Voorbij de grenzen van het periodiek systeem

Scheikunde Het periodiek systeem telt nu 118 elementen. Hoeveel nieuwe kunnen we nog maken?

Illustratie Roland Blokhuizen

Het periodiek systeem der elementen lijkt zo’n beetje af. Sinds de ontdekking in 2006 van element 118, oganesson, is ook de onderste rij gevuld. De bekendste scheikundige tabel telt nu zeven keurig geordende rijen.

Toch maken fysici zich klaar voor een nieuwe ronde in de zoektocht naar superzware elementen. Een onderzoeksinstituut in Japan is al gestart, in Rusland beginnen in de herfst nieuwe experimenten en een Duits onderzoeksinstituut zal later volgen. Met grote deeltjesversnellers en veel geduld proberen natuurkundigen als moderne alchemisten nieuwe, superzware elementen te maken.

De zoektocht naar nieuwe elementen kan antwoorden leveren op fundamentele vragen. Is er een bovengrens waar voorbij geen zwaardere elementen meer bestaan? Houdt het periodieke systeem ooit op periodiek te zijn? De zwaarste elementen vertonen hier al tekenen van, vertelt scheikundige Cody Folden van Texas A&M University in de VS. Copernicium (112) staat nu bijvoorbeeld in de twaalfde kolom van de tabel, maar de chemische eigenschappen lijken beter op die van de elementen in kolom 18. Ook oganesson gedraagt zich mogelijk anders dan de rest van zijn kolom. Folden: „Maar omdat er nog maar enkele atomen van deze superzware elementen gemaakt zijn, kunnen we nog niets met zekerheid zeggen.”

Het periodiek systeem der elementen werd 150 jaar geleden opgesteld door de Rus Dmitri Mendelejev. Hij rangschikte de ruim zestig toen bekende elementen naar massa en chemische eigenschappen. In zijn tabel liet hij gaten open waar hij elementen verwachtte die nog niet waren ontdekt. Na verloop van tijd werden alle gaten gevuld tot en met uranium, de zwaarste van alle natuurlijke elementen.

De identiteit van een atoom wordt hoofdzakelijk bepaald door het aantal protonen in de kern, een getal dat wordt gevat door het atoomnummer. Element 92 (uranium) bevat 92 protonen en oganesson heeft er 118. Van een element kunnen meerdere varianten bestaan: de isotopen. Die hebben hetzelfde aantal protonen, maar verschillen in het aantal neutronen.

Om nieuwe elementen te maken moet je ingrijpen in het atoom zelf. Die bestaan uit een kleine, elektrisch positief geladen kern met daaromheen een wolk van negatief geladen elektronen. Dat een atoomkern überhaupt kan bestaan is bijzonder. Die is namelijk opgebouwd uit positieve protonen en elektrisch neutrale neutronen, en positieve ladingen stoten elkaar af – alsof je de noordpolen van twee magneten tegen elkaar probeert te duwen. Dat een atoomkern niet uit elkaar knalt is te danken aan de sterke kernkracht die protonen en neutronen naar elkaar toe trekt, zodra ze dicht genoeg bij elkaar komen.

Eigen elektronenwolk

Om nieuwe elementen te maken schieten onderzoekers bundels met lichte atoomkernen op een trefschijf met zwaardere elementen. Meestal zullen twee kernen die botsen uit elkaar spatten. Maar met een beetje geluk smelten ze samen tot een nieuwe, zwaardere kern. Om een element genoemd te worden moet de kern minimaal 10 biljardste van een seconde bestaan voor hij uit elkaar valt in kleinere atoomkernen. Zo lang heeft de kern nodig om elektronen uit de omgeving te verzamelen voor een eigen elektronenwolk.

Elementen smelten niet vanzelf samen. Om ze dicht genoeg bij elkaar te brengen wordt de bundel lichte elementen eerst in een deeltjesversneller versneld. De snelheid moet hoog genoeg zijn om de afstotende kracht te overwinnen, maar niet zo hoog dat de atoomkernen uit elkaar spatten als ze op elkaar knallen.

„Daarnaast moet je de atoomkernen zo kiezen dat de kans zo groot mogelijk is dat ze samensmelten”, zegt Folden. „Daarvoor heb je atoomkernen nodig met zoveel mogelijk neutronen. Neutronen stoten elkaar namelijk niet af waardoor de kans groter is dat de samengesmolten kern in tact blijft.”

Een bijzonder neutronrijk, stabiel en van nature voorkomend atoom is calcium-48 dat 20 protonen en 28 neutronen bevat. „Dit calciumisotoop is erg zeldzaam”, vertelt Alexander Karpov van het Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Rusland. „Je moet het zuiveren. Dat is een kostbaar proces dat op dit moment alleen in Rusland gebeurt.”

Lastig te maken

De vijf nieuwste elementen (114-118) zijn gemaakt door Amerikaanse en Russische onderzoekers door zware elementen met calcium-48 te beschieten. „De theorie is eenvoudig”, zegt Folden. „Calcium heeft atoomnummer 20. Als je element 118 wilt maken neem je element 118-20 = 98, californium. De protonen tellen simpelweg op.”

