Unbibium , auch bekannt als Element 122 oder Eka-Thorium , ist ein hypothetisches chemisches Element mit dem vorläufigen Symbol Ubb und der Ordnungszahl 122. Unbibium und Ubb sind der vorläufige systematische IUPAC-Name bzw. das Symbol , die verwendet werden, bis das Element entdeckt, bestätigt und ein endgültiger Name festgelegt ist. Im Periodensystem der Elemente wird es voraussichtlich nach Unbiunium als zweites Element der Superaktiniden und viertes Element der 8. Periode stehen . Ähnlich wie Unbiunium wird es voraussichtlich in den Bereich der Stabilitätsinsel fallen , was möglicherweise einigen Isotopen, insbesondere <sup>306</sup> Ubb, das voraussichtlich eine magische Neutronenzahl (184) aufweist, zusätzliche Stabilität verleiht.

Trotz mehrerer Versuche konnte Unbibium bisher weder synthetisiert noch natürlich vorkommende Isotope nachgewiesen werden. Derzeit gibt es keine Pläne zur Synthese von Unbibium. Im Jahr 2008 wurde behauptet, es in natürlichen Thoriumproben entdeckt zu haben [ 3 ] , diese Behauptung wurde jedoch durch kürzlich durchgeführte Wiederholungen des Experiments mit präziseren Methoden widerlegt.

Chemisch gesehen weist Unbibium voraussichtlich eine gewisse Ähnlichkeit mit Cer und Thorium auf. Relativistische Effekte könnten jedoch einige seiner Eigenschaften verändern; so wird beispielsweise erwartet, dass es trotz seiner vorhergesagten Position in der Superactinidenreihe der g-Block-Elemente eine Grundzustands-Elektronenkonfiguration von [ Og ] 7d¹ 8s² 8p¹ oder [ Og] 8s² 8p² besitzt . [ 1 ]

Einführung

Synthese von superschweren Atomkernen

Eine grafische Darstellung einer Kernfusionsreaktion
Eine grafische Darstellung einer Kernfusionsreaktion . Zwei Atomkerne verschmelzen zu einem und setzen dabei ein Neutron frei . Reaktionen, die bis zu diesem Zeitpunkt neue Elemente erzeugten, verliefen ähnlich, allerdings konnten dabei unterschiedliche Anzahlen von Neutronen – oder alternativ geladenen Teilchen – freigesetzt werden. [ 4 ]

Bei einer Kernreaktion , in der zwei Atomkerne unterschiedlicher Größe zu einem einzigen Kern verschmelzen , entsteht ein superschwerer Atomkern [ a ]. Je ungleicher die Massen der beiden Kerne sind , desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer solchen Reaktion. [ 10 ] Das aus den schwereren Kernen bestehende Material wird zu einem Target geformt und anschließend mit einem Strahl leichterer Kerne beschossen. Zwei Kerne können nur dann zu einem einzigen verschmelzen , wenn sie nahe genug beieinander liegen. Normalerweise stoßen sich die positiv geladenen Kerne aufgrund elektrostatischer Abstoßung ab . Die starke Wechselwirkung kann diese Abstoßung zwar überwinden, jedoch nur in unmittelbarer Nähe eines Kerns. Daher werden die Kerne im Strahl stark beschleunigt , um die Abstoßung im Vergleich zur Geschwindigkeit des Kerns vernachlässigbar zu machen. [ 11 ] Die zur Beschleunigung der Kerne im Strahl zugeführte Energie kann dazu führen, dass sie Geschwindigkeiten von bis zu einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit erreichen . Wird jedoch zu viel Energie zugeführt, kann der Strahlkern zerfallen. [ 11 ]

Eine bloße Annäherung zweier Atomkerne reicht nicht aus, um eine Fusion zu bewirken: Nähern sich zwei Kerne einander, bleiben sie üblicherweise etwa 10⁻²⁰ Sekunden lang zusammen und  trennen sich dann wieder (nicht unbedingt in der gleichen Zusammensetzung wie vor der Reaktion), anstatt einen einzigen Kern zu bilden. [ 11 ] [ 12 ] Dies geschieht, weil die elektrostatische Abstoßung während des Versuchs, einen einzigen Kern zu bilden, den entstehenden Kern auseinanderreißt. [ 11 ] Jedes Paar aus Target und Strahl ist durch seinen Wirkungsquerschnitt charakterisiert – die Wahrscheinlichkeit, dass eine Fusion eintritt, wenn sich zwei Kerne einander annähern, ausgedrückt als die Querschnittsfläche, die das einfallende Teilchen treffen muss, damit die Fusion stattfindet. [ c ] Diese Fusion kann durch den Quanteneffekt entstehen, bei dem Kerne die elektrostatische Abstoßung durchtunneln können . Bleiben die beiden Kerne über diese Phase hinaus nahe beieinander, führen multiple Kernwechselwirkungen zu einer Energieumverteilung und einem Energiegleichgewicht. [ 11 ]

Externe Videos
VideosymbolVisualisierung einer erfolglosen Kernfusion, basierend auf Berechnungen der Australian National University [ 14 ].

