Die neuen Elemente - Elemente 113, 115, 117 und 118 - vervollständigen die siebte Zeile des Periodensystems und machen Wissenschaftsbücher auf der ganzen Welt sofort veraltet.
Die vervollständigte siebte Zeile im Periodensystem. Bildnachweis: Wikimedia Commons
Von David Hinde, Australian National University
In einem Ereignis, das sich wahrscheinlich nie wiederholen wird, gab es letzte Woche vier neue superschwere Elemente gleichzeitig zum Periodensystem hinzugefügt. Vier auf einmal zu addieren, ist ein ziemlicher Erfolg, aber der Wettlauf um mehr ist im Gange.
Bereits im Jahr 2012 beauftragten die Internationalen Gewerkschaften für reine und angewandte Chemie (IUPAC) und für reine und angewandte Physik (IUPAP) fünf unabhängige Wissenschaftler mit der Bewertung der Behauptungen bezüglich der Entdeckung der Elemente 113, 115, 117 und 118. Die Messungen erfolgten um Laboratorien für Beschleuniger der Kernphysik in Russland (Dubna) und Japan (RIKEN) zwischen 2004 und 2012.
Ende letzten Jahres, am 30. Dezember 2015, gab die IUPAC bekannt, dass Ansprüche für die Entdeckung von alle vier neue Elemente wurden akzeptiert.
Dies vervollständigt die siebte Zeile des Periodensystems und bedeutet, dass alle Elemente zwischen Wasserstoff (mit nur einem Proton im Kern) und Element 118 (mit 118 Protonen) nun offiziell entdeckt werden.
Nach der Aufregung der Entdeckung haben die Wissenschaftler nun die Namensrechte. Das japanische Team wird den Namen für Element 113 vorschlagen. Das gemeinsame Team aus Russland und den USA wird Vorschläge für die Elemente 115, 117 und 118 unterbreiten. Diese Namen werden von der IUPAC bewertet und nach ihrer Genehmigung zu den neuen Namen für Wissenschaftler und Studenten muss mich erinnern.
Bis zu ihrer Entdeckung und Benennung wurden allen superschweren Elementen (bis zu 999!) Von der IUPAC temporäre Namen zugewiesen. Element 113 ist als Ununtrium (Uut) bekannt, 115 ist Ununpentium (Uup), 117 ist Ununseptium (Uus) und 118 Ununoctium (Uuo). Diese Namen werden eigentlich nicht von Physikern verwendet, die sie stattdessen beispielsweise als "Element 118" bezeichnen.
Die superschweren Elemente
Elemente, die schwerer als Rutherfordium sind (Element 104), werden als superschwer bezeichnet. Sie kommen in der Natur nicht vor, da sie radioaktiv in leichtere Elemente zerfallen.
Diese superschweren Kerne, die künstlich erzeugt wurden, haben eine Zerfallslebensdauer zwischen Nanosekunden und Minuten. Es wird jedoch erwartet, dass sich längerlebige (neutronenreichere) superschwere Kerne im Zentrum der sogenannten „Insel der Stabilität“ befinden, einem Ort, an dem neutronenreiche Kerne mit extrem langen Halbwertszeiten existieren sollten.
Gegenwärtig befinden sich die Isotope der neu entdeckten Elemente am „Ufer“ dieser Insel, da wir das Zentrum noch nicht erreichen können.
Wie sind diese neuen Elemente auf der Erde entstanden?
Atome superschwerer Elemente werden durch Kernfusion hergestellt. Stellen Sie sich vor, Sie berühren zwei Wassertröpfchen, die aufgrund der Oberflächenspannung „zusammenschnappen“ und zusammen ein größeres Tröpfchen bilden.
Das Problem bei der Fusion schwerer Kerne ist die große Anzahl von Protonen in beiden Kernen. Dies erzeugt ein starkes abstoßendes elektrisches Feld. Ein Schwerionenbeschleuniger muss verwendet werden, um diese Abstoßung zu überwinden, indem die beiden Kerne zusammenstoßen und die Kernoberflächen sich berühren können.
Dies ist nicht ausreichend, da die beiden sich berührenden kugelförmigen Kerne ihre Form ändern müssen, um ein kompaktes einzelnes Kerntröpfchen zu bilden - den superschweren Kern.
Es stellt sich heraus, dass dies nur in wenigen „glücklichen“ Kollisionen passiert, nur einer von einer Million.
Es gibt noch eine weitere Hürde. Es ist sehr wahrscheinlich, dass der superschwere Kern fast sofort durch Spaltung zerfällt. Wieder überlebt nur einer von einer Million, um ein superschweres Atom zu werden, das durch seinen einzigartigen radioaktiven Zerfall identifiziert wird.
Der Prozess der Erzeugung und Identifizierung von superschweren Elementen erfordert daher großtechnische Beschleunigeranlagen, ausgeklügelte Magnetseparatoren, effiziente Detektoren und Zeit.
Das Auffinden der drei Atome von Element 113 in Japan dauerte zehn Jahre nach Die Versuchsausrüstung war entwickelt worden.
Die Entdeckung dieser neuen Elemente zahlt sich aus, indem Modelle des Atomkerns (mit Anwendungen in der Nuklearmedizin und bei der Elementbildung im Universum) verbessert und unser Verständnis atomarer relativistischer Effekte (von zunehmender Bedeutung für die chemischen Eigenschaften des Schwergewichts) getestet werden Elemente). Es hilft auch dabei, das Verständnis komplexer und irreversibler Wechselwirkungen von Quantensystemen im Allgemeinen zu verbessern.
Das Rennen um mehr Elemente
Jetzt geht es darum, die Elemente 119 und 120 herzustellen. Der Projektilkern Calcium-48 (Ca-48) - der erfolgreich zur Bildung der neu akzeptierten Elemente verwendet wurde - hat zu wenig Protonen, und derzeit sind keine Zielkerne mit mehr Protonen verfügbar. Die Frage ist, welcher schwerere Projektilkern am besten geeignet ist.
Um dies zu untersuchen, reisten der Leiter und die Teammitglieder der deutschen Superheavy-Element-Forschungsgruppe mit Sitz in Darmstadt und Mainz kürzlich an die Australian National University.
Sie nutzten die einzigartigen ANU-Experimentierfähigkeiten, die vom NCRIS-Programm der australischen Regierung unterstützt wurden, um die Spaltungseigenschaften mehrerer Kernreaktionen zu messen, die das Element 120 bilden. Die Ergebnisse werden künftige Experimente in Deutschland zur Bildung der neuen superschweren Elemente leiten.
Es scheint sicher zu sein, dass es bei Verwendung ähnlicher Kernfusionsreaktionen schwieriger ist, über Element 118 hinauszugehen, als es zu erreichen. Dies war jedoch das Gefühl nach der Entdeckung von Element 112, das erstmals 1996 beobachtet wurde. Ein neuer Ansatz unter Verwendung von Ca-48-Projektilen ermöglichte es jedoch, weitere sechs Elemente zu entdecken.
Nuklearphysiker erforschen bereits verschiedene Arten von Kernreaktionen, um Superschwierigkeiten hervorzurufen, und es wurden bereits einige vielversprechende Ergebnisse erzielt. Dennoch würde es einen großen Durchbruch brauchen, um vier neue Kerne auf einmal in das Periodensystem aufzunehmen, wie wir gerade gesehen haben.
David Hinde, Direktor der Schwerionenbeschleunigeranlage, Australian National University
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.