Các phần tử mở 113, 115, 117 và 118: nó cho cái gì

Các phần tử mở 113, 115, 117 và 118: nó cho cái gì

Boris Zhuikov
"Tùy chọn Trinity" №13 (207), ngày 28 tháng 6 năm 2016

Giới thiệu về tác giả

Boris Zhuikov – nhà hóa học, dr. hóa chất Khoa học, Trưởng khoa. Phòng thí nghiệm của tổ hợp đồng vị phóng xạ của Viện nghiên cứu hạt nhân của Viện Hàn lâm Khoa học Nga, vốn đã từng làm việc trong nhiều năm tại Phòng thí nghiệm phản ứng hạt nhân của JINR (Dubna), đã nghiên cứu tính chất của các nguyên tố mới.

Việc phát hiện ra các yếu tố mới của bảng tuần hoàn của bảng tuần hoàn luôn làm dấy lên sự quan tâm của công chúng. Nó không phải là ý nghĩa khoa học của những khám phá này, nhưng thực tế là mọi người đã trải qua Luật định kỳ ở trường, và một số thậm chí còn nhớ những biểu tượng biểu thị các yếu tố. Điều này là dễ hiểu, quen thuộc. Nhưng bây giờ đằng sau những khám phá này là những nghiên cứu phức tạp trong vật lý hạt nhân và phóng xạ, mà nhiều người không biết.

Hiện nay, các nguyên tố mới chỉ thu được ở các máy gia tốc ion nặng. Các ion nặng tăng tốc trong cyclotrons hoặc máy gia tốc tuyến tính bắn phá các mục tiêu từ các nguyên tố nặng, và do phản ứng nhiệt hạch với phát xạ một hoặc vài neutron, một phần tử mới với số thứ tự được tổng hợp ( phí hạt nhân) – tổng các chi phí của hạt nhân của ion tới và hạt nhân đích.Sau đó, hạt nhân hình thành trải qua sự phân rã phóng xạ. Để tổng hợp các đồng vị ổn định nhất, sự kết hợp của các hạt nhân được chọn, chứa nhiều neutron nhất có thể và các hạt nhân hỗn hợp có năng lượng kích thích thấp. Năng suất của các nguyên tố nặng kết quả là các nguyên tử cực nhỏ – đơn lẻ hoặc hàng chục nguyên tử, đôi khi qua nhiều tháng chiếu xạ tại máy gia tốc. Chu kỳ bán rã là giây và đôi khi là phân số mili giây. Nó là khá khó khăn để cô lập hạt nhân của các nguyên tố mới từ toàn bộ hỗn hợp của các sản phẩm kết quả của các phản ứng hạt nhân và xác định chính xác các sản phẩm thu được. Vì mục đích này, các cơ sở đặc biệt được tạo ra, kết quả là đăng ký chuỗi phân rã với sự phát xạ của các hạt alpha và sự hình thành các đồng vị của các nguyên tố nhẹ hơn, đôi khi chuỗi kết thúc với phân hạch hạt nhân tự phát.

Ở nước ta, bắt đầu từ những năm 1950, nghiên cứu sự tổng hợp các nguyên tố mới trong các máy gia tốc ion nặng được thực hiện ở Dubna dưới sự hướng dẫn của Academician. G. N. Flerov (1913-1990) – người sáng lập ra hướng này. Bây giờ những tác phẩm này được thực hiện dưới sự giám sát của Acad. Yu. Ts. Oganesyan. Chỉ có một vài máy gia tốc và cơ sở trên thế giới có thể thu được các nguyên tố transactinoid (tức làcác nguyên tố có điện tích hạt nhân Z lớn hơn 103).

Quyết định cuối cùng của IUPAC (Liên minh quốc tế về Hóa học ứng dụng và tinh khiết [1]) công nhận khám phá bốn yếu tố cùng một lúc – số 113, 115, 117 và 118 – thu hút sự chú ý của công chúng Nga cũng vì ưu tiên trong ba yếu tố đó – 115, 117 và 118 – được công nhận cho sự hợp tác Nga-Mỹ, bao gồm Phòng thí nghiệm phản ứng hạt nhân. G. N. Flerova Viện nghiên cứu hạt nhân (Dubna) (FLINR, JINR), Phòng thí nghiệm quốc gia Livermore. E. Lawrence (LLNL), Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) và Đại học Vanderbilt. Ưu tiên trong phát hiện nguyên tố 113 được một nhóm từ trung tâm nghiên cứu gia tốc RIKEN của Nhật Bản công nhận.

Việc thiết lập ưu tiên không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, vì không chính xác trong các báo cáo phát hiện đầu tiên là không thể tránh khỏi ở một mức độ nào đó. Câu hỏi đặt ra là – những gì không chính xác là quan trọng, và cái nào có thể được chấp nhận và mức độ nào là kết luận của các tác giả hợp lý. Quyết định IUPAC dựa trên các báo cáo của Nhóm làm việc chung của các chuyên gia (Bên làm việc chung, JWP) [2, 3] và các tiêu chí mở đầu tiên được phát triển trước đây. Theo thực tế hiện tại, tác giả được trao quyền đề xuất tên của các nguyên tố mới.

Hình 2 Bản đồ các hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố transactinoid, bao gồm một số phản ứng hạt nhân để thu được chúng (lấy từ [4])

Yếu tố 113 nó được đề nghị gọi nihonium (nihonium, Nh). Nihon là một trong hai tên tiếng Nhật trong tiếng Nhật, có nghĩa là "Vùng đất mặt trời mọc". Đây là mặt hàng đầu tiên được mở ở châu Á. Nhóm Dubna tranh giành chức vô địch này.

Các tác phẩm ưu tiên được xuất bản bởi JINR FLAR và RIKEN gần như đồng thời vào năm 2004, nhóm từ Dubna đã xuất bản tác phẩm này sớm hơn một chút. Để tổng hợp hạt nhân mới ở Nhật Bản, phản ứng nhiệt hạch "lạnh" được sử dụng, bắn phá một mục tiêu kẽm từ bismuth 70Zn + 209Bi, với sự hình thành đồng vị 278113 (tuổi thọ – mili giây và phần mười của mili giây).

Ở Dubna, một phản ứng hạt nhân thuận lợi hơn (về năng suất và nửa đời) của đồng vị canxi nặng và các ion của Mỹ đã được sử dụng. 48Ca + 243Am, dẫn đến sự hình thành các đồng vị 288115 và 287115. Những hạt nhân phóng xạ này, phát ra các hạt alpha, lần đầu phân rã, thành 284113 và 283113 (thời gian sống – hàng trăm mili giây), và sau đó dọc theo chuỗi thành các đồng vị tồn tại lâu dài của nguyên tố 105 (dubnium, Db). 268Db đã được phân lập hóa học và sau đó phân hạch tự phát được ghi lại.

Nhưng các hạt nhân trung gian trong các chuỗi phân rã này không được biết đến tại thời điểm đó và việc nhận dạng vật lý độc lập của chúng không được thực hiện. Nhưng sự phân lập hóa học và nhận dạng Db trên cơ sở trao đổi ion, được thực hiện tại JINR FLAR, nhóm làm việc chung được coi là không chọn lọc và không có kết luận. Ngoài ra, các nỗ lực điều tra các tính chất hóa học của nguyên tố 113 bằng sắc kí khí đã không được tính đến, mặc dù phương pháp này trước đây đã được sử dụng thành công để nghiên cứu hóa học của các nguyên tố transactinoid khác. Kết quả là, họ kết luận rằng việc áp dụng Dubna trong trường hợp này không đáp ứng các tiêu chuẩn để mở các mục.

Đồng thời, tất cả các sản phẩm phân rã trung gian của đồng vị được tổng hợp tại Nhật Bản 278113 (chỉ có 3 sự kiện trong 8 năm làm việc) đã được xác nhận, bao gồm trong các thí nghiệm đặc biệt tại trung tâm nghiên cứu mới cho các ion nặng Lanjo ở Trung Quốc. Do đó, ưu tiên phát hiện ra nguyên tố 113 đã được nhóm Nhật Bản công nhận.

Yếu tố 115 được tổng hợp ở Dubna, và để tôn vinh khu vực nơi có trung tâm quốc tế này, các tác giả đề xuất tên của Muscovy (moscovium, Mc). Nguyên tố thu được một lần nữa trong phản ứng hạt nhân 48Ca + 243Am với giáo dục 287115 và 288115 (tuổi thọ – hàng chục và hàng trăm mili giây, tương ứng). Sau đó đã nhận được 289115 và các đồng vị khác của nguyên tố này. Không giống như chu kỳ đầu tiên của các thí nghiệm hóa học, mà nhóm Dubninsk đã tiến hành độc lập, vào năm 2007, sự cô lập hóa học của sản phẩm phân rã – 268Db đã được thực hiện với sự tham gia của các chuyên gia Mỹ từ Livermore, và nó đã được khá thuyết phục chứng minh rằng yếu tố này – sản phẩm phân rã của nguyên tố thứ 115 – thuộc về nhóm V của hệ thống định kỳ.

Hơn nữa, vào năm 2013, sự hợp tác từ Trung tâm nghiên cứu Đức với các ion nặng ở Darmstadt (GSI) đã có thể lặp lại kết quả của Dubnin về việc sản xuất các đồng vị của nguyên tố 115 trong phản ứng hạt nhân 48Ca + 243Am. Vì vậy, ưu tiên trong việc phát hiện ra nguyên tố 115 đã được công nhận cho nhóm người Mỹ gốc Nga.

Yếu tố 117 Nó được đề xuất đặt tên tennesine, Ts để vinh danh bang Tennessee của Hoa Kỳ, nơi đặt Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge. Sự kết thúc trong tiêu đề tương tự như astatin và các yếu tố khác của nhóm halogen (bằng tiếng Anh). Nguyên tố này cũng được tổng hợp trong Dubna, trong một phản ứng hạt nhân 48Ca + 249Bk. Vai trò của các đồng nghiệp Mỹ từ Oak Ridge chủ yếu bao gồm trong việc sản xuất một mục tiêu duy nhất của Berkeley-249, được lấy tại một lò phản ứng thông lượng cao tại ORNL.Trong giai đoạn 2010-2013, chỉ có 13 chuỗi phân rã đã được đăng ký. 293117 và 294117, với các đặc điểm (năng lượng phân rã và thời gian phân rã alpha) của sản phẩm phân rã 289115 tương ứng với dữ liệu thu được trước đó cho hạt nhân phóng xạ này trong một phản ứng hạt nhân khác 48Ca + 243Am. Vì lý do này, các ứng dụng cho việc phát hiện ra nguyên tố này đã được tìm thấy để đáp ứng các tiêu chí được thiết lập.

Yếu tố 118 Các tác giả đề xuất tên oganeson (oganesson, Og). Nó tương tự như radon và các khí trơ khác, và phát hiện của nó hoàn thành giai đoạn thứ bảy của bảng tuần hoàn. Người ta đề xuất đặt tên nguyên tố này để vinh danh Yuri Tsolakovich Oganesyan vì những đóng góp tiên phong cho việc nghiên cứu các yếu tố transactinoid và những thành tựu vật chất và hạt nhân quan trọng trong việc khám phá ra hạt nhân siêu nặng và nghiên cứu về "đảo ổn định hạt nhân". Trong lịch sử chỉ có một ví dụ nữa, khi tên của phần tử được gán cho nhà khoa học hiện tại. Yếu tố 106 được đặt tên là Siborg (Sg) vào năm 1997 để vinh danh Glenn Seaborg (1912–1999), người đoạt giải Nobel, tác giả của việc khám phá ra plutoni và một số nguyên tố transplutonium.

Năm 2002-2012, tại Dubna, khi mục tiêu được chiếu xạ 249Ion Cf 48Ca đã được tìm thấy một số sự kiện của giáo dục 294118 (tuổi thọ – khoảng 1 mili giây), tiếp theo là sự phân rã nhất quán 290Lv (livermoria), 286Fl (flerovia) và 282Cn (coperination). Năng lượng sống và hạt alpha của các đồng vị Fl và Cn này đã được xác nhận bởi sự cộng tác của Mỹ tại cyclotron Berkeley, do đó nhóm làm việc chung đề nghị công nhận phát hiện này.

Cần lưu ý rằng tất cả các tên và biểu tượng của các yếu tố mới được đề xuất chưa được IUPAC phê chuẩn.

* * *

Ý nghĩa của việc khám phá những yếu tố mới này là gì?

Câu hỏi "Bánh mì và than có thể cung cấp bao nhiêu?" hoàn toàn không chính xác. Những lợi ích của việc phát triển một nhánh cụ thể của khoa học cơ bản thường không thể dự đoán được, và các lập luận đó không nên ngăn cản sự phát triển của nó. Nỗ lực để liệt kê trước thu nhập và lợi ích chính trị của các khám phá khoa học là vô lý. Xem xét uy tín cũng không nên bằng cách nào đó hạn chế sự phát triển của một hướng, bởi vì ý nghĩa thực sự của nó có thể được tiết lộ nhiều sau đó. Ngược lại, những thành tựu được công khai rộng rãi có thể không có bất kỳ sự tiếp tục đáng kể nào. Nói chung, khoa học cần được hướng dẫn bởi logic riêng của nó, và không phải bởi logic của những người xa nó.Xã hội phải tin tưởng các nhà khoa học và “thỏa mãn sự tò mò của chính mình với chi phí công” là một tình huống bình thường trong lĩnh vực hoạt động của con người. Và đó là các nhà khoa học, các chuyên gia có trình độ, những người nên xác định những gì để tiêu tiền và những gì có thể chờ đợi hoặc là vô vọng.

Một câu hỏi khác là ý nghĩa khoa học mà kết quả này có thể có về việc khám phá ra các yếu tố mới. Điều gì thay đổi trong sự hiểu biết của chúng ta về cấu trúc của hạt nhân và các đặc tính hóa học của các nguyên tố nói chung?

Từ quan điểm vật lý, các kết quả này có thể quan trọng để hiểu rõ hơn về cấu trúc hạt nhân và tương tác hạt nhân. Từ những năm 1960, câu hỏi về sự tồn tại của những hòn đảo ổn định trong vùng hạt nhân Z = 114 và 126 là một biểu hiện của cấu trúc vỏ hạt nhân đã được thảo luận mạnh mẽ. Do đó, thu được các yếu tố transactinoid đầu tiên, có chu kỳ bán rã dài hơn nhiều so với dự đoán bởi mô hình “thả” cũ của cấu trúc hạt nhân, thực sự có tầm quan trọng cơ bản. Bây giờ trong mô hình vỏ, không ai nghi ngờ. Các kết quả thu được cho các nguyên tố mới và các đồng vị mới làm cho nó có thể tinh chỉnh các mô hình hiện tại của hạt nhân và các phản ứng hạt nhân.Mặc dù về cơ bản các hiện tượng mới không được mong đợi, một bộ dữ liệu mới luôn hữu ích. Rõ ràng là các phương pháp hiện tại không thể đạt đến đỉnh của hòn đảo với các phương pháp hiện có: đơn giản là không có sự kết hợp như vậy trong các phản ứng hạt nhân – không có đủ neutron trong các đồng vị kết quả. Trước đó nhiều năm nỗ lực đã được thực hiện để tìm thấy trong các mẫu tự nhiên các SHEs có thể tồn tại lâu đến mức chúng có thể tồn tại từ thời điểm hình thành Hệ Mặt trời. Nhưng những nỗ lực này đã không thành công. Các kết quả đã nêu trước đây không tìm thấy bất kỳ xác nhận thực nghiệm hoặc lý thuyết nào.

Từ quan điểm hóa học, tình hình có phần khác biệt. Ở đây bạn thực sự có thể mong đợi những hiện tượng cơ bản mới. Vấn đề là cái gọi là "hiệu ứng tương đối." Trong các nguyên tử có điện tích hạt nhân lớn, các electron thu được vận tốc tương đối, và phương trình Schrödinger thông thường được sử dụng để mô tả các nguyên tử không còn hoạt động nữa. Đặc biệt, các p-electron quen thuộc với tất cả mọi người “quả tạ” trong giai đoạn VII trải qua những thay đổi, và một trong số chúng biến thành một quả bóng. Kết quả là, cấu trúc điện tử của các nguyên tử thay đổi. Các nguyên tố mới có thể có độ lệch đáng kể các tính chất hóa học từ ngoại suy từ Bảng tuần hoàn và sự xuất hiện của các đặc tính hóa học bất thường.

