Дубний: История открытия и свойства элемента 105

Введение

релиз Node.js под названием "Дубний"

Дубний — синтетический химический элемент с символом Db и атомным номером 105. Он обладает высокой радиоактивностью: самый стабильный известный изотоп, дубний-268, имеет период полураспада около 16 часов. Это значительно ограничивает возможность проведения длительных исследований этого элемента. Дубний не встречается в природе на Земле и производится искусственным путём. Советский Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ) заявил об открытии элемента в 1968 году, за которым последовала американская Лоуренсовская Берклийская лаборатория в 1970 году. Обе группы предложили свои названия для нового элемента и использовали их без официального утверждения. Длительный спор был разрешён в 1993 году официальным расследованием заявлений об открытии Рабочей группой по трансфермиевым элементам, сформированной Международным союзом теоретической и прикладной химии и Международным союзом теоретической и прикладной физики, в результате чего признание открытия было официально разделено между обеими группами. В 1997 году элемент был официально назван дубнием в честь города Дубна, где расположен ОИЯИ. Теоретические исследования относят дубний к группе 5 в 6d-серии переходных металлов, помещая его под ванадий, ниобий и тантал. Дубний должен обладать большинством свойств, таких как валентная электронная конфигурация и преобладающая степень окисления +5, характерных для других элементов группы 5, с некоторыми отклонениями, обусловленными релятивистскими эффектами. Ограниченное исследование химии дубния подтвердило это.

Введение

Сверхтяжёлый элемент

Предыстория

Уран, элемент 92, – самый тяжелый элемент, встречающийся в заметных количествах в природе; более тяжелые элементы практически невозможно получить иным способом, кроме синтеза. Первый синтез нового элемента – нептуния, элемента 93 – был осуществлен в 1940 году группой исследователей в США. В последующие годы американские ученые синтезировали элементы вплоть до менделевия, элемента 101, который был получен в 1955 году. Начиная с элемента 102, приоритет открытия оспаривался между американскими и советскими физиками. Их соперничество вылилось в гонку за новые элементы и признание их первооткрывателей, впоследствии получившую название «Трансфермиевые войны».

Доклады

Первый отчёт об открытии элемента 105 поступил из Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Московская область, Советский Союз, в апреле 1968 года. Учёные обстреливали 243Am пучком 22Ne ионов и сообщили об альфа-активности с энергией 9,4 МэВ (с периодом полураспада 0,1–3 секунды) и 9,7 МэВ (T1/2 > 0,05 с), за которой следовали альфа-активности, аналогичные тем, что наблюдались для 256103 или 257103. Основываясь на предыдущих теоретических предсказаниях, две линии активности были отнесены к 261105 и 260105 соответственно. После сбора дополнительных данных ОИЯИ предложил назвать элемент борием (Bo) в честь датского физика-ядерщика Нильса Бора, одного из основоположников теорий атомной структуры и квантовой теории; вскоре предложение было изменено на нильсборий (Ns) во избежание путаницы с бором. Другим предложенным названием был дубний. Когда LBL впервые объявила о синтезе элемента 105, они предложили назвать новый элемент ганий (Ha) в честь немецкого химика Отто Хана, «отца ядерной химии», что привело к спору об именовании элемента. В начале 1970-х годов обе группы сообщили о синтезе следующего элемента, элемента 106, но не предложили названий. ОИЯИ предложил создать международный комитет для уточнения критериев открытия. Это предложение было принято в 1974 году, и была сформирована нейтральная совместная группа. Ни одна из групп не проявила интереса к разрешению конфликта с помощью третьей стороны, поэтому ведущие учёные LBL – Альберт Гиорсо и Гленн Сиборг – отправились в Дубну в 1975 году и встретились с ведущими учёными ОИЯИ – Георгием Флёровым, Юрием Оганесяном и другими – чтобы попытаться разрешить конфликт внутри и сделать нейтральную совместную группу ненужной; после двух часов обсуждений это не удалось. Совместная нейтральная группа так и не собралась для оценки претензий, и конфликт остался неразрешённым. В 1981 году Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI; Общество исследований тяжёлых ионов) в Дармштадте, Гессен, ФРГ, заявила о синтезе элемента 107; их отчёт был опубликован через пять лет после первого отчёта ОИЯИ, но с большей точностью, что делало заявление об открытии более убедительным. GSI признала усилия ОИЯИ, предложив название нильсборий для нового элемента. Это предложение подверглось критике со стороны американских учёных по нескольким причинам. Во-первых, их предложения были перепутаны: названия рутерфордий и ганий, первоначально предложенные Беркли для элементов 104 и 105, были соответственно переназначены элементам 106 и 108. Во-вторых, элементам 104 и 105 были даны названия, предпочтительные для ОИЯИ, несмотря на предыдущее признание LBL равноправным соавтором открытия обоих элементов. В-третьих, и что наиболее важно, IUPAC отклонил название сиборгий для элемента 106, только что утвердив правило, согласно которому элемент не может быть назван в честь живущего человека, хотя отчёт 1993 года приписывал команде LBL исключительную заслугу в его открытии. В 1995 году IUPAC отказался от спорного правила и создал комитет национальных представителей с целью поиска компромисса. Они предложили сиборгий для элемента 106 в обмен на отказ от всех остальных американских предложений, за исключением утверждённого названия лоуренсий для элемента 103. Не менее укоренившееся название нобелий для элемента 102 было заменено на флёровий в честь Георгия Флёрова, после признания в отчёте 1993 года, что этот элемент был впервые синтезирован в Дубне. Это было отвергнуто американскими учёными, и решение было отменено. В 1996 году IUPAC провело ещё одно совещание, пересмотрело все имеющиеся названия и приняло новый набор рекомендаций; он был одобрен и опубликован в 1997 году. Элемент 105 был назван дубний (Db) в честь Дубны в России, местоположения ОИЯИ; американские предложения были использованы для элементов 102, 103, 104 и 106. Название дубний ранее использовалось для элемента 104 в предыдущей рекомендации IUPAC. Американские учёные «неохотно» одобрили это решение. IUPAC отметил, что лаборатория Беркли уже была признана несколько раз в названиях беркелий, калифорний и америций, и что принятие названий рутерфордий и сиборгий для элементов 104 и 106 должно быть компенсировано признанием вклада ОИЯИ в открытие элементов 104, 105 и 106. Даже после 1997 года LBL иногда использовала название ганий для элемента 105 в своих материалах, вплоть до 2014 года. Однако проблема была решена в научной литературе, поскольку Йенс Волькер Крац, редактор Radiochimica Acta, отказался принимать статьи, не использующие номенклатуру IUPAC 1997 года.

The first report of the discovery of element 105 came from the Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, Moscow Oblast, Soviet Union, in April 1968. The scientists bombarded 243Am with a beam of 22Ne ions, and reported 9.4 MeV (with a half life of 0.1–3 seconds) and 9.7 MeV (t1/2 > 0.05 s) alpha activities followed by alpha activities similar to those of either 256103 or 257103. Based on prior theoretical predictions, the two activity lines were assigned to 261105 and 260105, respectively. After collecting more data, JINR proposed the name bohrium (Bo) in honor of the Danish nuclear physicist Niels Bohr, a founder of the theories of atomic structure and quantum theory; they soon changed their proposal to nielsbohrium (Ns) to avoid confusion with boron. Another proposed name was dubnium. When LBL first announced their synthesis of element 105, they proposed that the new element be named hahnium (Ha) after the German chemist Otto Hahn, the "father of nuclear chemistry", thus creating an element naming controversy. In the early 1970s, both teams reported synthesis of the next element, element 106, but did not suggest names. JINR suggested establishing an international committee to clarify the discovery criteria. This proposal was accepted in 1974 and a neutral joint group formed. Neither team showed interest in resolving the conflict through a third party, so the leading scientists of LBL—Albert Ghiorso and Glenn Seaborg—traveled to Dubna in 1975 and met with the leading scientists of JINR—Georgy Flerov, Yuri Oganessian, and others—to try to resolve the conflict internally and render the neutral joint group unnecessary; after two hours of discussions, this failed. The joint neutral group never assembled to assess the claims, and the conflict remained unresolved. In 1981, the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI; Society for Heavy Ion Research) in Darmstadt, Hesse, West Germany, claimed synthesis of element 107; their report came out five years after the first report from JINR but with greater precision, making a more solid claim on discovery. GSI acknowledged JINR's efforts by suggesting the name nielsbohrium for the new element. This recommendation was criticized by the American scientists for several reasons. Firstly, their suggestions were scrambled: the names rutherfordium and hahnium, originally suggested by Berkeley for elements 104 and 105, were respectively reassigned to elements 106 and 108. Secondly, elements 104 and 105 were given names favored by JINR, despite earlier recognition of LBL as an equal co discoverer for both of them. Thirdly and most importantly, IUPAC rejected the name seaborgium for element 106, having just approved a rule that an element could not be named after a living person, even though the 1993 report had given the LBL team the sole credit for its discovery. In 1995, IUPAC abandoned the controversial rule and established a committee of national representatives aimed at finding a compromise. They suggested seaborgium for element 106 in exchange for the removal of all the other American proposals, except for the established name lawrencium for element 103. The equally entrenched name nobelium for element 102 was replaced by flerovium after Georgy Flerov, following the recognition by the 1993 report that that element had been first synthesized in Dubna. This was rejected by American scientists and the decision was retracted. In 1996, IUPAC held another meeting, reconsidered all names in hand, and accepted another set of recommendations; it was approved and published in 1997. Element 105 was named dubnium (Db), after Dubna in Russia, the location of the JINR; the American suggestions were used for elements 102, 103, 104, and 106. The name dubnium had been used for element 104 in the previous IUPAC recommendation. The American scientists "reluctantly" approved this decision. IUPAC pointed out that the Berkeley laboratory had already been recognized several times, in the naming of berkelium, californium, and americium, and that the acceptance of the names rutherfordium and seaborgium for elements 104 and 106 should be offset by recognizing JINR's contributions to the discovery of elements 104, 105, and 106. Even after 1997, LBL still sometimes used the name hahnium for element 105 in their own material, doing so as recently as 2014. However, the problem was resolved in the literature as Jens Volker Kratz, editor of Radiochimica Acta, refused to accept papers not using the 1997 IUPAC nomenclature.

Изотопы

Дубний, имеющий атомный номер 105, является сверхтяжёлым элементом; как и все элементы с такими высокими атомными номерами, он очень нестабилен. Самый долгоживущий из известных изотопов дубния, 268Db, имеет период полураспада около суток. Стабильных изотопов не обнаружено, и расчёты, проведённые в JINR в 2012 году, показали, что период полураспада всех изотопов дубния существенно не превышает одних суток. Ранее заявлялось о существовании изотопа с периодом полураспада более 100 миллионов лет в 2009 году; ни одно из этих утверждений не получило признания. Короткий период полураспада дубния затрудняет проведение экспериментов. Это усугубляется тем, что наиболее стабильные изотопы сложнее всего синтезировать. Элементы с меньшим атомным номером имеют стабильные изотопы с меньшим отношением нейтронов к протонам, чем элементы с большим атомным номером, что означает, что ядра-мишени и ядра-снаряды, используемые для создания сверхтяжёлого элемента, содержат меньше нейтронов, чем необходимо для образования этих наиболее стабильных изотопов. (С 2010-х годов рассматриваются различные методы, основанные на быстрых реакциях захвата и переноса нейтронов, но методы, основанные на столкновении тяжёлого и лёгкого ядра, по-прежнему преобладают в исследованиях в этой области.) В каждом эксперименте удаётся получить лишь несколько атомов 268Db, поэтому измеренные времена жизни значительно варьируются. По состоянию на 2022 год, после дополнительных экспериментов, проведённых на Фабрике сверхтяжёлых элементов JINR (начавшей работу в 2019 году), период полураспада 268Db измерен как 16 часов, 1,3 часа и 1,6 часа. Эти два изотопа – самые тяжёлые изотопы дубния, полученные на сегодняшний день, и оба образовались в результате распада более тяжёлых ядер 288Mc и 294Ts, а не напрямую, поскольку эксперименты, в которых они были получены, изначально были разработаны в Дубне для пучков 48Ca. Для своей массы 48Ca обладает наибольшим избытком нейтронов среди всех практически стабильных ядер, как в количественном, так и в относительном выражении.

Прогнозируемые свойства

Согласно периодическому закону, дубний должен относиться к 5-й группе, вместе с ванадием, ниобием и танталом. Ряд исследований изучали свойства элемента 105 и обнаружили, что они в основном соответствуют предсказаниям периодического закона. Однако значительные отклонения все же могут возникать из-за релятивистских эффектов, которые существенно изменяют физические свойства как на атомном, так и на макроскопическом уровнях. Измерение этих свойств оставалось сложной задачей по нескольким причинам: трудности в производстве сверхтяжелых атомов, низкая скорость их образования, что позволяет работать только с микроскопическими количествами, необходимость в радиохимической лаборатории для проведения исследований, короткий период полураспада этих атомов и наличие множества нежелательных радиоактивных продуктов, помимо продуктов синтеза сверхтяжелых атомов. На данный момент исследования проводились только с отдельными атомами. В 2009 году на тандемном ускорителе JAEA в Японии дубний обрабатывали в растворе азотной и плавиковой кислот при концентрациях, при которых ниобий образует NbOF4, а тантал – TaF6. Поведение дубния оказалось близким к ниобию, но не к танталу; из этого следовало, что дубний образует DbOF4. На основании имеющихся данных было заключено, что дубний часто проявляет свойства, аналогичные ниобию, иногда – протактинию, но редко – танталу. В 2021 году на тандемном ускорителе JAEA экспериментально изучались летучие тяжелые оксихлориды 5-й группы MOCl3 (M = Nb, Ta, Db). Было установлено, что летучесть убывает в следующем порядке: NbOCl3 > TaOCl3 ≥ DbOCl3, что указывает на соответствие поведения дубния периодическим закономерностям.