Αναζητώντας τη νησίδα σταθερότητας

ΔΙΕΘΝΗΣ ΚΟΥΡΣΑ ΣΤΟ ΧΩΡΟ ΤΩΝ ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΥΠΕΡΒΑΡΕΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Αναζητώντας τη νησίδα σταθερότητας

Το ογκανέσιο, το βαρύτερο τεχνητό χημικό στοιχείο που κατασκεύασε ποτέ ο άνθρωπος, συντέθηκε για πρώτη φορά το 2006, στον επιταχυντή σωματιδίων στην Ντούμπνα της Ρωσίας και ονομάστηκε έτσι το 2015 - όταν επιβεβαιώθηκε οριστικά η ανακάλυψη - προς τιμήν του Γιούρι Ογκανεσιάν, πρωτοπόρου ερευνητή του ινστιτούτου. Από το στοιχείο αυτό που περιέχει 118 πρωτόνια στον πυρήνα του συντέθηκαν μόλις 3 άτομα, μετά από βομβαρδισμό στόχου υπερουράνιου στοιχείου, επί 1.080 ώρες, με εκατοντάδες τρισεκατομμύρια πυρήνες ατόμων ασβεστίου, που προσέκρουαν με το 10% της ταχύτητας του φωτός. Μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα, καθένα από τα 3 άτομα είχε μεταστοιχειωθεί (ραδιενεργός διάσπαση) σε δύο άτομα, άλλων πιο ελαφρών στοιχείων.

Πόσα ακόμη χημικά στοιχεία, που δεν υπάρχουν στη φύση, μπορούν να κατασκευαστούν τεχνητά; Τη δεκαετία που πέρασε οι επιστήμονες έσπρωχναν συνεχώς τα όρια του Περιοδικού Πίνακα των Στοιχείων, που ανακάλυψε ο Ρώσος χημικός Ντμίτρι Μεντελέγιεφ και αποτελεί τον θεμελιώδη χάρτη των χημικών ιδιοτήτων της ύλης. Το επόμενο στοιχείο που θα συντεθεί, θα προσθέσει στον πίνακα μια ολόκληρη νέα σειρά (περίοδο), την 8η. Κάθε νέο στοιχείο αποτελεί κάτι εντελώς άγνωστο, μια μορφή ύλης που ο άνθρωπος δεν είχε ξανασυναντήσει και δεν θα συναντούσε ποτέ αν δεν ανέπτυσσε πολιτισμό και υψηλή τεχνολογία. Καθώς κανένα από τα ενδεχομένως πιο σταθερά ισότοπα υπερβαρέων τεχνητών στοιχείων δεν έχει εντοπιστεί ούτε στις κοσμικές ακτίνες, είναι πολύ πιθανό ότι δεν υπάρχουν πουθενά στο σύμπαν, παρά μόνο εκεί που τα έχουν κατασκευάσει τεχνολογικά προηγμένα νοήμονα όντα.

Φευγαλέα

Η τεχνική σύνθεσης υπερβαρέων στοιχείων μέσω σύντηξης πυρήνα ασβεστίου και πυρήνα υπερουράνιου στοιχείου

Το πρόβλημα με τα υπερβαρέα τεχνητά χημικά στοιχεία είναι ότι τα περισσότερα έχουν διάρκεια ζωής μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου, πριν υποστούν φυσική ραδιενεργό διάσπαση, κάτω από την επίδραση των υπερβολικά πολλών θετικά φορτισμένων πρωτονίων του πυρήνα τους, που απωθούν το ένα το άλλο. Ομως οι επιστήμονες υποψιάζονται ότι υπάρχουν κάποια ισότοπα υπερβαρέων στοιχείων (παραλλαγές των στοιχείων με διαφορετικό αριθμό νετρονίων στον πυρήνα των ατόμων), που θα διατηρούνται περισσότερο χρονικό διάστημα, τόσο όσο χρειάζεται ώστε να διερευνηθούν και να αξιοποιηθούν σε εφαρμογές οι - ενδεχομένως μοναδικές - χημικές και φυσικές ιδιότητές τους. Κάποια στοιχεία ίσως να παραμένουν σταθερά για λεπτά της ώρας ή ακόμη και χρόνια πριν διασπαστούν. Αν βρεθούν τέτοια στοιχεία, τότε θα ανήκουν σε μια εδώ και πολύ καιρό αναζητούμενη περιοχή του Περιοδικού Πίνακα, που ονομάζεται νησίδα σταθερότητας. Λόγω της ειδικής διαμόρφωσης του πυρήνα τους, που τους προσδίδει ασυνήθιστη σταθερότητα για άτομα με τόσο πολλά πρωτόνια, ίσως δεν αποτελούν εφήμερα εργαστηριακά κατασκευάσματα, αλλά μόνιμα διαθέσιμα υλικά. Πρόσφατα επιστήμονες ανακάλυψαν ισότοπα που ίσως αντιστοιχούν στις ακτές αυτής της νησίδας.

