Kjemilærere måtte nylig oppdatere klasseromsdekoren sin, med kunngjøringen om at forskere har bekreftet oppdagelsen av fire nye elementer på det periodiske bordet. De ennå ikke navngitte elementene 113, 115, 117 og 118 fylte ut de gjenværende hullene i bunnen av det berømte diagrammet - et veikart for materiens byggesteiner som med suksess har ledet kjemikere i nesten halvannet århundre.
Relatert innhold
- De fire nyeste elementene har nå navn
- Fire nye elementer er lagt til i det periodiske systemet
- Fiskesperm kan være hemmeligheten bak resirkulering av sjeldne jordelementer
Den offisielle bekreftelsen, gitt av International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), var mange år i ferd med å gjøre, da disse superheavy elementene er svært ustabile og tøffe å lage. Men forskere hadde sterk grunn til å tro at de eksisterte, delvis fordi det periodiske systemet har vært bemerkelsesverdig konsistent så langt. Forsøk på å trylle frem elementene 119 og 120, som ville starte en ny rad, er allerede i gang.
Men nøyaktig hvor mange flere elementer som er der ute, er fortsatt et av kjemiens mest vedvarende mysterier, spesielt ettersom vår moderne forståelse av fysikk har avslørt anomalier, selv hos de etablerte aktørene.
"Sprekker begynner å vises i det periodiske systemet, " sier Walter Loveland, en kjemiker ved Oregon State University.
Den moderne inkarnasjonen av det periodiske systemet organiserer elementer etter rader basert på atomnummer - antall protoner i et atomkjerne - og etter kolonner basert på banene til deres ytterste elektroner, som igjen vanligvis dikterer deres personligheter. Myke metaller som har en tendens til å reagere kraftig med andre, som litium og kalium, lever i en kolonne. Ikke-metalliske reaktive elementer, som fluor og jod, bebor et annet.
Den franske geologen Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois var den første personen som anerkjente at elementer kunne grupperes i tilbakevendende mønstre. Han viste elementene kjent i 1862, ordnet etter deres vekter, som en spiral pakket rundt en sylinder ( se illustrasjonen nedenfor ). Elementer vertikalt på linje med hverandre på denne sylinderen hadde lignende egenskaper.
Men det var organisasjonsordningen som ble opprettet av Dmitri Mendeleev, en hett russer som hevdet å ha sett grupperinger av elementer i en drøm, som sto testen for tiden. Hans periodiske tabell fra 1871 var ikke perfekt; den forutså for eksempel åtte elementer som ikke eksisterer. Imidlertid forutslo det også riktig gallium (nå brukt i lasere), germanium (nå brukt i transistorer) og andre stadig tyngre elementer.
Mendeleevs periodiske tabell godtok lett en helt ny kolonne for de edle gassene, for eksempel helium, som hadde unnlatt deteksjon frem til slutten av 1800-tallet på grunn av deres interesse for å ikke reagere med andre elementer.
Den moderne periodiske tabellen har vært mer eller mindre i samsvar med kvantefysikken, introdusert på 1900-tallet for å forklare oppførselen til subatomiske partikler som protoner og elektron. I tillegg har grupperingene stort sett holdt som tyngre elementer er bekreftet. Bohrium, navnet som ble gitt til element 107 etter oppdagelsen i 1981, passer så pent med de andre såkalte overgangsmetallene som omgir det, en av forskerne som oppdaget det utropte “bohrium is boring.”
Men interessante tider kan ligge foran oss.
Et åpent spørsmål angår lantan og aktinium, som har mindre til felles med de andre medlemmene i deres respektive grupper enn lutetium og lawrencium. IUPAC utnevnte nylig en arbeidsgruppe som skulle undersøke denne saken. Til og med helium, element 2, er ikke grei - det finnes en alternativ versjon av det periodiske systemet som plasserer helium med beryllium og magnesium i stedet for naboene til edel gass, basert på arrangementene til alle elektronene i stedet for bare de ytterste.
"Det er problemer i begynnelsen, midten og slutten av det periodiske systemet, " sier Eric Scerri, historiker i kjemi-avdelingen ved University of California, Los Angeles.
Einsteins spesielle relativitetsteori, publisert flere tiår etter Mendeleevs bord, introduserte også noen chinks i systemet. Relativiteten tilsier at massen til en partikkel øker med sin hastighet. Det kan føre til at de negativt ladede elektronene som kretser rundt den positivt ladede kjernen i et atom, oppfører seg underlig, noe som påvirker egenskapene til et element.
Tenk gull: Kjernen er fullpakket med 79 positive protoner, så for å forhindre at de faller innover, må gulls elektroner suse rundt med mer enn halvparten av lysets hastighet. Det gjør dem mer massive og trekker dem inn i en tettere bane med lavere energi. I denne konfigurasjonen absorberer elektronene blått lys i stedet for å reflektere det, og gir bryllupsbånd det særegne lyset.
