Відкриття елементів 113, 115, 117 і 118: що це дає

Відкриття елементів 113, 115, 117 і 118: що це дає

Борис Жуйков
"Троїцький варіант" №13 (207) 28 червня 2016 року

про автора

Борис Жуйков – радіохімік, докт. хім. наук, зав. Лабораторією радіоізотопного комплексу Інституту ядерних досліджень РАН, раніше багато років працював в Лабораторії ядерних реакцій ОІЯД (Дубна), займався дослідженням властивостей нових елементів.

Відкриття нових елементів періодичної таблиці Менделєєва завжди викликало інтерес у широкої публіки. Справа навіть не стільки в науковій значущості цих відкриттів, а в тому, що в школі всі проходили Періодичний закон, і деякі навіть пам'ятають символи, що позначають елементи. Це зрозуміло, знайоме. Але зараз за цими відкриттями стоять складні дослідження в ядерній фізиці і радіохімії, про які багато хто не має уявлення.

В даний час нові елементи отримують тільки на прискорювачах важких іонів. (Раніше їх виявляли в земних мінералах, продуктах ядерних реакторів і ядерних вибухів.) Важкими іонами, прискореними в циклотронах або лінійних прискорювачах, бомбардують мішені з важких елементів, і в результаті реакції злиття з випусканням одного або декількох нейтронів синтезується новий елемент з порядковим номером ( зарядом ядра) – сумою зарядів ядер налітаючого іона і ядра мішені.Потім утворюються ядра зазнають радіоактивний розпад. Для синтезу найбільш стійких ізотопів вибирають такі комбінації ядер, в яких міститься якомога більшу кількість нейтронів і складові ядра мають низьку енергію збудження. Вихід одержуваних важких елементів надзвичайно малий – окремі атоми або десятки атомів, іноді за місяці опромінення на прискорювачі. Період напіврозпаду – секунди, а іноді і частки мілісекунд. Досить складно виділити ядра нових елементів з усієї суміші утворюються продуктів ядерних реакцій і правильно ідентифікувати отримані продукти. Для цього створюються спеціальні установки, які в результаті реєструють ланцюжок розпадів з випусканням альфа-частинок і утворенням ізотопів більш легких елементів, іноді ланцюжок закінчується спонтанним поділом ядра.

У нашій країні починаючи з 1950-х років роботи по синтезу нових елементів на прискорювачах важких іонів проводилися в Дубні під керівництвом акад. Г. Н. Флерова (1913-1990) – засновника цього напрямку. Зараз ці роботи проводяться під науковим керівництвом акад. Ю. Ц. Оганесяна. У світі існує лише кілька прискорювачів і установок, де можна отримувати трансактіноідние елементи (т. Е.елементи з зарядом ядра Z понад 103).

Останнє рішення IUPAC (Міжнародний союз теоретичної і прикладної хімії [1]) про визнання відкриття відразу чотирьох елементів – під номерами 113, 115, 117 і 118 – привернуло увагу російської громадськості ще й тому, що пріоритет в трьох з них – 115, 117 і 118 – визнаний за російсько-американської колаборацією, що включає Лабораторію ядерних реакцій ім. Г. Н. Флерова Об'єднаного інституту ядерних досліджень (Дубна) (ФЛЯР ОІЯД), Ліверморської національної лабораторії ім. Е. Лоуренса (LLNL), Окриджської національну лабораторію (ORNL) і Університет Вандербільта. Пріоритет у відкритті елемента 113 визнаний за групою з японського прискорювального наукового центру RIKEN.

Встановлення пріоритету – непросте завдання, тому що неточності в перших повідомленнях про відкриття в якійсь мірі неминучі. Питання – які неточності істотні, а які можна прийняти і наскільки висновки авторів обгрунтовані. Рішення IUPAC грунтувалося на звітах об'єднаної робочої групи експертів (Joint Working Party, JWP) [2, 3] і розроблених раніше умовах відкриття. Відповідно до існуючої практики авторам надається право запропонувати назви нових елементів.

Мал. 2. Карта радіонуклідів трансактіноідних елементів, включаючи деякі ядерні реакції їх отримання (взято з [4])

елемент 113 запропоновано назвати Ніхон (nihonium, Nh). Nihon – одне з двох назв Японії на японській мові, що означає "Країна сонця, що сходить". Це перший елемент, відкритий в Азії. Дубнинська група оскаржувала це першість.

Пріоритетні роботи були опубліковані ФЛЯР ОІЯД і RIKEN майже одночасно в 2004 році, група з Дубни опублікувала роботу навіть трохи раніше. Для синтезу нових ядер в Японії використовували "холодну" реакцію злиття, бомбардуючи ізотопом цинку мішень з вісмуту 70Zn + 209Bi, з утворенням ізотопу 278113 (час життя – мілісекунди і десяті частки мілісекунд).

У Дубні застосували вигіднішу (з точки зору виходу і періодів напіврозпаду) ядерну реакцію іонів важкого ізотопу кальцію і америцію 48Ca + 243Am, яка призводить до утворення ізотопів 288115 і 287115. Ці радіонукліди, випускаючи альфа-частинки, розпадаються спочатку відповідно в 284113 і 283113 (час життя – сотні мілісекунд), а потім по ланцюжку в довгоживучі ізотопи елемента 105 (Дубно, Db). 268Db виділяли хімічно і потім реєстрували спонтанне ділення.

Але проміжні нукліди в цих ланцюжках розпаду на той момент не були відомі, і їх незалежна фізична ідентифікація не проводилася. А хімічне виділення і ідентифікацію Db на основі іонного обміну, проведені в ФЛЯР ОІЯД, об'єднана робоча група порахувала неселективними і непереконливими. Також не були взяті до уваги спроби дослідити хімічні властивості елемента 113 методом газової хроматографії, хоча цей метод раніше успішно використовувався для вивчення хімії інших трансактіноідних елементів. В результаті дійшли висновку, що заявка Дубни в даному випадку не відповідає критеріям відкриття елементів.

У той же час всі проміжні продукти розпаду синтезованого в Японії ізотопу 278113 (всього 3 події за 8 років роботи) були підтверджені, в тому числі в спеціальних експериментах в новому дослідницькому центрі по важким іонів Ланж в Китаї. Таким чином, пріоритет у відкритті елемента 113 був визнаний за японською групою.

елемент 115 був синтезований в Дубні, і в честь регіону, де розташований цей міжнародний центр, авторами було запропоновано назву Московія (moscovium, Mc). Елемент отримували знову ж в ядерній реакції 48Ca + 243Am з утворенням 287115 і 288115 (час життя – десятки і сотні мілісекунд відповідно). Пізніше був отриманий 289115 та інші ізотопи цього елемента. На відміну від першого циклу хімічних експериментів, які Дубнинська група проводила самостійно, пізніше, в 2007 році, хімічне виділення продукту розпаду – 268Db здійснювалося вже з залученням американських фахівців з Лівермора, і була досить переконливо доведена приналежність цього елемента – продукту розпаду 115-го елемента – до V групі Періодичної системи.

Більш того, в 2013 році колаборації з німецького Центру досліджень c важкими іонами в Дармштадті (GSI) вдалося повторити Дубнинська результати по отриманню ізотопів елемента 115 в ядерній реакції 48Ca + 243Am. Таким чином, пріоритет у відкритті елемента 115 був визнаний за російсько-американською групою.

