Ливерморий: открытие и история элемента 116

Введение

Ливерморий — синтетический химический элемент с символом Lv и атомным номером 116. Это чрезвычайно радиоактивный элемент, который был получен только в лабораторных условиях и не встречается в природе. Элемент назван в честь Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США, которая сотрудничала с Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Россия, для открытия ливермория в ходе экспериментов, проведенных в период с 2000 по 2006 год. Название лаборатории происходит от города Ливермор, штат Калифорния, где она расположена, который, в свою очередь, был назван в честь фермера и землевладельца Роберта Ливермора. Название было утверждено IUPAC 30 мая 2012 года. Юрий Оганесян и его команда в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова (ЛЯР) ОИЯИ впоследствии предприняли попытку провести эту реакцию в 1978 году, но она не увенчалась успехом. В 1985 году в совместном эксперименте между группами из Беркли и командой Питера Армбрустера из GSI результат снова оказался отрицательным, с расчетным пределом эффективного сечения в 10–100 пб. Работа с реакциями, использующими 48Ca, которые оказались весьма полезными при синтезе нобелия из реакции natPb + 48Ca, тем не менее продолжалась в Дубне. В 1989 году был разработан сепаратор сверхтяжелых элементов, в 1990 году начался поиск целевых материалов и установление сотрудничества с LLNL, в 1996 году – производство более интенсивных пучков 48Ca, а в начале 1990-х годов велась подготовка к долгосрочным экспериментам с чувствительностью на 3 порядка выше. Эта работа непосредственно привела к получению новых изотопов элементов 112–118 в реакциях 48Ca с актинидами и открытию пяти самых тяжелых элементов в периодической таблице: флеровия, московия, ливермория, теннессина и оганесона. В 1995 году международная группа под руководством Зигурда Хофмана из Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) в Дармштадте, Германия, попыталась синтезировать элемент 116 в реакции радиационного захвата (в которой составное ядро девозбуждается исключительно за счет гамма-излучения без испарения нейтронов) между мишенью из свинца-208 и снарядами из селена-82. Атомы элемента 116 идентифицированы не были.

Livermorium is a synthetic chemical element; it has symbol Lv and atomic number 116. It is an extremely radioactive element that has only been created in a laboratory setting and has not been observed in nature. The element is named after the Lawrence Livermore National Laboratory in the United States, which collaborated with the Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, Russia, to discover livermorium during experiments conducted between 2000 and 2006. The name of the laboratory refers to the city of Livermore, California, where it is located, which in turn was named after the rancher and landowner Robert Livermore. The name was adopted by IUPAC on May 30, 2012. Yuri Oganessian and his team at the Flerov Laboratory of Nuclear Reactions (FLNR) in the Joint Institute for Nuclear Research (JINR) subsequently attempted the reaction in 1978 and met failure. In 1985, in a joint experiment between Berkeley and Peter Armbruster's team at GSI, the result was again negative, with a calculated cross section limit of 10–100 pb. Work on reactions with 48Ca, which had proved very useful in the synthesis of nobelium from the natPb+48Ca reaction, nevertheless continued at Dubna, with a superheavy element separator being developed in 1989, a search for target materials and starting of collaborations with LLNL being started in 1990, production of more intense 48Ca beams being started in 1996, and preparations for long term experiments with 3 orders of magnitude higher sensitivity being performed in the early 1990s. This work led directly to the production of new isotopes of elements 112 to 118 in the reactions of 48Ca with actinide targets and the discovery of the 5 heaviest elements on the periodic table: flerovium, moscovium, livermorium, tennessine, and oganesson. In 1995, an international team led by Sigurd Hofmann at the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, Germany attempted to synthesise element 116 in a radiative capture reaction (in which the compound nucleus de excites through pure gamma emission without evaporating neutrons) between a lead 208 target and selenium 82 projectiles. No atoms of element 116 were identified.

Именование

Используя номенклатуру Менделеева для безымянных и неоткрытых элементов, ливерморий иногда называют экаполонием. В 1979 году IUPAC рекомендовал использовать временное систематическое название элемента – унунгексий (Uuh) – до подтверждения открытия элемента и определения его названия. Хотя эта рекомендация широко применялась в химическом сообществе на всех уровнях, от школьных классов химии до продвинутых учебников, ученые, работающие непосредственно в этой области, в основном игнорировали её, называя элемент "элементом 116" с символами E116, (116) или просто 116. Открытие ливермория было признано Объединенной рабочей группой (JWP) IUPAC 1 июня 2011 года, одновременно с открытием флеровия, но впоследствии было решено присвоить это название элементу 115. Название livermorium и символ Lv были официально утверждены 23 мая 2012 года. Название дано в честь Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора, расположенной в городе Ливермор, штат Калифорния, США, которая сотрудничала с ОИЯИ в его открытии. Город, в свою очередь, назван в честь американского ранчеро Роберта Ливермора, натурализованного гражданина Мексики английского происхождения.

