PDF Ako ruský chemik Dimitrij Ivanovič - PDF na stiahnutie zadarmo

Stručný opis

1 JADROVÁ FYZIKA Miesto pre ťažké váhy Postarajte sa o mimoriadne ťažké prvky s ich chemickými vlastnosťami .

ivanovič

Popis

Miesto pre ťažké váhy Hodia sa superťažké prvky so svojimi chemickými vlastnosťami na miesta, ktoré sú pre ne v periodickej tabuľke vyhradené? Matthias Skull a Andreas Türler

Rovnako ako moderní alchymisti, vedci v posledných desaťročiach opakovane pridávali do periodickej tabuľky nové prvky. Aj keď experimenty vždy obsahujú nanajvýš jeden atóm ťažkého prvku, ktorý sa rozpadne v priebehu niekoľkých sekúnd, bolo možné vytvoriť a preskúmať chemické zlúčeniny.

Ba La * Hf 57 72 Ra Ac + Rf

Transaktinidy = mimoriadne ťažké prvky Th

- zvyčajne α-rozpad s charakteristickou α-energiou alebo nešpecifickejším spontánnym štiepením. Za posledných 50 rokov periodická tabuľka opakovane narastala, hlavne metódami jadrovej fyziky [3]. Dnes obsahuje všetky prvky od vodíka po prvok 118, s výnimkou prvku 117 [4] (obr. 1). V zdĺhavých postupoch Medzinárodná únia pre čistú a aplikovanú fyziku (IUPAP) a Medzinárodná únia pre čistú a aplikovanú chémiu (IUPAC) oficiálne zistili prvky iba do atómového čísla 112, ako boli objavené. Takzvaný Transactiniden nasleduje podľa Lawrencium (Lr, Z = 103). Počnúc prvkom 104, rutherfordiom (Rf), sú to Dubnium (Db), Seabor-

Obr. 1 Periodická tabuľka prvkov s mimoriadne ťažkými prvkami.

1) Seaborg zaviedol do periodickej tabuľky pojem aktinidy (nem. Actinoiden alebo Actiniden).

Z rutherfordia s atómovým číslom 104 možno hovoriť o mimoriadne ťažkých prvkoch. Pokusy s transaktinidmi ukazujú, že chemické správanie sa môže veľmi líšiť od toho, čo by poskytla jednoduchá extrapolácia v rámci skupiny periodickej tabuľky. Pretože relativistické efekty rastú s druhou mocninou atómového čísla, zohrávajú obzvlášť výraznú úlohu pri superťažkých prvkoch. Je prekvapivé, že je dokonca možné robiť predpovede o makroskopických vlastnostiach HsO4 bez toho, aby chemik mal niekedy v laboratóriu nejaké predvídateľné množstvá tejto látky.

Physik Journal 8 (2009) č. 6

DR. Matthias Skull, nukleárna chémia, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research GmbH, Planckstr. 1, 64291 Darmstadt; Prof. Dr. Andreas Türler, Inštitút pre rádiochémiu, Technická univerzita v Mníchove, WaltherMeissner-Str. 3, 85748 Garching

PREHĽAD 121 120 119 118 294 0,89 ms

116 290 116 291 116 292 116 293 7,1 ms 18 ms 18 ms 61 ms

116 115 287 115 288 32 ms 87 ms

114 286 114 287 114 288 114 289 0,13 s 0,48 s 0,80 s 2,6 s

113 Obr. 2 Nuklidová mapa transaktinidov (Z ≥ 104), zvisle vynesené atómové číslo a vodorovne neutrónové číslo. Analogicky k Karlsruheovej nukleovej mape [5], žltá znamená α-rozpad (emisia He jadra), oranžová pre elektrónový záchyt a zelená pre spontánne štiepenie. Červené čiary označujú tobolky. Intenzita modrej farby označuje silu stabilizácie škrupiny, čísla označujú polčas rozpadu.

