Na krawędzi układu okresowego
Właśnie minęło 150 lat od stworzenia układu okresowego, który porządkuje atomy w zależności od ich budowy i właściwości. Dokonał tego rosyjski naukowiec Dmitrij Mendelejew (ale także niezależnie niemiecki badacz Julius Lothar Meyer). W momencie powstania tablicy wielu pierwiastków jeszcze nie odkryto, dlatego pozostały w niej luki. Jednak genialny chemik już wtedy wiedział, że prędzej czy później zostaną one wypełnione przez jego następców. Nie znał jednak odpowiedzi na pytanie, który atom będzie najcięższy.
Rosyjski olbrzym
Dzisiaj odpowiedź brzmi: oganesson. Jego jądro zawiera rekordową liczbę 118 protonów. Dla porównania: wodór, najlżejszy z pierwiastków, zawiera tylko jeden. Istnienie oganessonu ogłoszono w 2006 r. Rosyjscy fizycy ze Zjednoczonego Instytu Badań Jądrowych użyli wtedy akceleratora cząstek zlokalizowanego w Dubnej, by zbombardować jonami wapnia tarczę zbudowaną z kalifornu. Po łącznie 1080 godz. pracy wyprodukowali wreszcie trzy jądra atomowe tej nowej substancji, które ostatecznie przetrwały jedynie ułamek sekundy.
Synteza oganessonu jest zwieńczeniem wysiłków naukowców z całego świata. W ciągu ostatnich lat kilkakrotnie uzupełniali oni układ okresowy o nowe cięższe atomy. W 2015 r., gdy istnienie oganessonu zostało ostatecznie zatwierdzone, do układu dodano także pierwiastki zawierające po 113 (nihon), 115 (moskow) i 117 (tenes) protonów na atom. Dołączyły one do innych superciężkich atomów, które zsyntetyzowano kilka lat wcześniej, np. liwermoru (116 protonów) czy flerowu (114 protonów).
Badacze koncentrują się teraz na elemencie zawierającym 119 protonów, który byłby pierwszym pierwiastkiem 8. okresu w tablicy Mendelejewa. W celu jego stworzenia próbowano do tej pory bombardować jonami wapnia tarczę zrobioną z einsteinu oraz strzelać tytanem w krążek z berkelu. Niestety bezskutecznie. Obecnie naukowcy starają się określić, które kombinacje znanych i dostępnych elementów dają największą szansę na produkcję nowych jąder.
W badaniach tych nie chodzi tylko o dodanie klocków do niezwykłej układanki, jaką jest układ okresowy. Być może kiedyś, gdy już będziemy w stanie zrobić kilogram oganessonu i poznać tym samym jego naturę, okaże się, że element ten ma niezwykłe przydatne właściwości, które odróżniają go od wszystkich znanych materiałów. Ale nawet jeśli substancje stworzone przez naukowców będą ulegać rozpadowi zbyt szybko, żeby dało się potrzymać je w rękach, to i tak ich wytworzenie jest ogromnym krokiem w kierunku głębszego zrozumienia natury pierwiastków.
Przepis na pierwiastek
Stworzenie nowego atomu pochłania mnóstwo czasu i pieniędzy. W dodatku testy bardzo rzadko kończą się sukcesem. Dawniej polegały one na bombardowaniu lżejszych pierwiastków neutronami. Powstają wtedy jądra zawierające nadmiar neutronów. Taki atom ma tendencję do przekształcania jednego z nich w proton (poprzez proces rozpadu beta minus). Metoda ostatecznie wytwarza więc nowy pierwiastek. Problemem tej techniki jest to, że nie można formować elementów cięższych od fermu (100 protonów). Jądra takich atomów nie ulegają bowiem rozpadowi beta.
Aby więc wytworzyć superciężkie elementy, takie jak oganesson, naukowcy wykorzystują inną technikę, która polega na zbliżeniu do siebie dwóch lżejszych jąder i połączeniu ich w jedno cięższe. Brzmi prosto, ale takie nie jest. Gdy dwa jądra znajdują się blisko siebie, odpychanie elektrostatyczne między protonami (ładunki dodatnie) jest silniejsze niż oddziaływania jądrowe, które zapewniają spójność nowego jądra atomowego. Dlatego trzeba rozpędzić cząstki do prędkości odpowiadającej ok. 10% prędkości światła. W ten sposób w czasie zderzenia wytwarza się siła zdolna do pokonania sił odpychających i umożliwienia kontaktu powierzchni jąder.
Nawet jeżeli będziemy bombardować docelową tarczę milionami rozpędzonych cząstek, to szansa zetknięcia się dwóch jąder pozostaje bardzo niska. Jakby tego było mało, to prawdopodobieństwo fuzji dwóch jąder w większe zmniejsza się wraz ze wzrostem liczby protonów w układzie. No i w końcu, nawet gdy uda się stworzyć superciężki atom, to najczęściej rozpada się on natychmiast na mniejsze fragmenty.
