One of the largest atomic nuclei known could lead to the discovery of elements that do not immediately decay
May 7, 2014 |By Clara Moskowitz
The linear accelerator at the GSI laboratory in Germany accelerated calcium ions to 10 percent the speed of light to create element 117.
© G. Otto, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research
Physicists have created one of the heaviest elements yet, an atom with 117 protons in its nucleus. This jumbo-sized atom sits on the outer reaches of the periodic table where bloated nuclei tend to become less and less stable. Element 117’s existence gives scientists hope, however, that they are getting closer to discovering a rumored “island of stability” where nuclei with so-called magic numbers of protons and neutrons become long-lived. Elements heavier than uranium (with 92 protons) are not usually found in nature, but they can be forced into existence in laboratories. The trouble is: the larger an atomic nucleus gets, the more its protons repel one another with their positive charges, making it, in general, less stable, or more radioactive. Element 117, for example, has a half-life of about 50 thousandths of a second, meaning that within that time about half of it will decay into a lighter element. A U.S.–Russian team first created element 117 in 2010 at the Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Russia. The element is still considered unofficial, and has not yet been formally accepted and added to the periodic table by the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). The new appearance of 117, in experiments by the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany, should help the element gain official recognition.
“In contrast to the first discovery, we are a different team at a different place using a different device,” says Christoph Düllmann, who led the GSI collaboration. “I think within the scientific community that will change the view on element 117 from an element that has been claimed to be observed to an element that is confirmed.”
To create 117, with the temporary periodic table placeholder name ununseptium, the researchers smashed calcium nuclei (with 20 protons apiece) into a target of berkelium (97 protons per atom). The experiment was so difficult in part because berkelium itself is tough to come by. “We had to team up with the only place on the planet where berkelium canbe produced and isolated in significant quantities,” Düllmann says.That place is the Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, which has anuclear reactor that can create the rare element with a half-life of 330 days. It took the facility about two years to build up a large enough stock of berkelium for the experiment; when about 13 milligrams had accumulated, Oak Ridge scientists shipped it off to Germany for the next stage of the project.
At GSI, researchers accelerated calcium ionsto 10 percent light-speed and sent them colliding into the berkelium. If a calcium and berkelium nucleus collided head-on, occasionally the twonuclei would stick together, fusing to form a new element with acombined total of 117 protons. “We get about one atom per week,” Düllmann says. The scientists did not observe element 117 directly. Instead, they searched for its daughter products after it radioactively decayed by emitting alpha particles—helium nuclei with two protons and two neutrons.
“The heavy nuclei makes an alpha decay to produce element 115, and this also decays by alpha decay,” says Jadambaa Khuyagbaatar of GSI, lead author of a paper reporting the results published May 1 in Physical Review Letters. After a few more steps in this decay chain, one of the nuclei produced is the isotope lawrencium 266—a nucleus with 103 protons and 163 neutrons that had never been seen before. Previously known isotopes of lawrencium have fewer neutrons, and are less stable. This novel species, however, has an astonishingly long half-life of 11 hours, making it one of the longest-lived superheavy isotopes known to date.
“Perhaps we areat the shore of the island of stability,” Düllmann says. No one knows for sure where this island lies, or even if it exists at all. Theory suggests that the next magic numbers beyond those known are around 108, 110 or 114 protons, and 184 neutrons. These configurations, according to calculations, could lead to special properties that allow atoms to survive much longer than similar species.
“All existing data for elements 116, 117 and 118 do confirm that lifetimes increase as one goes closer to the neutron number 184, says theorist Witold Nazarewicz of Oak Ridge, who was not involved in the study. “This is encouraging.” Superheavy magic nuclei may turn out to have interesting shapes that confer stability, such as a so-called bubble configuration with a hole in the middle. “These have never been discovered yet, but the region that is being explored now is really on the edge of bubble territory,” Nazarewicz says.
If an island of stability does exist, there is no limit to how long its nuclei may last. They could turn out to be stable enough to be found in nature, albeit in such small quantities that we have not seen them yet.Numerous searches are on for evidence of these superheavy species already in existence, perhaps having formed through powerful cosmic events such as the merging of two neutron stars. Although none have been found so far, scientists are holding out hope that evidence for the island of stability is just around the corner, one way or another.
2012-07-13, Hoeveel verschillende atomen? 4
We hebben in devorige afleveringen iets verteld over atoomsoorten, vaak elementen genoemd, over hun voorkomen in de natuur en over de wijze waarop ze zijn gevormd. Een van de vragen die de gemoederen nog steeds bezighoudt is de vraag of de 92 elementenuit het klassieke Periodiek Systeem het hele verhaal vertellen of dat er nog andere, zwaardere, elementen bestaan. Of kunnen bestaan.
