Унбигексий , также известный как элемент 126 или эка-плутоний , является гипотетическим химическим элементом; он имеет атомный номер 126 и символ-заполнитель Ubh . Унбигексий и Ubh являются временными названием и символом ИЮПАК , соответственно, до тех пор, пока элемент не будет открыт, подтвержден и не будет принято решение о постоянном названии. В периодической таблице унбигексий, как ожидается, будет суперактинидом g-блока и восьмым элементом в 8-м периоде . Унбигексий привлек внимание физиков-ядерщиков, особенно в ранних предсказаниях, нацеленных на свойства сверхтяжелых элементов, поскольку 126 может быть магическим числом протонов вблизи центра острова стабильности , что приводит к более длительным периодам полураспада, особенно для 310 Ubh или 354 Ubh, которые также могут иметь магическое число нейтронов. [2]
Ранний интерес к возможному повышению стабильности привел к первой попытке синтеза унбигексия в 1971 году и поискам его в природе в последующие годы. Несмотря на несколько зарегистрированных наблюдений, более поздние исследования показывают, что эти эксперименты были недостаточно чувствительны; следовательно, унбигексий не был обнаружен ни естественным, ни искусственным путем. Прогнозы стабильности унбигексия сильно различаются в разных моделях; некоторые предполагают, что остров стабильности может вместо этого находиться при более низком атомном числе, ближе к коперницию и флеровию .
Предполагается, что унбигексий является химически активным суперактинидом, проявляющим различные степени окисления от +1 до +8, и, возможно, более тяжелым конгенером плутония . Также ожидается перекрытие энергетических уровней орбиталей 5g, 6f, 7d и 8p, что усложняет прогнозы химических свойств этого элемента .
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. [8] 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. [9] Энергия, применяемая к ядрам пучка для их ускорения, может заставить их достичь скорости, составляющей одну десятую скорости света . Однако если приложить слишком много энергии, ядро пучка может развалиться. [9]
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. [9] [10] Это происходит потому, что во время попытки образования единого ядра электростатическое отталкивание разрывает формирующееся ядро. [9] Каждая пара мишени и пучка характеризуется своим поперечным сечением — вероятностью того, что слияние произойдет, если два ядра приблизятся друг к другу, выраженной в терминах поперечной площади, которую должна поразить падающая частица, чтобы слияние произошло. [c] Это слияние может произойти в результате квантового эффекта, при котором ядра могут туннелировать через электростатическое отталкивание. Если два ядра могут оставаться близко после этой фазы, множественные ядерные взаимодействия приводят к перераспределению энергии и энергетическому равновесию. [9]
Внешние видео | |
---|---|
Визуализация неудачного ядерного синтеза, основанная на расчетах Австралийского национального университета [12] |
Результирующее слияние является возбужденным состоянием [13] — называемым составным ядром — и поэтому оно очень нестабильно. [9] Чтобы достичь более стабильного состояния, временное слияние может расщепляться без образования более стабильного ядра. [14] 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. [14] 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. [15] [d]
Пучок проходит через мишень и достигает следующей камеры, сепаратора; если образуется новое ядро, оно переносится этим пучком. [17] 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. [17] Передача занимает около 10−6 секунд ; чтобы быть обнаруженным, ядро должно прожить это время. [20] Ядро регистрируется снова после того, как регистрируется его распад, и измеряются местоположение, энергия и время распада. [17]
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. [21] 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. [22] [23] Таким образом, теоретически предсказано [24] и до сих пор наблюдалось [25] , 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, [27] а самый легкий нуклид, в первую очередь подвергающийся спонтанному делению, имеет 238. [28] В обоих режимах распада ядрам препятствуют распадаться соответствующие энергетические барьеры для каждого режима, но они могут туннелироваться через них. [22] [23]
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. [30] Спонтанное деление вызвано электростатическим отталкиванием, разрывающим ядро, и производит различные ядра в различных случаях деления идентичных ядер. [23] 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), [31] и на 30 порядков величины от тория (элемент 90) до фермия (элемент 100). [32] 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. [23] [33] 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. [23] [33] 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. [34] Эксперименты с более легкими сверхтяжелыми ядрами, [35], а также с теми, которые ближе к ожидаемому острову, [31] 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.) [17] Известное ядро можно распознать по определенным характеристикам распада, которым оно подвергается, таким как энергия распада (или, более конкретно, кинетическая энергия испускаемой частицы). [i] Однако спонтанное деление производит различные ядра в качестве продуктов, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним ядрам. [j]