Magiczne jądra
Niestabilność zsyntetyzowanych jąder jest zdecydowanie najpoważniejszym problemem, z jakim obecnie zmagają się badacze. Twierdzą jednak, że dotyczy ona tylko niektórych izotopów danego pierwiastka (izotopy to wersje tego samego atomu, które różnią się liczbą neutronów w jądrze). Innymi słowy, stabilne superciężkie izotopy nie zostały jeszcze stworzone i istnieją inne konfiguracje zsyntetyzowanych ostatnio jąder atomowych, których czas życia wynosiłby kilka minut lub nawet kilka lat. Teorię tę potwierdziły ostatnie badania. Weźmy np. pierwiastek 112, czyli kopernik: podczas gdy wariant jądra ze 165 neutronami trwa tylko ok. 0,6 ms, to odmiana cięższa o 8 neutronów ma żywotność jakieś 50 tys. razy większą! Co interesujące, czas życia innych ostatnio stworzonych ciężkich pierwiastków także wydłuża się wraz ze wzrostem liczby neutronów w jądrze.
Bardzo ciekawy w tym zestawieniu jest pierwiastek o nazwie flerow, zawierający 114 protonów i 175 neutronów. Jego jądro rozpadało się w akceleratorze nieco wolniej, niż przewidują to obliczenia. Chociaż czas jego życia i tak jest krótki, fizycy zbliżają się do ziemi obiecanej – centrum wyspy stabilności, czyli regionu układu okresowego grupującego superciężkie i stabilne elementy. Powinno znajdować się ono w strefie, w której atomy mają właśnie 114 protonów. Dlaczego więc pierwiastek ten się rozpada? Czy stworzenie odmiany cięższej o kilka czy kilkanaście neutronów coś by pomogło (jak w przypadku kopernika)? I jeśli tak, to czy jesteśmy w stanie przewidzieć, ile ich powinno być?
Pod koniec lat 30. XX w. zdano sobie sprawę, że dla niektórych „magicznych” liczb protonów lub neutronów, tj. 2, 8, 20, 28, 50, 82 (a także 126 dla neutronów) jądra są bardziej stabilne i trudniejsze do rozszczepienia. Natomiast jądro zawierające magiczną liczbę zarówno protonów, jak i neutronów naukowcy uważają za „podwójnie magiczne”. Najcięższym takim przypadkiem jest izotop ołowiu posiadający 82 protony i 126 neutronów. Według przewidywań następne podwójnie magiczne jądro powinno mieć ich odpowiednio 114 i 184. Jeżeli zatem udałoby się do istniejącej wersji atomu flerowa dodać 9 neutronów, to takie jądro byłoby bardzo stabilne. Co więcej, obliczenia wykazały, że taki izotop byłby tak stabilny, że jego okres półtrwania (czas, w którym połowa jego jąder ulega rozpadowi) zbliżyłby się do wieku Ziemi! Ten teoretyczny wynik pochodzi z lat 60. i po raz pierwszy zasugerował istnienie wyspy stabilności, która wzbudziła wielkie emocje i nadal motywuje naukowców do prac nad superciężkimi atomami.
Fascynujące eksperymenty
Nawet jeśli nowe atomy rozpadają się bardzo szybko, ostatnio dokonano znaczącego postępu w zakresie badania ich właściwości fizycznych i chemicznych. Bardzo ciekawy eksperyment przeprowadzony w Darmstadcie miał na celu pomiar tzw. energii jonizacji izotopów nobla (pierwiastek ze 102 protonami), która jest jedną z charakterystycznych właściwości przypisujących miejsce pierwiastkowi w układzie okresowym. Określa prawdopodobieństwo, z jakim dany element będzie reagować z innymi pierwiastkami i tworzyć wiązania chemiczne.
Naukowcom udało się wyprodukować atomy nobla z szybkością kilku na sekundę, bombardując główny cel zbudowany z ołowiu jonami wapnia. Atomy nobla zostały następnie spowolnione wewnątrz gazu argonowego i poddane impulsom laserowym. Dla niektórych energii wiązki elektron atomu nobla pochłonął foton i „uciekł”. Dzięki temu badacze byli w stanie dokładnie zmierzyć energię potrzebną do oderwania elektronu (czyli jonizacji). Analizy te zostały przeprowadzone na izotopie zawierającym 152 neutrony. Obecnie naukowcy badają lżejsze wersje atomów nobla ze 151 i 150 neutronami, aby wiedzieć, jak deficyt neutronów wpływa na wartość energii jonizacji.
