Ar periodinė elementų sistema turi pabaigą?

Artėjant periodinės cheminių elementų lentelės suformulavimo 150-osioms metinėms, Mičigano valstijos universiteto profesorius naujausiame Nature Physics Perspective numeryje nagrinėja lentelės ribas.

Kitais metais sukaks 150 metų, kai Dimtrijus Mendelejevas suformulavo periodinės elementų sistemos principus. Tad, Jungtinės Tautos paskelbė 2019-uosius Tarptautiniais periodinės cheminių elementų lentelės metais ( IYPT 2019 ). Nors ir sulaukusi garbingo 150 metų amžiaus, lentelė tebeauga. 2016 metais į ją buvo įrašyti keturi nauji elementai: nihonis, moskovis, tenesinas, ir oganesonas. Jų atominiai skaičiai — apibrėžiantys protonų skaičių branduolyje, chemines savybes ir vietą periodinėje elementų lentelėje — atitinkamai yra 113, 115, 117, ir 118.

Šių keturių elementų patvirtinimui prireikė dešimtmečių darbo ir viso pasaulio mokslininkų pastangų. Ir mokslininkai kelia klausimą: kiek dar lentelė gali plėstis? Kai kuriuos atsakymus naujausiame Nature Physics Perspective pateikia Witek Nazarewicz, MSU fizikos profesorius ir Retųjų izotopų spindulių įrenginio vyr. mokslo darbuotojas.

Visi elementai, kurių branduolyje yra daugiau nei 104 protonai, vadinami „supersunkiais“, ir priklauso plačiai, visiškai neištirtai sričiai, kurią mokslininkai stengiasi perprasti. Teoriškai, branduolius galėtų sudaryti 184 protonai su daugybe neutronų. Spėjama, kad fiziškai gali egzistuoti atomai, kurių branduolyje yra 172 branduolinių sąveikų laikomi protonai. Ši jėga neleidžia jiems suirti, tačiau tik sekundės dalis.

Šie laboratorijose išgauti branduoliai itin nestabilūs, ir vos susiformavę, spontaniškai suyra. Sunkesniems, nei oganesonas elementams, tai gali nutikti taip greitai, kad jie nespės pritraukti elektronų ir suformuoti atomą. Visą savo neilgą gyvavimą jie praleis kaip protonų ir neutronų sankaupa.

O jei taip, mokslininkams tektų peržiūrėti patį „atomų“ supratimą ir apibrėžimą. Jie nebegalėtų būti apibrėžiami kaip centre esantis branduolys su aplink jį skriejančiais elektronais, kaip kad planetos skrieja aplink Saulę.

Jei kai kurie supersunkieji branduoliai būtų pakankamai stabilūs, kad spėtų prisitraukti elektronus, jų savybės gali būti keistos. Vienoje vietoje susikaupę protonai sukelia stiprią elektrostatinę jėgą, kuri gali ne tik apsunkinti elektronų kelionę į savo orbitas, bet ir sukuria vadinamuosius Kulono trikdžius.

Paprastai atomo paviršiaus energijos pakanka daugmaž sferiškos formos sudarymui. Tačiau Kulono trikdžiams išaugus pakankamai, branduoliuose susiformuoja jų stabilumui grasinantys pūpsniai ir tuštumos

Dėl tokiuose sunkiuose branduoliuose pasireiškiančio kvantinių ir reliatyvistinių efektų mišinio, darosi sunku numatyti tokių supersunkių branduolių savybes. Pavyzdžiui, sprendžiant formaliai, jis priklauso inertinių dujų grupei. Tačiau dėl išskydusio išorinių elektronų sluoksnio jis aktyvesnis už inertines dujas, o dėl savo stambumo, kambario temperatūroje jis vargu ar būtų dujos.

O ar tokie branduoliai iš viso gali susiformuoti, tebelieka paslaptis.

Mokslininkai lėtai, bet užtikrintai slenka į šį regoną, vieną po kito sintezuodami elementus, nežinodami, kokie jie bus, ir kur yra to galas.119 elemento paieškos vyksta keliose laboratorijose, iš kurių svarbiausios yra Jungtinis branduolinių tyrimų institutas Rusijoje, GSI Vokietijoje, ir RIKEN Japonijoje.

„Branduolių teorija negali patikimai aprašyti, kokios yra optimalios jų sintezavimo sąlygos, tad, belieka spėlioti ir vykdyti sintezės eksperimentus, kol kas nors randama. Tai gali trukti ne vienus metus,“ sakė Nazarewiczius.

Nors naujajame MSU Facility for Rare Isotope Beams įrenginyje – bent jau dabartinio dizaino – šių supersunkių elementų kurti nesirengiama, jis gali padėti išsiaiškinti, kokios reakcijos turėtų būti naudojamos, taip praplečiant dabartinių eksperimentinių metodų ribas. Jei 119 elementas bus patvirtintas, jis prie lentelę papildys aštuntuoju periodu. Tai aprašyta Mary Soon Lee sukurtu Elementiniu haiku: Ar uždanga kils?/Aštuntasis aktas bus?/Dėmesio sulauks?

Nazarewiczius sakė, kad atradimas gal būti jau ne už kalnų: „Greitai. Galbūt dabar ar po dviejų trijų metų. Nežinome. Eksperimentai vyksta.

Lieka ir kitas jaudinamas klausimas. Ar supersunkieji elementai gali būti susidaryti kosmose? Manoma, kad jie galėtų susidaryti iš elementų, tik sunkesnių. Tik problema, kad šie sunkūs branduoliai yra tokie nestabilūs, kad suyra daug anksčiau, nei spėja prisijungti daugiau neutronų ir suformuoti supersunkiuosius branduolius. Tai apsunkina jų formavimąsi žvaigždėse. Tikimasi, kad naudodami pažangias simuliacijas, mokslininkai sugebės „išvysti“ šiuos efemeriškuosius branduolius, atsekdami juos pagal sintezuojamus elementus.

Eksperimentų galimybėms augant, mokslininkai sieks šiais sunkesniais elementais papildyti pertvarkytą lentelę. O kol kas jie gali tik spėlioti šių egzotiškų sistemų nuostabias pritaikymo galimybes.

„Nežinome, kaip jie atrodys ir tai pagrindinis iššūkis“, pažymėjo Nazarewiczius. „Bet tai, ką iki šiol sužinojome, gali reikšti mums pažįstamos periodinės lentelės pabaigą.“

▲