Beyond element 118: nästa rad i det periodiska systemet

fyra nya element har just lagts till i det periodiska systemet som kompletterar tabellens sjunde rad. Men trots att element 113, 115 och 118 alla upptäcktes i början av 2000-talet och 117 i 2010, finns det fortfarande inget tecken på element 119 och därefter. Varför har ingen hävdat att ha skapat en av dessa nya superheavyweights och när kommer kemister att kunna starta en åttonde rad på det periodiska bordet?

sedan Edwin McMillan och Philip Abelson syntetiserade det första transuranelementet neptunium 1940 har en stadig ström av nya element fyllde de nedre raderna i det periodiska bordet. Varje gång en grupp påstår sig ha syntetiserat ett nytt element måste International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) väga de bevis som presenteras. Vanligtvis kommer påståendet om den första syntesen av ett nytt superheavy-element många år innan tillräckligt med bevis samlas för att få godkännande från Iupac. Det är detta som gör att frånvaron av något krav på skapandet av element 119 eller bortom överraskande. Men medan ingen grupp ännu har hävdat att ha skapat ett element som hör hemma på den åttonde raden i det periodiska bordet är det inte av brist på försök.

för att skapa ett nytt element bombarderas ett tungt elementmål med mycket accelererade lättare elementprojektiler. Redan 2007 försökte forskare vid Joint Institute for Nuclear Research (JINR) i Dubna, Ryssland och Helmholtz Center for Heavy Ion Research (GSI) i Darmstadt, Tyskland, syntetisera unbinilium eller element 120 genom att bombardera plutonium med järn respektive uran med nickel. Båda lagen observerade emellertid bara ett sortiment av lättare kärnor och partiklar. För att forskare ska vara övertygade om att de verkligen har gjort ett nytt element måste de följa det nya elementets signaturförfallskedjor, förklarar James Roberto, associerad laboratoriedirektör vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i USA.

inriktning på ny teknik

bränning av kalciumprojektiler vid ett mycket tungt aktinidmål fungerade bra för att producera element 114 till 118, men för ännu tyngre element minskar sannolikheten för att skapa ett nytt element på detta sätt. En uppenbarligen enkel lösning skulle vara att bara skjuta fler och tyngre projektiler mot målet.

nuvarande acceleratorer träffade målet med cirka 1012 projektiler varje sekund. Men ’att träffa målet med ett ännu högre antal projektiler skulle faktiskt bränna målet’, förklarar ORNL-fysikern Krzysztof Rykaczewski. Och du kan bränna din detektor också. Vi behöver bättre teknik för att undvika detta. Du kan också göra målet mycket större och sprida projektilstrålen över sitt större område, tillägger han – men att göra dessa aktinidmål är inte lätt. Att syntetisera 20 mg berkelium som användes för att producera element 117 tog mer än två år. Superheavy Element Factory som byggs på Dubna kommer att ha förbättrade detekteringsfunktioner och kunna generera strålar med betydligt högre intensiteter, men ’ytterligare genombrott kommer att behövas för att fortsätta bortom element 120’, säger Roberto.

forskare är dock positiva. ’Inom en generations livstid kommer vi förmodligen att nå element 124’, spekulerar Rykaczewski. Eric Scerri, en kemihistoriker vid University of California, Los Angeles, USA, håller med: ’för femton år sedan var det otänkbart att någon någonsin skulle komma så långt vi kom.- Jakten på nya element, tillägger han, har varit och kommer att driva teknikutvecklingen.

en IDE för att övervinna begränsningarna av nuvarande tekniker för syntes av tunga element är att inducera kärnöverföringsreaktioner. Om du avfyrade uran mot ett uranmål kommer kärnorna aldrig att smälta, förklarar GSI-forskaren Christoph D Obbllmann. Men de kolliderande kärnorna kan utbyta protoner och neutroner när de kolliderar. – I vissa fall kan det leda till en produkt som råkar ha till exempel 120 protoner, säger D. Detta kan vara en väg att få tillgång till isotoper som inte kan nås genom fusionsreaktioner.’

tänja på gränserna

de flesta superheavy element ’ mycket begränsad livslängd förhindrar deras användning i verkliga applikationer. Att studera dem testar dock forskarnas förståelse av atomkärnan. – Om du vill testa en bil som du funderar på att köpa ska du inte bara göra två varv på parkeringsplatsen utan testa den under svåra förhållanden, säger Rykaczewski. På samma sätt hjälper test av kärnmodeller under extrema förhållanden forskare att välja de som gör de bästa förutsägelserna.

beräkningarna är otydliga på exakt hur mycket större det periodiska systemet kan bli. Fysiker Richard Feynman förutspådde element 137 att vara gränsen. – Beräkningen baseras helt enkelt på Einsteins relativitetsteori, säger Scerri. När atomkärnor blir större och större måste elektronerna gå snabbare och snabbare. När du når en viss storlek beräkningar förutspår att elektronerna måste gå snabbare än hastigheten ett ljus – en fysisk omöjlighet. Andra beräkningar förutspår att detta kommer att hända mycket senare, dock runt element 170.

medan de fyra senaste tillskotten till det periodiska systemet är mycket radioaktiva och sönderfall på mindre än en minut, förväntar sig forskare att hitta en ö av stabilitet centrerad kring Element 120, 124 eller 126. Dessa element ’magiska’ proton-och neutronnummer motsvarar fyllda kärnskal. Precis som helt fyllda valenselektronskal gör element som ädelgaserna kemiskt inerta, fyllda neutron-eller protonskal ökar kärnans stabilitet.

forskare hoppas att unbiniliums eller unbihexiums (element 126) dubbelt magiska isotoper, som innehåller både ett magiskt protonnummer och ett magiskt neutronnummer, skulle vara ännu längre levande än deras andra isotoper – även om halveringstidens uppskattningar varierar vildt från några mikrosekunder till miljoner år. Forskare har redan sett ökad stabilitet hos kända superheavy-element när de är i isotoper med neutronnummer närmare magic 184. – Den heliga graalen i superheavy elementsyntes är att nå detta neutronnummer, säger D. Men problemet är att vi för närvarande inte har två kärnor som kommer att ge oss ett superheavy element som också har så många neutroner.’