Uvodni elementi 113, 115, 117 in 118: kaj daje

Uvodni elementi 113, 115, 117 in 118: kaj daje

Boris Zhuikov
"Trinity Option" št. 13 (207), 28. junij 2016

O avtorju

Boris Zhuikov – radiokemija, dr. kemično Znanosti, vodja. Laboratorij kompleksa radioizotopa Inštituta za jedrske raziskave Ruske akademije znanosti, ki je že več let delal v Laboratoriju za jedrske reakcije ZND (Dubna), proučuje lastnosti novih elementov.

Odkrivanje novih elementov Periodične tabele Periodične tabele je vedno vzbudilo zanimanje širše javnosti. Ni toliko znanstveni pomen teh odkritij, ampak dejstvo, da so vsi v šoli skozi periodni zakon, nekateri pa celo zapomnili simbole, ki označujejo elemente. To je razumljivo, poznano. Ampak sedaj za temi odkritji so kompleksne študije jedrske fizike in radiokemije, o katerih mnogi nimajo pojma.

Trenutno so novi elementi pridobljeni samo pri težkih ionskih pospeševalnikih. (Prej so jih našli v kopenskih mineralah, produktih jedrskih reaktorjev in jedrskih eksplozijah.) Težki ioni se pospešijo v ciklonih ali linearni pospeševalci bombardirajo cilje težkih elementov in kot posledica fuzijske reakcije z emisijo enega ali več nevtronov se sintetizira nov element s zaporedno številko ( jedrska energija) – vsota stroškov jeder incidentnega iona in ciljnega jedra.Nato nastanejo jedrci, ki so radioaktivno razpadli. Za sintezo najstabilnejših izotopov so izbrane takšne kombinacije jeder, ki vsebujejo čim več nevtronov in imajo sestavljena jedra nizko energijo vzbujanja. Donos nastalih težkih elementov je izredno majhen – posamezni atomi ali več deset atomov, včasih več mesecev obsevanja na pospeševalniku. Polovičnost je sekunde, včasih pa tudi frakcije milisekund. Zelo težko je izolirati jedre novih elementov iz celotne mešanice dobljenih produktov jedrskih reakcij in pravilno identificirati dobljene proizvode. V ta namen nastajajo posebni objekti, ki posledično registrirajo razpadajočo verigo z emisijo alfa delcev in tvorbo izotopov lažjih elementov, včasih se veriga konča s spontano jedrsko fisijo.

V naši državi, ki se je začelo v 50. letih prejšnjega stoletja, je delo v zvezi s sintezo novih elementov v težkih ionskih pospeševalnikih potekalo v Dubni pod vodstvom akademika. G. N. Flerov (1913-1990) – ustanovitelj te smeri. Zdaj se ta dela izvajajo pod nadzorom Acad. Yu. Ts. Oganesyan. Na svetu je na voljo le nekaj pospeševalcev in naprav, v katerih se lahko pridobijo transaktinoidni elementi (tj.elementi z jedrsko energijo Z več kot 103).

Zadnja odločitev IUPAC (Mednarodne zveze za čisto in uporabno kemijo [1]), ki priznava odkritje štirih elementov naenkrat – 113, 115, 117 in 118 – je pritegnila pozornost ruske javnosti tudi zato, ker je prednostna naloga v treh od njih – 115, 117 in 118 – priznan za rusko-ameriško sodelovanje, vključno z Laboratorijem za jedrske reakcije. G. N. Florov iz Skupnega inštituta za jedrske raziskave (Dubna) (FLINR JINR), Livermorski nacionalni laboratorij. E. Lawrence (LLNL), Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Vanderbilt University. Prednost pri odkrivanju elementa 113 priznava skupina raziskovalnega centra japonskega pospeševalnika RIKEN.

Določitev prednostne naloge ni lahka naloga, saj so nepravilnosti v prvih poročilih o odkritju do neke mere neizogibne. Vprašanje je – katere so nepravilnosti pomembne in katere so sprejemljive in v kolikšni meri so zakoni avtorjev upravičeni. Odločitev IUPAC je temeljila na poročilih Skupne delovne skupine strokovnjakov (Joint Working Party, JWP) [2, 3] in predhodno razvitih meril za odpiranje. Po obstoječi praksi imajo avtorji pravico predlagati imena novih elementov.

