Под руководством групп из Дармштадта и Майнца два известных в настоящее время долгоживущих изотопа флеровия, флеровий-288 и флеровий-289, были получены с использованием ускорительных установок GSI/FAIR и химически исследованы на экспериментальной установке TASCA. В периодической таблице Менделеева флеровий находится ниже тяжелого металла свинца. Однако ранние предсказания предполагали, что релятивистские эффекты высокого заряда в ядре сверхтяжелого элемента на его валентные электроны приведут к поведению, подобному благородному газу, в то время как более поздние предсказания скорее предполагали слабометаллическое поведение. Два ранее проведенных химических эксперимента, один из них в GSI в Дармштадте в 2009 году, привели к противоречивым интерпретациям. В то время как три атома, наблюдавшиеся в первом эксперименте, использовались для определения поведения, подобного благородному газу, данные, полученные в GSI, указывали на металлический характер, основанный на двух атомах. Два эксперимента не смогли четко установить этот характер. Новые результаты показывают, что, как и ожидалось, флеровий инертен, но способен образовывать более прочные химические связи, чем благородные газы, если условия подходящие. Следовательно, флеровий является самым летучим металлом в периодической таблице.

Таким образом, флеровий является самым тяжелым химическим элементом, характер которого был изучен экспериментально. Определяя химические свойства, GSI/FAIR подтверждают свое лидирующее положение в исследованиях сверхтяжелых элементов. "Изучение границ периодической таблицы было основой исследовательской программы GSI с самого начала и будет таковым на ЯРМАРКЕ в будущем. Тот факт, что несколько атомов уже могут быть использованы для изучения первых фундаментальных химических свойств, дающих представление о том, как будут вести себя большие количества этих веществ, является захватывающим и возможным благодаря мощной ускорительной установке и опыту международного сотрудничества", - уточняет профессор Паоло Джубеллино, научный управляющий директор GSI. и СПРАВЕДЛИВЫЙ. "С FAIR мы переносим вселенную в лабораторию и исследуем пределы материи, а также химических элементов".

Шесть недель экспериментов

Эксперименты, проведенные в GSI/FAIR для выяснения химической природы флеровия, длились в общей сложности шесть недель. Для этой цели четыре триллиона ионов кальция-48 ускорялись до десяти процентов скорости света каждую секунду линейным ускорителем GSI UNILAC и запускались в мишень, содержащую плутоний-244, в результате чего в день образовывалось несколько атомов флеровия.

Образовавшиеся атомы флеровия отскакивали от мишени в газонаполненный сепаратор TASCA. В его магнитном поле образовавшиеся изотопы флеровий-288 и флеровий-289, время жизни которых составляет порядка секунды, были отделены от интенсивного пучка ионов кальция и от побочных продуктов ядерной реакции. Они проникали сквозь тонкую пленку, попадая таким образом в химический аппарат, где их останавливали в газовой смеси гелий/аргон. Эта газовая смесь смывала атомы в КОМПАКТНЫЙ аппарат для газовой хроматографии, где они впервые вступали в контакт с поверхностями оксида кремния. Если связь с оксидом кремния была слишком слабой, атомы перемещались дальше, по поверхностям золота - сначала по тем, которые хранились при комнатной температуре, а затем по все более холодным, примерно до -160 °C. Поверхности были нанесены в виде тонкого покрытия на специальные детекторы ядерного излучения, которые регистрировали отдельные атомы путем обнаружения радиоактивного распада с пространственным разрешением. Поскольку продукты распада подвергаются дальнейшему радиоактивному распаду после короткого срока службы, каждый атом оставляет характерную сигнатуру нескольких событий, из которых можно однозначно сделать вывод о присутствии атома флеровия.

Один атом в неделю для химии

"Благодаря сочетанию сепаратора TASCA, химического разделения и обнаружения радиоактивных распадов, а также техническому развитию аппарата газовой хроматографии с момента первого эксперимента нам удалось повысить эффективность и сократить время, необходимое для химического разделения, до такой степени, что мы были возможность наблюдать один атом флеровия каждую неделю", - объясняет доктор Александр Якушев из GSI /FAIR, представитель международного экспериментального сотрудничества.

