Знакомство с самыми тяжелыми элементами - Introduction to the heaviest elements

Это краткое введение к статьям по отдельным элементам. Для более длинного и подробного введения см. Сверхтяжелый элемент # Введение.
Смотрите также: Сверхтяжелый элемент § Введение
Графическое изображение реакции ядерного синтеза
Графическое изображение термоядерная реакция реакция. Два ядра сливаются в одно, испуская нейтрон. Реакции, в результате которых к этому моменту были созданы новые элементы, были похожими, с той единственной возможной разницей, что иногда выделялось несколько единичных нейтронов или ни одного.
Внешнее видео
значок видео Визуализация неудачного ядерного синтеза, на основе расчетов Австралийский национальный университет[1]

Наитяжелейший[а] атомные ядра создаются в ядерных реакциях, которые объединяют два других ядра неравного размера[b] в один; грубо говоря, чем более неравны два ядра по массе, тем больше вероятность их реакции.[7] Материал, состоящий из более тяжелых ядер, превращается в мишень, которую затем бомбардирует луч более легких ядер. Два ядра могут только предохранитель в одно, если они достаточно близко подходят друг к другу; обычно ядра (все положительно заряженные) отталкиваются друг от друга из-за электростатическое отталкивание. В сильное взаимодействие может преодолеть это отталкивание, но только на очень коротком расстоянии от ядра; ядра пучка, таким образом, сильно ускоренный чтобы такое отталкивание было незначительным по сравнению со скоростью ядра пучка.[8] Одного сближения недостаточно для слияния двух ядер: когда два ядра сближаются, они обычно остаются вместе примерно на 10−20 секунды, а затем расходятся (не обязательно в том же составе, что и до реакции), а не образуют единое ядро.[8][9] Если слияние все же произойдет, временное слияние, называемое составное ядро -является возбужденное состояние. Чтобы потерять энергию возбуждения и перейти в более стабильное состояние, составное ядро ​​либо деления или же выбрасывает один или несколько нейтроны,[c] которые уносят энергию. Это происходит примерно через 10−16 секунды после первого столкновения.[10][d]

Луч проходит через цель и достигает следующей камеры - сепаратора; если новое ядро ​​произведено, оно переносится этим лучом.[13] В сепараторе вновь образованное ядро ​​отделяется от других нуклидов (ядра исходного пучка и любых других продуктов реакции).[e] и переведен в детектор поверхностного барьера, который останавливает ядро. Отмечается точное место предстоящего удара о детектор; также отмечена его энергия и время прибытия.[13] Перевод занимает около 10−6 секунды; Чтобы ядро ​​было обнаружено, оно должно выжить так долго.[16] Ядро регистрируется снова после регистрации его распада и определения местоположения. энергия, и время затухания.[13]

Устойчивость ядра обеспечивается сильным взаимодействием. Однако его диапазон очень мал; по мере того, как ядра становятся больше, его влияние на самые удаленные нуклоны (протоны и нейтронов) ослабевает. В то же время ядро ​​разрывается электростатическим отталкиванием между протонами, так как оно имеет неограниченный радиус действия.[17] Таким образом, теоретически предсказываются ядра самых тяжелых элементов.[18] и до сих пор наблюдались[19] в основном распадаться через моды распада, которые вызваны таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление;[f] эти моды преобладают для ядер сверхтяжелые элементы. Альфа-распады регистрируются испускаемыми альфа-частицы, а продукты распада легко определить до фактического распада; если в результате такого распада или серии последовательных распадов образуется известное ядро, исходный продукт реакции можно определить арифметически.[грамм] Самопроизвольное деление, однако, производит различные ядра в качестве продуктов, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним элементам.[час]

Таким образом, информация, доступная физикам, стремящимся синтезировать один из самых тяжелых элементов, - это информация, собираемая детекторами: местоположение, энергия и время прибытия частицы к детектору, а также данные о ее распаде. Физики анализируют эти данные и пытаются сделать вывод, что это действительно было вызвано новым элементом и не могло быть вызвано другим нуклидом, чем заявленный. Часто предоставленных данных недостаточно для вывода о том, что новый элемент определенно был создан, и нет другого объяснения наблюдаемых эффектов; были допущены ошибки в интерпретации данных.[я]

Примечания

  1. ^ В ядерная физика, элемент называется тяжелый если его атомный номер высокий; вести (элемент 82) - один из примеров такого тяжелого элемента. Термин «сверхтяжелые элементы» обычно относится к элементам с атомным номером больше, чем 103 (хотя есть и другие определения, например, атомный номер больше 100[2] или же 112;[3] иногда термин представлен как эквивалент термина «трансактинид», который ставит верхний предел перед началом гипотетического суперактинид серии).[4] Термины «тяжелые изотопы» (данного элемента) и «тяжелые ядра» означают то, что можно понять на обычном языке - изотопы большой массы (для данного элемента) и ядра большой массы соответственно.
  2. ^ В 2009 г. команда ОИЯИ под руководством Оганесяна опубликовала результаты своей попытки создать хасиум в симметричном 136Xe +136Xe реакция. Они не смогли наблюдать ни одного атома в такой реакции, установив верхний предел поперечного сечения, меру вероятности ядерной реакции, равный 2,5pb.[5] Для сравнения, реакция, которая привела к открытию хассиума, 208Pb + 58Fe, имел поперечное сечение ~ 20 пбн (точнее, 19+19
    −11     пб), по оценке первооткрывателей.[6]
  3. ^ Чем больше энергия возбуждения, тем больше нейтронов выбрасывается. Если энергия возбуждения ниже, чем энергия, связывающая каждый нейтрон с остальной частью ядра, нейтроны не испускаются; вместо этого составное ядро ​​снимает возбуждение, испуская гамма-луч.[10]
  4. ^ Определение Совместная рабочая группа IUPAC / IUPAP заявляет, что химический элемент может быть признан обнаруженным только в том случае, если его ядро ​​не разложившийся в пределах 10−14 секунд. Это значение было выбрано в качестве оценки того, сколько времени требуется ядру, чтобы получить свой внешний вид. электроны и таким образом проявлять свои химические свойства.[11] Эта цифра также обозначает общепринятый верхний предел времени жизни составного ядра.[12]
  5. ^ Это разделение основано на том, что образовавшиеся ядра движутся мимо мишени медленнее, чем непрореагировавшие ядра пучка. Сепаратор содержит электрическое и магнитное поля, влияние которых на движущуюся частицу компенсируется при определенной скорости частицы.[14] Такому разделению также может способствовать времяпролетное измерение и измерение энергии отдачи; комбинация этих двух может позволить оценить массу ядра.[15]
  6. ^ Не все моды распада вызваны электростатическим отталкиванием. Например, бета-распад вызвано слабое взаимодействие.[20]
  7. ^ Поскольку масса ядра не измеряется напрямую, а скорее рассчитывается на основе массы другого ядра, такое измерение называется косвенным. Возможны и прямые измерения, но для наиболее тяжелых ядер они по большей части недоступны.[21] О первом прямом измерении массы сверхтяжелого ядра сообщили в 2018 году на LBNL.[22] Масса определялась по местоположению ядра после переноса (местоположение помогает определить его траекторию, которая связана с отношением массы к заряду ядра, поскольку перенос был произведен в присутствии магнита).[23]
  8. ^ Спонтанное деление открыл советский физик. Георгий Флеров,[24] являлся ведущим ученым ОИЯИ, а значит, был «коньком» для установки.[25] Напротив, ученые LBL полагали, что информации о делении недостаточно для утверждения о синтезе элемента. Они считали, что спонтанное деление недостаточно изучено, чтобы использовать его для идентификации нового элемента, поскольку было трудно установить, что составное ядро ​​испускает только нейтроны, а не заряженные частицы, такие как протоны или альфа-частицы.[12] Таким образом, они предпочли связывать новые изотопы с уже известными последовательными альфа-распадами.[24]
  9. ^ Например, элемент 102 был ошибочно идентифицирован в 1957 году в Нобелевском институте физики в г. Стокгольм, Стокгольм, Швеция.[26] Ранее не было однозначных заявлений о создании этого элемента, и этому элементу было присвоено имя его шведскими, американскими и британскими первооткрывателями. нобелий. Позже выяснилось, что идентификация была неправильной.[27] В следующем году RL не смог воспроизвести шведские результаты и вместо этого объявил о своем синтезе элемента; это утверждение также было позже опровергнуто.[27] ОИЯИ настаивал на том, что они были первыми, кто создал элемент, и предложил собственное имя для нового элемента. иолиотий;[28] советское название также не было принято (позже ОИЯИ назвал элемент 102 «поспешным»).[29] Название «нобелиум» осталось неизменным из-за его широкого использования.[30]

Рекомендации

  1. ^ Wakhle, A .; Simenel, C .; Hinde, D. J .; и другие. (2015). Simenel, C .; Gomes, P. R. S .; Hinde, D. J .; и другие. (ред.). «Сравнение экспериментального и теоретического распределения масс по углам квазиделения». Европейский физический журнал Интернет конференций. 86: 00061. Bibcode:2015EPJWC..8600061W. Дои:10.1051 / epjconf / 20158600061. ISSN  2100-014X.
  2. ^ Кремер, К. (2016). «Объяснитель: сверхтяжелые элементы». Мир химии. Получено 2020-03-15.
  3. ^ «Открытие элементов 113 и 115». Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора. Архивировано из оригинал на 2015-09-11. Получено 2020-03-15.
  4. ^ Eliav, E .; Kaldor, U .; Борщевский, А. (2018). «Электронная структура атомов трансактинидов». В Скотт, Р. А. (ред.). Энциклопедия неорганической и биоинорганической химии. Джон Уайли и сыновья. С. 1–16. Дои:10.1002 / 9781119951438.eibc2632. ISBN  978-1-119-95143-8.
  5. ^ Оганесян, Ю. Ц.; Дмитриев, С. Н .; Еремин, А. В .; и другие. (2009). "Попытка получить изотопы элемента 108 в реакции синтеза. 136Xe + 136Xe ". Физический обзор C. 79 (2): 024608. Дои:10.1103 / PhysRevC.79.024608. ISSN  0556-2813.
  6. ^ Мюнценберг, Г.; Армбрустер, П.; Folger, H .; и другие. (1984). «Идентификация элемента 108» (PDF). Zeitschrift für Physik A. 317 (2): 235–236. Bibcode:1984ZPhyA.317..235M. Дои:10.1007 / BF01421260. Архивировано из оригинал (PDF) 7 июня 2015 г.. Получено 20 октября 2012.
  7. ^ Субраманян, С. (2019). «Создание новых элементов не окупается. Просто спросите этого ученого из Беркли». Bloomberg Businessweek. Получено 2020-01-18.
  8. ^ а б Иванов, Д. (2019). "Сверхтяжелые шаги в неизвестное" [Сверхтяжелые шаги в неизвестность]. N + 1 (на русском). Получено 2020-02-02.
  9. ^ Хайнде, Д. (2014). «Что-то новое и сверхтяжелое в периодической таблице». Разговор. Получено 2020-01-30.
  10. ^ а б Краса, А. (2010). «Источники нейтронов для ADS» (PDF). Чешский технический университет в Праге. стр. 4–8. Получено 20 октября, 2019.
  11. ^ Вапстра, А. Х. (1991). «Критерии, которые должны быть выполнены для признания открытия нового химического элемента» (PDF). Чистая и прикладная химия. 63 (6): 883. Дои:10.1351 / pac199163060879. ISSN  1365-3075. Получено 2020-08-28.
  12. ^ а б Hyde, E.K .; Хоффман, Д.С.; Келлер, О. Л. (1987). «История и анализ открытия элементов 104 и 105». Radiochimica Acta. 42 (2): 67–68. Дои:10.1524 / ract.1987.42.2.57. ISSN  2193-3405.
  13. ^ а б c Мир химии (2016). «Как сделать сверхтяжелые элементы и закончить периодическую таблицу [видео]». Scientific American. Получено 2020-01-27.
  14. ^ Хоффман 2000, п. 334.
  15. ^ Хоффман 2000, п. 335.
  16. ^ Загребаев 2013, п. 3.
  17. ^ Beiser 2003, п. 432.
  18. ^ Стащак, А .; Баран, А .; Назаревич, В. (2013). «Режимы спонтанного деления и времена жизни сверхтяжелых элементов в теории функционала плотности ядра». Физический обзор C. 87 (2): 024320–1. arXiv:1208.1215. Bibcode:2013PhRvC..87b4320S. Дои:10.1103 / Physrevc.87.024320. ISSN  0556-2813.
  19. ^ Ауди 2017, стр. 030001-128–030001-138.
  20. ^ Beiser 2003, п. 439.
  21. ^ Оганесян, Ю. Ц .; Рыкачевский, К. П. (2015). «Плацдарм на острове стабильности». Физика сегодня. 68 (8): 32–38. Bibcode:2015ФТ .... 68ч..32О. Дои:10.1063 / PT.3.2880. ISSN  0031-9228. OSTI  1337838.
  22. ^ Грант, А. (2018). «Взвешивание самых тяжелых элементов». Физика сегодня. Дои:10.1063 / PT.6.1.20181113a.
  23. ^ Хоус, Л. (2019). «Изучение сверхтяжелых элементов в конце периодической таблицы». Новости химии и машиностроения. Получено 2020-01-27.
  24. ^ а б Робинсон, А. Э. (2019). «Трансфермиевые войны: научная драка и обзывания во время холодной войны». Дистилляции. Получено 2020-02-22.
  25. ^ "Популярная библиотека химических элементов. Сиборгий (экавольфрам)" [Популярная библиотека химических элементов. Сиборгий (эка-вольфрам)]. n-t.ru (на русском). Получено 2020-01-07. Перепечатано с "Экавольфрам" [Эка-вольфрам]. Популярная библиотека химических элементов. Серебро - Нильсборий и далее [Популярная библиотека химических элементов. Серебро через нильсборий и не только] (на русском). Наука. 1977.
  26. ^ "Nobelium - Информация об элементе, свойства и применение | Периодическая таблица". Королевское химическое общество. Получено 2020-03-01.
  27. ^ а б Краг 2018 С. 38–39.
  28. ^ Краг 2018, п. 40.
  29. ^ Ghiorso, A .; Сиборг, Г. Т.; Оганесян, Ю. Ц .; и другие. (1993). «Ответы на отчет« Открытие элементов Transfermium »с последующим ответом на ответы Рабочей группы Transfermium» (PDF). Чистая и прикладная химия. 65 (8): 1815–1824. Дои:10.1351 / pac199365081815. В архиве (PDF) из оригинала 25 ноября 2013 г.. Получено 7 сентября 2016.
  30. ^ Комиссия по номенклатуре неорганической химии (1997). «Названия и символы трансфермиевых элементов (Рекомендации ИЮПАК 1997 г.)» (PDF). Чистая и прикладная химия. 69 (12): 2471–2474. Дои:10.1351 / pac199769122471.

Библиография