Számjáték: a periódusos tábla bővülése Understand article

Fordította: Kovács Tímea. Néhány évszázada az emberiség abban hitt, hogy a világ csak földből, levegőből, vízből és tűzből áll. Azóta a tudósok 118 kémiai elemet fedeztek fel, és most keresik a száztizenkilencediket.

A képet Jim Mikulak szíves
hozzájárulásával közöljük;
Forrás: Wikimedia Commons

A modern, “űrkorszaki” laboratóriumokban Európa-szerte együtt dolgoznak a kutatók az új elemek felfedezésén. Ha sikerrel járnak, csatlakozhatnak azon tudósok klubjához, akik átírták a periódusos rendszert.

Az ókori görögök talán tévedtek, mikor azt hitték, hogy csak négy elem létezik – föld, levegő, tűz és víz – de valamiben igazuk volt: az elemek az építőkövei mindennek, ami minket körülvesz. Vegyületeket alkotva összekapcsolódnak, és különböző arányokban keverednek. Habár a vegyületek rendkívül változatosak, az elemek igazából meglehetősen egyszerűek. A mai napig csak 118 kémiai elemet ismer a tudományw1. Egy új elem felfedezése igazán nagydolog lenne.

Lítium
A képet Halfdan szíves
hozzájárulásával közöljük;
Forrás: Wikimedia Commons

Az atomok, az anyag építőelemei, mind ugyanazokból az egyszerű összetevőkből állnak: apró részecskékből, amiket protonoknak és neutronoknak hívunk, és még náluk is parányibb elektronok keringenek körülöttük. A protonok száma egy atomban – azaz az atomszám – határozza meg, hogy milyen elemről van szó. Az oxigén atomnak például nyolc protonja, (általában) nyolc neutronja és nyolc elektronja van. Ugyanakkor a legnehezebb elemeknek több száz van mindháromból.

* * *

Az orosz vegyész, Dimitrij Mengyelejev, mit sem tudott minderről, amikor 1869-ben a kémiai elemeket egy táblázatba rendezte atomsúlyuk szerint. Gyorsan felfedezte a kirajzolódó mintákat: elsősorban azt, hogy az oszlopok meglepően hasonló tulajdonságú elemeket tartalmaztak. Például a kálium, rubídium és cézium, három fém, amik a vízzel heves reakcióba lépnek, egymás fölött helyezkednek el.

Elsőre Mengyelejev táblázatával volt egy kis gond: tele volt lyukakkal. A cink és az arzén között például két elem hiányozni látszott. Ő azonban merészen megjósolta, hogy ezeket a lyukakat hamarosan újonnan felfedezett elemek fogják betölteni, és a táblázat segítségével a tulajdonságaikat is megjövendölte. És igaza volt, a réseket hamarosan a gallium és a germánium foglalta el.

Mengyelejev periódusos
rendszere 1986-ból. A
nagyobb méretű változatért
kattintson a képre
.
A kép közkincs; Forrás:
Wikimedia Commons

Néhány pontosítással és módosítással, a táblázatot, amit Mengyelejev készített, a mai napig használjuk: a periódusos rendszertw1, ami számunkra annyira magától értetődő, hogy nem is gondolunk rá, hogy valakinek fel kellett fedeznie.

A rákövetkező évtizedekben a vegyészek egymással versengtek, hogy kitöltsék a megmaradó réseket. Eközben azt is felfedezték, hogyan működik a periódusos rendszer: a sorok és oszlopok tükrözik, hogyan rendeződnek el az elektronok pályáikon a különböző elemekben, és az elektronok szabják meg az elemek legtöbb tulajdonságát.

1945-ben az utolsó rést is betöltötték a táblázatban. Lehet, hogy a tudomány felfedezte az összes létező elemet? Érdekes módon a válasz erre a kérdésre igen is meg nem is. Minden, a Földön természetes módon létező elem ismert. Ugyanakkor – és ez egy fontos részlet – senki sem állítja, hogy ne lehetne mesterségesen új elemeket előállítani a periódusos rendszer legvégére helyezve őket, az utolsó elem, az uránium után.

Dimitrij Mengyelejev
A kép közkincs; Forrás:
Wikimedia Commons

Így az atomkutatás fejlődésével az 1940-es években, épp, ahogy az utolsó réseket töltötték be a táblázatban, szép lassan új mesterséges elemek kezdtek a periódusos rendszer végére gyülekezni, megkapva ezzel a 118 ma ismert elemet. Senki sem tudja hány elem vár még felfedezésre.

Amit viszont tudunk, az az, hogy egyre nehezebb új elemeket alkotni. Manapság már a világ legmodernebb laboratóriumaira van szükség ahhoz, hogy egyáltalán esélyünk legyen: a könnyűeket már mind felfedezték.

* * *

A nyelvtörő néven ismert ununennium, a legközelebbinek megjósolt elem – amelynek előállításán egy nemzetközi csoport dolgozik – lesz valószínűleg eddig az egyik legtrükkösebb.

Hogy megkapják a
száztizenkilencedik elemet, a
tudósok egy erős titán atom-
nyalábbal bombáznak majd
berkéliumot
.
A képet stock photos for
free.com szíves
hozzájárulásával közöljük

Ennek a csapatnak, amelyet a német GSI Helmholtz Nehézion Kutató Központ (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) vezet, és amelyben körülbelül 20 kutatóközpont vesz részt világszerte, az a terve, hogy megalkotja a száztizenkilencedik elemet. A módszer becsapósan egyszerűnek hangzik: egy titán (22-es atomszám) atomnyalábbal bombázzunk berkéliumot (97-es). Add össze a kettőt, és – Heuréka! – 119-et kapsz.

Persze nem ennyire egyszerű.

Először is az erősen radioaktív berkélium maga sem létezik a természetben: először egy atomreaktorban kell előállítani. Ráadásul rendkívül nehéz a két elemet egymással ütköztetni.

A nagyobb méretű
változatért kattintson a
képre
.
A képet Shape szíves
hozzájárulásával közöljük;
Forrás: Wikimedia Commons

„Egy intenzív titán-nyaláb előállítása rendkívül bonyolult. Ennek elérésére vannak olyan titkaink, amiket nem fogunk másokkal megosztani.” – magyarázza Jon Petter Omtvedt professzor, a csapat egyik tagja. – „Egy öt trillió [5 x 1012] titán atom per másodperc sűrűségű nyalábbal bombázzuk majd a platót. […] Egy [az atomok közötti] közvetlen ütközés valószínűsége rendkívül alacsony. Amikor nagy ritkán az atomok összeütköznek egymással, legtöbbször egyszerűen csak összezúzódnak vagy részben megsemmisülnek az ütközésben. Mégis, kevesebb, mint egy hónapban egyszer előállítunk egy teljes atomot.

Az ununennium létrehozása:
a kutatócsapat tagjai
Christoph Düllmann
professzor és Dr. Alexander
Yakushev a kísérleti
berendezés előtt. A
részecskegyorsító
segítségével a titán ionokat
a fényéhez közeli sebességre
gyorsítják. Ezek azután
áthaladnak a baloldalon
látható ezüst csövön, és a
berkéliumból készült célba
csapódnak (a sárga csíkos
dobozba középen). Három
mágnes segítségével
(jobboldalon a piros
dobozok) az előállított
ununennium ionokat
elválasztják a többi
részecskétől, és a
detektorokba vezetik, ahol a
bomlásuk megfigyelhető
.
A képet G Otto / GSI szíves
hozzájárulásával közöljük

Ez olyan mintha úgy nyernénk meg a lottó ötöst, hogy annyi szelvényt veszünk, amivel biztosra mehetünk. Lassú és nem túl hatékony, de ez egy számjáték: a végén nyerni fogsz.

