Nu de 150e verjaardag van de formulering van het periodiek systeem van chemische elementen nadert, een professor aan de Michigan State University onderzoekt de limieten van de tafel in een recente Natuurfysisch perspectief .

Volgend jaar is het 150 jaar geleden dat het periodiek systeem werd opgesteld door Dmitry Mendelejev. Overeenkomstig, de Verenigde Naties hebben 2019 uitgeroepen tot het Internationale Jaar van het Periodiek Systeem van Chemische Elementen (IYPT 2019). Op 150-jarige leeftijd, de tafel groeit nog steeds. in 2016, er werden vier nieuwe elementen aan toegevoegd:nihonium, Moskou, tennessine, en oganesson. Hun atoomnummers - het aantal protonen in de kern dat hun chemische eigenschappen en plaats in het periodiek systeem bepaalt - zijn 113, 115, 117, en 118, respectievelijk.

Het kostte tien jaar en wereldwijde inspanning om deze laatste vier elementen te bevestigen. En nu vragen wetenschappers zich af:hoe ver kan deze tafel gaan? Sommige antwoorden zijn te vinden in een recente Natuurfysisch perspectief door Witek Nazarewicz, Hannah Distinguished Professor of Physics aan de MSU en hoofdwetenschapper bij de Facility for Rare Isotope Beams.

Alle elementen met meer dan 104 protonen worden bestempeld als "superzwaar", en maken deel uit van een groot, totaal onbekend land dat wetenschappers proberen te ontdekken. Er wordt voorspeld dat atomen met maximaal 172 protonen fysiek een kern kunnen vormen die aan elkaar is gebonden door de kernkracht. Die kracht is wat het uiteenvallen ervan verhindert, maar slechts voor een paar fracties van een seconde.

Deze in het laboratorium gemaakte kernen zijn erg onstabiel, en spontaan vervallen snel nadat ze zijn gevormd. Voor degenen die zwaarder zijn dan oganesson, dit kan zo snel gaan dat het voorkomt dat ze genoeg tijd hebben om een ​​elektron aan te trekken en vast te leggen om een ​​atoom te vormen. Ze zullen hun hele leven doorbrengen als congregaties van protonen en neutronen.

Als dat het geval is, dit zou een uitdaging vormen voor de manier waarop wetenschappers tegenwoordig "atomen" definiëren en begrijpen. Ze kunnen niet langer worden beschreven als een centrale kern met elektronen die eromheen draaien, net zoals planeten om de zon draaien.

En of deze kernen überhaupt kunnen worden gevormd, het is nog steeds een mysterie.

Wetenschappers kruipen langzaam maar zeker die regio binnen, element voor element synthetiseren, niet wetend hoe ze eruit zullen zien, of waar het einde zal zijn. De zoektocht naar element 119 gaat door in verschillende laboratoria, voornamelijk bij het Joint Institute for Nuclear Research in Rusland, bij GSI in Duitsland, en RIKEN in Japan.

"De kerntheorie mist het vermogen om op betrouwbare wijze de optimale omstandigheden te voorspellen die nodig zijn om ze te synthetiseren, dus je moet gissingen doen en fusie-experimenten uitvoeren totdat je iets vindt. Op deze manier, je zou jaren kunnen rennen, ' zei Nazarewicz.

Hoewel de nieuwe faciliteit voor zeldzame isotopenstralen bij MSU deze superzware systemen niet gaat produceren, tenminste binnen het huidige ontwerp, het zou licht kunnen werpen op welke reacties kunnen worden gebruikt, de grenzen van de huidige experimentele methoden verleggen. Als element 119 wordt bevestigd, het voegt een achtste periode toe aan het periodiek systeem. Dit werd vastgelegd door de elementaire haiku van Mary Soon Lee:Gaat het doek omhoog?/ Open jij de achtste act?/ Claim het middelpunt?

Nazarewicz zei dat de ontdekking misschien niet al te ver weg is:"Binnenkort. Zou nu kunnen zijn, of binnen twee tot drie jaar. Wij weten het niet. Experimenten zijn aan de gang."

Er blijft nog een spannende vraag over. Kunnen superzware kernen in de ruimte worden geproduceerd? Men denkt dat deze kunnen worden gemaakt in neutronensterfusies, een stellaire botsing die zo krachtig is dat het de structuur van het universum letterlijk doet schudden. In stellaire omgevingen zoals deze, waar neutronen in overvloed aanwezig zijn, een kern kan met steeds meer neutronen fuseren tot een zwaardere isotoop. Het zou hetzelfde protongetal hebben, en is daarom hetzelfde element, maar zwaarder. De uitdaging hier is dat zware kernen zo onstabiel zijn dat ze afbreken lang voordat er meer neutronen worden toegevoegd en deze superzware kernen worden gevormd. Dit belemmert hun productie in sterren. De hoop is dat door geavanceerde simulaties, wetenschappers zullen deze ongrijpbare kernen kunnen "zien" door de waargenomen patronen van de gesynthetiseerde elementen.

Naarmate de experimentele mogelijkheden vorderen, wetenschappers zullen deze zwaardere elementen nastreven om toe te voegen aan de vernieuwde tafel. Ondertussen, ze kunnen zich alleen maar afvragen welke fascinerende toepassingen deze exotische systemen zullen hebben.

"We weten niet hoe ze eruit zien, en dat is de uitdaging", zei Nazarewicz. "Maar wat we tot nu toe hebben geleerd, kan mogelijk het einde betekenen van het periodiek systeem zoals we dat kennen."

MSU richt FRIB op als een nieuwe wetenschappelijke gebruikersfaciliteit voor het Office of Nuclear Physics in het Amerikaanse Department of Energy Office of Science. In aanbouw op de campus en beheerd door MSU, FRIB zal wetenschappers in staat stellen ontdekkingen te doen over de eigenschappen van zeldzame isotopen om de fysica van kernen beter te begrijpen, nucleaire astrofysica, fundamentele interacties, en toepassingen voor de samenleving, ook in de geneeskunde, binnenlandse veiligheid en industrie.