Av de 26 for tiden kjente transuranelementene er 24 ikke funnet på planeten vår. De ble skapt av mennesket. Hvordan syntetiseres tunge og supertunge elementer?
Alexey Levin
Den første listen med trettitre antatte elementer, En tabell over stoffer som tilhører alle naturrikene, som kan betraktes som de enkleste bestanddelene av kropper, ble utgitt av Antoine Laurent Lavoisier i 1789. Sammen med oksygen, nitrogen, hydrogen, sytten metaller og flere andre virkelige elementer, dukket det opp lys, kalorier og noen oksider i den. Og da 80 år senere Mendeleev kom opp med det periodiske system, kjente kjemikere til 62 grunnstoffer. Ved begynnelsen av 1900-tallet ble det antatt 92 grunnstoffer i naturen, fra hydrogen til uran, selv om noen av dem ennå ikke var oppdaget.
Likevel, allerede på slutten av 1800-tallet, antok forskerne eksistensen av grunnstoffer som fulgte uran i det periodiske systemet (transuraner), men de kunne ikke oppdages. Det er nå kjent at jordskorpen inneholder spormengder av grunnstoffene 93 og 94 - neptunium og plutonium. Men historisk sett ble disse elementene først oppnådd kunstig og først da oppdaget i sammensetningen av mineraler.
Av de første 94 grunnstoffene har 83 enten stabile eller langlivede isotoper hvis halveringstid er sammenlignbar med alder solsystemet(de kom til planeten vår fra en protoplanetær sky). Levetiden til de resterende 11 naturlige elementene er mye kortere, og derfor vises de i jordskorpen bare som et resultat av radioaktivt forfall i kort tid. Men hva med alle de andre elementene, fra 95 til 118? Det er ingen på planeten vår. Alle ble oppnådd kunstig.
Den første kunstige
Opprettelsen av kunstige elementer har en lang historie. Den grunnleggende muligheten for dette ble tydelig i 1932, da Werner Heisenberg og Dmitry Ivanenko kom til den konklusjon at atomkjerner består av protoner og nøytroner. To år senere forsøkte Enrico Fermis gruppe å produsere transuraner ved å bestråle uran med langsomme nøytroner. Det ble antatt at urankjernen ville fange ett eller to nøytroner, hvoretter den ville gjennomgå beta-forfall for å produsere grunnstoffene 93 eller 94. De skyndte seg til og med å kunngjøre oppdagelsen av transuraner, som Fermi kalte ausonium og hesperium i sin Nobeltale i 1938. Imidlertid viste de tyske radiokjemikerne Otto Hahn og Fritz Strassmann, sammen med den østerrikske fysikeren Lise Meitner, snart at Fermi tok feil: disse nuklidene var isotoper av allerede kjente grunnstoffer, et resultat av spaltningen av urankjerner i par av fragmenter med omtrent samme masse . Det var denne oppdagelsen, gjort i desember 1938, som gjorde det mulig å lage en atomreaktor og atombombe.
Inne i kjerner er det proton- og nøytronskall, noe som ligner på elektronskall til atomer. Kjerner med fullstendig fylte skall er spesielt motstandsdyktige mot spontane transformasjoner. Antallet nøytroner og protoner som tilsvarer slike skjell kalles magi. Noen av dem har blitt bestemt eksperimentelt - disse er 2, 8, 20 og 28. Skallmodeller gjør det mulig å beregne de "magiske tallene" til supertunge kjerner teoretisk, men uten fullstendig garanti. Det er grunn til å forvente at nøytrontallet 184 vil være magisk. Det kan tilsvare protontall 114, 120 og 126, og sistnevnte må igjen være magisk. Hvis dette er tilfelle, vil isotopene til de 114., 120. og 126. elementene, som inneholder 184 nøytroner hver, leve mye lenger enn naboene i det periodiske systemet - minutter, timer eller til og med år (dette området av tabellen er vanligvis kalt stabilitetens øy). Forskere setter sitt største håp til den siste isotopen med en dobbelt magisk kjerne.
Det første grunnstoffet som ble syntetisert var ikke transuran i det hele tatt, men ecamangane, forutsagt av Mendeleev. De søkte etter det i forskjellige malmer, men til ingen nytte. Og i 1937 ble ecamanganese, senere kalt technetium (fra gresk - kunstig), oppnådd ved å skyte deuteriumkjerner mot et molybdenmål, akselerert i en syklotron ved Lawrence Berkeley National Laboratory.
Lette prosjektiler
Elementene 93 til 101 ble oppnådd ved interaksjon av urankjerner eller påfølgende transurankjerner med nøytroner, deuteroner (deuteriumkjerner) eller alfapartikler (heliumkjerner). Den første suksessen her ble oppnådd av amerikanerne Edwin McMillan og Philip Abelson, som syntetiserte neptunium-239 i 1940, og arbeidet med Fermis idé: fangst av langsomme nøytroner av uran-238 og den påfølgende beta-nedbrytningen av uran-239.
Det neste, element 94, plutonium, ble først oppdaget da man studerte beta-forfallet til neptunium-238, oppnådd ved deuteronbombardement av uran ved University of California, Berkeley syklotron tidlig i 1941. Og det ble snart klart at plutonium-239, under påvirkning av langsomme nøytroner, er spaltbart ikke verre enn uran-235 og kan tjene som fylling av en atombombe. Derfor ble all informasjon om produksjonen og egenskapene til dette elementet klassifisert, og artikkelen av MacMillan, Glenn Seaborg (for deres funn de delte Nobel pris 1951) og deres kolleger med en melding om det andre transuranet dukket opp på trykk først i 1946.
Amerikanske myndigheter forsinket også publiseringen i nesten seks år etter oppdagelsen av det 95. grunnstoffet, americium, som på slutten av 1944 ble isolert av Seaborgs gruppe fra produktene fra nøytronbombardement av plutonium i en atomreaktor. Noen måneder tidligere oppnådde fysikere fra samme team den første isotopen av element 96 med en atomvekt på 242, syntetisert ved å bombardere uran-239 med akselererte alfapartikler. Det ble kalt curium som en anerkjennelse for de vitenskapelige prestasjonene til Pierre og Marie Curie, og åpnet dermed tradisjonen med å navngi transuraner til ære for klassikerne innen fysikk og kjemi.
University of Californias 60-tommers syklotron var stedet for opprettelsen av ytterligere tre elementer, 97, 98 og 101. De to første ble oppkalt etter deres fødested - Berkeley og California. Berkeley ble syntetisert i desember 1949 ved å bombardere et americium-mål med alfapartikler. californium ble syntetisert to måneder senere ved det samme bombardementet av curium. Elementene 99. og 100., einsteinium og fermium, ble oppdaget under radiokjemisk analyse av prøver samlet i Eniwetak-atollen, hvor amerikanerne 1. november 1952 detonerte en ti-megatonn termonukleær ladning "Mike", skallet som var laget av uran-238. Under eksplosjonen absorberte urankjerner opptil femten nøytroner, hvoretter de gjennomgikk kjeder av beta-forfall, noe som førte til dannelsen av disse elementene. Element 101, mendelevium, ble oppdaget tidlig i 1955. Seaborg, Albert Ghiorso, Bernard Harvey, Gregory Choppin og Stanley Thomson utsatte alfapartikkelbombardement for omtrent en milliard (dette er veldig lite, men det var rett og slett ikke flere) einsteiniumatomer elektrolytisk avsatt på gullfolie. Til tross for den ekstremt høye stråletettheten (60 billioner alfapartikler per sekund), ble det kun oppnådd 17 mendeleviumatomer, men deres stråling og Kjemiske egenskaper.
Tunge ioner
Mendelevium var det siste transuranet som ble produsert ved bruk av nøytroner, deuteroner eller alfapartikler. For å oppnå følgende elementer var det nødvendig med mål fra element nummer 100 - fermium - som da var umulig å produsere (selv nå i atomreaktorer oppnås fermium i nanogram-mengder).
Forskere tok en annen vei: de brukte ioniserte atomer, hvis kjerner inneholder mer enn to protoner (de kalles tunge ioner), for å bombardere mål. For å akselerere ionestråler var det nødvendig med spesialiserte akseleratorer. Den første slike maskinen, HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator), ble lansert i Berkeley i 1957, den andre, U-300 syklotronen, ble lansert ved Laboratory of Nuclear Reactions ved Joint Institute for Nuclear Research i Dubna i 1960. Senere ble kraftigere installasjoner U-400 og U-400M satt i drift i Dubna. En annen UNILAC (Universal Linear Accelerator)-akselerator har vært i drift siden slutten av 1975 ved det tyske Helmholtz-senteret for forskning på tunge ioner i Wickhausen, et av distriktene i Darmstadt.
Under bombardementet av mål laget av bly, vismut, uran eller transuraner med tunge ioner, oppstår det svært eksiterte (varme) kjerner, som enten faller fra hverandre eller frigjør overflødig energi gjennom emisjon (fordamping) av nøytroner. Noen ganger sender disse kjernene ut en eller to nøytroner, hvoretter de gjennomgår andre transformasjoner - for eksempel alfa-forfall. Denne typen syntese kalles kulde. I Darmstadt ble det med dens hjelp oppnådd elementer med tall fra 107 (borium) til 112 (copernicium). På samme måte, i 2004, skapte japanske fysikere ett atom av det 113. elementet (et år tidligere ble det oppnådd i Dubna). Under varm fusjon mister nyfødte kjerner flere nøytroner - fra tre til fem. På denne måten syntetiserte Berkeley og Dubna elementer fra 102 (nobelium) til 106 (seaborgium, til ære for Glenn Seaborg, under hvis ledelse ni nye elementer ble opprettet). Senere, i Dubna, ble seks av de mest massive supertungvektere laget på denne måten - fra 113. til 118. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) har så langt bare godkjent navnene på det 114. (flerovium) og 116. (livermorium) grunnstoff.
Bare tre atomer
Det 118. elementet med det midlertidige navnet ununoctium og symbolet Uuo (i henhold til IUPAC-reglene er midlertidige navn på elementer dannet fra de latinske og greske røttene til navnene på sifrene i deres atomnummer, un-un-oct (ium) - 118) ble opprettet av felles innsats fra to vitenskapelige grupper: Dubna under ledelse av Yuri Oganesyan og Livermore National Laboratory under ledelse av Kenton Moody, en student ved Seaborg. Ununoctium ligger under radon i det periodiske system og kan derfor være en edelgass. Imidlertid er dens kjemiske egenskaper ennå ikke bestemt, siden fysikere har skapt bare tre atomer av dette elementet med et massetall på 294 (118 protoner, 176 nøytroner) og en halveringstid på omtrent et millisekund: to i 2002 og en i 2005. De ble oppnådd ved å bombardere et mål på California-249 (98 protoner, 151 nøytroner) med ioner av den tunge isotopen av kalsium med en atommasse på 48 (20 protoner og 28 nøytroner), akselerert i U-400-akseleratoren. Det totale antallet kalsium "kuler" var 4,1x1019, så produktiviteten til Dubna "ununoctium generator" er ekstremt lav. Imidlertid er U-400 ifølge Kenton Moody den eneste maskinen i verden som kan syntetisere det 118. elementet.
"Hver serie eksperimenter på syntese av transuraner legger til ny informasjon om strukturen til kjernefysisk materie, som brukes til å modellere egenskapene til supertunge kjerner. Spesielt arbeidet med syntesen av det 118. elementet gjorde det mulig å forkaste flere tidligere modeller, minnes Kenton Moody. "Vi laget målet fra californium, siden tyngre elementer ikke var tilgjengelig i de nødvendige mengder. Kalsium-48 inneholder åtte ekstra nøytroner sammenlignet med hovedisotopen kalsium-40. Da kjernen smeltet sammen med californiumkjernen, ble det dannet kjerner med 179 nøytroner. De var i svært begeistrede og derfor spesielt ustabile tilstander, som de raskt dukket opp fra og kastet ut nøytroner. Som et resultat oppnådde vi en isotop av element 118 med 176 nøytroner. Og disse var ekte nøytrale atomer med et fullt sett med elektroner! Hvis de hadde levd litt lenger, ville det vært mulig å bedømme deres kjemiske egenskaper.»
"Elementene 113 til 118 ble laget basert på en bemerkelsesverdig metode utviklet i Dubna under ledelse av Yuri Oganesyan," forklarer Darmstadt-teammedlem Alexander Yakushev. – I stedet for nikkel og sink, som ble brukt til å skyte mot mål i Darmstadt, tok Oganesyan en isotop med mye lavere atommasse – kalsium-48. Faktum er at bruken av lette kjerner øker sannsynligheten for deres fusjon med målkjerner. Kalsium-48-kjernen er også dobbelt magisk, siden den er sammensatt av 20 protoner og 28 nøytroner. Derfor bidro Oganesyans valg i stor grad til overlevelsen av de sammensatte kjernene som oppstår når målet skytes mot. Tross alt kan en kjerne kaste flere nøytroner og gi opphav til et nytt transuran bare hvis det ikke faller fra hverandre i fragmenter umiddelbart etter fødselen. For å syntetisere supertunge grunnstoffer på denne måten laget Dubna-fysikere mål fra transuran produsert i USA - først plutonium, deretter americium, curium, californium og til slutt berkelium. Kalsium-48 i naturen er bare 0,7%. Det ekstraheres ved hjelp av elektromagnetiske separatorer, som er en kostbar prosedyre. Ett milligram av denne isotopen koster rundt 200 dollar. Denne mengden er nok til en time eller to med beskytning av et mål, og eksperimenter varer i flere måneder. Målene i seg selv er enda dyrere, prisen når en million dollar. Å betale strømregninger koster også en pen krone - tunge ioneakseleratorer bruker megawatt strøm. Generelt er syntesen av supertunge elementer ikke en billig nytelse." På bildet: når et tungt ion treffer området til målets kjernekrefter, kan det dannes en sammensatt kjerne i en opphisset tilstand. Den forfaller enten til fragmenter med omtrent lik masse, eller sender ut (fordamper) flere nøytroner og går over i grunntilstanden (ueksitert).
Metusalem nummer 117
Element 117, også kjent som ununseptium, ble oppnådd senere - i mars 2010. Dette elementet ble laget på den samme U-400-maskinen, hvor kalsium-48-ioner som før ble skutt mot et mål laget av berkelium-249, syntetisert ved Oak Ridge National Laboratory. Da berkelium- og kalsiumkjerner kolliderte, dukket det opp sterkt eksiterte ununseptium-297-kjerner (117 protoner og 180 nøytroner). Eksperimentørene klarte å skaffe seks kjerner, hvorav fem fordampet fire nøytroner hver og ble til ununseptium-293, og resten sendte ut tre nøytroner og ga opphav til ununseptium-294.
Sammenlignet med ununoctium viste ununoctium seg å være en ekte Metusalem. Halveringstiden til den lettere isotopen er 14 millisekunder, og den tyngre er hele 78 millisekunder! I 2012 oppnådde Dubna-fysikere fem flere atomer av ununseptium-293, og senere flere atomer av begge isotoper. Våren 2014 rapporterte forskere fra Darmstadt om syntesen av fire kjerner av element 117, hvorav to hadde en atommasse på 294. Halveringstiden til dette "tunge" ununseptium, målt av tyske forskere, var omtrent 51 millisekunder ( dette stemmer godt med anslagene til forskere fra Dubna).
Nå i Darmstadt forbereder de et prosjekt for en ny lineær akselerator av tunge ioner på superledende magneter, som vil tillate syntese av elementene 119 og 120. Lignende planer implementeres i Dubna, hvor en ny syklotron DS-280 bygges. Det er mulig at syntesen av nye supertunge transuraner vil bli mulig om bare noen få år. Og etableringen av det 120. eller til og med det 126. elementet med 184 nøytroner og oppdagelsen av stabilitetsøya vil bli en realitet.
Begrensninger på tilværelsen atomkjerner det er også fra siden av supertunge elementer. Elementer med Z > 92 er ikke funnet under naturlige forhold. Beregninger ved bruk av væskedråpemodellen forutsier forsvinningen av fisjonsbarrieren for kjerner med Z2/A ≈ 46 (omtrent element 112). I problemet med syntesen av supertunge kjerner, bør to problemområder skilles.
- Hvilke egenskaper bør supertunge kjerner ha? Vil det være magiske tall i denne regionen av Z og N. Hva er de viktigste forfallskanalene og halveringstidene til supertunge kjerner?
- Hvilke reaksjoner bør brukes for å syntetisere supertunge kjerner, typer bombarderende kjerner, forventede tverrsnittsverdier, forventede eksitasjonsenergier til den sammensatte kjernen og deeksitasjonskanaler?
Siden dannelsen av supertunge kjerner skjer som et resultat av fullstendig fusjon av målkjernen og den innfallende partikkelen, er det nødvendig å lage teoretiske modeller som beskriver dynamikken i prosessen med fusjon av to kolliderende kjerner til en sammensatt kjerne.
Problemet med å syntetisere supertunge elementer er nært knyttet til det faktum at kjerner med Z,N = 8, 20, 28, 50, 82, N = 126 (magiske tall) har økt stabilitet med hensyn til forskjellige moduser for radioaktivt forfall. Dette fenomenet er forklart innenfor rammen av skallmodellen - magiske tall tilsvarer fylte skjell. Naturligvis oppstår spørsmålet om eksistensen av følgende magiske tall i Z og N. Hvis de eksisterer i området til N-Z-diagrammet av atomkjerner N > 150, Z > 101, bør supertunge kjerner observeres med økte halveringstider, dvs. det må være en øy av stabilitet. I arbeidet, basert på beregninger utført ved bruk av Woods-Saxon-potensialet under hensyntagen til spin-bane-interaksjonen, ble det vist at en økning i stabiliteten til kjerner bør forventes for en kjerne med Z = 114, det vil si den neste fylt protonskall tilsvarer Z = 114, det fylte nøytronskall tilsvarer tallet N ~
184. Lukkede skall kan øke høyden på fisjonsbarrieren betydelig og følgelig øke levetiden til kjernen. I denne regionen av kjernene (Z = 114, N ~
184) bør du se etter stabilitetens øy. Det samme resultatet ble uavhengig oppnådd i arbeidet.
