Συνθέτοντας νέα χημικά στοιχεία

Συνθέτοντας νέα χημικά στοιχεία

Ρίξτε μια ματιά γύρω σας. Οτιδήποτε βλέπετε αποτελείται από στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα. Από τότε που ο Μεντελέγιεβ κατέταξε για πρώτη φορά τα χημικά στοιχεία με αυτόν τον πολύ εύχρηστο και αποκαλυπτικό για τις χημικές και φυσικές τους ιδιότητες τρόπο, οι επιστήμονες αναρωτιούνται αν υπάρχει τέλος στα στοιχεία και τις παραλλαγές τους (ισότοπα). Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα, έστω κι αν δεν αφορά την καθημερινότητα, έχει μεγάλη επιστημονική αξία.
Σήμερα γνωρίζουμε 118 χημικά στοιχεία, που το καθένα διακρίνεται από το άλλο, με βάση τον αριθμό των πρωτονίων που έχει στον πυρήνα του ατόμου του (ατομικός αριθμός). Παραπάνω από δύο δεκάδες από τα στοιχεία αυτά δεν συναντώνται στη φύση, είναι τεχνητά. Στο πέρασμα των χρόνων, οι επιστήμονες κατασκεύασαν νέα, βραχύβια και κατά κύριο λόγο υπερμεγέθη στοιχεία (με βάση τον αριθμό των πρωτονίων τους), συγκρούοντας ελαφρύτερους πυρήνες (άλλων στοιχείων), μέσα σε επιταχυντές σωματιδίων.
Κάθε νέο στοιχείο που προστίθεται στο τμήμα «υπερβαρέων» του Περιοδικού Πίνακα προσφέρει βαθύτερη κατανόηση των φυσικών νόμων και των ορίων εφαρμογής τους. Τα ισότοπα - παραλλαγές ενός στοιχείου με διαφορετικό αριθμό νετρονίων στον πυρήνα του ατόμου του - μπορεί να έχουν σημαντικά διαφορετικές ιδιότητες, που κάνουν ορισμένα από αυτά πολύτιμα στην έρευνα και τη βιομηχανία. Για παράδειγμα, το ισότοπο που χρησιμοποιείται συχνότερα για ιατρικές απεικονίσεις, είναι ένα ισότοπο του τεχνήτιου, του πρώτου στοιχείου που συντέθηκε τεχνητά, το 1937. Πολλοί ανιχνευτές καπνού περιέχουν ίχνη ισοτόπου του αμερικίου, επίσης τεχνητού στοιχείου, ραδιενεργού και από τα υπερβαρέα, που σχηματίστηκε για πρώτη φορά το 1944.

Το «νησί σταθερότητας»

Διάγραμμα του στοιχείου 117, του πιο πρόσφατου μέλους του Περιοδικού Πίνακα των στοιχείων. Στον πυρήνα του υπάρχουν 117 πρωτόνια (απεικονίζονται ως κόκκινες μπάλες) γύρω από τα οποία περιφέρονται ισάριθμα ηλεκτρόνια (πράσινα). Το συγκεκριμένο ισότοπο είναι το ουνουνσέπτιουμ-294, με 177 νετρόνια (μπλε)

Οι επιστήμονες επιζητούν τη συμπλήρωση του Περιοδικού Πίνακα, ελπίζοντας να φτάσουν κάποια στιγμή στο λεγόμενο «νησί σταθερότητας», που εικάζεται ότι υπάρχει σε μεγαλύτερους ατομικούς αριθμούς. Σε αυτήν την περιοχή, «μαγικοί αριθμοί» πρωτονίων και νετρονίων δίνουν ως αποτέλεσμα ένα σταθερότερο πυρήνα, ένα λιγότερο βραχύβιο ισότοπο. Αν αυτό επιβεβαιωθεί, θα σημαίνει ότι πολύ βαριά άτομα θα είναι πολύ πιο σταθερά από τους ελαφρύτερους γείτονές τους στον Πίνακα. Οι υπερβαρείς πυρήνες, λόγω της θεμελιωδώς ασταθούς και συνθετικής φύσης τους, συμπεριφέρονται με διαφορετικούς και συχνά απρόβλεπτους τρόπους, συγκρινόμενοι με τους πυρήνες των στοιχείων που συναντώνται στη φύση κι έτσι κανείς δεν μπορεί να είναι σίγουρος πού ακριβώς υπάρχει αυτό το «νησί». Ωστόσο, πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι βρισκόμαστε ήδη κοντά.
Πριν όμως φτάσουμε στο «νησί σταθερότητας», οι επιστήμονες θεωρούν ότι μπορεί να πέσουμε πάνω σε έναν τοίχο, καθώς προχωράμε πάνω από τα 92 φυσικά και τα 26 συνθετικά χημικά στοιχεία που υπάρχουν και έχουμε συνθέσει μέχρι σήμερα. Ο λόγος είναι ότι οι μέθοδοι σύγκρουσης πυρήνων ατόμων που χρησιμοποιούμε πλησιάζουν όχι μόνο τα τεχνολογικά, αλλά και τα θεωρητικά όριά τους. «Εκτιμούμε ότι ο δρόμος είναι ανοιχτός έως το στοιχείο 120», λέει η Ντον Σόνεσι, χημικός, επικεφαλής του προγράμματος βαρέων στοιχείων του Εθνικού Εργαστηρίου Λόρενς Λίβερμορ, των ΗΠΑ. Κανείς δεν είναι σίγουρος ότι μπορούμε να προχωρήσουμε πέρα από το 120, συμπληρώνει.

Ματιά από μακριά

Η σύνθεση νέων στοιχείων γίνεται με σχηματισμό ακτίνων και επιτάχυνση (μέσω ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων) πυρήνων ατόμων, που έχουν σχετικά μικρό ατομικό αριθμό. Οταν οι πυρήνες αυτοί συγκρουστούν με τους πυρήνες του στόχου, που είναι μεγαλύτεροι, συνήθως σκεδάζονται, αλλά ορισμένες φορές γίνεται σύντηξη σε ένα νέο πυρήνα που έχει αριθμό πρωτονίων ίσο με το άθροισμα των πρωτονίων των πυρήνων που συγκρούστηκαν. Από τις συγκρούσεις παράγονται και πολλά μη ενδιαφέροντα παραπροϊόντα, κάνοντας δύσκολο τον εντοπισμό του πυρήνα που ενδιαφέρει.
Πέρσι, οι ερευνητές στο Κέντρο Χέλμχολτζ για Ερευνα Βαρέων Ιόντων, στη Γερμανία, συνέθεσαν για πρώτη φορά μερικά άτομα του (προσωρινά ονομαζόμενου) στοιχείου ουνουνσέπτιουμ, με ατομικό αριθμό 117, ρίχνοντας μια ακτίνα ιόντων ασβεστίου (με 20 πρωτόνια στον πυρήνα), πάνω σε ένα στόχο μπερκελίου (με 97 πρωτόνια στον πυρήνα). Με προσωρινό όνομα παραμένει και το στοιχείο 118, που ανακαλύφθηκε το 2002. Το ουνουνσέπτιουμ διασπάστηκε μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου, αλλά ένα από τα προϊόντα της διάσπασής του, το λορέντσιο-266 (103 πρωτόνια και 163 νετρόνια) έμεινε σταθερό επί 11 ώρες, μια αιωνιότητα στο βασίλειο των υπερβαρέων στοιχείων. Αυτό δείχνει ότι ίσως να βρίσκεται στα ανοιχτά του «νησιού σταθερότητας».

Νέες τεχνικές και επιταχυντές

Για να συνεχιστεί η προσπάθεια συμπλήρωσης του Περιοδικού Πίνακα και την επόμενη δεκαετία, τα εργαστήρια που ασχολούνται με αυτό το αντικείμενο, εντείνουν τις προσπάθειές τους να κατασκευάσουν νέας γενιάς επιταχυντές ατομικών πυρήνων, που θα επιτρέψουν τη σύνθεση εξωτικών χημικών στοιχείων και τη βαθύτερη διερεύνηση της πυρηνικής φυσικής και της ατομικής δομής. Τέτοιος είναι ο ρωσικός επιταχυντής με την ονομασία Εργοστάσιο Υπερβαρέων Στοιχείων, στη Ντούμπνα (όπου έχουν συντεθεί πολλά από τα υπερουράνια στοιχεία). Το μηχάνημα αυτό, που θα αρχίσει να λειτουργεί το 2016, θα επιταχύνει μια ακτίνα πυρήνων 20 φορές πιο πυκνή από εκείνη των σημερινών επιταχυντών, ενώ οι ανιχνευτές του θα είναι 100 φορές πιο ευαίσθητοι, ώστε να μη διαφεύγει της προσοχής ακόμα και ένας ενδιαφέρων πυρήνας που μπορεί να σχηματιστεί.
Για να διερευνήσουν την περιοχή πάνω από το στοιχείο 120 για το «νησί σταθερότητας», οι ερευνητές θα πρέπει να «παίξουν» και με τον αριθμό των νετρονίων. Περισσότερα νετρόνια στον πυρήνα μπορούν να ευνοήσουν τη σταθερότητα, αυξάνοντας τις αλληλεπιδράσεις της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, εξισορροπώντας έτσι την άπωση μεταξύ των θετικά φορτισμένων πρωτονίων, που στριμώχνονται σα σαρδέλες μέσα στους υπερβαρείς πυρήνες. Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκε στις ΗΠΑ η Εγκατάσταση για Ακτίνες Σπάνιων Ισοτόπων, ένας επιταχυντής που θα διαχωρίζει αυτόματα τα κομμάτια από τη σύγκρουση των πυρήνων και θα διαθέτει τα πιο ενδιαφέροντα ισότοπα (αυτά με τον κατάλληλο αριθμό νετρονίων) σε άλλα εργαστήρια, όπως το Λίβερμορ, που κυνηγάνε το επόμενο τεχνητό στοιχείο.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Discover»