Unbiquadium

Extern video
Extern video
	Visualisering av misslyckad kärnfusion, baserad på beräkningar av Australian National University

Unbiquadium, ₁₂₄ Ubq
Teoretiskt element
Unbiquadium
Uttal	/ ˌ uː n b aɪ ˈ k w ɒ d i ə m / <a i=16>( ( OON -by- KWOD -ee-əm )
Alternativa namn	element 124, eka-uran
Unbiquadium i det periodiska systemet
	unbitrium ← unbiquadium → unbipentium
Atomnummer ( Z )	124
Grupp	g-blockgrupper (inget nummer)
Period	period 8 (teoretisk, utökad tabell)
Blockera	g-block
Elektronkonfiguration	förutsägelser varierar, se text
Fysikaliska egenskaper
Fas vid STP	okänd
Atomegenskaper
Oxidationstillstånd	( +6 ) (förutspått)
Övriga fastigheter
CAS-nummer	54500-72-0
Historia
Namngivning	IUPAC systematiskt elementnamn
	\| referenser

Unbiquadium , även känt som element 124 eller eka-uran , är det hypotetiska kemiska elementet med atomnummer 124 och platshållarsymbolen Ubq. Unbiquadium och Ubq är det tillfälliga IUPAC-namnet respektive -symbolen tills elementet upptäcks, bekräftas och ett permanent namn beslutas. I det periodiska systemet förväntas unbiquadium vara ett g-block superaktinid och det sjätte elementet i den 8:e perioden . Unbiquadium har väckt uppmärksamhet, eftersom det kan ligga inom stabilitetens ö , vilket leder till längre halveringstider, särskilt för ³⁰⁸ Ubq som förutspås ha ett magiskt antal neutroner ( 184).

Trots flera sökningar har unbiquadium inte syntetiserats, och det har inte heller hittats några naturligt förekommande isotoper . Man tror att syntesen av unbiquadium kommer att vara mycket mer utmanande än den för lättare oupptäckta grundämnen , och nukleär instabilitet kan utgöra ytterligare svårigheter vid identifiering av unbiquadium, om inte stabilitetens ö har en starkare stabiliserande effekt än vad som förutspåtts i denna region.

Som medlem i superaktinidserien förväntas unbiquadium ha en viss likhet med dess möjliga lättare kongener uran . Valenselektronerna hos unbiquadium förväntas delta i kemiska reaktioner ganska lätt, även om relativistiska effekter kan påverka några av dess egenskaper avsevärt; till exempel har elektronkonfigurationen beräknats skilja sig avsevärt från den som förutsägs av Aufbau-principen .

Introduktion

En grafisk skildring av en kärnfusionsreaktion . Två kärnor smälter samman till en och avger en neutron . Hittills var reaktioner som skapade nya grundämnen lika, med den enda möjliga skillnaden att flera singulära neutroner ibland släpptes, eller inga alls.

De tyngsta atomkärnorna skapas i kärnreaktioner som kombinerar två andra kärnor av olika storlek till en; ungefär, ju mer ojämlika de två kärnorna i termer av massa, desto större är möjligheten att de två reagerar. Materialet som görs av de tyngre kärnorna görs till ett mål, som sedan bombarderas av strålen från lättare kärnor. Två kärnor kan smälta samman till en endast om de närmar sig varandra tillräckligt nära; normalt stöter kärnor (alla positivt laddade) bort varandra på grund av elektrostatisk repulsion . Den starka interaktionen kan övervinna denna repulsion men bara inom ett mycket kort avstånd från en kärna; strålkärnor accelereras således kraftigt för att göra sådan repulsion obetydlig jämfört med strålkärnans hastighet. Att komma nära enbart räcker inte för att två kärnor ska smälta samman: när två kärnor närmar sig varandra förblir de vanligtvis tillsammans i cirka 10–20 ^sekunder och sedan skiljer sig åt (inte nödvändigtvis i samma sammansättning som före reaktionen) snarare än att bilda en enda kärna. Om fusion inträffar är den tillfälliga sammanslagningen – kallad en sammansatt kärna – ett exciterat tillstånd . För att förlora sin excitationsenergi och nå ett mer stabilt tillstånd, klyvs en sammansatt kärna antingen eller stöter ut en eller flera neutroner , som för bort energin. Detta inträffar cirka 10–16 ^sekunder efter den första kollisionen.

Strålen passerar genom målet och når nästa kammare, separatorn; om en ny kärna produceras, bärs den med denna stråle. I separatorn separeras den nyproducerade kärnan från andra nuklider (den från den ursprungliga strålen och eventuella andra reaktionsprodukter) och överförs till en ytbarriärdetektor, som stoppar kärnan. Den exakta platsen för den kommande stöten på detektorn är markerad; också markerade är dess energi och tidpunkten för ankomst. Överföringen tar cirka 10 ⁻⁶ sekunder; för att kunna upptäckas måste kärnan överleva så länge. Kärnan registreras igen när dess sönderfall har registrerats, och platsen, energin och tiden för sönderfallet mäts.

Stabiliteten hos en kärna tillhandahålls av den starka interaktionen. Dess räckvidd är dock mycket kort; försvagas deras inflytande på de yttersta nukleonerna ( protoner och neutroner). Samtidigt slits kärnan sönder av elektrostatisk repulsion mellan protoner, eftersom den har obegränsad räckvidd. Kärnor av de tyngsta grundämnena förutsägs således teoretiskt och har hittills observerats att främst sönderfalla via sönderfallssätt som orsakas av sådan repulsion: alfasönderfall och spontan fission ; dessa lägen är dominerande för kärnor av supertunga element . Alfa-sönderfall registreras av de emitterade alfapartiklarna , och sönderfallsprodukterna är lätta att bestämma före själva sönderfallet; om ett sådant sönderfall eller en serie av på varandra följande sönderfall ger en känd kärna, kan den ursprungliga produkten av en reaktion bestämmas aritmetiskt. Spontan fission producerar emellertid olika kärnor som produkter, så den ursprungliga nukliden kan inte bestämmas från dess döttrar.

Den information som är tillgänglig för fysiker som syftar till att syntetisera ett av de tyngsta elementen är alltså informationen som samlas in vid detektorerna: plats, energi och tidpunkt för ankomsten av en partikel till detektorn, och de för dess sönderfall. Fysikerna analyserar dessa data och försöker dra slutsatsen att de verkligen orsakades av ett nytt element och inte kunde ha orsakats av en annan nuklid än den som hävdades. Ofta är förutsatt data otillräcklig för att dra slutsatsen att ett nytt element definitivt skapades och det finns ingen annan förklaring till de observerade effekterna; fel vid tolkning av data har gjorts.

Historia

Syntesförsök

Eftersom kompletta kärnskal (eller, på motsvarande sätt, ett magiskt antal protoner eller neutroner ) kan ge extra stabilitet till kärnorna av supertunga element, när de rör sig närmare centrum av stabilitetsön, trodde man att syntesen av element 124 eller i närheten element skulle befolka kärnor med längre livslängd på ön. Forskare vid GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) försökte mäta den direkta och fördröjda klyvningen av sammansatta kärnor av element med Z = 114, 120 och 124 för att undersöka skaleffekter i denna region och för att lokalisera nästa sfäriska proton skal. År 2006, med fullständiga resultat publicerade 2008, gav teamet resultat från en reaktion som involverade bombardering av ett naturligt germaniummål med uranjoner:

²³⁸₉₂ U
+
^nat₃₂ Ge
→ ^{308,310,311,312,314}
Ubq
* → fission

Teamet rapporterade att de hade kunnat identifiera sammansatta kärnor som klyvdes med halveringstider > 10-18 ^s . Detta resultat antyder en stark stabiliserande effekt vid Z = 124 och pekar på nästa protonskal vid Z > 120, inte vid Z = 114 som tidigare trott. En sammansatt kärna är en lös kombination av nukleoner som ännu inte har ordnat sig i kärnskal. Den har ingen inre struktur och hålls samman endast av kollisionskrafterna mellan mål- och projektilkärnorna. Det uppskattas att det krävs cirka 10–14 ^s för nukleonerna att ordna sig i kärnskal, vid vilken tidpunkt den sammansatta kärnan blir en nuklid , och detta nummer används av IUPAC som den minsta halveringstid en påstådd isotop måste ha för att potentiellt erkännas som upptäckt. GANIL-experimenten räknas alltså inte som en upptäckt av element 124.

Klyvningen av den sammansatta kärnan ³¹² 124 studerades också 2006 vid tandem ALPI tunga jonaccelerator vid Laboratori Nazionali di Legnaro (Legnaro National Laboratories) i Italien:

²³²₉₀ Th
+
⁸⁰₃₄ Se
→ ³¹²
Ubq
* → fission

I likhet med tidigare experiment utförda vid JINR ( Joint Institute for Nuclear Research ), klungade fissionsfragment runt dubbelmagiska kärnor som ¹³² Sn ( Z = 50, N = 82), vilket avslöjar en tendens för supertunga kärnor att driva ut sådana dubbelmagiska kärnor i fission. Det genomsnittliga antalet neutroner per klyvning från den ³¹² 124 (i förhållande till lättare system) visade sig också öka, vilket bekräftar att trenden med tyngre kärnor som sänder ut fler neutroner under klyvning fortsätter in i den supertunga massaregionen.