Inni badacze odnieśli sukces w tworzeniu pierwszych wiązań chemicznych między superciężkimi elementami i mniejszymi atomami. Najnowszym przykładem tego typu działań jest synteza cząsteczek zawierających seaborg (106 protonów). W eksperymentach w Nishina Center w Riken w Japonii międzynarodowy zespół wytworzył izotop tego pierwiastka o okresie półtrwania ok. 10 s. Następnie do komory reakcyjnej dodano tlenek węgla (CO). Powstał tzw. związek heksakarbonylowy Sg(CO)6, w którym sześć cząsteczek tlenku węgla jest związanych z centralnym atomem metalu. Naukowcy wykazali, że w tej konkretnej reakcji seaborg zachowuje się zasadniczo jak jego lżejsze i bardziej popularne odpowiedniki, tj. wolfram i molibden. Obecnie badacze sprawdzają, który z tych trzech pierwiastków tworzy najsilniejsze wiązanie z CO.
To tylko kilka przykładów fascynujących eksperymentów, które przeprowadzają dzisiaj naukowcy z wykorzystaniem elementów superciężkich. Chociaż nowi członkowie układu okresowego są rzadcy i egzotyczni, badania eksperymentalne dostarczają nam bezpośrednich informacji na temat tego, jak pasują do obrazu opisującego bardziej klasyczne elementy, które spotykamy w życiu codziennym. Niezależnie od tego, czy są niestabilne, czy długowieczne (i czy kiedykolwiek znajdziemy serce wyspy stabilności), elementy superciężkie mogą nas wiele nauczyć o działaniu chemicznych cegieł natury.
***
Budowa atomu
Atomy składają się z cząstek elementarnych, tj. protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony wchodzą w skład jądra, wokół którego krążą elektrony. Neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie, protony noszą ładunek elektryczny dodatni, a elektrony – ujemny. W atomie liczba protonów jest równa liczbie elektronów. W takiej sytuacji łączny ładunek protonów i elektronów wynosi zero, a więc sam atom jest elektrycznie obojętny. Grupy atomów o takiej samej liczbie protonów w jądrze, ale różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami danego pierwiastka (określonego liczbą protonów). Izotopy konkretnego pierwiastka mają w zasadzie takie same właściwości chemiczne, ale mogą się różnić właściwościami fizycznymi, np. temperaturą wrzenia. Co ciekawe, bardzo wiele pierwiastków, nawet tych lekkich, występuje w naturze w formie mieszaniny izotopów. Nawet wodór – najlżejszy z pierwiastków – ma ich trzy!
***
Uporządkowany świat atomów
Układ okresowy pierwiastków to nic innego jak zestawienie wszystkich pierwiastków w postaci tabelki, która porządkuje je według ich rosnącej liczby atomowej (liczba atomowa = liczba protonów = liczba elektronów) i grupuje według ich cyklicznie powtarzających się właściwości. Pionowe rzędy w układzie okresowym pierwiastków to grupy, poziome – to okresy. Pierwiastki należące do tej samej grupy mają podobne właściwości chemiczne. Nazwy grup pochodzą od pierwiastka rozpoczynającego grupę (z wyjątkiem grupy pierwszej, czyli litowców, na której czele stoi wodór). Okresów jest 7. Każdy zaczyna się bardzo aktywnym metalem, a kończy nieaktywnym gazem szlachetnym.
***
Bezowocne poszukiwania
Niektórzy naukowcy sądzą, że superciężkie pierwiastki mogły uformować się podczas potężnych wydarzeń astronomicznych, takich jak zderzenie dwóch gęstych gwiazd zwanych neutronowymi. W takim przypadku superciężkie elementy mogą być obecne w promieniowaniu kosmicznym lub w skałach ziemskich.
Jeśli chodzi o promieniowanie kosmiczne, to fizycy szukali w nim śladów superciężkich elementów np. podczas eksperymentu UHCRE (ultra heavy cosmic ray nuclei) na pokładzie pojazdu LDEF (long duration exposure facility), ale nie znaleźli ostatecznego dowodu na ich obecność. Wysiłki będą niewątpliwie kontynuowane, ponieważ takie odkrycie miałoby ogromne znaczenie dla naukowców zajmujących się syntezą superciężkich pierwiastków.
W przypadku skał naszej planety szukano np. darmsztadtu (element 110) w naturalnych rudach platyny. Pierwiastek ten powinien być względnie stabilny, gdy ma 184 neutrony (liczba magiczna) i właściwości chemiczne podobne do platyny, jego górnego sąsiada w układzie okresowym. Zastosowano tu rentgenowską spektrometrię fluorescencyjną i spektrometrię masową. Niestety na próżno: jeśli rudy platyny zawierają ten pierwiastek, to jest go mniej niż jedna część na miliard.