Die resultierende Verschmelzung ist ein angeregter Zustand [ 15 ] – ein sogenannter Compoundkern – und daher sehr instabil. [ 11 ] Um einen stabileren Zustand zu erreichen, kann die temporäre Verschmelzung ohne Bildung eines stabileren Kerns zerfallen . [ 16 ] Alternativ kann der Compoundkern einige Neutronen abgeben , die die Anregungsenergie abführen. Reicht diese nicht für einen Neutronenausstoß aus, entsteht bei der Verschmelzung ein Gammastrahl . Dies geschieht etwa 10⁻¹⁶ Sekunden  nach der anfänglichen Kernkollision und führt zur Bildung eines stabileren Kerns. [ 16 ] Die Definition der Gemeinsamen Arbeitsgruppe (JWP) von IUPAC und IUPAP besagt, dass ein chemisches Element erst dann als entdeckt gelten kann, wenn sein Kern innerhalb von 10⁻¹⁴ Sekunden nicht zerfallen ist . Dieser Wert wurde als Schätzung für die Zeit gewählt, die ein Kern benötigt, um Elektronen aufzunehmen und somit seine chemischen Eigenschaften zu zeigen. [ 17 ] [ d ]

Zerfall und Nachweis

Der Strahl durchdringt das Target und erreicht die nächste Kammer, den Separator. Falls ein neuer Atomkern entsteht, wird dieser mit dem Strahl transportiert. [ 19 ] Im Separator wird der neu entstandene Atomkern von anderen Nukliden (dem des ursprünglichen Strahls und etwaigen anderen Reaktionsprodukten) [ e ] getrennt und zu einem Oberflächenbarrieredetektor transportiert , der den Atomkern stoppt. Der genaue Auftreffpunkt des Atomkerns auf dem Detektor wird markiert; ebenso werden seine Energie und die Ankunftszeit erfasst. [ 19 ] Der Transport dauert etwa 10⁻⁶ Sekunden  ; um detektiert zu werden, muss der Atomkern diese Zeit überstehen. [ 22 ] Sobald der Zerfall des Atomkerns registriert ist, wird dieser erneut erfasst und der Ort, die Energie und die Zeit des Zerfalls gemessen. [ 19 ]

Die Stabilität eines Atomkerns wird durch die starke Wechselwirkung gewährleistet. Ihre Reichweite ist jedoch sehr gering; mit zunehmender Kerngröße schwächt sich ihr Einfluss auf die äußersten Nukleonen ( Protonen und Neutronen) ab. Gleichzeitig wird der Kern durch die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen auseinandergerissen, deren Reichweite nicht begrenzt ist. [ 23 ] Die gesamte Bindungsenergie der starken Wechselwirkung steigt linear mit der Anzahl der Nukleonen, während die elektrostatische Abstoßung mit dem Quadrat der Ordnungszahl zunimmt, d. h. sie wächst schneller und gewinnt für schwere und superschwere Kerne zunehmend an Bedeutung. [ 24 ] [ 25 ] Superschwere Kerne zerfallen daher theoretisch [ 26 ] und wurden bisher auch beobachtet [ 27 ] überwiegend über Zerfallsmechanismen, die durch diese Abstoßung verursacht werden: Alpha-Zerfall und spontane Spaltung . [ f ] Fast alle Alpha-Strahler besitzen mehr als 210 Nukleonen, [ 29 ] und das leichteste Nuklid, das hauptsächlich spontaner Spaltung unterliegt, hat 238 Nukleonen. [ 30 ] In beiden Zerfallsmodi wird der Zerfall der Kerne durch entsprechende Energiebarrieren für jeden Modus verhindert, sie können jedoch durchtunnelt werden. [ 24 ] [ 25 ]

Vorrichtung zur Erzeugung superschwerer Elemente
Schema einer Apparatur zur Erzeugung superschwerer Elemente, basierend auf dem im Flerov-Labor für Kernreaktionen des JINR aufgebauten Dubna-Gas-Rückstoßseparator . Die Bahn innerhalb des Detektors und der Strahlfokussierungsvorrichtung ändert sich aufgrund eines Dipolmagneten im Detektor bzw. Quadrupolmagneten in der Fokussierungsvorrichtung. [ 31 ]

Alphateilchen entstehen häufig bei radioaktiven Zerfällen, da die Masse eines Alphateilchens pro Nukleon so gering ist, dass dem Alphateilchen noch kinetische Energie für den Austritt aus dem Atomkern zur Verfügung steht. [ 32 ] Spontane Kernspaltung wird durch elektrostatische Abstoßung verursacht, die den Atomkern auseinanderreißt und bei der Spaltung identischer Kerne in verschiedenen Fällen unterschiedliche Kerne erzeugt. [ 25 ] Mit steigender Ordnungszahl gewinnt die spontane Kernspaltung rapide an Bedeutung: Die partiellen Halbwertszeiten der spontanen Kernspaltung sinken um 23 Größenordnungen von Uran (Element 92) zu Nobelium (Element 102) [ 33 ] und um 30 Größenordnungen von Thorium (Element 90) zu Fermium (Element 100). [ 34 ] Das frühere Tröpfchenmodell legte daher nahe, dass spontane Kernspaltung aufgrund des Verschwindens der Spaltbarriere für Kerne mit etwa 280 Nukleonen nahezu instantan erfolgen würde . [ 25 ] [ 35 ] Das spätere Schalenmodell des Atomkerns legte nahe, dass Kerne mit etwa 300 Nukleonen eine Stabilitätsinsel bilden würden, in der die Kerne resistenter gegen spontane Spaltung wären und vorwiegend Alpha-Zerfall mit längeren Halbwertszeiten unterliegen würden. [ 25 ] [ 35 ] Nachfolgende Entdeckungen deuteten darauf hin, dass die vorhergesagte Insel weiter entfernt sein könnte als ursprünglich angenommen; sie zeigten auch, dass Kerne, die zwischen den langlebigen Aktiniden und der vorhergesagten Insel liegen, deformiert sind und durch Schaleneffekte zusätzliche Stabilität gewinnen. [ 36 ] Experimente mit leichteren superschweren Kernen [ 37 ] sowie solchen, die näher an der erwarteten Insel liegen [ 33 ] , haben eine größere Stabilität gegen spontane Spaltung gezeigt als bisher angenommen, was die Bedeutung von Schaleneffekten auf Atomkerne unterstreicht. [ g ]

Alphazerfälle werden durch die emittierten Alphateilchen registriert, und die Zerfallsprodukte lassen sich vor dem eigentlichen Zerfall leicht bestimmen. Erzeugt ein solcher Zerfall oder eine Reihe aufeinanderfolgender Zerfälle einen bekannten Kern, kann das ursprüngliche Reaktionsprodukt leicht ermittelt werden. [ h ] (Dass alle Zerfälle innerhalb einer Zerfallskette tatsächlich miteinander in Zusammenhang stehen, wird durch den Ort dieser Zerfälle belegt, der am selben Ort stattfinden muss.) [ 19 ] Der bekannte Kern kann anhand der spezifischen Eigenschaften seines Zerfalls, wie z. B. der Zerfallsenergie (genauer: der kinetischen Energie des emittierten Teilchens), identifiziert werden. [ i ] Spontane Kernspaltung erzeugt jedoch verschiedene Kerne als Produkte, sodass das ursprüngliche Nuklid nicht aus seinen Folgeprodukten bestimmt werden kann. [ j ]

Die Physikern, die ein superschweres Element synthetisieren wollen, stehen somit die an den Detektoren gesammelten Daten zur Verfügung: Ort, Energie und Ankunftszeit eines Teilchens am Detektor sowie die Daten seines Zerfalls. Die Physiker analysieren diese Daten und versuchen zu schlussfolgern, dass das Phänomen tatsächlich durch ein neues Element verursacht wurde und nicht durch ein anderes Nuklid als das behauptete. Oft reichen die vorliegenden Daten nicht aus, um die Entstehung eines neuen Elements eindeutig zu bestätigen und die beobachteten Effekte ohne andere Erklärung nachzuweisen; es wurden Fehler bei der Dateninterpretation gemacht. [ k ]

Geschichte

Syntheseversuche

Fusionsverdampfung

In den 1970er Jahren wurden zwei Versuche zur Synthese von Unbibium unternommen, die beide durch frühe Vorhersagen über die Stabilitätsinsel bei N  = 184 und Z  > 120 [ 48 ] und insbesondere durch die Frage, ob superschwere Elemente potenziell natürlich vorkommen könnten, [ 49 ], angestoßen wurden. Die ersten Versuche zur Synthese von Unbibium wurden 1972 von Flerov et al. am Vereinigten Institut für Kernforschung (JINR) unter Verwendung von Schwerionen-induzierten Heißfusionsreaktionen durchgeführt: [ 49 ]

238 92U +66,68 30Zn →304.306 122Ubb * → keine Atome

Ein weiterer erfolgloser Versuch zur Synthese von Unbibium wurde 1978 am GSI Helmholtz-Zentrum durchgeführt, wo ein natürliches Erbium- Target mit Xenon-136 -Ionen beschossen wurde : [ 49 ]

nat 68Er +136 54Xe →298, 300, 302, 303, 304, 306Ubb * → keine Atome

Es wurden keine Atome nachgewiesen, und die Ausbeutegrenze  lag bei 5 nb (5.000  pb ). Aktuelle Ergebnisse (siehe Flerovium ) zeigen, dass die Empfindlichkeit dieser Experimente um mindestens drei Größenordnungen zu gering war. [ 48 ] Insbesondere wurde erwartet, dass die Reaktion zwischen <sup>170</sup> Er und <sup>136</sup> Xe Alpha-Strahler mit Halbwertszeiten im Mikrosekundenbereich liefern würde, die zu Flerovium -Isotopen mit Halbwertszeiten von möglicherweise bis zu mehreren Stunden zerfallen würden, da Flerovium sich vermutlich nahe dem Zentrum der Stabilitätsinsel befindet. Nach zwölf Stunden Bestrahlung wurde in dieser Reaktion nichts gefunden. Nach einem ähnlichen, erfolglosen Versuch, Unbiunium aus <sup>238</sup> U und <sup>65</sup> Cu zu synthetisieren, wurde geschlossen, dass die Halbwertszeiten superschwerer Kerne weniger als eine Mikrosekunde betragen oder die Wirkungsquerschnitte sehr klein sein müssen. [ 50 ] Neuere Forschungen zur Synthese superschwerer Elemente legen nahe, dass beide Schlussfolgerungen zutreffen. [ 51 ] [ 52 ]

Im Jahr 2000 führte das Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) ein sehr ähnliches Experiment mit deutlich höherer Empfindlichkeit durch: [ 49 ]

238 92U +70 30Zn →308 122Ubb * → keine Atome

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Synthese solch schwererer Elemente weiterhin eine große Herausforderung darstellt und weitere Verbesserungen der Strahlintensität und der experimentellen Effizienz erforderlich sind.  Für qualitativ hochwertigere Ergebnisse sollte die Empfindlichkeit zukünftig auf 1 fb erhöht werden.

