Beyond element 118: kolejny rząd układu okresowego

cztery nowe pierwiastki zostały właśnie dodane do układu okresowego uzupełniającego siódmy rząd tabeli. Ale pomimo tego, że pierwiastki 113, 115 i 118 zostały odkryte na początku 2000 roku i 117 w 2010 roku, nadal nie ma śladu po elementach 119 i późniejszych. Dlaczego nikt nie twierdził, że stworzył jeden z tych nowych superciężkich i kiedy chemicy będą mogli rozpocząć ósmy rząd układu okresowego?

odkąd Edwin McMillan i Philip Abelson zsyntetyzowali pierwszy transuraniowy pierwiastek Neptun w 1940 roku, stały strumień nowych pierwiastków wypełnił dolne rzędy układu okresowego. Za każdym razem, gdy grupa twierdzi, że zsyntetyzowała nowy pierwiastek, Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) musi rozważyć przedstawione dowody. Zazwyczaj twierdzenie o pierwszej syntezie nowego superciężkiego pierwiastka pojawia się wiele lat przed zebraniem wystarczających dowodów, aby uzyskać aprobatę Iupac. To właśnie sprawia, że brak jakichkolwiek roszczeń do stworzenia pierwiastka 119 lub więcej jest zaskakujący. Ale chociaż żadna grupa nie twierdziła jeszcze, że stworzyła pierwiastek, który należy do ósmego rzędu układu okresowego, to nie wynika to z braku prób.

aby utworzyć nowy element, ciężki cel elementu jest bombardowany wysoce przyspieszonymi pociskami lżejszych elementów. Już w 2007 roku naukowcy z Joint Institute for Nuclear Research (JINR) w Dubnej w Rosji i Helmholtza Centre for Heavy Ion Research (GSI) w Darmstadt w Niemczech próbowali zsyntetyzować unbinilium lub pierwiastek 120, bombardując Pluton żelazem i uran niklem. Jednak oba zespoły zaobserwowały jedynie szereg lżejszych jąder i cząstek. Aby naukowcy mieli pewność, że naprawdę stworzyli nowy pierwiastek, muszą podążać za łańcuchami rozpadu nowego pierwiastka, wyjaśnia James Roberto, associate laboratory director w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w USA.

celowanie w nowe technologie

strzelanie pociskami wapnia w bardzo ciężki cel aktynowców działało dobrze w przypadku produkcji pierwiastków 114 do 118, ale w przypadku jeszcze cięższych pierwiastków prawdopodobieństwo utworzenia nowego pierwiastka w ten sposób spada. Pozornie prostym rozwiązaniem byłoby po prostu wystrzelić więcej i cięższych pocisków w cel.

akceleratory prądu trafiały w cel około 1012 pociskami co sekundę. Ale „trafienie w cel jeszcze większą liczbą pocisków faktycznie spaliłoby cel” – wyjaśnia fizyk Krzysztof Rykaczewski. Możesz też spalić swój detektor. Potrzebujemy lepszej technologii, aby tego uniknąć. Można również znacznie zwiększyć cel i rozłożyć wiązkę pocisku na jego większy obszar-dodaje-ale wykonanie tych celów nie jest łatwe. Synteza 20 mg berkelu użytego do wytworzenia pierwiastka 117 trwała ponad dwa lata. Superciężka fabryka elementów, która powstaje w Dubnie, będzie miała lepsze możliwości wykrywania i będzie w stanie generować wiązki o znacznie wyższej intensywności, ale „potrzebne będą dodatkowe przełomy, aby kontynuować prace poza elementem 120”, mówi Roberto.

jednak naukowcy pozostają pozytywni. – W ciągu jednego pokolenia osiągniemy prawdopodobnie pierwiastek 124-spekuluje Rykaczewski. Eric Scerri, historyk chemii z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles w USA, zgadza się: „piętnaście lat temu było nie do pomyślenia, że ktokolwiek kiedykolwiek zajdzie tak daleko, jak my.”Polowanie na nowe elementy, dodaje, było i będzie motorem rozwoju technologii.

jednym z pomysłów na przezwyciężenie ograniczeń obecnych technik syntezy ciężkich pierwiastków jest wywołanie reakcji transferu jądrowego. Jeśli wystrzelisz Uran w uranowy cel, jądra nigdy się nie stopią, wyjaśnia Christoph Düllmann, badacz GSI. Ale zderzające się jądra mogą wymieniać protony i neutrony podczas zderzenia. „W niektórych przypadkach może to prowadzić do powstania produktu, który ma na przykład 120 protonów” – mówi Düllmann. „Może to być droga do uzyskania dostępu do izotopów, które nie są osiągalne w reakcjach fuzji.”

przesuwanie granic

większości superciężkich elementów ” bardzo ograniczone okresy życia uniemożliwiają ich użycie w rzeczywistych zastosowaniach. Badanie ich sprawdza jednak zrozumienie jądra atomowego przez naukowców. – Jeśli chcesz przetestować samochód, który rozważasz zakup, powinieneś nie tylko zrobić dwa zakręty na parkingu, ale przetestować go w trudnych warunkach-mówi Rykaczewski. Podobnie, testowanie modeli jądrowych w ekstremalnych warunkach pomaga naukowcom wybrać te, które tworzą najlepsze prognozy.

obliczenia są niejasne, ile dokładnie może uzyskać układ okresowy. Fizyk Richard Feynman przewidział, że pierwiastek 137 będzie granicą. „Obliczenia opierają się po prostu na teorii względności Einsteina”, mówi Scerri. Kiedy jądra atomowe stają się coraz większe, elektrony muszą iść coraz szybciej. Po osiągnięciu pewnej wielkości obliczenia przewidują, że elektrony muszą iść szybciej niż prędkość światła-fizyczna niemożliwość. Inne obliczenia przewidują, że stanie się to znacznie później, jednak wokół elementu 170.

podczas gdy cztery ostatnie dodatki do układu okresowego są wysoce radioaktywne i rozpadają się w mniej niż minutę, naukowcy spodziewają się znaleźć wyspę stabilności skoncentrowaną wokół pierwiastków 120, 124 lub 126. Te „magiczne” liczby protonów i neutronów odpowiadają wypełnionym pociskom jądrowym. Tak jak w pełni wypełnione powłoki elektronowe walencyjne elementy, takie jak gazy szlachetne chemicznie obojętne, wypełnione powłoki neutronów lub protonów zwiększyć stabilność jądra.

naukowcy mają nadzieję, że podwójnie magiczne izotopy unbinilium lub unbihexium (pierwiastek 126), zawierające zarówno magiczną liczbę protonów, jak i magiczną liczbę neutronów, będą jeszcze dłużej żyć niż ich inne izotopy – chociaż szacunki dotyczące okresu półtrwania różnią się znacznie od kilku mikrosekund do milionów lat. Naukowcy zaobserwowali już zwiększoną stabilność znanych pierwiastków superciężkich, gdy w izotopach o liczbie neutronów zbliżonej do magicznej 184. „Święty Graal w syntezie pierwiastków superciężkich ma osiągnąć tę liczbę neutronów” – mówi Düllmann. Ale problem polega na tym, że obecnie nie mamy dwóch jąder, które dadzą nam superciężki element, który ma również tyle neutronów .”