сильно зависит от их асимметрии. [28] Было обнаружено три коррелированных сигнала, которые соответствовали предсказанным энергиям альфа-распада 299 120 и его дочери 295 Og, а также экспериментально известной энергии распада его внучки 291 Lv . Однако время жизни этих возможных распадов оказалось намного больше ожидаемого, и результаты не удалось подтвердить. [48] [49] [46]
В августе-октябре 2011 года другая группа в GSI, используя установку TASCA, попробовала провести новую, еще более асимметричную реакцию: [50] [31]
Это также было безуспешно опробовано в следующем году во время вышеупомянутой попытки получить элемент 119 в реакции 249 Bk+ 50 Ti, поскольку 249 Bk распадается до 249 Cf. Из-за своей асимметрии [51] реакция между 249 Cf и 50 Ti была предсказана как наиболее благоприятная практическая реакция для синтеза унбинилия, хотя она также является несколько холодной. Атомы унбинилия не были идентифицированы, что подразумевает предельное сечение в 200 фб. [31] Йенс Фолькер Кратц предсказал, что фактическое максимальное сечение для получения элемента 120 любой из этих реакций составит около 0,1 фб; [52] Для сравнения, мировой рекорд по наименьшему сечению успешной реакции составил 30 фб для реакции 209 Bi( 70 Zn,n) 278 Nh , [28] а Крац предсказал максимальное сечение в 20 фб для получения соседнего элемента 119. [52] Если эти предсказания точны, то синтез элемента 119 будет находиться на пределе возможностей современных технологий, а синтез элемента 120 потребует новых методов. [52]
В мае 2021 года ОИЯИ объявил о планах исследовать реакцию 249 Cf+ 50 Ti на своей новой установке. Однако мишень 249 Cf должна была быть изготовлена Окриджской национальной лабораторией в Соединенных Штатах [53], а после начала российского вторжения на Украину в феврале 2022 года сотрудничество между ОИЯИ и другими институтами полностью прекратилось из-за санкций [54] . Следовательно, теперь ОИЯИ планирует попробовать вместо этого реакцию 248 Cm+ 54 Cr. Подготовительный эксперимент по использованию снарядов 54 Cr был проведен в конце 2023 года, в результате чего был успешно синтезирован 288 Lv в реакции 238 U+ 54 Cr [55] , и есть надежда, что эксперименты по синтезу элемента 120 начнутся к 2025 году [56].
Начиная с 2022 года, [34] также планируется использовать 88-дюймовый циклотрон в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL) в Беркли , Калифорния , США, чтобы попытаться создать новые элементы с использованием 50 Ti-снарядов. [57] [58] Сначала была испытана реакция 244 Pu+ 50 Ti, в результате которой в 2024 году были успешно созданы два атома 290 Lv. Поскольку это оказалось успешным, в 2025 году планируется начать попытку создания элемента 120 в реакции 249 Cf+ 50 Ti. [59] [60] [61] Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL), которая ранее сотрудничала с ОИЯИ, будет сотрудничать с LBNL в этом проекте. [62]
Синтез элемента 121 (унбиуния) был впервые предпринят в 1977 году путем бомбардировки мишени из урана-238 ионами меди -65 в Gesellschaft für Schwerionenforschung в Дармштадте , Германия:
Атомы не были идентифицированы. [11]
Первые попытки синтезировать элемент 122 (унбибий) были предприняты в 1972 году Флеровым и др. в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) с использованием реакций горячего синтеза, индуцированных тяжелыми ионами: [10]
Эти эксперименты были мотивированы ранними предсказаниями о существовании острова стабильности при N = 184 и Z > 120. Атомы не были обнаружены, и был измерен предел текучести 5 нб (5000 пб ). Текущие результаты (см. Флеровий ) показали, что чувствительность этих экспериментов была слишком низкой по крайней мере на 3 порядка. [12]
В 2000 году Центр исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) провел очень похожий эксперимент с гораздо более высокой чувствительностью: [10]
Эти результаты показывают, что синтез таких более тяжелых элементов остается серьезной проблемой, и требуются дальнейшие улучшения интенсивности пучка и экспериментальной эффективности. Чувствительность должна быть увеличена до 1 фб в будущем для получения более качественных результатов.
Еще одна неудачная попытка синтезировать элемент 122 была предпринята в 1978 году в Центре Гельмгольца GSI, где природная эрбиевая мишень бомбардировалась ионами ксенона-136 : [10]
В частности, ожидалось, что реакция между 170 Er и 136 Xe даст альфа-излучатели с периодами полураспада в микросекунды, которые распадутся до изотопов флеровия с периодами полураспада, возможно, увеличивающимися до нескольких часов, поскольку флеровий, как предсказывают, находится вблизи центра острова стабильности . После двенадцати часов облучения в этой реакции ничего не было обнаружено. После аналогичной неудачной попытки синтезировать элемент 121 из 238 U и 65 Cu был сделан вывод, что периоды полураспада сверхтяжелых ядер должны быть менее одной микросекунды, иначе сечения будут очень малы. [63] Более поздние исследования синтеза сверхтяжелых элементов показывают, что оба вывода верны. [28] [64] Обе попытки в 1970-х годах синтезировать элемент 122 были вызваны исследованиями, изучающими, могут ли сверхтяжелые элементы потенциально встречаться в природе. [10]
Несколько экспериментов по изучению характеристик деления различных сверхтяжелых составных ядер, таких как 306 122*, были выполнены между 2000 и 2004 годами в Лаборатории ядерных реакций им . Флерова. Были использованы две ядерные реакции, а именно 248 Cm + 58 Fe и 242 Pu + 64 Ni. [10] Результаты показывают, как сверхтяжелые ядра делятся преимущественно путем выталкивания ядер с закрытой оболочкой, таких как 132 Sn ( Z = 50, N = 82). Было также обнаружено, что выход для пути слияния-деления был схожим между снарядами 48 Ca и 58 Fe, что предполагает возможное будущее использование снарядов 58 Fe в образовании сверхтяжелых элементов. [65]
