Унбибий , также известный как элемент 122 или эка-торий , является гипотетическим химическим элементом ; он имеет символ-заполнитель Ubb и атомный номер 122. Унбибий и Ubb 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 следовать за унбиуниумом в качестве второго элемента суперактинидов и четвертого элемента 8-го периода . Подобно унбиуниуму, ожидается, что он попадет в диапазон острова стабильности , потенциально придавая дополнительную стабильность некоторым изотопам, особенно 306 Ubb, который, как ожидается, имеет магическое число нейтронов (184).
Несмотря на несколько попыток, унбибий до сих пор не синтезирован, и не обнаружено никаких природных изотопов. В настоящее время нет планов попытаться синтезировать унбибий. В 2008 году было заявлено, что он был обнаружен в образцах природного тория, [3], но это заявление теперь опровергнуто недавними повторениями эксперимента с использованием более точных методов.
Химически унбибий, как ожидается, будет демонстрировать некоторое сходство с церием и торием . Однако релятивистские эффекты могут привести к тому, что некоторые его свойства будут отличаться; например, ожидается, что он будет иметь основную электронную конфигурацию [ Og ] 7d 1 8s 2 8p 1 или [Og] 8s 2 8p 2 , несмотря на его предсказанное положение в серии суперактинидов g-блока. [1]
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. [9] 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. [10] 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. [10]
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. [10] [11] Это происходит потому, что во время попытки образования единого ядра электростатическое отталкивание разрывает формирующееся ядро. [10] Каждая пара мишени и пучка характеризуется своим поперечным сечением — вероятностью того, что слияние произойдет, если два ядра сблизятся друг с другом, 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. [10]
Результирующее слияние является возбужденным состоянием [14] — называемым составным ядром — и поэтому оно очень нестабильно. [10] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может расщепляться без образования более стабильного ядра. [15] 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. [15] 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. [16] [d]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры, сепаратора; если образуется новое ядро, оно переносится этим пучком. [18] 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. [18] Передача занимает около 10−6 секунд ; чтобы быть обнаруженным, ядро должно прожить это время. [21] Ядро регистрируется снова после того, как регистрируется его распад, и измеряются местоположение, энергия и время распада. [18]
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. [22] 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. [23] [24] Таким образом, теоретически предсказано [25] и до сих пор наблюдалось [26] , 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, [28] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [29] В обоих режимах распада ядрам препятствуют распадаться соответствующие энергетические барьеры для каждого режима, но они могут туннелироваться через них. [23] [24]
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. [31] Спонтанное деление вызвано электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро, и производит различные ядра в различных случаях деления идентичных ядер. [24] 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), [32] и на 30 порядков величины от тория (элемент 90) до фермия (элемент 100). [33] 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. [24] [34] 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. [24] [34] 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. [35] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [36], а также с теми, которые ближе к ожидаемому острову, [32] 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.) [18] Известное ядро можно распознать по определенным характеристикам распада, которому 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]В 1970-х годах были предприняты две попытки синтезировать унбибий, обе из которых были обусловлены ранними предсказаниями об острове стабильности при N = 184 и Z > 120 [47] и, в частности, тем, могут ли сверхтяжелые элементы потенциально встречаться в природе. [48] Первые попытки синтезировать унбибий были предприняты в 1972 году Флеровым и др. в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) с использованием реакций горячего синтеза, индуцированных тяжелыми ионами: [48]
Еще одна неудачная попытка синтезировать унбибий была предпринята в 1978 году в Центре Гельмгольца GSI, где природная эрбиевая мишень была подвергнута бомбардировке ионами ксенона-136 : [48]
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. [47] 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 унбиуний из 238 U и 65 Cu был сделан вывод, что периоды полураспада сверхтяжелых ядер должны быть меньше одной микросекунды, или поперечные сечения очень малы. [49] Более поздние исследования синтеза сверхтяжелых элементов показывают, что оба вывода верны. [50] [51]
В 2000 году Центр исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) провел очень похожий эксперимент с гораздо более высокой чувствительностью: [48]
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.
