Физики провели химическую реакцию с одним атомом резерфордия
Физикам удалось определить химические свойства сверхтяжелого элемента по одному атому. Для этого они попробовали осадить его вместе с веществом-носителем — гидроксидом самария. Определение альфа-распада полученного осадка в сравнении с суммарным альфа-распадом образца помогло понять, что гидроксид одного атома резерфордия действительно выпадает в осадок. Также выяснилось, что, как и другие элементы его группы, резерфордий плохо образует аммиачные комплексы. Статья опубликована в Nature Chemistry.
Исследование свойств сверхтяжелых элементов может сильно помочь в понимании периодического закона. Последний говорит о том, что элементы, находящиеся в одной группе — или столбце, если смотреть на таблицу Менделеева — обладают однотипной электронной конфигурацией, и как следствие, похожими свойствами. Но в случае с тяжелыми элементами, простое предсказание по этому принципу может быть неточным из-за релятивистских эффектов. Из-за дальности внешних электронов от ядра в тяжелых элементах они двигаются со скоростями, составляющими значительную долю скорости света. Это приводит к увеличению так называемой релятивистской поправки, а это влияет на химические свойства элементов. Учитывая, что химические свойства элементов обусловлены их внешними электронами, этот эффект может влиять на свойства сверхтяжелых элементов. В случае же с легкими элементами релятивистскими поправками чаще всего можно пренебречь без ущерба точности модели.
Все химические элементы с атомными номерами выше 104 синтезированы искусственно и в природе их нет. Более того, физики получают их в количестве одного или нескольких атомов, которые крайне нестабильны. Поэтому об их химических свойствах почти ничего не известно. Знания в этой области могут сильно помочь в понимании влияния релятивистских эффектов на свойства элементов.
Химические эксперименты с нестабильными искусственными элементами — это очень сложная лабораторная работа. Учитывая, что их периоды полураспада составляют меньше минуты, за это время нужно успеть провести эксперимент. Причем в один химический эксперимент получается ввести только один атом элемента.
Физикам под руководством Ацуси Синохары (Atsushi Shinohara) из Осакского университета удалось показать резерфордий-261 не образует комплексов с аммиаком, но образует слаборастворимый гидроксид. Так как работать пришлось с одним атомом резерфордия, они использовали метод соосаждения, который заключается в совместном осаждении соединения экспериментального атома с носителем. До этого ученые уже использовали этот метод с другими элементами также для изучения образования аммиачных комплексов и гидроксидов, и носителем для соосаждения служил гидроксид самария. Поэтому для сравнения свойств резерфордия с уже полученными данными других элементов был выбран уже разработанный авторами метод.
Мишень из кюрия-248 и натурального гадолиния (состоит из семи изотопов) обстреливали атомами кислорода-18. Полученные атомы резерфордия попадали в поток газа-носителя, который состоит из гелия с кластерами хлорида калия. Поток переносил атомы в химический отсек установки, где они попадали в кислый раствор, содержащий нитрат самария. К полученному раствору добавляли растворы аммиака (0,37 или 15,00 моль на литр) или гидроксид натрия (1 или 6 моль на литр). После перемешивания полученной смеси в течение 10 секунд полученный осадок фильтровали, сушили горячим гелием при температуре 100 градусов Цельсия и определяли интенсивность альфа-распада. Для образца сравнения раствор без фильтрации переносили на подложку и упаривали из него воду горячим гелием при температуре 150 градусов Цельсия и тоже определяли альфа-распад. Сравнение полученных данных позволило сказать, осаждается ли гидроксид или аммиачный комплекс резерфордия.
На основе полученных данных ученые сделали вывод, что гидроксид резерфордия, формула которого, как полагают авторы, Rf(OH)4, действительно выпадает в осадок в воде. Резерфордий, как и находящиеся с ним в одной группе цирконий и гафний, слабо координируется в аммиачные комплексы даже при высокой концентрации аммиака. При этом резерфордий гораздо хуже образует комплексы M(OH)5-, даже при высокой концентрации щелочи.
Физики занимаются синтезом единичных атомов сверхтяжелых элементов не только для описания природы ядерных взаимодействий и релятивистских эффектов: предполагается, что после определенного значения заряда ядра начнется так называемый островок стабильности. Элементы из этой области могут быть гораздо стабильнее известных сверхтяжелых элементов. Об этом можно почитать в нашем материале «Сверхтяжелые шаги в неизвестное».