Ученые из GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) попытались измерить прямое и замедленное деление составных ядер элементов с Z = 114, 120 и 124, чтобы исследовать эффекты оболочек в этой области и точно определить следующую сферическую протонную оболочку. Это связано с тем, что наличие полных ядерных оболочек (или, что эквивалентно, наличие магического числа протонов или нейтронов ) придало бы большую стабильность ядрам таких сверхтяжелых элементов, тем самым приблизившись к острову стабильности . В 2006 году, с полными результатами, опубликованными в 2008 году, группа представила результаты реакции, включающей бомбардировку естественной германиевой мишени ионами урана:
Команда сообщила, что им удалось идентифицировать составные ядра, делящиеся с периодами полураспада > 10−18 с . Этот результат предполагает сильный стабилизирующий эффект при Z = 124 и указывает на следующую протонную оболочку при Z > 120, а не при Z = 114, как считалось ранее. Составное ядро представляет собой свободную комбинацию нуклонов , которые еще не организовались в ядерные оболочки. Оно не имеет внутренней структуры и удерживается вместе только силами столкновения между ядрами-мишенью и снарядом. По оценкам, требуется около 10−14 с , чтобы нуклоны организовались в ядерные оболочки, после чего составное ядро становится нуклидом , и это число используется ИЮПАК в качестве минимального периода полураспада, который должен иметь заявленный изотоп, чтобы его можно было потенциально признать открытым. Таким образом, эксперименты GANIL не считаются открытием элемента 124. [10 ]
Деление составного ядра 312 124 также изучалось в 2006 году на тандемном ускорителе тяжелых ионов ALPI в Национальной лаборатории Леньяро (Laboratori Nazionali di Legnaro) в Италии: [66]
Подобно предыдущим экспериментам, проведенным в ОИЯИ ( Объединенный институт ядерных исследований ), осколки деления группировались вокруг дважды магических ядер, таких как 132 Sn ( Z = 50, N = 82), что выявило тенденцию сверхтяжелых ядер выбрасывать такие дважды магические ядра при делении. [65] Также было обнаружено, что среднее число нейтронов на деление из составного ядра 312 124 (относительно более легких систем) увеличивается, подтверждая, что тенденция более тяжелых ядер испускать больше нейтронов во время деления продолжается и в области сверхтяжелых масс. [66]
Первая и единственная попытка синтеза элемента 125 (унбипентий) была предпринята в Дубне в 1970–1971 годах с использованием ионов цинка и мишени из америция-243 : [12]
Атомы не были обнаружены, и был определен предел поперечного сечения 5 нб. Этот эксперимент был мотивирован возможностью большей стабильности для ядер около Z ~ 126 и N ~ 184, [12] хотя более поздние исследования предполагают, что остров стабильности может вместо этого лежать на более низком атомном числе (например, коперниций , Z = 112), и синтез более тяжелых элементов, таких как элемент 125, потребует более чувствительных экспериментов. [28]
Первая и единственная попытка синтезировать элемент 126 (унбигексий), которая не увенчалась успехом, была предпринята в 1971 году в ЦЕРНе (Европейская организация ядерных исследований) Рене Бимбо и Джоном М. Александером с использованием реакции горячего синтеза: [10]
Высокоэнергетические (13–15 МэВ ) альфа-частицы были обнаружены и приняты в качестве возможного доказательства синтеза элемента 126. Последующие неудачные эксперименты с более высокой чувствительностью предполагают, что чувствительность этого эксперимента в 10 мб была слишком низкой; следовательно, образование ядер элемента 126 в этой реакции крайне маловероятно. [8]
Первая и единственная попытка синтезировать элемент 127 (унбисептиум), которая не увенчалась успехом, была предпринята в 1978 году на ускорителе UNILAC в Центре Гельмгольца GSI, где природная танталовая мишень бомбардировалась ионами ксенона -136: [10]
Исследование, проведенное в 1976 году группой американских исследователей из нескольких университетов, предположило, что первичные сверхтяжелые элементы, в основном ливерморий , элементы 124, 126 и 127, могут быть причиной необъяснимых радиационных повреждений (особенно радиогало ) в минералах. [8] Это побудило многих исследователей искать их в природе с 1976 по 1983 год. Группа под руководством Тома Кэхилла, профессора Калифорнийского университета в Дэвисе , заявила в 1976 году, что они обнаружили альфа-частицы и рентгеновские лучи с правильными энергиями, чтобы вызвать наблюдаемые повреждения, что подтверждает присутствие этих элементов. В частности, было высказано предположение о наличии долгоживущих (порядка 10 9 лет) ядер элементов 124 и 126, а также продуктов их распада, в количестве 10 −11 относительно их возможных сородичей урана и плутония . [67] Другие утверждали, что ничего не было обнаружено, и подвергали сомнению предложенные характеристики первичных сверхтяжелых ядер. [8] В частности, они ссылались на то, что любые такие сверхтяжелые ядра должны иметь замкнутую нейтронную оболочку при N = 184 или N = 228, и это необходимое условие для повышенной стабильности существует только в нейтронно-дефицитных изотопах ливермория или нейтронно-богатых изотопах других элементов, которые не были бы бета-стабильными [8] в отличие от большинства встречающихся в природе изотопов. [68] Также предполагалось, что эта активность вызвана ядерными трансмутациями в природном церии , что еще больше усугубляет двусмысленность этого заявленного наблюдения сверхтяжелых элементов. [8]
24 апреля 2008 года группа под руководством Амнона Маринова из Еврейского университета в Иерусалиме заявила, что обнаружила отдельные атомы 292 122 в природных отложениях тория в концентрации от 10−11 до 10−12 относительно тория. [69] Заявление Маринова и др. подверглось критике со стороны части научного сообщества. Маринов утверждал, что он представил статью в журналы Nature и Nature Physics, но оба отклонили ее, не отправив на рецензирование. [70] Атомы 292 122 были заявлены как супердеформированные или гипердеформированные изомеры с периодом полураспада не менее 100 миллионов лет. [10]
