Унинбилий: Гипотетический элемент 120

Введение

Гипотетический химический элемент, символ Ubn и атомный номер 120.

Унбинилий, также известный как эка-радий или элемент 120, является гипотетическим химическим элементом с символом Ubn и атомным номером 120. Унбинилий и Ubn – временные систематические названия и символы IUPAC, используемые до момента открытия и подтверждения элемента, а также до принятия постоянного названия. В периодической таблице элементов он, как ожидается, будет s-блочным элементом, щелочноземельным металлом и вторым элементом восьмого периода. Он привлек внимание благодаря прогнозам о его возможном расположении в острове стабильности. Несмотря на многочисленные попытки немецких и российских команд, унбинилий еще не синтезирован. Экспериментальные данные, полученные в ходе этих попыток, свидетельствуют о том, что элементы восьмого периода, вероятно, будет гораздо сложнее синтезировать, чем ранее известные элементы. Новые попытки синтеза унбинилия американскими, российскими и китайскими командами планируется начать в середине 2020-х годов. Положение унбинилия как седьмого щелочноземельного металла предполагает, что он будет обладать свойствами, схожими со свойствами его более легких аналогов; однако релятивистские эффекты могут привести к отличиям некоторых его свойств от ожидаемых на основе закономерностей периодической системы. Например, ожидается, что унбинилий будет менее реакционноспособен, чем барий и радий, и ближе по своим свойствам к стронцию. Хотя он должен проявлять характерную степень окисления +2 для щелочноземельных металлов, также прогнозируется, что он будет проявлять степени окисления +4 и +6, которые неизвестны для других щелочноземельных металлов.

Введение

Сверхтяжёлый элемент

История

Элементы 114–118 (флеровий – оганесон) были получены в реакциях "горячего синтеза" при бомбардировке актиноидов от плутония до калифорния ионами кальция-48 – квазистабильного изотопа, богатого нейтронами, который можно использовать как снаряд для создания более нейтронообогащенных изотопов сверхтяжелых элементов. Для более эффективного получения других сверхтяжелых элементов потребуется бомбардировка актиноидов снарядами, тяжелее кальция-48, однако это представляется более сложной задачей.

Планируется

В мае 2021 года Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) объявил о планах исследовать реакцию 249Cf+50Ti в своем новом комплексе. Мишень 249Cf будет изготовлена в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Оук-Ридже, штат Теннесси, США, а луч 50Ti – в Плюридисциплинарном институте имени Юбера Кюрьена в Страсбурге, Эльзас, Франция. Если дипломатические отношения между Россией и Соединенными Штатами сделают это невозможным, то планировалось исследовать реакцию 248Cm+54Cr, используя российскую мишень 248Cm и французский луч 54Cr, хотя поперечное сечение, вероятно, будет в три-десять раз ниже. После начала российского вторжения в Украину в феврале 2022 года сотрудничество между ОИЯИ и другими институтами полностью прекратилось из-за санкций. Начиная с 2022 года, разрабатывались планы по использованию 88-дюймового циклотрона в Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (LBNL) в Беркли, Калифорния, США, для попыток создания новых элементов с использованием снарядов 50Ti. Планируется сначала протестировать их на плутониевой мишени для создания ливермория (элемент 116) в конце 2023 года. В случае успеха, попытка синтеза элемента 120 в реакции 249Cf+50Ti начнется, вероятно, не ранее 2024 года. В марте 2022 года Юрий Оганесян провел семинар в ОИЯИ, посвященный рассмотрению способов синтеза элемента 120 в реакции 248Cm+54Cr. В 2023 году директор ОИЯИ Григорий Трубников заявил, что надеется на начало экспериментов по синтезу элемента 120 в 2025 году. В конце 2023 года ОИЯИ сообщил о первом успешном синтезе сверхтяжелого элемента с использованием снаряда тяжелее 48Ca: мишень 238U была обстреляна 54Cr для получения нового изотопа ливермория, 288Lv. Успешный синтез сверхтяжелого нуклида в этом эксперименте оказался неожиданно хорошим результатом; целью было экспериментальное определение поперечного сечения реакции с 54Cr-снарядами и подготовка к синтезу элемента 120. Луч 54Cr был получен путем подачи летучего органохромового соединения хромоцена (Cr(C5H5)2) в ионный источник: сам хромоцен был синтезирован в ОИЯИ и в Институте органоэлементных соединений имени Несмеянова в России. Команда из Научно-исследовательского центра тяжелых ионов в Ланьчжоу, находящегося под управлением Института современной физики (ИМФ) Китайской академии наук, также планирует синтезировать элементы 119 и 120. В реакциях будут использоваться актинидные мишени (например, 243Am, 248Cm) и снаряды из переходных металлов первого ряда (например, 50Ti, 51V, 54Cr, 55Mn).

In May 2021, the JINR announced plans to investigate the 249Cf+50Ti reaction in their new facility. The 249Cf target would be produced by the Oak Ridge National Laboratory in Oak Ridge, Tennessee, United States; the 50Ti beam would be produced by the Hubert Curien Pluridisciplinary Institute in Strasbourg, Alsace, France. If diplomatic relations between Russia and the United States made this impossible, then the plan was to investigate the 248Cm+54Cr reaction instead, with a Russian produced 248Cm target and a French produced 54Cr beam, though the cross section would likely be three to ten times lower. After the Russian invasion of Ukraine began in February 2022, collaboration between the JINR and other institutes completely ceased due to sanctions. Starting from 2022, plans began to be made to use the 88 inch cyclotron in the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Berkeley, California, United States to attempt to make new elements using 50Ti projectiles. The plan is to first test them on a plutonium target to create livermorium (element 116) in late 2023. If that is successful, an attempt to make element 120 in the 249Cf+50Ti reaction will begin, probably in 2024 at the earliest. In March 2022, Yuri Oganessian gave a seminar at the JINR considering how one could synthesise element 120 in the 248Cm+54Cr reaction. In 2023, the director of the JINR, Grigory Trubnikov, stated that he hoped that the experiments to synthesise element 120 will begin in 2025. In late 2023, the JINR reported the first successful synthesis of a superheavy element with a projectile heavier than 48Ca: 238U was bombarded with 54Cr to make a new isotope of livermorium, 288Lv. Successful synthesis of a superheavy nuclide in this experiment was an unexpectedly good result; the aim was to experimentally determine the cross section of a reaction with 54Cr projectiles and prepare for the synthesis of element 120. The 54Cr beam was produced by feeding the volatile organochromium compound chromocene (Cr(C5H5)2) into an ion source: the chromocene itself was produced at the JINR and at the Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds in Russia. The team at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, which is operated by the Institute of Modern Physics (IMP) of the Chinese Academy of Sciences, also plans to synthesise elements 119 and 120. The reactions used will involve actinide targets (e. g. 243Am, 248Cm) and first row transition metal projectiles (e. g. 50Ti, 51V, 54Cr, 55Mn).

Именование

Менделеевская номенклатура для безымянных и неоткрытых элементов называла бы унбинилий эка-радианием. Рекомендации IUPAC 1979 года временно называют его унбинилием (символ Ubn), пока он не будет открыт, открытие не будет подтверждено и не будет выбрано постоянное название. Хотя систематические названия IUPAC широко используются в химическом сообществе на всех уровнях, от учебных классов химии до передовых учебников, ученые, работающие теоретически или экспериментально над сверхтяжелыми элементами, обычно называют его «элементом 120» с символом E120, (120) или 120. Стабильность ядер значительно уменьшается с увеличением атомного номера после курия, элемента 96, период полураспада которого на четыре порядка величины больше, чем у любого известного в настоящее время элемента с большим атомным номером. Все изотопы с атомным номером выше 101 подвергаются радиоактивному распаду с периодом полураспада менее 30 часов. Ни один элемент с атомным номером выше 82 (после свинца) не имеет стабильных изотопов. Тем не менее, по причинам, которые пока недостаточно изучены, наблюдается небольшое увеличение ядерной стабильности в области атомных номеров 110–114, что приводит к появлению так называемого в ядерной физике «острова стабильности». Эта концепция, предложенная профессором Калифорнийского университета Гленном Сиборгом, объясняет, почему сверхтяжелые элементы существуют дольше, чем предсказывалось. Предполагается, что изотопы унбинилия имеют период полураспада альфа-частиц порядка микросекунд. В квантово-туннельной модели с оценками массы, полученными из макроскопической микроскопической модели, было предсказано, что период полураспада альфа-распада нескольких изотопов унбинилия (292–304Ubn) составляет около 1–20 микросекунд. Некоторые более тяжелые изотопы могут быть более стабильными; Фрике и Вабер предсказали, что 320Ubn будет самым стабильным изотопом унбинилия в 1971 году. В 2008 году группа из GANIL (Франция) описала результаты нового метода, который позволяет измерять период полураспада ядра соединения при высокой энергии возбуждения, поскольку выходы значительно выше, чем при каналах испарения нейтронов. Это также полезный метод для изучения влияния заполненных оболочек на выживаемость составных ядер в сверхтяжелой области, что может указать на точное положение следующей протонной оболочки (Z = 114, 120, 124 или 126). Группа исследовала реакцию ядерного синтеза между ионами урана и мишенью из природного никеля: возможность измерения такого процесса указывает на сильный эффект оболочки при Z = 120. При более низкой энергии возбуждения (см. испарение нейтронов) эффект оболочки усилится, и можно ожидать, что ядра в основном состоянии будут иметь относительно длительный период полураспада. Этот результат может частично объяснить относительно длительный период полураспада 294Og, измеренный в экспериментах в Дубне. Подобные эксперименты показали аналогичное явление для элемента 124, но не для флеровия, что позволяет предположить, что следующая протонная оболочка действительно находится за пределами элемента 120. В сентябре 2007 года группа RIKEN начала программу с использованием мишеней 248Cm и указала на будущие эксперименты для изучения возможности того, что 120 является следующим магическим числом протонов (а 184 – следующим магическим числом нейтронов), используя вышеупомянутые ядерные реакции для образования 302Ubn*, а также 248Cm+54Cr. Они также планировали более детально изучить область, исследуя близлежащие составные ядра 296Og*, 298Og*, 306Ubb* и 308Ubb*.

Mendeleev's nomenclature for unnamed and undiscovered elements would call unbinilium eka radium. The 1979 IUPAC recommendations temporarily call it unbinilium (symbol Ubn) until it is discovered, the discovery is confirmed and a permanent name chosen. Although the IUPAC systematic names are widely used in the chemical community on all levels, from chemistry classrooms to advanced textbooks, scientists who work theoretically or experimentally on superheavy elements typically call it "element 120", with the symbol E120, (120) or 120.]] The stability of nuclei decreases greatly with the increase in atomic number after curium, element 96, whose half life is four orders of magnitude longer than that of any currently known higher numbered element. All isotopes with an atomic number above 101 undergo radioactive decay with half lives of less than 30 hours. No elements with atomic numbers above 82 (after lead) have stable isotopes. Nevertheless, because of reasons not yet well understood, there is a slight increase of nuclear stability around atomic numbers 110–114, which leads to the appearance of what is known in nuclear physics as the "island of stability". This concept, proposed by University of California professor Glenn Seaborg, explains why superheavy elements last longer than predicted. Isotopes of unbinilium are predicted to have alpha decay half lives of the order of microseconds. In a quantum tunneling model with mass estimates from a macroscopic microscopic model, the alpha decay half lives of several unbinilium isotopes (292–304Ubn) have been predicted to be around 1–20 microseconds. Some heavier isotopes may be more stable; Fricke and Waber predicted 320Ubn to be the most stable unbinilium isotope in 1971. In 2008, the team at GANIL, France, described the results from a new technique which attempts to measure the fission half life of a compound nucleus at high excitation energy, since the yields are significantly higher than from neutron evaporation channels. It is also a useful method for probing the effects of shell closures on the survivability of compound nuclei in the super heavy region, which can indicate the exact position of the next proton shell (Z = 114, 120, 124, or 126). The team studied the nuclear fusion reaction between uranium ions and a target of natural nickel: the ability to measure such a process indicates a strong shell effect at Z = 120. At lower excitation energy (see neutron evaporation), the effect of the shell will be enhanced and ground state nuclei can be expected to have relatively long half lives. This result could partially explain the relatively long half life of 294Og measured in experiments at Dubna. Similar experiments have indicated a similar phenomenon at element 124 but not for flerovium, suggesting that the next proton shell does in fact lie beyond element 120. In September 2007, the team at RIKEN began a program utilizing 248Cm targets and have indicated future experiments to probe the possibility of 120 being the next proton magic number (and 184 being the next neutron magic number) using the aforementioned nuclear reactions to form 302Ubn*, as well as 248Cm+54Cr. They also planned to further chart the region by investigating the nearby compound nuclei 296Og*, 298Og*, 306Ubb*, and 308Ubb*.