Прогнозируемые свойства

Кроме ядерных свойств, никакие свойства ливермория или его соединений не были измерены; это обусловлено его чрезвычайно малым и дорогостоящим производством, а также тем, что он очень быстро распадается. Свойства ливермория остаются неизвестными, и доступны лишь теоретические предсказания.

Ядерная стабильность и изотопы

Ожидается, что ливерморий будет находиться вблизи острова стабильности, центрированного на коперниции (элементе 112) и флеровии (элементе 114). Из-за ожидаемых высоких барьеров для деления, любое ядро в этом острове стабильности исключительно распадается посредством альфа-распада и, возможно, электронного захвата и бета-распада. Хотя известные изотопы ливермория на самом деле не обладают достаточным количеством нейтронов для нахождения на острове стабильности, они приближаются к нему, поскольку более тяжелые изотопы, как правило, имеют большее время жизни, в зависимости от энергии возбуждения образовавшегося ядра. В реакциях горячего синтеза очень легкие, высокоэнергетические снаряды ускоряются в направлении очень тяжелых мишеней (актинидов), что приводит к образованию составных ядер с высокой энергией возбуждения (~40–50 МэВ), которые могут либо делиться, либо испарять несколько (3–5) нейтронов. В реакциях холодного синтеза (которые используют более тяжелые снаряды, обычно из четвертого периода, и более легкие мишени, обычно свинец и висмут), образовавшиеся слитые ядра имеют относительно низкую энергию возбуждения (~10–20 МэВ), что снижает вероятность прохождения ими реакций деления. Когда слитые ядра охлаждаются до основного состояния, им требуется излучение только одного или двух нейтронов. Реакции горячего синтеза, как правило, производят больше продуктов, богатых нейтронами, поскольку актиниды имеют самое высокое отношение нейтронов к протонам среди всех элементов, которые в настоящее время могут быть получены в макроскопических количествах. Важная информация о свойствах сверхтяжелых ядер может быть получена путем синтеза большего количества изотопов ливермория, особенно тех, которые содержат на несколько нейтронов больше или меньше, чем известные – 286Lv, 287Lv, 289Lv, 294Lv и 295Lv. Это возможно, поскольку существует много достаточно долгоживущих изотопов курия, которые могут быть использованы для изготовления мишени. Синтез тяжелых изотопов 294Lv и 295Lv может быть осуществлен путем слияния тяжелого изотопа курия 250 с кальцием 48. Сечение этой ядерной реакции составит около 1 пикобарна, хотя в настоящее время невозможно получить 250Cm в количествах, необходимых для изготовления мишени. Недавно было показано, что реакции многонуклонного переноса при столкновениях актинидных ядер (таких как уран и курий) могут быть использованы для синтеза сверхтяжелых ядер, богатых нейтронами, расположенных на острове стабильности, хотя образование более легких элементов нобелия или сиборгия более благоприятно. Что касается атомов ливермория, то они понижают уровни энергии электронов 7s и 7p (стабилизируя соответствующие электроны), но два из уровней энергии электронов 7p стабилизируются больше, чем остальные четыре. Стабилизация электронов 7s называется эффектом инертной пары, а эффект «расщепления» подслоя 7p на более стабильную и менее стабильную части называется расщеплением подслоя. Химики-теоретики рассматривают расщепление как изменение второго (азимутального) квантового числа l с 1 на 1/2 и 3/2 для более стабильной и менее стабильной частей подслоя 7p соответственно: подслой 7p1/2 действует как вторая инертная пара, хотя и менее инертная, чем электроны 7s, в то время как подслой 7p3/2 может легко участвовать в химических реакциях. Ожидается, что электрон водородоподобного атома ливермория (окисленного до состояния, когда он имеет только один электрон, Lv115+) будет двигаться настолько быстро, что его масса будет в 1,86 раза больше массы покоящегося электрона из-за релятивистских эффектов. Для сравнения, значения для водородоподобного полония и теллура, как ожидается, составят 1,26 и 1,080 соответственно. Ожидается, что спин-орбитальное взаимодействие удлинит связь Lv–H по сравнению с тем, что можно было бы ожидать только на основе периодических тенденций, и увеличит угол связи H–Lv–H: это объясняется тем, что незанятые 8s-орбитали имеют относительно низкую энергию и могут гибридизироваться с валентными 7p-орбиталями ливермория. Более тяжелые дигалогениды ливермория, как прогнозируется, будут линейными, а более легкие – угловыми.