Критика метода, ранее использовавшегося для предположительной идентификации более легких изотопов тория с помощью масс-спектрометрии , [71] была опубликована в Physical Review C в 2008 году. [72] Опровержение группы Маринова было опубликовано в Physical Review C после опубликованного комментария. [73]
Повтор эксперимента с торием с использованием более совершенного метода ускорительной масс-спектрометрии (AMS) не смог подтвердить результаты, несмотря на 100-кратно лучшую чувствительность. [74] Этот результат ставит под сомнение результаты сотрудничества Маринова в отношении их заявлений о долгоживущих изотопах тория , [71] рентгения [75] и элемента 122. [69] Все еще возможно, что следы унбибия могут присутствовать только в некоторых образцах тория, хотя это маловероятно. [10]
Возможный объем первичных сверхтяжелых элементов на Земле сегодня неизвестен. Даже если будет подтверждено, что они вызвали радиационный ущерб давно, они могли бы сейчас распасться до следов или даже полностью исчезнуть. [76] Также неизвестно, могут ли такие сверхтяжелые ядра вообще образовываться естественным путем, поскольку ожидается, что спонтанное деление прекратит r-процесс, ответственный за образование тяжелых элементов между массовыми числами 270 и 290, задолго до того, как могут образоваться элементы за пределами 120. [77]
Недавняя гипотеза пытается объяснить спектр звезды Пшибыльского естественным присутствием флеровия и элемента 120. [78] [79] [80]
Элемент 118, оганесон , является самым тяжелым элементом, который был синтезирован. Следующие два элемента, элементы 119 и 120 , должны образовать ряд 8s и быть щелочным и щелочноземельным металлом соответственно. За элементом 120, как ожидается, начнется ряд суперактинидов , когда 8s-электроны и заполнение подоболочек 8p 1/2 , 7d 3/2 , 6f и 5g определяют химию этих элементов. Полные и точные расчеты CCSD недоступны для элементов за пределами 122 из-за чрезвычайной сложности ситуации: 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, и концепция блока больше не будет применима, а также приведет к появлению новых химических свойств, которые сделают позиционирование некоторых из этих элементов в периодической таблице весьма затруднительным. [15]
Первыми двумя элементами 8-го периода будут унуненний и унбинилий, элементы 119 и 120. Их электронные конфигурации должны иметь заполненную 8s-орбиталь. Эта орбиталь релятивистски стабилизирована и сжата; таким образом, элементы 119 и 120 должны быть больше похожи на рубидий и стронций, чем на их непосредственных соседей выше, франций и радий . Другим эффектом релятивистского сжатия 8s-орбитали является то, что атомные радиусы этих двух элементов должны быть примерно такими же, как у франция и радия. Они должны вести себя как обычные щелочные и щелочноземельные металлы (хотя и менее реакционноспособные, чем их непосредственные вертикальные соседи), обычно образуя степени окисления +1 и +2 соответственно, но релятивистская дестабилизация подоболочки 7p 3/2 и относительно низкие энергии ионизации электронов 7p 3/2 должны также сделать возможными более высокие степени окисления, такие как +3 и +4 (соответственно). [4] [15]
Суперактиниды можно рассматривать как элементы с порядковыми номерами от 121 до 157, которые можно классифицировать как элементы 5g и 6f восьмого периода вместе с первым элементом 7d. [18] В ряду суперактинидов оболочки 7d 3/2 , 8p 1/2 , 6f 5/2 и 5g 7/2 должны заполняться одновременно. [16] Это создает очень сложные ситуации, настолько, что полные и точные расчеты CCSD были выполнены только для элементов 121 и 122. [15] Первый суперактинид, унбиуний (элемент 121), должен быть похож на лантан и актиний : [81] его основная степень окисления должна быть +3, хотя близость энергетических уровней валентных подоболочек может допускать более высокие степени окисления, как в элементах 119 и 120. [15] Релятивистская стабилизация подоболочки 8p должна приводить к конфигурации валентных электронов 8s 2 8p 1 в основном состоянии для элемента 121, в отличие от конфигураций ds 2 лантана и актиния; [15] тем не менее, эта аномальная конфигурация, по-видимому, не влияет на его расчетную химию, которая остается похожей на химию актиния. [82] Его первая энергия ионизации , как прогнозируется, составит 429,4 кДж/моль, что будет ниже, чем у всех известных элементов, за исключением щелочных металлов калия , рубидия , цезия и франция : это значение даже ниже, чем у щелочного металла 8-го периода унуненния (463,1 кДж/моль). Аналогично, следующий суперактинид, унбибий (элемент 122), может быть похож на церий и торий , с основной степенью окисления +4, но будет иметь основную электронную конфигурацию 7d 1 8s 2 8p 1 или 8s 2 8p 2 валентности, [83] в отличие от конфигурации тория 6d 2 7s 2 . Следовательно, его первая энергия ионизации будет меньше, чем у тория (Th: 6,3 эВ ; элемент 122: 5,6 эВ) из-за большей легкости ионизации 8p 1/2 электрона унбибия, чем 6d электрона тория. [15] Коллапс самой 5g орбитали задерживается до элемента 125; ожидается, что электронные конфигурации 119-электронной изоэлектронной серии будут [Og]8s 1для элементов 119–122, [Og]6f 1 для элементов 123 и 124, и [Og]5g 1 для элемента 125 и далее. [84]
В первых нескольких суперактинидах энергии связи добавленных электронов, как предсказывается, достаточно малы, чтобы они могли потерять все свои валентные электроны; например, унбигексий (элемент 126) может легко образовать степень окисления +8, и даже более высокие степени окисления для следующих нескольких элементов могут быть возможны. Элемент 126 также, как предсказывается, будет демонстрировать множество других степеней окисления : недавние расчеты показали, что стабильный монофторид 126F может быть возможен в результате связывающего взаимодействия между 5g- орбиталью элемента 126 и 2 p -орбиталью фтора . [85] Другие предсказанные степени окисления включают +2, +4 и +6; ожидается, что +4 будет наиболее обычной степенью окисления унбигексия. [16] Предполагается, что суперактиниды от унбипентия (элемент 125) до унбиенния (элемент 129) будут проявлять степень окисления +6 и образовывать гексафториды , хотя 125F 6 и 126F 6 , как ожидается, будут относительно слабо связаны. [84] Ожидается, что энергии диссоциации связей значительно возрастут у элемента 127 и еще больше у элемента 129. Это предполагает переход от сильного ионного характера во фторидах элемента 125 к более ковалентному характеру, включающему орбиталь 8p, во фторидах элемента 129. Связь в этих гексафторидах суперактинидов в основном происходит между самой высокой подоболочкой 8p суперактинида и подоболочкой 2p фтора, в отличие от того, как уран использует свои 5f и 6d орбитали для связи в гексафториде урана . [84]
