Czytaj dalej

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…

Nowe pierwiastki na układzie okresowym

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 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. 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/?].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.