Livermorium is expected to be near an island of stability centered on copernicium (element 112) and flerovium (element 114). Due to the expected high fission barriers, any nucleus within this island of stability exclusively decays by alpha decay and perhaps some electron capture and beta decay. While the known isotopes of livermorium do not actually have enough neutrons to be on the island of stability, they can be seen to approach the island, as the heavier isotopes are generally the longer lived ones. depending on the excitation energy of the compound nucleus produced. In hot fusion reactions, very light, high energy projectiles are accelerated toward very heavy targets (actinides), giving rise to compound nuclei at high excitation energy (~40–50 MeV) that may either fission or evaporate several (3 to 5) neutrons. In cold fusion reactions (which use heavier projectiles, typically from the fourth period, and lighter targets, usually lead and bismuth), the produced fused nuclei have a relatively low excitation energy (~10–20 MeV), which decreases the probability that these products will undergo fission reactions. As the fused nuclei cool to the ground state, they require emission of only one or two neutrons. Hot fusion reactions tend to produce more neutron rich products because the actinides have the highest neutron to proton ratios of any elements that can presently be made in macroscopic quantities. Important information could be gained regarding the properties of superheavy nuclei by the synthesis of more livermorium isotopes, specifically those with a few neutrons more or less than the known ones – 286Lv, 287Lv, 289Lv, 294Lv, and 295Lv. This is possible because there are many reasonably long lived isotopes of curium that can be used to make a target. The synthesis of the heavy isotopes 294Lv and 295Lv could be accomplished by fusing the heavy curium isotope curium 250 with calcium 48. The cross section of this nuclear reaction would be about 1 picobarn, though it is not yet possible to produce 250Cm in the quantities needed for target manufacture. Recently it has been shown that the multi nucleon transfer reactions in collisions of actinide nuclei (such as uranium and curium) might be used to synthesize the neutron rich superheavy nuclei located at the island of stability, although formation of the lighter elements nobelium or seaborgium is more favored. In relation to livermorium atoms, it lowers the 7s and the 7p electron energy levels (stabilizing the corresponding electrons), but two of the 7p electron energy levels are stabilized more than the other four. The stabilization of the 7s electrons is called the inert pair effect, and the effect "tearing" the 7p subshell into the more stabilized and the less stabilized parts is called subshell splitting. Computation chemists see the split as a change of the second (azimuthal) quantum number l from 1 to 1/2 and 3/2 for the more stabilized and less stabilized parts of the 7p subshell, respectively: the 7p1/2 subshell acts as a second inert pair, though not as inert as the 7s electrons, while the 7p3/2 subshell can easily participate in chemistry. The electron of a hydrogen like livermorium atom (oxidized so that it only has one electron, Lv115+) is expected to move so fast that it has a mass 1.86 times that of a stationary electron, due to relativistic effects. For comparison, the figures for hydrogen like polonium and tellurium are expected to be 1.26 and 1.080 respectively. Spin orbit interactions are expected to make the Lv–H bond longer than expected from periodic trends alone, and make the H–Lv–H bond angle larger than expected: this is theorized to be because the unoccupied 8s orbitals are relatively low in energy and can hybridize with the valence 7p orbitals of livermorium. The heavier livermorium dihalides are predicted to be linear, but the lighter ones are predicted to be bent.

Экспериментальная химия

Неоднозначное определение химических характеристик ливермория до сих пор не установлено. В 2011 году были проведены эксперименты по созданию изотопов нихония, флеровия и московия в реакциях между пучками ионов кальция-48 и мишенями из америция-243 и плутония-244. Мишени содержали примеси свинца и висмута, в результате чего в реакциях переноса нуклонов образовывались некоторые изотопы висмута и полония. Это, хотя и являлось непредвиденным осложнением, может предоставить информацию, которая поможет в будущем химическом исследовании более тяжелых гомологов висмута и полония, то есть московия и ливермория.