Compoundkernspaltung

Im Flerov-Labor für Kernreaktionen wurden zwischen 2000 und 2004 mehrere Experimente zur Untersuchung der Spaltungseigenschaften verschiedener superschwerer Compoundkerne wie z. B. <sup> 306</sup> Ubb durchgeführt . Dabei wurden zwei Kernreaktionen verwendet: <sup> 248</sup> Cm + <sup>58</sup> Fe und <sup>242</sup> Pu + <sup>64</sup> Ni. [ 49 ] Die Ergebnisse zeigen, dass superschwere Kerne vorwiegend durch Abspaltung von Kernen mit abgeschlossenen Schalen wie <sup>132</sup> Sn ( Z  = 50, N  = 82) spalten. Es wurde außerdem festgestellt, dass die Ausbeute des Fusions-Spaltungs-Pfades bei <sup> 48</sup> Ca- und <sup>58</sup> Fe-Projektilen ähnlich war, was auf eine mögliche zukünftige Verwendung von <sup>58</sup> Fe-Projektilen zur Erzeugung superschwerer Elemente hindeutet. [ 53 ]

Behauptete Entdeckung als natürlich vorkommendes Element

Im Jahr 2008 behauptete eine Gruppe um den israelischen Physiker Amnon Marinov an der Hebräischen Universität Jerusalem , einzelne Atome von Unbibium-292 in natürlich vorkommenden Thoriumlagerstätten in einer Häufigkeit von 10⁻¹¹ bis 10⁻¹² relativ zu Thorium gefunden zu haben . [ 3 ] Dies war die erste Meldung über die Entdeckung eines neuen Elements in der Natur seit 69 Jahren, seit Marguerite Perey 1939 Francium entdeckt hatte . [ l ] Die Behauptung von Marinov et al. wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft kritisiert. Marinov gab an, den Artikel bei den Fachzeitschriften Nature und Nature Physics eingereicht zu haben , die ihn jedoch ohne Begutachtung ablehnten. [ 54 ] Bei den Unbibium-292-Atomen soll es sich um superdeformierte oder hyperdeformierte Isomere mit einer Halbwertszeit von mindestens 100 Millionen Jahren handeln. [ 49 ]

Eine Kritik an der Technik, die zuvor angeblich zur Identifizierung leichterer Thoriumisotope mittels Massenspektrometrie verwendet wurde [ 55 ] , wurde 2008 in Physical Review C veröffentlicht . [ 56 ] Eine Gegendarstellung der Marinov-Gruppe wurde nach der Veröffentlichung des Kommentars ebenfalls in Physical Review C publiziert . [ 57 ]

Eine Wiederholung des Thorium-Experiments mit der überlegenen Methode der Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) konnte die Ergebnisse trotz einer 100-fach höheren Empfindlichkeit nicht bestätigen. [ 58 ] Dieses Ergebnis wirft erhebliche Zweifel an den Ergebnissen der Marinov-Kollaboration hinsichtlich ihrer Behauptungen über langlebige Thorium -Isotope [ 55 ] , Roentgenium [ 59 ] und Unbibium [ 3 ] auf. Nach heutigem Kenntnisstand über superschwere Elemente ist es sehr unwahrscheinlich , dass Spuren von Unbibium in natürlichen Thoriumproben erhalten bleiben. [ 49 ]

Benennung

Nach Mendelejews Nomenklatur für unbenannte und unentdeckte Elemente müsste Unbibium eigentlich Eka- Thorium heißen . [ 60 ] Nach den Empfehlungen der IUPAC von 1979 wird das Element seither weitgehend als Unbibium mit dem Atomsymbol ( Ubb ) bezeichnet [ 61 ] , bis es offiziell entdeckt und synthetisiert ist und ein endgültiger Name festgelegt wird. Wissenschaftler ignorieren diese Namenskonvention jedoch weitgehend und bezeichnen Unbibium stattdessen einfach als „Element 122“ mit dem Symbol ( 122 ) oder manchmal auch als E122 oder 122. [ 62 ]

Perspektiven für die zukünftige Synthese

Vorhergesagte Zerfallsmodi superschwerer Atomkerne. Die Linie der synthetisierten protonenreichen Kerne dürfte kurz nach Z  = 120 aufgrund der sich verkürzenden Halbwertszeiten bis etwa Z  = 124, des zunehmenden Beitrags der Spontanspaltung anstelle des Alphazerfalls ab Z  = 122, bis dieser ab Z  = 125 dominiert, und der Protonen -Tropflinie um Z  = 130 abbrechen. Der weiße Ring markiert die erwartete Lage der Stabilitätsinsel; die beiden weiß umrandeten Quadrate kennzeichnen <sup> 291</sup> Cn und <sup>293</sup> Cn, die voraussichtlich die langlebigsten Nuklide auf der Insel mit Halbwertszeiten von Jahrhunderten oder Jahrtausenden sind. [ 63 ] [ 51 ]

