Gry liczbowe: uzupełnianie układu okresowego pierwiastków Understand article

Tłumaczenie: Jakub Kościelniak. Jeszcze kilka wieków temu ludzie wierzyli, że świat zbudowany jest jedynie z ziemi, powietrza, wody i ognia. Od tamtej pory naukowcy odkryli jednak 118 pierwiastków, a poszukiwania 119. trwają.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Jim
Mikulak; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

W futurystycznych laboratoriach w całej Europie badacze pracują wspólnie nad odkrywaniem nowych pierwiastków. Jeśli im się powiedzie, dołączą do grona naukowców, którym udało się uzupełnić układ okresowy pierwiastków.

Starożytni Grecy może i nie mieli racji, że istnieją jedynie cztery pierwiastki – ziemia, powietrze, ogień i woda – ale w jednym mieli słuszność: pierwiastki rzeczywiście są składnikami wszystkiego, co nas otacza; łączą się ze sobą i mieszają w różnych proporcjach. Ale podczas gdy związki bywają zaskakująco różnorodne, pierwiastki są stosunkowo proste, a do tej pory nauce znanych jest ich jedynie 118w1. Odkrycie nowego to na prawdę wielka rzecz.

Lit metaliczny
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Halfdan; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Atomy, podstawowe składniki materii, zawsze budowane są z tych samych, prostych elementów: małych cząstek nazywanych protonami i neutronami, wokół których krążą jeszcze mniejsze elektrony. Liczba protonów w atomie – jego liczba atomowa – określa, jaki to pierwiastek. Na przykład atom tlenu składa się z ośmiu protonów, (zwykle) ośmiu neutronów i ośmiu elektronów, a najcięższe z pierwiastków mogą zawierać nawet po ponad sto cząstek elementarnych.

* * *

Lecz rosyjski chemik Dymitr Mendelejew, kiedy w 1869 roku postanowił ułożyć pierwiastki wedle wzrastającej masy atomowej, nie miał pojęcia o żadnym z opisanych tu faktów. Od razu zauważył, że wyłania się pewien wzór: w kolumnach znajdują się pierwiastki o zaskakująco podobnych właściwościach. Na przykład potas, rubid i cez, trzy metale, które reagują gwałtownie z wodą, zostały umieszczone jeden pod drugim.

Początkowo problemem tablicy Mendelejewa było wiele pustych miejsc. Wydawało się, że pomiędzy cynkiem a arsenem brakuje jeszcze dwóch pierwiastków. Lecz Mendelejew przewidział śmiało, że te puste miejsca zostaną w przyszłości zapełnione nowo odkrytymi pierwiastkami i za pomocą swojej tablicy przewidział ich właściwości. I miał on pełną rację: puste miejsca zostały wkrótce zapełnione przez gal i german.

Tablica Mendelejewa,
opublikowana w 1869 r.
Kliknij na obrazek aby
powiększyć
.
Własność publiczna; źródło
zdjęcia: Wikimedia Commons

Po kilku udoskonaleniach i modyfikacjach, tablica pierwiastków, którą stworzył Mendelejew, przekształciła się w coś, czego używamy do dziś: w układ okresowy pierwiastkóww1, rzecz tak podstawową, że dziwny wydaje się fakt, iż ktoś musiał go kiedyś wynaleźć.

W późniejszych latach chemicy prześcigali się, aby wypełnić pozostające luki. Przy okazji, odkryli także, dlaczego układ okresowy działa: wiersze i kolumny obrazują sposób ułożenia elektronów na orbitalach w różnych atomach, a to właśnie elektrony określają większość właściwości pierwiastków.

W 1945 r. została zapełniona ostatnia luka w układzie okresowym. Ale czy nauka zna już wszystkie możliwe pierwiastki? Co niezwykłe, odpowiedź na to pytanie brzmi: i tak i nie. Wszystkie naturalnie występujące na Ziemi pierwiastki zostały już odkryte, ale – i jest to duże ale – nikt nie powiedział, że nowych pierwiastków nie można tworzyć sztucznie i umieszczać je w układzie okresowym za 92. pierwiastkiem – uranem.

Dymitr Mendelejew
Własność publiczna; źródło
zdjęcia: Wikimedia Commons

Wraz z rozwojem badań atomistycznych w latach 40. ubiegłego wieku, kiedy zapełniono już ostatnie luki układu okresowego, wytworzono w laboratoriach nowe, sztuczne pierwiastki, co zwiększyło liczbę znanych pierwiastków do 118. Nikt nie wiedział, jak wiele jest jeszcze do odkrycia.

Jednakże tworzenie nowych pierwiastków staje się coraz trudniejsze. Aby stanąć przed szansą na stworzenie nowego pierwiastka, należy dysponować najbardziej zaawansowanymi na świecie laboratoriami. Wszystkie łatwe do wytworzenia pierwiastki zostały już znalezione.

* * *

Dziś przedmiotem zainteresowania badaczy jest kolejny przewidywany pierwiastek, znany ze swej trudnej do wymówienia nazwy – ununennium – prawdopodobnie najtrudniejszy dotychczas przypadek.

Aby stworzyć 119.
pierwiastek naukowcy chcą
bombardować berkel silną
wiązką atomów tytanu.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
stock photos for free.com

Zespół współkoordynowany przez Instytut Badań Ciężkich Jonów w Darmstadt (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung), mieszczący się w Niemczech i skupiający około 20 centrów badawczych na całym świecie planuje wytworzyć 119. pierwiastek. Ich metoda brzmi zwodniczo prosto: wystarczy ostrzeliwać berkel (liczba atomowa 97) wiązką atomów tytanu (l. a. 22). Kiedy obydwa atomy połączą się – eureka! – powstanie 119. pierwiastek.

Oczywiście, to nie takie proste.

Po pierwsze, silnie radioaktywny berkel też nie występuje naturalnie, musi zostać najpierw wytworzony w reaktorze jądrowym. Ponadto, niezwykle trudno zmusić atomy do połączenia się.

Kliknij na obrazek aby
powiększyć
.
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Shape; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

“Niezmiernie trudno uzyskać jest intensywną wiązkę z atomów tytanu. Aby tego dokonać dzięki tajemnicom, których nie wyjawimy innym”, wyjaśnia profesor Jon Petter Omtvedt, jeden z członków zespołu badawczego. „Będziemy bombardować płytkę berkelu pięcioma bilionami [5 x 1012] atomów tytanu na sekundę. […] Prawdopodobieństwo bezpośredniego zderzenia się atomów jest ekstremalnie niskie. Kiedy jednak dojdzie do zderzenia, co zachodzi rzadko, atomy zwykle po prostu rozpadają się lub są częściowo niszczone. Aczkolwiek, choć rzadziej niż raz na miesiąc, to jednak uzyskamy kompletny atom.”

Tworzenie ununennium:
członkowie zespołu
badawczego prof. Christoph
Düllmann i dr Alexander
Yakushev stojący przed
aparaturą badawczą. Z
pomocą akceleratora cząstek
jony tytanu rozpędzane są
do prędkości bliskiej
prędkości światła, po czym
przechodząc przez srebrną
rurę umieszczoną po lewej
stronie, trafiają w próbkę
berkelu (umieszczoną w
pojemniku w żółte pasy
znajdującym się po środku).
Dzięki trzem magnesom
(czerwone elementy po
prawej) powstające jony
ununennium są oddzielane
od innych cząsteczek, aby
trafić do detektora, który
zarejestruje ich rozpad.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
G Otto / GSI

To tak, jakby kupić ilość kuponów wystarczającą do wygrania w lotto. To powolne i mało wydajne, ale to przecież loteria, w końcu i tak wygrasz.

Lecz jest jeszcze kolejny kłopot. Wszystkie ciężkie pierwiastki są promieniotwórcze: ich atomy rozpadają się na lżejsze, emitując promieniowanie. Także wszystkie odkryte, najcięższe pierwiastki są skrajnie niestabilne. Ununoctium (118. pierwiastek) rozpada się w ciągu milisekund od utworzenia, ununennium może żyć jeszcze krócej.

Nie oznacza to jednak, że są one niebezpieczne – ilości powstającego promieniowania są tak małe, że nie stanowią zagrożenia. Bardzo trudne jest za to ich badanie: nie można ich ot tak, po prostu umieścić w probówce czy podgrzać w płonieniu palnika, bo przecież dysponuje się zaledwie jednym atomem, który jest trwały tylko przez ułamki sekund.

Do wytwarzania ununennium zespół postanowił wykorzystać akcelerator cząstek, a powstające atomy nowego pierwiastka skierować do detektora, aby zarejestrować znaki wskazujące na stworzenie nowego atomu i jego następczy rozpad – czyli promieniowanie i produkty rozpadu jąder ununennium, niż trwałe jeszcze atomyf.

Jest to sprytne rozwiązanie, ale jedna kwestia jest nadal poza zasięgiem możliwości zespołu badawczego: naukowcy chcieliby móc badać reakcję tych egzotycznych pierwiastków z innymi. Jednak najprawdopodobniej nigdy nie będzie to możliwe, a przynajmniej nie z wykorzystaniem znanej dzisiaj technologii.

Ale kiedy twoją pracą jest tworzenie nowych pierwiastków – wygrywanie w loterii – „niemożliwe” zaczyna być wyzwaniem….

Kliknij na obrazek aby powiększyć.
Zdjęcie dzięki uprzejmości NikNaks; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

Podziękowanie

Redaktorzy Science in School chcieliby podziękować profesorowi Christophowi Düllmannowi z GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research za jego pomoc w powstawaniu artykułu.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Oli Usher jest autorem artykułów naukowych. Ukończył studia podyplomowe z zakresu historii i filozofii nauki, pracował jako dziennikarz i komentator wydarzeń naukowych, obecnie zatrudniony jest w biurze informacji publicznej przy NASA / ESA Hubble Space Telescope. Jest także współautorem książki An Element of Controversy: The History of Chlorine in Science, Technology, Medicine and War.


Review

Po krótkim podsumowaniu informacji na temat stworzenia układu okresowego pierwiastków artykuł wprowadza informacje na temat odkrywania nowych pierwiastków. Mogą one zostać wykorzystane na lekcjach chemii i fizyki, zwłaszcza, kiedy omawiane są działy chemii jądrowej, fizyki atomowej lub historii nauki. Artykuł może stanowić także wstęp do dyskusji na temat metod badawczych, szybkości rozwoju naukowego, trudności, jakie napotykają naukowcy i użyteczności nauk podstawowych.

Historia nauk ścisłych jest tematem rzadko poruszanym w szkołach średnich, a może zachęcić uczniów do tej tematyki, zwłaszcza tych bardziej zainteresowanych naukami humanistycznymi. Niniejszy artykuł może posłużyć do wskazania powiązań między naukami ścisłymi a humanistycznymi.

Rozumienie treści można badać za pomocą następujących pytań:

  1. Ile znano pierwiastków za czasów starożytnej Grecji?
  2. Co to jest liczba atomowa?
  3. Z ilu pierwiastków składa się współczesny układ okresowy?
  4. Opisz metody, jakimi naukowcy posługują się w czasie odkrywania nowych pierwiastków. Jakie problemy związane są z tymi metodami?

Mireia Güell Serra, Hiszpania




License

CC-BY-NC-ND