Несмотря на способность ранних суперактинидов достигать высоких степеней окисления, было подсчитано, что 5g-электроны будет труднее всего ионизировать; ожидается, что ионы 125 6+ и 126 7+ будут иметь конфигурацию 5g 1 , похожую на конфигурацию 5f 1 иона Np 6+ . [13] [84] Аналогичное поведение наблюдается при низкой химической активности 4f-электронов в лантаноидах ; это является следствием того, что 5g-орбитали малы и глубоко скрыты в электронном облаке. [13] Присутствие электронов на g-орбиталях, которые не существуют в основной электронной конфигурации любого известного в настоящее время элемента, должно позволить неизвестным в настоящее время гибридным орбиталям образовываться и влиять на химию суперактинидов новыми способами, хотя отсутствие g- электронов в известных элементах затрудняет прогнозирование химии суперактинидов. [4]
В более поздних суперактинидах степени окисления должны стать ниже. К элементу 132 преобладающей наиболее стабильной степенью окисления будет только +6; она далее снижается до +3 и +4 к элементу 144, и в конце ряда суперактинидов она будет только +2 (и, возможно, даже 0), потому что оболочка 6f, которая заполняется в этой точке, находится глубоко внутри электронного облака, а электроны 8s и 8p 1/2 связаны слишком сильно, чтобы быть химически активными. Оболочка 5g должна быть заполнена у элемента 144, а оболочка 6f — около элемента 154, и в этой области суперактинидов электроны 8p 1/2 связаны настолько сильно, что они больше не активны химически, так что только несколько электронов могут участвовать в химических реакциях. Расчеты Фрике и др. предсказывает, что у элемента 154 оболочка 6f заполнена и нет никаких d- или других электронных волновых функций за пределами химически неактивных оболочек 8s и 8p 1/2 . Это может привести к тому, что элемент 154 будет довольно нереактивным со свойствами, подобными свойствам благородного газа . [4] [15] Расчеты Пююккё, тем не менее, предполагают, что у элемента 155 оболочка 6f все еще химически ионизируема: 155 3+ должен иметь полную оболочку 6f, а четвертый потенциал ионизации должен быть между таковыми у тербия и диспрозия , оба из которых известны в состоянии +4. [13]
Подобно сокращениям лантаноидов и актинидов , должно быть сокращение суперактинидов в ряду суперактинидов, где ионные радиусы суперактинидов меньше ожидаемых. В лантаноидах сокращение составляет около 4,4 пм на элемент; в актиноидах оно составляет около 3 пм на элемент. Сокращение больше в лантаноидах, чем в актиноидах из-за большей локализации волновой функции 4f по сравнению с волновой функцией 5f. Сравнения с волновыми функциями внешних электронов лантаноидов, актинидов и суперактинидов приводят к предсказанию сокращения около 2 пм на элемент в суперактинидах; Хотя это меньше, чем сокращения в лантаноидах и актиноидах, его общий эффект больше из-за того, что 32 электрона заполняются в глубоко скрытых оболочках 5g и 6f, вместо того, чтобы заполнять только 14 электронов в оболочках 4f и 5f в лантаноидах и актиноидах соответственно. [4]
Пекка Пююккё делит эти суперактиниды на три серии: серию 5g (элементы 121–138), серию 8p 1/2 (элементы 139–140) и серию 6f (элементы 141–155), также отмечая, что будет много перекрытий между энергетическими уровнями и что орбитали 6f, 7d или 8p 1/2 также могут быть заняты в ранних атомах или ионах суперактинидов. Он также ожидает, что они будут вести себя скорее как «суперлантаниды», в том смысле, что электроны 5g будут в основном химически неактивны, подобно тому, как только один или два электрона 4f в каждом лантаниде когда-либо ионизированы в химических соединениях. Он также предсказал, что возможные степени окисления суперактинидов могут очень высоко подняться в серии 6f, до таких значений, как +12 в элементе 148. [13]
Андрей Кульша назвал тридцать шесть элементов со 121 по 156 «ультрапереходными» элементами и предложил разделить их на две серии по восемнадцать в каждой, одну из элементов со 121 по 138 и другую из элементов со 139 по 156. Первая была бы аналогична лантаноидам, со степенями окисления в основном в диапазоне от +4 до +6, поскольку заполнение оболочки 5g доминирует, а соседние элементы очень похожи друг на друга, создавая аналогию с ураном , нептунием и плутонием . Вторая была бы аналогична актиноидам: в начале (около элементов в 140-х годах) можно было бы ожидать очень высоких степеней окисления, поскольку оболочка 6f поднимается над оболочкой 7d, но затем типичные степени окисления понизятся, и в элементах в 150-х годах и далее электроны 8p 1/2 перестанут быть химически активными. Поскольку два ряда разделены добавлением полной подоболочки 5g 18 , их также можно считать аналогами друг друга. [19] [20]
В качестве примера поздних суперактинидов можно привести элемент 156, который, как ожидается, будет демонстрировать в основном степень окисления +2 из-за его электронной конфигурации с легко удаляемыми электронами 7d 2 по сравнению со стабильной [Og]5g 18 6f 14 8s 2 8p2
1/2ядро. Таким образом, его можно считать более тяжелым конгенером нобелия , который также имеет пару легко удаляемых 7s 2 электронов над стабильным ядром [Rn]5f 14 и обычно находится в состоянии +2 (для получения нобелия в состоянии +3 требуются сильные окислители). [19] Его первая энергия ионизации должна быть около 400 кДж/моль, а его металлический радиус около 170 пикометров. С относительной атомной массой около 445 а.е.м. [4] он должен быть очень тяжелым металлом с плотностью около 26 г/см 3 .