Möjlig naturlig förekomst

En studie 1976 av en grupp amerikanska forskare från flera universitet föreslog att primordiala supertunga element, främst livermorium , unbiquadium, unbihexium och unbiseptium , kunde vara en orsak till oförklarliga strålningsskador (särskilt radiohalos ) i mineraler. Unbiquadium föreslogs sedan existera i naturen med dess möjliga uran i detekterbara mängder, i en relativ mängd av 10 ⁻¹¹ . Sådana unbiquadiumkärnor ansågs genomgå alfasönderfall med mycket långa halveringstider ner till flerovium , som sedan skulle existera i naturligt bly vid en liknande koncentration (10-11) ^och genomgå spontan fission . Detta fick många forskare att söka efter dem i naturen från 1976 till 1983. En grupp ledd av Tom Cahill, professor vid University of California i Davis, hävdade 1976 att de hade upptäckt alfapartiklar och röntgenstrålar med rätt energi för att orsaka den observerade skadan, vilket stöder närvaron av dessa element. Andra hävdade att ingen hade upptäckts och ifrågasatte de föreslagna egenskaperna hos primordiala supertunga kärnor. I synnerhet citerade de att det magiska talet N = 228 som krävs för ökad stabilitet skulle skapa en neutronöverdriven kärna i unbiquadium som inte skulle vara betastabil . Denna aktivitet föreslogs också orsakas av nukleära transmutationer i naturligt cerium , vilket ökade ytterligare tvetydighet vid denna påstådda observation av supertunga element.

Den möjliga omfattningen av primordiala supertunga element på jorden idag är osäker. Även om det är bekräftat att de har orsakat strålningsskadorna för länge sedan, kan de nu ha förfallit till bara spår, eller till och med vara helt borta. Det är också osäkert om sådana supertunga kärnor överhuvudtaget kan produceras naturligt, eftersom spontan klyvning förväntas avsluta r- processen som är ansvarig för bildning av tunga element mellan massnummer 270 och 290, långt innan element som unbiquadium kan bildas.

Namngivning

Med 1979 års IUPAC- rekommendationer bör elementet tillfälligt kallas unbiquadium (symbol Ubq ) tills det upptäcks, upptäckten bekräftas och ett permanent namn väljs. Även om de används i stor utsträckning i det kemiska samhället på alla nivåer, från kemiklassrum till avancerade läroböcker, ignoreras rekommendationerna mest bland forskare som arbetar teoretiskt eller experimentellt med supertunga grundämnen, som kallar det "element 124", med symbolen E124 , ( 124 ) eller 124 . Vissa forskare har också hänvisat till unbiquadium som eka-uranium , ett namn som kommer från systemet Dmitri Mendeleev använde för att förutsäga okända grundämnen, även om en sådan extrapolering kanske inte fungerar för g-blockelement utan kända kongener och eka-uran istället skulle hänvisa till element 144 eller 146 när termen är avsedd att beteckna grundämnet direkt under uran.

Utsikter för framtida syntes

Varje grundämne från mendelevium och framåt producerades i fusions-förångningsreaktioner, som kulminerade i upptäckten av det tyngsta kända grundämnet oganesson 2002 och mer nyligen tennessine 2010. Dessa reaktioner närmade sig gränsen för nuvarande teknologi; till exempel krävde syntesen av tennessine 22 milligram ²⁴⁹ Bk och en intensiv ⁴⁸ Ca-stråle under sex månader. Strålarnas intensitet vid forskning om supertunga element kan inte överstiga 10 ¹² projektiler per sekund utan att skada målet och detektorn, och att producera större mängder av allt mer sällsynta och instabila aktinidmål är opraktiskt. Följaktligen måste framtida experiment göras vid anläggningar som fabriken för supertunga element (SHE-fabriken) vid Joint Institute for Nuclear Research (JINR) eller RIKEN , vilket kommer att tillåta experiment att pågå under längre tid med ökad detektionsförmåga och möjliggöra annars otillgängliga reaktioner. Trots det förväntas det bli en stor utmaning att fortsätta förbi element 120 eller 121 givet korta förutspådda halveringstider och låga förutspådda tvärsnitt.