елемент 117 запропоновано назвати теннеcсін (tennessine, Ts) в честь американського штату Теннессі, де розташована Окриджської національна лабораторія. Закінчення в назві – за аналогією з астатин і іншими елементами групи галогенів (англійською мовою). Цей елемент також був синтезований в Дубні, в ядерній реакції 48Ca + 249Bk. Роль американських колег з Окриджа в основному складалася в виготовленні унікальної мішені Берклі-249, який отримували на високопоточних реакторі в ORNL.У 2010-2013 роках було зареєстровано всього 13 ланцюжків розпадів 293117 і 294117, причому характеристики (час життя і енергія альфа-розпаду) продукту розпаду 289115 відповідали даним, отриманим раніше для цього радіонукліда в інший ядерної реакції 48Ca + 243Am. З цієї причини заявка на відкриття цього елемента була визнана відповідає встановленим критеріям.

елементу 118 авторами запропоновано назву оганесон (oganesson, Og). Він повинен бути аналогом радону та інших інертних газів, і його відкриття завершує сьомий період таблиці Менделєєва. Цей елемент запропоновано назвати на честь Юрія Цолаковіча Оганесяна за його піонерський внесок у дослідження трансактіноідних елементів і важливі ядерно-фізичні досягнення у відкритті надважких ядер і дослідженні "острова ядерної стабільності". В історії існував тільки ще один приклад, коли ім'я елемента присвоювалося чинному вченому. Елемент 106 був названий в 1997 році Сиборгом (Sg) в честь Гленна Сиборга (1912-1999), лауреата Нобелівської премії, автора відкриття плутонію і цілого ряду трансплутонієві елементів.

У 2002-2012 роках в Дубні при опроміненні мішені 249Cf іонами 48Ca було виявлено кілька подій освіти 294118 (час життя – близько 1 мілісекунди), що супроводжуються послідовним розпадом 290Lv (Лівермор), 286Fl (Флерова) і 282Cn (коперніцій). Час життя і енергії альфа-частинок цих ізотопів Fl і Cn були підтверджені американської колаборацією на циклотроні в Берклі, тому об'єднана робоча група рекомендувала визнати відкриття.

Слід зазначити, що всі знову запропоновані назви і символи елементів поки ще не затверджені IUPAC.

* * *

Яке значення має відкриття цих нових елементів?

Питання "Скільки хліба і вугілля це може дати?" абсолютно некоректне. Користь від розвитку певної галузі фундаментальної науки часто неможливо передбачити, і такого роду аргументи не повинні гальмувати її розвиток. Спроби заздалегідь розписати дохід і політичні вигоди від наукових відкриттів сміховинні. Міркування престижу також не повинні якось обмежувати розвиток напрямку, тому що його справжнє значення може розкритися багато пізніше. І навпаки, широко розрекламовані досягнення можуть не мати ніякого значного продовження. Взагалі, наука повинна керуватися своєю логікою, а не логікою людей, далеких від неї.Суспільство має довіряти вченим, і "задоволення власної цікавості за державний рахунок" – це нормальне положення в даній галузі людської діяльності. І саме вчені, кваліфіковані фахівці повинні визначати, на що слід витрачати гроші, а що може почекати або взагалі безперспективно.

Інше питання, яке наукове значення може мати цей результат про відкриття нових елементів. Що він змінює в наших уявленнях про структуру ядра і хімічних властивостях елементів взагалі?

З фізичної точки зору ці результати можуть мати значення для кращого розуміння ядерної структури і ядерного взаємодії. З 1960-х років бурхливо обговорювалося питання про існування так званих островів стабільності в районі зарядів ядер Z = 114 і 126 як прояв оболочечной структури ядер. Тому отримання перших трансактіноідних елементів, які мали набагато більший період напіврозпаду, ніж передбачалося старої "крапельної" моделлю будови ядра, було дійсно принципово важливо. Зараз в оболочечной моделі ніхто не сумнівається. Отримані результати по новим елементам і новим ізотопів дозволяють уточнити існуючі моделі ядра і ядерних реакцій.Хоча і не очікується принципово нових явищ, набір нових даних завжди корисний. Очевидно, що вершини острова стабільності існуючими методами не досягти: просто немає таких комбінацій в ядерних реакціях – в одержуваних ізотопи не вистачає нейтронів. Раніше багато років проводилися спроби виявлення в природних зразках СТЕ, які були б настільки довгоживучими, що могли залишитися з часів утворення Сонячної системи. Але ці спроби не увінчалися успіхом. Колись заявлені результати не знайшли ні експериментального, ні теоретичного підтвердження.

