Elementarno

Pozdravljeni v današnji oddaji Frequenza della scienza, ki bo posvečena počasi iztekajočemu se letu, ki je bilo s strani organizacije UNESCO razglašeno za “Mednarodno leto periodnega sistema kemijskih elementov”. Letos obeležujemo 150. obletnico zapisa periodnega sistema Mendelejeva. Že leta 1869 je ruski kemik Mendelejev objavil zasnovo periodnega sistema, ki se le malo razlikuje od sistema, ki ga poznamo in uporabljamo še danes. Pa poglejmo, kako je do tega sploh prišlo.

 

Dimitrij Mendelejev še zdaleč ni bil prvi, ki je poskusil elemente ponazoriti v urejeni, smiselni strukturi. Po tedanjih opazovanjih in eksperimentih je bilo jasno, da so si nekateri izmed elementov po fizikalnih in kemijskih lastnostih bolj podobni kot drugi. Nekateri po videzu, drugi po spojinah, ki jih tvorijo, spet tretji po teži. Döbereinerjeve triade so, na primer, eden najbolj znanih primerov poskusa uvrstitve elementov v smiselno zaporedje ali sosledje glede na njihove fizikalne lastnosti. 

 

Leta 1817 je Döbereiner prvič poročal o svojem proučevanju alkalijskih kovin, pri katerem je opazil, da so lastnosti natrija sorodne tako litiju kot kaliju. Svojo tezo je dodatno potrdil na osnovi relativnih atomskih mas in gostot elementov. A v času, ko je Döbereiner deloval in raziskoval, je bila večina elementov še neznana in njegove teze niso bile deležne posebnega zanimanja. Tehnološki napredek in razvoj natančnejših merilnih naprav in metod je omogočil odkritje številnih novih elementov. To pa je znatno pospešilo nastanek prvih uspešnejših poskusov zapisa periodnega sistema.

 

Po tem, ko je bila poznana relativna atomska masa za večino elementov, je bila naloga jasna in na videz enostavna - treba je bilo samo razvrstiti elemente v zaporedje glede na njihove vrednosti atomske mase. Več znanstvenikov je takrat objavilo različne oblike periodnega sistema, a tisti, ki se je najbolj uveljavil, je bil prav sistem Mendelejeva iz leta 1869.

Glavno načelo razporeditve elementov je torej periodičnost njihovih lastnosti, iz česar sledi tudi ime “periodni sistem elementov”. Danes za ažurnost le-tega skrbi IUPAC, mednarodna zveza čiste in uporabne kemije, nevladna organizacija, ustanovljena leta 1919. Zadnje spremembe periodnega sistema so se dogodile leta 2015, ko je zveza potrdila štiri nove elemente z vrstnimi števili 113, 115, 117 in 118. Kasneje so te elemente poimenovali nihonij, moskovij, tenes in oganeson.

 

Elemente periodnega sistema delimo glede na njihove lastnosti v tri skupine: na kovine, polkovine in nekovine. Nekaj o tem bomo slišali kasneje. Najbolj pogosti elementi na Zemlji so  ogljik, vodik, dušik in kisik, ki sestavljajo vse organske sisteme in so bistveni za življenje organizmov. Ti so uvrščeni med nekovine. 

 

Anorganske spojine so v veliki meri sestavljene iz polkovin in nekovin. Na Zemlji najpogostejši element iz teh dveh skupin je silicij, saj je prisoten v največjem deležu v zemeljski skorji. In ko smo že pri zemeljski skorji, kako je ta sploh nastala? Od kje sploh izvirajo vsi ti elementi, ki sestavljajo vsakega izmed nas, vse, kar vidimo in čutimo? Ja, iz zvezd, kakopak. Zagotovo ste že slišali, da smo vsi otroci zvezd. To ni zgolj romantična prispodoba, ampak znanstveno dejstvo.

 

Ker sami tega ne bi znali niti približno dovolj dobro razložiti, smo na pomoč poklicali strokovnjakinjo na področju astronomije, profesorico na Državni univerzi v Ohiu, doktorico Jennifer Johnson.

 

Za razumevanje nastanka elementov iz zvezd si moramo najprej znati predstavljati, kako so atomi sestavljeni in kateri so osnovni gradniki, ki tvorijo elemente. Tako nam doktorica Johnson razloži pogled astronomov in astronomk na atome:

 

Izjava

 

Zvezde torej združujejo protone in nevtrone in tako ustvarjajo jedra atomov, ki tvorijo elemente. Tak proces imenujemo nukleosinteza in vključuje tako proces jedrske fuzije ali zlitja kot jedrske fizije ali cepitve. Jedrno sintezo nam razloži profesorica Johnson.

