vier nieuwe elementen zijn zojuist toegevoegd aan het periodiek systeem ter aanvulling van de zevende rij van de tabel. Maar ondanks dat de elementen 113, 115 en 118 allemaal ontdekt werden in de vroege jaren 2000 en 117 in 2010, is er nog steeds geen teken van elementen 119 en verder. Waarom heeft niemand beweerd een van deze nieuwe superhevyweights te hebben gecreëerd en wanneer zullen chemici in staat zijn om een achtste rij op het periodiek systeem te beginnen?
Joint Institute for Nuclear Research
Particle accelerators create new elements by bombarding a heavy element target with highly accelerated lighter
sinds Edwin McMillan en Philip Abelson in 1940 het eerste transuranium element neptunium synthetiseerden, heeft een gestage stroom van nieuwe elementen de onderste rijen van het periodiek systeem gevuld. Telkens wanneer een groep beweert een nieuw element te hebben gesynthetiseerd, moet de International Union of Pure and Applied Chemistry (Iupac) het gepresenteerde bewijs afwegen. Typisch de claim van de eerste synthese van een nieuwe superzware element komt vele jaren voordat genoeg bewijs wordt verzameld om het knik van goedkeuring van de Iupac te krijgen. Dit is wat het ontbreken van enige aanspraak op de schepping van element 119 of meer dan verrassend maakt. Maar hoewel nog geen enkele groep beweert een element te hebben gecreëerd dat op de achtste rij van het periodiek systeem hoort, is het niet door gebrek aan proberen.
om een nieuw element te creëren, wordt een zwaar elementdoel gebombardeerd met sterk versnelde lichtere elementprojectielen. Al in 2007 probeerden onderzoekers van het Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, Rusland, en het Helmholtz Centre for Heavy Ion Research (GSI) in Darmstadt, Duitsland, unbinilium of element 120 te synthetiseren door plutonium te bombarderen met respectievelijk ijzer en uranium met nikkel. Echter, beide teams alleen waargenomen een assortiment van lichtere kernen en deeltjes. Om ervoor te zorgen dat wetenschappers er zeker van zijn dat ze echt een nieuw element hebben gemaakt, moeten ze de kenmerkende vervalketens van het nieuwe element volgen, legt James Roberto, associate laboratory director bij Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in de VS Uit.
Targeting new technologies
het afvuren van calciumprojectielen op een zeer zwaar actinidedoel werkte goed voor het produceren van elementen 114 tot 118, maar voor nog zwaardere elementen neemt de kans op het creëren van een nieuw element op deze manier af. Een schijnbaar eenvoudige oplossing zou zijn om meer en zwaardere projectielen op het doel af te vuren.
Oak Ridge National Laboratory
Het kostte onderzoekers meer dan twee jaar om een kleine hoeveelheid berkelium te produceren waarmee element 117
Het doel werd bereikt met ongeveer 1012 projectielen per seconde. Maar’ het doel raken met een nog hoger aantal projectielen zou het doel eigenlijk verbranden’, legt ORNL-natuurkundige Krzysztof Rykaczewski uit. En je kunt je detector ook verbranden. We hebben betere technologie nodig om dit te voorkomen. Je kunt het doelwit ook veel groter maken en de projectielbundel over het grotere gebied verspreiden,’ voegt hij toe – maar het maken van deze actinidedoelen is niet eenvoudig. Het synthetiseren van 20 mg berkelium voor de productie van element 117 duurde meer dan twee jaar. De superzware Elementfabriek die in Dubna wordt gebouwd, zal betere detectiemogelijkheden hebben en stralen met aanzienlijk hogere intensiteit kunnen genereren, maar ‘er zullen extra doorbraken nodig zijn om verder te gaan dan element 120’, zegt Roberto.
onderzoekers blijven echter positief. ‘Binnen de levensduur van één generatie zullen we waarschijnlijk element 124 bereiken,’ speculeert Rykaczewski. Eric Scerri, scheikundehistoricus aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, VS, is het daarmee eens: ‘vijftien jaar geleden was het ondenkbaar dat iemand ooit zover zou komen als wij.”De zoektocht naar nieuwe elementen, voegt hij toe, is en zal de motor zijn van de technologische ontwikkeling.
een idee om de beperkingen van de huidige synthesetechnieken voor zware elementen te overwinnen is het opwekken van kernoverdrachtreacties. Als je uranium afvuurt op een uraniumdoel, zullen de kernen nooit fuseren, legt GSI-onderzoeker Christoph Düllmann uit. Maar de botsende kernen kunnen protonen en neutronen uitwisselen als ze botsen. ‘In sommige gevallen kan dat leiden tot een product dat bijvoorbeeld 120 protonen bevat’, zegt Düllmann. ‘Dit kan een weg zijn naar isotopen die niet bereikbaar zijn door fusiereacties.’
de grenzen verleggen
De meeste superzware elementen’ zeer beperkte levensduur voorkomt het gebruik ervan in echte toepassingen. Het bestuderen van hen, echter, test wetenschappers begrip van de atoomkern. ‘Als je een auto wilt testen die je overweegt te kopen, moet je niet alleen twee bochten op de parkeerplaats maken, maar deze onder moeilijke omstandigheden testen’, zegt Rykaczewski. Ook het testen van nucleaire modellen onder extreme omstandigheden helpt onderzoekers die te kiezen die de beste voorspellingen te maken.
Oak Ridge National Laboratory, Enrico Sacchetti
kernreactoren creëren de uitgangsmaterialen die onderzoekers gebruiken in hun zoektocht naar nieuwe elementen
berekeningen zijn onduidelijk over hoeveel groter het periodiek systeem precies kan worden. Fysicus Richard Feynman voorspelde dat element 137 de limiet was. ‘De berekening is gewoon gebaseerd op Einsteins relativiteitstheorie’, zegt Scerri. Als atoomkernen groter en groter worden, moeten de elektronen steeds sneller gaan. Zodra u een bepaalde grootte berekeningen voorspellen dat de elektronen moeten sneller gaan dan de snelheid van een licht – een fysieke onmogelijkheid. Andere berekeningen voorspellen dat dit veel later zal gebeuren, echter rond element 170.
hoewel de vier laatste toevoegingen aan het periodiek systeem zeer radioactief zijn en in minder dan een minuut verdwijnen, verwachten wetenschappers een eiland van stabiliteit te vinden rond elementen 120, 124 of 126. Deze elementen ‘magische’ proton – en neutronengetallen komen overeen met gevulde kernschelpen. Net zoals volledig gevulde valentie – elektronenschillen elementen zoals de edelgassen chemisch inert maken, verhogen gevulde neutronenschillen of protonschillen de stabiliteit van de kern.
onderzoekers hopen dat unbinilium ’s of unbihexium’ s (element 126) dubbel magische isotopen, die zowel een magisch protongetal als een magisch neutrongetal bevatten, nog langer zouden leven dan hun andere isotopen – hoewel schattingen van de halfwaardetijd variëren van een paar microseconden tot miljoenen jaren. Onderzoekers hebben al gezien toenemende stabiliteit van bekende superzware elementen in isotopen met neutronengetallen dichter bij de magische 184. ‘De Heilige Graal in superzware elementsynthese is het bereiken van dit neutronengetal’, zegt Düllmann. ‘Maar het probleem is dat we op dit moment geen twee kernen hebben die ons een superzwaar element geven dat ook zoveel neutronen heeft.’