Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан


Д. Никифоров и др.
ЭКО: длинная история короткой встречи


А. Никонов
Небывалое бедствие в селе Кашкаранцы


Л. Сасскинд, Дж. Грабовски
«Теоретический минимум». Глава из книги


А. Сергеев, А. Благодатский
Насекомые и бионика: загадки зрительного аппарата


Л. Смолин
«Возвращение времени». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Синтезирован гексакарбонил сиборгия, самое сложное химическое соединение с трансактиноидом


Рис. 1. Периодическая система химических элементов

Рис. 1. Периодическая система химических элементов, на которой цветом выделены сверхтяжелые элементы: «трансураны» (синим цветом) и трансактиноиды (красным), для которых были проведены химические исследования. Изображение из статьи W. Loveland, 2014. Superheavy carbonyls

Международный коллектив ученых синтезировал и исследовал гексакарбонил сиборгия, Sg(CO)6, — соединение нестабильного элемента с атомным номером 106 с монооксидом углерода, — а также сравнил его с аналогичными соединениями нестабильных изотопов молибдена и вольфрама, гомологов сиборгия. Это самое сложное экспериментально полученное химическое соединение, в состав которого входит трансактиноид, то есть элемент с атомным номером выше 103. В химических свойствах трансактиноидов наиболее сильно проступают эффекты теории относительности для внутренних электронов, поэтому изучение химии трансактиноидов позволяет уточнить всю теорию расчета электронной структуры тяжелых атомов.

Периодическая система химических элементов заполнена уже вплоть до номера 118 (рис. 1). Вся ее структура отражает периодичность химических свойств элементов с ростом атомного номера, которая возникает при постепенном заполнении электронных оболочек. Если два химических элемента различаются количеством полностью заполненных внутренних электронных оболочек, но имеют схожие внешние электроны — а именно они отвечают за химическую связь, — то эти два элемента должны обладать похожими химическими свойствами. Эти серии элементов называются гомологами друг друга и в периодической системе они располагаются в одной группе, друг над другом. Например, переходные металлы, образующие шестую группу, — хром, молибден, вольфрам и сверхтяжелый элемент с номером 106 сиборгий — являются гомологами друг друга. Если химические свойства первых трех из них известны давно, то химия сиборгия только начинает изучаться. Однако на основе периодической системы можно ожидать, что их химические свойства будут схожими.

При сравнении химических свойств элементов-гомологов есть один важный подводный камень. В тяжелых атомах внутренние электроны движутся уже с околосветовыми скоростями, и из-за этого эффекты теории относительности работают на полную катушку. Они приводят к дополнительному сжатию s- и p-орбиталей и, как следствие, к некоторому расширению внешних электронных облаков. Большой заряд ядра также усиливает эффекты взаимодействия электронов друг с другом, например спин-орбитальное расщепление. Всё это влияет на химическую связь тяжелого атома с теми или иными соседями. И все эти эффекты современная теоретическая химия должна уметь грамотно рассчитывать.

Релятивистские эффекты тем сильнее, чем тяжелее атом. Кажется естественным для проверки теоретических расчетов использовать самые тяжелые из известных элементов — трансактиноиды, элементы с атомным номером выше 103 (рис. 1). Однако на пути к их экспериментальному изучению встают сразу несколько существенных трудностей.

Во-первых, атомные ядра элементов-трансактиноидов очень нестабильны; их типичные времена жизни составляют минуты, секунды или даже доли секунды. Поэтому ни о каком накоплении макроскопического количества вещества речи не идет, работать приходится с отдельными атомами сразу после их рождения.

Это не было бы большой проблемой, если бы не вторая трудность: эти атомы удается получать лишь в штучных количествах. Синтезируются сверхтяжелые атомы в ядерных реакциях, в процессе слияния двух других достаточно тяжелых атомов с большим содержанием нейтронов. Для этого пучок тяжелых ионов одного сорта направляется на мишень, содержащую тяжелые атомы другого сорта, и при их столкновении происходят ядерные реакции. В подавляющем большинстве случаев они порождают лишь осколки поменьше, и только изредка получается так, что в слиянии двух ядер рождается нужное сверхтяжелое ядро. В результате темп рождения сверхтяжелых ядер при непрерывном облучении мишени оказывается смехотворно малым: порядка одной штуки в минуту, в час, в день или даже в неделю.