Kjerner med Z = 101–109 ble oppdaget før 1986 og ble navngitt: 101 - Md (Menelevium), 102 - No (Nobelium), 103 - Lr (Lawrencium), 104 - Rf (Rutherfordium, 106 - Sg (Seaborgium), 107 - Ns (Nielsborium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium). stort nummer isotoper av tunge grunnstoffer (102-105), i 1997, etter vedtak fra generalforsamlingen for ren og anvendt kjemi, ble grunnstoffet med Z = 105 gitt navnet Dubnium (Db). Dette grunnstoffet ble tidligere kalt Ha (Hannium).
Ris. 12.3. Forfallskjeder av isotopene Ds (Z = 110), Rg (Z = 111), Cn (Z = 112).
Et nytt stadium i studiet av supertunge kjerner begynte i 1994, da registreringseffektiviteten ble betydelig økt og teknikken for å observere supertunge kjerner ble forbedret. Som et resultat ble isotopene Ds (Z = 110), Rg (Z = 111) og Cn (Z = 112) oppdaget.
For å oppnå supertunge kjerner ble det brukt akselererte stråler på 50 Ti, 51 V, 58 Fe, 62 Ni, 64 Ni, 70 Zn og 82 Se. Isotopene 208 Pb og 209 Bi ble brukt som mål. Ulike isotoper av element 110 ble syntetisert ved Laboratory of Nuclear Reactions oppkalt etter. G.N. Flerov ved å bruke reaksjonen 244 Pu(34 S,5n) 272 110 og ved GSI (Darmstadt) i reaksjonen 208 Pb(62 Ni,n) 269 110. Isotopene 269 Ds, 271 Ds, 272 Rg og 277 Cn ble registrert iht. til deres forfallskjeder (fig. 12.3).
En stor rolle i produksjonen av supertunge elementer spilles av teoretiske modeller, ved hjelp av hvilke de forventede egenskapene til kjemiske elementer og reaksjonene der de kan dannes, beregnes.
Basert på ulike teoretiske modeller ble forfallsegenskapene til supertunge kjerner beregnet. Resultatene av en slik beregning er vist i fig. 12.4. Halveringstidene til jevn-selv supertunge kjerner er gitt i forhold til spontan fisjon (a), α-nedbrytning (b), β-nedbrytning (c) og for alle mulige nedbrytningsprosesser (d). Den mest stabile kjernen med hensyn til spontan fisjon (Fig. 12.4a) er kjernen med Z = 114 og N = 184. For den er halveringstiden med hensyn til spontan fisjon ~10 16 år. For isotoper av element 114 som skiller seg fra den mest stabile med 6-8 nøytroner, reduseres halveringstiden med
10-15 størrelsesordener. Halveringstidene i forhold til α-forfall er vist i fig. 12,5b. Den mest stabile kjernen ligger i regionen Z = 114 og N = 184 (T 1/2 = 10 15 år).
Kjerner stabile med hensyn til β-forfall er vist i fig. 12,4v med mørke prikker. I fig. Figur 12.4d viser de totale halveringstidene, som for jevne kjerner lokalisert innenfor den sentrale konturen er ~10 5 år. Etter å ha tatt hensyn til alle typer forfall, viser det seg at kjerner i nærheten av Z = 110 og N = 184 danner en "stabilitetsøy." 294 110-kjernen har en halveringstid på omtrent 10 9 år. Forskjellen mellom Z-verdien og det magiske tallet 114 forutsagt av skallmodellen skyldes konkurranse mellom fisjon (i forhold til hvilken kjernen med Z = 114 er mest stabil) og α-forfall (i forhold til hvilke kjerner med lavere Z er stabile) ). Odd-partall og partall-odde-kjerner har halveringstid i forhold til
α-forfall og spontan fisjon øker, og i forhold til β-forfall avtar de. Det skal bemerkes at de ovennevnte estimatene er sterkt avhengige av parameterne som brukes i beregningene og kan kun betraktes som indikasjoner på muligheten for eksistensen av supertunge kjerner med levetider lang nok for eksperimentell påvisning.
Ris. 12.4. Halveringstider beregnet for jevne supertunge kjerner (tall representerer halveringstider i år):
a - angående spontan fisjon, b - α-decay, c - e-capture og β-decay, d - for alle nedbrytningsprosesser
Resultatene av en annen beregning av likevektsformen til supertunge kjerner og deres halveringstid er vist i fig. 12.5, 12.6. I fig. Figur 12.5 viser likevektsdeformasjonsenergiens avhengighet av antall nøytroner og protoner for kjerner med Z = 104-120. Deformasjonsenergien er definert som forskjellen mellom energiene til kjerner i likevekt og sfærisk form. Fra disse dataene er det klart at i området Z = 114 og N = 184 bør det være kjerner som har en sfærisk form i grunntilstanden. Alle supertunge kjerner som er oppdaget til dags dato (de er vist i fig. 12.5 som mørke diamanter) er deformert. Lette diamanter viser kjerner som er stabile med hensyn til β-forfall. Disse kjernene må forfalle ved α-forfall eller fisjon. Hovedforfallskanalen skal være α-forfall.
Halveringstidene for jevne β-stabile isotoper er vist i fig. 12.6. I følge disse spådommene forventes halveringstider for de fleste kjerner mye lengre enn de som er observert for allerede oppdagede supertunge kjerner (0,1–1 ms). For eksempel, for 292 Ds-kjernen, er en levetid på ~51 år spådd.
I følge moderne mikroskopiske beregninger øker dermed stabiliteten til supertunge kjerner kraftig når de nærmer seg det magiske nøytrontallet N = 184. Inntil nylig var den eneste isotopen til grunnstoffet Z = 112 Cn (copernicium) isotopen 277 Cn, som har en halveringstid på 0,24 ms. Den tyngre isotopen 283 Cn ble syntetisert i kaldfusjonsreaksjonen 48 Ca + 238 U. Bestrålingstiden var 25 dager. Det totale antallet av 48 Ca-ioner på målet er 3,5·10 18. To tilfeller ble registrert som ble tolket som spontan fisjon av den resulterende isotopen 283 Cn. Den estimerte halveringstiden til denne nye isotopen er T 1/2 = 81 s. Dermed er det klart at en økning i antall nøytroner i 283 Cn isotopen sammenlignet med 277 Cn isotopen med 6 enheter øker levetiden med 5 størrelsesordener.
I fig. 12.7 hentet fra arbeidet, sammenlignes de eksperimentelt målte α-nedbrytningsperiodene med resultatene av teoretiske beregninger basert på væskedråpemodellen uten å ta hensyn til kjernenes skallstruktur. Man kan se at for alle tunge kjerner, med unntak av lette isotoper av uran, øker skalleffekter halveringstiden med 2–5 størrelsesordener for de fleste kjerner. Skallstrukturen til kjernen har en enda sterkere innflytelse på halveringstidene for relativt spontan fisjon. Økningen i halveringstid for Pu-isotoper er flere størrelsesordener og øker for 260 Sg-isotopen.
Ris. 12.7. Eksperimentelt målte (● exp) og teoretisk beregnede (○ Y) halveringstider for transuranelementer basert på væskedråpemodellen uten å ta hensyn til kjernens skallstruktur. Det øverste bildet er halveringstiden for α-forfall, det nederste bildet er halveringstiden for spontan fisjon.
I fig. Figur 12.8 viser målt levetid for sjøborgiumisotopene Sg (Z = 106) sammenlignet med prediksjonene til ulike teoretiske modeller. Bemerkelsesverdig er reduksjonen i levetiden til isotopen med N = 164 med nesten en størrelsesorden sammenlignet med levetiden til isotopen med N = 162.
Den nærmeste tilnærmingen til stabilitetsøya kan oppnås i reaksjonen 76 Ge + 208 Pb. En supertung nesten sfærisk kjerne kan dannes i en fusjonsreaksjon etterfulgt av utslipp av γ-kvanter eller et enkelt nøytron. I følge estimater skulle den resulterende 284 114 kjernen forfalle med utslipp av α-partikler med en halveringstid på ~ 1 ms. Ytterligere informasjon om belegget av skallet i regionen N = 162 kan fås ved å studere α-forfallene til 271 Hs- og 267 Sg-kjernene. Halveringstider på 1 min er spådd for disse kjernene. og 1 time. For kjerner 263 Sg, 262 Bh, 205 Hs, 271 273 Ds forventes manifestasjonen av isomerisme, grunnen til dette er fylling av underskall med j = 1/2 og j = 13/2 i regionen N = 162 for kjerner deformert i grunntilstanden.
I fig. Figur 12.9 viser de eksperimentelt målte eksitasjonsfunksjonene for reaksjonen av dannelsen av elementene Rf (Z = 104) og Hs (Z = 108) for fusjonsreaksjonene av innfallende ioner 50 Ti og 56 Fe med målkjernen 208 Pb.