Alle Elemente ab Mendelevium wurden in Fusions-Verdampfungs-Reaktionen erzeugt, was 2002 zur Entdeckung des schwersten bekannten Elements Oganesson [ 64 ] [ 65 ] und zuletzt 2010 zu Tennessin [ 66 ] führte . Diese Reaktionen stießen an die Grenzen der damaligen Technologie; so benötigte die Synthese von Tennessin beispielsweise 22 Milligramm <sup> 249</sup> Bk und einen intensiven <sup>48</sup> Ca-Strahl über sechs Monate. Die Intensität der Strahlen in der Forschung nach superschweren Elementen darf 10<sup> 12</sup> Projektile pro Sekunde nicht überschreiten, ohne Target und Detektor zu beschädigen, und die Herstellung größerer Mengen zunehmend seltener und instabiler Actiniden- Targets ist unpraktisch. [ 67 ] Daher müssen zukünftige Experimente in Einrichtungen wie der Fabrik für superschwere Elemente (SHE-Fabrik) am Vereinigten Institut für Kernforschung (JINR) oder an RIKEN durchgeführt werden , die längere Experimentierzeiten mit verbesserter Nachweisempfindlichkeit ermöglichen und bisher unzugängliche Reaktionen ermöglichen. [ 68 ]

Es ist möglich, dass Fusions-Verdampfungs-Reaktionen für die Entdeckung von Unbibium oder schwereren Elementen ungeeignet sind. Verschiedene Modelle sagen für Isotope mit Z  = 122 und N ~ 180 immer kürzere Halbwertszeiten für Alpha- und Spontanspaltung  im Bereich von Mikrosekunden oder weniger voraus [ 69 ] , was einen Nachweis mit der aktuellen Ausrüstung nahezu unmöglich macht [ 51 ] . Die zunehmende Dominanz der Spontanspaltung könnte zudem mögliche Verbindungen zu bekannten Kernen von Livermorium oder Oganesson unterbrechen und die Identifizierung und Bestätigung erschweren; ein ähnliches Problem trat bei der Bestätigung der Zerfallskette von <sup>294</sup> Og auf, die keine Anknüpfungspunkte zu bekannten Kernen besitzt [ 70 ] . Aus diesen Gründen müssen möglicherweise andere Produktionsmethoden erforscht werden, wie beispielsweise Mehrnukleonen-Transferreaktionen, die langlebigere Kerne erzeugen können. Ein ähnlicher Wechsel der experimentellen Technik erfolgte, als zur Erzeugung von Elementen mit Z  > 113 die Heißfusion mit 48Ca -Projektilen anstelle der Kaltfusion (bei der die Wirkungsquerschnitte mit zunehmender Ordnungszahl rapide abnehmen) eingesetzt wurde. [ 52 ]

Dennoch wurden neben den bereits erfolglos erprobten Fusions-Verdampfungsreaktionen mehrere weitere vorgeschlagen, die zu Unbibium führen. Allerdings plant derzeit keine Institution Syntheseversuche, sondern konzentriert sich zunächst auf die Elemente 119, 120 und möglicherweise 121. Da die Wirkungsquerschnitte mit der Asymmetrie der Reaktion zunehmen [ 52 ], wäre ein Chromstrahl in Kombination mit einem Californium- Target am günstigsten [ 51 ] , insbesondere wenn die vorhergesagte abgeschlossene Neutronenschale bei N  = 184 in neutronenreicheren Produkten erreicht werden und zusätzliche Stabilität verleihen könnte. Insbesondere die Reaktion zwischen54 24Cr und252 98Cf würde den Compoundkern erzeugen306 122Ubb und erreichen die Schale bei N  = 184, obwohl die analoge Reaktion mit einem249 98Das Cf- Target gilt aufgrund des Vorhandenseins unerwünschter Spaltprodukte als praktikabler.252 98Vgl. und die Schwierigkeit, die benötigte Menge an Zielmaterial zu gewinnen. [ 71 ] Eine mögliche Synthese von Unbibium könnte wie folgt erfolgen: [ 51 ]

249 98Cf +54 24Cr →300 122Ubb + 31 0N

Sollte diese Reaktion erfolgreich verlaufen und der Alpha-Zerfall gegenüber der spontanen Spaltung dominieren, würde das entstehende <sup>300 </sup>Ubb über <sup>296 </sup>Ubn zerfallen, welches möglicherweise durch Kreuzbeschuss zwischen <sup>249</sup> Cf und <sup>50</sup> Ti gebildet wird. Obwohl diese Reaktion eine der vielversprechendsten Optionen für die Synthese von Unbibium in naher Zukunft darstellt, wird der maximale Wirkungsquerschnitt auf 3  fb <sup> -1</sup> geschätzt [ 71 ] , was eine Größenordnung niedriger ist als der niedrigste gemessene Wirkungsquerschnitt einer erfolgreichen Reaktion. Die symmetrischeren Reaktionen <sup>244 </sup> Pu + <sup>64</sup> Ni und <sup>248</sup> Cm + <sup>58</sup> Fe [ 51 ] wurden ebenfalls vorgeschlagen und könnten neutronenreichere Isotope erzeugen. Mit steigender Ordnungszahl muss man sich zudem der sinkenden Spaltbarrieren bewusst sein , was zu einer geringeren Überlebenswahrscheinlichkeit von Compoundkernen führt , insbesondere oberhalb der vorhergesagten magischen Zahlen bei Z  = 126 und N  = 184 [ 71 ].