 

Izjava

 

Sedaj potujmo nazaj, vse do začetka našega vesolja z velikim pokom. Ogromna količina energije, ki se je tedaj sprostila, dolgo časa ni dopustila nobenega združevanja v osnovne delce, ki sestavljajo atom. Kvarki, ki jih doktorica Johnson omeni v svoji razlagi, sestavljajo protone in nevtrone. Prisluhnimo.

 

Izjava

 

Dolgo časa je moralo miniti, da so se v našem vesolju rodile prve zvezde. Profesorico z Državne univerze v Ohiu smo prosili, naj nam natančneje pojasni, koliko časa je trajalo do nastanka prvih zvezd in zakaj je minilo toliko časa. Ali smo katero izmed takrat nastalih zvezd že uspeli opaziti in preučiti?

 

Izjava

 

Prva generacija zvezd torej za nas ostaja še nerazkrita, kot nam pove profesorica Johnson. Zvezde najpogosteje opazujemo v Mlečni cesti, galaksiji, v kateri lahko najdemo tudi naslov našega osončja in kjer torej prebivamo tudi mi sami. Z opazovanjem zvezd okoli nas vsak dan odkrijemo kar nekaj novih zvezd in ni redko, da naletimo na nastanek nove. Podobne fenomene opazujemo med drugim z radijskimi teleskopi. Kako pa ločimo med novejšimi in starejšimi zvezdami? Kako bi lahko z gotovostjo trdili, da je zvezda iz prve generacije, če nanjo naletimo? Odgovor nam razkrije doktorica Johnson:

 

Izjava

 

Že nekajkrat je Johnson omenila razliko med zvezdami z majhnimi masami, ki imajo stabilnejše jedro in živijo zelo dolga življenja, in ogromnimi zvezdami, ki imajo vsaj osemkrat večjo maso kot naše Sonce. Take zvezde imajo krajšo življenjsko dobo in veliko prispevajo k nastanku novih elementov v vesolju. Več nam pove profesorica Johnson:

 

Izjava

 

Končno še nekaj o smrti zvezd. Od supernov do črnih lukenj. Prisluhnimo.

 

Izjava

 

Smrt zvezd torej ni tako tragična, kot bi si človek predstavljal. Smrt zvezd z večjimi masami za sabo pusti pravi zaklad, saj prav tako nastanejo težje kovine, med katerimi je denimo tudi zlato. V nadaljevanju bomo govorili prav o tem delu periodnega sistema, v katerem je protonov in nevtronov v jedru že zelo veliko in zato pravimo, da so ti atomi težki ali pa kar supertežki. Ostanite z nami!

Pozdravljeni znova v oddaji Frequenza della scienza, ki jo tokrat posvečamo periodnemu sistemu elementov. Spoznali smo proces nukleosinteze, ki lahko razloži nastanek skoraj vseh kemijskih elementov do vrstnega števila 92, torej do urana. Vse te kemijske elemente lahko najdemo v naravi v obliki stabilnih izotopov.

 

Elemente z višjimi vrstnimi števili, imenovane tudi kot transurane - uvrščamo jih v skupini aktinoidov in transaktinoidov - najdemo na skrajnem dnu periodnega sistema elementov. Ti elementi so nestabilni in radioaktivni. V naravi jih ne najdemo. Kot nam pojasni Pekka Pyykkö, upokojeni profesor z Univerze v Helsinkih, lahko takšni elementi sicer nastanejo ob izrednih astrofizikalnih pojavih, kot je na primer eksplozija supernove, pa tudi ob eksploziji atomske bombe.

 

Izjava

 

Med verižno reakcijo, ki jo denimo predstavlja eksplozija supernove, se sprosti veliko število nevtronov. Ti nato trkajo z drugimi jedri, kar vodi v tvorbo težkih jeder, nato pa med seboj trkajo tudi ta in tvorijo še težja jedra. Zaradi nestabilnosti takšnih težkih jeder in njihove nizke verjetnosti nastanka je takšne elemente praktično nemogoče zaslediti v naravi.
 

Prav na ideji trkanja delcev, torej atomskih jeder, so se v prejšnjem stoletju osnovali laboratoriji, v katerih lahko znanstvenice in znanstveniki ob nadzorovanih pogojih izvedejo nuklearne reakcije in tako sintetizirajo takšne elemente z višjimi vrstnimi števili. Te zaradi visokih relativnih atomskih mas često poimenujemo kar kot supertežke elemente oziroma v angleščini superheavy elements. Takšne elemente lahko torej pridobimo zgolj z nuklearno reakcijo v laboratoriju za nuklearne reakcije.

 

Srce takšnega laboratorija predstavlja pospeševalnik delcev. Na svetu lahko najdemo zgolj štiri takšne laboratorije, in sicer v ZDA, Rusiji, Nemčiji ter na Japonskem. Za našo oddajo smo uspeli priklicati doktorja Alexandra Vladimiroviča Karpova z znamenitega ruskega inštituta za nuklearne reakcije v Dubni. Prav v tem laboratoriju so sintetizirali zadnjih pet poznanih kemijskih elementov, ki jih najdemo v periodnem sistemu elementov med vrstnima številoma 114 ter 118. Doktor Karpov nam je najprej predstavil inštitut in njegovo znanstveno poslanstvo.

 

Izjava

 

Ena izmed glavnih usmeritev laboratorija v Dubni je torej izvajanje nuklearnih reakcij z namenom sinteze novih supertežkih kemijskih elementov. Doktor Karpov nam je natančneje opisal metode, ki jih uporabljajo pri sintezi novih kemijskih elementov s pomočjo pospeševalnika.

 

Izjava

 

Jedra atomov elementov z visokimi vrstnimi števili so, kot že omenjeno, precej nestabilna. Eden izmed vzrokov nestabilnosti leži v pozitivnem naboju jedra. Ker je atomsko jedro zgoščeno v majhnem delu prostora, postanejo odbojne interakcije med pozitivno nabitimi protoni v jedru pri elementih z visokimi vrstnimi števili še posebej izrazite. Atomska jedra supertežkih elementov tako obstajajo le za kratek čas. Kot nam razloži doktor Karpov, je poleg števila protonov, ki definirajo kemijski element, za njegov obstoj pomembna tudi stabilnost, ki je potrebna za uspešno tvorbo elektronskega oblaka, ki obkroža atomsko jedro. 

 

Izjava

 

Inženirji in inženirke ter znanstveniki in znanstvenice v Dubni so morali razviti napredne detektorje in instrumentacijo, ki omogočajo zaznavo novih nastalih elementov. Ob trku jeder v pospeševalniku delcev se zgodi mnogo različnih dogodkov, ki povečujejo šum in otežujejo detekcijo sintetiziranega atoma. Kako zaznajo nov supertežki element in potrdijo uspešnost njegove sinteze, nam pojasni doktor Karpov.

 

Izjava

 

Neposredne metode detekcije vključujejo izmerjene hitrosti, mase ter energije nastalih delcev. Uspešnost sinteze novega jedra pa potrdijo tudi posredno prek razpadnih produktov sintetiziranega jedra, kot so recimo alfa delci, ki jih sestavljata dva protona in dva nevtrona. Ti nastanejo ob radioaktivnem razpadu jeder. 

 

Sinteza in detekcija novih elementov je dolgotrajen proces, ki zahteva razvoj novih tehnologij, detektorjev in inštrumentov. Vprašanje, zakaj sploh ustvarjati nove, tako neobstojne elemente, se poslušalkam in poslušalcem najbrž zdi na mestu. Eno izmed gonil eksperimentalnih naporov je teoretična napoved tako imenovanega otoka stabilnosti. Teoretiki so namreč izračunali, da za določene kombinacije števil nevtronov in protonov dosežejo jedra nepričakovano visoke stabilnosti. Z zanimivo razlago otoka stabilnosti nam je postregel doktor Karpov.

 

Izjava

 

Novosintetizirani elementi so torej postajali vse manj in manj stabilni in kazalo je, da se bo lov za novimi, še težjimi elementi kaj kmalu končal, a doktor Karpov nadaljuje.

Izjava
 

Za nekatera atomska jedra na otoku stabilnosti so torej predvideni razpolovni časi tudi več tisoč let. Teh elementov sicer znanstveniki in znanstvenice žal še niso uspeli sintetizirati, saj je njihova sinteza zelo težavna in zelo omejena z dostopnimi surovinami. Takšna jedra morajo vsebovati veliko število nevtronov, ki pa jih je tehnično zelo težko spraviti v jedra poznanih kemijskih elementov.

 

Pred kratkim so v Dubni pričeli izvajati eksperimente na novem pospeševalniku, imenovanem Superheavy Element Factory, ki bo omogočil sintezo novih elementov, izboljšal pa bo tudi pogoje za natančnejšo preiskavo že poznanih supertežkih elementov.

 

Izjava

 

Že kaj kmalu se očitno lahko nadejamo novega kemijskega elementa z vrstnim številom 119 in novih spoznanj o naravi supertežkih elementov. Kako daleč pa še lahko gremo? Kje so meje in kdaj jih bomo dosegli? Vprašanja smo kakopak naslovili kar na doktorja Karpova.