Illustratie Roland Blokhuizen

Maar de zoekstrategie lijkt uitgewerkt. „Van de jaren 90 tot 2006 werd er gemiddeld elke anderhalf jaar een nieuw element ontdekt”, vertelt scheikundige Cody Folden van Texas A&M University in de VS. „Sindsdien zitten we vast. Dat is niets nieuws. Zo gaat het sinds de eerste kunstmatig geproduceerde, zware elementen. Eerst wordt er een methode ontwikkeld waarmee in een paar jaar een aantal nieuwe elementen gevonden worden. Dan is die methode uitgeput en moeten we op zoek naar een nieuwe techniek.”

Om voorbij element 118 te raken, lijkt het logisch om element 99 (einsteinium) te beschieten met calcium-48 om element 119 te verkrijgen. Maar helaas. Zware elementen leven kort en zijn lastig om te maken. „Je hebt minimaal 10 milligram nodig voor een trefschijf”, zegt Karpov. „Wereldwijd is er maar een paar duizendste milligram einsteinium en nog minder van de zwaardere elementen.”

Afstotende kracht

De andere manier om hoger de atoomnummerladder op te klimmen is het atoomnummer van de versnelde bundel te verhogen. „Tot 2012 zochten we bij het Duitse GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt naar elementen 119 en 120 door een trefschijf te beschieten met titanium-50 dat 22 protonen en 28 neutronen bevat”, vertelt kernfysicus Michael Block van GSI. „We vonden helaas geen spoor van de nieuwe elementen.” Dat komt mogelijk doordat de verhouden neutronen en protonen ongunstiger is waardoor de afstotende kracht groter is en de kans op een succesvolle samensmelting kleiner.

Bij GSI wordt nu gebouwd, zodra dat afgerond is gaat het onderzoeken van de chemische en fysische eigenschappen van zware elementen en de zoektocht naar nieuwe elementen verder. „Een nieuw element ontdekken is leuk; je haalt er de krant mee”, zegt Block. „Maar we zijn ook geïnteresseerd in neutronrijke isotopen van bestaande elementen die veel langer kunnen bestaan dan de andere zware elementen.”

Het Eiland van Stabiliteit

Theoretici voorspellen dat er een gebied is met isotopen waarvan de verhouding en configuratie van neutronen en protonen zo goed is dat ze relatief stabiel zijn. Ze kunnen minuten, dagen of misschien wel honderden jaren bestaan voor ze uit elkaar vallen. Dit wordt het Eiland van Stabiliteit genoemd. „De precieze voorspellingen lopen uiteen”, vertelt Kouji Morimoto van het Japanse onderzoeksinstituut Riken. „Er zijn voorspellingen dat het eiland rond isotopen met 114 protonen en 184 neutronen ligt of bij 126 protonen en 184 neutronen.”

Met de deeltjesversneller bij Riken wordt op dit moment gezocht naar deze superstabiele elementen. Morimoto: „Daarnaast proberen we het nieuwe element 119 te produceren door vanadium [element 23] op curium [96] te schieten.”

Bij het Russische Joint Institute for Nuclear Research zitten ze ook niet stil. Daar is de afgelopen jaren de Superheavy Element Factory (SHE Factory) gebouwd. „In de herfst beginnen daarin de eerste experimenten”, vertelt Karpov. „De SHE Factory-deeltjesversneller zal bundels met een tien keer hogere intensiteit dan voorheen maken.” Dit betekent dat ze bijvoorbeeld tien oganessonatomen per maand kunnen maken in plaats van één. En de kans op het succesvol samensmelten van een nieuwe atoomkern wordt groter.

Exotische bubbelstructuur

In de jaren 60 voorspelden theoretici dat element 104 of 105 het zwaarst mogelijke element zou zijn. Met meer protonen zou de kern onvermijdelijk uit elkaar knallen. Dit bleek niet waar. „Nucleaire modellen toonden dat de kern een structuur kan hebben”, vertelt Michael Block. „Dankzij die interne structuur zijn ook zwaardere atoomkernen redelijk stabiel.” Extreem zware atoomkernen hebben mogelijk zelfs een exotische bubbelstructuur, vertelt Alexander Karpov. „De dichtheid van de kern is dan het hoogst aan de randen, wat een stabielere kern oplevert.”

Is er dan helemaal geen grens? „De limiet komt mogelijk van de elektronenwolk rondom de atoomkern”, vertelt Karpov. Hoe groter het atoom hoe sneller de elektronen moeten bewegen om in de wolk te blijven. Elektronen kunnen niet zonder gevolgen almaar sneller. Rond atoomnummer 174 gaat dit volgens de huidige inzichten mis. Tenzij de natuur hier een oplossing voor heeft, kan dit de bovengrens van elementen met een elektronenwolk zijn.

Maar de belangrijkste drijfveer voor de zware-elementenonderzoekers is nieuwsgierigheid. „Als scholier leerde ik over de productie van nieuwe elementen en dat vond ik het coolste wat ik ooit had gehoord”, vertelt Folden. „Nu geniet ik ervan dat ik de meest fundamentele vragen in de wetenschap kan onderzoeken.” „Ik vind het interessant om te onderzoeken hoe ver je kunt gaan”, zegt Karpov. „Voorbij bestaande grenzen willen gaan is een menselijke karaktereigenschap.”