Todennäköisyyspeliä: jaksollisen järjestelmän laajentaminen Understand article

Kääntänyt Susanna Teppo. Vielä muutama vuosisata sitten ihmiset uskoivat maailman koostuvan pelkästään maasta, ilmasta, vedestä ja tulesta. Tutkijat ovat kuitenkin tähän mennessä löytäneet 118 alkuainetta, ja alkuaineen numero 119 etsintä on käynnissä.

Kuva Jim Mikulak; kuvan lähde:
Wikimedia Commons

Tutkijat tekevät yhteistyötä moderneissa laboratorioissaan ympäri Euroopan löytääkseen uusia alkuaineita. Onnistuessaan he liittyvät siihen tutkijoiden joukkoon, jotka ovat muokanneet jaksollista järjestelmää uuteen uskoon.

Muinaiset kreikkalaiset eivät ehkä olleet oikeassa rajoittaessaan alkuaineiden määrän neljään – maahan, ilmaan, veteen ja tuleen – mutta he olivat oikeilla jäljillä: kaikki meitä ympäröivä on pohjimmiltaan alkuaineita, sitoutuneina toisiinsa yhdisteiksi ja sekoittuneina erilaisin suhtein. Toisin kuin yhdisteet, joiden kirjo on hyvin laaja, alkuaineet ovat aika yksinkertaisia ja tiede tunnistaakin tällä hetkellä vain 118 alkuainettaw1. Uuden löytäminen on suuri juttu.

Litium
Kuva Halfdan; kuvan lähde:
Wikimedia Commons

Atomit, nuo aineen rakennuspalikat, ovat kaikki rakentuneet samoista osasista: pienistä hiukkasista nimeltä protonit ja neutronit, sekä vielä pienemmistä niitä kiertävistä hiukkasista, elektroneista. Protonien lukumäärä atomissa – atomin järjestysluku – määrittää sen, mikä alkuaine on kyseessä. Esimerkiksi hapen atomissa on kahdeksan protonia, kahdeksan neutronia (yleensä) ja kahdeksan elektronia, kun taas painavammilla alkuaineilla voi olla näitä jokaista sata kappaletta.

* * *

Venäläinen kemisti Dmitri Mendeleev ei tiennyt tästä mitään kun hän vuonna 1869 järjesti alkuaineita atomipainon mukaisesti taulukoksi. Hän huomasi järjestelmässä pian tiettyä kaavamaisuutta: pystysarakkeet ryhmittelivät sisäänsä aineita, joilla oli hätkähdyttävän samanlaisia ominaisuuksia. Esimerkiksi kalium, rubidium ja cesium, kolme veden kanssa kiivaasti reagoivaa metallia, olivat järjestelmässä allekkain.

Aluksi Mendeleevin taulukossa oli ongelma: se oli täynnä aukkoja. Esimerkiksi sinkin ja arseenin välistä näytti puuttuvan kaksi alkuainetta. Hän kuitenkin rohkeasti ennusti, että nämä aukot tulevat täyttymään kunhan uusia alkuaineita löydetään, ja käytti myös taulukkoaan ennustamaan näiden vielä tuntemattomien aineiden ominaisuuksia. Hän oli oikeassa: aukko täyttyi pian galliumilla ja germaniumilla.

Mendeleevin jaksollisen
järjestelmän taulukko,
julkaistu vuonna 1869.
Suurenna kuva klikkaamalla.

Kuva julkisista lähteistä; kuvan
lähde: Wikimedia Commons

Muutamien parannusten ja muokkausten jälkeen Mendeleevin luomasta kaaviosta tuli tänäkin päivänä käyttämämme taulukko: jaksollinen järjestelmäw1, jotain niin tavallista, että emme edes tule ajatelleeksi, että jonkun on täytynyt se ensin keksiä.

Seuraavien vuosikymmenien ajan kemistit kiirehtivät täyttämään jäljellä olevia aukkoja. Samalla he myös keksivät, miksi jaksollinen järjestelmä toimii: rivit ja sarakkeet kuvastavat elektronien järjestäytymistapaa radoillensa eri alkuaineissa, ja elektronit taas määräävät suuren osan alkuaineen ominaisuuksista.

