Nowe pierwiastki… Czy układ okresowy ma koniec?

Stało się. Międzynarodowa Unia Chemii obwieściła odkrycie czterech nowych pierwiastków, a tym samym zapełnienie siódmego rzędu układu okresowego. Czy to już koniec? Czy listę pierwiastków możemy aktualizować przez wieczność?

Pierwiastki unununu…

Układ okresowy i nowe pierwiastki
Układ okresowy pierwiastków wraz z czterema nowymi elementami.

Na początek dokonajmy traumatycznego zabiegu. Cofnijmy się pamięcią do powszechnie znienawidzonych, szkolnych lekcji chemii. Jak część z was na pewno pamięta, na ścianie klasy obowiązkowo wisiał rozległy, podzielony na wiersze (okresy) i kolumny (grupy), układ okresowy. Nawet w najbardziej prymitywnej wersji, zawsze można odczytać z niego przynajmniej jedną wartość – liczbę atomową – cyferkę umieszczaną zazwyczaj w rogu lub nad symbolem każdego pierwiastka. Pewnie pamiętacie również, że tablica została tak sprytnie skonstruowana, aby posuwając się od lewej do prawej i od góry do dołu, następowały pierwiastki o coraz cięższych jądrach i coraz wyższej liczbie atomowej.

Badania japońskiego instytutu RIKEN i amerykańskiego laboratorium w Berkeley, odnalazły rekordowo “ciężkie” nowe pierwiastki, zapełniając puste okienka w prawym dolnym sektorze układu okresowego, konkretniej w okresie siódmym. W ten sposób doświadczalnie dowiedziono możliwości zaistnienia takich dziwactw jak ununtrium, ununpentium, ununseptium oraz ununoctium, o liczbach atomowych 113, 115, 117 i 118. Właściwie rekordowe są tylko dwa ostatnie, bo Flerow o liczbie atomowej 114 i Liwermor o liczbie atomowej 116, udało się otrzymać już ponad dekadę temu.

Liczby Z i A

Schemat układu okresowego

To właśnie liczba atomowa tak naprawdę decyduje o tym z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Ale co dokładnie ta maglowana wartość oznacza? Otóż to nic innego, aniżeli liczebność protonów składających się na dane jądro atomowe. Jeśli więc widzimy, że wodór ma nad sobą “jedynkę” to dowiadujemy się, że jego jądro stanowi jeden osamotniony proton. Hel oznaczony liczbą atomową 2 posiada dwa protony, lit trzy i tak dalej. Żeby było ciekawiej, liczba atomowa z zasady informuje nas też o liczbie otaczających jądro elektronów. W końcu, zwyczajny atom (nie będący jonem) powinien pozostać neutralny elektrycznie, a żeby to osiągnąć, na każdy dodatni proton musi przypadać jeden ujemny elektron. Wodór ma zatem jeden proton i jeden elektron, hel dwa protony i dwa elektrony, lit trzy protony i trzy elektrony…

Pod żadnym pozorem nie należy jednak mylić liczby atomowej z inną istotną wartością, zwaną liczbą masową! Ta druga wielkość opisuje całe jądro, tj. sumę protonów i neutronów w atomie. Przypominam o tym dlatego, że uczeni wpadli na szatański plan oznaczania liczby masowej literą A, podczas gdy interesującą nas liczbę atomową symbolizuje jak na złość Z. Jeśli więc słyszymy o uranie 238 (pierwiastku o A=238, Z=92), to mamy do czynienia jądrem atomowym złożonym łącznie z 238 cząstek – w tym przypadku 92 protonów i 146 neutronów.

