Otevírací prvky 113, 115, 117 a 118: co dává

Otevírací prvky 113, 115, 117 a 118: co dává

Boris Zhuikov
"Trinity Option" № 13 (207), 28. června 2016

O autorovi

Boris Zhuikov – radiochemist, dr. chemické Vědy, hlava. Laboratoř radioizotopového komplexu Ústavu pro jaderný výzkum Ruské akademie věd, který předtím pracoval již mnoho let v laboratoři jaderných reakcí JINR (Dubna), studoval vlastnosti nových prvků.

Objev nových prvků periodické tabulky periodické tabulky vždy vzbudil zájem široké veřejnosti. Není to tak vědecký význam těchto objevů, ale skutečnost, že všichni prošli pravidelným zákonem ve škole, a někteří dokonce pamatují na symboly prvků. To je pochopitelné, známé. Ale nyní za těmito objevy jsou komplexní studie jaderné fyziky a radiochémie, o nichž mnozí nemají ani tušení.

V současné době jsou nové prvky získávány pouze u těžkých iontových urychlovačů. (V minulosti byly nalezeny v suchozemských nerostných surovinách, produktech jaderných reaktorů a jaderných výbuchů.) Těžké ionty urychlily cyklotrony nebo lineární urychlovače bombardovat cíle z těžkých elementů a v důsledku fúze s emisí jednoho nebo několika neutronů se syntetizuje nový prvek s pořadovým číslem jaderný náboj) – součet nábojů jader zátěžového iontu a cílového jádra.Poté vzniklé jádra procházejí radioaktivním rozpadem. Pro syntézu nejstabilnějších izotopů jsou zvoleny takové kombinace jader, které obsahují co nejvíce neutronů a kompozitní jádra mají nízkou excitační energii. Výnos výsledných těžkých prvků je extrémně malý – jednotlivé atomy nebo desítky atomů, někdy i měsíce ozáření urychlovačem. Poločas je sekundy a někdy i zlomky milisekund. Je obtížné izolovat jádra nových prvků od celé směsi výsledných produktů jaderných reakcí a správně identifikovat získané produkty. Za tímto účelem jsou vytvořena speciální zařízení, která v důsledku toho registrují rozkladný řetězec s emisí alfa částic a tvorbou izotopů lehčích prvků, někdy řetězec končí se spontánním jaderným štěpením.

V naší zemi, od počátku padesátých let, byla v Dubně prováděna práce na syntéze nových prvků v těžkých iontových akcelerátorech pod vedením akademika. G. N. Flerov (1913-1990) – zakladatel tohoto směru. Nyní se tyto práce provádějí pod dohledem Acad. Yu, Ts. Oganesyan. Na světě existuje jen málo urychlovačů a zařízení, kde lze získat transaktinoidní prvky (tj.prvky s jadernou náplní Z více než 103).

Poslední rozhodnutí IUPAC (Mezinárodní svaz čisté a aplikované chemie [1]), které uznává objev čtyř prvků najednou – číslované 113, 115, 117 a 118 – přilákalo pozornost ruské veřejnosti také proto, že ve třech z nich – 115, 117 a 118 – uznávaný pro rusko-americkou spolupráci, včetně Laboratoře jaderných reakcí. Společný institut pro jadernou výzkum G. N. Flerová (Dubna) (FLINR, JINR), národní laboratoř Livermore. E. Lawrence (LLNL), Národní laboratoř Oak Ridge (ORNL) a Vanderbiltova univerzita. Priorita při objevu prvku 113 je rozpoznána skupinou z japonského výzkumného střediska pro výzkum akcelerátorů RIKEN.

Stanovení priority není snadný úkol, jelikož nepřesnosti v prvních zprávách o objevu jsou do jisté míry nevyhnutelné. Otázkou je – jaké nepřesnosti jsou významné a jaké lze přijmout a do jaké míry jsou závěry autorů oprávněné. Rozhodnutí IUPAC bylo založeno na zprávách Společné pracovní skupiny odborníků (Společná pracovní skupina, JWP) [2, 3] a dříve vytvořených kritérií otevírání. Podle stávající praxe mají autoři právo navrhnout jména nových prvků.