Sl. 2 Zemljevid radionuklidov transakinoidnih elementov, vključno z nekaterimi jedrskimi reakcijami, ki jih dobimo (iz [4])

Element 113 Predlagamo, da pokličete nihonij (nihonij, Nh). Nihon je eno od dveh japonskih imen v japonščini, kar pomeni "dežela vzhajajočega sonca". To je prvi izdelek, odprt v Aziji. Skupina Dubna je izpodbijala to prvenstvo.

Prednostna dela so leta 2004 objavljali JINR FLAR in RIKEN skoraj istočasno, skupina iz Dubne pa je objavila delo še malo prej. Za sintezo novih jeder na Japonskem je bila uporabljena "hladna" fuzijska reakcija, ki bombardira cilj cinka iz bizmuta 70Zn + 209Bi, z izotopsko tvorbo 278113 (življenjska doba – milisekunde in desetine milisekund).

V Dubni je bila uporabljena bolj ugodna (v smislu donosa in razpolovnega časa) jedrske reakcije težkih kalcijevih izotopov in amerikovih ionov. 48Ca + 243Am, kar vodi do nastanka izotopov 288115 in 287115. Ti radionuklidi, ki oddajajo delce alfa, se najprej razpadijo v 284113 in 283113 (življenjski čas – stotine milisekund), nato pa vzdolž verige v dolgožive izotope elementa 105 (dubnium, Db). 268Db smo kemično izolirali in nato zabeležili spontano cepitev.

Toda vmesni nuklidi v teh razpadnih verigah takrat niso bili znani, njihova neodvisna fizična identifikacija pa ni bila izvedena. Toda kemična izolacija in identifikacija Db na osnovi ionske izmenjave, izvedene na JINR FLAR, je bila skupna delovna skupina obravnavana kot neselektivna in nedokončana. Tudi poskusi preiskovanja kemijskih lastnosti elementa 113 s plinsko kromatografijo niso bili upoštevani, čeprav je bila ta metoda predhodno uspešno uporabljena za preučevanje kemije drugih transaktinoidnih elementov. Zato so ugotovili, da uporaba Dubne v tem primeru ne izpolnjuje meril za odpiranje postavk.

Istočasno so vsi vmesni produkti razpadanja izotopa sintetizirani na Japonskem 278113 (3 dogodka skupaj za 8 let dela), vključno s posebnimi eksperimenti v novem raziskovalnem centru za težke ione Lanjo na Kitajskem. Tako je bila prednostna naloga pri odkrivanju elementa 113 priznana s strani japonske skupine.

Element 115 je bil sintetiziran v Dubni in v čast regiji, kjer se nahaja ta mednarodni center, so avtorji predlagali ime Muscovy (moscovium, Mc). Element smo ponovno pridobili v jedrski reakciji 48Ca + 243Sem z izobraževanjem 287115 in 288115 (življenjska doba – desetine in stotine milisekund). Kasneje so ga prejeli 289115 in drugih izotopov tega elementa. Za razliko od prvega cikla kemičnih eksperimentov, ki jih je skupina Dubninsk samostojno izvajala, pozneje v letu 2007 kemična izolacija produkta razpada – 268Db je bil izveden že z vključitvijo ameriških strokovnjakov iz Livermora in dokaj prepričljivo je bilo dokazano, da je ta element – produkt propadanja 115. elementa – pripadal skupini V periodičnega sistema.

Poleg tega so leta 2013 sodelovanje nemškega centra za študije s težkimi ioni v Darmstadtu (GSI) uspelo ponoviti rezultate Dubnina o proizvodnji izotopov elementa 115 v jedrski reakciji 48Ca + 243Am. Tako je bila prioriteta pri odkrivanju elementa 115 priznana za rusko-ameriško skupino.