Το στοιχείο με ατομικό αριθμό 114 (αριθμός πρωτονίων του πυρήνα του), διασπάται πιο αργά απ' ό,τι θα περίμενε κανείς για ένα άτομο με τόσα πρωτόνια. Επίσης, οι ημιζωές μερικών υπερβαρέων στοιχείων που συντέθηκαν πρόσφατα (ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστούν τα μισά από τα άτομα μιας ποσότητας του υλικού) επιμηκύνονται καθώς αυξάνεται ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα των ατόμων τους, παρότι παραμένουν πολύ σύντομες. Αυτές οι παρατηρήσεις συνάδουν με τις εκτιμήσεις ότι η νησίδα σταθερότητας πρέπει να βρίσκεται γύρω από άτομα με περίπου 114 πρωτόνια, αλλά περισσότερα νετρόνια (ουδέτερα υποατομικά σωματίδια), απ' όσα έχουν τα ισότοπα που έχουμε συνθέσει μέχρι σήμερα. Αυτή η τάση αύξησης της ημιζωής των νέων υπερβαρέων στοιχείων έχει δώσει νέα ώθηση στην έρευνα για σύνθεση τέτοιων ουσιών.

Μαγικοί αριθμοί

Στο πάνω μέρος ο «χάρτης» της χημείας, το Περιοδικό Σύστημα των Στοιχείων. Ολα τα στοιχεία μετά το ουράνιο (υπερουράνια) είναι τεχνητά (όπως συμβαίνει πρακτικά και με το τεχνήτιο). Με κόκκινο τα υπερβαρέα στοιχεία της 7ης περιόδου. Το ογκανέσιο (Og) είναι το βαρύτερο στοιχείο που έχει συντεθεί. Το διάγραμμα στο κάτω μέρος δείχνει τα ισότοπα των υπερβαρέων στοιχείων και πώς αυτά διατάσσονται σε ζώνες διαφορετικής σταθερότητας, με βάση τον αριθμό πρωτονίων και νετρονίων του πυρήνα τους

Το βαρύτερο χημικό στοιχείο που υπάρχει σε ποσότητες στη φύση είναι το ουράνιο, με 92 πρωτόνια στον πυρήνα του. Η απωθητική δύναμη Κουλόμπ προκαλεί αστάθεια στους πυρήνες ατόμων με μεγαλύτερο αριθμό πρωτονίων. Αλλά η σταθερότητα ενός στοιχείου δεν εξαρτάται μόνο από το πόσα πρωτόνια έχει, αλλά και από τη διάταξη πρωτονίων και νετρονίων στις πυρηνικές στοιβάδες, δηλαδή σε «στρώσεις» αυτών των πυρηνικών σωματιδίων, που είναι ανάλογες με τις ηλεκτρονικές στοιβάδες (τις περιοχές μέγιστης πιθανότητας ύπαρξης των ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα). Οπως στις ηλεκτρονικές, έτσι και στις πυρηνικές στοιβάδες, οι πλήρεις σωματιδίων στοιβάδες εμφανίζουν την ισχυρότερη σύνδεση των σωματιδίων, προσφέροντας στα στοιχεία μεγαλύτερη σταθερότητα. Οι επιστήμονες συνέλαβαν το μοντέλο των πυρηνικών στοιβάδων, όταν συνειδητοποίησαν ότι για ειδικούς «μαγικούς» αριθμούς πρωτονίων και νετρονίων (2, 8, 20, 28, 50 και 82) οι πυρήνες είναι πιο σταθεροί και δυσκολότερο να διασπαστούν ραδιενεργά ή με εξωτερική επίδραση. Αυτοί οι μαγικοί αριθμοί αντιστοιχούν σε πλήρεις στοιβάδες. Ενας πυρήνας όπου τόσο οι στοιβάδες των πρωτονίων όσο και των νετρονίων είναι πλήρεις αποκαλείται διπλά μαγικός.