Ds 269 Ds 270 Ds 271 179 ms 0,10 ms 56 ms

Hs 264 Hs 265 Hs 266 Hs 267 Hs 269 Hs 270 Hs 271 270 0,45ms 0,8 2,0 2,3 ms 50 ms 9,7 23 s 2-7 4s 10ss 2-7 ms ms Bh 260 Bh 261 Bh 262 Bh 264 Bh 265 Bh 266 Bh 267 Bh 270 Bh 271 Bh 272 35 ms 11,8 ms 102 8,0 0,97 s 0,94 s 1,1 s 17 s 61 s 9,8 s ms ms Sg 258 Sg 259 Sg 260 Sg 261 Sg 262 Sg 263 Sg 264 Sg 265 Sg 266 Sg 267 Sg 271 1,3ss 3,6 ms 0,23 s 15 ms 0,3 0,9 37 ms 9 16 359 ms 1,4 min 1,9 min 2,9 ms 0,48 ssss Db 256 Db 257 Db 258 Db 259 Db 260 Db 261 Db 262 Db 263 Db 266 Db 267 Db 268 1,5 s 0,8 1,5 4,3 s 0,51 s 1,5 s 1,8 s 34 s 27 s 22 min 73 min 29 hss Rf 253 Rf 254 Rf 255 Rf 256 Rf 257 Rf 258 Rf 259 Rf 260 Rf 261 Rf 262 Rf 263 Rf 267 48 μs 22 μs 1,64 s 6,2 ms 7,2 4,1 15 ms 2,5 s 21 ms 78 4,2 1,3 h 3 47 2,1 8,3 sssss ms s

gium (Sg), Bohrium (Bh), draslík (Hs), meitnerium (Mt), Darmstadtium (Ds) a roentgenium (Rg). Všetky izotopy týchto prvkov sú rádioaktívne a rozpadajú sa po veľmi krátkom čase (obr. 2). Ale ktorý z týchto prvkov si zaslúži predikát superťažký? Odpoveď na túto otázku sa časom menila. Pretože uzávery škrupín s „magickým počtom“ protónov a neutrónov dodatočne stabilizujú jadro, výpočty modelu škrupiny sa uskutočnili už v 60. rokoch. V oblasti okolo prvku 114 predpovedali ostrov stability s veľmi ťažkými prvkami, ktorý bol vtedy ďaleko a ktorý by mal byť obklopený hlbokým morom jadrovej nestability.

112 282 112 283 112 284 112 285 0,82 ms 3,8 s 101 ms 34 s Rg 278 Rg 279 Rg 280 0,17 s 0,17 s 3,6 s

113 283 113 284 100 ms 0,48 s

Mt 274 Mt 275 Mt 276 0,45 s 9,7 ms 0,72 s

V marci 1984 Gottfried Munzenberg a jeho kolegovia zo Spoločnosti pre výskum ťažkých iónov v Darmstadte objavili prvok 108. Bolo čoraz jasnejšie, že osamelý ostrov neexistuje, ale že ploché piesočné brehy a útesy tvoria most na tento ostrov. Dnes vieme, že okrem ostrovčeka relatívnej stability okolo Z = 114 (možno tiež Z = 120 alebo 126) a N = 184, ktoré tvoria sférické jadrá stabilizované škrupinou, existuje ešte ďalšia oblasť deformovaných jadier stabilizovaných škrupinou, ktorých stred je Z = 108 a 2 70 N = 162 pre dvojité magické jadro 10 8 Hs162. Pri zvažovaní chemických vlastností sa s týmto nuklidom opäť stretneme. S dnešnými znalosťami neexistuje jasný limit

SYNTÉZA SUPER TĚŽKÝCH PRVKOV Aby sa jadro strely a cieľového jadra spojili vo fúznu reakciu do nového ťažkého jadra, musia sa k sebe priblížiť natoľko, aby boli prekonané odpudivé Coulombove sily kladne nabitých jadier a atraktívne jadrové sily boli účinné. Vhodnou rýchlosťou kolízie sa vytvorí zložené jadro všetkých nukleónov strely a cieľa. Dôležitú úlohu však zohrávajú aj ďalšie faktory. V dôsledku zmeny podmienok väzby v jadre zmesi v porovnaní s počiatočnými jadrami sa uvoľňuje väčšinou pozitívna „vnútorná“ energia. Bohužiaľ táto nežiaduca excitačná energia, ktorá závisí od vybraných reakčných partnerov, sa nedá znížiť znížením energie strely, pretože pod Coulombovou bariérou ťažko prebiehajú fúzne reakcie. Počas tvorby jadra zlúčeniny 274Hs z fúzie