Obr. 2 Mapa radionuklidů transaktinoidních prvků, včetně některých jaderných reakcí k jejich získání (převzato z [4])

Prvek 113 navrhuje se nazývat nihonium (nihonium, Nh). Nihon je jedno z dvou japonských jmén v japonštině, což znamená "Země stoupajícího slunce". Toto je první položka otevřená v Asii. Skupina Dubna zpochybnila tento šampionát.

Prioritní díla vydala JINR FLAR a RIKEN téměř současně v roce 2004, skupina Dubna publikovala dílo ještě dřív. Pro syntézu nových jader v Japonsku byla použita studená fúzní reakce, která bombardovala cíl zinku z vizmuti. 70Zn + 209Bi, s tvorbou izotopů 278113 (životnost – milisekundy a desetiny milisekund).

V Dubně bylo použito příznivější (z hlediska výtěžku a poločasu) jaderné reakce těžkého izotopu vápníku a amerických iontů. 48Ca + 243Am, což vede k tvorbě izotopů 288115 a 287115. Tyto radionuklidy, které emitují částice alfa, poprvé rozpadly 284113 a 283113 (životnost – stovky milisekund) a potom po řetězci do izotopů dlouhého poločasu prvku 105 (dubnium, Db). 268Db byl izolován chemicky a poté bylo zaznamenáno spontánní štěpení.

Avšak mezilové nuklidy v těchto rozpadových řetězcích nebyly v té době známy a jejich nezávislá fyzická identifikace nebyla provedena. Nicméně chemická izolace a identifikace Db na bázi iontové výměny, provedené na JINR FLAR, byla společná pracovní skupina považována za neselektivní a neprůkaznou. Také pokusy zkoumat chemické vlastnosti prvku 113 plynovou chromatografií nebyly vzaty v úvahu, ačkoli tato metoda byla dříve úspěšně použita pro studium chemie jiných transactinoidních prvků. V důsledku toho dospěli k závěru, že žádost společnosti Dubna v tomto případě nesplňuje kritéria pro otevření položek.

Ve stejné době jsou všechny produkty meziproduktu rozpadu izotopu syntetizovány v Japonsku 278113 (pouze 3 události po dobu 8 let práce), včetně zvláštních experimentů v novém výzkumném centru pro těžké ionty Lanjo v Číně. Prioritou při objevu prvku 113 byla japonská skupina.

Prvek 115 byl syntetizován v Dubně a na počest oblasti, kde se toto mezinárodní centrum nachází, autoři navrhli název Muscovy (moscovium, Mc). Element byl znovu získán v jaderné reakci 48Ca + 243Jsem se vzděláním 287115 a 288115 (životnost – desítky a stovky milisekund). Později byl přijat 289115 a dalších izotopů tohoto prvku. Na rozdíl od prvního cyklu chemických experimentů, které skupina Dubninsk vedla samostatně, později v roce 2007 chemická izolace produktu rozpadu – 268Db byl proveden již za účasti amerických specialistů z Livermore a bylo přesvědčivě dokázáno, že tento prvek – produkt rozpadu 115. prvku – byl ve skupině V periodického systému.

Navíc v roce 2013 spolupracovaly německé studijní středisko pro studium těžkých iontů v Darmstadtu (GSI) výsledky dubninu v produkci izotopů elementu 115 v jaderné reakci 48Ca + 243Am. Proto byla priorita při objevu prvku 115 uznána pro rusko-americkou skupinu.