Den resulterende sammensatte kjernen avkjøles ved utslipp av ett eller to nøytroner. Informasjon om eksitasjonsfunksjonene til tunge ionefusjonsreaksjoner er spesielt viktig for å oppnå supertunge kjerner. I fusjonsreaksjonen av tunge ioner er det nødvendig å nøyaktig balansere effekten av Coulomb-krefter og overflatespenningskrefter. Hvis energien til det innfallende ionet ikke er høy nok, vil den minste tilnærmingsavstanden ikke være tilstrekkelig for sammenslåing av det binære kjernefysiske systemet. Hvis energien til den innfallende partikkelen er for høy, vil det resulterende systemet ha høy eksitasjonsenergi og vil mest sannsynlig gå i oppløsning til fragmenter. Effektiv fusjon skjer i et ganske smalt energiområde av kolliderende partikler.
Fig. 12.10. Diagram over potensialer for fusjon av 64 Ni og 208 Pb.
Fusjonsreaksjoner med utslipp av et minimum antall nøytroner (1–2) er av spesiell interesse, fordi i syntetiserte supertunge kjerner er det ønskelig å ha størst mulig N/Z-forhold. I fig. Figur 12.10 viser fusjonspotensialet for kjerner i reaksjonen 64 Ni + 208 Pb → 272 Ds. De enkleste estimatene viser at sannsynligheten for tunneleffekten for kjernefysisk fusjon er ~10–21, som er betydelig lavere enn den observerte tverrsnittsverdien. Dette kan forklares som følger. Ved en avstand på 14 fm mellom sentrene til kjernene blir den innledende kinetiske energien på 236,2 MeV fullstendig kompensert av Coulomb-potensialet. På denne avstanden er det bare nukleoner på overflaten av kjernen som er i kontakt. Energien til disse nukleonene er lav. Derfor er det stor sannsynlighet for at nukleoner eller nukleonpar vil forlate orbitalene i en kjerne og bevege seg til partnerkjernens frie tilstander. Overføringen av nukleoner fra en innfallskjerne til en målkjerne er spesielt attraktiv i tilfellet når den dobbeltmagiske blyisotopen 208 Pb brukes som mål. I 208 Pb er protonunderskallet h 11/2 og nøytronunderskallene h 9/2 og i 13/2 fylt. Til å begynne med stimuleres overføringen av protoner av proton-proton-tiltrekningskrefter, og etter å ha fylt h 9/2-underskallet - av proton-nøytron-tiltrekningskrefter. På samme måte beveger nøytroner seg inn i det frie underskallet i 11/2, tiltrukket av nøytroner fra det allerede fylte underskallet i 13/2. På grunn av sammenkoblingsenergien og store orbitale vinkelmomenter, er overføring av et par nukleoner mer sannsynlig enn overføring av et enkelt nukleon. Etter overføring av to protoner fra 64 Ni 208 Pb, reduseres Coulomb-barrieren med 14 MeV, noe som fremmer tettere kontakt med interagerende ioner og fortsettelse av nukleonoverføringsprosessen.
I verkene til [V.V. Volkov. Kjernereaksjoner av dype uelastiske overføringer. M. Energoizdat, 1982; V.V. Volkov. Izv. USSR Academy of Sciences, fysisk serie, 1986, vol. 50 s. 1879] mekanismen for fusjonsreaksjonen ble studert i detalj. Det er vist at allerede på fangststadiet dannes et dobbelt kjernefysisk system etter fullstendig spredning av den kinetiske energien til den innfallende partikkelen og nukleonene til en av kjernene blir gradvis overført, skall for skall, til den andre kjernen. Det vil si at skallstrukturen til kjernene spiller en betydelig rolle i dannelsen av den sammensatte kjernen. Basert på denne modellen var det mulig å beskrive ganske godt eksitasjonsenergien til sammensatte kjerner og tverrsnittet for dannelsen av grunnstoffene Z = 102–112 i kalde fusjonsreaksjoner.
Dermed var fremgang i syntesen av transuranelementer Z = 107–112 assosiert med "oppdagelsen" av kalde fusjonsreaksjoner der de magiske isotopene 208 Pb og 209 Bi ble bestrålt med ioner med Z = 22–30. Kjernen som dannes i den kalde fusjonsreaksjonen blir svakt oppvarmet og avkjøles som følge av utslipp av ett nøytron. Slik ble isotoper av kjemiske grunnstoffer med Z = 107–112 oppnådd for første gang. Disse kjemiske elementene ble oppnådd i perioden 1978–1998. i Tyskland ved en spesialbygd akselerator ved GSI forskningssenter i Darmstadt. Videre fremgang til tyngre kjerner ved bruk av denne metoden viser seg imidlertid å være vanskelig på grunn av økningen i den potensielle barrieren mellom kolliderende kjerner. Derfor ble en annen metode for å produsere supertunge kjerner implementert i Dubna. De tyngste isotopene av de kunstig oppnådde kjemiske grunnstoffene plutonium Pu (Z = 94), americium Am (Z = 95), curium Cm (Z = 96), berkelium Bk (Z = 97) og californium Cf (Z = 98) ble brukt. som mål. Kalsiumisotopen 48 Ca (Z = 20) ble valgt som akselererte ioner. Et skjematisk riss av rekylkjerneseparatoren og detektoren er vist i fig. 12.11.
Ris. 12.11. Skjematisk visning av rekylkjerneseparatoren, der eksperimenter med syntese av supertunge elementer utføres i Dubna.
Den magnetiske separatoren til rekylkjerner reduserer bakgrunnen til reaksjonsbiprodukter med 10 5 – 10 7 ganger. Reaksjonsproduktene ble registrert ved bruk av en posisjonssensitiv silisiumdetektor. Energi, koordinater og flukttidspunkt for rekylkjernene ble målt. Etter stopp må alle påfølgende signaler fra detekterte henfallspartikler komme fra stopppunktet til den implanterte kjernen. Den opprettede teknikken gjorde det mulig å etablere med en høy grad av pålitelighet (≈ 100%) en sammenheng mellom en supertung kjerne stoppet i detektoren og dens nedbrytningsprodukter. Ved hjelp av denne teknikken, supertunge elementer med
Z = 110–118 (tabell 12.2).
Tabell 12.2 viser egenskapene til supertunge kjemiske grunnstoffer med Z = 110–118: massetall A, m - tilstedeværelse av en isomerisk tilstand i en isotop med massenummer A, spinn-paritet JP, kjernefysisk bindingsenergi Est, spesifikk bindingsenergi ε, nøytronseparasjonsenergier B n og proton B p , halveringstid T 1/2 og de viktigste henfallskanalene.
Kjemiske grunnstoffer Z > 112 har ennå ikke navn og er gitt i aksepterte internasjonale notasjoner.