 

Izjava

 

Sledi kratek glasbeni premor, po premoru pa sledi zadnji del oddaje, ki ga bomo posvetili lastnostim supertežkih elementov.

 

Velik izziv v prihodnosti tako predstavlja študij kemijskih lastnosti supertežkih elementov, ki so bolj kot s stabilnostjo jedra povezani z elektroni, ki jedro obdajajo. V zadnjem delu oddaje se bomo tako posvetili kemijskim lastnostim supertežkih elementov. Za odgovore na tovrstna vprašanja bi težko dobili primernejšega sogovornika, kot je profesor Pekka Pyykkö, ki je med drugim tudi avtor prav posebne razširjene različice periodnega sistema elementov. 

 

S svojim modelom periodnega sistema je uspel profesor Pyykkö napovedati, kje se ta konča - in sicer pri vrstnem številu 172. Profesorja Pyykkö smo, jasno, na začetku vprašali, kako je sploh prišel do takšne ocene, in postregel nam je z zanimivo zgodbo o nastanku te ocene in njegovega modela periodnega sistema.

 

Izjava
 

 

S pomočjo kvantnomehanskih izračunov elektronskih konfiguracij spojin in ionov supertežkih elementov je uspel takrat sveže upokojeni profesor Pyykkö izračunati meje obstoja stabilnih kemijskih elementov in sestaviti svoj razširjeni model periodnega sistema.

 

Atomi supertežkih elementov postajajo z naraščanjem vrstnega števila vedno večji, z naraščanjem vrstnega števila pa se povečuje tudi pozitivni naboj jedra. Ta seveda vpliva tudi na razporeditev elektronov okrog samega jedra. Znano je, da se lahko obnašanje elektronov, ki ležijo v elektronskih ovojnicah blizu jedra, pri supertežkih elementih precej spremeni. Natančen opis takšnega sistema zahteva vpeljavo tako imenovanih relativističnih popravkov. Profesor Pyykkö nam je skušal razložiti, kaj so relativistični efekti in kako vplivajo na dinamiko elektronov v okolici težkega, pozitivnega jedra.

 

Izjava

 

Hitrost elektronov v bližini pozitivno nabitega jedra postane pri višjih vrstnih številih večja in tako zmeraj bolj podobna hitrosti svetlobe, zato moramo takšne elektrone obravnavati relativistično. Profesor Pyykkö nadaljuje z razlago.
 

Izjava

 

Takšnim hitrim elektronom se v bližini jedra v skladu z relativističnim opisom spremenita tudi masa in vezavna energija. Elektroni na notranjih ovojnicah jedra se torej pomaknejo bližje jedru, njihova vezavna energija pa naraste. Kaj pa se dogaja v zunanjih elektronskih ovojnicah, ki so ključne za kemijske lastnosti atoma?

 

Izjava

 

Kontrakcija notranjih elektronskih ovojnic tako posredno vpliva tudi na zunanje elektronske ovojnice atoma. Zaradi močnega senčenja pozitivnega naboja jedra s strani elektronov, ki ležijo na notranjih ovojnicah, se elektroni zunanjih elektronskih ovojnic pomaknejo stran od jedra. To vpliva na njihovo vezavno energijo, ki se ustrezno zmanjša. Prav zunanje elektronske ovojnice, v katerih se nahajajo tudi tako imenovani valenčni elektroni, pa igrajo ključno vlogo pri kemijskih lastnostih elementa. Ti relativistični efekti tako vplivajo tudi na kemijske lastnosti elementov.

 

Med drugim so prav opisani relativistični efekti vsaj delno odgovorni za nenavadno rumeno barvo zlata, tekoče agregatno stanje živega srebra pri sobni temperaturi in še mnoge druge anomalne kemijske lastnosti težkih elementov.

 

Raziskovanje skrajnosti periodnega sistema elementov ter supertežkih elementov in njihovih nenavadnih lastnosti se morda komu zdi zgolj še en akademski poligon zadovoljevanja radovednosti peščice znanstvenikov in znanstvenic, a omenimo, da so tudi med težkimi elementi takšni, ki so našli svojo uporabno vrednost tudi zunaj laboratorijev. Profesor Pyykkö nam omeni primer americija, kemijskega elementa z vrstnim številom 95, ki ga uporabljamo v detektorjih dima, ter atomske baterije za dolge vesoljske polete satelitov.

 

Izjava

 

S tole svetlo mislijo profesorja Pekka Pyykka o prihodnosti in smotrnosti nadaljnjih raziskav supertežkih elementov zaključujemo današnje elementarno popotovanje.