Ученые определили химические свойства сверхтяжелых элементов московия и нихония

Фото из открытых источников

Международная группа под руководством ученых из GSI/FAIR в Дармштадте, Университета Иоганна Гутенберга в Майнце и Института Гельмгольца в Майнце успешно определила химические свойства искусственно созданных сверхтяжелых элементов московия и нихония (элементы 115 и 113).

Таким образом, московий стал самым тяжелым элементом, когда-либо изученным химически. Оба недавно охарактеризованных элемента химически более активны, чем флеровий (элемент 114), который ранее изучался в GSI/FAIR. Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Chemistry .

Благодаря этому результату эксперименты в GSI/FAIR теперь предоставляют данные о трех сверхтяжелых элементах 113, 114 и 115, что позволяет надежно классифицировать их свойства и оценить структуру периодической таблицы в этой экстремальной области.

По мере того как элементы становятся тяжелее, многочисленные протоны в ядре ускоряют электроны, вращающиеся вокруг ядра, до все более высоких скоростей — настолько высоких, что вступают в действие эффекты, объяснимые только с помощью знаменитой теории относительности Эйнштейна. Огромная скорость делает электроны тяжелее.

Например, в свинце (элемент 82) эффекты таких процессов уже проявляются и способствуют химическим процессам в свинцовых аккумуляторах.

Соседи слева и справа — таллий и висмут — ведут себя по-разному. Эффект, хотя и небольшой, локализован на свинце. Может ли сверхтяжелый элемент быть альтернативой свинцу? А как насчет более тяжелого соседа ниже по группе периодической таблицы, флеровия, элемента 114, открытого и химически изученного только за последние 20 лет? Было обнаружено, что он совсем не похож на свинец, легко превращается в газ и менее химически активен.

Чтобы найти ответы, необходимо было также проверить двух соседей, элементы 113, нихоний, и 115, московий. Хотя сообщалось о первых намеках на химию нихония, никто до сих пор не достиг изучения химии московия, где наиболее подходящий изотоп существует всего около 20 сотых секунды.

Этот самый подвиг был достигнут в результате международного сотрудничества в GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung в Дармштадте, Германия. Команда сообщила, что оба соседа, нихоний и московий, показывают более высокую химическую активность, чем промежуточный флеровий.

Таким образом, локальный эффект, наблюдаемый в свинце, также наблюдается и во флеровии, однако гораздо сильнее, что неудивительно, учитывая гораздо более высокий заряд ядра.

Для получения этого результата было достаточно наблюдения всего лишь за горсткой атомов. Однако для достижения этого результата потребовалось два месяца непрерывной круглосуточной работы на ускорителе тяжелых ионов GSI/FAIR.

Для получения сверхтяжелых элементов команда облучала тонкие фольги, содержащие америций-243 (элемент 95), который сам по себе является искусственным элементом, интенсивными ионными пучками кальция-48 (элемент 20). Их синтез привел к образованию ядер московия-288 (элемент 115), которые за доли секунды трансформировались в нихоний-284 (элемент 113).

Инертный газ продувал оба элемента через детекторную решетку, покрытую тонким слоем кварца. Детекторы регистрируют распад отдельных сверхтяжелых атомов и определяют, образуют ли атомы химическую связь с кварцем, достаточно прочную, чтобы удерживать их там, где они впервые сталкиваются с поверхностью.

Более слабая связь приводит к дальнейшему переносу газом. Таким образом, шаблон, зарегистрированный в массиве детекторов, дает информацию о прочности химических связей, а значит, и о химической реактивности элементов. Элементы с низкой реактивностью могут даже выходить из массива, но только для того, чтобы столкнуться с детекторами, покрытыми золотом. Связи с золотом, как правило, сильнее, чем с кварцем, что гарантирует, что каждый изучаемый атом действительно удерживается и регистрируется.

«Благодаря недавно разработанной установке для химического разделения и обнаружения в сочетании с электромагнитным сепаратором TASCA наши исследования методом газовой хроматографии могут быть расширены на более реакционноспособные химические элементы, такие как нихоний и московий», — объясняет доктор Александр Якушев из GSI/FAIR, представитель международного сотрудничества .

«Нам удалось повысить эффективность и сократить время, необходимое для химического разделения, до такой степени, что мы смогли наблюдать очень короткоживущий московий-288 и, с еще большей скоростью, примерно два детектируемых атома в неделю, его дочерний элемент нихоний-284».

Всего было зарегистрировано четыре атома московия, все в массиве, покрытом кварцем. Среди 14 обнаруженных атомов нихония наблюдалось осаждение в основном на кварце, что указывает на образование химической связи.

Один атом достиг покрытого золотом массива, что указывает на то, что связь кварца не очень прочная. Это контрастирует с поведением более легких гомологов таллия (для нихония) и висмута (для московия), которые, как известно, образуют прочные связи с кварцем. Аналогично, свинец, гомолог флеровия, образует прочные связи с кварцем, тогда как флеровий — нет.

Полный набор данных по этим элементам показывает, что сверхтяжелые элементы гораздо менее реакционноспособны, чем их более легкие гомологи, что объясняется инертностью, связанной с возникновением релятивистских эффектов.

Наиболее выраженный эффект локально наблюдается у флеровия, который все еще является металлом, но очень слабо реагирующим — поведение, которое указывает на наличие закрытых электронных (под)оболочек, почти как в нереактивных благородных газах. Результаты демонстрируют влияние теории относительности Эйнштейна на периодическую таблицу и в то же время устанавливают новый рекорд для самого тяжелого элемента, когда-либо изученного химически.

С развитием технологий появляются новые требования к материалам. Могут ли новые элементы внести свой вклад? Подобно тому, как некоторые автомобили перешли от ископаемого топлива к электричеству, другие предметы нашей повседневной жизни также постепенно выводятся из эксплуатации, заменяясь технологиями на основе новых материалов. Однако первое устройство на основе флеровия еще не за горами.

В настоящее время можно производить только один атом в неделю, который длится менее секунды. По мере развития технологий это может измениться, и в конечном итоге станут доступны большие объемы.

Смогут ли они служить в будущих батареях, в качестве медицинских агентов или обогатить нашу жизнь способами, немыслимыми сегодня, мы не знаем. Но благодаря новаторским экспериментам в Дармштадте будущие исследователи получат преимущество и уже будут знать химические свойства этих новых материалов.

Результат также открывает новые перспективы для международного объекта FAIR (Исследовательский центр по исследованию антипротонов и ионов), который в настоящее время строится в Дармштадте.