Ожидается, что 7d-переходные металлы в 8-м периоде будут элементами с 157 по 166. Хотя электроны 8s и 8p 1/2 связаны в этих элементах настолько прочно, что они не должны принимать участия в каких-либо химических реакциях, уровни 9s и 9p 1/2 , как ожидается, будут легко доступны для гибридизации. [4] [15] Эти 7d-элементы должны быть похожи на 4d-элементы от иттрия до кадмия . [19] В частности, элемент 164 с электронной конфигурацией 7d 10 9s 0 показывает четкие аналогии с палладием с его электронной конфигурацией 4d 10 5s 0. [16]
Благородные металлы этой серии переходных металлов, как ожидается, не будут столь же благородными, как их более легкие гомологи, из-за отсутствия внешней оболочки s для экранирования, а также из-за того, что оболочка 7d сильно разделена на две подоболочки из-за релятивистских эффектов. Это приводит к тому, что первые энергии ионизации переходных металлов 7d меньше, чем у их более легких сородичей. [4] [15] [16]
Теоретический интерес к химии унгексвадия в значительной степени мотивирован теоретическими предсказаниями о том, что он, особенно изотопы 472 164 и 482 164 (со 164 протонами и 308 или 318 нейтронами ), будет находиться в центре гипотетического второго острова стабильности (первый сосредоточен вокруг коперниция , особенно изотопов 291 Cn, 293 Cn и 296 Cn, которые, как ожидается, будут иметь периоды полураспада в столетия или тысячелетия). [87] [52] [88] [89]
Расчеты предсказывают, что 7d-электроны элемента 164 (унгексадия) должны очень легко участвовать в химических реакциях, так что он должен быть способен показывать стабильные степени окисления +6 и +4 в дополнение к нормальному состоянию +2 в водных растворах с сильными лигандами . Таким образом, элемент 164 должен быть способен образовывать такие соединения, как 164( CO ) 4 , 164( PF3 ) 4 (оба тетраэдрические , как и соответствующие соединения палладия), и 164 ( CN ).2−
2( линейный ), что сильно отличается от поведения свинца , более тяжелым гомологом которого был бы элемент 164, если бы не релятивистские эффекты. Тем не менее, двухвалентное состояние будет основным в водном растворе (хотя состояния +4 и +6 были бы возможны с более сильными лигандами), и негексаквадиум(II) должен вести себя более похоже на свинец, чем негексаквадиум(IV) и негексаквадиум(VI). [15] [16]
Элемент 164, как ожидается, будет мягкой кислотой Льюиса и будет иметь параметр мягкости Арландса, близкий к 4 эВ . Он должен быть в лучшем случае умеренно реактивным, имея первую энергию ионизации, которая должна быть около 685 кДж/моль, что сопоставимо с таковой у молибдена . [4] [16] Из-за лантаноидного, актиноидного и суперактиноидного сокращений элемент 164 должен иметь металлический радиус всего 158 пм , что очень близко к радиусу гораздо более легкого магния , несмотря на его ожидаемый атомный вес около 474 а.е.м. , что примерно в 19,5 раз больше атомного веса магния. [4] Этот малый радиус и большой вес приводят к тому, что он, как ожидается, будет иметь чрезвычайно высокую плотность около 46 г·см −3 , что более чем в два раза больше, чем у осмия , в настоящее время самого плотного известного элемента, в 22,61 г·см −3 ; Элемент 164 должен быть вторым по плотности элементом среди первых 172 элементов периодической таблицы, только его сосед унгекстрий (элемент 163) плотнее (47 г·см −3 ). [4] Металлический элемент 164 должен иметь очень большую энергию сцепления ( энтальпию кристаллизации) из-за его ковалентных связей, что, скорее всего, приводит к высокой температуре плавления. В металлическом состоянии элемент 164 должен быть довольно благородным и аналогичным палладию и платине . Фрике и др. предположили некоторое формальное сходство с оганесоном , поскольку оба элемента имеют конфигурации с закрытыми оболочками и схожие энергии ионизации, хотя они отмечают, что в то время как оганесон был бы очень плохим благородным газом, элемент 164 был бы хорошим благородным металлом. [16]
Элементы 165 (унгекспентий) и 166 (унгексгексиум), последние два металла 7d, должны вести себя подобно щелочным и щелочноземельным металлам в степенях окисления +1 и +2 соответственно. Электроны 9s должны иметь энергии ионизации, сопоставимые с энергиями 3s-электронов натрия и магния , из-за релятивистских эффектов, заставляющих электроны 9s быть гораздо более прочно связанными, чем предсказывают нерелятивистские расчеты. Элементы 165 и 166 должны обычно проявлять степени окисления +1 и +2 соответственно, хотя энергии ионизации электронов 7d достаточно низки, чтобы допускать более высокие степени окисления, такие как +3 для элемента 165. Степень окисления +4 для элемента 166 менее вероятна, создавая ситуацию, похожую на ситуацию с более легкими элементами в группах 11 и 12 (особенно с золотом и ртутью ). [4] [15] Как и в случае с ртутью, но не с коперницием, ионизация элемента 166 до 166 2+ , как ожидается, приведет к конфигурации 7d 10, соответствующей потере s-электронов, но не d-электронов, что делает его более аналогичным более легким «менее релятивистским» элементам группы 12: цинку, кадмию и ртути. [13]
Ожидается, что следующие шесть элементов в периодической таблице будут последними элементами главной группы в своем периоде [13] и, вероятно, будут похожи на элементы 5p от индия до ксенона . [19] У элементов 167–172 будут заполнены оболочки 9p 1/2 и 8p 3/2 . Их собственные значения энергии настолько близки друг к другу, что они ведут себя как одна объединенная p-подоболочка, похожая на нерелятивистские подоболочки 2p и 3p. Таким образом, эффект инертной пары не возникает, и наиболее распространенными степенями окисления элементов 167–170, как ожидается, будут +3, +4, +5 и +6 соответственно. Ожидается, что элемент 171 (несептуниум) продемонстрирует некоторое сходство с галогенами , показывая различные степени окисления в диапазоне от −1 до +7, хотя его физические свойства, как ожидается, будут ближе к свойствам металла. Ожидается, что его электронное сродство составит 3,0 эВ , что позволит ему образовать H171, аналогичный галогениду водорода . Ожидается, что ион 171 − будет мягким основанием , сравнимым с иодидом (I − ). Ожидается, что элемент 172 (несептбий) будет благородным газом с химическим поведением, аналогичным поведению ксенона, поскольку их энергии ионизации должны быть очень похожи (Xe, 1170,4 кДж/моль; элемент 172, 1090 кДж/моль). Единственное главное различие между ними заключается в том, что элемент 172, в отличие от ксенона, должен быть жидким или твердым при стандартной температуре и давлении из-за его гораздо более высокого атомного веса. [4] Ожидается, что несептбий будет сильной кислотой Льюиса , образующей фториды и оксиды, подобно своему более легкому родственнику ксенону. [16]
Из-за некоторой аналогии элементов 165–172 с периодами 2 и 3, Фрике и др. считали, что они образуют девятый период периодической таблицы, в то время как восьмой период они считали заканчивающимся на благородном металлическом элементе 164. Этот девятый период был бы похож на второй и третий периоды тем, что не имел бы переходных металлов. [16] При этом аналогия неполна для элементов 165 и 166; хотя они и начинают новую s-оболочку (9s), она находится выше d-оболочки, что делает их химически более похожими на группы 11 и 12. [17]
За пределами элемента 172 есть потенциал для заполнения оболочек 6g, 7f, 8d, 10s, 10p 1/2 и, возможно, 6h 11/2 . Эти электроны будут очень слабо связаны, что потенциально делает достижимыми чрезвычайно высокие степени окисления, хотя электроны будут становиться более прочно связанными по мере роста ионного заряда. Таким образом, вероятно, будет еще одна очень длинная серия переходов, как у суперактинидов. [16]