Den beryktede bongospillende fysikeren Richard Feynman sies å ha påkalt relativitet for å forutsi slutten av det periodiske bordet ved element 137. For Feynman var 137 et "magisk tall" - det hadde dukket opp uten åpenbar grunn andre steder i fysikken. Hans beregninger viste at elektroner i elementer utover 137 ville måtte bevege seg raskere enn lysets hastighet, og dermed bryte relativitetsreglene, for å unngå å krasje inn i kjernen.
Nyere beregninger har siden velte den grensen. Feynman behandlet kjernen som et enkelt punkt. La det være en ball med partikler, og elementene kan fortsette til omtrent 173. Da løsner alt helvete. Atomer utenfor denne grensen kan eksistere, men bare som rare skapninger som er i stand til å tilkalle elektroner fra tomt rom.
Relativitet er ikke det eneste problemet. Positivt ladede protoner frastøter hverandre, så jo mer du pakker inn i en kjerne, jo mindre stabil har det en tendens til å være. Uran, med et atomnummer på 92, er det siste elementet stabilt nok til å forekomme naturlig på jorden. Hvert element utenfor det har en kjerne som faller fra hverandre raskt, og deres halveringstid - tiden det tar for halvparten av materialet å forfalle - kan være minutter, sekunder eller til og med splittede sekunder.
Tyngre, ustabile elementer kan eksistere andre steder i universet, som inne i tette nøytronstjerner, men forskere kan studere dem her bare ved å slå sammen lettere atomer for å gjøre tyngre og deretter sile gjennom forfallskjeden.
"Vi vet egentlig ikke hva som er det tyngste elementet som kan eksistere, " sier atomfysiker Witold Nazarewicz fra Michigan State University.
Teorien spår at det vil være et punkt der laboratoriefremkalte kjerner ikke vil leve lenge nok til å danne et skikkelig atom. En radioaktiv kjerne som faller fra hverandre på mindre enn ti billioner sekund, ville ikke ha tid til å samle elektroner rundt seg selv og lage et nytt element.
Fortsatt forventer mange forskere øyer med stabilitet til å eksistere lenger nede på veien, der superheavy elementer har relativt langlivede kjerner. Lading av visse superheavy atomer med mange ekstra nøytroner kan gi stabilitet ved å forhindre at de protonrike kjerner deformeres. Element 114, for eksempel, forventes å ha et magisk stabilt antall nøytroner ved 184. Elementene 120 og 126 er også spådd å ha potensialet til å være mer holdbare.
Men noen påstander om superheavy stabilitet har allerede falt fra hverandre. På slutten av 1960-tallet foreslo kjemikeren Edward Anders at xenon i en meteoritt som falt på meksikansk jord hadde kommet fra sammenbruddet av et mysteriumelement mellom 112 og 119 som ville være stabilt nok til å oppstå i naturen. Etter å ha brukt år på å begrense søket, trakk han til slutt tilbake sin hypotese på 1980-tallet.
Det er ikke lett å forutsi tunge elementers potensielle stabilitet. Beregningene, som krever enorm datakraft, har ikke blitt gjort for mange av de kjente aktørene. Og selv når de har det, er dette veldig nytt territorium for kjernefysikk, der selv små endringer i innspillene kan ha store innvirkninger på de forventede resultatene.
En ting er sikkert: Å gjøre hvert nytt element vil bli vanskeligere, ikke bare fordi kortere levende atomer er vanskeligere å oppdage, men fordi det å lage superheavier kan kreve atomer som er radioaktive. Enten det er slutt på periodiske tabeller eller ikke, kan det være slutt på vår evne til å skape nye.
"Jeg tror vi er langt unna slutten av det periodiske systemet, " sier Scerri. "Den begrensende faktoren akkurat nå ser ut til å være menneskelig oppfinnsomhet."
Redaktørens merknad: Witold Nazarewiczs tilknytning er korrigert.
Periodisk tabell Anbefalt leseliste
En fortelling om syv elementer
KjøpeEn autoritativ beretning om den tidlige historien til den periodiske tabellen finner du i Eric Scerris A Tale of Seven Elements, som tar et dypt dykk i kontroversene rundt funnene av syv elementer.
Den periodiske tabellen
KjøpeLesere med interesse for Holocaust bør hente en kopi av Primo Levis bevegelige memoar, The Periodic Table. For en overbevisende selvbiografi som bruker det periodiske systemet for å ramme opp livet til en av verdens mest elskede nevrologer, kan du se Oliver Sacks ' New York Times' oppdatert "My Periodic Table ."
Den forsvinnende skjeen: Og andre sanne historier om galskap, kjærlighet og verdenshistorien fra det periodiske elementet
KjøpeSam Kean tar leserne sine med på en livlig og kaotisk løp gjennom elementene i The Disappearing Spoon.
The Lost Elements: The Periodic Table's Shadow Side
KjøpeVitenskapens entusiaster som er interessert i innside-baseball bak elementer som aldri har gjort det til det periodiske systemet, kan sjekke ut de velutforskede The Lost Elements av Marco Fontani, Mariagrazia Costa og Mary Virginia Orna.