Tabell 12.2
Kjennetegn på supertunge kjemiske grunnstoffer Z = 110–118
| XX-A-m | J P | Vekt kjerner, MeV |
E St, MeV |
ε, MeV |
Bn, MeV |
Bp, MeV |
T 1/2 | Forfallsmoduser |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Z = 110 − darmstadtium | ||||||||
| Ds-267 | 248787.19 | 1934.5 | 7.2 | 0.7 | 2,8 ac | α ≈100 % | ||
| Ds-268 | 0 + | 249718.08 | 1943.2 | 7.3 | 8.7 | 1.3 | 100 ac | α ≈ |
| Ds-269 | 250650.86 | 1950.0 | 7.2 | 6.8 | 1.3 | 179 ac | α 100 % | |
| Ds-270 | 0 + | 251581.97 | 1958.4 | 7.3 | 8.5 | 0,10 ms | a ≈100 %, SF< 0.20% | |
| Ds-270-m | 251583.07 | 1957.3 | 7.2 | 6,0 ms | α >70 %, IT ≤ 30 % | |||
| Ds-271 | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 6.8 | 2.2 | 1,63 ms | α ≈100 % | |
| Ds-271-m | 252514.72 | 1965.2 | 7.3 | 69 ms | IT?, α >0 % | |||
| Ds-272 | 0 + | 253446.46 | 1973.1 | 7.3 | 7.8 | 2.5 | 1 s | SF |
| Ds-273 | 254380.32 | 1978.8 | 7.2 | 5.7 | 2.5 | 0,17 ms | α ≈100 % | |
| Ds-274 | 0 + | 255312.45 | 1986.2 | 7.2 | 7.4 | 3.0 | 2 s | α?, SF? |
| Ds-275 | 256246.44 | 1991.8 | 7.2 | 5.6 | 2.9 | 2 s | α? | |
| Ds-276 | 0 + | 257178.73 | 1999.1 | 7.2 | 7.3 | 3.2 | 5 s | SF?, α? |
| Ds-277 | 258112.63 | 2004.7 | 7.2 | 5.7 | 3.1 | 5 s | α? | |
| Ds-278 | 0 + | 259044.92 | 2012.0 | 7.2 | 7.3 | 10 s | SF?, α? |
|
| Ds-279 | 259978.62 | 2017.9 | 7.2 | 5.9 | 0,18 s | SF ≈90 %, α ≈10 % |
||
| Ds-281 | 261844.60 | 2031.0 | 7.2 | 9,6 s | SF ≈100 % | |||
| Z =111 − røntgenium | ||||||||
| Rg-272 | 253452.75 | 1965.5 | 7.2 | 0.2 | 3,8 ms | α ≈100 % | ||
| Rg-273 | 254384.34 | 1973.5 | 7.2 | 8.0 | 0.4 | 5 ms | α? | |
| Rg-274 | 255317.74 | 1979.6 | 7.2 | 6.2 | 0.9 | 6,4 ms | α ≈100 % | |
| Rg-275 | 256249.53 | 1987.4 | 7.2 | 7.8 | 1.2 | 10 ms | α? | |
| Rg-276 | 257183.22 | 1993.3 | 7.2 | 5.9 | 1.5 | 100 ms | SF?, α? |
|
| Rg-277 | 258115.72 | 2000.4 | 7.2 | 7.1 | 1.3 | 1 s | α?, SF? |
|
| Rg-278 | 259049.11 | 2006.5 | 7.2 | 6.2 | 1.8 | 4,2 ms | α ≈100 %, SF |
|
| Rg-279 | 259981.41 | 2013.8 | 7.2 | 7.3 | 1.8 | 0,17 s | α ≈100 % | |
| Rg-280 | 260914.80 | 2020.0 | 7.2 | 6.2 | 2.1 | 3,6 s | α ≈100 % | |
| Rg-281 | 261847.09 | 2027.2 | 7.2 | 7.3 | 1m | α?, SF? | ||
| Rg-282 | 262780.59 | 2033.3 | 7.2 | 6.1 | 2.3 | 4 m | SF?, α? | |
| Rg-283 | 263712.98 | 2040.5 | 7.2 | 7.2 | 10 m | SF?, α? | ||
| Z = 112 − copernicium | ||||||||
| Cn-277 | 258119.32 | 1995.5 | 7.2 | 2.2 | 0,69 ms | α ≈100 % | ||
| Cn-278 | 0 + | 259051.20 | 2003.1 | 7.2 | 7.7 | 2.8 | 10 ms | SF?, α? |
| Cn -279 | 259984.69 | 2009.2 | 7.2 | 6.1 | 2.7 | 0,1 s | SF?, α? | |
| Cn -280 | 0 + | 260916.69 | 2016.8 | 7.2 | 7.6 | 3.0 | 1 s | α?, SF? |
| Cn-282 | 0 + | 262782.18 | 2030.4 | 7.2 | 3.2 | 0,50 ms | SF ≈100 % | |
| Cn-283 | 263715.57 | 2036.6 | 7.2 | 6.2 | 3.3 | 4,0 s | α ≥90 %, SF ≤10 % | |
| Cn-284 | 0 + | 264647.66 | 2044.1 | 7.2 | 7.5 | 3.6 | 101 ms | SF ≈100 % |
| Cn -285 | 265580.76 | 2050.5 | 7.2 | 6.5 | 34 s | α ≈100 % | ||
| Z=113 | ||||||||
| Uut-278 | 0,24 ms | α 100 % | ||||||
| Uut-283 | 263719.46 | 2031.4 | 7.2 | 1.0 | 100 ms | α 100 % | ||
| Uut-284 | 264652.45 | 2038.0 | 7.2 | 6.6 | 1.4 | 0,48 s | α ≈100 % | |
| Uut-285 | 265584.55 | 2045.5 | 7.2 | 7.5 | 1.4 | 2 m | α?, SF? | |
| Uut-286 | 266517.64 | 2051.9 | 7.2 | 6.5 | 1.4 | 5 m | α?, SF? | |
| Uut-287 | 267449.64 | 2059.5 | 7.2 | 7.6 | 20 m | α?, SF? | ||
| Z=114 | ||||||||
| Uuq-286 | 0 + | 266520.33 | 2048.0 | 7.2 | 2.5 | 0,16 s | SF ≈60 %, α ≈40 % | |
| Uuq-287 | 267453.42 | 2054.4 | 7.2 | 6.5 | 2.5 | 0,51 s | α ≈100 % | |
| Uuq-288 | 0 + | 268385.02 | 2062.4 | 7.2 | 8.0 | 2.9 | 0,80 s | α ≈100 % |
| Uuq-289 | 269317.91 | 2069.1 | 7.2 | 6.7 | 2,7 s | α ≈100 % | ||
| Z=115 | ||||||||
| Uup-287 | 267458.11 | 2048.4 | 7.1 | 0.5 | 32 ms | α 100 % | ||
| Uup-288 | 268390.81 | 2055.3 | 7.1 | 6.9 | 0.9 | 87 ms | α 100 % | |
| Uup-289 | 269322.50 | 2063.2 | 7.1 | 7.9 | 0.8 | 10 s | SF?, α? | |
| Uup-290 | 270255.30 | 2070.0 | 7.1 | 6.8 | 0.9 | 10 s | SF?, α? | |
| Uup-291 | 271187.09 | 2077.7 | 7.1 | 7.8 | 1m | α?, SF? | ||
| Z=116 | ||||||||
| Uuh-290 | 0 + | 270258.98 | 2065.0 | 7.1 | 1.8 | 15 ms | α ≈100 % | |
| Uuh-291 | 271191.78 | 2071.7 | 7.1 | 6.8 | 1.8 | 6,3 ms | α 100 % | |
| Uuh-292 | 0 + | 272123.07 | 2080.0 | 7.1 | 8.3 | 2.3 | 18 ms | α ≈100 % |
| Uuh-293 | 53 ms | α ≈100 % | ||||||
| Z=117 | ||||||||
| Uus-291 | 271197.37 | 2064.9 | 7.1 | -0.1 | 10 ms | SF?, α? | ||
| Uus-292 | 272129.76 | 2072.0 | 7.1 | 7.2 | 0.3 | 50 ms | SF?, α? | |
| Z=118 | ||||||||
| Uuo-294 | 0 + | 1,8 ms | α ≈100 % | |||||
I fig. Figur 12.12 viser alle de kjente tyngste isotoper med Z = 110–118 oppnådd i syntesereaksjoner, som indikerer den eksperimentelt målte halveringstiden. Den teoretisk forutsagte posisjonen til stabilitetsøya er også vist her (Z = 114, N = 184).
Ris. 12.12. N-Z diagram av elementene Z = 110–118.
De oppnådde resultatene indikerer tydelig en økning i stabiliteten til isotoper når de nærmer seg den dobbeltmagiske kjernen (Z = 114, N = 184). Tilsetning av 7–8 nøytroner til kjerner med Z = 110 og 112 øker halveringstiden fra 2,8 som (Ds-267) til ≈ 10 s (Ds-168, Ds 271). Halveringstiden T 1/2 (272 Rg, 273 Rg) ≈ 4–5 ms øker til T 1/2 (283 Rg) ≈ 10 min. De tyngste isotopene av grunnstoffene Z = 110–112 inneholder ≈ 170 nøytroner, som fortsatt er langt unna det magiske tallet N = 184. Alle de tyngste isotopene med Z > 111 og N > 172 henfaller hovedsakelig som følge av
α-forfall, spontan fisjon - et sjeldnere forfall. Disse resultatene stemmer godt overens med teoretiske spådommer.
Ved Laboratory of Nuclear Reactions oppkalt etter. G.N. Flerov (Dubna) syntetiserte et grunnstoff med Z = 114. Reaksjonen ble brukt
Identifikasjon av 289 114-kjernen ble utført ved å bruke en kjede av a-forfall. Eksperimentell vurdering av halveringstiden til isotopen 289 114 ~30 s. Det oppnådde resultatet stemmer godt overens med tidligere utførte beregninger.
Under syntesen av element 114 i reaksjonen 48 Cu + 244 Pu ble det maksimale utbyttet av isotoper med Z = 114 observert i kanalen med fordampning av tre nøytroner. I dette tilfellet var eksitasjonsenergien til den sammensatte kjernen 289 114 35 MeV.
Den teoretisk forutsagte sekvensen av henfall som oppstår med 296 116 kjernen dannet i reaksjonen 248 Cm + 48 Ca → 296 116 er vist i fig. 12.13
Ris. 12.13. Kjernefysisk forfall diagram 296 116.
Isotopen 296 116 avkjøles som et resultat av utslipp av fire nøytroner og blir til isotopen 292 116, som deretter, med 5 % sannsynlighet, som et resultat av to påfølgende e-fangst blir til isotopen 292 114. Som et resultat av α-forfall (T 1/2 = 85 dager) blir isotop 292 114 til isotop 288 112. Dannelsen av isotop 288 112 skjer også gjennom kanalen
Den endelige kjernen 288 112 som kommer fra begge kjeder har en halveringstid på ca. 1 time og henfaller ved spontan fisjon. Med omtrent 10 % sannsynlighet, som et resultat av a-nedfallet til isotopen 288 114, kan isotopen 284 112 dannes. Periodene og henfallskanalene ovenfor ble oppnådd ved beregning.