Prvek 117 Navrhuje se jmenovat tennesine, Ts na počest amerického státu Tennessee, kde se nachází Oak Ridge National Laboratory. Konec v názvu je podobný astatinu a dalším prvkům halogenové skupiny (v angličtině). Tento prvek byl také syntetizován v Dubně v jaderné reakci 48Ca + 249Bk. Úloha amerických kolegů z Oak Ridge spočívala hlavně ve výrobě unikátního cíle Berkeley-249, který byl získán v reaktoru s vysokým tokem na ORNL.V letech 2010-2013 bylo zaznamenáno pouze 13 rozpadových řetězců. 293117 a 294117, s vlastnostmi (životnost a energie rozpadu alfa) produktu rozpadu 289115 odpovídá datům získaným dříve pro tento radionuklid v jiné jaderné reakci 48Ca + 243Am. Z tohoto důvodu bylo zjištěno, že žádost o objev tohoto prvku splňuje stanovené kritéria.

Prvek 118 Autoři navrhli jméno oganeson (oganesson, Og). Mělo by být analogické radonu a jiným inertním plynem a jeho objev dokončil sedmé období periodické tabulky. Navrhuje se pojmenovat tento prvek na počest Jurije Tsolakoviče Oganesyana za jeho průkopnický přínos ke studiu transaktinoidních prvků a významných jaderných a fyzických úspěchů při objevování superheavy jader a studium "ostrova jaderné stability". V historii byl ještě jeden příklad, když jméno prvek bylo přiřazeno současnému vědci. Prvek 106 byl jmenován Siborg (Sg) v roce 1997 na počest Glenna Seaborga (1912-1999), laureátem Nobelovy ceny, autorem objevu plutonia a několika transplutonovými prvky.

V letech 2002-2012 v Dubně, kdy byl cíl ozářen 249Cf ionty 48Ca bylo nalezeno několik vzdělávacích akcí 294118 (životnost – asi 1 milisekunda), po níž následuje konzistentní rozklad 290Lv (jaterní choroba), 286Fl (flerovia) a 282Cn (koperace). Životnost a energie alfa-částice těchto izotopů Fl a Cn byla potvrzena americkou spoluprací na cyklotronu Berkeley, proto společná pracovní skupina doporučila rozpoznat objev.

Je třeba poznamenat, že všechny nově navržené názvy a symboly prvků dosud nebyly společností IUPAC schváleny.

* * *

Jaký je význam objevu těchto nových prvků?

Otázka "Kolik to může dát chléb a uhlí?" zcela nesprávné. Výhody rozvíjení určité oblasti základních věd jsou často nemožné předvídat a takové argumenty by neměly bránit jeho vývoji. Pokusy o předběžný výčet příjmů a politických přínosů vědeckých objevů jsou směšné. Přehlížení prestiže by také nemělo nějak omezovat rozvoj směru, protože jeho skutečný význam může být odhalen mnohem později. Naopak, široce propagované úspěchy nemusí mít významné pokračování. Obecně by se věda měla řídit vlastní logikou a nikoli logikou lidí, kteří jsou daleko od ní.Společnost musí důvěřovat vědcům a "uspokojování vlastní zvědavosti na veřejné náklady" je normální situací v této oblasti lidské činnosti. A to jsou vědci, kvalifikovaní odborníci, kteří musí určit, na co vynaložit peníze a co může čekat nebo je beznadějné.

Další otázkou je, jaký vědecký význam může mít tento výsledek o objevení nových prvků. Co se mění v našem chápání struktury jádra a chemických vlastností prvků obecně?

Z fyzického hlediska mohou být tyto výsledky důležité pro lepší pochopení jaderné struktury a jaderné interakce. Od šedesátých let se intenzivně diskutovalo o existenci takzvaných ostrovů stability v oblasti jaderných nábojů Z = 114 a 126 jako projev shell struktury jader. Získání prvních transaktinoidních prvků, které měly mnohem delší poločas než předpovídal starý "drop" model struktury jádra, měl proto zásadní význam. Nyní v modelu shellu nikdo nepochybuje. Výsledky získané pro nové prvky a nové izotopy umožňují upřesnit stávající modely jádra a jaderné reakce.Přestože se neočekávají zásadně nové jevy, je vždy užitečná nová data. Je zřejmé, že stávající metody nemohou dosáhnout vrcholu ostrova existujícími metodami: v jaderné reakci neexistují takové kombinace – ve výsledných izotopích není dostatek neutronů. Dříve se mnoho let snažilo nalézt v přírodních vzorcích SHE, které by byly tak dlouhé, aby mohly zůstat od doby vzniku sluneční soustavy. Tyto pokusy však byly neúspěšné. Výše uvedené výsledky nenalezly žádné experimentální ani teoretické potvrzení.