Vorhergesagte Eigenschaften

Nukleare Stabilität und Isotope

Ein zweidimensionales Diagramm mit rechteckigen, schwarz-weiß eingefärbten Zellen, das sich von der LLC bis zur URC erstreckt, wobei die Zellen in Richtung URC meist heller werden.
Eine vom Dubna-Team im Jahr 2010 verwendete Karte zur Nuklidstabilität. Charakterisierte Isotope sind mit Rändern dargestellt. Jenseits von Element 118 (Oganesson, dem letzten bekannten Element) tritt die Linie der bekannten Nuklide voraussichtlich rasch in einen Instabilitätsbereich ein, mit Halbwertszeiten von über einer Mikrosekunde nach Element 121. Dies erschwert die Identifizierung schwererer Elemente wie Unbibium. Der elliptische Bereich umschließt die vorhergesagte Lage der Stabilitätsinsel. [ 52 ]

Die Stabilität von Atomkernen nimmt nach Plutonium , dem schwersten Urelement , mit steigender Ordnungszahl stark ab , sodass alle Isotope mit einer Ordnungszahl über 101 radioaktiv mit einer Halbwertszeit von unter einem Tag zerfallen . Elemente mit Ordnungszahlen über 82 (nach Blei ) besitzen keine stabilen Isotope. [ 72 ] Dennoch findet sich aus noch nicht vollständig geklärten Gründen eine leicht erhöhte Kernstabilität im Bereich der Ordnungszahlen 110–114 , die zur Entstehung der sogenannten „ Insel der Stabilität “ führt. Dieses von Glenn Seaborg , Professor an der University of California , vorgeschlagene Konzept erklärt, warum superschwere Elemente länger halten als vorhergesagt. [ 73 ]

In diesem Bereich des Periodensystems  wurde N = 184 als abgeschlossene Neutronenschale vorgeschlagen , und verschiedene Ordnungszahlen wurden als abgeschlossene Protonenschalen vorgeschlagen, wie z. B. Z  = 114, 120, 122, 124 und 126. Die Stabilitätsinsel wäre durch längere Halbwertszeiten von Kernen in der Nähe dieser magischen Zahlen gekennzeichnet, wobei das Ausmaß der stabilisierenden Effekte aufgrund von Vorhersagen einer Abschwächung der Protonenschalenabschlüsse und eines möglichen Verlusts der doppelten Magie ungewiss ist . [ 74 ] Neuere Forschungen sagen voraus, dass die Stabilitätsinsel stattdessen bei den beta-stabilen Copernicium- Isotopen <sup>291</sup> Cn und <sup>293</sup> Cn zentriert ist, [ 52 ] [ 75 ] wodurch Unbibium weit oberhalb der Insel liegen und unabhängig von Schaleneffekten zu kurzen Halbwertszeiten führen würde. Die erhöhte Stabilität der Elemente 112–118 wird auch auf die abgeplattete Form solcher Kerne und ihre Resistenz gegen spontane Spaltung zurückgeführt . Das gleiche Modell schlägt außerdem 306 Ubb als nächsten sphärischen doppelt magischen Kern vor und definiert damit die wahre Stabilitätsinsel für sphärische Kerne. [ 76 ]

Regionen mit unterschiedlich geformten Atomkernen, wie sie von der Interacting Boson Approximation vorhergesagt werden [ 76 ]

Ein Quantentunnelmodell sagt für die Alpha-Zerfallshalbwertszeiten der Unbibium-Isotope 284–322 Ubb Werte im Mikrosekundenbereich oder darunter für alle Isotope leichter als 315 Ubb voraus [ 77 ]. Dies verdeutlicht eine erhebliche Herausforderung für die experimentelle Beobachtung dieses Elements. Diese Vorhersage deckt sich mit vielen anderen Vorhersagen, wobei die genaue Lage der 1-Mikrosekunden-Grenze je nach Modell variiert. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Spontanspaltung in diesem Bereich zu einem wichtigen Zerfallsmechanismus wird. Für einige geradzahlige Isotope werden Halbwertszeiten im Femtosekundenbereich vorhergesagt [ 69 ]. Dies ist auf die minimale Behinderung durch Nukleonenpaarung und den Verlust stabilisierender Effekte mit zunehmender Entfernung von magischen Zahlen zurückzuführen. [ 71 ] Eine Berechnung aus dem Jahr 2016 zu den Halbwertszeiten und wahrscheinlichen Zerfallsketten der Isotope 280–339 Ubb liefert bestätigende Ergebnisse: 280–297 Ubb ist protonenungebunden und zerfällt möglicherweise durch Protonenemission , 298–314 Ubb weist Alpha-Halbwertszeiten in der Größenordnung von Mikrosekunden auf, und die schwereren Isotope als 314 Ubb zerfallen überwiegend durch spontane Spaltung mit kurzen Halbwertszeiten. [ 78 ] Für die leichteren Alpha-Strahler, die in Fusions-Verdampfungs-Reaktionen entstehen können, werden einige lange Zerfallsketten vorhergesagt, die zu bekannten oder erreichbaren Isotopen leichterer Elemente führen. Darüber hinaus wird für die Isotope 308–310 Ubb eine Halbwertszeit von unter einer Mikrosekunde vorhergesagt [ 69 ] [ 78 ], die aufgrund der deutlich geringeren Bindungsenergie für Neutronenzahlen unmittelbar oberhalb des Schalenabschlusses N  = 184 zu kurz für einen Nachweis ist. Alternativ könnte eine zweite Stabilitätsinsel mit Gesamthalbwertszeiten von etwa einer Sekunde um Z  ~ 124 und N  ~ 198 existieren, obwohl diese Kerne mit den derzeitigen experimentellen Techniken schwer oder gar nicht erreichbar sein werden [ 75 ] . Diese Vorhersagen hängen jedoch stark von den gewählten Kernmassenmodellen ab, und es ist unbekannt, welche Unbibium-Isotope am stabilsten sein werden. Ungeachtet dessen wird die Synthese dieser Kerne schwierig sein, da keine Kombination aus erreichbarem Target und Projektil genügend Neutronen im Compoundkern liefern kann. Dies gilt selbst für Kerne, die durch Fusionsreaktionen, spontane Spaltung und möglicherweise auch Clusterzerfall erreichbar sind [ 79 ].könnten signifikante Verzweigungen aufweisen, was eine weitere Hürde für die Identifizierung superschwerer Elemente darstellt, da diese normalerweise anhand ihrer aufeinanderfolgenden Alpha-Zerfälle identifiziert werden.

Chemische

Unbibium dürfte in seiner chemischen Zusammensetzung Cer und Thorium ähneln, die ebenfalls vier Valenzelektronen über einem Edelgaskern besitzen, obwohl es möglicherweise reaktiver ist. Darüber hinaus wird vorhergesagt, dass Unbibium zu einem neuen Block von Valenz -g-Elektronen-Atomen gehört, obwohl die Besetzung des 5g-Orbitals erst ab Element 125 erwartet wird. Die vorhergesagte Grundzustands-Elektronenkonfiguration von Unbibium ist entweder [ Og ] 7d 1 8s 2 8p 1 [ 1 ] [ 80 ] oder 8s 2 8p 2 , [ 81 ], im Gegensatz zur erwarteten Konfiguration [ Og ] 5g 2 8s 2 , bei der die Besetzung des 5g-Orbitals erst ab Element 121 beginnt. (Die ds 2 p- und s 2 p 2 -Konfigurationen sollen nur um etwa 0,02 eV getrennt sein.) [ 81 ] Bei den Superaktiniden könnten relativistische Effekte zu einem Zusammenbruch des Aufbauprinzips und zu einer Überlappung der 5g-, 6f-, 7d- und 8p-Orbitale führen; [ 82 ] Experimente zur Chemie von Copernicium und Flerovium liefern starke Hinweise auf die zunehmende Bedeutung relativistischer Effekte. Daher wird die Chemie der Elemente nach Unbibium schwieriger vorherzusagen.

Unbibium bildet höchstwahrscheinlich ein Dioxid, UbbO₂ , und Tetrahalogenide wie UbbF₄ und UbbCl₄ . [ 1 ] Die Hauptoxidationsstufe wird mit +4 vorhergesagt, ähnlich wie bei Cer und Thorium. [ 49 ] Für Unbibium werden eine erste Ionisierungsenergie von 5,651 eV und eine zweite Ionisierungsenergie von 11,332 eV vorhergesagt; diese und andere berechnete Ionisierungsenergien sind niedriger als die entsprechenden Werte für Thorium, was darauf hindeutet , dass Unbibium reaktiver als Thorium sein wird. [ 80 ] [ 2 ]