Physik Journal 8 (2009) č. 6

1 × 1017 častíc lúča na terčíku Obr. I Počas fúzie 26Mg s 248 Cm sa vytvorí excitované jadro zlúčeniny 274Hs a po emisii 26Mg a 248Cm (obr.) Je excitačná energia 30 až 50 MeV a je teda vysoko nad 7 MeV vysoko Fisurová bariéra 270Hs. Pri ochladení sa preto väčšina jadier zlúčenín okamžite opäť stratí rozdelením na dva fragmenty (na obrázku to nie je znázornené). V oveľa zriedkavejších prípadoch môže jadro postupne využívať svoju excitačnú energiu

1 atóm piatich neutrónov jadra odpareného zvyšku 269Hs.

Znížte emisiu neutrónov zakaždým asi o 10 MeV. Pretože neutrónová emisia v každom kroku súťaží s dominantným štiepením, požadované jadro zvyšku po odparení superťažkého prvku sa vyrába len zriedka zo zloženého jadra. Pravdepodobnosť vzniku 269 Hs z 274 Hs je asi 10–9.

Ťažká váha vo vode Vďaka svojej polohe v skupine 6 periodickej tabuľky by sa malo morské jabĺčko správať ako ľahšie prvky (homológy) Cr, Mo a W umiestnené nad ním. B. tvoria oxyhalogenidy. The

Obr. 3 Centrálnou časťou prístroja ARCA je biely blok s dvoma vyčnievajúcimi zásobníkmi, z ktorých každý obsahuje 20 chromatografických kolón. Pneumaticky ovládané ventily (červené valce) riadia smer prúdenia roztokov. Požadované frakcie sa nastriekajú na okrúhle disky Ta a odparia sa horúcim He z prstencovej trysky a infračervenej lampy, takže sa vytvorí suchý prípravok na meranie pre α-spektroskopiu.

Chromatografia to umožňuje skontrolovať. Za týmto účelom boli na urýchľovači UNIAC spoločnosti GSI najskôr vygenerované jednotlivé 265Sg atómy s polčasom rozpadu 16 s ožiarením cieľa 248Cm s 22Ne. Zastavia sa v malej komore naplnenej plynom a pripoja sa k zhlukom KCl, ktoré lietajú s plynom, a transportujú ich k prístroju ARCA (Automated Rapid Chemistry Apparatus) [1, 2] (obr. 3). Tam zmes kyseliny dusičnej a kyseliny fluorovodíkovej rozpustí zhluky po krátkej dobe zberu. Roztok sa čerpá cez veľmi malú chromatografickú kolónu, ktorá je naplnená katexom. Predbežné testy preukázali, že kolóna „vymýva“ (eluuje) takmer úplne a výlučne šesťmocné ióny Mo a W do desiatich sekúnd, pričom si zachováva všetky ostatné druhy. Preto sa v Sg experimente pripravovala vzorka pre a-spektroskopiu z eluovanej frakcie každých desať sekúnd. S 3 900 cyklickými, identickými separáciami každých 45 s bolo možné pozorovať tri rozpadové reťazce α-α dcér 265Sg 261Rf a 257 No. Vzhľad Sg vo vzorke ukazuje obdobu Mo a W, t.j. H. Sg sa správa ako typické

Physik Journal 8 (2009) č. 6

Detektor vyrobený z 2 × 36 PIN diód

Obr. 4 Pre chemickú analýzu HsO4 zmes hélia a kyslíka v komore zastaví fúzne produkty a transportuje ich cez vyhrievanú kremennú kapiláru na dokončenie oxidácie a na zadržanie neprchavých produktov a aerosólových častíc. HsO4 dosahuje

Detektor, ktorý oddeľuje a oddeľuje zlúčeniny obsiahnuté v plyne podľa ich prchavosti. Detektory kremíka (PIN diódy) registrujú rádioaktívny rozpad separovaných nuklidov. Čas medzi syntézou a príchodom do detektora je len pár sekúnd.