Рис. 2. Структура молекулы гексакарбонила сиборгия

Рис. 2. Структура молекулы гексакарбонила сиборгия на фоне анализатора COMPACT, использованного для идентификации этой молекулы в эксперименте. Изображение с сайта uni-mainz.de

Такая технология рождения приводит и к третьей проблеме. Синтез сверхтяжелых атомов протекает в условиях постоянной жесткой радиации пучка, бьющего по мишени, и, как следствие, в присутствии огромного потока посторонних ядерных обломков. Даже если нужное ядро родится, наберет на себя электроны из окружающей среды, станет настоящим атомом и, наконец, сразу за мишенью вступит в химическую реакцию с образованием нового соединения — это соединение будет находиться в радиационно суровых условиях, в постоянном контакте с плазмой, вызванной жесткой ионизацией. То, что в этих условиях вообще можно изучать какую-то химию трансактиноидов вплоть до флеровия (элемента 114) — уже само по себе большое достижение. Однако до сих пор все химические соединения с участием трансактиноидов были очень простыми с химической точки зрения — галогениды, оксиды, и другие подобные соединения с тяжелым атомом в максимальной степени окисления. Более хрупкие химические соединения с нетривиальной химической связью быстро разрушаются в присутствии жесткой радиации. И это всё, увы, затрудняет проверку химических свойств трансактиноидов.

На днях в журнале Science была опубликована статья, знаменующая собой начало «нетривиальной» химии трансактиноидов. В ней сообщается о синтезе и экспериментальном изучении соединения Sg(CO)6, гексакарбонила сиборгия (рис. 2). Более того, в той же самой установке и теми же самыми методами были исследованы и гексакарбонильные комплексы элементов-гомологов сиборгия, Mo(CO)6 и W(CO)6, причем для них тоже использовались короткоживущие изотопы молибдена и вольфрама с периодом полураспада в несколько секунд или минут.

Главная изюминка этой работы — это комбинированная экспериментальная установка, в которой сведены воедино несколько технических достижений последнего десятилетия. Эта установка преодолевает третью из упомянутых выше проблем — она пространственно разносит область синтеза сверхтяжелых ядер и область физико-химического исследования полученного соединения. Ее общий вид показан на рис. 3. На входе в установку (справа налево на заднем плане рисунка) пучок ядер взаимодействует с мишенью и порождает «коктейль» из вторичных ядер. Продукты реакции отклоняются дипольным магнитном (элемент D на рисунке), причем по-разному для разного соотношения заряда и массы ядер. Величина магнитного поля рассчитана таким образом, чтобы дальше, через систему магнитных линз (Q), проходили только исследуемые ядра, а фоновые ядра и исходный пучок отклонялись прочь. По сути, эта методика повторяет широко известную масс-спектрометрию в применении к ядрам.

Рис. 3. Схематичный вид установки для синтеза и анализа исследуемого соединения

Рис. 3. Схематичный вид установки для синтеза и анализа соединения Sg(CO)6 и его аналогов с нестабильными изотопами вольфрама и молибдена. Изображение из статьи W. Loveland, 2014. Superheavy carbonyls

На следующем этапе выделенные ядра (Sg, Mo или W) попадают в камеру RTC, сквозь которую продувается газовая смесь гелия и моноксида углерода. Важный момент: на пути в камеру ядра проходят сквозь окошко строго определенной толщины, изготовленное из майлара. Оно гасит кинетическую энергию горячих ядер и позволяет им термализоваться (замедлиться до энергии теплового движения молекул) внутри газовой камеры. Там ядра «одеваются электронами» и, вступая в химическую реакцию с моноксидом углерода, образуют соединение — карбонильный комплекс. Поскольку соединение является летучим, оно переносится со всем газовым потоком по 10-метровому тефлоновому капилляру ко второй части установки — специальному анализатору COMPACT.

Название COMPACT расшифровывается как Cryo-Online Multidetector for Physics and Chemistry of Transactinoids. Эта установка представляет собой целую линейку из 32 пар полупроводниковых детекторов для газовой термохроматографии соединений нестабильных элементов. Вдоль линейки создан сильный градиент температуры: каждая пара детекторов находится при своей температуре, от +30°C в начале линейки до −120°C в ее конце. Каждый детектор способен регистрировать α и β-частицы, вылетающие из ядер при их распаде, и с высокой точностью измерять их энергию и время вылета. Это необходимо для того, чтобы идентифицировать ядра сиборгия по их характерной цепочке распадов, в которых одна за другой вылетают альфа-частицы определенных энергий, и не спутать эти редкие события с фоновыми процессами.