I fig. Figur 12.14 viser en kjede av suksessive α-forfall av isotopen 288115, målt i eksperimenter i Dubna. ER er energien til rekylkjernen implantert i en posisjonssensitiv silisiumdetektor. Man kan merke seg en god overensstemmelse i halveringstidene og energiene til α-henfall i de tre eksperimentene, noe som indikerer påliteligheten til metoden for å identifisere supertunge grunnstoffer ved hjelp av målinger av spektra til α-partikler.
Ris. 12.14. En kjede av påfølgende α-forfall av isotopen 288115, målt i eksperimenter i Dubna.
Det tyngste laboratorieproduserte grunnstoffet med Z = 118 ble syntetisert i reaksjonen
48 Ca + 249 Jf. → 294 118 + 3n.
Ved ioneenergier nær Coulomb-barrieren ble det observert tre tilfeller av dannelsen av element 118. 294 118 kjerner ble implantert i en silisiumdetektor og en kjede av påfølgende α-forfall ble observert. Tverrsnittet for dannelsen av element 118 var ~2 picobarns. Halveringstiden til isotop 293118 er 120 ms.
I fig. Figur 12.15 viser en teoretisk beregnet kjede av suksessive α-henfall av isotopen 293 118 og viser halveringstidene til datterkjerner dannet som følge av α-henfall.
Ris. 12.15. En kjede av påfølgende α-forfall av isotopen 293 118.
Gjennomsnittlig levetid for datterkjerner dannet som et resultat av α-forfall er gitt.
Når man analyserer de ulike mulighetene for dannelse av supertunge grunnstoffer i reaksjoner med tunge ioner, må følgende omstendigheter tas i betraktning.
- Det er nødvendig å lage en kjerne med et tilstrekkelig stort forhold mellom antall nøytroner og antall protoner. Derfor må tunge ioner med stor N/Z velges som innfallspartikkel.
- Det er nødvendig at den resulterende sammensatte kjernen har en lav eksitasjonsenergi og et lite vinkelmoment, siden ellers vil den effektive høyden til fisjonsbarrieren avta.
- Det er nødvendig at den resulterende kjernen har en form nær sfærisk, siden selv en liten deformasjon vil føre til rask fisjon av den supertunge kjernen.
En meget lovende metode for å produsere supertunge kjerner er reaksjoner som 238 U + 238 U, 238 U + 248 Cm, 238 U + 249 Cf, 238 U + 254 Es. I fig. Figur 12.16 viser estimerte tverrsnitt for dannelsen av transuranelementer under bestråling av 248 Cm, 249 Cf og 254 Es mål med akselererte 238 U ioner. I disse reaksjonene er de første resultatene på tverrsnittene for dannelsen av grunnstoffer med Z > 100 allerede oppnådd. For å øke utbyttet av reaksjonene som ble undersøkt, ble måltykkelsene valgt på en slik måte at reaksjonsproduktene forble i. målet. Etter bestråling ble individuelle kjemiske elementer skilt fra målet. α-forfallsprodukter og fisjonsfragmenter ble registrert i prøvene som ble oppnådd over flere måneder. Data innhentet ved bruk av akselererte uranioner indikerer tydelig en økning i utbyttet av tunge transuranelementer sammenlignet med lettere bombarderende ioner. Dette faktum er ekstremt viktig for å løse problemet med fusjon av supertunge kjerner. Til tross for vanskelighetene med å jobbe med passende mål, ser prognosene for fremgang mot høy Z ganske optimistiske ut.
Ris. 12.16. Estimater av tverrsnittene for dannelsen av transuranelementer i reaksjonene til 238 U med 248 Cm, 249 Cf og 254 Es
Fremskritt til feltet for supertunge kjerner i i fjor viste seg å være utrolig imponerende. Imidlertid har alle forsøk på å oppdage stabilitetens øy så langt vært mislykket. Letingen etter ham fortsetter intenst.
Skallstrukturen til atomkjerner spiller en betydelig rolle for å øke stabiliteten til supertunge kjerner. De magiske tallene Z ≈ 114 og N ≈ 184, hvis de virkelig eksisterer, kan føre til en betydelig økning i stabiliteten til atomkjerner. Det er også betydelig at nedbrytningen av supertunge kjerner vil skje som et resultat av α-forfall, noe som er viktig for utviklingen av eksperimentelle metoder for å oppdage og identifisere nye supertunge kjerner.
Før sent XIXårhundrer virket alle kjemiske elementer konstante og udelelige. Det var ingen tvil om hvordan uforanderlige elementer kunne konverteres. Men oppdagelsen av radioaktivitet revolusjonerte verden slik vi kjenner den og banet vei for oppdagelsen av nye stoffer.
Oppdagelse av radioaktivitet
Æren av å oppdage transformasjonen av elementer tilhører den franske fysikeren Antoine Becquerel. For ett kjemisk eksperiment trengte han krystaller av uranyl-kaliumsulfat. Han pakket stoffet inn i svart papir og plasserte pakken i nærheten av fotoplaten. Etter å ha fremkalt filmen, så forskeren konturene av urankrystaller på fotografiet. Til tross for det tykke papirlaget, var de tydelig å skille. Becquerel gjentok dette eksperimentet flere ganger, men resultatet var det samme: konturene av krystaller som inneholdt uran var tydelig synlige på fotografiske plater.
Becquerel kunngjorde resultatene av oppdagelsen på et vanlig møte holdt av Paris Academy of Sciences. Rapporten hans begynte med ord om "usynlig stråling." Slik beskrev han resultatene av eksperimentene sine. Etter dette kom begrepet stråling i bruk blant fysikere.
Curies eksperimenter
Resultatene av Becquerels observasjoner interesserte de franske forskerne Marie og Paul Curie. De mente med rette at ikke bare uran kunne ha radioaktive egenskaper. Forskere la merke til at restene av malmen som dette stoffet utvinnes fra fortsatt har høy radioaktivitet. Søket etter elementer som var forskjellige fra de opprinnelige førte til oppdagelsen av et stoff med egenskaper som ligner på uran. Det nye radioaktive grunnstoffet ble kalt polonium. Marie Curie ga dette navnet til stoffet til ære for sitt hjemland - Polen. Etter dette ble radium oppdaget. Det radioaktive grunnstoffet viste seg å være et nedbrytningsprodukt av rent uran. Etter dette begynte epoken med nye kjemiske stoffer som ikke tidligere fantes i naturen i kjemien.
Elementer
De fleste kjernene til kjemiske grunnstoffer kjent i dag er ustabile. Over tid går slike forbindelser spontant i oppløsning til andre grunnstoffer og forskjellige små partikler. Det tyngre foreldreelementet kalles foreldrematerialet i fysikkmiljøet. Produktene som dannes under nedbrytningen av et stoff kalles datterelementer eller nedbrytningsprodukter. Selve prosessen er ledsaget av frigjøring av ulike radioaktive partikler.
Isotoper
Ustabiliteten til kjemiske elementer kan forklares med eksistensen av forskjellige isotoper av samme stoff. Isotoper er varianter av noen grunnstoffer i det periodiske systemet med de samme egenskapene, men med ulikt antall nøytroner i kjernen. Mange vanlige kjemiske stoffer har minst én isotop. Det faktum at disse elementene er utbredt og godt studert bekrefter at de forblir i en stabil tilstand på ubestemt tid. Men hvert av disse "langlivede" elementene inneholder isotoper. Forskere oppnår kjernene deres gjennom reaksjoner utført under laboratorieforhold. Et kunstig radioaktivt grunnstoff produsert syntetisk kan ikke eksistere i stabil tilstand over lang tid og forfaller over tid. Denne prosessen kan gå på tre måter. Alle tre typer forfall har fått navnene sine fra de elementære partiklene som er biprodukter av termonukleære reaksjoner.
Alfa-forfall
Et radioaktivt kjemisk grunnstoff kan omdannes i henhold til det første forfallsskjemaet. I dette tilfellet sendes en alfapartikkel ut fra kjernen, hvis energi når 6 millioner eV. En detaljert studie av reaksjonsresultatene viste at denne partikkelen var et heliumatom. Det bærer bort to protoner fra kjernen, slik at det resulterende radioaktive elementet vil ha periodiske tabell atomnummer to posisjoner lavere enn moderstoffet.
Beta-forfall
Beta-nedbrytingsreaksjonen er ledsaget av utslipp av ett elektron fra kjernen. Utseendet til denne partikkelen i et atom er assosiert med forfallet av et nevron til et elektron, proton og nøytrino. Når elektronet forlater kjernen, øker det radioaktive kjemiske elementet sitt atomnummer med ett og blir tyngre enn dets foreldre.
Gamma-forfall
Under gamma-forfall frigjør kjernen en stråle av fotoner med forskjellige energier. Disse strålene kalles vanligvis gammastråling. Under denne prosessen blir det radioaktive elementet ikke modifisert. Han mister bare energien.