Για να χτυπήσουν στο κέντρο του νησιού σταθερότητας, οι επιστήμονες θα πρέπει να συνθέσουν το ισότοπο του φλεροβίου (Fl) που θα έχει διπλά μαγικό πυρήνα, δηλαδή μαζί με τα 114 πρωτόνια και 184 νετρόνια. Παρ' όλ' αυτά υπάρχουν και άλλες θεωρίες που προτείνουν ως μαγικούς αριθμούς τα 120 ή 126 πρωτόνια και τα 172 νετρόνια. Μερικές από τις προβλέψεις των αριθμών αυτών στηρίζονται στη θεωρία του Αϊνστάιν, που εξήγησε την παρατήρηση ότι η μάζα ενός ατόμου είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των υποατομικών σωματιδίων που το απαρτίζουν. Ο περίφημος τύπος E=mc² δηλώνει ότι η ελλείπουσα μάζα εκδηλώνεται με τη μορφή της συνδετικής Ενέργειας που συγκρατεί τον πυρήνα του ατόμου. Ζυγίζοντας διαφορετικά ισότοπα μπορεί κανείς να βρει τους συνδυασμούς που μεγιστοποιούν αυτήν τη συνδετική Ενέργεια, άρα δίνουν πιο σταθερά άτομα.

Δύο μέθοδοι

Η σύνθεση των υπερβαρέων στοιχείων μέχρι το φέρμιο (Fm) που έχει 100 πρωτόνια γίνεται με προσθήκη νετρονίων σε ουράνιο ή άλλα υπερουράνια στοιχεία, ώστε κάποια στιγμή, μέσω της φυσικής διαδικασίας της βήτα αποσύνθεσης (μετατροπή νετρονίου σε πρωτόνιο με εκπομπή ακτίνας β, δηλαδή ηλεκτρονίου), να παραχθεί στοιχείο με τον αμέσως επόμενο ατομικό αριθμό. Αυτή η μέθοδος παύει να λειτουργεί για πιο βαριά στοιχεία, οπότε γι' αυτά εφαρμόζεται ο βομβαρδισμός βαρέων στοιχείων με πυρήνες ασβεστίου (ατομικός αριθμός 20). Η σύγκρουση με ταχύτητα που φτάνει το 10% της ταχύτητας του φωτός στο κενό έχει ως αποτέλεσμα τη σύντηξη των δύο πυρήνων και το σχηματισμό ενός υπερβαρέος στοιχείου. Τα υπερβαρέα στοιχεία που έχουν συντεθεί μέχρι τώρα και αναγνωριστεί από την IUPAC (Διεθνής Ενωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας), είναι: ραδερφόρντιο (₁₀₄Rf), ντούμπνιο (₁₀₅Db), σιιμπόργκιο (₁₀₆Sg), μπόριο (₁₀₇Bh), χάσιο (₁₀₈Hs), μαϊτνέριο (₁₀₉Mt), νταρμστάντιο (₁₁₀Ds), ρεντγκένιο (₁₁₁Rg), κοπερνίκιο (₁₁₂Cn), νιχόνιο (₁₁₃Nh), φλερόβιο (₁₁₄Fl), μοσχόβιο (₁₁₅Mc), λιβερμόριο (₁₁₆Lv), τενεσσίνιο (₁₁₇Ts), ογκανέσιο (₁₁₈Og). Τα ονόματα μερικών είναι προς τιμήν σημαντικών επιστημόνων ή των περιοχών στις οποίες βρίσκονται οι επιταχυντές, όπου έγινε η σύνθεσή τους για πρώτη φορά.

Τα τελευταία χρόνια ορισμένα εργαστήρια, χρησιμοποιώντας ειδικά κατασκευασμένα όργανα και έξυπνες τεχνικές, έχουν καταφέρει να μελετήσουν ορισμένες χημικές ιδιότητες υπερβαρέων τεχνητών στοιχείων (π.χ. αν παρουσιάζουν περισσότερο μεταλλικό ή αμέταλλο χαρακτήρα σε συνθήκες περιβάλλοντος), παρότι τα στοιχεία αυτά κατασκευάζονται σε ποσότητες λίγων ατόμων ελάχιστης διάρκειας ζωής.

Ακόμη κι αν τα νέα χημικά στοιχεία που κατασκευάζονται στους επιταχυντές σωματιδίων έχουν μικρή χρονική διάρκεια ζωής, τέτοια που δεν μας επιτρέπει να κρατήσουμε μια ποσότητα απ' αυτά στο χέρι μας, μπορεί να μας βοηθήσουν να αποκτήσουμε βαθύτερη κατανόηση της χημείας και της θεμελιώδους φύσης της ύλης.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»