Информация, доступная физикам, стремящимся синтезировать сверхтяжелый элемент, таким образом, представляет собой информацию, собранную на детекторах: местоположение, энергия и время прибытия частицы к детектору, а также данные о ее распаде. Физики анализируют эти данные и стремятся сделать вывод, что это действительно было вызвано новым элементом и не могло быть вызвано другим нуклидом, чем тот, который заявлен. Часто предоставленных данных недостаточно для вывода о том, что новый элемент был определенно создан, и нет другого объяснения наблюдаемых эффектов; были допущены ошибки в интерпретации данных. [k]Первая и единственная попытка синтезировать 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 : [2] [46]
Высокоэнергетические (13-15 МэВ ) альфа-частицы были обнаружены и приняты в качестве возможного доказательства синтеза унбигексия. Последующие неудачные эксперименты с более высокой чувствительностью предполагают, что чувствительность этого эксперимента в 10 мб была слишком низкой; следовательно, образование ядер унбигексия в этой реакции считалось крайне маловероятным. [47]
Исследование, проведенное в 1976 году группой американских исследователей из нескольких университетов, предположило, что первичные сверхтяжелые элементы, в основном ливерморий , унбиквадий , унбигексий и унбисептий, с периодами полураспада, превышающими 500 миллионов лет [48], могут быть причиной необъяснимых радиационных повреждений (в частности, радиогало ) в минералах. [49] 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, подтверждая присутствие этих элементов, особенно унбигексия. Другие утверждали, что ни один из них не был обнаружен, и подвергали сомнению предложенные характеристики первичных сверхтяжелых ядер. [50] В частности, они указали, что магическое число N = 228, необходимое для повышенной стабильности, создаст избыточное ядро нейтронов в унбигексии, которое может быть нестабильным в бета-фазе , хотя некоторые расчеты показывают, что 354 Ubh действительно может быть стабильным по отношению к бета-распаду . [51] Также предполагалось, что эта активность вызвана ядерными превращениями в природном церии , что еще больше усугубляет двусмысленность этого заявленного наблюдения сверхтяжелых элементов. [52]
Унбигексий получил особое внимание в этих исследованиях, поскольку его предполагаемое расположение на острове стабильности может увеличить его распространенность относительно других сверхтяжелых элементов. [48] Предполагается, что любой встречающийся в природе унбигексий будет химически подобен плутонию и может существовать с первичным 244 Pu в редкоземельном минерале бастнезите . [48] В частности, прогнозируется, что плутоний и унбигексий будут иметь схожие валентные конфигурации, что приводит к существованию унбигексия в степени окисления +4 . Поэтому, если унбигексий встречается в природе, его можно будет извлечь, используя аналогичные методы для накопления церия и плутония. [48] Аналогичным образом, унбигексий может также существовать в монаците с другими лантаноидами и актиноидами , которые будут химически подобны. [52] Однако недавние сомнения в существовании первичного 244 Pu ставят под сомнение эти предсказания [53] , поскольку отсутствие (или минимальное присутствие) плутония в бастнезите будет препятствовать возможной идентификации унбигексия как его более тяжелого конгенера.
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. [54] 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 такие элементы, как унбигексий. [55]
Недавняя гипотеза пытается объяснить спектр звезды Пшибыльского естественными флеровиями , унбинилиями и унбигексиями. [56] [57]
Согласно рекомендациям ИЮПАК 1979 года , элемент следует временно называть унбигексием (символ Ubh ) до тех пор, пока он не будет открыт, открытие не будет подтверждено и не будет выбрано постоянное название. [58] Несмотря на широкое использование в химическом сообществе на всех уровнях, от учебных пособий по химии до продвинутых учебников, эти рекомендации в основном игнорируются учеными, которые работают теоретически или экспериментально со сверхтяжелыми элементами и называют его «элементом 126» с символом E126 , (126) или 126 . [59] Некоторые исследователи также называют унбигексий эка-плутонием [60] [61], это название происходит от системы, которую Дмитрий Менделеев использовал для предсказания неизвестных элементов, хотя такая экстраполяция может не работать для элементов g-блока без известных конгенеров, и эка-плутоний вместо этого будет относиться к элементу 146 [62] или 148 [63], когда этот термин подразумевает обозначение элемента, расположенного непосредственно под плутонием.