De van egy másik probléma is. Az összes nehéz kémiai elem radioaktív: atomjaik az idővel könnyebb atomokra esnek szét, miközben sugárzást bocsátanak ki. Minden nehézelem, amit eddig felfedeztek rendkívül instabil. Az ununoktium (a 118. elem) a másodperc ezredrésze alatt lebomlik, és az ununennium lehet, hogy még ennél is rövidebb-éltű lesz.

Nem az a baj, hogy veszélyesek volnának – olyan kis mennyiségekről van szó, hogy a sugárzás biztonságos mértékű. Azonban ez nagyon megnehezíti annak az elemnek a tanulmányozását, amelyet épp most hoztál létre: nem tudod kémcsőbe önteni, vagy Bunsen-égővel melegíteni, mert egyszerre csak egyetlen egy atom áll rendelkezésedre, és az is csak a másodperc töredékéig.

A kutatócsoport a következő megoldást választotta: egy részecskegyorsító segítségével előállítják az ununenniumot, amit aztán egy detektorba irányítanak, és azután azokat a jeleket tanulmányozzák – a sugárzást és a bomlás során keletkező új atomokat –, amelyek az ununennium mag bomlásáról árulkodnak és nem magát az ununenniumot.

Ez egy ügyes megoldás, de sajnos nem teszi lehetővé a kutatócsoport egyik céljának elérését: szerették volna azt is tanulmányozni, hogy ezek az egzotikus elemek hogyan reagálnak egymással. Ez valószínűleg sosem lesz lehetséges, legalábbis a ma ismert technológiával nem.

Bár, ha abból élsz, hogy új kémiai elemeket állítasz elő, lottó-ötös valószínűségeket leküzdve, a „lehetetlen” lehet, hogy inkább kihívásnak hangzik.

A nagyobb méretű változatért kattintson a képre.
A képet NikNaks szíves hozzájárulásával közöljük; Forrás: Wikimedia Commons

Köszönetnyilvánítás

A Science in School szerkesztői hálásan köszönik Christoph Düllmann professzor hozzájárulását a cikkhez a GSI Helmholtz Nehézion Kutató Központból.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Oli Usher tudományos író. Felsőfokú diplomája van történelemből és tudomány- filozófiából, dolgozott már az újságírásban és a tudományos ismeretterjesztésben, és jelenleg a NASA / ESA Hubble űrtávcső közönségtájékoztatási munkájában vesz részt. Az „Egy ellentmondásos elem: a klór története a tudományban, technológiában, orvostudományban és a háborúban” („An Element of Controversy: The History of Chlorine in Science, Technology, Medicine and War”) című könyv társszerzője.


Review

A periódusos rendszer létrehozásáról és fejlődéséről szóló rövid összefoglaló után a cikk bemutatja az új kémiai elemek felfedezésére irányuló jelenlegi kutatómunkát. Hasznos anyag lehet kémia és fizikaórákon, különösen az atomkémia, atomfizika és tudománytörténet oktatására. A cikk a következő témák bevezetésére is alkalmas: a tudományos módszertan, a tudományos fejlődés sebessége, a kutatás nehézségei és a tudományos alapkutatás hasznossága.

A középiskolákban ritkán fordul elő a tudománytörténet, mint tananyag, annak ellenére, hogy nagyon hasznos lehet arra, hogy a tudományt érdekesebbé tegyük a tanulók számára, különösen azokéra, akiket inkább a humán tudományok érdekelnek.

Lehetséges ellenőrző kérdések:

  1. Az ókori görögök szerint hány elem létezett?
  2. Mi az atomszám?
  3. Hány elemet foglal magába jelenleg a periódusos rendszer?
  4. Írd le, milyen módszert alkalmaznak a kutatók az új elemek felfedezésére. Milyen problémákkal jár ez a módszer?

Mireia Güell Serra, Spanyolország




License

CC-BY-NC-ND