Artėjant periodinės cheminių elementų lentelės suformulavimo 150-osioms metinėms, Mičigano valstijos universiteto (MSU) profesorius Witekas Nazarewiczius naujausiame žurnalo „Nature Physics Perspective“ numeryje nagrinėja lentelės ribas.
Kitais metais sukaks 150 metų, kai Dmitrijus 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, priklausantys nuo protonų skaičiaus branduolyje, 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 W.Nazarewiczius, MSU fizikos profesorius ir Retųjų izotopų spindulių įrenginio vyr. mokslo darbuotojas.
Sunkiausio ir paskutiniojo periodinės lentelės elemento titulas dabar priklauso oganesonui, kurio branduolyje yra 118 protonų ir 176 neutronai. Visi elementai, kurių branduolyje yra daugiau nei 104 protonai, vadinami „supersunkiais“, ir priklauso plačiai, visiškai neištirtai sričiai, kurią mokslininkai stengiasi perprasti.
Spėjama, kad fiziškai gali egzistuoti atomai, kurių branduolyje yra 172 branduolinių sąveikų laikomi protonai. Ši jėga neleidžia jiems suirti, tačiau tik labai mažą sekundės dalį.
Šie laboratorijose išgauti branduoliai būna itin nestabilūs, ir, vos susiformavę, savaime suyra. Sunkesniems nei oganesonas elementams tai gali nutikti taip greitai, kad jie nespės net 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 pakankamai išaugus Kulono trikdžiams, branduoliuose susiformuoja jų stabilumą trikdantys pūpsniai ir tuštumos
Dėl tokiuose sunkiuose branduoliuose pasireiškiančio kvantinių ir reliatyvistinių efektų mišinio, darosi sunku numatyti tokių supersunkių branduolių savybes. Pavyzdžiui, vertinant formaliai, oganesonas 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.
Jei didesni elementai nepaklūsta periodinės lentelės dėsniams, teks pergalvoti jų klasifikavimą ir grupavimą. O ar tokie branduoliai iš viso gali susiformuoti, tebelieka paslaptis.
Mokslininkai lėtai, bet užtikrintai slenka į šį regioną, 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 sintezės sąlygos, tad, belieka spėlioti ir vykdyti sintezės eksperimentus, kol kas nors randama. Tai gali trukti ne vienerius metus“, – sakė W.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 periodinę elementų lentelę papildys aštuntuoju periodu. Tai aprašyta Mary Soon Lee sukurtu Elementiniu haiku:
Ar uždanga kils?
Aštuntasis aktas bus?
Dėmesio sulauks?
W.Nazarewiczius sakė, kad atradimas gal būti jau ne už kalnų: „Greitai. Galbūt dabar ar po dvejų trejų metų. Nežinome. Eksperimentai vyksta.“
Lieka ir kitas jaudinamas klausimas. Ar supersunkieji elementai gali būti susidaryti natūraliai, 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 pažangius skaitmeninius modeliavimus 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. Bet tai, ką sužinojome iki šiol, gali reikšti mums pažįstamos periodinės lentelės pabaigą“, – pažymėjo W.Nazarewiczius.
