Hilsen fra øen med øget stabilitet:Jagten på grænsen for det periodiske system

Siden århundredeskiftet er seks nye kemiske grundstoffer blevet opdaget og efterfølgende føjet til grundstoffernes periodiske system, selve kemiens ikon. Disse nye grundstoffer har høje atomnumre op til 118 og er betydeligt tungere end uran, grundstoffet med det højeste atomnummer (92), der findes i større mængder på Jorden.

Dette rejser følgende spørgsmål:Hvor mange flere af disse supertunge arter venter på at blive opdaget? Hvor – hvis overhovedet – er en grundlæggende grænse i skabelsen af ​​disse elementer? Og hvad er kendetegnene ved den såkaldte ø med øget stabilitet?

I en nylig gennemgang opsummerer eksperter i teoretisk og eksperimentel kemi og fysik af de tungeste grundstoffer og deres kerner de store udfordringer og giver et nyt syn på nye supertunge grundstoffer og grænsen for det periodiske system.

En af dem er professor Christoph Düllmann fra GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt, Johannes Gutenberg University Mainz og Helmholtz Institute Mainz (HIM). I februar-udgaven, Nature Review Physics præsenterer emnet som sin forsidehistorie.

Visualisering af en ø med stabilitet af supertunge kerner

Allerede i første halvdel af forrige århundrede indså forskerne, at massen af ​​atomkerner er mindre end den samlede masse af deres proton- og neutronbestanddele. Denne forskel i masse er ansvarlig for kernernes bindingsenergi. Visse antal neutroner og protoner fører til stærkere binding og omtales som "magi."

Faktisk observerede videnskabsmænd tidligt, at protoner og neutroner bevæger sig i individuelle skaller, der ligner elektroniske skaller, hvor kerner af metalbly er den tungeste med fuldstændig fyldte skaller indeholdende 82 protoner og 126 neutroner - en dobbelt magisk kerne.

Tidlige teoretiske forudsigelser antydede, at den ekstra stabilitet fra de næste "magiske" tal, langt fra kerner kendt på det tidspunkt, kunne føre til levetider, der kan sammenlignes med jordens alder. Dette førte til forestillingen om en såkaldt ø med stabilitet af supertunge kerner adskilt fra uran og dets naboer af et hav af ustabilitet.

Der er talrige grafiske repræsentationer af stabilitetens ø, der skildrer den som en fjern ø. Der er gået mange årtier siden dette billede dukkede op, så det er på tide at tage et nyt kig på stabiliteten af ​​supertunge kerner og se, hvor rejsen til grænserne for masse og ladning kan føre os hen.

I deres nylige papir med titlen "Søgen efter supertunge grundstoffer og grænsen for det periodiske system" beskriver forfatterne den nuværende vidensstatus og de vigtigste udfordringer inden for disse supertunge dele. De præsenterer også vigtige overvejelser for fremtidig udvikling.

Grundstoffer op til oganesson (grundstof 118) er blevet fremstillet i eksperimenter, navngivet og inkluderet i det periodiske system over grundstoffer i acceleratoranlæg rundt om i verden, såsom hos GSI i Darmstadt og fremover på FAIR, det internationale acceleratorcenter, der bygges kl. GSI. Disse nye elementer er meget ustabile, med de tungeste, der højst går i opløsning inden for få sekunder.

En mere detaljeret analyse afslører, at deres levetid stiger mod det magiske neutrontal 184. I tilfældet med copernicium (grundstof 112), som for eksempel blev opdaget ved GSI, øges levetiden fra mindre end en tusindedel af et sekund til 30 sekunder. Neutronnummeret 184 er dog stadig et stykke vej fra at blive nået, så de 30 sekunder er kun et skridt på vejen.

Da den teoretiske beskrivelse stadig er tilbøjelig til store usikkerheder, er der ingen konsensus om, hvor de længste levetider vil forekomme, og hvor lange de vil være. Der er dog en generel enighed om, at virkelig stabile supertunge kerner ikke længere kan forventes.

Revidering af kortet over supertunge elementer

Dette fører til en revision af det supertunge landskab på to vigtige måder. På den ene side er vi faktisk ankommet til kysten af ​​regionen med øget stabilitet og har således eksperimentelt bekræftet konceptet om en ø med øget stabilitet. På den anden side ved vi endnu ikke, hvor stor denne region er - for at blive med billedet. Hvor lang vil den maksimale levetid være, hvor højden af ​​bjergene på øen typisk repræsenterer stabiliteten, og hvor vil de længste levetider forekomme?

Nature Reviews Physics papir diskuterer forskellige aspekter af relevant nuklear og elektronisk strukturteori, herunder syntese og påvisning af supertunge kerner og atomer i laboratoriet eller i astrofysiske hændelser, deres struktur og stabilitet og placeringen af ​​de nuværende og forventede supertunge elementer i det periodiske system.

Den detaljerede undersøgelse af de supertunge elementer er fortsat en vigtig søjle i forskningsprogrammet på GSI Darmstadt, understøttet af infrastruktur og ekspertise ved HIM og Johannes Gutenberg University Mainz, og danner en unik ramme for sådanne undersøgelser.

I løbet af det sidste årti er der opnået adskillige gennembrudsresultater, herunder detaljerede undersøgelser af deres produktion, som førte til bekræftelsen af ​​element 117 og opdagelsen af ​​den forholdsvis langlivede isotop lawrencium-266, af deres nukleare struktur ved en række eksperimentelle teknikker , af strukturen af ​​deres atomskaller samt deres kemiske egenskaber, hvor flerovium (grundstof 114) repræsenterer det tungeste grundstof, som der findes kemiske data for.

Beregninger på produktion i kosmos, især under sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner, som observeret eksperimentelt for første gang i 2017, runder forskningsporteføljen af. I fremtiden kan undersøgelsen af ​​supertunge elementer blive endnu mere effektiv takket være den nye lineære accelerator HELIAC, hvortil det første modul for nylig blev samlet hos HIM og derefter med succes testet i Darmstadt, så det bliver yderligere, endnu mere eksotisk og derfor formodentlig længere -levende kerner vil også være eksperimentelt opnåelige.

En oversigt over grundstoffundene og de første kemiske undersøgelser ved GSI kan findes i artiklen "Five decades of GSI superheavy element discoveries and chemical research," offentliggjort i maj 2022 i Radiochimica Acta .

Flere oplysninger: Odile R. Smits et al., The quest for superheavy elementer og grænsen for det periodiske system, Nature Reviews Physics (2023). DOI:10.1038/s42254-023-00668-y

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres