一个原子实验在元素周期表的边缘

2018年,彼得Schwerdtfeger发表了一篇论文,化学。根据他和他的同事计算执行,oganesson - 118号元素,最重的,不是惰性气体,正如你所期待的那样,它在元素周期表中的位置,而是一种高活性固体。即使是陌生人,它似乎没有电子外壳。¹

说,这种说法是过于简单化的Schwerdtfeger,理论化学家在新西兰梅西大学。你仍然可以建立电子密度从轨道描述个体的贝壳。oganesson外壳结构,肉眼难辨,接近一个电子气体。”

而计算,完成与密歇根州立大学的研究人员在美国,还没有被证实,他们可能不会一直保持得更久。元素,实验已经开始调查以前认为不可侵犯的。结果离开一切化学家。

一个超重的问题

104年及以后的元素称为超重元素。他们在地球上不存在,必须创建一个原子被打碎原子粒子加速器的两个较轻的元素。这是一个过程,成本成百上千英镑的光束。典型的产量变化取决于元素;有的一个原子一个星期,有的一天一个原子。元素的属性也是一个障碍:所有已知的同位素的超重元素不稳定和高放射性。在大多数情况下,任何实验必须在几秒钟内执行,如果它是任何成功的希望。

尽管困难,实验证实超重元素的地方元素周期表的第七行几乎发生了自从他们第一次被发现是在1960年代末。1970年,加利福尼亚大学的一个小组,伯克利,我们能够运行rutherfordium - 261原子通过离子交换柱和钛的证明这是一个同系物。²整个实验——从创建单个原子来隔离并运行它通过装置——花了不到一分钟。

随着技术的不断发展,出现了的复杂性能够做些什么。例如,第一个化学实验在钍,105号元素,看到原子与氯化钾气溶胶,收集在玻璃板上,熏洗和硝酸和光谱学研究。钍吸附在玻璃上,轻组5元素的跟随趋势。

在21世纪,更快的实验和更好的粒子加速器能够生产和检测的原子更经常定期超重的化学测试。只有最基本的实验可以尝试,即使这些可以揭示了很多关于一个元素。例如,在2014年,一个团队工作,这里在日本——实验室发现nihonium功臣,113号元素与neon-22 -轰击锔- 248目标,创建原子seaborgium, 106号元素,在分离之前他们从梁使用磁铁和治疗一氧化碳。由此产生的分子被一个硅用于气相色谱柱排列着辐射探测器。只有18个原子,团队能够证实seaborgium成立了Sg(有限公司)₆羰基,就像其轻同系物钼和钨。通过加热六羰基、团队然后摧毁了债券和债券计算优势。最重的元素也成功的直接质量测量,计算一个原子的质荷比,当一个原子内影响探测器。

最具挑战性的工作付出的远端的第七行元素周期表,元素的不同从他们的预期性能。质子和中子在原子核的数量增加,那么原子核附近电子由于量子力学的影响。这使附近的电子进入了轨道,增加他们的速度和质量(由于相对论)。的现象,给黄金其独特的色彩,或使水银液体在室温下。”很明显,主组超重元素(113 - 118),以及过渡金属roentgenium末和copernicium(111和112),相对论效应是非常重要的,”Schwerdtfeger解释道。”roentgenium copernicium,我们有强大的相对论s亚层稳定,和p区元素我们也有强烈的p-subshell在手性耦合。这导致大型物理和化学性质的变化。

atom-at-a-time化学和光谱学的未来一片光明

放射化学实验室主管罗伯特•为在瑞士保罗谢勒研究所,已使用超快技术调查copernicium和flerovium的化学性质。他称Schwerdtfeger的计算“改变游戏规则”的实验是如何接近的元素。的电离势和电子亲和能越低,金属元素越多,”他解释说。内聚能是等价的升华焓变我们化学家用来描述一种元素或化合物的波动。”

速度意味着为气固色谱实验必须保持简单。创建一个原子,它是分离和发射探测器与温度梯度的数组。通过测量原子吸附,可以计算其升华焓变。这些属性通常遵循周期性规律,虽然有明显的变化。为发现的行为flerovium指向更高层次的惰性与它最接近的同系物相比,铅;它仍然像一个金属,但只有很少。³问题是,因为只有大约100个原子的flerovium曾经被创建,实验确定很难实现。其他团队正试图复制他们的发现,或寻找新的方法来探测flerovium,等被困里面thiacrown醚。⁴

在理论上,这种技术可以被用于甚至更重的元素。我们现在有我们的手oganesson的预测,表明其汞和copernicium之间波动,“为说,指Schwerdfeger近期的一篇论文表明oganesson是半导体。⁵“因此,我们可以将类似的实验策略应用到评估oganesson的特点。“Schwerdtfeger同意:”atom-at-a-time化学和光谱学的未来一片光明。一个陷阱一个原子和执行在第二光谱实验或更少的时间框架。的挑战,都承认,此刻连他快速实验不够快。,即使他可以加快测试,将新成立的原子从残骸中发现的粒子加速器仍然需要十分之一秒- 200倍的时间比oganesson唯一的已知的同位素的半衰期。

接下来的步骤

虽然oganesson是遥不可及,没有人承认失败。攻击的一个主要障碍周期表的这一端是原子的数量有限,所以一大步是扩大生产规模。在联合核研究所(JINR)杜布俄罗斯、超重元素工厂旨在加快原子的过程。今年早些时候推出了新的设施能够向一个目标——60万亿离子光束强烈十倍比它最接近的对手。

超重元素工厂的主要动机是创建119年和120年的未被发现的元素与来自世界各地的团队合作。但这台机器也能够促进我们理解现有的元素,。加速器是用来创建同位素我们知道和爱,”马克stoye说,从在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室,和团队的一部分,发现114 - 118年在JINR元素。的想法是,如果你可以产生更多的给定的同位素,你可以做其他的实验不仅仅是看它腐烂。而不是等一个星期,或者几周,您现在可以让数以千万计的原子,所以你可以做任何事要快得多。”

的原子听起来并不多,尤其是当他们的半衰期是指他们在不到一秒的衰变。但stoye认为超重元素为化学家工厂将打开新选项。“我们来看livermorium,”他说,指的是116号元素。有四种同位素,半衰期在几十毫秒。你不太可能得到两个原子,但是你可以做的是把它们放在氯、氧和氢,看看他们是如何交互的。让你的线索的化学。

使元素的一个主要问题是,技术,称为热核聚变,包括中子的损失,像压载扔走,试图减少能源和稳定新形成的核。然而,flerovium等元素,更丰中子同位素更长寿。例如,尽管flerovium - 289时创建三个中子丢失在热核聚变,半衰期约1.9秒,flerovium - 290,当只丢了两个中子,是稳定的19秒左右。创建了更多的原子,的机会越高生产flerovium - 290使财富的快速反应成为可能。

我们知道的一切,观察必须由一个潜在的理论解释

”如果你有生产1000倍,你可以把制造的东西敏感,所以是1000倍的努力,“说Rolf-Dietmar赫兹伯格,英国利物浦大学核物理学家。如果你选择你的能量不同,你可以寻找2 n(失去两个中子)通道的。

”在一个幻想的世界里,我们可能会得到1 n(一个中子损失)频道,“stoye补充道,暗示的可能性未被发现的flerovium - 291同位素可以测量其半衰期在几分钟内。然后你有机会做其他的事情。研究氧化形式,确定喜欢的元素的氧化态。有多少电子喜欢输吗?超重元素的工厂可以提供我们机会去学习和扩大本地区多一点。”

即使flerovium实验成功,还是有些距离团队的真正目标:稳定。flerovium - 298被认为是一个地区的中心核稳定,由于有了壳(称为神奇的数字)的质子和中子。这里,flerovium理论上存在的半衰期是一百万多年;问题是,没有人能想出一个反应在实验室中,可以创建这样的丰中子同位素。

即便如此,这些实验也给理论家机会磨练或证实他们的模型。“我们知道必须用一个潜在的理论来解释,并观察“Schwerdfeger说。“所谓的粒子物理学标准模型预测性能的前所未有的准确性。我们手头的理论预测任何元素周期表的财产在任何聚合状态。问题在于,作为物理学家保罗·狄拉克曾经说过,方程很难处理。但在量子化学取得了巨大的进步在过去的20年。我们可以计算精度高…但它总是好的,看看理论赞同实验”。

一个混乱的未来

目前,团队在JINR试图创建元素119年发射丰中子titanium-50梁锫;他们是与一个团队竞争,这里,那些试图打造的新元素钒锔目标射击。大多数研究人员预计在五年内成功的一个或两个。

虽然超重元素社区在很大程度上是在119年和120年的协议元素将属于组1和2的元素周期表,元素一个问号笼罩着。现代计算把点不可能有更多的元素,因为原子核不能维系在172号元素,显示仍有三分之一的表发现。问题是如何映射到元素周期表。121号元素属于集团3吗?它形成一个新的“superactinide”系列的开始吗?或者做一些完全不同的吗?

提出的一个想法,赫尔辛基大学Pekka Pyykko,芬兰,会看到一个全新的系列- - -一个新的电子壳层。121 - 138年在我的提议,元素将正式形成“5克行”,“Pyykko说。的一种新型的电子壳层,或“g”l= 4,开始被占据。与4 f壳,将再次非常紧凑,深处原子,和对于某些职业,强烈的磁场。

这些不属于镧系和锕系元素,但在另一个单独的盒子。Pyykko的计算会看到他的系列加入元素的主要元素周期表139年和140年分别在组13和14,在元素之前141 - 155分为新系列在锕系元素。⁶156号元素会因此钛的同系物,创建一个看似随机的元素原子序数弓壳结构和周期性的规则。

Pyykko的想法是最激烈的,太。为一个元素被认为是创建,目前需要一个半衰期时间比10^-14年秒——大致时间吸引电子的阳离子。然而,在最好的理论模型,有可能会有一个地区的新元素与同位素所以他们不能满足这一类不稳定,而不是现有的阳离子。我们会考虑这些核化学的一部分,或者仅仅是一些物理学家担心吗?

虽然目前只是一个理论,如果真的将再次把我们知道的一切。超重元素可能脱离迪米特里门捷列夫的设计,但它可能是元素周期表,化学今年最知名的标志和被庆祝,甚至超越了中央科学本身。

工具包查普曼是一个基于科学作家在南安普顿,英国,的作者超重,布卢姆斯伯里出版的2019年6月综述了必威体育 红利账户由菲利普球