Prchavá zlúčenina Podobne ako ľahší homológny prvok v skupine 8, osmium, hassium by sa malo ľahko prevádzať s kyslíkom za vzniku veľmi prchavej zlúčeniny HsO4. OsO4 je veľmi toxická zlúčenina, ktorá vonia ako ozón alebo reďkovka (grécky osme: vôňa), topí sa iba pri 40 ° C a varí pri 130 ° C. To je ideálnych 38

Physik Journal 8 (2009) č. 6

4–6 7–9 10–12 13–15 16–18 19–21 22–24 25–27 28–30 31–33 34–36 Číslo detektora

Obr. 5 Na tomto termochromatograme pozostáva signál pre HsO4 (tmavo modrý) celkovo iba zo siedmich, signál pre OsO4 (svetlomodrý) približne 100 000 udalostí. Jasne viditeľné

sú rôzne volatility HsO4 a OsO4. Tvar separačných zón možno veľmi dobre opísať pomocou modelu Monte Carlo (červené a čierne krivky).

Obr. 6 Známe izotopy draslíka s polčasmi rozpadu v s, α-rozpadových energiách v MeV a dcérskych nuklidoch. Polčasy rozpadu Hs nuklidov sa nemeria, ale odhadujú sa z energie rozpadu α.

2) Táto vlastnosť ortuti sa použila na ťažbu zlata z Au pri ťažbe.

R E L AT I V I S T I S C H E E F F E K T E Silné relativistické účinky v chémii superťažkých prvkov, ktoré rastú so štvorcom atómového čísla v skupine periodickej tabuľky, sú založené na vysokých rýchlostiach elektrónov (približne 60 až 80% rýchlosti svetla) v blízkosti týchto atómových jadier. V prvom kroku to vedie k silnému relativistickému nárastu hmotnosti sférických s a p1/s elektrónov, ktorých energetické hladiny prudko klesajú a ich polomery sa zmenšujú („priamy“ relativistický efekt). To platí aj pre chemicky „aktívne“ vonkajšie elektrónové orbitály. Takže z. B. 7s elektrónový orbitál v prvku 105 je relativisticky stiahnutý o 25% a energeticky stabilizovaný. Tento efekt spôsobuje pokles jadrového náboja-

tienené a orbitály d a f na vonkajších škrupinách sú destabilizované a rozširujú sa („nepriamy“ relativistický efekt). Tretím relativistickým efektom je spin-orbitálna väzba a rozdelenie úrovní s l> 0 (p, d, f atď. Elektróny) na stavy s j = l ± ½. Každý z týchto troch efektov je rovnakého rádu. Spoločne spôsobujú, že sa relatívna poloha energetických hladín a ich priestorová expanzia v skupine periodickej tabuľky zmenia natoľko, že sa môžu výrazne zmeniť aj chemické vlastnosti. Ale je tiež možné, že iné účinky, napr. Účinky B. plášťa, takže sú kompenzované a výsledkom sú skutočne prekvapivo podobné vlastnosti.

Physik Journal 8 (2009) č. 6

PREHĽAD od začiatku relativistických modelových výpočtov atómov, že prvok 112 by mohol byť pravdepodobne takmer taký inertný a podobne prchavý ako vzácny plyn, sa nezdá byť pravdivý [15]. Najmodernejšie relativistické výpočty interakcie prvku 112 s Au však s experimentom dobre súhlasia [16].

Physik Journal 8 (2009) č. 6

AUTORI Matthias Skull vyštudoval chémiu v Giessene a Mohuči a doktorát získal v Mohuči v roku 1979. Od roku 1985 vedie pracovnú skupinu pre jadrovú chémiu, ktorej členom je od roku 1976. Okrem postdoktorandského štúdia v Lawrence Livermore a Lawrence Berkeley National Laboratory uskutočnil veľké množstvo experimentov s nukleárnou chémiou po celom svete a viedol množstvo rozsiahlych medzinárodných spoluprác v GSI. Jeho hlavným výskumným záujmom je optimalizácia syntézy a separácie superťažkých prvkov, najmä pomocou automatizovaného chemického prístroja. Andreas Türler študoval na univerzite v Berne a doktorát získal v roku 1989. Po trojročnom postdoktorandskom štúdiu v Národnom laboratóriu Lawrenca Berkeleyho (spolu s D. Hoffmanom a G. T. Seabordom) prešiel na pozíciu výskumného asistenta do Švajčiarskeho inštitútu Paula Scherrera (PSI). Po ukončení habilitácie v Berne prijal v roku 2001 katedru rádiochémie na Technickej univerzite v Mníchove, kde pôsobil zaoberá syntézou nových rádionuklidov pre aplikácie nukleárnej medicíny.