Elementen 114 en 116 zijn nu officieel aan het periodiek systeem toegevoegd. Zou het mogelijk zijn stabiele superzware elementen te maken? Volgens sommige kernfysici moet er een ‘eiland van stabiliteit’ bestaan bij een atoomgetal rond de 125 à 130. Om de gedachten te bepalen: het zwaarste min of meer stabiele element is bismut met een atoomgetal van 83. Hoe zou een superzwaar element er uit zien? Eén ding is zeker: het is veel en veel zwaarder dan lood. En misschien is er al een spoor gevonden…
Zware kernen zeer radioactief
Het stabielste element denkbaar is ijzer. Hoe dichter andere atoomkernen bij ijzer in de buurt komen, hoe energiegunstiger dat is per kerndeeltje. In feite is dat wat er gebeurt bij kernsplijting en kernfusie: er komt energie vrij omdat de massa van de geproduceerde atoomkernen dichter in de buurt ligt van die van ijzer. Op een gegeven moment, bij bismut en zwaarder, is de hoeveelheid bindingsenergie per nucleon zo laag dat de kernen spontaan uit elkaar vallen. Bismut valt extreem langzaam uit elkaar – sinds de Big Bang zou er van een ton bismut nog geen milligram, een zoutkorreltje, vervallen zijn – maar hoe verder voorbij uranium, hoe korter elementen leven. Uranium-238 gaat ongeveer 4,46 miljard jaar mee.
Plutonium-239, het allerzwaarste element dat tot nu toe ontdekt is in de natuur, heeft een halfwaardetijd van 80 miljoen jaar. Nog zwaardere elementen kunnen alleen kunstmatig gemaakt worden en leven maar kort. Twee recent ontdekte elementen, nu flerovium en livermorium genoemd, overleven enkele seconden of minder en hebben atoomgetallen 114 (flerovium) en 116 (livermorium).
Eiland van stabiliteit
Toch zijn er enkele theoretische redenen om te veronderstellen dat er een eiland van stabiliteit bestaat voorbij dit instabiele gebied. Zo zijn er bepaalde “magische getallen”. Als atoomkernen uit aantallen protonen en neutronen bestaan die overeenkomen met deze magische getallen, leven ze veel langer. Dat is ook de reden dat bijvoorbeeld lood zo extreem stabiel is.
Niet onomstreden theoretische berekeningen laten zien dat er voorbij de zwaarste elementen die nu werden onderzocht, atoomnummer Z=114 tot Z = 126, een eiland moet liggen van atoomkernen die dankzij hun samenstelling toch zeer lang moeten blijven leven. Schattingen lopen uiteen van enkele dagen tot zelfs honderden miljoenen jaren. Dit zou ze in het laatste geval tien keer zo radioactief als verarmd uranium maken, maar op zich toepasbaar als materiaal. Het materiaal zal veel dichter zijn dan lood. Dichtheden van dertig of veertig gram per kubieke centimeter worden dan mogelijk. Stel je voor, een stuiterbal die een kilo weegt. Met een presse-papier van een dergelijk superzwaar metaal waait je papier gegarandeerd niet meer weg. Aan de andere kant, je kunt hem maar beter niet op je tenen laten vallen…
Zijn er al superzware elementen uit het eiland van stabiliteit ontdekt?
Kernen uit het eiland van stabiliteit moeten in de natuur voorkomen, denken astrofysici. In extreem zware sterren vinden vlak voor en tijdens de supernova-explosie zeer complexe kernreacties plaats. Er komen in de kern bijvoorbeeld heel veel vrije neutronen voor, die atoomkernen zwaarder dan ijzer fabriceren door het r-proces of het langzamere s-proces. Hierbij worden in een nikkelkern (nikkel is vrijwel even stabiel als ijzer) neutronen ingevangen. Ongeveer wat er in een kerncentrale gebeurt. De grap is dat als dit snel genoeg gebeurt (zoals in het r-proces), de massa van atoomkernen snel toeneemt voordat de kern uit elkaar kan vallen. Het s-proces kan alleen stabiele kernen produceren. Wordt het aantal neutronen te veel, dan zendt de atoomkern een elektron uit (betaverval). Dit proces kan in principe doorgaan tot er rond de 270 kerndeeltjes in de kern voorkomen. Op deze manier zijn zwaardere elementen als koper, goud en uranium ontstaan.
Wetenschappers zouden wetenschappers niet zijn, als ze zich niet hadden afgevraagd of de processen in zware sterren die het zonnestelsel heeft voortgebracht, nog niet veel zwaardere atoomkernen zou hebben kunnen produceren. Uiteraard is er na meer dan vijf miljard jaar bedroevend weinig over van elementen als oganesson (118) en dergelijke extreem instabiele elementen, maar dat geldt uiteraard niet voor de elementen in het mythische eiland van stabiliteit. Wie weet zijn die atoomkernen overal om ons heen. Als we maar goed genoeg zoeken, moeten we ze kunnen vinden.
Dat is precies wat onderzoeker Marinov en zijn collega’s deden. Ze kamden een monster met het licht radioactieve metaal thorium uit. Ze vonden aanwijzingen voor het bestaan van een neutron-arme atoomkern met een atoomgetal van 122 en een atoomgewicht van 292. In het hart van het eiland van stabiliteit dus. Het onbekende element (als dat het werkelijk is) is zeer schaars: ongeveer een miljardste deel van het thorium bestaat uit het element. Omdat het onbekende element neutron-arm is, is het r-proces waarschijnlijk niet de bron.
Wat zou je met element 122 kunnen?
Waarschijnlijk heeft het element allerlei unieke chemische en natuurkundige eigenschappen. Bij dergelijke hoge atoomnummers ontstaan namelijk gedegenereerde portalen, elektronschillen gaan zich met elkaar mengen. Je kan ook akeliger toepassingen bedenken. Vermoedelijk is het goedje namelijk uiterst explosief als het met neutronen wordt bestraald. Een zakatoombom wordt hiermee een mogelijkheid.
Bronnen
1. Heaviest elements yet join periodic table – New Scientist
2. A. Marinov et al., Evidence for a long-lived superheavy nucleus with atomic mass number A = 292 and atomic number Z @ 122 in natural
Th, Arxiv (2008)/Int.J.Mod.Phys.E19:131-140 (2010)
Hoe zwaar zou een element moeten zijn die door zijn eigen zwaartekracht bij elkaar wordt gehouden zoals een neutronenster?
Ongeveer zo zwaar als een neutronenster. Technisch gesproken is dat één atoomkern.
Niet veel lichter? 1 Theelepeltje materie van een neutronenster weegt een miljard ton.