Несколько экспериментов по изучению характеристик деления различных сверхтяжелых составных ядер, таких как 306 Ubb, были проведены 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. [48] 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. [52]
В 2008 году группа под руководством израильского физика Амнона Маринова из Еврейского университета в Иерусалиме заявила, что обнаружила отдельные атомы унбибия-292 в природных отложениях тория в концентрации от 10−11 до 10−12 относительно тория. [3] Это был первый случай за 69 лет, когда было заявлено об открытии нового элемента в природе, после открытия франция Маргеритой Перей в 1939 году . [l] Заявление Маринова и др. подверглось критике со стороны научного сообщества, и Маринов говорит, что он отправил статью в журналы Nature и Nature Physics, но оба отклонили ее, не отправив на рецензирование. [53] Атомы унбибия-292 были заявлены как супердеформированные или гипердеформированные изомеры с периодом полураспада не менее 100 миллионов лет. [48]
Критика метода, ранее использовавшегося для предположительной идентификации более легких изотопов тория с помощью масс-спектрометрии , [54] была опубликована в Physical Review C в 2008 году. [55] Опровержение группы Маринова было опубликовано в Physical Review C после опубликованного комментария. [56]
Повтор эксперимента с торием с использованием более совершенного метода ускорительной масс-спектрометрии (AMS) не смог подтвердить результаты, несмотря на 100-кратно лучшую чувствительность. [57] Этот результат ставит под сомнение результаты сотрудничества Маринова в отношении их заявлений о долгоживущих изотопах тория , [54] рентгения , [58] и унбибия. [3] Современное понимание сверхтяжелых элементов показывает, что крайне маловероятно, что какие-либо следы унбибия сохранятся в образцах природного тория. [48]
Используя номенклатуру Менделеева для неназванных и неоткрытых элементов , унбибий следует называть экаторием . [59] После рекомендаций ИЮПАК в 1979 году элемент с тех пор в основном называют унбибием с атомным символом ( Ubb ), [60] как его временное название до тех пор, пока элемент не будет официально открыт и синтезирован, и не будет принято решение о постоянном названии. Ученые в основном игнорируют эту конвенцию об именовании и вместо этого просто называют унбибий «элементом 122» с символом ( 122 ), или иногда даже E122 или 122. [61 ]
Каждый элемент, начиная с менделевия , был получен в реакциях слияния-испарения, кульминацией которых стало открытие самого тяжелого известного элемента оганесона в 2002 году [63] [64] и совсем недавно теннессина в 2010 году. [65] Эти реакции приблизились к пределу современных технологий; например, синтез теннессина потребовал 22 миллиграмма 249 Bk и интенсивного пучка 48 Ca в течение шести месяцев. Интенсивность пучков в исследованиях сверхтяжелых элементов не может превышать 10 12 снарядов в секунду без повреждения мишени и детектора, а производство большего количества все более редких и нестабильных актинидных мишеней нецелесообразно. [66] Следовательно, будущие эксперименты должны проводиться на таких объектах, как фабрика сверхтяжелых элементов (SHE-фабрика) в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) или RIKEN , что позволит проводить эксперименты в течение более длительных промежутков времени с улучшенными возможностями обнаружения и позволит проводить реакции, которые в противном случае были бы недоступны. [67]
