aleksander bilewicz instytut chemii i techniki...

21
1 Chemistry of superheavy elements Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość fizyki jądrowej niskich energii w Polsce a rozwój krajowej infrastruktury badawczej Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów UW 14-15 stycznia 2019

Upload: others

Post on 28-Feb-2021

8 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

1

Chemistry of superheavy elements

Aleksander Bilewicz

Instytut Chemii i Techniki Jądrowej

Konferencja Przyszłość fizyki jądrowej niskich energii w Polsce

a rozwój krajowej infrastruktury badawczej

Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów UW

14-15 stycznia 2019

Page 2: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Why we study super-heavy elements?

• How many elements can exist? chemical restrictions

• How relativistic effects can affect the chemical properties of elements

• Construction of the periodic table

Page 3: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

2

2

00

me

4πr

=

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Z

c137,035

ZVr =

c137,035

ZVr =

<r1s>rel/<r1s>

2

0

c

v1

mm

=

orbital 1s

Page 4: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

spin-orbital coupling

p

p1/2

p3/2

d5/2

d3/2

d

Page 5: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Relativistic effects in chemistry

• Noble gold [Xe]5d106s1

• Liquid mercury [Xe]5d106s2

• Yellow color of gold and cesium

• Anion Au-

• Low oxidation states

• Tl+ , [Xe]5d106s26p1/2

• Pb2+, [Xe]5d106s26p21/2

• Bi+, [Xe]5d106s26p21/26p3/2

• Po2+ [Xe]5d106s26p21/26p2

3/2

Page 6: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

2018

Transaktynowce >103

Transfermowce > 100

Superciężkie > 103

Page 7: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

6s orbital

J Autschbach,S Siekierski, J.Coput.Chem. 23 (2002) 808.

Page 8: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Cn - [Rn] 5f146d107s2

Fl - [Rn] 5f146d107s27p1/22

Page 9: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość
Page 10: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Rutherfordium 267Rf 2.5 hours

Dubnium 268Db 29 hours

Seaborgium 269Sg 14 minutes

Bohrium 270Bh 1 minute

Hassium 270Hs 10 seconds

Meitnerium 278Mt 7.6 seconds

Darmstadtium 281Ds 9.6 seconds

Roentgenium 282Rg 1.6 minutes

Copernicium 285Cn 29 seconds

Nihonium 286Nh 9.5 seconds

Flerovium 289Fl 1.9 seconds

Moscovium 290Mc 650 milliseconds

Livermorium 293Lv 57 milliseconds

Tennessine 294Ts 51 milliseconds

Oganesson 294Og0.69 milliseconds]

Criteria for chemical studies to

be carried out on a transactinide,

• at least four atoms must beproduced,

• the half-life of the isotope must be at least 1 second,

• rate of production must be at least one atom per week.

Page 11: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Faza 1 Faza 2

1

2

3

4

5

6

Faza 1 Faza 2

Classical system

One atom chemistry

= 5

=dK

=dK

=dK

=dK

=dK

0dK =

5dK =

Partition

technique

Solid state– gas

liquid – liquid

liquid – solid state

F2CF1C

dK =

Page 12: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Techniki badań

Page 13: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Termochromatography

Page 14: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

A

R

C

A

A

I

D

A

Liquid chromatography

Page 15: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Window/Target (242,244Pu)

Beam (48Ca)

Beam stop

SiO2-FilterTa metal850°C

Quartz column

Cryo On-line Detector (4p COLD)

Carrier gas He/Ar (70/30)

Teflon capillary

(32 pairs PIN diodes, one side gold covered)

Hg Loop

Temperature gradient: 35°C to – 180 °C

T

l

Rn

The Cn and Fl experiments

112,114?

Recoil chamber

Quartz inlay

242Pu (48Ca,3n)287Fl - 3.5 pb

Page 16: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Adsorption of Cn on gold surface

Cn is similar to Hg but more volatile

-200

-150

-100

-50

0

50

-200

-150

-100

-50

0

50

-200

-150

-100

-50

0

502 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

0

10

20

30

40

50

icegold

219Rn

185Hg

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

0

10

20

30

40

50

283112

283112

ice

219Rn

185Hg

Re

l. y

ield

/ d

ete

cto

r, %

gold283

112

Te

mp

era

ture

, °C

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

0

10

20

30

40

50

Detector #

icegoldc)

b)

219Rn

185Hg

a)

R.Eichler et al. Nature 447 (2007) 72–75

Page 17: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

-200-150-100-50050

-200-150-100-50050

-200-150-100-50050

0369

1215

(288

114)

288114

0369

1215

Re

l. y

ield

/ d

ete

cto

r, %

Te

mp

era

ture

, °C

287114

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

0369

1215

(289

114-->285

112)

Detector #

gold ice

-88°C

-90°C

-93°C

-4°C

Z=112

A. Yakushev et al. Inorg. Chem. 2014, 53, 1624−1629

Page 18: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Fl gas chemistry

A. Yakushev et al. Inorg. Chem. 2014, 53, 1624−1629

Page 19: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Hydrolysis in Group 4 Ti>Rf>Zr>Hf

OM+H

H

Ionic radius - rj

Rf4+ >Hf4+ > Zr4+ > Ti4+

Page 20: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

kation ri (pm)

(CN=8)

pK1h

Ca2+ 112 13,22

Sr2+ 126 13,83

Ba2+ 142 14,07

Ra2+ 148 14,07

kation

ri,

pm

pK1h

kation

ri,

pm

pK1h

kation

ri,

pm

pK1h

Cu+

Ag+

Au+

77

115

137

-

12

3.8

Zn2+

Cd2+

Hg2+

74

95

102

8.96

10.08

3.40

Ga3+

In3+

Tl3+

62.0

80.0

88.5

3.6

4.0

0.6

Grupa 11 Grupa 12 Grupa 13

Grupa 2

Stałe hydrolizy

Page 21: Aleksander Bilewicz Instytut Chemii i Techniki Jądrowejslcj.uw.edu.pl/wp-content/uploads/konferencja_slcj2019/ABilewicz_2… · Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Konferencja Przyszłość

Perspectives of SHE research in Poland

1. Studies on Cn2+ hydrolysis

2. Termochromatography studies of chelates Rf, Db, Fl

3. Electrochemical studies of Cn and Fl