De recent ontdekte chemische elementen 113, 115, 117 en 118 kregen een naam.
De Internationale Unie voor Zuivere en Toegepaste Scheikunde (IUPAC) heeft namen voorgesteld voor de elementen 113, 115, 117 en 118 in de Tabel van Mendelejev: nihonium, moscovium, tennessine en oganesson. Chemicus Pieter Thyssen schreef bij de bevestiging van de elementen eerder dit jaar al in Eos over de vier nieuwe zwaargewichten en wat hun ontdekking betekent voor de Tabel..
Ieder van ons is uniek. We onderscheiden ons van elkaar op basis van onze DNA-code, de genetische blauwdruk van het leven. Ook de chemische elementen onderscheiden zich van elkaar, maar dan op basis van het unieke aantal protonen in hun kern. Dat aantal wordt ook wel het atoomnummer genoemd. Waterstof met atoomnummer 1 is het eerste en ook het lichtste element in de tabel. De nieuw ontdekte elementen, daarentegen, zijn heuse zwaargewichten. Met 113, 115, 117 en 118 protonen in de kern bevinden deze elementen zich aan het andere uiterste van de tabel.
Protonen, herinner je, zijn positief geladen deeltjes, en positieve ladingen stoten elkaar af. Doordat de protonen als sardienen bij elkaar gepakt zitten in de kern, nemen de onderlinge afstotingskrachten enorm toe. Gelukkig wordt deze explosieve cocktail verdund met neutraal geladen neutronen, die als secondelijm de protonen bij elkaar houden.
Maar bij de echte zware jongens haalt dat nog maar weinig uit. Ze zijn dan ook van bij hun geboorte ten dode opgeschreven. In minder dan een fractie van een seconde vallen ze alweer uiteen in kleinere, stabielere fragmenten. Ze zijn, met andere woorden, uiterst radioactief. De halfwaardetijd van element 118 bedraagt bijvoorbeeld minder dan een milliseconde!
Vakjes opvullen
Het nieuws over de ontdekking verspreidde zich als een lopend vuurtje. Eén journaliste merkte op dat de zevende periode (de zevende rij in de tabel) nu volledig was gevuld en dat de tabel na meer dan anderhalve eeuw eindelijk compleet was. Nonsens!, dacht ik. Er is heus nog wel ruimte voor uitbreiding.
Toegegeven, toen Dmitrii Ivanovich Mendelejev de tabel in 1869 uittekende, liet hij bewust een paar vakjes open, en maakte hij de gedurfde voorspelling dat ze nog opgevuld zouden worden met nieuwe elementen. Mendelejev had gelijk, en met de vier nieuwste elementen zijn alle gaten voor de eerste keer volledig verdwenen.
De vraag is echter hoe lang de tabel nog kan blijven groeien, en of er ooit een einde komt aan dit (gevaarlijke) spelletje. Sommige kernfysici voorspellen dat we nooit verder zullen geraken dan element 137. Anderen plaatsen de ultieme grens rond element 172 of 173.
De afgelopen jaren zijn er meer en meer scheurtjes verschenen in het periodiek systeem. Wat voor de meesten een vaststaand gegeven is, lijkt hoe langer hoe meer op wankele poten te staan. De periodieke wet is mogelijk in gevaar. Zou de tabel hier ooit zelf aan ten onder gaan? Ik huiverde bij de gedachte!
Botsautootjes
Door hun radioactieve karakter komen de transuranen, chemische elementen met een atoomnummer groter dan 92, niet langer voor in de natuur. Ze worden dus niet met helm en pikhouweel ontdekt, maar kunstmatig aangemaakt in deeltjesversnellers door ‘botsautootjes’ te spelen met atoomkernen. Ook de elementen 113, 115, 117 en 118 zijn honderd procent synthetisch.
Klinkt eenvoudig, maar dat is het niet. Je moet eerst een lichtere kern versnellen tot een paar miljoen kilometer per uur, om die vervolgens tegen een zwaardere kern te knallen, in de hoop dat de twee kernen versmelten en een nieuw element vormen – een proces dat ook wel fusie wordt genoemd.
Is de snelheid of de oriëntatie niet perfect, dan spatten de kernen uiteen. Slechts één in de zoveel biljoen botsingen leidt tot fusie. Bovendien is de rechtstreekse detectie van deze elementen vaak onmogelijk omdat ze in een oogwenk weer weg zijn. De detectie gebeurt daarom onrechtstreeks door het radioactieve verval en de daarin gevormde vervalproducten te monitoren met gesofisticeerde detectors.
Element 113 was voor het eerst ‘te zien’ in 2004. Toen bombardeerde het Japanse onderzoeksteam RIKEN, onder leiding van Kosuke Morita, een laagje bismut met zinkionen. Bismut heeft atoomnummer 83, zink heeft nummer 30. Als hun kernen fuseren, krijg je dus een element met 113 protonen in de kern. Element 113 is trouwens het eerste element dat in Azië werd ontdekt – volgens Ryoji Noyori, voormalig directeur van RIKEN, een ontdekking ‘van grotere waarde dan een gouden medaille op de Olympische Spelen’.
