Międzynarodowy zespół badawczy po raz pierwszy zmierzył siłę wiązania chemicznego z seaborgiem – wyniki opublikowano w „Nature”
Międzynarodowy zespół badawczy pod kierownictwem naukowców z Centrum Badań Ciężkich Jonów GSI Helmholtza oraz FAIR w Darmstadt dokonał niezwykłego pomiaru: po raz pierwszy eksperymentalnie określono siłę wiązania chemicznego w związku z pierwiastkiem superciężkim. Wyniki dostarczają nowych informacji na temat tego, jak zmieniają się właściwości chemiczne pierwiastków w ekstremalnych warunkach.
Przedmiotem badań był sztucznie wytworzony pierwiastek seaborg (Sg) o liczbie atomowej 106. Naukowcy zbadali związek składający się z jednego atomu seaborgu i sześciu grup tlenku węgla, tzw. kompleks heksakarbonylowy Sg(CO)₆.
Zaskakujący wynik: wiązanie chemiczne jest słabsze, niż można by się spodziewać na podstawie położenia pierwiastka w układzie okresowym. Wynika to z efektów, które można wyjaśnić teorią względności Einsteina. Wyniki badań opublikowano w renomowanym czasopiśmie naukowym „Nature”.
Kiedy teoria względności Einsteina wpływa na chemię
Pierwiastki superciężkie o liczbie atomowej od 104 do 118 nie występują naturalnie w ilościach wystarczających do przeprowadzenia takich badań. Muszą być sztucznie wytwarzane w reakcjach syntezy jądrowej w akceleratorach cząstek.
To złożony proces: często dziennie powstaje zaledwie kilka atomów. Co więcej, powstałe jądra atomowe są niezwykle niestabilne i rozpadają się radioaktywnie w bardzo krótkim czasie.
W seaborgu wysoki dodatni ładunek jądra atomowego silnie wpływa na ruch elektronów. Elektrony w pobliżu jądra osiągają prędkości, przy których efekty relatywistyczne odgrywają znaczącą rolę.
Zmienia to strukturę elektronową atomu. To z kolei wpływa na sposób, w jaki pierwiastek tworzy wiązania chemiczne z innymi atomami lub cząsteczkami.
Seaborgium zachowuje się inaczej niż oczekiwano
W układzie okresowym seaborg należy do tej samej grupy pierwiastków co chrom, molibden i wolfram. W obrębie tej grupy siła badanego wiązania chemicznego wzrasta od chromu, przez molibden, do wolframu.
Idąc tym tropem, można by oczekiwać, że odpowiadające mu wiązanie będzie szczególnie silne w jeszcze cięższym seaborgu.
Pomiary wykazały jednak coś odwrotnego.
„Od chromu, przez molibden, po wolfram, siła wiązania rośnie, więc w rzeczywistości powinna być najsilniejsza w seaborgu. Jednak pomiary pokazują, że wysoka liczba atomowa seaborgu zmienia jego strukturę elektronową, co odwraca ten trend i prowadzi do osłabienia wiązania” – wyjaśnia dr Alexander Yakushev z GSI/FAIR, rzecznik międzynarodowej współpracy badawczej.
Obliczenia chemii kwantowej uwzględniające efekty relatywistyczne mogą wyjaśnić tę obserwację. Z drugiej strony, prostsze modele bez tych efektów przewidywałyby dalszy wzrost siły wiązań.
Do badania potrzebnych było zaledwie 75 atomów seaborgu
Badania eksperymentalne postawiły przed naukowcami szczególne wyzwanie, ponieważ wytworzone atomy seaborgu istnieją tylko przez ułamki sekund.
Izotop Seaborg-259 został wyprodukowany w GSI/FAIR w Darmstadt. Badane stany jądrowe mają czas życia krótszy niż pół sekundy.
Wykorzystując eksperymentalną instalację TASCA, separator transaktynidów i aparat chemiczny, wytworzone atomy izolowano, a następnie wprowadzano do atmosfery gazu zawierającego tlenek węgla.
Badane związki chemiczne mogły tam powstawać. Dwa detektory ustawione jeden za drugim służyły do rejestrowania rozpadów promieniotwórczych poszczególnych atomów i rozróżniania produktów reakcji.
Łącznie badacze wykryli 75 atomów seaborgu. Tylko trzy z nich zostały zarejestrowane w detektorze dla związku heksakarbonylowego.
Dla porównania zespół zbadał również krótkotrwałe izotopy wolframu. W tych izotopach 17% atomów tworzyło odpowiadający im związek.
Na podstawie tej różnicy naukowcy byli w stanie wywnioskować, że badane wiązanie jest o około cztery kilodżule na mol słabsze w seaborgu niż w wolframie.
Lata badań prowadzą do sukcesu
Związek Sg(CO)₆ został po raz pierwszy zsyntetyzowany około dziesięciu lat temu w Centrum RIKEN Nishina w Japonii. W eksperymencie brali wówczas udział naukowcy z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji oraz GSI/FAIR.
Już wtedy uważano, że związek ten jest obiecujący w kontekście badania wytrzymałości wiązań chemicznych. Jednak wstępne próby faktycznego określenia tej wytrzymałości zakończyły się niepowodzeniem.
Dopiero połączenie metod szybkiej syntezy chemicznej, wysokiej wydajności i czułych metod wykrywania rozpadów promieniotwórczych umożliwiło przeprowadzenie skutecznych pomiarów.
Współpraca międzynarodowa jako podstawa
Profesor Christoph E. Düllmann, kierownik katedr chemii pierwiastków superciężkich w GSI/FAIR i w Instytucie Helmholtza w Moguncji, a także profesor Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji, podkreśla znaczenie współpracy międzynarodowej.
„Ten przełomowy eksperyment nie byłby możliwy bez interdyscyplinarnej i międzynarodowej współpracy między instytucjami badawczymi na całym świecie” – wyjaśnia Düllmann.
Badania te stanowią uzupełnienie programów badawczych GSI i FAIR, które zajmują się m.in. pochodzeniem pierwiastków we wszechświecie i ich podstawowymi właściwościami.
Po udanym eksperymencie naukowcy przygotowują się już do dalszych badań. W przyszłości planują również zbadać związki chemiczne zawierające pierwiastki nawet cięższe niż seaborg.
(DARMSTADT – RED/GSI)
Zdjęcie główne: Układ eksperymentalny za separatorem TASCA: pierwszy detektor za komorą reakcyjną, otoczony dwoma detektorami germanowymi. Zdjęcie: GSI