Егор Длин
Это подтвердили лабораторные эксперименты
Астрономы путем лабораторных экспериментов подтвердили идею образования красной окраски тел Пояса Койпера за счет облучения галактическим космическими лучами льдов, содержащих органические вещества. За красный цвет Макемаке или Орка могут в первую очередь отвечать ароматические углеводороды, такие как фенантрен. Статья опубликована в журнале Science Advances. Пояс Койпера представляет собой обширную область за пределами орбиты Нептуна, населенную более чем ста тысячами тел, богатых льдом и оставшихся после формирования Солнечной системы. Наблюдения за этими объектами выявили наличие на них замороженных летучих веществ, таких как метан, аммиак, вода, угарный и углекислый газ, и метанол, а также разнообразие в окраске, видимой в оптическом диапазоне — от синеватого до ультракрасного. Предполагается, что цвет может быть результатом вариаций состава исходного вещества из протосолнечной туманности или же быть связанным с эволюцией поверхностного слоя транснептуновых объектов под действием ионизирующего излучения. В частности, красноватый цвет связывают с наличием толинов — тугоплавких, полимероподобных органических веществ, образовавшихся в результате воздействия на льды частиц космических лучей и излучения Солнца. Понимание природы цвета транснептуновых объектов важно для определения механизмов их эволюции, а также роли в зарождении жизни на Земле, так как короткопериодические кометы, способные доставлять на Землю воду и органические вещества, могут быть из Пояса Койпера. Группа астрономов во главе с Ральфом Кайзером (Ralf I. Kaiser) из Гавайского университета представила результаты поисков природы красноватой окраски некоторых объектов пояса Койпера. Они проанализировали данные спектроскопических исследований поверхностей транснептуновых объектов и сравнили их с результатами лабораторных экспериментов по облучению льдов в сверхвысоком вакууме. В работе в качестве реальных представителей Пояса Койпера рассматривались красноватые тела, расположенные на расстоянии от 39 до 44 астрономических единиц от Солнца, такие как карликовая планета Макемаке и кандидаты в карликовые планеты Орк и Салация. В экспериментах велось облучение электронами метанового (13CH4) и ацетиленового (13C2H2) льдов дозами до 80 электронвольт на атомную единицу массы при температурах от 10 до 40 кельвинов. Таким образом ученые имитировали облучение углеводородов на поверхностях тел Пояса Койпера потоком галактических космических лучей на протяжении времени до 1800 миллионов лет при дистанции около 40 астрономических единиц от Солнца. Льды, содержащие изотоп 13С, брались специально, чтобы учитывать только результаты экспериментов. Оказалось, что ароматические соединения, содержащие до трех бензольных колец, такие как фенантрен (C14H10), фенален (C9H10) и аценафтилен (C12H8), играют ключевую роль в получении красноватых цветов. При этом покраснение и потемнение льдов сопровождается выделением молекулярного водорода в газовую фазу, что ведет к истощению содержания водорода и обогащению углеродом. Самая высокая доза облучения дала более красный цвет льдам, чем наблюдаемые в природе, особенно для облученного ацетилена. Это может означать либо то, что ацетилена на телах Пояса Койпера меньше, чем кажется, или что время облучения космическими лучами ограничено, например, бомбардировкой микрометеоритами. Кроме того, выяснилось, что, хотя цвета облученных льдов сильно зависят от дозы облучения, они инвариантны по отношению к температуре при нагревании образцов от 10 до 300 кельвинов во время экспериментов по выделению молекулярного водорода. Это контрастирует с отсутствием ультракрасных цветов комет и других тел, прибывших во внутреннюю Солнечную систему из внешней. Возможно это связано с тем, что облученное вещество может быть выброшено с поверхности объекта или погребено под новыми слоями. В дальнейшем ученые планируют расширить список льдов, с которыми будут вестись эксперименты по облучению — это будут льды из двух и трех компонентов, а также с минеральными добавками. Вы хорошо знаете обитателей пояса Койпера и окрестностей? Пройдите наш тест «Занептуныши», посвященный его населению.