Elektrostatyka vs. oddziaływania jądrowe

Powróćmy do postawionego na początku pytania. Czy układ okresowy pierwiastków ma koniec i czy za ununoctium możemy znaleźć coś jeszcze? Przede wszystkim musicie wiedzieć, że istnienie jądra o Z=118 chemicy przewidzieli już dawno. Właściwie już pierwsi organizatorzy tablic pierwiastków, jak Dymirij Mendelejew czy Niels Bohr przeczuwali, że kilkadziesiąt znanych im pierwiastków to dopiero początek zabawy i przezornie, należy zostawić wolne krzesła dla potencjalnych przybyszów. Ale dlaczego w ogóle jakaś granica istnieje? Dlaczego nie może powstać pierwiastek, dajmy na to z trzystoma protonami w jądrze?

Niedawno opisywałem schemat reakcji syntezy termojądrowej (tutaj), tłumacząc pokrótce dlaczego stworzenie pierwiastka z połączenia dwóch mniejszych, pozostaje piekielnie trudnym przedsięwzięciem. Najważniejszą ze stojących nam na drodze przeszkód jest bariera kulombowska. Siły elektrostatyczne powodują, iż dwa dodatnio naładowane protony zamiast się grzecznie przytulić, za wszelką cenę próbują zachować dystans. Jedynie gigantyczne ciśnienie i temperatura rzędu dziesiątków milionów stopni są w stanie zmusić cząstki aby przekroczyły tę barierę i zbliżyły się na tyle blisko aby zadziałało silne oddziaływanie jądrowe. Można je porównać do naprawdę wydajnego kleju, rewelacyjnie zlepiającego cząstki w zwartą całość – ale działającego jedynie na bardzo, bardzo krótkich dystansach.

Jeśli zaczniemy główkować, szybko wydedukujemy, że te same mechanizmy i kłopoty nadały kształt układowi okresowemu pierwiastków. Wspomniana odległość oddziaływań jądrowych ma kluczowe znaczenie. Elektromagnetyzm odpowiadający za odpychanie dwóch protonów lub przyciąganie protonu z elektronem, funkcjonuje na olbrzymich odległościach (z punktu widzenia atomu). Oddziaływanie silne z kolei, pozostaje kompletnie bez znaczenia dopóki nukleony nie zbliżą się do siebie na dystans około 10-14 metra, więc przeszło sto tysięcy razy mniejszy niż średnica atomu. Jednak każdy kto bawił się kiedyś dwoma magnesami wie, że gdy skierujemy do siebie dwa “plusy” lub “minusy”, sztabki zaczną uciekać. A skoro elektromagnetyzm zaczyna działać jeszcze zanim oddziaływanie silne w ogóle zorientuje się o co chodzi – zadanie jest wyjątkowo kłopotliwe.

Neutrony na ratunek

Mówiąc krótko: im ciaśniej upakujemy nukleony, tym bardziej na znaczeniu zyskuje oddziaływanie silne, kosztem oddziaływania elektromagnetycznego. Sęk w tym, że poszczególne jądra atomowe różnią się między sobą rozmiarami. Jądro helu zbudowane z zaledwie dwóch protonów i dwóch neutronów wypada licho w porównaniu do jądra uranu, magazynującego grubo ponad dwieście nukleonów. (Choć istnieje pewien trik, dzięki któremu jądro przewyższa rozmiarami inne, o wyższej liczbie atomowej. Ale o tym może innym razem). To bardzo istotne, bo nasza bryła protonów i neutronów w pewnym momencie może okazać się tak wielka, że mocno ograniczone zakresem działania oddziaływanie silne, przestaje ją ogarniać! 

Bardzo uproszczona budowa atomu

Z nieocenioną pomocą przychodzą nam neutrony – apatyczni wolontariusze nuklearnego świata. Jak na ironię, cząstka która odpowiada za reakcję rozszczepienia atomu, jednocześnie umożliwia stabilną egzystencję niemal wszystkich pierwiastków. Wszystko dzięki temu, że neutron pozostaje, jak sama nazwa wskazuje, neutralny elektrycznie. Jednocześnie neutron, podobnie do protonu jest wrażliwy na oddziaływania jądrowe i z wielką chęcią wchodzi w skład atomowego jądra. Cząstka niczego nie odpycha ani nie przyciąga, ale przy bezpośrednim kontakcie, bez oporów lepi się do swoich sąsiadów. Szczypta neutronów nie wpływa więc na ładunek elektryczny atomu, ale wzmacnia wpływy oddziaływania silnego usztywniając całą konstrukcję.