В элементе 173 (несепттрий) самый внешний электрон может войти в подоболочки 6g 7/2 , 9p 3/2 или 10s. Поскольку спин-орбитальные взаимодействия создают очень большой энергетический зазор между ними и подоболочкой 8p 3/2 , ожидается, что этот самый внешний электрон будет очень слабо связан и очень легко потеряется, образуя катион 173 + . В результате ожидается, что элемент 173 будет вести себя химически как щелочной металл, и может быть гораздо более реактивным, чем даже цезий (франций и элемент 119 менее реактивны, чем цезий из-за релятивистских эффектов): [90] [19] расчетная энергия ионизации для элемента 173 составляет 3,070 эВ, [91] по сравнению с экспериментально известным значением 3,894 эВ для цезия. Элемент 174 (несептквадий) может добавлять 8d-электрон и образовывать катион 174 2+ с закрытой оболочкой ; его расчетная энергия ионизации составляет 3,614 эВ. [91]
Элемент 184 (уноквадий) был в значительной степени нацелен на ранние предсказания, так как изначально предполагалось, что 184 будет магическим числом протона: предсказывается, что он имеет электронную конфигурацию [172] 6g 5 7f 4 8d 3 , с по крайней мере электронами 7f и 8d химически активными. Его химическое поведение, как ожидается, будет похоже на уран и нептуний , так как дальнейшая ионизация после состояния +6 (соответствующая удалению электронов 6g), вероятно, будет невыгодной; состояние +4 должно быть наиболее распространенным в водном растворе, а +5 и +6 достижимы в твердых соединениях. [4] [16] [92]
Число физически возможных элементов неизвестно. По низкой оценке, периодическая таблица может закончиться вскоре после острова стабильности , [14] который, как ожидается, будет сосредоточен на Z = 126, поскольку расширение периодической и нуклидной таблиц ограничено протонными и нейтронными границами капель и стабильностью по отношению к альфа-распаду и спонтанному делению. [93] Один расчет Y. Gambhir et al. , анализирующий энергию связи ядер и стабильность в различных каналах распада, предполагает предел существования связанных ядер при Z = 146. [94] Другие предсказания конца периодической таблицы включают Z = 128 ( Джон Эмсли ) и Z = 155 (Альберт Хазан). [10]
Среди физиков бытует «народная легенда», что Ричард Фейнман предположил, что нейтральные атомы не могут существовать для атомных чисел больше Z = 137, на том основании, что релятивистское уравнение Дирака предсказывает, что энергия основного состояния самого внутреннего электрона в таком атоме будет мнимым числом . Здесь число 137 возникает как обратная величина постоянной тонкой структуры . Согласно этому аргументу, нейтральные атомы не могут существовать за пределами атомного числа 137, и поэтому периодическая таблица элементов, основанная на электронных орбиталях, в этой точке нарушается. Однако этот аргумент предполагает, что атомное ядро является точечным. Более точный расчет должен учитывать небольшой, но ненулевой размер ядра, который, как предсказывают, отодвинет предел дальше до Z ≈ 173. [95]
Модель Бора сталкивается с трудностями для атомов с атомным номером больше 137, поскольку скорость электрона на электронной орбитали 1s , v , определяется выражением
где Z — атомный номер , а α — постоянная тонкой структуры , мера силы электромагнитных взаимодействий. [96] В этом приближении любой элемент с атомным номером больше 137 потребует, чтобы 1s электронов двигались быстрее, чем c — скорость света . Следовательно, нерелятивистская модель Бора неточна при применении к такому элементу.
Релятивистское уравнение Дирака дает энергию основного состояния как
где m — масса покоя электрона. [97] При Z > 137 волновая функция основного состояния Дирака является колебательной, а не связанной, и нет зазора между положительным и отрицательным энергетическими спектрами, как в парадоксе Клейна . [98] Более точные расчеты, учитывающие эффекты конечного размера ядра, показывают, что энергия связи сначала превышает 2 mc2 для Z > Z cr , вероятно, между 168 и 172. [99] При Z > Z cr , если самая внутренняя орбиталь (1s) не заполнена, электрическое поле ядра вытащит электрон из вакуума , что приведет к спонтанному излучению позитрона . [100] [101] Это погружение подоболочки 1s в отрицательный континуум часто воспринималось как «конец» периодической таблицы, [13] [95] [102] но на самом деле это не накладывает такого ограничения, поскольку такие резонансы можно интерпретировать как состояния Гамова. Точное описание таких состояний в многоэлектронной системе, необходимое для расширения вычислений и периодической таблицы за пределы Z cr ≈ 172, однако, все еще остается открытой проблемой. [99]
Атомы с атомными числами выше Z cr ≈ 172 были названы сверхкритическими атомами. Сверхкритические атомы не могут быть полностью ионизированы, поскольку их подоболочка 1s будет заполнена спонтанным рождением пар, в которых пара электрон-позитрон создается из отрицательного континуума, при этом электрон связан, а позитрон вылетает. Однако сильное поле вокруг атомного ядра ограничено очень небольшой областью пространства, так что принцип исключения Паули запрещает дальнейшее спонтанное создание пар после заполнения подоболочек, которые нырнули в отрицательный континуум. Элементы 173–184 были названы слабо сверхкритическими атомами, поскольку для них только оболочка 1s нырнула в отрицательный континуум; Ожидается, что оболочка 2p 1/2 соединится вокруг элемента 185, а оболочка 2s вокруг элемента 245. Эксперименты до сих пор не увенчались успехом в обнаружении спонтанного создания пар из-за сборки сверхкритических зарядов посредством столкновения тяжелых ядер (например, столкновение свинца с ураном для мгновенного получения эффективного Z 174; уран с ураном дает эффективное Z = 184, а уран с калифорнием дает эффективное Z = 190). [103]
Хотя прохождение Z cr не означает, что элементы больше не могут существовать, увеличивающаяся концентрация плотности 1s вблизи ядра, вероятно, сделает эти электроны более уязвимыми для захвата электронов K по мере приближения к Z cr . Для таких тяжелых элементов эти 1s-электроны, вероятно, проведут значительную часть времени так близко к ядру, что фактически окажутся внутри него. Это может наложить еще одно ограничение на периодическую таблицу. [104]
Из-за фактора m мюонные атомы становятся сверхкритическими при гораздо большем атомном числе около 2200, поскольку мюоны примерно в 207 раз тяжелее электронов. [99]
Также было высказано предположение, что в области за пределами A > 300 может существовать целый « континент стабильности », состоящий из гипотетической фазы стабильной кварковой материи , включающей свободно текущие вверх и вниз кварки, а не кварки, связанные в протоны и нейтроны. Такая форма материи теоретически является основным состоянием барионной материи с большей энергией связи на барион , чем ядерная материя , что благоприятствует распаду ядерной материи за пределами этого порога массы в кварковую материю. Если такое состояние материи существует, оно, возможно, может быть синтезировано в тех же реакциях слияния, приводящих к обычным сверхтяжелым ядрам, и будет стабилизировано против деления вследствие его более сильной связи, достаточной для преодоления кулоновского отталкивания. [105]
Расчеты, опубликованные в 2020 году [106], предполагают стабильность частиц кварковой материи «вверх-вниз» (udQM) по отношению к обычным ядрам за пределами A ~ 266, а также показывают, что частицы udQM становятся сверхкритическими раньше ( Z cr ~ 163, A ~ 609), чем обычные ядра ( Z cr ~ 177, A ~ 480).