Produktionen av nya supertunga element kommer att kräva projektiler tyngre än ⁴⁸ Ca, vilket framgångsrikt användes vid upptäckten av elementen 114–118, även om detta kräver mer symmetriska reaktioner som är mindre gynnsamma. Därför är det troligt att reaktionerna mellan ⁵⁸ Fe och ett ²⁴⁹ Cf- eller ²⁵¹ Cf-mål är mest lovande. Studier av klyvning av olika supertunga sammansatta kärnor har funnit att dynamiken för ⁴⁸ Ca- och ⁵⁸ Fe-inducerade reaktioner är liknande, vilket tyder på att ⁵⁸ Fe-projektiler kan vara livskraftiga för att producera supertunga kärnor upp till Z = 124 eller möjligen 125. Det är också möjligt att en reaktion med ²⁵¹ Cf kommer att producera den sammansatta kärnan ³⁰⁹ Ubq* med 185 neutroner, omedelbart ovanför N = 184 skalförslutningen. Av denna anledning förutspås den sammansatta kärnan ha relativt hög överlevnadssannolikhet och låg neutronseparationsenergi, vilket leder till 1n–3n-kanalerna och isotoperna ^306–308 Ubq med ett relativt högt tvärsnitt. Denna dynamik är mycket spekulativ, eftersom tvärsnittet kan vara mycket lägre om trenderna i produktionen av element 112–118 skulle fortsätta eller om fissionsbarriärerna skulle vara lägre än förväntat, oavsett skaleffekter, vilket leder till minskad stabilitet mot spontan fission (vilket är växande betydelse). Icke desto mindre har möjligheten att nå N = 184 på den protonrika sidan av diagrammet över nuklider genom att öka antalet protoner länge övervägts; redan 1970 föreslog den sovjetiske kärnfysikern Georgy Flyorov att man skulle bombardera ett plutoniummål med zinkprojektiler för att producera isotoper av element 124 vid N = 184-skalet.

Förutspådda egenskaper

Kärnstabilitet och isotoper

Detta kärndiagram som används av Japan Atomic Energy Agency förutsäger sönderfallssätten för kärnor upp till Z = 149 och N = 256. För unbiquadium ( Z = 124) finns det förutspådda regioner med ökad stabilitet runt N = 184 och N = 228, även om många mellanliggande isotoper är teoretiskt mottagliga för spontan fission med halveringstider kortare än 1 nanosekund .

Unbiquadium är av intresse för forskare på grund av dess möjliga läge nära centrum av en ö av stabilitet, en teoretisk region som består av supertunga kärnor med längre livslängd. En sådan stabilitetsö föreslogs först av professorn Glenn Seaborg vid University of California , som specifikt förutspådde en stabilitetsregion centrerad vid element 126 ( unbihexium ) och som omfattar närliggande element, inklusive unbiquadium, med halveringstider som kan vara så långa som 10 ⁹ år. I kända grundämnen minskar kärnornas stabilitet kraftigt med ökningen av atomnummer efter uran , det tyngsta urelementet , så att alla observerade isotoper med ett atomnummer över 101 sönderfaller radioaktivt med en halveringstid under ett dygn. Ändå finns det en liten ökning av kärnstabiliteten i nuklider runt atomnummer 110 – 114 , vilket tyder på närvaron av en ö av stabilitet. Detta tillskrivs den möjliga stängningen av kärnkraftsskal i den supertunga massaregionen, med stabiliserande effekter som kan leda till halveringstider i storleksordningen år eller längre för vissa ännu oupptäckta isotoper av dessa grundämnen. Även om det fortfarande är obevisat, ger förekomsten av supertunga element så tunga som Oganesson bevis på sådana stabiliserande effekter, eftersom element med ett atomnummer större än ungefär 104 är extremt instabila i modeller som försummar magiska siffror.

I denna region av det periodiska systemet har N = 184 och N = 228 föreslagits som slutna neutronskal, och olika atomnummer har föreslagits som slutna protonskal, inklusive Z = 124. Stabilitetsön kännetecknas av längre halv- liv för kärnor som ligger nära dessa magiska siffror, även om omfattningen av stabiliserande effekter är osäker på grund av förutsägelser om försvagning av protonskalförslutningarna och möjlig förlust av dubbel magicitet . Nyare forskning förutspår att stabilitetens ö istället kommer att vara centrerad kring de betastabila copernicium- isotoperna ²⁹¹ Cn och ²⁹³ Cn, vilket skulle placera unbiquadium långt ovanför ön och resultera i korta halveringstider oavsett skaleffekter. En studie från 2016 om sönderfallsegenskaperna hos unbiquadium isotoper ^284–339 Ubq förutspår att ^284–304 Ubq ligger utanför protondropplinjen och därmed kan vara protonavsändare, 305–323 ^Ubq kan genomgå alfasönderfall , med vissa kedjor som slutar så långt som flerovium , och tyngre isotoper kommer att sönderfalla genom spontan fission . Dessa resultat, liksom de från en kvanttunnelmodell, förutsäger inga halveringstider över en millisekund för isotoper som är lättare än ³¹⁹ Ubq, samt särskilt korta halveringstider för ^309–314 Ubq i submikrosekundområdet p.g.a. destabiliserande effekter omedelbart ovanför skalet vid N = 184. Detta gör identifieringen av många unbiquadiumisotoper nästan omöjlig med nuvarande teknologi, eftersom detektorer inte kan skilja snabba successiva signaler från alfasönderfall under en tidsperiod som är kortare än mikrosekunder.