Возможно, что реакции слияния-испарения не подойдут для открытия унбибия или более тяжелых элементов. Различные модели предсказывают все более короткие периоды альфа-распада и спонтанного деления для изотопов с Z = 122 и N ~ 180 порядка микросекунд или меньше, [68] делая обнаружение практически невозможным с помощью современного оборудования. [50] Растущее доминирование спонтанного деления также может разорвать возможные связи с известными ядрами ливермория или оганесона и затруднить идентификацию и подтверждение; похожая проблема возникла на пути к подтверждению цепочки распада 294 Og, которая не имеет привязки к известным ядрам. [69] По этим причинам, возможно, необходимо исследовать другие методы производства, такие как реакции многонуклонной передачи, способные заселять более долгоживущие ядра. Аналогичное переключение в экспериментальной технике произошло, когда вместо холодного синтеза (при котором поперечные сечения быстро уменьшаются с ростом атомного числа) использовался горячий синтез с использованием снарядов 48Ca для заселения элементов с Z > 113. [51]
Тем не менее, было предложено несколько реакций слияния-испарения, приводящих к унбибию, в дополнение к тем, которые уже были безуспешно опробованы, хотя ни одно учреждение не планирует немедленно предпринимать попытки синтеза, вместо этого сосредоточившись сначала на элементах 119, 120 и, возможно, 121. Поскольку поперечные сечения увеличиваются с асимметрией реакции, [51] хромовый пучок был бы наиболее благоприятным в сочетании с мишенью из калифорния , [50] особенно если предсказанная закрытая нейтронная оболочка при N = 184 может быть достигнута в более богатых нейтронами продуктах и обеспечить дополнительную стабильность. В частности, реакция между54
24Кр
и252
98Ср.
будет генерировать составное ядро306
122Убб
и достичь оболочки при N = 184, хотя аналогичная реакция с249
98Ср.
Цель считается более осуществимой из-за наличия нежелательных продуктов деления252
98Ср.
и трудности в накоплении необходимого количества целевого материала. [70] Один из возможных синтезов унбибия может происходить следующим образом: [50]
Если эта реакция будет успешной и альфа-распад останется доминирующим над спонтанным делением, результирующий 300 Ubb распадется через 296 Ubn, который может быть заселен в перекрестной бомбардировке между 249 Cf и 50 Ti. Хотя эта реакция является одним из наиболее многообещающих вариантов для синтеза унбибия в ближайшем будущем, максимальное поперечное сечение, как прогнозируется, составит 3 фб [70] , что на порядок ниже самого низкого измеренного поперечного сечения в успешной реакции. Более симметричные реакции 244 Pu + 64 Ni и 248 Cm + 58 Fe [50] также были предложены и могут производить более богатые нейтронами изотопы. С увеличением атомного числа необходимо также знать об уменьшении высоты барьера деления , что приводит к снижению вероятности выживания составных ядер , особенно выше предсказанных магических чисел при Z = 126 и N = 184. [70]
Стабильность ядер значительно уменьшается с увеличением атомного номера после плутония , самого тяжелого первичного элемента , 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. [71] 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. [72]
В этой области периодической таблицы N = 184 было предложено как замкнутая нейтронная оболочка , а различные атомные числа были предложены как замкнутые протонные оболочки, такие как Z = 114, 120, 122, 124 и 126. Остров стабильности будет характеризоваться более длительными периодами полураспада ядер, расположенных вблизи этих магических чисел, хотя степень стабилизирующих эффектов неопределенна из-за предсказаний ослабления замыканий протонных оболочек и возможной потери двойной магичности . [73] Более поздние исследования предсказывают, что остров стабильности вместо этого будет центрирован на бета-стабильных изотопах коперниция 291 Cn и 293 Cn, [51] [74] что поместило бы унбибий значительно выше острова и привело бы к коротким периодам полураспада независимо от эффектов оболочки. Повышенная стабильность элементов 112–118 также была приписана сплющенной форме таких ядер и устойчивости к спонтанному делению. Та же модель также предлагает 306 Ubb как следующее сферическое дважды магическое ядро, тем самым определяя истинный остров стабильности для сферических ядер. [75]