De andere drie elementen werden op soortgelijke wijze geproduceerd, maar hun ontdekking staat op naam van het Joint Institute for Nuclear Research in Dubna (Rusland), het Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore (Californië, VS) en het Oak Ridge National Laboratory in Oak Ridge (Tennessee, VS).
De moeilijkheid van dergelijke ondernemingen tart werkelijk de verbeelding: zo moest een straal calciumatomen vier maanden lang op een californium doelwit worden afgevuurd om een pietluttige vier atomen van element 118 te vormen, die trouwens na 0,89 milliseconden alweer het leven lieten.
Koers naar Atlantis
‘Maar wat zijn we hiermee?’, vroeg een vriend me in onze favoriete koffiebar. ‘Vier maanden voor vier atomen die samen nog geen seconde bestaan, is dat geen zonde van alle overheidsgeld?’ Ik verslikte me in mijn koffie. ‘Natuurlijk niet!’, antwoordde ik spontaan. ‘Het leert ons enorm veel bij over de bouw van atoomkernen. Bovendien zijn we met elk nieuw element alweer een stapje dichter bij Atlantis.’ Mijn vriend keek bedenkelijk: ‘Atlantis?’
De Amerikaanse kernfysicus Glenn Seaborg voorspelde als eerste het bestaan van dit fabelachtige eiland. Voor de chemie is dit een eiland van stabiliteit, even voorbij de zee van instabiliteit waarin we ons nu bevinden. Als we maar ver genoeg varen, zo dacht Seaborg, komen we wel opnieuw elementen tegen die stabiel zijn.
Herinner je dat de elektronen in een atoom gerangschikt zijn over elektronenschillen, en dat de elementen met volledig gevulde elektronenschillen (de zogenoemde edelgassen, uiterst rechts in de tabel) beduidend stabieler zijn (lees: chemisch inert). Welnu, Seaborg dacht dat hetzelfde ook gold voor kernen waarvan de protonen- en neutronenschillen volledig gevuld zijn met een ‘magisch’ aantal protonen en neutronen. Wie koers wil zetten naar Atlantis, moet dus achterhalen wat deze magische getallen zijn. Sommige kernfysici verwachten het mythische eiland al rond element 120. Anderen claimen dat Atlantis pas zal opduiken rond element 126.
Hoeveel stabieler de elementen zullen zijn, weet niemand. Terwijl de meesten op halfwaardetijden van enkele minuten of hooguit een paar uren gokken, hopen de optimisten op miljoenen jaren. Eén ding is zeker: de elementen van dit terra incognita zullen unieke eigenschappen vertonen die geen sterveling ooit heeft gezien, met mogelijk interessante toepassingen in, bijvoorbeeld, de geneeskunde.
Scheurtjes in de tabel
Maar terug naar de tabel en de scheurtjes waar ik het over had. Niet alles is immers rozengeur en maneschijn. Hoe verder we in het koninkrijk der elementen doordringen, hoe meer de toekomst van onze tabel in het gedrang lijkt te komen. Als je alle elementen volgens toenemend atoomnummer ordent, dan valt het op dat bepaalde chemische en fysische eigenschappen periodiek terugkeren. De elementen vallen hierdoor in groepen uiteen, en Mendelejevs tabel is eigenlijk niets anders dan de belichaming van deze periodieke wet.
Het probleem is dat de nieuwste elementen zich niet gedragen zoals het moet: hun eigenschappen komen niet overeen met die van hun broertjes en zusjes in dezelfde kolom. Als je iemand daar de schuld wil geven, dan is het wel Einstein. Hoe meer protonen in de kern, hoe groter de aantrekkingskracht op de elektronenwolk. Elektronen moeten daarom met formidabele snelheden rond de kern cirkelen willen ze er niet op instorten. Bij de superzware elementen komen deze snelheden in de buurt van de lichtsnelheid en steken relativistische effecten de kop op. Deze effecten zijn verantwoordelijk voor het falen van de periodieke wet. Neem nu element 118. Doordat het zich net onder radon bevindt, zou het zich als een edelgas moeten gedragen. En toch lijkt het meer op een metaal. Dit zal alleen maar erger worden naarmate we verder opklimmen in de tabel. De tabel zal dus meer en meer aan verklarende kracht verliezen.
Met de intrede van de vier nieuwe elementen is me één ding opnieuw duidelijk geworden. Mendelejevs tabel is geen onveranderlijk gegeven. Integendeel! Met elk nieuw element groeit de tabel. De race voor element 119 is al volop bezig, en zal binnenkort een nieuwe achtste periode inzetten. Maar zelfs de vorm van de tabel staat niet vast. Er bestaan vandaag meer dan duizend verschillende voorstellingen van het periodiek systeem: spiraalvormige, circulaire, piramidale, je kan het je zo gek niet bedenken. Mijn persoonlijke favoriet is de tabel met linker treden.
Of we binnenkort voet zullen zetten op de kust van Atlantis weet ik niet. En hoe de periodieke wet zal varen in deze contreien nog minder. Ook naar de ultieme limiet van de tabel blijft het raden. Maar wat de toekomst voor ons ook in petto heeft, de tabel zal hoeksteen blijven van de moderne scheikunde.
