Το παιχνίδι των αριθμών: επεκτείνοντας τον περιοδικό πίνακα Understand article

Μετάφραση από την Ιωάννα Αρκά (Joanna Arkas). Μέχρι πριν από μερικούς αιώνες, οι άνθρωποι πίστευαν ότι ο κόσμος αποτελείται μόνο από γη, αέρα, νερό και φωτιά. Από τότε οι…

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Jim Mikulak˙
Πηγή εικόνας: Wikimedia
Commons

Σε υπερσύγχρονα εργαστήρια σε ολόκληρη την Ευρώπη, οι ερευνητές συνεργάζονται για να ανακαλύψουν καινούρια στοιχεία. Αν επιτύχουν, θα μπουν στην ομάδα των επιστημόνων που έχουν ξαναγράψει τον περιοδικό πίνακα.

Οι Αρχαίοι Έλληνες μπορεί να έκαναν λάθος για το γεγονός ότι υπάρχουν μόνο τέσσερα στοιχεία – γη, αέρας, φωτιά και νερό – αλλά είχαν κάτι υποψιαστεί: τα στοιχεία είναι τα συστατικά όλων των αντικειμένων που μας περιστοιχίζουν, ενωμένα το ένα με το άλλο σε χημικές ενώσεις και αναμεμειγμένα σε διαφορετικές αναλογίες. Αλλά ενώ οι ενώσεις υπάρχουν σε εκπληκτική ποικιλία, τα στοιχεία είναι αρκετά απλά, και μέχρι στιγμής μόνο 118 στοιχεία είναι γνωστά στην επιστήμηw1. Η ανακάλυψη ενός καινούριου είναι σπουδαία υπόθεση.

Λίθιο
Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Halfdan˙
Πηγή εικόνας: Wikimedia
Commons

Τα άτομα, τα δομικά στοιχεία της ύλης, είναι όλα φτιαγμένα από τα ίδια απλά συστατικά: μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται πρωτόνια και νετρόνια, και ακόμα μικρότερα ελεκτρόνια τα οποία βρίσκονται σε τροχιά γύρω τους. Ο αριθμός των πρωτονίων σε ένα άτομο – ο ατομικός του αριθμός – καθορίζει περί τίνος στοιχείου πρόκειται. Ένα άτομο οξυγόνου, για παράδειγμα, έχει οκτώ πρωτόνια, οκτώ νετρόνια (συνήθως) και οκτώ ηλεκτρόνια, ενώ τα βαρύτερα των στοιχείων μπορεί να έχουν περισσότερα από εκατό από το κάθε είδος.

* * *

Ο Ρώσος χημικός Ντμίτρι Μεντελέγιεφ (Dmitri Mendeleev) δεν γνώριζε τίποτα από αυτά όταν, το 1869, κατέταξε τα στοιχεία σε έναν πίνακα βασισμένος στο ατομικό του βάρος. Γρήγορα είδε να αναδύονται συστηματικά χαρακτηριστικά: συγκεκριμένα, στις κολώνες ομαδοποιούνται στοιχεία με εκπληκτικά παρόμοιες ιδιότητες. Για παράδειγμα, το κάλιο, το ρουβίδιο και το καίσιο, τρία μέταλλα που αντιδρούν βίαια με το νερό, είναι στοιβαγμένα το ένα πάνω από το άλλο.

Στην αρχή, ο πίνακας του Μεντελέγιεβ είχε ένα πρόβλημα: ήταν γεμάτος κενά. Μεταξύ του ψευδάργυρου και του αρσενικού, για παράδειγμα, έμοιαζαν να λείπουν δύο στοιχεία. Αλλά εκείνος προέβλεψε ότι αυτά τα κενά θα γέμιζαν με καινούρια στοιχεία που θα ανακαλύπτονταν στο μέλλον, και χρησιμοποίησε τον πίνακά του για να προβλέψει ποιες θα ήταν οι ιδιότητές τους. Και είχε δίκιο: το κενό σύντομα γέμισε από το γάλλιο και το γερμάνιο.

Ο περιοδικός πίνακας του
Μεντελέγιεφ, που
δημοσιεύτηκε το 1869. Κάντε
κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση.