Liên quan đến "hiệu ứng tương đối" có nhiều suy đoán, rõ ràng là nhằm tăng lãi suất trong vấn đề này. Ví dụ, người ta cho rằng nguyên tố 104 rutherford (Rf) – một chất tương tự chính thức của titan, zirconi và hafni – có thể trở thành một nguyên tố p, tương tự như tính chất hóa học để dẫn. Hoặc nó đã được tuyên bố rằng các yếu tố 114 của flerium (Fl) – một tương tự của chì – có thể là một khí trơ. Trong thực tế, một kiểm tra cẩn thận cho thấy rằng, mặc dù nguyên tử Rf có cấu hình bất thường của vỏ electron bên ngoài (ds2p), trong các tính chất hóa học của nó, nó là một yếu tố d điển hình, một chất tương tự của hafni. Và Fl, có độ biến động cao (khi nó xuất phát từ bất kỳ ngoại suy nào), trong trạng thái ngưng tụ vẫn là một kim loại điển hình. Nói chung, nó là hoàn toàn không chính xác để bất kỳ độ lệch từ ngoại suy trong hệ thống định kỳ để "hiệu ứng tương đối": nó có thể là do lý do hoàn toàn khác nhau, ví dụ, tương tác giữa các cấu hình.

Dù sao, việc nghiên cứu các hiệu ứng tương đối cho phép hiểu rõ hơn về tính chất hóa học của các nguyên tố nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi.Nó cũng cho phép hiểu rõ hơn về cấu trúc điện tử của các nguyên tử và phân tử, có thể được tính toán, xác định các đặc tính hóa học cụ thể của chúng. Đây vẫn là một câu hỏi hoàn toàn xa vời. Tiến trình tiếp theo trên Bảng tuần hoàn có thể dẫn đến sự hình thành của một nhóm nguyên tố hoàn toàn mới – yếu tố g (bắt đầu từ nguyên tố 121) với các đặc tính thú vị. Tất cả những câu hỏi này vẫn đang chờ đợi một nghiên cứu chi tiết.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong những phát hiện gần đây, các nghiên cứu về tính chất hóa học của các nguyên tố mới không xuất hiện (chỉ sản phẩm phân rã của nguyên tố 115 – nguyên tố 105, Db được phân biệt hóa học để xác nhận sự kết thúc của chuỗi phân rã). Nhưng một nghiên cứu như vậy rất khó thực hiện do năng suất thấp và thời gian bán hủy ngắn của các đồng vị thu được. Tuy nhiên, điều này là có thể, mặc dù nó đòi hỏi một cách tiếp cận mới để xây dựng các thí nghiệm hóa học.

Việc phát hiện ra các yếu tố mới đưa ra một ví dụ khác về thực tế là những thành tựu đáng kể của các nhà khoa học Nga có thể phối hợp chặt chẽ với các nhà khoa học đến từ Hoa Kỳ, Đức và các nước phát triển khác. Những công trình như vậy làm tăng uy tín của khoa học của chúng ta.


[1] Liên minh Hóa học tinh khiết và ứng dụng quốc tế.
[2] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T.Phát hiện ra các nguyên tố có số nguyên tử Z = 113, 115 và 117 (Báo cáo kỹ thuật IUPAC) // Pure Appl. Chem. 2016. V. 88. P. 139-153.
[3] Karola P.J., Barber R.C., Sherrill B.M., Vardaci E., Yamazaki T. Khám phá các nguyên tố có số nguyên tử Z = 118 (Báo cáo kỹ thuật IUPAC) // Ứng dụng tinh khiết. 2016. V. 88. P. 155-160.
[4] Hamilton H., Hofman S., Oganessian Y.T. Tìm kiếm Superheavy Nuclei // Annu. Rev. Nucl. Một phần. Sci., 2013. V. 63. P. 383-405.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

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