Каждый элемент, начиная с менделевия , был получен в реакциях слияния-испарения, кульминацией которых стало открытие самого тяжелого известного элемента, оганесона , в 2002 году [64] [65] и совсем недавно теннессина в 2010 году. [66] 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. [67] 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 периодов времени с улучшенными возможностями обнаружения и позволит проводить недоступные в противном случае реакции. [68] Тем не менее, синтез элементов за пределами унбинилия (120) или унбиуния (121) будет, вероятно, большой проблемой , учитывая их короткие прогнозируемые периоды полураспада и низкие прогнозируемые сечения . [69]
Было высказано предположение, что метод слияния-испарения не будет осуществим для получения унбигексия. Поскольку 48 Ca не может быть использован для синтеза элементов с атомным номером выше 118 или, возможно, 119, единственными альтернативами являются увеличение атомного номера снаряда или изучение симметричных или почти симметричных реакций. [70] Один расчет предполагает, что поперечное сечение для получения унбигексия из 249 Cf и 64 Ni может быть всего на девять порядков ниже предела обнаружения; такие результаты также предполагаются отсутствием наблюдения унбинилия и унбибия в реакциях с более тяжелыми снарядами и экспериментальными пределами поперечного сечения. [71] Если Z = 126 представляет собой замкнутую протонную оболочку, составные ядра могут иметь большую вероятность выживания, и использование 64 Ni может быть более целесообразным для получения ядер с 122 < Z < 126, особенно для составных ядер вблизи замкнутой оболочки при N = 184. [72] Однако поперечное сечение все еще может не превышать 1 фб , что создает препятствие, которое можно преодолеть только с помощью более чувствительного оборудования. [73]
Расширения модели ядерных оболочек предсказали, что следующими магическими числами после Z = 82 и N = 126 (соответствующими 208 Pb , самому тяжелому стабильному ядру ) были Z = 126 и N = 184, что сделало 310 Ubh следующим кандидатом на дважды магическое ядро. Эти предположения привели к интересу к стабильности унбигексия еще в 1957 году; Гертруда Шарфф Гольдхабер была одним из первых физиков, предсказавших область повышенной стабильности вблизи унбигексия и, возможно, с центром в нем. [2] Это понятие « острова стабильности », включающего долгоживущие сверхтяжелые ядра, было популяризировано профессором Калифорнийского университета Гленном Сиборгом в 1960-х годах. [76]
В этой области периодической таблицы N = 184 и N = 228 были предложены как закрытые нейтронные оболочки, [77] а различные атомные числа, включая Z = 126, были предложены как закрытые протонные оболочки. [l] Однако степень стабилизирующих эффектов в области унбигексия не определена из-за предсказаний смещения или ослабления замыкания протонной оболочки и возможной потери двойной магичности . [77] Более поздние исследования предсказывают, что остров стабильности вместо этого будет сосредоточен на бета-стабильных изотопах коперниция ( 291 Cn и 293 Cn) [70] [78] или флеровия ( Z = 114), что поместило бы унбигексий значительно выше острова и привело бы к коротким периодам полураспада независимо от эффектов оболочки.
