PDF Ca chimist rus Dimitrij Ivanovich - Descărcare gratuită PDF

Scurta descriere

1 FIZICĂ NUCLEARĂ Un loc pentru greutăți mari Aveți grijă la elementele super-grele cu proprietățile lor chimice .

Descriere

Un loc pentru greutăți Elementele supraîncărcate cu proprietățile lor chimice se încadrează în locurile rezervate pentru acestea în tabelul periodic? Matthias Skull și Andreas Türler

La fel ca alchimiștii moderni, cercetătorii au adăugat în mod repetat elemente noi în tabelul periodic în ultimele decenii. Deși experimentele conțin întotdeauna cel mult un singur atom al elementului supraîncărcat care se descompune în câteva secunde, a fost posibil să se creeze și să se investigheze compuși chimici.

Ba La * Hf 57 72 Ra Ac + Rf

Transactinide = elemente super-grele Th

- De obicei, decăderea α cu o energie α caracteristică sau fisiunea spontană mai nespecifică. În ultimii 50 de ani, tabelul periodic a crescut în mod repetat, în principal prin metode de fizică nucleară [3]. Astăzi include toate elementele de la hidrogen la elementul 118, cu excepția elementului 117 [4] (Fig. 1). În proceduri îndelungate, Uniunea Internațională de Fizică Pură și Aplicată (IUPAP) și Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) au recunoscut oficial doar elemente până la un număr atomic de 112, așa cum a fost descoperit. Așa-numitul Transactiniden urmează Lawrencium (Lr, Z = 103). Începând cu elementul 104, ruterfordiu (Rf), acestea sunt Dubnium (Db), Seabor-

Fig. 1 Tabelul periodic al elementelor cu elementele super-grele.

1) Seaborg a introdus conceptul de actinide (în germană: Actinoiden sau Actiniden) în tabelul periodic.

De la ruterfordiu cu numărul ordinal 104 se poate vorbi de elemente super-grele. Experimentele cu transactinide arată că comportamentul chimic poate diferi mult de ceea ce ar da o simplă extrapolare într-un grup al tabelului periodic. Deoarece efectele relativiste cresc odată cu pătratul numărului atomic, ele joacă un rol deosebit de pronunțat cu elementele super-grele. În mod uimitor, este chiar posibil să se facă predicții cu privire la proprietățile macroscopice ale HsO4 fără ca un chimist să aibă vreodată cantități predictibile ale acestei substanțe în laborator.

Jurnalul Physik 8 (2009) nr. 6

Dr. Matthias Skull, Nuclear Chemistry, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research GmbH, Planckstr. 1, 64291 Darmstadt; Prof. Dr. Andreas Türler, Institutul de Radiochimie, Universitatea Tehnică din München, WaltherMeissner-Str. 3, 85748 Garching

PREZENTARE GENERALĂ 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 Fig. 2 Harta nuclidelor transactinidelor (Z ≥ 104), a reprezentat pe verticală numărul atomic și orizontal numărul neutronilor. În analogie cu harta nuclidului Karlsruhe [5], galbenul reprezintă decăderea α (emisia unui nucleu He), portocaliu pentru captarea electronilor și verde pentru fisiunea spontană. Liniile roșii indică păstăi. Intensitatea culorii albastre indică puterea stabilizării cojii, numerele indică timpul de înjumătățire.

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 27s 22 min 73min 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), Hassium (Hs), Meitnerium (Mt), Darmstadtium (Ds) și Roentgenium (Rg). Toți izotopii acestor elemente sunt radioactivi și se descompun după un timp foarte scurt (Fig. 2). Dar care dintre aceste elemente merită predicatul super greu? Răspunsul la această întrebare s-a schimbat în timp. Deoarece închiderea cochiliei cu „numere magice” de protoni și neutroni stabilizează suplimentar nucleul, calculele modelului cochiliei au fost efectuate încă din anii 1960. În zona din jurul elementului 114, au prezis o insulă de stabilitate cu elemente supraîncărcate, care era departe în acel moment și care ar trebui să fie înconjurată de o mare adâncă de instabilitate nucleară.