Модель квантового туннелирования предсказывает, что периоды полураспада альфа-распада изотопов унбибия 284–322 Ubb будут порядка микросекунд или меньше для всех изотопов легче 315 Ubb, [76] подчеркивая значительную проблему в экспериментальном наблюдении этого элемента. Это согласуется со многими предсказаниями, хотя точное местоположение границы в 1 микросекунду варьируется в зависимости от модели. Кроме того, ожидается, что спонтанное деление станет основным режимом распада в этой области, с периодами полураспада порядка фемтосекунд, предсказанными для некоторых четно-четных изотопов [68] из-за минимальных помех, возникающих из-за спаривания нуклонов и потери стабилизирующих эффектов дальше от магических чисел. [70] Расчет 2016 года по периодам полураспада и вероятным цепочкам распада изотопов 280–339 Ubb дает подтверждающие результаты: 280–297 Ubb будет не связан с протоном и, возможно, распадется путем испускания протона , 298–314 Ubb будет иметь периоды альфа-полураспада порядка микросекунд, а те, что тяжелее 314 Ubb, будут преимущественно распадаться путем спонтанного деления с короткими периодами полураспада. [77] Для более легких альфа-излучателей, которые могут быть заселены в реакциях слияния-испарения, предсказываются некоторые длинные цепочки распада, ведущие к известным или достижимым изотопам более легких элементов. Кроме того, предсказывается, что изотопы 308–310 Ubb будут иметь периоды полураспада менее 1 микросекунды, [68] [77] слишком короткие для обнаружения из-за значительно более низкой энергии связи для нейтронных чисел непосредственно выше замыкания оболочки N = 184. В качестве альтернативы, второй остров стабильности с общим периодом полураспада приблизительно в 1 секунду может существовать около Z ~ 124 и N ~ 198, хотя эти ядра будет трудно или невозможно достичь с использованием современных экспериментальных методов. [74] Однако эти предсказания сильно зависят от выбранных моделей ядерной массы, и неизвестно, какие изотопы унбибия будут наиболее стабильными. Независимо от этого, эти ядра будет трудно синтезировать, поскольку никакая комбинация доступной мишени и снаряда не может обеспечить достаточное количество нейтронов в составном ядре. Даже для ядер, достижимых в реакциях синтеза, спонтанное деление и, возможно, также кластерный распад [78] могут иметь значительные ответвления, создавая еще одно препятствие для идентификации сверхтяжелых элементов, поскольку они обычно идентифицируются по их последовательным альфа-распадам.
Предполагается, что унбибий по своим химическим свойствам похож на церий и торий, которые также имеют четыре валентных электрона над ядром благородного газа, хотя он может быть более реакционноспособным. Кроме того, предсказывается, что унбибий принадлежит к новому блоку валентных атомов g-электронов, хотя орбиталь 5g, как ожидается, не начнет заполняться до элемента 125. Предсказываемая конфигурация электронов основного состояния унбибия - это либо [ Og ] 7d 1 8s 2 8p 1 [1] [79] или 8s 2 8p 2 , [80] в отличие от ожидаемой [ Og ] 5g 2 8s 2 , в которой орбиталь 5g начинает заполняться с элемента 121. (Ожидается, что конфигурации ds 2 p и s 2 p 2 будут разделены всего лишь примерно на 0,02 эВ.) [80] В суперактинидах релятивистские эффекты могут вызвать нарушение принципа Ауфбау и создать перекрытие орбиталей 5g, 6f, 7d и 8p; [81] Эксперименты по химии коперниция и флеровия дают веские указания на возрастающую роль релятивистских эффектов. Таким образом, химия элементов, следующих за унбибием, становится более трудно предсказуемой.
Унбибий, скорее всего, образует диоксид Ubb O 2 и тетрагалогениды, такие как Ubb F 4 и Ubb Cl 4 . [1] Основная степень окисления, как прогнозируется, будет +4, подобно церию и торию. [48] Для унбибия прогнозируются первая энергия ионизации 5,651 эВ и вторая энергия ионизации 11,332 эВ; эта и другие рассчитанные энергии ионизации ниже, чем аналогичные значения для тория, что позволяет предположить, что унбибий будет более реакционноспособным, чем торий. [79] [2]