Teadusmaailmas on hetki, mis defineerivad ümber terve ajastu, ning me elame praegu ühes sellises hetkes. Aastakümneid on keemiliste elementide perioodilisustabel rippunud klassiruumide ja laborite seintel kui lõpetatud meistriteos, kuid füüsikud on alati teadnud, et tabeli alumine serv on tegelikult avatud piiriala. Hiljutised teated uue superraske elemendi edukast sünteesimisest – või vähemalt kindlast tõestusest selle eksisteerimise võimalikkuse kohta stabiilsemal kujul – on saatnud lööklaineid läbi kogu teadusringkonna. See ei ole lihtsalt järjekordne ruut tabelis; see on potentsiaalne uks täiesti uude füüsikasse, kus meie senised teadmised aine käitumisest ekstreemsetes tingimustes pannakse tõsiselt proovile.
Mis on superrasked elemendid ja miks on uus avastus eriline?
Et mõista selle läbimurde suurust, peame esmalt vaatama, kuidas aatomid on ehitatud. Looduses leiduv raskeim element on uraan, mille aatomnumber on 92. Kõik sellest raskemad elemendid on inimeste loodud laborites, kasutades selleks hiiglaslikke osakestekiirendeid. Viimastel aastakümnetel on teadlased suutnud sünteesida elemente kuni oganessoonini (element 118), mis lõpetab perioodilisustabeli seitsmenda rea. Kuid enamik neist superrasketest elementidest on äärmiselt ebastabiilsed, eksisteerides vaid murdosa sekundist enne lagunemist.
Uus avastus keskendub teoreetilisele piirkonnale, mida nimetatakse stabiilsuse saareks. See on hüpoteetiline piirkond tuumafüüsikas, kus teatud “maagiliste arvude” (prootonite ja neutronite arv) korral peaksid superrasked elemendid muutuma taas stabiilsemaks. Selle asemel, et laguneda millisekunditega, võivad need uued elemendid püsida minuteid, päevi või isegi aastaid. Kui teadlastel on õnnestunud astuda samm sellele “saarele”, tähendab see, et me võime tulevikus luua täiesti uusi materjale, millel on omadused, mida me praegu isegi ette kujutada ei oska.
Kuidas uus element muudab meie arusaama füüsikast?
Tavapärases keemias määravad elemendi omadused tema elektronkihi ehitus. Kuid kui aatomituum muutub äärmiselt raskeks ja suure positiivse laenguga, hakkavad elektronid tuuma ümber tiirlema kiirustel, mis lähenevad valguse kiirusele. Siin astub mängu Albert Einsteini relatiivsusteooria. Mass suureneb ja orbiidid moonutuvad. Seda nimetatakse relativistlikuks efektiks.
Uue elemendi puhul on need efektid nii tugevad, et need võivad täielikult rikkuda perioodilisustabeli seaduspärasusi. Näiteks:
- Elektronide orbiitide kokkutõmbumine: Sisemised elektronid tõmbuvad tuumale lähemale, varjestades tuuma laengut ja muutes välimiste elektronide käitumist.
- Keemiliste omaduste muutumine: Element, mis peaks tabeli järgi käituma nagu inertgaas, võib olla keemiliselt väga aktiivne, või vastupidi. See tähendab, et perioodilisussüsteem ei pruugi enam superraskete elementide puhul kehtida nii, nagu me koolis õppisime.
- Kvantmehaanika piirid: Uus element võimaldab meil testida kvantelektrodünaamika (QED) teooriaid tingimustes, kus elektriväljad on kriitiliselt tugevad.
Sünteesimise keerukus: Aatomite kokkupõrgatamine
Uue elemendi loomine ei ole keemiline reaktsioon tavapärases mõttes; see on toores füüsikaline vägivald mikrotasandil, mis nõuab ülimat täpsust. Protsess, mida nimetatakse külmaks või kuumaks sünteesiks, hõlmab kergema aatomi (mürsk) kiirendamist ligi 10–15% valguse kiiruseni ja sellega raskema aatomi (sihtmärk) pommitamist.
Probleem seisneb tõenäosuses. Tuumad on äärmiselt väikesed ja positiivselt laetud, mis tähendab, et nad tõukuvad üksteisest eemale. Teadlased peavad ületama selle kulonilise barjääri. Miljardite kokkupõrgete hulgast võib vaid üks viia tuumade liitumiseni. Ja isegi kui liitumine toimub, on tekkinud tuum sageli nii suure siseenergiaga, et see laguneb koheselt. Uue läbimurde võtmeks oli tõenäoliselt uute sihtmaterjalide (näiteks kaliforniumi või berkeeliumi isotoopide) ja intensiivsemate ioonkiirte (näiteks titaani või kroomi) kasutamine, mis võimaldas tuvastada stabiilsema isotoobi.
Detektorite roll ja andmetöötlus
Sünteesimine on vaid pool võitu. Teine pool on tõestamine, et element tegelikult eksisteeris. Selleks kasutatakse keerukaid ränidetektoreid, mis registreerivad aatomi lagunemisel tekkivaid alfaosakesi. Igal elemendil on unikaalne “allkiri” või lagunemisahel. Uue elemendi puhul pidid teadlased eraldama selle signaali mürast, mis on võrreldav ühe konkreetse liivatera leidmisega rannast. See nõudis kuudepikkust andmete kogumist ja superarvutite abil teostatavat analüüsi.
Stabiilsuse saar ja tuleviku materjaliteadus
Miks me seda kõike teeme? Kas see on vaid teaduslik uudishimu? Kindlasti mitte. Kui me suudame jõuda stabiilsuse saarele, kus poolestusajad ulatuvad sekundite asemel aastateni, avaneb võimalus toota neid elemente kaalutavates kogustes. See on küll kauge tulevik, kuid teoreetiliselt võivad superrasked elemendid pakkuda:
- Uut tüüpi tuumkütust: Kriitiline mass ja energiatihedus võivad olla täiesti erinevad uraanist või plutooniumist, võimaldades luua kompaktsemaid energiaallikaid kosmosemissioonideks.
- Meditsiinilised isotoobid: Spetsiifilised lagunemisomadused võivad pakkuda uusi võimalusi vähiravis, kus kiirgus suunatakse ülitäpselt vaid haigetele rakkudele.
- Eksrootilised materjalid: Materjalid, mille tihedus on kordades suurem kui osmiumil (praegu kõige tihedam element), või millel on unikaalsed magnetilised ja ülijuhtivad omadused.
Korduma kippuvad küsimused (KKK)
Seoses uue elemendi avastamisega on avalikkusel tekkinud palju küsimusi. Siin on vastused peamistele neist.
Kas sellel elemendil on juba nimi?
Ametlikult veel mitte. Uute elementide nimetamine on pikk protsess, mida reguleerib Rahvusvaheline Puhta ja Rakenduskeemia Liit (IUPAC). Tavaliselt antakse elemendile ajutine ladinakeelne nimetus (näiteks unbinilium elemendi 120 puhul), kuni avastus on sõltumatult kinnitatud. Avastajatel on seejärel õigus pakkuda nime, mis võib tuleneda teadlase, labori või riigi nimest.
Kas see element on inimesele ohtlik?
Jah, äärmiselt. Kõik superrasked elemendid on radioaktiivsed. Siiski, kuna neid toodetakse hetkel vaid üksikute aatomite kaupa laboritingimustes, ei kujuta nad endast ohtu keskkonnale ega inimestele väljaspool kiirendit.
Kus see avastus tehti?
Suurimad konkurendid ja koostööpartnerid selles valdkonnas on RIKENi instituut Jaapanis, GSI Helmholtzi Keskus Saksamaal, Dubna Tuumauuringute Instituut Venemaal ja Lawrence Livermore’i Riiklik Laboratoorium USAs. Läbimurded sünnivad sageli rahvusvahelises koostöös.
Kui kaua selline element püsib?
Varasemad superrasked elemendid (nagu moskoovium või oganessoon) püsivad vaid millisekundite murdosi. Uue “stabiilsuse saare” elemendi puhul loodetakse näha poolestusaegu, mis on oluliselt pikemad, võimaldades potentsiaalselt uurida selle keemilisi omadusi.
Võidujooks 8. perioodi suunas ja tehnoloogilised väljakutsed
Avastatud uue keemilise elemendi tähendus ulatub kaugemale ühest konkreetsest isotoobist. See tähistab sisenemist perioodilisustabeli kaheksandasse perioodi. See on “terra incognita” ehk tundmatu maa. Kui me suudame stabiliseerida elemente, mille aatomnumber on 120 või isegi suurem, peame ümber hindama tuumajõudude olemuse.
Üks suurimaid väljakutseid edasiliikumisel on tehnoloogiline piiratus. Praegused osakestekiirendid töötavad oma võimekuse piiril. Selleks, et sünteesida veelgi raskemaid elemente suuremates kogustes, on vaja ehitada uue põlvkonna kiirendeid, mis suudavad tekitada intensiivsemaid ioonkiiri ja taluda suuremat kuumust sihtmärgil. Samuti vajame paremaid eraldusmeetodeid, et püüda kinni üksikud aatomid, mis tekivad nädalatepikkuse töö tulemusena.
Lisaks füüsikale on see väljakutse keemikutele. Kuidas uurida aine keemilisi omadusi, kui sul on kasutada vaid üks aatom korraga? On välja töötatud geniaalsed meetodid, kus üksik aatom juhitakse läbi gaasikromatograafia toru, et näha, kuidas see reageerib kulla või kvartsi pinnaga. Need eksperimendid annavad aimu elemendi lenduvusest ja reaktiivsusest.
Teadlaste töö ei lõpe siin. Iga uus element on hüppelaud järgmisele. See avastus on tõestus inimkonna võimest manipuleerida mateeria alustaladega ja tungida looduse sügavaimatesse saladustesse. Me ei vaata enam perioodilisustabelit kui lõpetatud nimekirja, vaid kui kaarti, mille servad on endiselt hägused ja ootavad avastajaid.