Element 117 Predlaga se imenovanje tennesina, Ts v čast ameriške države Tennessee, kjer se nahaja Oak Ridge National Laboratory. Konec v imenu je podoben astatinu in drugim elementom halogenske skupine (v angleščini). Ta element je bil tudi sintetiziran v Dubni, v jedrski reakciji 48Ca + 249Bk. Vloga ameriških kolegov iz Oak Ridgeja je bila predvsem izdelava edinstvenega cilja Berkeley-249, ki ga je dobil v reaktorju z visokim pretokom pri ORNL.V obdobju 2010-2013 je bilo registriranih le 13 razpadnih verig. 293117 in 294117, z značilnostmi (življenjska doba in energija razpadanja alfa) produkta razpadanja 289115 ustreza podatkom, pridobljenim prej za ta radionuklid v drugi jedrski reakciji 48Ca + 243Am. Zaradi tega je bilo ugotovljeno, da je prijava za odkritje tega elementa v skladu z uveljavljenimi merili.

Element 118 Avtorji so predlagali ime oganeson (oganesson, Og). Moral bi biti podoben radonu in drugim inertnim plinom, njegovo odkritje pa konča sedmo obdobje periodične tabele. Predlaga se, da se ta element v čast Yuri Tsolakovich Oganesyan imenuje za njegov pionirski prispevek k proučevanju transakinoidnih elementov ter pomembnih jedrskih in fizičnih dosežkov pri odkrivanju prekomernih jeder in proučevanju "otoka jedrske stabilnosti". V zgodovini je bil le še en primer, ko je bilo ime elementa dodeljeno trenutnemu znanstveniku. Element 106 je bil imenovan Siborg (Sg) leta 1997 v čast Glenn Seaborg (1912-1999), Nobelov nagrajenec, avtor odkritja plutonija in številnih transplutonijevih elementov.

Leta 2002-2012, v Dubni, ko je bil cilj obsevan 249Cf ioni 48Ca je bilo ugotovljeno več dogodkov izobraževanja 294118 (življenjska doba – okrog 1 milisekunde), ki ji sledi konsistentno razpadanje 290Lv (livermoria), 286Fl (flerovia) in 282Cn (operacija). Življenje in energijo alfa-delcev teh izotopov Fl in Cn sta potrdila ameriško sodelovanje v ciklotronu Berkeley, zato je skupna delovna skupina priporočila priznanje odkritja.

Treba je opozoriti, da IUPAC še ni odobril vseh na novo predlaganih imen in simbolov elementov.

* * *

Kakšen je pomen odkritja teh novih elementov?

Vprašanje "Koliko kruha in premoga lahko to daje?" popolnoma napačna. Prednosti razvoja določenega področja temeljne znanosti pogosto ni mogoče napovedati in taki argumenti ne smejo ovirati njenega razvoja. Poskusi predhodnega seznanja dohodka in političnih koristi znanstvenih odkritij so smešni. Premisleki o prestižu prav tako ne bi smeli nekako omejiti razvoja smeri, kajti njen pravi pomen se lahko razkrije veliko kasneje. Nasprotno, široko objavljeni dosežki morda ne bodo imeli bistvenega nadaljevanja. Na splošno mora znanost voditi lastna logika in ne logika ljudi, ki so daleč od njega.Društvo mora zaupati znanstvenikom in "zadovoljevanje lastne radovednosti na javnem računu" je normalna situacija na tem področju človeške dejavnosti. In to so znanstveniki, usposobljeni strokovnjaki, ki morajo določiti, na kaj naj porabijo denar in kaj lahko čakajo ali so brezupni.

Drugo vprašanje je, kakšen znanstveni pomen ima ta rezultat pri odkrivanju novih elementov. Kaj se spremeni v našem razumevanju strukture jedra in kemičnih lastnosti elementov na splošno?

S fizičnega vidika so ti rezultati lahko pomembni za boljše razumevanje jedrske strukture in jedrske interakcije. Od šestdesetih let se je močno razpravljalo o obstoju tako imenovanih otokov stabilnosti v regiji jedrskih dajatev Z = 114 in 126 kot manifestacija lupinske strukture jeder. Zato je bila pridobitev prvih transaktinoidnih elementov, ki so imela veliko daljšo razpolovno dobo, kot je bila predvidena s starim "kapljičnim" modelom strukture jedra, resnično bistvenega pomena. Zdaj v modelu lupine nihče ne dvomi. Dobljeni rezultati za nove elemente in nove izotope omogočajo izboljšanje obstoječih modelov jedra in jedrskih reakcij.Čeprav ni pričakovati bistveno novih pojavov, je vedno koristen niz novih podatkov. Očitno je, da obstoječe metode ne morejo doseči vrha otoka z obstoječimi metodami: v jedrskih reakcijah preprosto ni takšnih kombinacij – v nastalih izotopih ni dovolj nevtronov. Že v preteklih letih so v naravnih vzorcih poskušali najti SHE, ki bi bili tako dolgi, da bi lahko ostali od časa nastanka Sončnega sistema. Toda ti poskusi so bili neuspešni. Prej navedeni rezultati niso našli eksperimentalne ali teoretične potrditve.