Стабильность ядер значительно уменьшается с увеличением атомного номера после кюрия , элемента 96, так что все изотопы с атомным номером выше 101 распадаются радиоактивно с периодом полураспада менее суток. Ни один элемент с атомным номером выше 82 (после свинца ) не имеет стабильных изотопов. [107] Тем не менее, по причинам, которые пока не очень хорошо поняты, 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 , объясняет, почему сверхтяжелые элементы существуют дольше, чем предсказывалось. [108]
Расчеты по методу Хартри-Фока-Боголюбова с использованием нерелятивистского взаимодействия Скирма предложили Z = 126 как замкнутую протонную оболочку . В этой области периодической таблицы N = 184, N = 196 и N = 228 были предложены как замкнутые нейтронные оболочки. Поэтому наибольший интерес представляют изотопы 310 126, 322 126 и 354 126, поскольку они могут быть значительно более долгоживущими, чем другие изотопы. Элемент 126, имеющий магическое число протонов , как предсказывают, более стабилен, чем другие элементы в этой области, и может иметь ядерные изомеры с очень длинными периодами полураспада . [76] Также возможно, что остров стабильности вместо этого сосредоточен в 306 122 , который может быть сферическим и дважды магическим . [52] Вероятно, остров стабильности находится около Z = 114–126 и N = 184, с временем жизни, вероятно, около часов или дней. После закрытия оболочки при N = 184 время жизни спонтанного деления должно резко упасть ниже 10 −15 секунд — слишком коротко для того, чтобы ядро получило электронное облако и приняло участие в какой-либо химии. При этом такие времена жизни очень зависят от модели, и прогнозы варьируются во многих порядках величины. [99]
Принимая во внимание ядерную деформацию и релятивистские эффекты, анализ одночастичных уровней предсказывает новые магические числа для сверхтяжелых ядер при Z = 126, 138, 154 и 164 и N = 228, 308 и 318. [9] [87] Таким образом, в дополнение к острову стабильности с центром в 291 Cn, 293 Cn, [28] и 298 Fl, могут существовать дополнительные острова стабильности вокруг дважды магических 354 126, а также 472 164 или 482 164. [88] [89] Предполагается, что эти ядра являются бета-стабильными и распадаются путем альфа-излучения или спонтанного деления с относительно длинными периодами полураспада и придают дополнительную стабильность соседним изотонам N = 228 и элементам 152–168 соответственно. [109] С другой стороны, тот же анализ предполагает, что замыкания протонных оболочек могут быть относительно слабыми или даже отсутствовать в некоторых случаях, таких как 354 126, что означает, что такие ядра могут не быть дважды магическими, и стабильность вместо этого будет в первую очередь определяться сильными замыканиями нейтронных оболочек. [87] Кроме того, из-за чрезвычайно больших сил электромагнитного отталкивания , которые должны быть преодолены сильным взаимодействием на втором острове ( Z = 164), [110] возможно, что ядра вокруг этой области существуют только как резонансы и не могут оставаться вместе в течение значимого периода времени. Также возможно, что некоторые из суперактинидов между этими сериями могут на самом деле не существовать, потому что они слишком далеки от обоих островов, [110] в этом случае периодическая таблица может закончиться около Z = 130. [16] Интересно, что область элементов 121–156, где периодичность находится в состоянии неопределенности, весьма похожа на зазор между двумя островами. [19]
За пределами элемента 164 линия делимости, определяющая предел стабильности по отношению к спонтанному делению, может сходиться с линией нейтронной капельной связи , устанавливая предел для существования более тяжелых элементов. [109] Тем не менее, были предсказаны дальнейшие магические числа при Z = 210, 274 и 354 и N = 308, 406, 524, 644 и 772, [111] с двумя бета-стабильными дважды магическими ядрами, найденными при 616 210 и 798 274; тот же метод расчета воспроизвел предсказания для 298 Fl и 472 164. (Дважды магические ядра, предсказанные для Z = 354, являются бета-нестабильными, причем 998 354 является дефицитным по нейтронам, а 1126 354 — богатым по нейтронам.) Хотя для 616 210 и 798 274 предсказывается дополнительная стабильность по отношению к альфа-распаду и делению , с периодами полураспада до сотен микросекунд для 616 210, [111] не будет существовать островов стабильности, столь же значительных, как те, которые предсказаны для Z = 114 и 164. Поскольку существование сверхтяжелых элементов очень сильно зависит от стабилизирующих эффектов замкнутых оболочек, ядерная нестабильность и деление, вероятно, определят конец периодической таблицы за пределами этих островов стабильности. [16] [94] [109]
Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) определяет элемент как существующий, если его время жизни превышает 10−14 секунд , что является временем, необходимым для образования электронного облака ядром. Однако нуклид обычно считается существующим, если его время жизни превышает примерно 10−22 секунд , что является временем, необходимым для формирования ядерной структуры . Следовательно, возможно, что некоторые значения Z могут быть реализованы только в нуклидах, а соответствующие элементы не существуют. [104]
Также возможно, что на самом деле никаких других островов не существует за пределами 126, поскольку структура ядерной оболочки размывается (поскольку ожидается, что структура электронной оболочки будет вокруг оганессона), и низкоэнергетические режимы распада становятся легкодоступными. [112]
В некоторых областях таблицы нуклидов, как ожидается, будут дополнительные области стабильности из-за несферических ядер, которые имеют магические числа, отличные от магических чисел сферических ядер; яйцевидное ядро 270 Hs ( Z = 108, N = 162) является одним из таких деформированных дважды магических ядер. [113] В сверхтяжелой области сильное кулоновское отталкивание протонов может привести к тому, что некоторые ядра, включая изотопы оганесона, примут форму пузыря в основном состоянии с пониженной центральной плотностью протонов, в отличие от примерно равномерного распределения внутри большинства меньших ядер. [114] [115] Однако такая форма будет иметь очень низкий барьер деления. [116] Даже более тяжелые ядра в некоторых регионах, таких как 342 136 и 466 156, могут вместо этого стать тороидальными или похожими на красные кровяные клетки по форме, со своими собственными магическими числами и островками стабильности, но они также будут легко фрагментироваться. [117] [118]
Поскольку считается, что главный остров стабильности находится около 291 Cn и 293 Cn, неоткрытые элементы за пределами оганесона могут быть очень нестабильны и подвергаться альфа-распаду или спонтанному делению за микросекунды или меньше. Точная область, в которой периоды полураспада превышают одну микросекунду, неизвестна, хотя различные модели предполагают, что изотопы элементов тяжелее унбинилия , которые могут быть получены в реакциях синтеза с доступными мишенями и снарядами, будут иметь периоды полураспада менее одной микросекунды и, следовательно, могут быть не обнаружены. [64] Последовательно предсказывается, что будут существовать области стабильности при N = 184 и N = 228, а также, возможно, при Z ~ 124 и N ~ 198. Эти ядра могут иметь периоды полураспада в несколько секунд и подвергаться преимущественно альфа-распаду и спонтанному делению, хотя также могут существовать незначительные ветви бета-плюс-распада (или захвата электронов ). [119] За пределами этих областей повышенной стабильности ожидается, что барьеры деления значительно снизятся из-за потери эффектов стабилизации, что приведет к периодам полураспада деления ниже 10−18 секунд , особенно в четно-четных ядрах, для которых помеха еще ниже из-за спаривания нуклонов . [109] В целом ожидается, что периоды полураспада альфа-распада будут увеличиваться с числом нейтронов, от наносекунд в наиболее нейтронно-дефицитных изотопах до секунд ближе к линии бета-стабильности . [43] Для ядер, у которых всего на несколько нейтронов больше магического числа, энергия связи существенно падает, что приводит к разрыву тенденции и более коротким периодам полураспада. [43] Наиболее нейтронно-дефицитные изотопы этих элементов также могут быть несвязанными и подвергаться испусканию протонов . Кластерный распад (испускание тяжелых частиц) также был предложен в качестве альтернативного режима распада для некоторых изотопов, [120] что создает еще одно препятствие для идентификации этих элементов.
Ниже приведены ожидаемые электронные конфигурации элементов 119–174 и 184. Символ [Og] указывает на вероятную электронную конфигурацию оганесона (Z = 118), который в настоящее время является последним известным элементом. Конфигурации элементов в этой таблице записываются, начиная с [Og], поскольку оганесон, как ожидается, будет последним предшествующим элементом с конфигурацией закрытой оболочки (инертный газ), 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 5f 14 6s 2 6p 6 6d 10 7s 2 7p 6 . Аналогично, [172] в конфигурациях для элементов 173, 174 и 184 обозначает вероятную конфигурацию закрытой оболочки элемента 172.
За пределами элемента 123 полные расчеты недоступны, поэтому данные в этой таблице следует рассматривать как предварительные. [16] [90] [121] В случае элемента 123, а также, возможно, более тяжелых элементов, несколько возможных электронных конфигураций, как предсказывают, имеют очень похожие уровни энергии, так что очень трудно предсказать основное состояние . Все конфигурации, которые были предложены (поскольку было понятно, что правило Маделунга, вероятно, перестает работать здесь), включены. [83] [121] [122]
Предсказанные назначения блоков до 172 принадлежат Кульше [21], следуя ожидаемым доступным валентным орбиталям. Однако в литературе нет единого мнения о том, как должны работать блоки после элемента 138.
Kulsha nennt die 36 Elemente zwischen 121 und 156 «Ultransition Elements» und schlägt vor, sie in zwei Serien aufzuteilen, in eine von 121 bis 138 und eine zweite von 139 bis 156. Die erste ähnelte eher den Lanthanoiden (Seltenerden) ), умереть Узнайте больше о Actinoiden.
Возможно, что будут синтезированы и другие элементы — исследования, безусловно, продолжаются — но маловероятно, что таблица когда-либо снова будет выглядеть так же аккуратно, поскольку для заполнения следующей строки потребуется создать еще пятьдесят четыре элемента.
С завершением модернизации линейного ускорителя и BigRIPS в начале 2020 г. RNC намерен синтезировать новые элементы, начиная с элемента 119 и далее.
Мы начали поиск элемента 119 в июне прошлого года», — говорит исследователь RIKEN Хидето Эньё. «Это, безусловно, займет много времени — годы и годы — поэтому мы будем продолжать тот же эксперимент с перерывами в течение 100 или более дней в году, пока мы или кто-то другой не обнаружит его.
Охота на элемент 113 была почти прекращена из-за нехватки ресурсов, но на этот раз император Японии финансирует усилия Рикена по расширению периодической таблицы до восьмого ряда.
мы работали в основном с кальцием. Это элемент 20 в таблице Менделеева. Им бомбардировали мишень. А самый тяжелый элемент, из которого можно сделать мишень, — это калифорний, 98. Соответственно, 98 + 20 — это 118. То есть, чтобы получить элемент 120, нам нужно перейти к следующей частице. Скорее всего, это титан: 22 + 98 = 120.
Еще много работы по настройке системы. Не хочу забегать вперед, но если нам удастся успешно провести все модельные эксперименты, то первые эксперименты по синтезу элемента 120, вероятно, начнутся в этом году.
В этом году мы фактически завершаем серию экспериментов по отладке всех режимов ускорителя и масс-спектрометров для синтеза 120-го элемента. Научились получать высокие темпы роста хрома и титана. Научились обнаруживать сверхтяжелые одиночные атомы в реакциях со значительным разрезом. Теперь ждем, когда закончится обработка материала для мишени на реакторах и сепараторах у наших партнеров в «Росатоме» и в США: Кюрий, Беркли, Калифорния. Надеюсь, что в 2025 г. мы искренне приступим к синтезу 120-го элемента.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)