Er der en ende på det periodiske system? MSU -professor udforsker sine grænser

Da 150-året for formuleringen af ​​det periodiske system for kemiske grundstoffer nærmer sig, en professor ved Michigan State University undersøger bordets grænser i en nylig Naturfysisk perspektiv .

Næste år markeres 150 -året for formuleringen af ​​det periodiske system skabt af Dmitry Mendeleev. Derfor, FN proklamerede 2019 som det internationale år for det periodiske system for kemiske elementer (IYPT 2019). 150 år gammel, bordet vokser stadig. I 2016 fire nye grundstoffer blev føjet til det:nihonium, Moskva, tennessine, og oganesson. Deres atomnummer - antallet af protoner i kernen, der bestemmer deres kemiske egenskaber og sted i det periodiske system - er 113, 115, 117, og 118, henholdsvis.

Det tog et årti og verdensomspændende indsats at bekræfte disse sidste fire elementer. Og nu spekulerer forskerne på:hvor langt kan denne tabel gå? Nogle svar kan findes i en nylig Naturfysisk perspektiv af Witek Nazarewicz, Hannah Distinguished Professor of Physics på MSU og chefforsker ved Facility for Rare Isotope Beams.

Alle grundstoffer med mere end 104 protoner er mærket som "supertunge", og er en del af en stor, totalt ukendt land, som videnskabsmænd forsøger at afdække. Det forudsiges, at atomer med op til 172 protoner fysisk kan danne en kerne, der er bundet sammen af ​​atomkraften. Denne kraft forhindrer dens opløsning, men kun i nogle få brøkdele af et sekund.

Disse laboratoriefremstillede kerner er meget ustabile, og henfalder spontant kort efter at de er dannet. For dem, der er tungere end oganesson, dette kan være så hurtigt, at det forhindrer dem i at have nok tid til at tiltrække og fange en elektron til at danne et atom. De vil bruge hele deres levetid som menigheder af protoner og neutroner.

Hvis det er tilfældet, dette ville udfordre den måde, videnskabsmænd i dag definerer og forstår "atomer". De kan ikke længere beskrives som en central kerne med elektroner, der kredser om den, ligesom planeter kredser om solen.

Og om disse kerner overhovedet kan dannes, det er stadig et mysterium.

Forskere kravler langsomt, men sikkert ind i den region, syntetisere element for element, ved ikke hvordan de vil se ud, eller hvor slutningen skal være. Søgningen efter element 119 fortsætter på flere laboratorier, hovedsageligt ved Joint Institute for Nuclear Research i Rusland, hos GSI i Tyskland, og RIKEN i Japan.

"Nuklear teori mangler evnen til pålideligt at forudsige de optimale betingelser, der er nødvendige for at syntetisere dem, så du skal gætte og køre fusionseksperimenter, indtil du finder noget. På denne måde, du kunne løbe i årevis, sagde Nazarewicz.

Selvom den nye facilitet for sjældne isotopstråler på MSU ikke kommer til at producere disse supertunge systemer, i det mindste inden for dets nuværende design, det kan kaste lys over, hvilke reaktioner der kunne bruges, skubbe grænserne for nuværende eksperimentelle metoder. Hvis element 119 bekræftes, det tilføjer en ottende periode til det periodiske system. Dette blev fanget af Elemental haiku af Mary Soon Lee:Vil forhænget stige?/ Vil du åbne ottende akt?/ Gør krav på midterstadiet?

Nazarewicz sagde, at opdagelsen måske ikke er for langt væk:"Snart. Kunne være nu, eller om to til tre år. Vi ved det ikke. Eksperimenter er i gang. "

Et andet spændende spørgsmål er tilbage. Kan supertunge kerner produceres i rummet? Det menes, at disse kan laves ved neutronstjernefusioner, en stjernekollision så kraftig, at den bogstaveligt talt ryster selve stoffet i universet. I stjernemiljøer som dette, hvor neutroner er rigelige, en kerne kan smelte sammen med flere og flere neutroner for at danne en tungere isotop. Det ville have det samme protonnummer, og derfor er det samme element, men tungere. Udfordringen her er, at tunge kerner er så ustabile, at de går i stykker længe, ​​før de tilføjer flere neutroner og danner disse superhøje tunge kerner. Dette forhindrer deres produktion i stjerner. Håbet er, at gennem avancerede simuleringer, videnskabsmænd vil være i stand til at "se" disse undvigende kerner gennem de observerede mønstre af de syntetiserede elementer.

Efterhånden som eksperimentelle muligheder skrider frem, forskere vil forfølge disse tungere elementer for at tilføje til det ombyggede bord. I mellemtiden, de kan kun undre sig over, hvilke fascinerende applikationer disse eksotiske systemer vil have.

"Vi ved ikke, hvordan de ser ud, og det er udfordringen ", sagde Nazarewicz. "Men det, vi har lært hidtil, kan muligvis betyde afslutningen på det periodiske system, som vi kender det."

MSU etablerer FRIB som en ny videnskabelig brugerfacilitet for Office of Nuclear Physics i US Department of Energy Office of Science. Under opførelse på campus og drives af MSU, FRIB vil gøre det muligt for forskere at gøre opdagelser om sjældne isotopers egenskaber for bedre at forstå kernernes fysik, nuklear astrofysik, grundlæggende interaktioner, og ansøgninger til samfundet, herunder i medicin, hjemmeværn og industri.