При анализе данных было обнаружено шесть таких цепочек распада. Поскольку установка аналогична установке первого эксперимента GSI, вновь полученные данные можно было бы объединить с двумя атомами, наблюдавшимися в то время, и проанализировать вместе. Ни одна из цепочек распада не появилась в пределах досягаемости детектора с покрытием из оксида кремния, что указывает на то, что флеровий не образует существенной связи с оксидом кремния. Вместо этого все они были перенесены вместе с газом в покрытую золотом часть устройства менее чем за десятую долю секунды. Восемь событий образовали две зоны: первую в области поверхности золота при комнатной температуре и вторую в более поздней части хроматографа, при температурах настолько низких, что золото покрывал очень тонкий слой льда, так что адсорбция происходила на льду.

Из экспериментов с атомами свинца, ртути и радона, которые служили представителями тяжелых металлов, слабо реагирующих металлов, а также благородных газов, было известно, что свинец образует прочную связь с оксидом кремния, в то время как ртуть достигает детектора золота. Радон даже пролетает над первой частью детектора золота при комнатной температуре и лишь частично удерживается при самых низких температурах. Результаты Flerovium можно было бы сравнить с этим поведением.

По-видимому, наблюдались два типа взаимодействия разновидности flerovium с поверхностью золота. Осаждение на золото при комнатной температуре указывает на образование относительно прочной химической связи, чего не происходит в благородных газах. С другой стороны, некоторые атомы, по-видимому, никогда не имели возможности образовывать такие связи и были перенесены на большие расстояния от поверхности золота, вплоть до самых низких температур. Этот диапазон детекторов представляет собой ловушку для всех видов элементов. Такое сложное поведение может быть объяснено морфологией поверхности золота: она состоит из небольших кластеров золота, на границах которых находятся очень реакционноспособные участки, по-видимому, позволяющие флеровию связываться. Тот факт, что некоторые атомы флеровия смогли достичь холодной области, указывает на то, что только атомы, столкнувшиеся с такими участками, образовали связь, в отличие от ртути, которая в любом случае сохранялась на золоте. Таким образом, химическая реакционная способность флеровия слабее, чем у летучего металла ртути. Текущие данные не могут полностью исключить возможность того, что первая зона осаждения на золоте при комнатной температуре обусловлена образованием молекул флеровия. Однако из этой гипотезы также следует, что флеровий химически более реакционноспособен, чем элемент благородного газа.

Международное и междисциплинарное сотрудничество как ключ к пониманию

Экзотический плутониевый материал-мишень для производства флеровия был частично предоставлен Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса (LLNL), США. На площадке TRIGA химического факультета Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) материал был электролитически нанесен на тонкую титановую фольгу, изготовленную на GSI / FAIR. "В мире доступно не так много этого материала, и нам повезло, что мы смогли использовать его для этих экспериментов, которые в противном случае были бы невозможны", - сказала доктор Дон Шонесси, глава отдела ядерных и химических наук LLNL. "Это международное сотрудничество объединяет навыки и экспертные знания со всего мира для решения сложных научных проблем и ответов на давние вопросы, такие как химические свойства флеровия".

"Наш эксперимент на ускорителе был дополнен детальным изучением поверхности детектора в сотрудничестве с несколькими отделами GSI, а также химическим факультетом и Институтом физики JGU. Это оказалось ключом к пониманию химического характера флеровия. В результате данные двух предыдущих экспериментов теперь понятны и совместимы с нашими новыми выводами", - говорит Кристоф Дюльманн, профессор ядерной химии в JGU и руководитель исследовательских групп в GSI и в Институте Гельмгольца в Майнце (HIM), сотрудничестве между GSI и JGU.

То, как релятивистские эффекты влияют на его соседей, элементы нихоний (элемент 113) и московий (элемент 115), которые также были официально признаны только в последние годы, является предметом последующих экспериментов. Исходные данные уже были получены в рамках программы FAIR Phase 0 в GSI. Кроме того, исследователи ожидают, что существуют значительно более стабильные изотопы флеровия, но они еще не найдены. Однако теперь исследователи уже знают, что они могут ожидать найти металлический элемент.

В дополнение к GSI/FAIR и JGU, HIM, Университет Ливерпуля (Великобритания), Университет Лунда (Швеция), Университет Ювяскюля (Финляндия), Университет Осло (Норвегия), Институт электронных технологий (Польша), Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса (США), Институт ядерной физики Саха и Индийский технологический институт Рурки (Индия), Объединенное агентство по атомной энергии и Исследовательский центр РИКЕН (Япония), а также Австралийский национальный университет (Австралия) были вовлечены в эксперимент.