Allt kortare halveringstider för spontan fission av supertunga kärnor och eventuell dominans av fission över alfasönderfall kommer troligen också att bestämma stabiliteten hos unbiquadium isotoper. Medan vissa halveringstider för klyvning som utgör ett "hav av instabilitet" kan vara i storleksordningen 10–18 ^s som en konsekvens av mycket låga klyvningsbarriärer , särskilt i jämna-jämna kärnor på grund av parningseffekter, stabiliserande effekter vid N = 184 och N = 228 kan tillåta förekomsten av relativt långlivade isotoper. För N = 184 kan halveringstiderna för fission öka, även om alfahalveringstiderna fortfarande förväntas vara i storleksordningen mikrosekunder eller mindre, trots att skalet stängs vid ³⁰⁸ Ubq. Det är också möjligt att ön av stabilitet kan skifta till N = 198-regionen, där totala halveringstider kan vara i storleksordningen sekunder, i motsats till närliggande isotoper som skulle genomgå klyvning på mindre än en mikrosekund. I den neutronrika regionen runt N = 228 förutsägs även alfahalveringstiderna öka med ökande neutronantal , vilket innebär att stabiliteten hos sådana kärnor i första hand skulle bero på platsen för beta-stabilitetslinjen och motståndet mot fission. En tidig beräkning av P. Moller, en fysiker vid Los Alamos National Laboratory , uppskattar den totala halveringstiden på ³⁵² Ubq (med N = 228) till cirka 67 sekunder, och möjligen den längsta i N = 228-regionen.

Kemisk

Unbiquadium är den fjärde medlemmen i superaktinidserien och bör likna uran : båda grundämnena har sex valenselektroner över en ädelgaskärna. I superaktinidserien Aufbau-principen bryta ner på grund av relativistiska effekter , och en överlappning av 5g, 6f, 7d och 8p orbitaler förväntas. Grundtillståndselektronkonfigurationen för unbiquadium förutsägs således vara [ Og ]6f ³ 8s ² 8p ¹ eller 6f ² 8s ² 8p ² , i motsats till [ Og ] 5g ⁴ 8s ² härledd från Aufbau. Denna förutspådda överlappning av orbitaler och osäkerhet i fyllnadsordning, speciellt för f- och g-orbitaler, gör förutsägelser om kemiska och atomära egenskaper hos dessa element mycket svåra.

Ett förutsagt oxidationstillstånd för unbiquadium är +6, vilket skulle existera i halogeniderna UbqX 6 ₍ X = en halogen), analogt med det kända +6 oxidationstillståndet i uran. Liksom de andra tidiga superaktiniderna förutspås bindningsenergierna för unbiquadiums valenselektroner vara tillräckligt små för att alla sex lätt ska delta i kemiska reaktioner. Den förutsagda elektronkonfigurationen för Ubq ⁵⁺ -jonen är [Og] 6f ¹ .

Anteckningar

Bibliografi

Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S. (2017). "NUBASE2016-utvärderingen av kärntekniska egenskaper" (PDF) . Kinesisk fysik C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 .
Beiser, A. (2003). Concepts of modern physics (6:e upplagan). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-244848-1 . OCLC 48965418 .
Hoffman, DC ; Ghiorso, A .; Seaborg, GT (2000). The Transuranium People: The Inside Story . World Scientific . ISBN 978-1-78-326244-1 .
Kragh, H. (2018). From Transuranic to Superheavy Elements: A Story of Dispute and Creation . Springer . ISBN 978-3-319-75813-8 .
Zagrebaev, V.; Karpov, A.; Greiner, W. (2013). "Framtiden för forskning om supertunga element: Vilka kärnor kan syntetiseras inom de närmaste åren?" (PDF) . Journal of Physics: Conference Series . 420 (1). 012001. arXiv : 1207.5700 . Bibcode : 2013JPhCS.420a2001Z . doi : 10.1088/1742-6596/420/1/012001 . ISSN 1742-6588 . S2CID 55434734 .