Ustabiliteten i seg selv, som et bestemt radioaktivt element besitter, betyr ikke i det hele tatt at i nærvær av et visst antall isotoper, vil stoffet vårt plutselig forsvinne og frigjøre kolossal energi. I virkeligheten minner oppløsningen av kjernen om å lage popcorn – den kaotiske bevegelsen av maiskorn i en stekepanne, og det er helt ukjent hvem av dem som åpner seg først. Loven om den radioaktive nedbrytningsreaksjonen kan bare garantere at et antall partikler som er proporsjonalt med antallet nukleoner som er igjen i kjernen vil fly ut av kjernen over en viss tidsperiode. På matematisk språk kan denne prosessen beskrives med følgende formel:
Her er det en proporsjonal avhengighet av antall nukleoner dN som forlater kjernen i løpet av perioden dt av antallet av alle nukleoner N som er tilstede i kjernen. Koeffisienten λ er radioaktivitetskonstanten til det nedbrytende stoffet.
Antallet nukleoner som er igjen i kjernen på tidspunktet t er beskrevet av formelen:
N = N 0 e -λt,
hvor N 0 er antall nukleoner i kjernen ved begynnelsen av observasjonen.
For eksempel ble det radioaktive elementet halogen med atomnummer 85 oppdaget først i 1940. Halveringstiden er ganske lang - 7,2 timer. Innholdet av radioaktivt halogen (astatin) på hele planeten overstiger ikke ett gram rent stoff. På 3,1 timer bør derfor mengden i naturen i teorien halveres. Men de stadige nedbrytningsprosessene til uran og thorium gir opphav til nye og nye astatinatomer, om enn i svært små doser. Derfor forblir mengden i naturen stabil.
Halvt liv
Radioaktivitetskonstanten brukes til å bestemme hvor raskt grunnstoffet som studeres vil forfalle. Men for praktiske problemer fysikere bruker oftere en mengde som kalles halveringstid. Denne indikatoren forteller deg hvor lang tid det vil ta før et stoff mister nøyaktig halvparten av nukleonene. For ulike isotoper varierer denne perioden fra små brøkdeler av et sekund til milliarder av år.
Det er viktig å forstå at tiden i denne ligningen ikke legges til, men multipliseres. For eksempel, hvis et stoff over en tidsperiode har mistet halvparten av nukleonene sine, vil det over en periode på 2t miste ytterligere halvparten av de gjenværende - det vil si en fjerdedel av det opprinnelige antallet nukleoner.
Fremveksten av radioaktive elementer
Radioaktive stoffer dannes naturlig i de øvre lagene av jordens atmosfære, i ionosfæren. Under påvirkning av kosmisk stråling gjennomgår gass i stor høyde ulike endringer som forvandler et stabilt stoff til et radioaktivt element. Den mest vanlige gassen i atmosfæren vår er N2, for eksempel fra den stabile isotopen nitrogen-14 blir til den radioaktive isotopen karbon-14.
I dag dukker det mye oftere opp et radioaktivt grunnstoff i en kjede av menneskeskapte atomfisjonsreaksjoner. Dette er navnet på prosesser der kjernen til et moderstoff forfaller til to datterkjerner, og deretter til fire radioaktive «barnebarn»-kjerner. Et klassisk eksempel er isotopen uran 238. Halveringstiden er 4,5 milliarder år. Planeten vår har eksistert nesten like lenge. Etter ti stadier med forfall blir radioaktivt uran til stabilt bly 206. Et kunstig produsert radioaktivt grunnstoff er ikke forskjellig i sine egenskaper fra dets naturlige motstykke.
Praktisk betydning av radioaktivitet
Etter Tsjernobyl-katastrofen begynte mange å snakke seriøst om å begrense utviklingsprogrammer for kjernekraftverk. Men i hverdagen gir radioaktivitet enorme fordeler for menneskeheten. Utforsker mulighetene praktisk anvendelse omhandler vitenskapen om radiografi. For eksempel injiseres radioaktivt fosfor i en pasient for å få et fullstendig bilde av beinbrudd. Kjernekraft tjener også til å generere varme og elektrisitet. Kanskje vil vi i fremtiden finne nye funn i dette fantastiske vitenskapsfeltet.
SYSTEMATISERING, GENERALISERING OG FORDYPNING AV KUNNSKAP I KJEMIKURSET
Kapittel II. Periodisk lov og periodisk system D.I. Mendeleev basert på læren
om strukturen til atomet
Problemer for §§1-3 (s. 70)
Spørsmål nr. 1
Sammenlign formuleringen av den periodiske loven gitt av D.I. Mendeleev, med moderne formulering. Forklar hvorfor denne endringen i ordlyden var nødvendig.
Formuleringen av den periodiske loven gitt av D.I. Mendeleev, sa: egenskapene til kjemiske elementer er periodisk avhengig av atommassene til disse elementene. Den moderne formuleringen sier: egenskapene til kjemiske elementer er periodisk avhengig av ladningen til kjernen til disse elementene. En slik avklaring var nødvendig fordi på det tidspunktet Mendeleev etablerte den periodiske loven, var strukturen til atomet ennå ikke kjent. Etter å ha belyst strukturen til atomet og etablert mønstrene for elektronplassering i elektroniske nivåer, ble det klart at den periodiske repeterbarheten av egenskapene til elementer er assosiert med repeterbarheten av strukturen til elektroniske skall.
Spørsmål nr. 2
Hvorfor samsvarer antall elementer i perioder med tallrekken 2 – 8 – 18 – 32? Forklar dette mønsteret ved å ta hensyn til arrangementet av elektroner i energinivåer.
Elektroner i et atom kan okkupere s-, p-, d- og f-orbitaler. Ett elektronisk nivå kan ha en s orbitaler, tre p orbitaler, fem d orbitaler og syv f orbitaler. På samme orbital
Det kan ikke være mer enn to elektroner. Således, hvis bare s orbitalene er fylt, er det 2 elektroner i det elektroniske nivået. Hvis s- og p-orbitalene er fylt, er det 2 + 6 = 8 elektroner i ett elektronisk nivå. Hvis s-, p- og d- orbitalene er fylt, er det 2 + 6 + 10 = 18 elektroner i det elektroniske nivået. Til slutt, hvis s-, p-, d- og f orbitalene er fylt, er det 2 + 6 + 10 + 14 = 32 elektroner i det elektroniske nivået. Dermed tilsvarer antall grunnstoffer i perioder maksimalt mulig antall elektroner på elektronisk nivå.
Spørsmål nr. 3
Basert på teorien om atomstruktur, forklar hvorfor grupper av grunnstoffer er delt inn i dur og moll.
I elementene i hovedundergruppene i det periodiske systemet av elementer er orbitalene til det ytre elektroniske nivået fylt med elektroner. I elementer av sideundergrupper fyller elektroner orbitalene til det nest siste elektroniske nivået.
Spørsmål nr. 4
Ved hvilke kriterier skilles s-, p-, d- og f-momenter?
I atomer av s-elementer er s-orbitaler fylt, i atomer av p-elementer er p-orbitaler fylt, i atomer av d-elementer
– d-orbitaler og i atomer av f-elementer – f-orbitaler.
Spørsmål nr. 5
Ved å bruke tabellen over det periodiske systemet av kjemiske elementer D.I. Mendeleev, tegne diagrammer over arrangementet av elektroner etter orbitaler og energinivåer i atomene til elementene vanadium V, nikkel Ni og arsen As. Hvilke av dem er p-elementer og hvilke er d-elementer og hvorfor?
Vanadium atom:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2
Nikkelatom: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2
Arsen atom: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3
I vanadium- og nikkelatomer er 3d-undernivået fylt, så de er klassifisert som d-elementer. I arsenatomet er 4p-nivået fylt, det vil si at arsen er et p-element.
Spørsmål nr. 6
Forklar hvorfor det kjemiske tegnet for hydrogen vanligvis plasseres i hovedundergruppen til gruppe I og i hovedundergruppen til gruppe VII.
Hydrogenatomet har ett s-elektron i det ytre (og eneste) elektronskallet, akkurat som alkalimetallatomer. Derfor er hydrogen plassert i den første gruppen av det periodiske systemet. På den annen side, for å fylle det ytre elektronskallet, mangler hydrogenatomet ett elektron, akkurat som halogenatomene, så hydrogen er også plassert i hovedundergruppen til gruppe VII i det periodiske systemet.
Spørsmål nr. 7
Basert på mønstrene for elektronplassering i orbitaler, forklar hvorfor lantanider og aktinider har lignende kjemiske egenskaper.
I atomene til lantanider og aktinider er det tredje ytre elektronnivået fylt. Siden kjemiske egenskaper hovedsakelig avhenger av elektronene i det ytre skallet, er lantanider og aktinider svært like i egenskaper.
Spørsmål nr. 8
Nevn de kunstig oppnådde elementene kjent for deg, angi deres plass i tabellen over det periodiske systemet av kjemiske elementer D.I. Mendeleev og tegne diagrammer fra
reflekterer arrangementet av elektroner i orbitaler i atomene til disse elementene.
De finnes ikke i naturen og kan kun oppnås kunstig teknetium (nr. 43), promethium (nr. 61), astatin (nr. 85), francium (nr. 87) og transuranelementer, det vil si grunnstoffer som befinner seg i periodisk system etter uran (med tall 93 og mer).