Jeśli to do was nie przemawia, to wyobraźcie sobie protony jako bandę zanadto rozrywkowych studentów, rozsadzających codziennymi balangami akademik. Neutrony to grupa kujonów i abstynentów w kraciastych koszulach, którzy zajmują część pokojów, wyciszając całą społeczność do sensownego poziomu. Jednak żeby to działało, im więcej przybywa imprezowiczów, tym więcej potrzeba stabilizatorów. Spoglądając na cięższe pierwiastki dostrzeżemy, że w końcu liczba neutronów zaczyna przewyższać liczbę protonów w jądrze. O ile w prostym atomie helu mamy piękną równowagę zapewnioną przez dwa protony i dwa neutrony, o tyle w trwałym izotopie polonu na każdy proton przypada już 1,6 neutronu. Niestety w pewnym momencie dochodzi do przegięcia w drugą stronę: nietrwałe ze swej natury neutrony, pozwalają jedynie na tworzenie coraz mniej stabilnych pierwiastków i ich izotopów. I tak odkrywane przez nas superciężkie pierwiastki, nie są w stanie powstrzymać się od rozpadu dłużej niż tysięczną część sekundy.

Mityczna wyspa stabilności

Czy osiągnęliśmy więc koniec? W pewnym sensie do krańca doszliśmy dawno temu, odkrywając ostatni trwały w pełni tego słowa znaczeniu pierwiastek, jakim jest ołów (Z=82), tudzież pierwiastki mniej trwałe ale spotykane w przyrodzie, jak pluton (Z=94). Siódmy okres układu udało nam się zapełnić wyłącznie dzięki wytężonej pracy setek fizyków i specyficznym warunkom zapewnianym przez akceleratory cząstek elementarnych. Wielu uczonych uważa, że jesteśmy w stanie wyciągnąć z natury jeszcze więcej i możemy otrzymać w warunkach laboratoryjnych również pierwiastki z hipotetycznego, ósmego okresu.

Entuzjaści dalszego uzupełniania tablic chemicznych wspominają nawet o technicznej możliwości minięcia granicy Z=200 (to bardzo dużo, skoro ununoctium ma Z=118). Pojawia się też skromna nadzieja na ustrzelenie po drodze tzw. wyspy stabilności. Byłby to superciężki pierwiastek lub grupa takich pierwiastków, o względnie dużej trwałości. Takich, które mogłyby przetrwać dłużej niż mrugnięcie oka.

Granica istnieje, ale prawdopodobnie jeszcze jej nie dosięgliśmy.

PS Już pojawiła się petycja aby jeden z uchwyconych pierwiastków nazwać Oktaryną. Fani zmarłego w ubiegłym roku Sir Terry’ego Pratchetta wiedzą o co chodzi. 🙂

Literatura uzupełniająca:
K. Ford, 101 kwantowych pytań. Wszystko co chcielibyście wiedzieć o świecie, którego nie widać, przeł. J. Szajkowska, Warszawa 2012;
Dlaczego układ okresowy ma koniec?, [online http://eduinf.waw.pl/fiz/art/artfiz/art_0007.pdf];
Four new elements complete the seventh row of the periodic table, [online: https://www.newscientist.com/article/dn28721-four-new-elements-complete-the-seventh-row-of-the-periodic-table/?].
Test na ratunek Ziemi Czy jesteśmy sami? Zapytajmy Drake’a Elektron i pozyton, czyli bliźniacy zagubieni w czasie