PDF Mint Dimitrij Ivanovich orosz vegyész - Ingyenes letöltés PDF
Rövid leírás
1 NUKLEÁRIS FIZIKA Nehézsúlyúak számára vigyázni kell a szuper nehéz elemekre, kémiai tulajdonságaikkal .
Leírás
A nehézsúlyúak helye A kémiai tulajdonságokkal rendelkező túlsúlyos elemek megfelelnek-e a periódusos rendszer számára fenntartott helyeknek? Matthias Skull és Andreas Türler
A modern alkimistákhoz hasonlóan a kutatók az elmúlt évtizedekben többször is új elemeket adtak a periódusos rendszerbe. Bár a kísérletek mindig a szupernehéz elem egyetlen atomját tartalmazzák, amely másodpercek alatt elbomlik, lehetséges volt kémiai vegyületek létrehozása és vizsgálata.
Ba La * Hf 57 72 Ra Ac + Rf
Tranzaktinidek = szuper nehéz elemek Th
- általában α-bomlás jellegzetes α-energiával vagy nem specifikusabb spontán hasadással. Az elmúlt 50 év során a periódusos rendszer többször nőtt, főleg atomfizikai módszerekkel [3]. Ma a hidrogéntől a 118 elemig minden elemet tartalmaz, a 117. elem kivételével [4] (1. ábra). Hosszas eljárások során a Tiszta és Alkalmazott Fizika Nemzetközi Szakszervezete (IUPAP) és a Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Uniója (IUPAC) csak hivatalosan elismert elemeket fedezett fel a 112-es atomszámig. Az úgynevezett Transactiniden a Lawrenciumot követi (Lr, Z = 103). A 104. elemtől kezdve a rutherfordium (Rf) ezek Dubnium (Db), Seabor-
1. ábra Az elemek periódusos táblázata a szuper nehéz elemekkel.
1) Seaborg bevezette az aktinidák (németül: Actinoiden vagy Actiniden) fogalmát a periódusos rendszerbe.
A 104-es sorszámmal rendelkező rutherfordiumtól kezdve szuper-nehéz elemekről beszélhetünk. A transzaktinidekkel végzett kísérletek azt mutatják, hogy a kémiai viselkedés nagyban eltérhet attól, amit a periódusos rendszer egy csoportján belüli egyszerű extrapoláció adna. Mivel a relativisztikus hatások az atomszám négyzetével együtt nőnek, a szupernehéz elemekkel különösen hangsúlyos szerepet játszanak. Bámulatos, hogy még jóslatok is meghozhatók a HsO4 makroszkopikus tulajdonságairól anélkül, hogy egy vegyésznek bármikor kiszámítható mennyiségű anyag lenne a laboratóriumban.
Physik Journal 8 (2009) 6. sz
Dr. Matthias Skull, nukleáris kémia, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research GmbH, Planckstr. 1, 64291 Darmstadt; Prof. Dr. Andreas Türler, a Müncheni Műszaki Egyetem Radiokémiai Intézete, WaltherMeissner-Str. 3, 85748 Garching
ÁTTEKINTÉS 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 2. ábra A transzaktinidek nuklid térképe (Z ≥ 104), függőlegesen ábrázolja az atomszámot és vízszintesen a neutronszámot. A karlsruhei nuklidtérkép [5] analógiájával a sárga az α-bomlást (He-mag emisszióját) jelenti, narancssárga az elektron befogását és zöld a spontán hasadást. A piros vonalak jelzik a hüvelyeket. A kék szín intenzitása a héj stabilizációjának erősségét, a számok a felezési időt jelzik.
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 perc 1,9 perc 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 perc 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) és Roentgenium (Rg). Ezen elemek összes izotópja radioaktív és nagyon rövid idő múlva bomlik (2. ábra). De ezek közül melyik érdemli meg a szuper nehéz állítmányt? A kérdésre adott válasz az idők során megváltozott. Mivel a protonok és a neutronok „mágikus számával” ellátott héjzárások stabilizálják a magot, a héj modellszámításait már az 1960-as években elvégezték. A 114. elem körüli területen egy túlsúlyos elemekkel rendelkező stabilitási szigetet jósoltak, amely akkoriban még messze volt, és amelyet a nukleáris instabilitás mélytengere vett körül.
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
1984 márciusában Gottfried Munzenberg és a darmstadti Nehézionkutató Társaság munkatársai felfedezték a 108. elemet. Egyre világosabbá vált, hogy a magányos sziget nem létezik, de a lapos homokpartok és zátonyok hidat képeznek erre a szigetre. Ma már tudjuk, hogy a Z = 114 (esetleg Z = 120 vagy 126) és az N = 184 körüli relatív stabilitás szigete mellett, amelyek héjstabilizált gömbmagokat alkotnak, van egy másik héjstabilizált deformált sejtmag-régió, amelynek középpontja Z = 108 és 2 70 N = 162 a kettős mágikus maghoz, 8 8 Hs162. A kémiai tulajdonságok figyelembevételével még egyszer találkozunk ezzel a nukliddal. Mai ismereteink szerint nincs egyértelmű határ
A SZUPER NAGY ELEMEK SZINTÉZISE Annak érdekében, hogy a lövedéket és a célmagot egy fúziós reakció során egy új, nehéz maggá olvasztják össze, olyan közel kell lenniük egymáshoz, hogy a pozitív töltésű magok visszataszító Coulomb-erői legyőzhetőek legyenek, és a vonzó atomerők hatékonyakká váljanak. A lövedék és a cél összes nukleonjának összetett magját megfelelő ütközési sebesség hozza létre. Ugyanakkor más tényezők is fontos szerepet játszanak. Az összetett mag kötési viszonyainak a kiindulási magokhoz viszonyított változása miatt többnyire pozitív „belső” energia szabadul fel. Sajnos ezt a nem kívánt gerjesztési energiát, amely a kiválasztott reakciópartnerektől függ, nem lehet csökkenteni a lövedék energia csökkentésével, mivel a fúziós reakciók alig mennek végbe a Coulomb-gát alatt. A vegyület magjának a fúzióból történő 274H képződése során
Physik Journal 8 (2009) 6. sz
1 × 1017 nyalagrészecske a célon I. ábra Repedésgátló 270Hs. Lehűléskor az összetett magok nagy része ezért azonnal elvész, két részre osztva (az ábrán nem látható). Sokkal ritkább esetekben a mag fokozatosan tudja felhasználni gerjesztési energiáját
A bepárlási maradék mag 269Hs öt neutronjának 1 atomja.
Csökkentse a neutronkibocsátást kb. 10 MeV-vel. Mivel azonban a neutronemisszió minden lépésben verseng a domináns hasadással, a szupernehéz elem kívánt párolgási maradékmagja csak nagyon ritkán jelenik meg egy vegyületmagból. A valószínűsége, hogy a 274H-ból 269H képződik, körülbelül 10–9.
Nehézsúly a vízben A periódusos rendszer 6. csoportjában elfoglalt helyzete miatt a seaborgiumnak úgy kell viselkednie, mint a felette elrendezett könnyebb elemek (homológok) Cr, Mo és W. B. oxihalidokat képeznek. A
3. ábra Az ARCA készülék központi része a fehér tömb két kiálló tárral, amelyek mindegyike 20 kromatográfiás oszlopot tartalmaz. Pneumatikusan működtetett szelepek (piros hengerek) vezérlik az oldatok áramlási irányát. A kívánt frakciókat kör alakú Ta korongokra permetezzük, és forró He-vel elpárologtatjuk a gyűrű alakú fúvókáról és egy IR lámpáról, így száraz mérési készítmény jön létre az α-spektroszkópiához.
A kromatográfia lehetővé teszi ennek ellenőrzését. Erre a célra a GSI UNILAC gyorsítóján először olyan 265Sg atomokat hoztak létre, amelyek felezési ideje 16 másodperc volt, amikor egy 248 cm-es célt 22Ne-vel besugárztak. Megállnak egy kis, gázzal töltött kamrában, és a KCl-klaszterekhez kapcsolódnak, amelyek a gázzal együtt repülnek, és az ARCA (Automated Rapid Chemistry Apparatus) műszerhez szállítják [1, 2] (3. ábra). A salétromsav-hidrogén-fluorid-keverék rövid gyűjtési idő után feloldja a klasztereket. Az oldatot egy nagyon kromatográfiás oszlopon szivattyúzzuk át, amelyet kationcserélővel töltünk meg. Az előzetes tesztek azt mutatták, hogy az oszlop szinte teljesen kimossa (eluálódik) és kizárólag hat vegyértékű Mo és W ionokat tíz másodpercen belül, megtartva az összes többi fajt. Ezért az Sg kísérletben az eluált frakcióból tíz másodpercenként mintát készítettünk az a-spektroszkópia céljából. 4500 másodpercenként 3900 ciklikus, azonos elválasztással meg lehetett figyelni a 265Sg 261Rf és 257 No. lányok három α-α bomlási láncát. Sg megjelenése a mintában a Mo és W analógiáját mutatja, azaz H. Vki tipikusan viselkedik
Physik Journal 8 (2009) 6. sz
2 × 36 PIN diódákból álló detektor
4. ábra A HsO4 kémiai elemzéséhez a hélium és az oxigén keveréke a kamrában megállítja a fúziós termékeket, és egy fűtött kvarckapillárison keresztül szállítja őket az oxidáció befejezéséhez, valamint az illékony termékek és az aeroszol részecskék visszatartásához. A HsO4 eléri a
Detektor, amely szétválasztja és szétválasztja a gázban lévő vegyületeket illékonyságuk szerint. A szilícium detektorok (PIN diódák) regisztrálják az elválasztott nuklidok radioaktív bomlását. A szintézis és a detektorba érkezés közötti idő csak néhány másodperc.