Elektroniske kretser av teknetium, prometium, astatin og Frankrike:
43 Тс 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d5 5s2
61 Pm 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f5 5s2 5p6 6s2
85 At 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 6s2 6p5 87 Fr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4 2s 4d 5 6 5d10 6s2 6p6 7s1
Elektronisk diagram av det første av transuranelementene - neptunium:
93 Np
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 5f4 6s2 6p6 6d1 7s2
Spørsmål nr. 9
Forklar essensen av begrepet "valens" fra synspunktet til moderne ideer om strukturen til atomer og dannelsen av kjemiske bindinger.
Valens er lik antall kjemiske bindinger som et atom av et gitt grunnstoff kan danne med atomer til andre grunnstoffer. Elektroner fra det ytre elektroniske nivået deltar i dannelsen av kjemiske bindinger. Valens kan også defineres som antall elektroner som et atom av et gitt kjemisk element kan gi for å danne kjemiske bindinger med atomer av andre elementer.
Spørsmål nr. 10
Hvorfor faller ikke den numeriske verdien av valens alltid sammen med antall elektroner i de ytre energinivåene?
Dannelsen av kjemiske bindinger er mulig hvis det er uparrede elektroner i atomet. I mange grunnstoffer er ikke alle elektronene i det ytterste elektronnivået uparrede.
For eksempel har oksygen- og svovelatomer seks elektroner på det ytre nivået, men bare to av dem er uparrede:
16S ↓ |
||||||||||||||
Men i svovelatomet på det ytre elektroniske nivået er det fortsatt tomme 3d-orbitaler, som elektroner fra 3s- og 3p-orbitalene kan bevege seg til, som et resultat har svovelatomet seks uparrede elektroner:
16S ↓ |
||||||||||||||
Derfor er den maksimale valensen av svovel seks, det vil si at den faller sammen med antall elektroner i det ytre elektroniske nivået. I oksygenatomet på det andre nivået er det ingen d-orbitaler, så det er ingen mulighet for sammenkobling av elektroner, og valensen til oksygen kan ikke være mer enn to, det vil si ikke lik antall elektroner på det ytre nivået .
Spørsmål nr. 11
Hvorfor kan ikke den maksimale valensen til elementer i den andre perioden overstige tallet 4?
Atomer av elementer fra den andre perioden kan ikke ha mer enn 4 uparrede elektroner, siden det andre elektroniske nivået har en s-orbital og tre p-orbitaler. Valens er lik antall uparrede elektroner, derfor kan valensen til elementer i den andre perioden ikke være mer enn 4.
Spørsmål nr. 12
Lag elektroniske kretser som viser valensen av nitrogen i salpetersyre og valensen av karbon og oksygen i karbonmonoksid (II).
a) Karbonmonoksidmolekyl. Strukturen til de elektroniske skallene av karbon- og oksygenatomer:
I et karbonmonoksidmolekyl dannes to bindinger av to uparrede elektroner i karbonatomet og to uparrede elektroner i oksygenatomet. Oksygenatomet har et annet elektronpar i 2p-orbitalen, og karbonatomet har en fri 2p-orbital. Et elektronpar går fra et oksygenatom til et karbonatom, og danner en donor-akseptorbinding. Den elektroniske formelen for karbonmonoksid (II) kan avbildes som følger:
(pilen indikerer donor-akseptor-bindingen).
b) Salpetersyremolekyl. Elektroniske diagrammer over hydrogen-, oksygen- og nitrogenatomer:
Et hydrogenatom danner en binding med et oksygenatom gjennom et enkelt elektron. Det andre elektronet i oksygenatomet deltar i dannelsen av en binding med nitrogenatomet:
Nitrogenatomet har to uparrede elektroner igjen og danner to bindinger med det andre oksygenatomet:
H O N O
U nitrogenatom har fortsatt et elektronpar igjen på seg 2s orbitaler.
I På det tredje oksygenatomet oppstår sammenkobling av elektroner og en fri orbital dannes:
Et par elektroner fra nitrogenatomet passerer til oksygenatomets ledige orbital og en donor-akseptorbinding dannes:
Spørsmål nr. 13
Hvorfor moderne ideer Er begrepet valens ikke anvendelig for ioniske forbindelser?
Valens er lik antall bindinger dannet av et atom og avhenger av antall elektroner i det ytre elektroniske nivået. Ioniske forbindelser består av positivt og negativt ladede ioner som holdes sammen av elektriske tiltrekningskrefter. I ioniske forbindelser avhenger antall bindinger mellom ioner
avhengig av strukturen til krystallgitteret, kan være forskjellig og er ikke relatert til antall elektroner i det eksterne elektroniske nivået.
Spørsmål nr. 14
Hvilke mønstre observeres i endringen i atomradius i perioder fra venstre til høyre og under overgangen fra en periode til en annen?
I perioder avtar atomradiene fra venstre til høyre. Dette skyldes det faktum at ladningen til kjernen øker og elektroner tiltrekkes sterkere til kjernen, elektronskallet ser ut til å være komprimert. I grupper øker radiene til atomene fra topp til bunn ettersom antallet elektronskall øker.
Spørsmål nr. 15
Husk formuleringen av den periodiske loven gitt av D.I. Mendeleev, og den moderne formuleringen av denne loven. Ved hjelp av spesifikke eksempler, bekreft at ikke bare egenskapene til kjemiske elementer endres med jevne mellomrom, men også formene og egenskapene til deres forbindelser.
Formuleringen av den periodiske loven gitt av D.I. Mendeleev, sa: egenskapene til kjemiske elementer er periodisk avhengig av atommassene til disse elementene. Den moderne formuleringen sier: egenskapene til kjemiske elementer er periodisk avhengig av ladningen til kjernen til disse elementene. Egenskapene til forbindelser av kjemiske elementer endres også med jevne mellomrom. For eksempel oksider av alle metaller hovedundergruppe Gruppe I (Li2 O, Na2 O, K2 O, Rb2 O, Cs2 O) viser grunnleggende egenskaper, og oksidene til alle elementene i hovedundergruppen til gruppe IV (CO2, SiO2, GeO2 SnO2, PbO2) viser sure egenskaper.
ν(SO2) =
M(SO2)
Fordi reaksjonen produserer SO2 og H2 O, da kan utgangsstoffet bare inneholde S, H og O. Da kan utgangsstoffet skjematisk representeres med formelen Sx НОz. Deretter vil reaksjonsligningen bli skrevet
x+y |
|||||||||
0,02 mol vann inneholder 0,02 2 = 0,04 mol hydrogenatomer. 0,02 mol svoveloksid inneholder 0,02 mol hydrogenatomer. La oss beregne massen av hydrogen og svovel i stoffet:
m(H) = n(H) M(H) = 0,04 mol 1 g/mol = 0,04 g.
m(S) = n(S) M(S) = 0,02 mol 32 g/mol = 0,64 g.
Massen av svovel og hydrogen er lik 0,64 + 0,04 = 0,68 g, det vil si lik massen til stoffet, noe som betyr at stoffet ikke inneholder andre grunnstoffer bortsett fra svovel og hydrogen. For 0,04 mol hydrogen er det 0,02 mol svovel, det vil si at for 2 hydrogenatomer er det 1 svovelatom, den enkleste formelen for stoffet H2S er hydrogensulfid.
Svar: hydrogensulfid H2S.
Oppgave nr. 2
20 g hydrogensulfid ble ført gjennom en løsning inneholdende 10 g natriumhydroksid. Hvilket salt ble dannet i dette tilfellet? Bestem dens masse og mengde.
Dannelsen av to salter er mulig - natriumsulfid i henhold til ligning (1) og natriumhydrosulfid ifølge ligning (2).
2NaOH + H2S = Na2S + 2H2O |
|
NaOH + H38 = NaHS + H2O |
La oss beregne de molare massene av natriumhydroksid og hydrogensulfid:
M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 g/mol
M(H2S) = 12 + 32 = 34 g/mol
La oss beregne mengden natriumhydroksid og hydrogensulfid:
ν (NaOH) = |
|||||||
ν (H2S) = |
m(H2S) |
||||||
M(H2S) |
|||||||
I følge ligning (2) reagerer 1 mol natriumhydroksid med 1 mol hydrogensulfid, noe som betyr at for å reagere med 0,59 mol hydrogensulfid trengs 0,59 mol natriumhydroksid, men i henhold til betingelsen ble det kun 0,25 mol. tatt. Følgelig tas hydrogensulfid i overskudd, og natriumhydrosulfid dannes ved bruk av natriumhydroksid. Fra 1 mol natriumhydroksyd, ifølge ligningen, dannes 1 mol natriumhydrosulfid, derfor oppnås fra 0,25 mol natriumhydroksyd 0,25 mol natriumhydrosulfid.
La oss beregne den molare massen av natriumhydrosulfid:
M(NaHS) = 23 + 1 + 32 = 56 g/mol
La oss beregne massen av natriumhydrosulfid:
m(NaHS) = ν (NaHS) M(NaHS) = 0,25 mol 56 g/mol = 14 g.
Svar: du får 0,25 mol (14 g) natriumhydrosulfid.
Oppgave nr. 3
Hvor mye aluminiumoksid i gram kan fås fra 100 g aluminiumklorid krystallinsk hydrat AlCl3 6H2 O?