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

În martie 1984 Gottfried Munzenberg și colegii de la Society for Heavy Ion Research din Darmstadt au descoperit elementul 108. A devenit din ce în ce mai clar că insula solitară nu există, dar că bancurile de nisip și recifele plate formează o punte spre această insulă. Astăzi știm că, pe lângă o insulă cu stabilitate relativă în jurul valorii de Z = 114 (posibil și Z = 120 sau 126) și N = 184, care formează nuclee sferice stabilizate în înveliș, există o altă regiune a nucleelor deformate stabilizate în înveliș, al căror centru este Z = 108 și 2 70 N = 162 pentru nucleul magic dublu 10 8 Hs162. Vom întâlni din nou acest nuclid atunci când luăm în considerare proprietățile chimice. Cu cunoștințele de astăzi, nu există o limită clară

Sinteza elementelor super-grele Pentru a contopi proiectilul și nucleul țintă într-un nou nucleu greu într-o reacție de fuziune, acestea trebuie să se apropie atât de mult încât forțele respingătoare Coulomb ale nucleelor încărcate pozitiv sunt depășite și forțele nucleare atractive devin eficiente. Un nucleu compus din toți nucleonii proiectilului și țintei este creat de o viteză de coliziune adecvată. Cu toate acestea, și alți factori joacă un rol important. Datorită schimbării condițiilor de legătură în nucleul compus în comparație cu nucleele de pornire, se eliberează o energie „internă” în cea mai mare parte pozitivă. Din păcate, această energie de excitație nedorită, care depinde de partenerii de reacție selectați, nu poate fi redusă prin scăderea energiei proiectilului, deoarece reacțiile de fuziune au loc cu greu sub bariera Coulomb. În timpul formării miezului compus 274H din fuziune

Jurnalul Physik 8 (2009) nr. 6

1 × 1017 particule de fascicul pe țintă Fig. I În timpul fuziunii de 26Mg cu 248 Cm, se creează miezul compus excitat 274Hs și după emisia de 26Mg și 248Cm (Fig.) Energia de excitație este de 30 până la 50 MeV și este astfel mult peste valoarea maximă de 7 MeV Barieră de fisură de 270Hs. La răcire, majoritatea miezurilor compuse se pierd din nou imediat prin divizarea în două fragmente (care nu sunt prezentate în figură). În cazuri mult mai rare nucleul își poate folosi energia de excitație treptat

1 atom din cinci neutroni ai miezului rezidual de evaporare 269Hs.

Reduceți de fiecare dată emisia de neutroni cu aproximativ 10 MeV. Cu toate acestea, din moment ce emisia de neutroni concurează cu fisiunea dominantă în fiecare etapă, nucleul rezidual de evaporare dorit al unui element supraîncărcat apare foarte rar dintr-un nucleu compus. Probabilitatea de a forma 269Hs din 274Hs este de aproximativ 10-9.

Greutate în apă Datorită poziției sale în grupa 6 a tabelului periodic, seaborgium ar trebui să se comporte ca elementele mai ușoare (omologi) Cr, Mo și W dispuse deasupra acestuia. B. formează oxihalide.

Fig. 3 Partea centrală a aparatului ARCA este blocul alb cu două magazii proeminente, fiecare conținând 20 de coloane cromatografice. Supapele acționate pneumatic (cilindrii roșii) controlează direcția de curgere a soluțiilor. Fracțiile dorite sunt pulverizate pe discuri rotunde Ta și evaporate cu He fierbinte din duza în formă de inel și o lampă IR, astfel încât să se creeze o pregătire de măsurare uscată pentru α-spectroscopie.

Cromatografia permite verificarea acestui lucru. În acest scop, la acceleratorul UNILAC al GSI, atomii individuali de 265Sg cu un timp de înjumătățire de 16 s au fost generați mai întâi prin iradierea unei ținte de 248Cm cu 22Ne. Se opresc într-o cameră mică, umplută cu gaz și se atașează la clustere KCl care zboară cu gazul și le transportă la instrumentul ARCA (Aparat automatizat pentru chimie rapidă) [1, 2] (Fig. 3). Acolo, un amestec de acid azotic-acid fluorhidric dizolvă grupurile după un timp scurt de colectare. Soluția este pompată printr-o coloană cromatografică foarte mică, care este umplută cu un schimbător de cationi. Testele preliminare au arătat că coloana „spală” (eluată) aproape complet și exclusiv ioni hexavalenți Mo și W în decurs de zece secunde, păstrând în același timp toate celelalte specii. Prin urmare, în experimentul Sg, o probă pentru spectroscopia α a fost preparată din fracția eluată la fiecare zece secunde. Cu 3900 de separări ciclice, identice la fiecare 45 s, a fost posibil să se observe trei lanțuri de descompunere α-α ale fiicelor 265Sg 261Rf și 257 No. Apariția lui Sg în eșantion arată analogia cu Mo și W, adică H. Sg se comportă ca unul tipic

Jurnalul Physik 8 (2009) nr. 6

Detector format din diode PIN 2 × 36

Fig. 4 Pentru analiza chimică a HsO4, un amestec de heliu și oxigen din cameră oprește produsele de fuziune și le transportă printr-un capilar de cuarț încălzit pentru a completa oxidarea și pentru a reține produsele nevolatile și particulele de aerosoli. HsO4 ajunge la

Detector care separă și separă compușii conținuți în gaz în funcție de volatilitatea lor. Detectoarele de siliciu (diode PIN) înregistrează dezintegrarea radioactivă a nucleilor separați. Timpul dintre sinteză și sosirea la detector este de doar câteva secunde.

Un compus volatil Similar cu elementul omolog mai ușor din grupa 8, osmiu, hassiu ar trebui să se convertească cu ușurință cu oxigen pentru a forma compusul foarte volatil HsO4. OsO4 este un compus foarte toxic care miroase a ozon sau ridiche (grecesc osme: miros), se topește la numai 40 ° C și fierbe la 130 ° C. Acesta este un ideal 38

Jurnalul Physik 8 (2009) nr. 6

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

Fig. 5 În această termocromatogramă, semnalul pentru HsO4 (albastru închis) constă dintr-un total de doar șapte, cel pentru OsO4 (albastru deschis) de aproximativ 100.000 de evenimente. Clar vizibil

sunt diferitele volatilități ale HsO4 și OsO4. Forma zonelor de separare poate fi descrisă foarte bine folosind un model Monte Carlo (curbe roșii și negre).

Fig. 6 Izotopii de Hassium cunoscuți cu timpul lor de înjumătățire în s, energiile α-dezintegrare în MeV și nucleidele fiice. Timpii de înjumătățire plasmatică ai nuclizilor Hs nu sunt măsurați, ci estimați din energia decăderii α.

2) Această proprietate a mercurului a fost utilizată pentru extragerea aurului din Au în minerit.

R E L AT I V I S T I S C H E E F F E K T E Efectele relativiste puternice în chimia elementelor supraîncărcate, care cresc odată cu pătratul numărului atomic dintr-un grup al tabelului periodic, se bazează pe viteza mare a electronilor (aproximativ 60-80% din viteza luminii) în vecinătatea acestor nuclei atomici. În primul pas, acest lucru duce la o creștere relativistă puternică a masei electronilor s sferici și p1/s, ale căror niveluri de energie scad brusc și razele lor se contractă (efect relativistic „direct”). Acest lucru se aplică și orbitalilor externi de electroni „activi” din punct de vedere chimic. Deci z. B. orbitalul electronului 7 din elementul 105 este contractat relativist cu 25% și stabilizat energetic. Acest efect face ca sarcina nucleară să scadă-

ecranate, iar orbitalele d și f de pe cochiliile exterioare sunt destabilizate și se extind (efect relativist „indirect”). Al treilea efect relativist este cuplarea spin-orbită și împărțirea nivelurilor cu l> 0 (p, d, f etc. electroni) în stări cu j = l ± ½. Fiecare dintre aceste trei efecte este de același ordin de mărime. Împreună fac ca poziția relativă a nivelurilor de energie și expansiunea spațială a acestora într-un grup al tabelului periodic să se schimbe atât de mult încât proprietățile chimice să se poată schimba, de asemenea, în mod vizibil. Dar este, de asemenea, posibil ca alte efecte, de ex. B. efecte de coajă, astfel încât acestea să fie compensate și rezultă de fapt proprietăți surprinzător de similare.

Jurnalul Physik 8 (2009) nr. 6

PREZENTARE GENERALĂ de la începutul modelului relativist, calculele atomilor că elementul 112 ar putea fi aproape la fel de inert și la fel de volatil ca un gaz nobil nu pare a fi adevărat [15]. Cu toate acestea, cele mai moderne calcule relativiste privind interacțiunea elementului 112 cu Au sunt de acord cu experimentul [16].

Jurnalul Physik 8 (2009) nr. 6

AUTORII Matthias Skull a studiat chimia la Giessen și Mainz și și-a luat doctoratul la Mainz în 1979. Din 1985 a condus Grupul de lucru pentru chimia nucleară, al cărui membru este membru din 1976. Pe lângă perioadele postdoc la Laboratorul Național Lawrence Livermore și Lawrence Berkeley, el a efectuat un număr mare de experimente de chimie nucleară în întreaga lume și a condus o serie de mari colaborări internaționale la GSI. Principalele sale interese de cercetare sunt optimizarea sintezei și separării elementelor super-grele, în special cu aparate chimice automatizate. Andreas Türler a studiat la Universitatea din Berna și și-a luat doctoratul în 1989. După un post-doctorat de trei ani la Lawrence Berkeley National Laboratory (cu D. Hoffman și G. T. Seaborg), a trecut la Institutul elvețian Paul Scherrer (PSI) ca asistent de cercetare. După ce și-a finalizat abilitarea la Berna, a acceptat în 2001 catedra de radiochimie de la Universitatea Tehnică din München, unde era A. angajat în sinteza de noi radionuclizi pentru aplicații de medicină nucleară.