När 150 -årsjubileet för formuleringen av det periodiska systemet för kemiska element hägrar, en professor vid Michigan State University undersöker tabellens gränser i en nyligen Naturfysikperspektiv .

Nästa år är det 150 år sedan Dmitry Mendeleev skapade det periodiska systemet. Följaktligen, FN utropade 2019 till International Year of the Periodic Table of Chemical Elements (IYPT 2019). Vid 150 år gammal, bordet växer fortfarande. 2016, fyra nya element lades till den:nihonium, Moskva, tennessine, och oganesson. Deras atomnummer - antalet protoner i kärnan som bestämmer deras kemiska egenskaper och plats i det periodiska systemet - är 113, 115, 117, och 118, respektive.

Det tog ett decennium och en världsomfattande ansträngning att bekräfta dessa fyra sista element. Och nu undrar forskare:hur långt kan detta bord gå? Några svar kan hittas i en nyligen Naturfysikperspektiv av Witek Nazarewicz, Hannah Distinguished Professor of Physics vid MSU och chefsvetare vid Facility for Rare Isotope Beams.

Alla element med mer än 104 protoner är märkta som "supertunga", och är en del av ett stort, helt okänt land som forskare försöker avslöja. Det förutses att atomer med upp till 172 protoner fysiskt kan bilda en kärna som är bunden av kärnkraften. Den kraften är det som förhindrar dess upplösning, men bara för några bråkdelar av en sekund.

Dessa laboratorietillverkade kärnor är mycket instabila, och förfaller spontant strax efter att de bildats. För de som är tyngre än oganesson, detta kan vara så snabbt att det hindrar dem från att ha tillräckligt med tid att attrahera och fånga en elektron för att bilda en atom. De kommer att tillbringa hela sin livstid som församlingar av protoner och neutroner.

Om så är fallet, detta skulle utmana hur forskare idag definierar och förstår "atomer". De kan inte längre beskrivas som en central kärna med elektroner som kretsar kring den ungefär som planeter som kretsar runt solen.

Och om dessa kärnor alls kan bildas, det är fortfarande ett mysterium.

Forskare kryper sakta men säkert in i den regionen, syntetisera element för element, utan att veta hur de kommer att se ut, eller var slutet kommer att vara. Sökandet efter element 119 fortsätter på flera laboratorier, främst vid Joint Institute for Nuclear Research i Ryssland, på GSI i Tyskland, och RIKEN i Japan.

"Kärnteori saknar förmågan att på ett tillförlitligt sätt förutsäga de optimala förhållanden som behövs för att syntetisera dem, så du måste gissa och köra fusionsexperiment tills du hittar något. På det här sättet, du kan springa i flera år, sa Nazarewicz.

Även om den nya anläggningen för sällsynta isotopstrålar vid MSU inte kommer att producera dessa supertunga system, åtminstone inom dess nuvarande design, det kan belysa vilka reaktioner som kan användas, flytta gränserna för nuvarande experimentella metoder. Om element 119 bekräftas, det kommer att lägga till en åttonde period i det periodiska systemet. Detta fångades av Elemental haiku av Mary Soon Lee:Kommer ridån att stiga?/ Kommer du att öppna åttonde akten?/ Gör anspråk på mittscenen?

Nazarewicz sa att upptäckten kanske inte är för långt borta:"Snart. Kan vara nu, eller om två till tre år. Vi vet inte. Experiment pågår. "

En annan spännande fråga återstår. Kan superkraftiga kärnor produceras i rymden? Man tror att dessa kan göras i neutronstjärnfusioner, en stjärnkollision så kraftig att den bokstavligen skakar universums väv. I stjärnmiljöer som denna där neutroner är rikliga, en kärna kan smälta ihop med fler och fler neutroner för att bilda en tyngre isotop. Det skulle ha samma protonnummer, och därför är samma element, men tyngre. Utmaningen här är att tunga kärnor är så instabila att de går sönder långt innan de lägger till fler neutroner och bildar dessa supertunga kärnor. Detta hindrar deras produktion i stjärnor. Förhoppningen är att genom avancerade simuleringar forskare kommer att kunna "se" dessa svårfångade kärnor genom de observerade mönstren hos de syntetiserade elementen.

I takt med att experimentella möjligheter utvecklas, forskare kommer att sträva efter dessa tyngre element för att lägga till det ombyggda bordet. Sålänge, de kan bara undra vilka fascinerande tillämpningar dessa exotiska system kommer att ha.

"Vi vet inte hur de ser ut, och det är utmaningen ", sade Nazarewicz. "Men det vi har lärt oss hittills kan möjligen betyda slutet på det periodiska systemet som vi känner det."

MSU etablerar FRIB som en ny vetenskaplig användaranläggning för Office of Nuclear Physics i U.S. Department of Energy Office of Science. Under uppbyggnad på campus och drivs av MSU, FRIB gör det möjligt för forskare att göra upptäckter om egenskaperna hos sällsynta isotoper för att bättre förstå kärnans fysik, nukleär astrofysik, grundläggande interaktioner, och ansökningar för samhället, inklusive inom medicin, hemlandssäkerhet och industri.