Работа анализатора COMPACT выглядит так. Когда газовая смесь продувается сквозь линейку, молекулы карбонильного комплекса тяжелого металла осаждаются на поверхности того или иного детектора, где они и регистрируются после радиоактивного распада. Номер детектора, в котором регистрируется распад, показывает ту температуру, при которой абсорбция молекулы становится энергетически выгодной. Эта температура определяется физико-химической характеристикой изучаемого карбонил-комплекса — энтальпией адсорбции. Ну а сама эта характеристика вещества, в свою очередь, предсказывается химическими расчетами, в которых релятивистские эффекты играют существенную роль. Таким образом, измеряя то, как Sg(CO)6, W(CO)6 и Mo(CO)6 осаждаются в анализаторе COMPACT, можно проверять теоретико-химические теоретические расчеты и измерять энтальпию адсорбции этих веществ.

Рис. 4. Температура и сигналы от изотопов в детекторе

Рис. 4. Температура (вверху) и сигналы от изотопа 164W (в центре) и 265Sg (снизу) в каждой из 32 пар детекторов в линейке. Серой гистограммой показаны реальные данные, линиями — результаты моделирования с теоретически предсказанным значением энтальпии адсорбции. Изображение из обсуждаемой статьи

Результаты этого исследования показаны на рис. 4. Здесь отложено несколько характеристик в каждой из 32 пар детекторов. Верхний график — это просто распределение температуры вдоль линейки. Средний и нижний графики показывают, собственно, сами экспериментальные данные — распределение зарегистрированных распадов ядер вольфрама-164 (в центре) и сиборгия-265 (внизу) по детекторам. Событий с сиборгием тут, конечно, маловато — за две недели непрерывного облучения мишени интенсивным пучком их всего было зарегистрировано 18 штук. Но тем не менее хорошо видно, что они распределены не равномерно по линейке, а ближе к ее концу, в детекторах с номерами выше 20. Примерно такая же картина и получалась при моделировании этого процесса с энтальпией адсорбции, вычисленной совсем недавно в теоретической работе как раз для этих веществ. Аналогичная картина наблюдается и для соединения с нестабильным изотопом вольфрама и с изотопами молибдена (они на рисунке не показаны): максимум распределений попадает именно туда, куда предсказывают теоретические расчеты. Это совпадение придает дополнительную уверенность в том, что современные методы полностью релятивистского расчета структуры тяжелых атомов адекватно описывают экспериментальные данные.

В завершение полезно взглянуть на это исследование с высоты птичьего полета. Обычно нестабильные сверхтяжелые элементы интересуют физиков ради новых знаний в ядерной физике. Однако раз природа нам позволяет, эти элементы можно использовать и с другой целью — для проверки того, насколько хорошо мы можем предсказать химические свойства таких атомов. Это знание, в свою очередь, нужно нам не само по себе, а как дополнительная проверка всей современной теории расчета электронных структур тяжелых атомов с учетом релятивистских эффектов. А уж отсюда следуют многочисленные применения, от сугубо прикладных исследований до самой настоящей фундаментальной науки. Химия трансактиноидов лишний раз подчеркивает то, насколько сильно связаны друг с другом самые разные области физики и смежных дисциплин.

Источник: J. Even et al. Synthesis and detection of a seaborgium carbonyl complex // Science. 2014. V. 345. P. 1491–1493.

См. также:
Seaborgium Hexacarbonyl Sg(CO)6: First Carbonyl Complex of a Superheavy Element — более подробный рассказ об этой же работе.

Игорь Иванов


Комментарии (47)



Последние новости: ФизикаХимияИгорь Иванов

11.05
Аномалия в распадах B-мезонов подтверждается еще в одном эксперименте
10.05
ATLAS обновил данные по топ-антитоп-хиггс отклонению
9.05
Коллайдер набирает обороты
1.05
Поломка трансформатора на неделю задерживает работу коллайдера
27.04
Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пику
26.04
ATLAS не проясняет ситуацию с распадом B-мезона на мюоны
25.04
CMS выложил в свободный доступ 300 ТБ своих данных
12.04
Коллайдер не видит «двуххиггсовских» тяжелых резонансов
12.04
Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения
11.04
Коллайдер ищет невидимые частицы в данных Run 2


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия