Sedan sekelskiftet har sex nya kemiska grundämnen upptäckts och sedan lagts till i grundämnenas periodiska system, själva ikonen för kemin. Dessa nya grundämnen har höga atomnummer upp till 118 och är betydligt tyngre än uran, grundämnet med det högsta atomnumret (92) som finns i större mängder på jorden.
Detta väcker följande frågor:Hur många fler av dessa supertunga arter väntar på att bli upptäckta? Var – om alls – finns en grundläggande gräns i skapandet av dessa element? Och vad kännetecknar den så kallade ön med förbättrad stabilitet?
I en nyligen genomförd granskning sammanfattar experter inom teoretisk och experimentell kemi och fysik för de tyngsta grundämnena och deras kärnor de stora utmaningarna och ger en ny syn på nya supertunga grundämnen och gränsen för det periodiska systemet.
En av dem är professor Christoph Düllmann från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt, Johannes Gutenberg University Mainz och Helmholtz Institute Mainz (HIM). I februarinumret, Nature Review Physics presenterar ämnet som dess omslagsberättelse.
Redan under första hälften av förra seklet insåg forskarna att massan av atomkärnor är mindre än den totala massan av deras proton- och neutronbeståndsdelar. Denna skillnad i massa är ansvarig för kärnornas bindningsenergi. Ett visst antal neutroner och protoner leder till starkare bindning och kallas "magi".
Faktum är att forskare tidigt observerade att protoner och neutroner rör sig i individuella skal som liknar elektroniska skal, där kärnorna i metallbly är de tyngsta med helt fyllda skal som innehåller 82 protoner och 126 neutroner – en dubbelt magisk kärna.
Tidiga teoretiska förutsägelser antydde att den extra stabiliteten från nästa "magiska" siffror, långt ifrån kärnor kända vid den tiden, kan leda till livstider jämförbara med jordens ålder. Detta ledde till föreställningen om en så kallad ö av stabilitet av supertunga kärnor separerade från uran och dess grannar av ett hav av instabilitet.
Det finns många grafiska representationer av stabilitetens ö, som visar den som en avlägsen ö. Många decennier har gått sedan denna bild dök upp, så det är dags att ta en ny titt på stabiliteten hos supertunga kärnor och se vart resan till gränserna för massa och laddning kan leda oss.
I sin senaste artikel med titeln "Strävan efter supertunga element och gränsen för det periodiska systemet" beskriver författarna det nuvarande kunskapsläget och de viktigaste utmaningarna inom dessa supertunga ämnen. De presenterar också viktiga överväganden för framtida utveckling.
Grundämnen upp till oganesson (grundämne 118) har framställts i experiment, namngivna och inkluderade i det periodiska systemet över grundämnen i acceleratoranläggningar runt om i världen, såsom vid GSI i Darmstadt och i framtiden på FAIR, det internationella acceleratorcentret som byggs kl. GSI. Dessa nya element är mycket instabila, med de tyngsta som sönderfaller inom några sekunder.
En mer detaljerad analys avslöjar att deras livslängder ökar mot det magiska neutrontalet 184. I fallet med copernicium (element 112), till exempel, som upptäcktes vid GSI, ökar livslängden från mindre än en tusendels sekund till 30 sekunder. Neutronnumret 184 är dock fortfarande långt ifrån att nås, så de 30 sekunderna är bara ett steg på vägen.
Eftersom den teoretiska beskrivningen fortfarande är utsatt för stora osäkerheter finns det ingen konsensus om var de längsta livslängderna kommer att inträffa och hur långa de kommer att vara. Det råder dock en allmän enighet om att verkligt stabila supertunga kärnor inte längre kan förväntas.
Detta leder till en revidering av det supertunga landskapet på två viktiga sätt. Å ena sidan har vi verkligen kommit fram till stränderna av regionen med ökad stabilitet och har således experimentellt bekräftat konceptet med en ö med ökad stabilitet. Å andra sidan vet vi ännu inte hur stor denna region är – för att stanna vid bilden. Hur långa kommer den maximala livslängden att vara, med höjden på bergen på ön som typiskt representerar stabiliteten, och var kommer de längsta livstiderna att inträffa?
Naturrecensioner Fysik Uppsatsen diskuterar olika aspekter av relevant kärn- och elektronisk strukturteori, inklusive syntes och detektering av supertunga kärnor och atomer i laboratoriet eller i astrofysiska händelser, deras struktur och stabilitet, och placeringen av de nuvarande och förväntade supertunga elementen i det periodiska systemet.
Den detaljerade undersökningen av de supertunga elementen förblir en viktig pelare i forskningsprogrammet vid GSI Darmstadt, med stöd av infrastruktur och expertis vid HIM och Johannes Gutenberg University Mainz, och utgör en unik miljö för sådana studier.
Under det senaste decenniet har flera genombrottsresultat erhållits, inklusive detaljerade studier av deras produktion, vilket ledde till bekräftelsen av element 117 och upptäckten av den jämförelsevis långlivade isotopen lawrencium-266, av deras kärnstruktur genom en mängd olika experimentella tekniker , av strukturen hos deras atomskal samt deras kemiska egenskaper, där flerovium (grundämne 114) representerar det tyngsta grundämnet för vilket det finns kemiska data.
Beräkningar på produktion i kosmos, särskilt under sammanslagning av två neutronstjärnor, som observerades experimentellt för första gången 2017, avrundar forskningsportföljen. I framtiden kan undersökningen av supertunga element bli ännu mer effektiv tack vare den nya linjäracceleratorn HELIAC, för vilken den första modulen nyligen monterades hos HIM och sedan framgångsrikt testades i Darmstadt, så att ytterligare, ännu mer exotiska och därför förmodligen längre -levde kärnor kommer också att vara experimentellt möjliga.
En översikt över grundämnesfyndigheterna och de första kemiska studierna vid GSI finns i artikeln "Five decades of GSI superheavy element discoveries and chemical research", publicerad i maj 2022 i Radiochimica Acta .
Mer information: Odile R. Smits et al, Strävan efter supertunga grundämnen och gränsen för det periodiska systemet, Nature Reviews Physics (2023). DOI:10.1038/s42254-023-00668-y
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