Εικόνα δημόσιας κυριότητας˙
Πηγή εικόνας: Wikimedia
Commons

Με κάμποσες βελτιώσεις και αλλαγές, ο πίνακας που δημιούργησε ο Μεντελέγιεφ εξελίχθηκε σε αυτό που χρησιμοποιούμε σήμερα: τον περιοδικό πίνακαw1, κάτι τόσο βασικό που δεν αναλογιζόμαστε καν ότι έπρεπε κάποιος να το εφεύρει.

Στις επόμενες δεκαετίες, οι χημικοί έκαναν αγώνα δρόμου για να γεμίσουν τα εναπομείναντα κενά. Κατά τη διάρκεια της προσπάθειας αυτής, ανακάλυψαν επίσης γιατί ο περιοδικός πίνακας λειτουργεί έτσι: οι σειρές και οι κολώνες αντικατοπτρίζουν τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια είναι τοποθετημένα στις τροχιές τους στα διαφορετικά στοιχεία, και τα ηλεκτρόνια με τη σειρά τους καθορίζουν πολλές από τις ιδιότητες των στοιχείων.

Το 1945 συμπληρώθηκε το τελευταίο κενό στον πίνακα. Είχε επιτέλους η επιστήμη ανακαλύψει όλα τα στοιχεία; Παραδόξως, η απάντηση είναι και ναι και όχι. Όλα τα στοιχεία που υπάρχουν σε φυσική μορφή στη γη είχαν ανακαλυφθεί. Αλλά – και αυτό είναι ένα μεγάλο αλλά – τίποτα δεν εξασφάλιζε ότι νέα στοιχεία δεν θα μπορούσαν να δημιουργηθούν τεχνητά, προσαρτώμενα στο τέλος του περιοδικού πίνακα πέρα από το στοιχείο νούμερο 92, το ουράνιο.

Ντμίτρι Μεντελέγιεφ
Εικόνα δημόσιας κυριότητας˙
Πηγή εικόνας: Wikimedia
Commons

Έτσι με την εξέλιξη της ατομικής έρευνας τη δεκαετία του 1940, ενώ τα τελευταία κενά στον περιοδικό πίνακα συμπληρώνονταν, σιγά σιγά νέα στοιχεία κατασκευασμένα στο εργαστήριο άρχισαν να προσθέτονται στο τέλος του περιοδικού πίνακα, φέρνοντάς μας στα 118 στοιχεία που είναι σήμερα γνωστά. Κανείς δεν γνωρίζει πόσα ακόμα θα ανακαλυφθούν.

Αυτό που γνωρίζουμε, όμως, είναι ότι η σύνθεση νέων στοιχείων γίνεται όλο και δυσκολότερη. Σήμερα χρειάζεται κανείς τα πιο προηγμένα εργαστήρια στον κόσμο για να έχει πιθανότητες: τα εύκολα στοιχεία έχουν όλα ήδη βρεθεί.

* * *

Γνωστό με το όνομα-γλωσσοδέτη ουνουνέννιο, το προβλεπόμενο στοιχείο στο οποίο μια διεθνής ομάδα συγκεντρώνει τις προσπάθειές της σήμερα, μάλλον θα είναι το δυσκολότερο  ως τώρα.

Για να κατασκευάσουν το
στοιχείο 119, επιστήμονες
σχεδιάσουν να εκτοξεύσουν
μια ισχυρή ακτίνα ατόμων
τιτανίου σε βερκέλιο.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του stock photos
for free.com

Η ομάδα, συντονιζόμενη από το GSI Κέντρο Χέλμχολτς για Έρευνα Βαρέων Ιόντων (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung), στη Γερμανία, και στην οποία συμμετέχουν περίπου 20 ερευνητικά κέντρα από όλον τον κόσμο, σκοπεύει να δημιουργήσει το στοιχείο 119. Η μέθοδός τους φαντάζει παραπλανητικά απλή: εκτοξεύστε μια ακτίνα ατόμων τιτανίου (ατομικός αριθμός 22) σε λίγο βερκέλιο (97). Προσθέστε τα δύο μαζί και – εύρηκα! – παίρνετε 119.

Βέβαια δεν είναι τόσο εύκολο.

Κατ’ αρχάς, ούτε το ισχυρά ραδιενεργό βερκέλιο υπάρχει στη φύση: πρώτα πρέπει να κατασκευαστεί σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Επιπλέον, είναι εξαιρετικά δύσκολο να προκαλέσει κανείς σύγκρουση των στοιχείων μεταξύ τους.

Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Shape˙ Πηγή
εικόνας: Wikimedia Commons

“Είναι εξαιρετικά δύσκολο να δημιουργήσει κανείς ισχυρές ακτίνες τιτανίου. Για να επιτευχθεί αυτό, έχουμε μυστικά τα οποία δεν θα μοιραστούμε με άλλους,” εξηγεί ο Καθηγητής Τζον Πέτερ Όμτβεντ (Jon Petter Omtvedt), ένα από τα μέλη της ομάδας. “Θα βομβαρδίσουμε την πλάκα με μία ακτίνα πέντε τρισεκατομμυρίων [5 x 1012] ατόμων τιτανίου το δευτερόλεπτο. […] Η πιθανότητα μιας απευθείας σύγκρουσης [μεταξύ των ατόμων] είναι εξαιρετικά χαμηλή. Όταν, σε εξαιρετικές περιπτώσεις, τα άτομα συγκρούονται το ένα με το άλλο, συνήθως κατακερματίζονται ή καταστέφονται μερικώς κατά τη σύγκρουση. Παρόλα αυτά, λιγότερο από μια φορά το μήνα, θα καταλήξουμε με ένα πλήρες άτομο.”

Δημιουργώντας το
ουνουνέννιο: τα μέλη της
ομάδας, Καθηγητής Κρίστοφ
Ντύλμαν (Christoph
Düllmann) και Δόκτωρ
Αλεξάντερ Γιακούσεφ
(Alexander Yakushev)
μπροστά από την
πειραματική διάταξη. Με τη
βοήθεια ενός επιταχυντή
σωματιδίων, ιόντα τιτανίου
επιταχύνονται σε ταχύτητες
κοντά στην ταχύτητα του
φωτός, έπειτα ταξιδεύουν
κατά μήκος του ασημί
σωλήνα στα αριστερά και
προσκρούουν σε ένα στόχο
από βερκέλιο (στο κουτί με
τις κίτρινες ρίγες στο
κέντρο). Χρησιμοποιώντας
τρεις μαγνήτες (κόκκινα
κουτιά στα δεξιά), τα
παρασκευαζόμενα ιόντα
ουνουνεννίου διαχωρίζονται
από όλα τα άλλα
σωματίδια, και έπειτα
εισέρχονται στον ανιχνευτή,
όπου μπορεί να καταγραφεί
η διάσπασή τους.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του G Otto / GSI.

Αυτό είναι σαν να κερδίσει κανείς το τζακ-ποτ του λαχείου αγοράζοντας αρκετά λαχεία ώστε να εξασφαλίσει τη νίκη. Είναι αργό και ανεπαρκές, αλλά είναι ένα παιχνίδι αριθμών, και στο τέλος θα φτάσει κανείς στο στόχο του.

Αλλά υπάρχει και ένα άλλο πρόβλημα. Όλα τα βαρέα στοιχεία είναι ραδιενεργά: τα άτομά τους διασπώνται σε ελαφρύτερα με το πέρασμα του χρόνου, απελευθερώνοντας ακτινοβολία. Και τα βαρύτερα των στοιχείων τα οποία έχουν ανακαλυφθεί είναι όλα εξαιρετικά ασταθή. Το ουνουνόκτιο (το 118ο στοιχείο) διασπάται μέσα σε χιλιοστά του δευτερολεπτου από τη δημιρουργία του, και το ουνουνέννιο μπορεί να έχει ακόμα μικρότερο χρόνο ζωής.

Δεν είναι ότι είναι επικίνδυνα – οι ποσότητες είναι τόσο μικρές που η δόση της ακτινοβολίας είναι ασφαλής. Αλλά κάνει δύσκολη τη μελέτη των στοιχείων που μόλις δημιουργήθηκαν: δεν μπορεί κανείς να τα βάλει σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα ή σε μία λυχνία Μπούνσεν, διότι έχει κανείς μόνο ένα άτομο κάθε φορά και μόνο για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.