Vuonna 1945 täytettiin taulukon viimeinenkin aukko. Oliko tiede siis viimeinkin löytänyt kaikki alkuaineet? Vastaus on sekä kyllä että ei. Kaikki maapallolla luonnollisesti esiintyvät alkuaineet tunnettiin. Toisaalta, miksipä uusia alkuaineita ei voisi tuottaa myös keinotekoisesti ja liittää niitä jaksollisen järjestelmän loppuun eli uraniumin, numeron 92, perään.

Dmitri Mendeleev
Kuva julkisista lähteistä; kuvan
lähde: Wikimedia Commons

Atomitutkimuksen kehittymisen myötä 1940-luvulla, juuri kun viimeisetkin aukot taulukossa oli saatu täytettyä, uusia laboratoriossa synnytettyjä alkuaineita alkoi hiljalleen virrata jaksollisen järjestelmän loppuosaan, mistä kertyy nykyisin tunnettu lukumäärä 118. On täysi arvoitus, kuinka monta tullaan vielä löytämään.

Uusien alkuaineiden synnyttäminen on kuitenkin käymässä yhä vaikeammaksi. Jotta nykyään olisi mitään mahdollisuuksia, tarvitaan tutkimukseen maailman kehittyneimmät laboratoriot. Helpoimmat tapaukset kun on jo löydetty.

* * *

Kansainvälinen työryhmä työskentelee nyt seuraavan ennustetun alkuaineen, ununenniumin, parissa, jonka luominen tulee todennäköisesti olemaan tähän astisista haastavinta.

Alkuaineen numeto 119
synnyttämiseksi tutkijat
aikovat pommittaa
berkeliumia voimakkaalla
titaaniatomisuihkulla.

Kuva free.com kuva-arkisto

Työryhmä, jota koordinoi Saksassa GSI Helmholtzin raskasionien tutkimuskeskus (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung), ja joka sisältää noin 20 tutkimuskeskusta ympäri maailmaa, suunnittelevat muodostavansa alkuaineen 119. Heidän menetelmänsä kuulostaa pettävän yksinkertaiselta: pommitetaan berkeliumia (järjestysluku 97) titaaniatomisuihkulla (22). Kun nämä luvut laskee yhteen niin – heureka! – saadaan 119.

Asia ei tietenkään ole näin yksinkertainen.

Ensinnäkin korkeasti radioaktiivinen berkelium ei sekään esiinny luonnostaan: se täytyy ensin muodostaa ydinreaktorissa. Lisäksi on naurettavan vaikeaa saada nämä alkuaineet oikeasti törmäämään.

Suurenna kuva klikkaamalla.
Kuva Shape; kuvan lähde:
Wikimedia Commons

“Voimakkaan titaanisuihkun tuottaminen on äärimmäisen hankalaa. Onnistumisemme takaavat seikat, jotka pidämme omina salaisuuksinamme”, kertoo professori Jon Petter Omtvedt, yksi työryhmän jäsenistä. “Pommitamme alustaa viisi biljoonaa [5 x 1012] titaaniatomia sekunnissa sisältävällä suihkulla. […] Suoran (atomien välisen) osuman todennäköisyys on äärimmäisen pieni. Kun atomit sitten harvoin kohtaavat, ne useimmiten vain hajoavat tai osittain tuhoutuvat tässä törmäyksessä. Hieman harvemmin kuin kerran kuukaudessa saamme kuitenkin aikaiseksi kokonaisen atomin.”

Ununenniumin luominen:
työryhmän jäsenet professori
Christoph Düllmann ja
tohtori Alexander Yakushev
koelaitteiston edessä.
Titaanihiukkasia kiihdytetään
hiukkaskiihdyttimellä lähelle
valonnopeutta, minkä jälkeen
ne ohjataan hopeaputken läpi
ja törmäytetään
berkeliumista koostuvaan
kohteeseen (keltaraitainen
laatikko keskellä). Kolmea
magneettia (punaiset laatikot
oikealla) käyttäen tuotetut
ununennium -ionit erotellaan
kaikista muista hiukkasista,
minkä jälkeen ne siirtyvät
ilmaisimelle, jossa niiden
hajoaminen voidaan
rekisteröidä.

Kuva G Otto / GSI G Otto / GSI

Tämähän on kuin voittaisi lotossa ostamalla valtavan suuren määrän rivejä. Se on hidasta ja tehotonta, mutta kyse on vain todennäköisyydestä, jota parantamalla päästään lopulta tulokseen.

On kuitenkin toinenkin ongelma. Kaikki raskaat alkuaineet ovat radioaktiivia: ajan myötä niiden atomit hajoavat kevyemmiksi säteilyä vapauttaen. Raskaimmat löydetyt alkuaineet ovat kaikki olleet uskomattoman epävakaita. Unonoktium (alkuaine 118) hajoaa muodostamisen jälkeen millisekunneissa; ununennium voi olla vieläkin lyhytikäisempi.

Kyse ei ole aineiden vaarallisuudesta –määrät ovat niin mitättömät, ettei säteily aiheuta riskiä. Hajoavuus tekee kuitenkin niiden tutkimisesta hyvin vaikeaa: yhtä ainutta kerralla syntyvää atomia kun ei voi tiputtaa koeputkeen tai lämmittää Bunsenlampulla, varsinkaan kun se yksikin on olemassa vain sekunnin murto-osan ajan.

Työryhmän ratkaisuna on luoda ununennium hiukkaskiihdyttimen avulla, kohdentaa se ilmaisimelle ja etsiä ununenniumin ytimen hajoamisesta kertovia merkkejä – säteilyä sekä atomeja, joiksi se hajoaa – itse ununenniumin sijaan.

Tämä on nokkela lähestymistapa, mutta jättää kuitenkin yhden tavoitteen työryhmän ulottumattomiin: olisi hyvin mielenkiintoista pystyä tutkimaan näiden eksoottisten alkuaineiden reagointia keskenään. Todennäköisesti tämä ei ole koskaan mahdollista, ei ainakaan millään tekniikalla, joka pystytään nykypäivänä kuvittelemaan.

Jos kuitenkin luo työkseen uusia alkuaineita, päihittäen siinä sivussa lottovoiton todennäköisyyksiä, “mahdoton” saattaa kuulostaa korvaan haasteelta.

Suurenna kuva klikkaamalla.
Kuva NikNaks; kuvan lähde: Wikimedia Commons

Kiitokset

Science in School – toimitus haluaa kiittää professori Christoph Düllmannia GSI Helmholtzin raskasionien tutkimuskeskuksesta (GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) avusta tämän artikkelin kanssa.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Oli Usher on tiedekirjailija. Hänellä on jatkotutkinto tieteen historiassa ja filosofiassa, hän on toiminut journalistina ja tiedetoimittaja, ja työskentelee tällä hetkellä NASA:n / ESA:n Hubble-avaruusteleskooppiprojektin (NASA / ESA Hubble Space Telescope) tiedottajana. Hän on yksi kirjan An Element of Controversy: The History of Chlorine in Science, Technology, Medicine and War kirjoittajista.


Review

Jaksollisen järjestelmän luomisesta ja kehittämisestä kertovan lyhyen yhteenvedon jälkeen tämä artikkeli esittelee nykyistä alkuaineiden etsimisen tutkimusta. Artikkelia voidaan käyttää kemian ja fysiikan tunneilla, erityisesti kun aiheena on ydinkemia, atomifysiikka tai tieteen historia. Artikkelia voi myös käyttää keskusteluissa tieteellisistä menetelmistä, tieteellisen tutkimuksen edistymisen nopeudesta, tutkijoiden kohtaamista ongelmista ja perustutkimuksen hyödyllisyydestä.

Tieteen historiaa käsitellään vain vähän yläkouluissa ja lukioissa. Se voisi kuitenkin tehdä tieteestä houkuttelevampaa, erityisesti oppilaille, jotka ovat enemmän kiinnostuneita humanistisista aineista. Tätä artikkelia voi käyttää demonstroimaan luonnontieteiden ja humanististen tieteiden välistä yhteyttä.

Sopivia kysymyksiä ymmärryksen testaamiseksi ovat esimerkiksi:

  1. Kuinka monta alkuainetta oli olemassa muinaisten kreikkalaisten mukaan?
  2. Mitä tarkoittaa atomin järjestysluku?
  3. Kuinka monta alkuainetta jaksollisessa järjestelmässä nykyään on?
  4. Kerro menetelmästä, jolla työryhmä yrittää löytää uusia alkuaineita. Mitä ongelmia tämän menetelmän käyttöön liittyy?

Mireia Güell Serra, Espanja




License

CC-BY-NC-ND