З хімічної точки зору ситуація дещо інша. Тут дійсно можна очікувати принципово нових явищ. Справа в так званих "релятивістських ефекти". В атомах з великим зарядом ядра електрони набувають релятивістські швидкості, і звичайне рівняння Шредінгера, що використовується для опису атомів, вже не працює. Зокрема, знайомі всім "гантельки" р-електронів в VII-періоді зазнають змін, і одна з них перетворюється в кулю. В результаті електронна структура атомів змінюється. У нових елементів можливе значне відхилення хімічних властивостей від екстраполювати за періодичною таблиці і виникнення незвичайних хімічних властивостей.

Відносно "релятивістських ефектів" існує багато спекуляцій, очевидно спрямованих на підняття інтересу до питання. Наприклад, висловлювалося припущення, що елемент 104 Резерфорд (Rf) – формальний аналог титану, цирконію і гафнію – може виявитися p-елементом, за хімічними властивостями близьким до свинцю. Або заявлялося, що елемент 114 флеровій (Fl) – аналог свинцю – може виявитися інертним газом. Насправді при акуратному розгляді з'ясовується, що, хоча атом Rf і має незвичайну конфігурацію зовнішньої електронної оболонки (ds2p), за своїми хімічними властивостями це типовий d-елемент, аналог гафнію. А Fl, володіючи підвищеною летючість (як це випливає і з будь-яких екстраполяції), в конденсованому стані залишається типовим металом. Взагалі, абсолютно некоректно будь-яке відхилення від екстраполяції за періодичною системою приписувати "релятивістським ефектів": воно може бути обумовлено зовсім іншими причинами, наприклад межконфігураціонним взаємодією.

Так чи інакше, дослідження релятивістських ефектів дозволяє краще зрозуміти і хімічні властивості давно відомих і повсюдно застосовуваних елементів.Також це дозволяє краще розібратися в тому, яким чином електронна будова атомів і молекул, яке можна розрахувати, визначає їх конкретні хімічні властивості. Це до сих пір є далеко не до кінця вирішеним питанням. Подальше просування по Періодичної таблиці може привести до утворення зовсім нової групи елементів – g-елементів (починаючи з елемента 121) з цікавими властивостями. Всі ці питання ще чекають докладного дослідження.

Однак доводиться відзначити, що в останні відкриття дослідження хімічних властивостей нових елементів взагалі не фігурують (хімічно виділявся лише продукт розпаду елемента 115 – елемент 105, Db, щоб підтвердити кінець ланцюжка розпаду). Але таке дослідження важко було провести через низький виходу і коротких періодів напіврозпаду отриманих ізотопів. Проте це можливо, хоча вимагає нового підходу до постановки хімічних експериментів.

Відкриття нових елементів дає ще один приклад того, що значні досягнення російських вчених можливі в тісному колаборації з вченими з США, Німеччини та інших розвинених країн. Саме такі роботи і піднімають престиж нашої науки.


[1] International Union of Pure and Applied Chemistry.
[2] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill В.M., Vardaci E., Yamazaki T.Discovery of the elements with atomic numbers Z = 113, 115 and 117 (IUPAC Technical Report) // Pure Appl. Chem. 2016. V. 88. P. 139-153.
[3] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T. Discovery of the elements with atomic numbers Z = 118 (IUPAC Technical Report) // Pure Appl. 2016. V. 88. P. 155-160.
[4] Hamilton H., Hofman S., Oganessian Y.T. Search for Superheavy Nuclei // Annu. Rev. Nucl. Part. Sci., 2013. V. 63. P. 383-405.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

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