S kemičnega vidika je položaj nekoliko drugačen. Tu lahko resnično pričakujete bistveno nove pojave. Bistvo je tako imenovani "relativistični učinki". V atomih z velikim jedrskim nabojom elektroni pridobivajo relativistične hitrosti in običajna enačba Schrödingerja, ki se uporablja za opisovanje atomov, ne deluje več. Zlasti p-elektroni, poznani vsem, ki se v VII. Obdobju poznajo, se spremenijo in eden izmed njih se spremeni v žogico. Posledično se spremeni elektronska struktura atomov. Novi elementi imajo lahko znaten odklon kemijskih lastnosti iz ekstrapolirane iz Periodične tabele in pojav nenavadnih kemičnih lastnosti.

V zvezi z "relativističnimi učinki" je veliko špekulacij, očitno namenjenih povečanju zanimanja za to vprašanje. Na primer, je bilo predlagano, da se element 104 rutherford (Rf), ki je formalni analog titana, cirkonija in hafnija, lahko postane p-element, podoben kemijskim lastnostim svinca. Ali je bilo rečeno, da je element 114 flerija (Fl) – analog svinca – lahko inertni plin. Dejansko skrbni pregled razkrije, da čeprav ima atom Rf nenavadno konfiguracijo zunanje elektronske lupine (ds2p), v svojih kemijskih lastnostih, je tipičen d-element, analogni hafnij. In Fl, ki ima visoko volatilnost (kot izhaja iz katere koli ekstrapolacije), v kondenziranem stanju ostaja tipična kovina. Na splošno je absolutno napačno pripisati odstopanje od ekstrapolacije v Periodičnem sistemu na »relativistične učinke«: to je lahko posledica povsem drugačnih razlogov, na primer interkonfiguracijske interakcije.

Kakorkoli, študija relativističnih učinkov omogoča boljše razumevanje kemičnih lastnosti znanih in splošno uporabljenih elementov.Prav tako omogoča boljše razumevanje, kako lahko elektronska struktura atomov in molekul, ki jih je mogoče izračunati, določajo njihove specifične kemijske lastnosti. To je še vedno daleč od popolnoma rešenega vprašanja. Nadaljnji napredek na periodični tabeli lahko vodi do oblikovanja povsem nove skupine elementov – g-elementov (od elementa 121) z zanimivimi lastnostmi. Vsa ta vprašanja še vedno čakajo na podrobno študijo.

Vendar pa je treba opozoriti, da se v nedavnih raziskavah sploh ne pojavljajo študije o kemijskih lastnostih novih elementov (kemijsko se razlikuje le produkt razpada elementa 115 – element 105, Db, ki potrjuje konec razpadajoče verige). Toda takšna študija je bila težko izvedljiva zaradi nizkega pridelka in kratkega razpolovnega dobivanja pridobljenih izotopov. Kljub temu pa je to mogoče, čeprav zahteva nov pristop k oblikovanju kemijskih poskusov.

Odkrivanje novih elementov je še en primer, da so v tesnem sodelovanju z znanstveniki iz Združenih držav, Nemčije in drugih razvitih držav možni dosežki ruskih znanstvenikov možni. Takšna dela povečujejo ugled naše znanosti.


[1] Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo.
[2] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T.Odkrivanje elementov z atomskimi števili Z = 113, 115 in 117 (Tehnično poročilo IUPAC) // Pure Appl. Chem. 2016. V. 88. str. 139-153.
[3] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T. Odkrivanje elementov z atomskimi števili Z = 118 (Tehnično poročilo IUPAC) // Čist appl. 2016. V. 88. str. 155-160.
[4] Hamilton H., Hofman S., Oganessian Y.T. Iskanje superheavyjevih jeder // Annu. Rev. Nucl. Del. Sci., 2013. V. 63. str. 383-405.


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

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