Η λύση της ομάδας είναι να δημιουργήσουν το ουνουνέννιο με τη βοήθεια ενός επιταχυντή σωματιδίων, και έπειτα να το εκτοξεύσουν σε έναν ανιχνευτή και να ψάξουν καλύτερα για τα σημάδια που θα μαρτυρούν την διάσπαση των πυρήνων του ουνουνεννίου – την ακτινοβολία και τα άτομα στα οποία θα αποσυντεθεί – παρά για το ίδιο το ουνονέννιο.

Είναι μια έξυπνη λύση, αλλά καθιστά μια από τις φιλοδοξίες της ομάδας απρόσιτη: θα ήθελαν να είναι σε θέση να μελετήσουν πώς τα άτομα αυτών των εξωτικών στοιχείων αντιδρούν μεταξύ τους. Αλλά αυτό μάλλον δεν θα είναι ποτέ δυνατόν, τουλάχιστον όχι με τις τεχνολογίες που μπορούμε να φανταστούμε σήμερα.

Αλλά αν το επάγγελμά σου είναι να δημιουργείς καινούρια στοιχεία, κατανικώντας πιθανότητες ανάλογες με τη νίκη του τζακ-ποτ κατά την πορεία, η λέξη “αδύνατον” μπορεί να φαίνεται σαν μια καινούρια πρόκληση…

Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του NikNaks˙ Πηγή εικόνας: Wikimedia Commons

Ευχαριστία

Οι συντάκτες του Science in School θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τον Καθηγητή Κρίστοφ Ντύλμαν του Κέντρου GSI Χέλμχολτς για Έρευνα Βαρέων Ιόντων (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) για τη βοήθειά του με το άρθρο.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

O Όλι Άσερ είναι επιστημονικός συγγραφέας. Έχει μεταπτυχιακό στην ιστορία και φιλοσοφία της επιστήμης, έχει υπάρξει δημοσιογράφος και επιστημονικός επικοινωνός, και αυτή τη στιγμή εργάζεται ως υπεύθυνος ενημέρωσης του κοινού για το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Χάμπλ (Hubble Space Telescope) των NASA / ESA. Είναι ένας εκ των συγγραφέων του βιβλιου An Element of Controversy: The History of Chlorine in Science, Technology, Medicine and War.


Review

Ύστερα από μια σύντομη περίληψη της δημιουργίας και της εξέλιξης του περιοδικού πίνακα, αυτό το άρθρο παρουσιάζει την τρέχουσα έρευνα για την ανακάλυψη νέων στοιχείων. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μαθήματα φυσικής και χημείας, ιδιαίτερα όταν μελετάται η πυρηνική χημεία, η ατομική φυσική ή η ιστορία της επιστήμης. Αυτό το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε συζητήσεις της επιστημονικής μεθόδου, της ταχύτητας της επιστημονικής προόδου, των δυσκολιών τις οποίες αντιμετωπίζουν οι ερευνητές και της χρησιμότητας της βασικής έρευνας.

Η ιστορία της επιστήμης είναι ένα θέμα το οποίο σπάνια βρίσκει κανείς στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση, και μπορεί να αποβεί πολύ χρήσιμο στο να κάνει την επιστήμη πιο ελκυστική στους μαθητές, ιδιαίτερα σε αυτούς που ενδιαφέρονται περισσότερο για τις θεωρητικές επιστήμες. Αυτό το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να καταδείξει τους δεσμούς μεταξύ των θετικών και θεωρητικών επιστημών.

Πιθανές ερωτήσεις κατανόησης περιλαμβάνουν:

  1. Σύμφωνα με τους Αρχαίους Έλληνες, πόσα στοιχεία υπήρχαν;
  2. Τι είναι ο ατομικός αριθμός;
  3. Πόσα στοιχεία έχει αυτή τη στιγμή ο περιοδικός πίνακας;
  4. Περιγράψτε τη μέθοδο που χρησιμοποιεί η ομάδα για να ανακαλύψει νέα στοιχεία. Ποια είναι τα προβλήματα που σχετίζονται με αυτή τη μέθοδο;

Μιρέια Γκουέλ (Mireia Güell), Σέρα, Ισπανία




License

CC-BY-NC-ND