Z chemického hlediska je situace poněkud odlišná. Zde můžete skutečně očekávat zásadně nové jevy. Jde o tzv. "Relativistické efekty". V atomech s velkým jaderným nábojem získávají elektrony relativistické rychlosti a obvyklá Schrödingerova rovnice, která se používá k popisu atomů, už nepracuje. Zejména p-elektrony známé všem "činkám" v období VII. Procházejí změnami a jeden z nich se změní v míč. Výsledkem je změna elektronické struktury atomů. Nové prvky mohou mít významnou odchylku od chemických vlastností od extrapolovaných z periodické tabulky a vzniku neobvyklých chemických vlastností.

Ve vztahu k "relativistickým účinkům" existuje mnoho spekulací, zjevně zaměřených na zvýšení zájmu o tuto problematiku. Například bylo navrženo, že prvek 104 rutherford (Rf) – formální analog titanu, zirkonia a hafnia – se může stát p-elementem, který je podobný chemickým vlastnostem. Nebo bylo tvrzeno, že prvek 114 z fleria (Fl) – analog olova – může být inertním plynem. Ve skutečnosti pečlivé vyšetření odhaluje, že ačkoli atom Rf má neobvyklé uspořádání vnějšího elektronového pláště (ds2p), je v jeho chemických vlastnostech typický d-element, analog hafnia. A Fl, který má vysokou těkavost (jak vyplývá z nějakých extrapolací), zůstává v kondenzovaném stavu typickým kovem. Obecně je absolutně nesprávné přiřadit odchylku od extrapolace v periodickém systému k "relativistickým účinkům": může to být způsobeno naprosto odlišnými důvody, například interkonfigurační interakce.

Studie relativistických efektů umožňuje pochopit chemické vlastnosti známých a univerzálně používaných prvků.Umožňuje také lepší pochopení toho, jak elektronická struktura atomů a molekul, která lze vypočítat, určuje jejich specifické chemické vlastnosti. To je stále daleko od úplně vyřešené otázky. Další vývoj na periodické tabulce může vést k vytvoření zcela nové skupiny prvků – g-elementů (počínaje prvkem 121) se zajímavými vlastnostmi. Všechny tyto otázky stále čekají na podrobnou studii.

Je však třeba poznamenat, že v nedávných objevech se studie chemických vlastností nových prvků vůbec neobjevily (pouze produkt rozpadu prvku 115 – prvek 105, Db byl chemicky rozlišován, aby potvrdil konec rozpadového řetězce). Tato studie však byla obtížná kvůli nízkému výtěžku a krátkému poločasu dosažení získaných izotopů. Nicméně je to možné, i když vyžaduje nový přístup k formulaci chemických experimentů.

Objev nových prvků je dalším příkladem skutečnosti, že významné úspěchy ruských vědců jsou možné v úzké spolupráci s vědci ze Spojených států, Německa a dalších rozvinutých zemí. Tyto práce zvyšují prestiž naší vědy.


[1] Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie.
[2] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T.Objevování prvků s atomovými čísly Z = 113, 115 a 117 (technická zpráva IUPAC) // Pure Appl. Chem. 2016. V. 88. str. 139-153.
[3] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T. Objevování prvků s atomovými čísly Z = 118 (Technická zpráva IUPAC) // Pure appl. 2016. V. 88. str. 155-160.
[4] Hamilton H., Hofman S., Oganessian Y.T. Hledání Superheavy Nuclei // Annu. Rev. Nucl. Část. Sci., 2013. V. 63. P. 383-405.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: