Ud over den periodiske tabel: hvorfor leder de efter transuraniske elementer

Kemisk fastland

For halvandet århundrede siden, da Dmitry Ivanovich Mendeleev opdagede den periodiske lov, var kun 63 elementer kendt. Arrangeret i et bord blev de let dekomponeret i perioder, som hver åbner med aktive alkalimetaller og ender (som det viste sig senere) med inerte ædelgasser. Siden da er den periodiske tabel næsten fordoblet, og med hver udvidelse er den periodiske lov bekræftet igen og igen. Rubidium ligner også kalium og natrium, ligesom xenon - krypton og argon, silicium, der ligner det, ligger meget lavere end kulstof ... I dag vides det, at disse egenskaber bestemmes af antallet af elektroner, der roterer rundt om atomkernen.

De fylder atomets "energikskaller" den ene efter den anden, som tilskuere i rækkefølge af sæder i deres rækker i teatret: Den, der viste sig at være den sidste, bestemmer de kemiske egenskaber for hele elementet. Et atom med den sidste skal helt fyldt (som helium med dens to elektroner) vil være inert; et element med et "ekstra" elektron på (som natrium) vil aktivt danne kemiske bindinger. Antallet af negativt ladede elektroner i kredsløb er relateret til antallet af positive protoner i atomens kerne, og det er netop antallet af protoner, at forskellige elementer adskiller sig.

Men der kan være et andet antal neutroner i kernen i det samme element, de har ingen ladning, og de påvirker ikke de kemiske egenskaber. Men afhængigt af antallet af neutroner kan brint være tungere end helium, og massen af ​​lithium kan nå syv i stedet for de "klassiske" seks atomenheder. Og hvis listen over kendte elementer i dag nærmer sig mærket 120, er antallet af kerner (nuklider) overskredet 3000. De fleste af dem er ustabile og efter et stykke tid forfald, kaster man ud "ekstra" partikler under radioaktivt henfald. Endnu flere nuclider er i princippet ikke i stand til at eksistere og falder øjeblikkeligt. Så kontinentet med stabile kerner omgiver et helt hav af ustabile kombinationer af neutroner og protoner.

Hav af flygtighed

Kernens skæbne afhænger af antallet af neutroner og protoner deri. I henhold til skalteorien om kernenes struktur, fremskreden i 1950'erne, er partiklerne i den fordelt efter deres energiniveau på samme måde som de elektroner, der roterer rundt om kernen. Nogle mængder protoner og neutroner giver særlig stabile konfigurationer med fuldt udfyldte proton- eller neutronskaller - 2, 8, 20, 28, 50, 82 hver og 126 partikler til neutroner. Disse tal kaldes "magi", og de mest stabile kerner indeholder "to gange magiske" mængder af partikler - for eksempel 82 protoner og 126 neutroner i bly eller to hver i det almindelige heliumatom, det andet mest rigelige element i universet.

se igen
  • Piger og biler: alle lyserøde biler af ”Årets modeller” Playboy 11
  • Wilson Combat: den smukkeste brugerdefinerede "pistol" 26
  • Wings For Victory: 1940'ernes britiske luftfartsplakater 6
  • Annonceringplakater fra bilfirmaer 1910−1930's 12
  • Annoncering fotografier af sovjetiske traktorer: "Tractoroexport" 10
  • Annonceringsfotografier af sovjetiske biler: Avtoexport 12

Det sekventielle "kemiske kontinent" af de elementer, der kan findes på Jorden, ender i bly. Det efterfølges af en række kerner, der findes langt mindre end vores planeters alder. I dens dybder kan de kun overleve i små mængder, som uran og thorium, eller endda i spormængder, som plutonium. Det er umuligt at udvinde det fra klippen, og plutonium produceres kunstigt i reaktorer ved at bombardere et uranmål med neutroner. Generelt behandler moderne fysikere atomkerner som konstruktørdetaljer, hvilket tvinger dem til at fastgøre individuelle neutroner, protoner eller hele kerner. Dette gør det muligt at få stadig sværere nuklider ved at krydse Strædet af Havet af ustabilitet.

Formålet med rejsen tilskyndes af den samme skalteori om kernens struktur. Dette er en region med superheavy elementer med et passende (og meget stort) antal neutroner og protoner, den legendariske "Island of Stability". Beregninger siger, at nogle af de lokale ”beboere” muligvis ikke længere findes i brøkdele af mikrosekunder, men mange størrelsesordener længere. ”I en bestemt tilnærmelse kan de betragtes som dråber vand, ” forklarede Yuri Oganesyan, RAS-akademiker, til os. - Op til bly følger sfæriske og stabile kerner. De efterfølges af en halvø med moderat stabile kerner - såsom thorium eller uran - som trækkes ud af et lavt af stærkt deformerede kerner og bryder ind i et ustabilt hav ... Men endnu længere bag sundet kan der være en ny region af sfæriske kerner, superheavy og stabile elementer med numrene 114, 116 og videre. " Levetiden for nogle elementer på "øen Stabilitet" kan vare i årevis og endda millioner af år.

Ø af stabilitet

Det er muligt at skabe transuraniske elementer med deres deformerede kerner ved at bombardere neutronmål med uran, thorium eller plutonium. Ved at beskytte dem med lette ioner spredt i gaspedalen, kan du konsekvent få et antal elementer endnu sværere - men på et tidspunkt kommer grænsen. ”Hvis vi betragter forskellige reaktioner - tilføjelse af neutroner, tilføjelse af ioner - som forskellige“ skibe ”, hjælper dem alle ikke os med at svømme til“ øen Stabilitet ”, fortsætter Yuri Oganesyan. - For at gøre dette har du brug for et "skib" og mere, og et andet design. "Det vil være nødvendigt at bruge neutronrige tunge kerner af kunstige elementer, der er tungere end uran, som mål, og de bliver nødt til at blive bombarderet med store, tunge isotoper, der indeholder mange neutroner, såsom calcium-48."

Arbejdet med et sådant "skib" var kun et stort internationalt team af forskere, der kunne gøre. Ingeniører og fysikere ved Electrokhimpribor kombinerer isoleret en ekstremt sjælden 48. isotop fra naturlig calcium, som her er indeholdt i en mængde på mindre end 0, 2%. Mål fra uran, plutonium, americium, curium og Californien blev udarbejdet på Dimitrograd Research Institute of Atomic Reactors, på Livermore National Laboratory og på National Laboratory i Oak Ridge i USA. Nå, de vigtigste eksperimenter på syntese af nye elementer blev udført af akademiker Oganesyan ved Joint Institute for Nuclear Physics (JINR) i Flerov Laboratory of Nuclear Reactions. ”Vores accelerator i Dubna arbejdede i 6-7 tusinde timer om året og accelererede calcium-48 ioner til ca. 0, 1 lysets hastighed, ” forklarer forskeren. ”Denne energi er nødvendig, så nogle af dem, der rammer et mål, overvinder Coulomb-frastødelseskræfterne og smelter sammen med kernerne i dens atomer. For eksempel vil det 92. element, uran, give kernen i et nyt element med nummeret 112, plutonium - 114 og Californien - 118. "

Yuri Oganesyan, akademiker fra det russiske videnskabsakademi, videnskabelig leder af Flerov-laboratoriet for nukleare reaktioner, JINR (Dubna)

”Søgningen efter nye superheavy elementer giver os mulighed for at besvare et af de vigtigste videnskabelige spørgsmål: hvor er grænsen for vores materielle verden?”

”Sådanne kerner skal allerede være stabile nok og vil ikke nedbrydes med det samme, men de vil efterfølgende sprøjte alfapartikler, heliumkerner. Og vi er meget gode til at registrere dem, ”fortsatte Hovhannisyan. Den superheavy kerne vil skubbe ud en alfapartikel, hvilket bliver to atomare tal til et element lettere. På sin side vil datterkernen miste alfa-partiklen og blive til "barnebarn" - fire mere lettere, og så videre, indtil processen med sekventielt alfa-forfald ender i et tilfældigt udseende og øjeblikkelig spontan fission, døden af ​​en ustabil kerne i "Havet af ustabilitet". I henhold til denne "slægtsforskning" af alfapartikler, trak Hovhannisyan og hans kolleger hele historien om transformationen af ​​de nuclider, der blev opnået i acceleratoren, og skitserede den tætte kyst på "øen Stabilitet". Efter et halvt århundrede med sejlads landede de første mennesker på den.

Nyt land

Allerede i det første årti af det 21. århundrede blev fusionsreaktioner af actinider med accelererede calcium-48 ioner syntetiseret elementatomer med numre fra 113 til 118. Kyst på kysten af ​​"øen Stabilitet" langt fra "fastlandet". Tiden for deres eksistens er allerede størrelsesordener længere end deres naboer: element 114 opbevares for eksempel ikke i millisekunder, som i 110., men i titalls og endda hundreder af sekunder. ”Sådanne stoffer er allerede tilgængelige til kemi, ” siger akademiker Hovhannisyan. - Så vi vender tilbage til starten af ​​rejsen, og nu kan vi kontrollere, om den periodiske lov i Mendeleev respekteres for dem. Vil det 112. element være en analog med kviksølv og cadmium, og det 114. element vil være en analog af tin og bly? ” De allerførste kemiske eksperimenter med isotopen fra det 112. element (kopernisia) viste: tilsyneladende vil de. Copernicus-kerner, der flyvede ud af målet under bombardementet, blev sendt til et langt rør, der omfattede 36 parrede detektorer, delvis overtrukket med guld. Kviksølv danner let stabile intermetalliske forbindelser med guld (denne egenskab bruges i den gamle forgyldningsteknik). Derfor skal kviksølv og atomer tæt på det sætte sig på den gyldne overflade af de allerførste detektorer, og radon og atomer tæt på ædelgasser kan nå enden af ​​røret. Lydigt efter den periodiske lov viste det sig, at copernicus var en slægtning til kviksølv. Men hvis kviksølv blev det første kendte flydende metal, kan copernium være den første gasformige: Kogepunktet er under stuetemperatur. Ifølge Yuri Hovhannisyan er dette kun en blegning, og superheavy elementer fra "Island of Stability" vil åbne et nyt, lyst og usædvanligt kemiområde for os.

Men mens vi holdt os ved foden af ​​øen med stabile elementer. Det forventes, at de 120. og efterfølgende kerner kan vise sig at være virkelig stabile og vil eksistere i mange år, eller endda millioner af år, og danne stabile forbindelser. Imidlertid er det allerede umuligt at få dem ved hjælp af den samme calcium-48: der er ikke nok langvarige elementer, der, når de kombineres med disse ioner, kan give kernen til den ønskede masse. Forsøg på at erstatte calcium-48-ioner med noget tungere har heller ikke givet resultater. Derfor, til søfarende forskere, hævede hovedet og så nærmere på himlen.

Rum og fabrik

Den oprindelige sammensætning af vores verden var ikke forskellig i variation: i Big Bang var der kun brint med små urenheder af helium - det letteste af atomer. Alle andre respekterede deltagere i den periodiske tabel optrådte i nukleare fusionsreaktioner, i tarmen af ​​stjerner og i supernovaeksplosioner. Ustabile nuklider forfaldt hurtigt; stabile, som oxygen-16 eller jern-54, akkumulerede. Det er ikke overraskende, at tunge ustabile elementer, såsom americium eller copernium, ikke kan påvises i naturen.

Men hvis der i virkeligheden et sted findes en "ø af stabilitet", bør i det mindste i små mængder superheavy elementer findes i universets vidstrækning, og nogle forskere søger efter dem blandt partikler af kosmiske stråler. Ifølge akademiker Hovhannisyan er denne tilgang stadig ikke så pålidelig som den gode gamle bombardement. ”Virkelig langvarige kerner øverst på Stabilitetsøen indeholder usædvanligt store antal neutroner, ” siger videnskabsmanden. - Derfor viste neutronrigt calcium-48 sig at være en så succesrig kerne til bombardement af neutronrige målelementer. Isotoper, der er tungere end calcium-48, er imidlertid ustabile, og chancerne for, at de naturligt vil smelte sammen med dannelsen af ​​superstabile kerner, er ekstremt små. "

Derfor vendte laboratoriet i Dubna nær Moskva sig mod brugen af ​​tungere kerner, om end ikke så vellykkede som calcium, til at beskydde kunstige elementer af mål. ”Vi er nu travlt med at skabe den såkaldte Factory of Superheavy Elements, ” siger akademiker Hovhannisyan. - I det vil de samme mål blive bombarderet med titan- eller kromkerner. De indeholder to og fire protoner mere end calcium, hvilket betyder, at de kan give os elementer med masser på 120 eller mere. Det vil være interessant at se, om de stadig befinder sig på "øen" eller åbner en ny stræde bag den. "

Artiklen “Treasure Island” blev offentliggjort i tidsskriftet Popular Mechanics (nr. 11, november 2016).

Anbefalet

Hvorfor blåhvaler er blevet de største dyr på jorden: en ny teori
2019
Identificerede de mest hajfarlige steder på planeten
2019
Et killer sort hul lurer i Mælkevejen
2019