Illékony vegyület A 8. csoport könnyebb homológ eleméhez, az ozmiumhoz, a hassiumnak oxigénnel könnyen átalakulva a nagyon illékony HsO4 vegyületet kell képeznie. Az OsO4 nagyon mérgező vegyület, amely ózon vagy retek (görög osme: szag) szagú, csak 40 ° C-on olvad és 130 ° C-on forr. Ez ideális 38
Physik Journal 8 (2009) 6. sz
4–6 7–9 10–12 13–15 16–18 19–21 22–24 25–27 28–30 31–33 34–36 Detektorszám
5. ábra Ebben a termokromatogramban a HsO4 (sötétkék) jele összesen csak hétből áll, az OsO4 (világoskék) jele pedig körülbelül 100 000 eseményből áll. Tisztán látható
a HsO4 és az OsO4 különböző volatilitása. A szétválasztási zónák alakja nagyon jól leírható Monte Carlo modell segítségével (piros és fekete görbék).
6. ábra Az ismert Hassium-izotópok felezési ideje s-ben, α-bomlási energiák MeV-ban és leánynuklidjai. A Hs nuklidok felezési idejét nem mérjük, hanem az α-bomlási energiából becsüljük.
2) A higanynak ezt a tulajdonságát használták fel arany kitermelésére Au-ból a bányászatban.
R E L AT I V I S T I S C H E E F F E K T E Az erős relativisztikus hatások a túlsúlyos elemek kémiájában, amelyek a periódusos rendszer egy csoportján belül az atom szám négyzetével nőnek, az elektronok nagy sebességén (a fénysebesség körülbelül 60-80% -án) alapulnak ezen atomok közelében. Első lépésben ez erős relativisztikus növekedéshez vezet a gömb alakú s és p1/s elektronok tömegében, amelyek energiaszintje hirtelen csökken és sugaraik összehúzódnak („közvetlen” relativisztikus hatás). Ez vonatkozik a kémiailag „aktív” külső elektronpályákra is. Tehát z. B. a 105-ös elem 7-es elektronpályája relativisztikusan 25% -kal összehúzódik és energetikailag stabilizálódik. Ez a hatás csökkenti a nukleáris töltést-
árnyékolt, és a külső héjakon található d és f pályák destabilizálódnak és tágulnak („közvetett” relativisztikus hatás). A harmadik relativisztikus hatás a spin-pálya kapcsolása és az l> 0 (p, d, f stb. Elektronokkal) szintek felosztása j = l ± ½ állapotokra. E három hatás mindegyike azonos nagyságrendű. Ezek együttesen az energiaszintek relatív helyzetét és térbeli tágulását a periódusos rendszer egy csoportján belül annyira megváltoztatják, hogy a kémiai tulajdonságok is észrevehetően megváltozhatnak. De az is lehet, hogy más hatások, pl. B. héjhatások, így kompenzálódnak, és valójában meglepően hasonló tulajdonságokat eredményeznek.
Physik Journal 8 (2009) 6. sz
Áttekintés az atomok relativisztikus modellszámításának kezdetétől, hogy a 112-es elem valószínűleg majdnem olyan inert és hasonlóan illékony lehet, mint egy nemesgáz, nem tűnik igaznak [15]. A 112-es elem Au-val való kölcsönhatására vonatkozó legmodernebb relativisztikus számítások azonban jól egyetértenek a kísérlettel [16].
Physik Journal 8 (2009) 6. sz
A SZERZŐK Matthias Skull kémiai tanulmányokat folytatott Giessenben és Mainzban, majd 1979-ben kapott doktori címet Mainzban. 1985 óta vezeti a nukleáris kémia munkacsoportot, amelynek 1976 óta tagja. A Lawrence Livermore és a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium posztdoktori időszakai mellett világszerte számos nukleáris kémiai kísérletet hajtott végre, és számos nagy nemzetközi együttműködést vezetett a GSI-nél. Fő kutatási területe a szuper-nehéz elemek szintézisének és elválasztásának optimalizálása, különösen automatizált kémiai készülékekkel. Andreas Türler a Berni Egyetemen tanult, és 1989-ben doktorált. A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumban (D. Hoffman és G. T. Seaborg mellett) hároméves posztdoktor után kutatási asszisztensként a svájci Paul Scherrer Intézetbe (PSI) került. Bernben végzett habilitációja után 2001-ben felvette a müncheni Műszaki Egyetem radiokémiai tanszékét, ahol új radionuklidok szintézisével foglalkozik nukleáris gyógyászati alkalmazásokhoz.