Anmerkungen

  1. In der Kernphysik wird ein Element als schwer bezeichnet , wenn seine Ordnungszahl hoch ist; Blei (Element 82) ist ein Beispiel für ein solches schweres Element. Der Begriff „superschwere Elemente“ bezieht sich typischerweise auf Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 103 (obwohl es auch andere Definitionen gibt, wie z. B. Ordnungszahlen größer als 100 [ 5 ] oder 112 [ 6 ] ;manchmal wird der Begriff synonym mit „Transaktinide“ verwendet, was eine Obergrenze vor Beginn der hypothetischen Superaktinidenreihe festlegt ). [ 7 ] Die Begriffe „schwere Isotope“ (eines bestimmten Elements) und „schwere Atomkerne“ bezeichnen, wie im allgemeinen Sprachgebrauch üblich, Isotope mit hoher Masse (des jeweiligen Elements) bzw. Atomkerne mit hoher Masse.
  2. Im Jahr 2009 veröffentlichte ein Team des JINR unter der Leitung von Oganessian die Ergebnisse seines Versuchs, Hassium in einer symmetrischen Reaktion von <sup>136</sup> Xe +  <sup>136</sup> Xe zu erzeugen. Es gelang ihnen nicht, ein einziges Atom in einer solchen Reaktion zu beobachten, wodurch die obere Grenze für den Wirkungsquerschnitt, das Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Kernreaktion, auf 2,5  pb festgelegt wurde . [ 8 ] Zum Vergleich: Die Reaktion, die zur Entdeckung von Hassium führte, <sup>208</sup> Pb + <sup>58</sup> Fe, hatte einen Wirkungsquerschnitt von etwa 20 pb (genauer: 19 pb).+19 -11 pb), wie von den Entdeckern geschätzt. [ 9 ]
  3. Die dem Strahlteilchen zur Beschleunigung zugeführte Energie kann ebenfalls den Wert des Wirkungsquerschnitts beeinflussen. Zum Beispiel im28 14Si +1 0n →28 13Al +1 1Bei der p- Reaktion ändert sich der Wirkungsquerschnitt stetig von 370 mb bei 12,3 MeV auf 160 mb bei 18,3 MeV, mit einem breiten Peak bei 13,5 MeV und einem Maximalwert von 380 mb. [ 13 ]
  4. ^ Diese Zahl markiert auch die allgemein anerkannte obere Grenze für die Lebensdauer eines Compoundkerns. [ 18 ]
  5. Diese Trennung beruht darauf, dass die entstehenden Atomkerne langsamer am Target vorbeiziehen als die nicht umgesetzten Atomkerne des Strahls. Der Separator enthält elektrische und magnetische Felder, deren Wirkung auf ein bewegtes Teilchen sich bei einer bestimmten Teilchengeschwindigkeit aufhebt. [ 20 ] Eine solche Trennung kann auch durch eine Flugzeitmessung und eine Rückstoßenergiemessungunterstützt werden ; eine Kombination beider Messungen kann die Abschätzung der Masse eines Atomkerns ermöglichen. [ 21 ]
  6. ^ Nicht alle Zerfallsarten werden durch elektrostatische Abstoßung verursacht. Beispielsweise wird der Beta-Zerfall durch die schwache Wechselwirkung verursacht . [ 28 ]
  7. Bereits in den 1960er Jahren war bekannt, dass sich die Grundzustände von Atomkernen in Energie und Form unterscheiden und dass bestimmte magische Nukleonenzahlen mit einer höheren Stabilität des Atomkerns einhergehen. Man ging jedoch davon aus, dass superschwere Atomkerne keine Kernstruktur besitzen, da sie zu stark deformiert sind, um eine solche auszubilden . [ 33 ]
  8. Da die Masse eines Atomkerns nicht direkt gemessen, sondern aus der Masse eines anderen Atomkerns berechnet wird, spricht man von einer indirekten Messung. Direkte Messungen sind zwar auch möglich, standen aber für superschwere Atomkerne bisher größtenteils nicht zur Verfügung. [ 38 ] Die erste direkte Messung der Masse eines superschweren Atomkerns wurde 2018 am LBNL durchgeführt. [ 39 ] Die Masse wurde aus der Position des Atomkerns nach dem Transfer bestimmt (die Position hilft, seine Flugbahn zu ermitteln, welche wiederum mit dem Masse-Ladungs-Verhältnis des Atomkerns zusammenhängt, da der Transfer in Anwesenheit eines Magneten erfolgte). [ 40 ]
  9. Wenn der Zerfall im Vakuum stattfindet, muss der Gesamtimpuls eines isolierten Systems vor und nach dem Zerfall erhalten bleiben. Daher erhält der Tochterkern ebenfalls eine kleine Geschwindigkeit. Das Verhältnis der beiden Geschwindigkeiten und somit auch das Verhältnis der kinetischen Energien ist umgekehrt proportional zum Verhältnis der beiden Massen. Die Zerfallsenergie entspricht der Summe der bekannten kinetischen Energie des Alphateilchens und der des Tochterkerns (ein exakter Bruchteil der ersteren). [ 29 ] Die Berechnungen gelten auch für ein Experiment, allerdings bewegt sich der Kern nach dem Zerfall nicht, da er an den Detektor gebunden ist.
  10. Die spontane Kernspaltung wurde vom sowjetischen Physiker Georgi Flerow [ 41 ] ,entdecktund war daher ein wichtiges Forschungsgebiet der Einrichtung. [ 42 ] Im Gegensatz dazu waren die Wissenschaftler des LBL der Ansicht, dass Informationen zur Kernspaltung nicht ausreichten, um die Synthese eines Elements zu beweisen. Sie glaubten, die spontane Kernspaltung sei noch nicht ausreichend erforscht, um sie zur Identifizierung eines neuen Elements zu nutzen, da es schwierig sei, nachzuweisen, dass ein Compoundkern ausschließlich Neutronen und keine geladenen Teilchen wie Protonen oder Alphateilchen emittiert hatte. [ 18 ] Daher zogen sie es vor, neue Isotope durch sukzessive Alphazerfälle mit bereits bekannten Isotopen zu verknüpfen. [ 41 ]
  11. So wurde beispielsweise Element 102 1957 am Nobel-Institut für Physik in Stockholm, Schweden , fälschlicherweise identifiziert .[ 43 ] Es gab keine früheren eindeutigen Behauptungen über die Entstehung dieses Elements, und es wurde von seinen schwedischen, amerikanischen und britischen Entdeckern als Nobelium bezeichnet . Später stellte sich heraus, dass diese Identifizierung falsch war. [ 44 ] Im folgenden Jahr konnte RL die schwedischen Ergebnisse nicht reproduzieren und verkündete stattdessen die eigene Synthese des Elements; auch diese Behauptung wurde später widerlegt. [ 44 ] Das JINR bestand darauf, das Element als erstes erzeugt zu haben, und schlug einen eigenen Namen für das neue Element vor: Joliotium ; [ 45 ] auch der sowjetische Name wurde nicht akzeptiert (das JINR bezeichnete die Benennung von Element 102 später als „voreilig“). [ 46 ] Dieser Name wurde der IUPAC in einer schriftlichen Antwort auf deren Entscheidung über die Priorität von Entdeckungsansprüchen von Elementen vorgeschlagen, unterzeichnet am 29. September 1992. [ 46 ] Der Name „Nobelium“ blieb aufgrund seiner weiten Verbreitung unverändert. [ 47 ]
  12. Vier weitere Elemente wurden nach 1939 durch Synthese entdeckt, kamen aber später auch natürlich vor: Promethium , Astat , Neptunium und Plutonium . Sie alle waren bis 1945 synthetisiert und bis 1965 in der Natur nachgewiesen worden.

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Bibliographie