Sinds de eeuwwisseling zijn er zes nieuwe chemische elementen ontdekt en vervolgens toegevoegd aan het periodiek systeem der elementen, hét icoon van de scheikunde. Deze nieuwe elementen hebben hoge atoomnummers tot 118 en zijn aanzienlijk zwaarder dan uranium, het element met het hoogste atoomnummer (92) dat in grotere hoeveelheden op aarde wordt aangetroffen.

Dit roept de volgende vragen op:Hoeveel meer van deze superzware soorten wachten erop ontdekt te worden? Waar ligt – of helemaal niet – een fundamentele grens bij het creëren van deze elementen? En wat zijn de kenmerken van het zogenaamde eiland van verbeterde stabiliteit?

In een recent overzicht vatten experts op het gebied van de theoretische en experimentele scheikunde en natuurkunde van de zwaarste elementen en hun kernen de belangrijkste uitdagingen samen en bieden ze een frisse kijk op nieuwe superzware elementen en de limiet van het periodiek systeem.

Eén van hen is professor Christoph Düllmann van het GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Johannes Gutenberg Universiteit Mainz en het Helmholtz Instituut Mainz (HIM). In het februarinummer van Nature Review Physics presenteert het onderwerp als coverstory.

Visualisering van een eiland van stabiliteit van superzware kernen

Al in de eerste helft van de vorige eeuw realiseerden onderzoekers zich dat de massa van atoomkernen kleiner is dan de totale massa van hun protonen- en neutronenbestanddelen. Dit verschil in massa is verantwoordelijk voor de bindingsenergie van de kernen. Bepaalde aantallen neutronen en protonen leiden tot een sterkere binding en worden 'magie' genoemd.

Wetenschappers hebben al vroeg opgemerkt dat protonen en neutronen zich in individuele schillen bewegen die vergelijkbaar zijn met elektronische schillen, waarbij kernen van metaallood het zwaarst zijn met volledig gevulde schillen die 82 protonen en 126 neutronen bevatten – een dubbel magische kern.

Vroege theoretische voorspellingen suggereerden dat de extra stabiliteit van de volgende ‘magische’ getallen, ver verwijderd van de toen bekende kernen, zouden kunnen leiden tot levens die vergelijkbaar zijn met de leeftijd van de aarde. Dit leidde tot het idee van een zogenaamd eiland van stabiliteit van superzware kernen, gescheiden van uranium en zijn buren door een zee van instabiliteit.

Er zijn talloze grafische weergaven van het eiland van stabiliteit, waarin het wordt afgebeeld als een ver eiland. Er zijn vele decennia verstreken sinds dit beeld naar voren kwam, dus het is tijd om een ​​frisse blik te werpen op de stabiliteit van superzware kernen en te zien waar de reis naar de grenzen van massa en lading ons naartoe zou kunnen leiden.

In hun recente artikel getiteld "De zoektocht naar superzware elementen en de limiet van het periodiek systeem" beschrijven de auteurs de huidige stand van de kennis en de belangrijkste uitdagingen op het gebied van deze superzware elementen. Ze presenteren ook belangrijke overwegingen voor toekomstige ontwikkeling.

Elementen tot en met oganesson (element 118) zijn geproduceerd in experimenten, benoemd en opgenomen in het periodiek systeem van elementen in versnellerfaciliteiten over de hele wereld, zoals bij GSI in Darmstadt en in de toekomst bij FAIR, het internationale versnellercentrum dat wordt gebouwd op GSI. Deze nieuwe elementen zijn zeer onstabiel, waarbij de zwaarste binnen enkele seconden uiteenvallen.

Uit een meer gedetailleerde analyse blijkt dat hun levensduur toeneemt richting het magische neutronengetal 184. In het geval van copernicium (element 112), bijvoorbeeld ontdekt bij GSI, neemt de levensduur toe van minder dan een duizendste van een seconde naar 30 seconden. Het neutronengetal 184 is echter nog lang niet bereikt, dus de 30 seconden zijn slechts één stap onderweg.

Omdat de theoretische beschrijving nog steeds onderhevig is aan grote onzekerheden, bestaat er geen consensus over waar de langste levensduur zal plaatsvinden en hoe lang deze zal zijn. Er bestaat echter algemene overeenstemming dat echt stabiele superzware kernen niet langer te verwachten zijn.

De kaart van superzware elementen herzien

Dit leidt op twee belangrijke manieren tot een herziening van het superzware landschap. Aan de ene kant zijn we inderdaad aangekomen aan de oevers van de regio met verbeterde stabiliteit en hebben we daarmee experimenteel het concept van een eiland met verbeterde stabiliteit bevestigd. Aan de andere kant weten we nog niet hoe groot deze regio is – om bij het beeld te blijven. Hoe lang zal de maximale levensduur zijn, waarbij de hoogte van de bergen op het eiland doorgaans de stabiliteit vertegenwoordigt, en waar zullen de langste levensduur plaatsvinden?

De Natuurbeoordelingen Natuurkunde paper bespreekt verschillende aspecten van relevante nucleaire en elektronische structuurtheorie, waaronder de synthese en detectie van superzware kernen en atomen in het laboratorium of bij astrofysische gebeurtenissen, hun structuur en stabiliteit, en de locatie van de huidige en verwachte superzware elementen in het periodiek systeem.

Het gedetailleerde onderzoek naar de superzware elementen blijft een belangrijke pijler van het onderzoeksprogramma van GSI Darmstadt, ondersteund door infrastructuur en expertise bij HIM en Johannes Gutenberg Universiteit Mainz, en vormt een unieke setting voor dergelijke onderzoeken.

In het afgelopen decennium zijn verschillende baanbrekende resultaten verkregen, waaronder gedetailleerde studies van de productie ervan, die hebben geleid tot de bevestiging van element 117 en de ontdekking van de relatief langlevende isotoop lawrencium-266, van hun nucleaire structuur door middel van een verscheidenheid aan experimentele technieken. , van de structuur van hun atomaire omhulsels en hun chemische eigenschappen, waarbij flerovium (element 114) het zwaarste element vertegenwoordigt waarvoor chemische gegevens bestaan.

Berekeningen over de productie in de kosmos, vooral tijdens het samensmelten van twee neutronensterren, zoals in 2017 voor het eerst experimenteel waargenomen, ronden het onderzoeksportfolio af. In de toekomst zou het onderzoek naar superzware elementen nog efficiënter kunnen zijn dankzij de nieuwe lineaire versneller HELIAC, waarvan de eerste module onlangs bij HIM is geassembleerd en vervolgens met succes is getest in Darmstadt, zodat verder, nog exotischer en dus vermoedelijk langer -levende kernen zullen ook experimenteel haalbaar zijn.

Een overzicht van de elementontdekkingen en de eerste chemische onderzoeken bij GSI is te vinden in het artikel "Vijf decennia van GSI superheavy element ontdekkingen en chemisch onderzoek", gepubliceerd in mei 2022 in Radiochimica Acta .

Meer informatie: Odile R. Smits et al, De zoektocht naar superzware elementen en de limiet van het periodiek systeem, Nature Reviews Physics (2023). DOI:10.1038/s42254-023-00668-y

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra