Hvornår kommer vi til slutningen af ​​den periodiske tabel?

Kemilærere var for nylig nødt til at opdatere deres klasseværelsesindretning med meddelelsen om, at forskere har bekræftet opdagelsen af ​​fire nye elementer på det periodiske bord. De endnu ikke navngivne elementer 113, 115, 117 og 118 udfyldte de resterende huller i bunden af ​​det berømte diagram - et køreplan for materiens byggesten, der med succes har ledet kemikere i næsten halvandet århundrede.

Relateret indhold

• De fire nyeste elementer har nu navne
• Fire nye elementer tilføjes til den periodiske tabel
• Fiskesæd kan være hemmeligheden bag genanvendelse af sjældne jordelementer

Den officielle bekræftelse, der blev tildelt af International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), var mange år i gang, da disse superheavy elementer er meget ustabile og svære at skabe. Men forskere havde en stærk grund til at tro, at de eksisterede, delvis fordi periodiske tabeller har været bemærkelsesværdigt konsistente indtil videre. Bestræbelser på at trylle frem elementerne 119 og 120, som ville starte en ny række, er allerede i gang.

Men præcis hvor mange flere elementer der er der forbliver et af kemiens mest vedvarende mysterier, især da vores moderne forståelse af fysik har afsløret uregelmæssigheder, selv i de etablerede spillere.

”Revner begynder at vises i den periodiske tabel, ” siger Walter Loveland, en kemiker ved Oregon State University.

Den moderne inkarnation af det periodiske system organiserer elementer efter rækker baseret på atomnummeret - antallet af protoner i et atomkerner - og efter søjler baseret på banerne i deres yderste elektroner, som igen normalt dikterer deres personligheder. Bløde metaller, der har en tendens til at reagere stærkt med andre, såsom lithium og kalium, lever i en søjle. Ikke-metalliske reaktive elementer, som fluor og jod, bor i et andet.

Den franske geolog Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois var den første person, der anerkendte, at elementer kunne grupperes i tilbagevendende mønstre. Han viste de elementer, der var kendt i 1862, ordnet efter deres vægt, som en spiral omviklet omkring en cylinder ( se illustrationen nedenfor ). Elementer lodret på linje med hinanden på denne cylinder havde lignende egenskaber.

Men det var den organisatoriske plan, der blev oprettet af Dmitri Mendeleev, en varm tempereret russer, der hævdede at have set grupperinger af elementer i en drøm, der stod tidens prøve. Hans periodiske tabel i 1871 var ikke perfekt; den forudsagde for eksempel otte elementer, der ikke findes. Imidlertid forudså det også korrekt gallium (nu brugt i lasere), germanium (nu brugt i transistorer) og andre stadig sværere elementer.

Den periodiske tabel Mendeleev accepterede let en helt ny søjle for de ædelgasser, såsom helium, som havde undgået detektion indtil slutningen af ​​1800-tallet på grund af deres tilbøjelighed til ikke at reagere med andre elementer.

Den moderne periodiske tabel har været mere eller mindre i overensstemmelse med kvantefysik, der blev introduceret i det 20. århundrede for at forklare opførslen af ​​subatomære partikler som protoner og elektroner. Derudover har grupperingerne for det meste holdt, da tyngre elementer er blevet bekræftet. Bohrium, det navn, der blev givet til element 107 efter opdagelsen i 1981, passer så pænt med de andre såkaldte overgangsmetaller, der omgiver det, en af ​​forskerne, der opdagede det, erklærede "bohrium er kedeligt."

Men interessante tider ligger måske foran os.

Et åbent spørgsmål vedrører lanthanum og actinium, der har mindre fælles med de andre medlemmer af deres respektive grupper end lutetium og lawrencium. IUPAC nedsatte for nylig en taskforce til at undersøge dette spørgsmål. Selv helium, element 2, er ikke ligetil - en alternativ version af det periodiske system findes, der placerer helium med beryllium og magnesium i stedet for dets ædelgasmagere, baseret på arrangementerne af alle dets elektroner i stedet for kun de yderste.

”Der er problemer i begyndelsen, midten og slutningen af ​​det periodiske system, ” siger Eric Scerri, en historiker i kemiafdelingen ved University of California, Los Angeles.

Einsteins specielle relativitetsteori, der blev offentliggjort årtier efter Mendeleevs tabel, introducerede også nogle chinks i systemet. Relativiteten dikterer, at massen af ​​en partikel øges med dens hastighed. Det kan medføre, at de negativt ladede elektroner, der kredser rundt om den positivt ladede kerne i et atom, opfører sig underligt, hvilket påvirker egenskaberne ved et element.

Overvej guld: Kernen er fyldt med 79 positive protoner, så for at forhindre at falde indad er guldens elektroner nødt til at sige rundt i mere end halvdelen af ​​lysets hastighed. Det gør dem mere massive og trækker dem ind i en tættere bane med lavere energi. I denne konfiguration optager elektronerne blåt lys i stedet for at reflektere det, hvilket giver bryllupsbånd deres markante glans.

Det siges, at den berygtede bongospilende fysiker Richard Feynman har påberåbt sig relativitet for at forudsige slutningen af ​​det periodiske bord ved element 137. For Feynman var 137 et "magisk nummer" - det var ikke dukket op uden nogen åbenbar grund andetsteds i fysikken. Hans beregninger viste, at elektroner i elementer ud over 137 ville være nødt til at bevæge sig hurtigere end lysets hastighed og dermed overtræde relativitetsreglerne for at undgå at styrte ind i kernen.

Senere beregninger har siden vendt denne grænse. Feynman behandlede kernen som et enkelt punkt. Lad det være en kugle af partikler, og elementerne kan fortsætte indtil omkring 173. Så bryder alt helvede løs. Atomer ud over denne grænse kan forekomme, men kun som mærkelige væsener, der er i stand til at indkalde elektroner fra det tomme rum.

Relativitet er ikke det eneste problem. Positivt ladede protoner frastøder hinanden, så jo mere du pakker ind i en kerne, desto mindre stabil har den en tendens til at være. Uran, med et atomnummer på 92, er det sidste element stabilt nok til at forekomme naturligt på Jorden. Hvert element ud over det har en kerne, der hurtigt falder fra hinanden, og deres halveringstid - den tid det tager for halvdelen af ​​materialet at forfaldne - kan være minutter, sekunder eller endda splittede sekunder.

Tyngre, ustabile elementer kan eksistere andre steder i universet, som inde i tætte neutronstjerner, men forskere kan kun studere dem her ved at slå sammen lettere atomer for at gøre tyngre og derefter sive gennem forfaldskæden.

”Vi ved virkelig ikke, hvad der er det tyngste element, der kunne eksistere, ” siger atomfysiker Witold Nazarewicz fra Michigan State University.

Teori forudsiger, at der vil være et punkt, hvor vores laboratoriefremstillede kerner ikke lever længe nok til at danne et ordentligt atom. En radioaktiv kerne, der falder fra hinanden i mindre end ti billioner af et sekund, ville ikke have tid til at samle elektroner omkring sig selv og skabe et nyt element.

Stadig mange forskere forventer, at øer med stabilitet vil eksistere længere nede ad vejen, hvor superheavy elementer har relativt langvarige kerner. Indlæsning af visse superheavyatomer med masser af ekstra neutroner kunne give stabilitet ved at forhindre, at de protonrige kerner deformeres. For eksempel forventes element 114 at have et magisk stabilt antal neutroner ved 184. Elementerne 120 og 126 er også forudsagt at have potentialet til at være mere holdbare.

Men nogle påstande om superheavy stabilitet er allerede faldet fra hinanden. I slutningen af ​​1960'erne foreslog kemiker Edward Anders, at xenon i en meteorit, der faldt ned på mexicansk jord, var kommet fra sammenbruddet af et mysteriumelement mellem 112 og 119, der ville være stabilt nok til at forekomme i naturen. Efter at have brugt år på at indsnævre sin søgning trak han i sidste ende sin hypotese tilbage i 1980'erne.

Det er ikke let at forudsige tunge elementers potentielle stabilitet. Beregningerne, som kræver enorm computerkraft, er ikke blevet foretaget for mange af de kendte spillere. Og selv når de har det, er dette meget nyt territorium for nukleær fysik, hvor selv små ændringer i inputene kan have dyb indvirkning på de forventede resultater.

En ting er sikkert: At gøre hvert nyt element bliver sværere, ikke kun fordi kortere levende atomer er sværere at opdage, men fordi at fremstille superheavier muligvis kræver stråler af atomer, som i sig selv er radioaktive. Uanset om der er en ende på den periodiske tabel, kan der være en ende på vores evne til at skabe nye.

”Jeg tror, ​​vi er langt væk fra slutningen af ​​det periodiske system, ” siger Scerri. ”Den begrænsende faktor lige nu ser ud til at være menneskelig opfindsomhed.”

Redaktørens note: Witold Nazarewiczs tilknytning er blevet korrigeret.

Periodisk tabel Anbefalet læseliste

En fortælling om syv elementer

En autoritativ redegørelse for den tidlige historie med den periodiske tabel findes i Eric Scerri's A Tale of Seven Elements, der tager et dybt dykk ned i kontroverserne omkring opdagelserne af syv elementer.

Den periodiske tabel

Læsere med interesse for Holocaust skal hente en kopi af Primo Levis bevægende memoir, The Periodic Table. For en overbevisende selvbiografi, der bruger den periodiske tabel til at ramme levetiden for en af ​​verdens mest elskede neurologer, kan du se Oliver Sacks ' New York Times' op "Min periodiske tabel ".

Den forsvindende ske: Og andre sande historier om vanvid, kærlighed og verdenshistorie fra elementernes periodiske tabel

Sam Kean tager sine læsere med på en livlig og kaotisk løb gennem elementerne i The Disappearing Spoon.

The Lost Elements: Periodic Table's Shadow Side

Videnskabsentusiaster interesseret i insiderbaseball bag elementer, der aldrig kom ind i det periodiske bord, kan tjekke de veludforskede The Lost Elements af Marco Fontani, Mariagrazia Costa og Mary Virginia Orna.