Cztery nowe pierwiastki na tablicy Mendelejewa

Pierwiastki o liczbach atomowych 113, 115, 117 i 118 zostały oficjalnie zatwierdzone przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC). Na razie nie wiadomo, jakie są właściwości chemiczne nowych pierwiastków, ani jak one wyglądają. Ale już na pewno wiadomo, że istnieją.

W poszukiwaniu wyspy

Najniższy, siódmy rząd (okres) dotychczasowej tablicy Mendelejewa został po latach wreszcie skompletowany. Nowe pierwiastki przybliżają fizykę jądrową do jej „świętego Graala”: poszukiwanych od kilkudziesięciu lat superciężkich pierwiastków o długich czasach życia, tworzących na mapie jąder atomowych obszar nazywany wyspą stabilności. W badaniach mają wkład polscy naukowcy, wśród których są osoby związane z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW).

Zakończone sukcesem próby wytworzenia superciężkich jąder atomowych zostały przeprowadzone w odniesieniu do pierwiastka 113 w japońskim Instytucie Badań Fizycznych i Chemicznych RIKEN koło Tokio, a w przypadku pozostałych trzech– w rosyjskim Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej oraz w amerykańskim Lawrence Livermore National Laboratory w Berkeley. Eksperymenty potwierdzające odkrycie pierwiastka 117 zrealizowano także w niemieckim Instytucie Badań Ciężkich Jonów (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH) w Darmstadt.

Superciężkie pierwiastki

W prace nad syntezą pierwiastków superciężkich są zaangażowane duże międzynarodowe zespoły fizyków, wśród których są też naukowcy z polskim rodowodem. Na Wydziale Fizyki UW badania teoretyczne związane z syntezą superciężkich jąder atomowych prowadzi prof. dr hab. Krystyna Siwek-Wilczyńska w kooperacji z grupą z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku. Tam jedną z wiodących osób był niedawno zmarły prof. dr hab. Janusz Wilczyński. Obliczenia warszawskich fizyków pozwalają wyznaczać prawdopodobieństwa syntezy nowych jąder atomowych w wyniku ostrzału specjalnych tarcz za pomocą wiązki cząstek rozpędzonych do ściśle określonej energii.

W trakcie analiz rozważano dwa podstawowe scenariusze produkcji: syntezę zimną (to w ten sposób w Japonii otrzymano pierwiastek 113) oraz gorącą. W syntezie gorącej, używanej przy produkcji pierwiastków 115-118, ostrzeliwana tarcza jest radioaktywna. W zależności od eksperymentu, materiałem tarczy jest wtedy jeden z ciężkich pierwiastków, takich jak pluton, ameryk, kiur, berkel czy kaliforn, a w charakterze pocisków inicjujących reakcje przemiany używa się jąder najcięższego izotopu wapnia.

Życie jest krótkie

Prawdopodobieństwo powstania nowego superciężkiego pierwiastka jest tak niskie, że w eksperymentach udaje się wytworzyć dosłownie pojedyncze jądra atomowe. W dodatku jądra te mają bardzo krótki czas życia, rzędu stutysięcznych części sekundy, i rozpadają się na inne pierwiastki, emitując przy tym cząstki alfa (czyli jądra helu, zawierające dwa protony i dwa neutrony).

– Dotychczas widzieliśmy zaledwie pojedyncze, krótko żyjące jądra atomowe nowych pierwiastków. Wiemy, z ilu protonów i neutronów się składały oraz jak szybko i na co się rozpadają. Nikt jednak nie wie nic konkretnego o ich pozostałych właściwościach fizycznych, nie mówiąc już o parametrach chemicznych. Możemy jedynie przypuszczać, że cechy nowych pierwiastków odpowiadają typowym dla miejsca zajmowanego przez nie na tablicy Mendelejewa. Ale czy tak na pewno jest? Na odpowiedź będziemy musieli poczekać prawdopodobnie jeszcze wiele lat – mówi prof. Marek Pfützner z Instytutu Fizyki Doświadczalnej FUW.

Na mapie jąder atomowych najcięższy z nowych pierwiastków, o liczbie atomowej 118, znajduje się najbliżej tzw. wyspy stabilności – obszaru, którego istnienie jeszcze w końcu lat 60. przewidział prof. dr hab. Adam Sobiczewski (NCBJ) wraz z rosyjskimi fizykami D. A. Arseniewem i V. G. Sołowiowem. Jądra pierwiastków leżące w obrębie wyspy stabilności powinny mieć stosunkowo długie czasy życia, a być może niektóre okazałyby się nawet stabilne. Za swoje badania prof. Sobiczewski, obecnie członek rzeczywisty PAN, otrzymał „polskiego Nobla” – nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Nadanie imienia

Nowe pierwiastki noszą tymczasowe nazwy: ununtrium, ununpentium, ununseptium i ununoctium. To nazwy pochodzące od liczby atomowej. Grupy badawcze zaangażowane w ich syntezę mają teraz prawo zgłaszać do IUPAC propozycje nazw związanych z mitologią, minerałami, ważnymi miejscami oraz naukowcami. Ostateczne nazwy nowych pierwiastków poznamy najprawdopodobniej w ciągu kilku miesięcy.

– Pierwiastek o liczbie atomowej 118 zamyka ostatni rząd obecnej tablicy Mendelejewa. Czy uda się ją jeszcze powiększyć, rozpocząć następny okres? Mamy podstawy przypuszczać, że będzie to możliwe, lecz dopiero przyszłe eksperymenty pozwolą ostatecznie rozstrzygnąć, czy przyroda podziela nasze zdanie – mówi prof. Tomasz Matulewicz, dyrektor Instytutu Fizyki Doświadczalnej FUW.