Var slutar det periodiska systemet?

Det här är en artikel från 2019.

I mars 1869 presenterade Dmitrij Mendelejev (1834–1907) en tabell över de kända grundämnena, sorterade efter atomvikt och kemiska egenskaper. Han var inte den förste som försökte systematisera grundämnena, men hans version av tabellen fick en bredare spridning och användning. Det berodde inte minst på att han upptäckte nya mönster i sin uppställning. Det fanns några luckor, och Mendelejev förutsåg att de skulle fyllas av ännu oupptäckta grundämnen med passande egenskaper. Mycket riktigt upptäcktes gallium 1875, skandium 1879 och germanium 1886.

Det fanns också en lucka för det grundämne som så småningom fick namnet teknetium, men det fick Mendelejev själv aldrig uppleva. Teknetium är ett relativt lätt grundämne, mitt i periodiska systemet, men det är instabilt. Eftersom det sönderfaller är det sällsynt i naturen. Därför fick det vänta på att upptäckas ända till 1937, då det blev det första grundämne som framställdes genom att slå ihop lättare atomkärnor till tyngre i en accelerator. Det var det första av en rad grundämnen som har framställts syntetiskt. Numera finns inga luckor inuti det periodiska systemet, men nya ämnen läggs till bortom de tyngsta kända ämnena. Senast 2016 godkände den internationella kemiunionen IUPAC (International union of pure and applied chemistry) fyra nya grundämnen.

– Kärnfysiker är nutidens alkemister, säger Dirk Rudolph, professor i kärnfysik.

Ett av inslagen i kemins föregångare, alkemin, var att försöka skapa guld ur oädla metaller som bly. I dag kan kärnfysikerna göra detta och många andra omvandlingar, och dessutom skapa helt nya ämnen. Dirk Rudolph leder en forskargrupp vid Lunds universitet som var med och verifierade upptäckten av grundämne nummer 115, moscovium.

Just nu gör han och hans forskargrupp nya experiment av liknande slag. De åker med sin detektoruppställning till en accelerator i Darmstadt i Tyskland. Där får en stråle av kalciumjoner kollidera med ett tunt strålmål av plutonium.

– Det finns bara 4–5 acceleratoranläggningar i världen där man kan göra den här typen av experiment, och forskargrupper måste ansöka om stråltid, säger Dirk Rudolph.

I det här experimentet söker de inte efter ett helt nytt grundämne, utan gör noggrannare undersökningar av ämne 114, flerovium. Det kan ge viktig information för att förstå var det periodiska systemet slutar.

– Vi siktar in oss på att försöka förstå kärnstrukturen hos de supertunga grundämnena. Teoretiker behöver ledtrådar som skärper deras modeller.

Med bättre modeller för kärnornas struktur kan det gå att göra bättre bedömningar av om det finns en chans att det kan finnas mer långlivade atomkärnor bortom dem som hittills har upptäckts.

Det periodiska systemet har alltid varit kemisternas område. Samtidigt är det atomkärnan som avgör vilka ämnen som alls kan finnas, och där finns kärnfysikernas intresse i det hela.

Ett grundämne definieras av att det har ett specifikt antal protoner i kärnan, som ger atomnumret. Atomen har plats för lika många elektroner som den har protoner. Det är elektronerna som är aktiva i kemiska processer, och det är alltså arrangemanget av elektroner i olika ”skal” som ger ett grundämne dess kemiska egenskaper.

En atomkärna är oerhört liten och kompakt. Den hålls ihop av den starka kärnkraften, som måste övervinna protonernas elektriska laddning, som annars stöter bort dem från varandra. Men kärnan innehåller inte bara protoner, utan också neutroner. Neutronerna saknar laddning men kopplar också till den starka kärnkraften. Vissa kombinationer av protoner och neutroner är stabilare än andra. Vanligt kol finns till exempel i flera varianter – isotoper – med olika antal neutroner. Kol-12 och kol-13, med sex respektive sju neutroner, är helt stabila. Kol-14, med åtta neutroner, sönderfaller i en takt som gör att hälften försvunnit efter 5 730 år. Kol-11, med fem neutroner, har i stället en halveringstid på bara 20 minuter.

De allra tyngsta kända grundämnena är mycket kortlivade. IUPAC kräver att en atomkärna ska finnas i minst 10^-14 sekunder (en hundrabiljondels sekund) för att ämnet ska få vara med i det periodiska systemet.

– Det är den tid som behövs för att det åtminstone teoretiskt ska gå att göra kemi. Vi producerar inte atomen, utan en jon med kanske 100 elektroner. När den plockar upp resten av elektronerna tar det ungefär 10^-14 sekunder, säger Dirk Rudolph.

I praktiken kan de ändå inte se kärnor som lever riktigt så kort tid. Det tar minst en mikrosekund för kärnan att flyga genom apparaten och fram till detektorn.

Det är lite oklart hur många fler grundämnen det kan bli fråga om att lägga till i det periodiska systemet. Enligt Dirk Rudolph kommer det att bli svårt att få stabila elektronskal ungefär kring grundämne 137. Atomkärnor med så höga atomnummer innehåller nämligen så mycket elektrisk laddning att kvantfysiken tillåter par av en elektron och dess antipartikel positronen att uppstå spontant. Sådana partiklar växelverkar med atomens egna elektroner, så att elektronskalen blir instabila. Då kanske det inte är meningsfullt att tala om ett kemiskt ämne.

Men redan ämnen som är lättare än den här gränsen är svåra att tillverka.

Den här sortens forskning kräver tålamod. Först gäller det att få stråltid – alltså tillgång till en accelerator – och sedan kan forskarna räkna med att producera en eller två atomkärnor av rätt slag om dagen. Ju tyngre kärnorna blir, desto svårare är det. Nästa grundämne, nummer 119, förväntar sig forskarna att kunna framställa i en takt på cirka en atom om året. Just nu är det bara i Japan som forskare arbetar aktivt med detta. I Ryssland håller forskare på att ta en helt ny anläggning i bruk, där de ska skapa tunga atomkärnor i upp till tio gånger högre takt än tidigare. Det tar dock lite tid innan de är riktigt i gång.

Under tiden har Dirk Rudolphs grupp arbetat med att bygga en ny detektoruppställning i världsklass, som de skulle kunna använda för att söka efter till exempel grundämne 120. Men frågan är var de ska få stråltid.

För att verkligen kunna tävla med de etablerade labben skulle de behöva en egen accelerator, men det är i praktiken omöjligt. Som utomstående grupp är det svårt att ta ledningen i den prestigefyllda tävlingen om att bli först med att lägga till en ny ruta i det periodiska systemet. Därför får de nu bidra på andra sätt till sökandet.

– Om några år kommer nog nästa grundämne. Men det lär inte bli med inblandning från oss, säger Dirk Rudolph.

En svårighet är att ingen vet hur det ska gå till att stoppa in fler neutroner i atomkärnorna. Ju fler protoner atomkärnan har, desto lösare sitter den ihop, eftersom protonerna har samma elektriska laddning och stöter bort varandra. Då behövs en större andel neutroner för att kärnan inte ska falla isär. Men de atomkärnor man har att utgå ifrån innehåller ett begränsat antal neutroner och det finns ännu inget sätt att tillföra extra neutroner i processen.

– Det går nog att skapa grundämne 119, 120, 121 och 122 med den metod vi har. Men sedan blir de för kortlivade för att upptäckas. Det går nog att göra fler, men det kanske blir mina barns eller barnbarns generation som hittar på ett nytt sätt att göra dem, säger Dirk Rudolph.