Более ранние модели предполагали существование долгоживущих ядерных изомеров , устойчивых к спонтанному делению в области около 310 Ubh, с периодами полураспада порядка миллионов или миллиардов лет. [79] Однако более строгие расчеты еще в 1970-х годах дали противоречивые результаты; теперь считается, что остров стабильности не сосредоточен в 310 Ubh, и, таким образом, не повысит стабильность этого нуклида. Вместо этого 310 Ubh считается очень дефицитным по нейтронам и подверженным альфа-распаду и спонтанному делению менее чем за микросекунду, и он может даже находиться на границе протонной границы или за ее пределами . [2] [69] [74] Расчет свойств распада 288–339 Ubh, проведенный в 2016 году, подтверждает эти предсказания; изотопы легче 313 Ubh (включая 310 Ubh) действительно могут находиться за пределами границы и распадаться путем испускания протонов , 313–327 Ubh будут альфа-распадаться, возможно, достигая изотопов флеровия и ливермория, а более тяжелые изотопы будут распадаться путем спонтанного деления . [80] Это исследование и модель квантового туннелирования предсказывают периоды полураспада альфа-распада менее микросекунды для изотопов легче 318 Ubh, что делает невозможным их экспериментальное определение. [80] [81] [m] Следовательно, изотопы 318–327 Ubh могут быть синтезированы и обнаружены и даже могут составлять область повышенной стабильности по отношению к делению около N ~ 198 с периодами полураспада до нескольких секунд, хотя такая область повышенной стабильности полностью отсутствует в других моделях. [78]
«Море нестабильности», определяемое очень низкими барьерами деления (вызванными значительно возросшим кулоновским отталкиванием в сверхтяжелых элементах) и, следовательно, периодами полураспада деления порядка 10−18 секунд , предсказывается в различных моделях. Хотя точный предел стабильности для периодов полураспада более одной микросекунды варьируется, стабильность по отношению к делению сильно зависит от замыканий оболочек N = 184 и N = 228 и быстро падает сразу после влияния замыкания оболочки. [69] [74] Однако такой эффект может быть уменьшен, если ядерная деформация в промежуточных изотопах может привести к сдвигу магических чисел; [82] аналогичное явление наблюдалось в деформированном дважды магическом ядре 270Hs . [83] Затем этот сдвиг может привести к более длительным периодам полураспада, возможно, порядка дней, для таких изотопов, как 342Ubh , которые также будут лежать на линии бета-стабильности . [82] Второй остров стабильности для сферических ядер может существовать в изотопах небигексия с гораздо большим количеством нейтронов, сосредоточенных на 354 Ubh и придающих дополнительную стабильность изотонам N = 228 вблизи линии бета-стабильности. [74] Первоначально для 354 Ubh был предсказан короткий период полураспада в 39 миллисекунд в направлении спонтанного деления, хотя частичный период альфа-полураспада для этого изотопа был предсказан как 18 лет. [2] Более поздний анализ предполагает, что этот изотоп может иметь период полураспада порядка 100 лет, если закрытые оболочки будут иметь сильные стабилизирующие эффекты, помещая его на пик острова стабильности. [74] Также может быть возможно, что 354 Ubh не является вдвойне магическим, поскольку оболочка Z = 126, как предсказывают, будет относительно слабой или, в некоторых расчетах, полностью отсутствующей. Это говорит о том, что любая относительная стабильность в изотопах небигексия может быть обусловлена только замыканиями нейтронных оболочек, которые могут иметь или не иметь стабилизирующий эффект при Z = 126. [51] [77]
Ожидается, что унбигексий станет шестым членом ряда суперактинидов. Он может иметь сходство с плутонием , поскольку оба элемента имеют восемь валентных электронов над ядром благородного газа. В ряду суперактинидов ожидается нарушение принципа Ауфбау из-за релятивистских эффектов , и ожидается перекрытие энергетических уровней орбиталей 7d, 8p и особенно 5g и 6f, что делает предсказания химических и атомных свойств этих элементов очень сложными. [84] Таким образом, предсказывается, что электронная конфигурация основного состояния унбигексия будет [Og] 5g 2 6f 2 7d 1 8s 2 8p 1 [85] или 5g 1 6f 4 8s 2 8p 1 , [86] в отличие от [Og] 5g 6 8s 2 , полученного из Ауфбау.
Как и в случае с другими ранними суперактинидами, предсказывается, что унбигексий сможет терять все восемь валентных электронов в химических реакциях, что делает возможными различные степени окисления вплоть до +8. [1] Предсказывается, что степень окисления +4 будет наиболее распространенной, в дополнение к +2 и +6. [85] [62] Унбигексий должен быть способен образовывать тетроксид UbhO 4 и гексагалогениды UbhF 6 и UbhCl 6 , последний с довольно сильной энергией диссоциации связи 2,68 эВ. [87] Расчеты показывают, что двухатомная молекула UbhF будет иметь связь между 5g-орбиталью в унбигексии и 2p-орбиталью во фторе, таким образом характеризуя унбигексий как элемент, чьи 5g-электроны должны активно участвовать в связывании. [60] [61] Также предсказывается, что ионы Ubh 6+ (в частности, в UbhF 6 ) и Ubh 7+ будут иметь электронные конфигурации [Og] 5g 2 и [Og] 5g 1 , соответственно, в отличие от конфигурации [Og] 6f 1 , наблюдаемой в Ubt 4+ и Ubq 5+ , которая больше похожа на их актинидные гомологи . [1] Активность 5g-электронов может влиять на химию суперактинидов, таких как унбигексий, новыми способами, которые трудно предсказать, поскольку ни один из известных элементов не имеет электронов на g -орбитали в основном состоянии. [62]