De reeks elementen uit het klassieke Periodiek Systeem begint met waterstof en eindigt met uranium. Het onderscheid zit allereerst in de kernlading, het aantal protonen in de kern. Behalve protonen zitten er ook neutronen in de kern. Gegeven het aantal protonen kun je nog een beetje spelen met het aantal neutronen. We zeggen dan dat er van een element een aantal isotopen bestaat. Voor een stabiele atoomkern moeten de aantallen protonen en neutronen bij elkaar passen. Zo heeft chloor met 17 protonen twee stabiele isotopen. Een met 18 neutronen en een met 20 neutronen in de kern. Dan is er nog een isotoop met 19 neutronen dat instabiel is.Het vervalt gemiddeld na ongeveer 350.000 jaar doordat een neutron overgaat in een proton (onder uitzending van een elektron) waardoor de chloorkern overgaat in een kern van het element argon dat 18 protonen telt. Er zijn allerlei andere isotopen van chloor met nog andere aantallen neutronen. Maar deze kernen zijn zeer instabiel en leven maar heel kort (van minuten tot fracties van seconden). Ze komen in de natuur dan ook niet voor, maar kunnen wel in het laboratorium worden geproduceerd. Wie hier alles van wil weten, moet hier klikken. Via het Periodiek Systeem krijg je van alle elementen een overzicht van de bekende stabiele en instabiele isotopen, ook wel radioactieve isotopen genoemd.
Hiervoor is al terloops aangegeven dat de kernfysici tegenwoordig in het laboratorium kunnen knutselen met isotopen. Door kernen te bestralen met bijvoorbeeld neutronen of andere kernen. Op deze manier blijkt het mogelijk om nieuwe atoomsoorten te creëren die niet in de natuur, in ieder geval niet op aarde voorkomen. Elementen die in het Periodiek Systeem voorbij uranium liggen. Daarom worden ze ook wel transuranen genoemd. Geen van deze ‘nieuwe elementen’ is stabiel. De eerste transuraan was neptunium. Het werd in 1940 geproduceerd en geïdentificeerd. Sindsdien zijn we gevorderd tot nummer 118, waarbij zij opgemerkt dat 117 pas in 2011 werd geïdentificeerd.
Als we alle nu bekende isotopen van deze 118 elementen optellen komen we aan ongeveer 3000 isotopen, waarvan 288 stabiel. De meeste dus instabiel tot zeer instabiel. De vraag is of er een grens is aan dit aantal. Met andere woorden, zou het kunnen zijn dat het onmogelijk is de omvang van de kern onbeperkt groter te maken. Welnu, daar lijkt het inderdaad sterk op. In een recent artikel in Nature (28 juni 2012) is deze vraag beantwoord. Antwoord: kernen met meer dan 6900 (plus of min 500) kerndeeltjes lijken niet te kunnen bestaan. Hoeveel nieuwe elementen daarbij horen durven de auteurs niet te zeggen. Intussen gaat het zoeken naar nieuwe elementen door. Belangrijke drijfveer is het theoretische vermoeden dat er voorbij atoomnummer 126 een groep isotopen zou kunnen bestaan met een relatief grote stabiliteit: het Eiland van Stabiliteit.
Bronnen:
Over transuranen en het eiland van stabiliteit (niet helemaal up-to-date maar wel leuk en interessant)
Over isopen
Over de schatting van het maximale aantal atoomsoorten
2012-07-13, Hoeveel verschillende atomen? Aflevering 3.
In deze aflevering kijken we naar het voorkomen en de vorming van de atoomsooorten in de natuur.
In de vorige twee ‘praatjes’ hebben we iets gezegd over atomen, atoomkernen en over de verschillen tussen atomen. Het onderzoek aan de verschillen tussen atomen was aanvankelijk een zaak van chemici. De chemische eigenschappen van atomen zijn bepalend voor de wijze waarop ze met elkaar of met atomen van een andere soort reageren. De wisselwerking en binding tussen atomen wordt vrijwel volledig bepaald door de buitenste regionen van de elektronenwolk die rond de atoomkern aanwezig is. Maar de omvang en structuur van die elektronenwolk wordt op zijn beurt in eerste instantie bepaald door het aantal positief geladen protonen in de kern. Het is dus de kernlading die de atoomsoort bepaalt.
De atoomsoort met de kleinste kernlading is waterstof met 1 proton in de kern (en dus ook 1elektron in de ‘elektronenwolk’. De grootste kernlading die op aarde ind e natuur voorkomt heeft het uraniumatoom met 92 protonen. Nadat in de loop van de tijd steeds meer elementen werden ontdekt en qua chemische eigenschappen gekarakteriseerd, ontdekte men dat de elementen gegroepeerd konden worden in groepen met vergelijkbare chemische eigenschappen. Zo ontdekte men een hele verzameling zogenoemde edelgassen die met elkaar gemeen hebben dat ze nauwelijks of niet chemisch actief zijn. De reeks begint met helium (2) en eindigt bijradon (86).
De Russische onderzoeker Dmitri Mendelejev publiceerde in1869 een periodieke tabel waarin de elementen niet alleen op atoommassa maar ook op eigenschappen waren gerangschikt. Onafhankelijk van Mendelejev kwam de Duitser Lothar Meyer tegelijkertijd met een vergelijkbaar schema. Het schema staat nu bekend als het Periodiek Systeem.
Er komen op aarde 92 atoomsoorten voor, of beter 90 omdat er twee ontbreken in de lijst: technetium (43) en promethium (61) zijn zeer instabiel. De volgende acht elementen komen op aarde verreweg het meeste voor: ijzer (35%), zuurstof (29%), silicium (15%), magnesium (13%), nikkel (2,5%), zwavel (2,0%), calcium (1,2%), aluminium (1,1%), samen goed voor 98,8% van de aardmassa. De andere tachtig zijn zeldzaam tot zeer zeldzaam.
Het menselijk lichaam bestaat voor een groot deel uit water. Logisch dat waterstof en zuurstof relatief veel voorkomen. Daarnaast elementen als koolstof, stikstof, calcium, fosfor, kalium, zwavel, natrium en chloor. Opmerkelijk genoeg zitten er daarnaast nog zo’n vijftig andere elementen in ons lijf. In kleine tot zeer kleine hoeveelheden. Maar veel toch met een belangrijke functie, zoals ijzer dat de kern van het haemoglobine-eiwit vormt. In het heelal als geheel domineren de lichtste elementen, waterstof en helium. Zij maken naar schatting 98% uit van alle atomen die in het heelal voorkomen.
Protonen zijn dus de sleutel van ons verhaal. Maar hoe krijg je meer dan 1 positief geladen proton in een kern? Die deeltjes stoten elkaar immers af. Het kan toch omdat er naast de afstotende elektrische kracht nog een tweede, aantrekkende kracht blijkt te bestaan: de sterke kernkracht. Die kracht laat zich pas gelden als de kerndeeltjes heel dicht bij elkaar komen. Deze nieuwe kracht is in feite een soort ‘restfenomeen’ van de wisselwerking tussen zogenoemde quarks, de deeltjes waaruit het proton en ook het neutron zijn opgebouwd.
Behalve deze sterke kernkracht is het de aanwezigheid van neutronen in de kern die samen met de protonen voor een bouwwerk zorgt dat gedurende langere tijd, of voor onbeperkte tijd, in tact blijft. Gegeven de atoomsoort, dus het aantal protonen in de kern, zijn er meestal een paar mogelijkheden voor het aantal neutronen dat samen met de protonen tot een stabiele kern leidt. Zo heeft chloor 17 protonen in de kern. Er zijn twee stabiele kernen, ofwel isotopen van chloor bekend. Een met 17 protonen en 18 neutronen en een met nog twee protonen meer. Er is ook een isotoop met 19 neutronen bekend, maar deze kern is niet volkomen stabiel.
Zo geldt voor alle atoomsoorten dat er verschillende isotopen bestaan, afhankelijk van het aantal neutronen in de kern. Dit aantal moet passen bij het aantal protonen wil de kern stabiel zijn. Een neutron meer of minder levert dan vaak een isotoop op die na een bepaalde tijd een verandering ondergaat richting een meer stabiele kern. Naarmate het aantal neutronen meer afwijkt van het ideale aantal, zal deze transformatie in het algemeen sneller optreden. Het isotoop is dan dus minder stabiel. Voorbij nummer 82 dat hoort bij lood, komen geen stabiele isotopen meer voor.
De vraag die we nu eerst willen verkennen is: waar komen al die elementen,al die atoomsoorten, vandaan? Het is bekend dat er kort na de Big Bang alleen kernen met 1 (waterstof), 2 (helium) en 3 (lithium) protonen voorkwamen. De eerste twee kwamen (en komen in het heelal) verreweg het meeste voor. Zij werden gevormd direct na de eerste ‘afkoeling’ van het superhete, jonge heelal. Drie minuten na de Big Bang lag de verhouding van het aantal atoomkernen waterstof/helium voor zeer lange tijd vast:75% resp. 25% . Waterstofkernen zijn niet anders dan losse protonen. Die waren er al eerder. Vervolgens fuseerden protonen en neutronen. Dat waren dus waterstofkernen met een extra neutron, ofwel zware waterstof, ofwel deuterium. Twee deuteriumkernen konden vervolgens samensmelten (kernfusie) tot een heliumkern (2 protonen, 2 neutronen). En daarmee hield de vorming van zware kernen min of meer op. Voor de vorming van de overige 90 elementen heb je sterren nodig. Sterren als de kosmische ovens van de natuur.
De vorming van atoomkernen in de natuur noemt men nucleosynthese. In de superhete kerncentrales van ‘gewone sterren’ worden nieuwe elementen gevormd door fusieprocessen waarbij waterstof en helium de basis vormen. Daaruit worden zwaardere elementen gevormd die in bepaalde fases van een sterrenleven de ruimte in worden geblazen om later als grondstof te dienen voor tweede- of derde-generatie-sterren waarin nieuwe fusieprocessen nog zwaardere elementen opleveren. Dit gaat door tot het element ijzer (26 protonen, 30 neutronen). Nog zwaardere elementen worden gevormd door een ander mechanisme: neutroneninvangst die vooral optreedt tijdens supernova-explosies. De zware kernen ontvangen een neutron, waarna een van de neutronen, onder uitzending van een elektron, overgaat in een proton. De kernlading is dan dus met 1 toegenomen. En zo komen stap voor stap de zware elementen tot stand.
