Οι καθηγητές χημείας πρόσφατα χρειάστηκε να αναβαθμίσουν τη διακόσμηση της αίθουσας διδασκαλίας, με την ανακοίνωση ότι οι επιστήμονες επιβεβαίωσαν την ανακάλυψη τεσσάρων νέων στοιχείων στον περιοδικό πίνακα. Τα ανώνυμα στοιχεία 113, 115, 117 και 118 συμπληρώνουν τα υπόλοιπα κενά στο κατώτατο σημείο του διάσημου χάρτη - έναν χάρτη πορείας των δομικών στοιχείων της ύλης που έχει καθοδηγήσει επιτυχώς τους χημικούς για σχεδόν έναν αιώνα και ένα μισό.
σχετικό περιεχόμενο
- Τα τέσσερα νεότερα στοιχεία έχουν τώρα ονόματα
- Τέσσερα νέα στοιχεία προστίθενται στον περιοδικό πίνακα
- Η σπέρμα των ψαριών μπορεί να είναι το μυστικό της ανακύκλωσης των στοιχείων σπάνιων γαιών
Η επίσημη επιβεβαίωση που δόθηκε από τη Διεθνή Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC), ήταν εδώ και χρόνια, καθώς αυτά τα υπερβολικά έντονα στοιχεία είναι εξαιρετικά ασταθή και σκληρά για να δημιουργηθούν. Αλλά οι επιστήμονες είχαν ισχυρούς λόγους να πιστεύουν ότι υπήρχαν, εν μέρει επειδή ο περιοδικός πίνακας ήταν αξιοσημείωτα συνεπής μέχρι στιγμής. Οι προσπάθειες για την εμφάνιση των στοιχείων 119 και 120, που θα ξεκινήσουν μια νέα σειρά, βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη.
Αλλά ακριβώς πόσα άλλα στοιχεία υπάρχουν εκεί παραμένει ένα από τα πιο επίμονα μυστήρια της χημείας, ειδικά καθώς η σύγχρονη κατανόηση της φυσικής μας έχει αποκαλύψει ανωμαλίες ακόμη και στους καθιερωμένους παίκτες.
"Οι ρωγμές αρχίζουν να εμφανίζονται στον περιοδικό πίνακα", λέει ο Walter Loveland, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον.
Η σύγχρονη ενσάρκωση του περιοδικού πίνακα οργανώνει στοιχεία με σειρές που βασίζονται στον ατομικό αριθμό - τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου - και από τις στήλες που βασίζονται στις τροχιές των εξόχως απόκεντρων ηλεκτρονίων τους, οι οποίες με τη σειρά τους συνήθως υπαγορεύουν τις προσωπικότητές τους. Τα μαλακά μέταλλα που τείνουν να αντιδρούν έντονα με άλλα, όπως το λίθιο και το κάλιο, ζουν σε μία στήλη. Τα μη μεταλλικά αντιδραστικά στοιχεία, όπως το φθόριο και το ιώδιο, κατοικούν σε άλλο.
Ο Γάλλος γεωλόγος Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois ήταν ο πρώτος που αναγνώριζε ότι τα στοιχεία θα μπορούσαν να ομαδοποιηθούν σε επαναλαμβανόμενα πρότυπα. Παρουσίασε τα στοιχεία που ήταν γνωστά το 1862, ταξινομημένα βάσει των βαρών τους, ως μια σπείρα τυλιγμένη γύρω από έναν κύλινδρο ( δείτε την παρακάτω εικόνα ). Στοιχεία κάθετα σε σειρά μεταξύ τους σε αυτόν τον κύλινδρο είχαν παρόμοια χαρακτηριστικά.
Αλλά ήταν το οργανωτικό σχέδιο που δημιούργησε ο Ντμίτρι Μεντελλέεφ, ένας ρωσικός καυτός Ρώσος που ισχυρίστηκε ότι είχε δει ομαδοποιήσεις στοιχείων σε ένα όνειρο, που ήταν η δοκιμασία του χρόνου. Ο περιοδικός πίνακας του 1871 δεν ήταν τέλειος. προέβλεψε οκτώ στοιχεία που δεν υπάρχουν, για παράδειγμα. Ωστόσο, προείπε σωστά και το γάλλιο (που χρησιμοποιείται τώρα στα λέιζερ), το γερμάνιο (που χρησιμοποιείται τώρα στα τρανζίστορ) και άλλα ολοένα και πιο βαριά στοιχεία.
Ο περιοδικός πίνακας Mendeleev δέχθηκε εύκολα μια ολοκαίνουργια στήλη για τα ευγενή αέρια, όπως το ήλιο, που απέφυγε την ανίχνευσή του μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα εξαιτίας της δικής του κίνησης να μην αντιδρά με άλλα στοιχεία.
Ο σύγχρονος περιοδικός πίνακας ήταν λίγο πολύ συνεπής με την κβαντική φυσική, που εισήχθη τον 20ό αιώνα για να εξηγήσει τη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Επιπλέον, οι ομαδοποιήσεις κατέχουν ως επί το πλείστον βαρύτερα στοιχεία που έχουν επιβεβαιωθεί. Το Bohrium, το όνομα που δόθηκε στο στοιχείο 107 μετά την ανακάλυψή του το 1981, ταιριάζει τόσο τακτοποιημένα με τα άλλα λεγόμενα μεταβατικά μέταλλα που το περιβάλλουν, ένας από τους ερευνητές που το ανακάλυψαν, δήλωσε ότι "το bohrium είναι βαρετό".
Αλλά ενδιαφέρουσες φορές μπορεί να βρίσκεται μπροστά.
Μία ανοιχτή ερώτηση αφορά το λανθάνιο και το ακτινίδιο, τα οποία έχουν λιγότερα κοινά με τα άλλα μέλη των αντίστοιχων ομάδων τους παρά το λατέτιο και το νόταρεντσίου. Η IUPAC όρισε πρόσφατα μια ομάδα εργασίας για να εξετάσει αυτό το ζήτημα. Ακόμη και το ήλιο, στοιχείο 2, δεν είναι απλό - υπάρχει εναλλακτική εκδοχή του περιοδικού πίνακα που τοποθετεί το ήλιο με βηρύλλιο και μαγνήσιο αντί για τους γείτονές του από το ευγενές φυσικό αέριο, με βάση τις ρυθμίσεις όλων των ηλεκτρονίων του και όχι μόνο των εξόχως απόκεντρων.
"Υπάρχει πρόβλημα στην αρχή, στο μέσο και στο τέλος του περιοδικού πίνακα", λέει ο Eric Scerri, ιστορικός στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες.
Η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, που δημοσιεύεται εδώ και δεκαετίες μετά το τραπέζι του Μεντελλέεφ, εισήγαγε επίσης κάποιες κινήσεις στο σύστημα. Η σχετικότητα ορίζει ότι η μάζα ενός σωματιδίου αυξάνεται με την ταχύτητά του. Αυτό μπορεί να προκαλέσει τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια γύρω από τον θετικά φορτισμένο πυρήνα ενός ατόμου να συμπεριφέρονται παράξενα, επηρεάζοντας τις ιδιότητες ενός στοιχείου.
Εξετάστε το χρυσό: Ο πυρήνας είναι γεμάτος με 79 θετικά πρωτόνια, έτσι ώστε να αποφύγετε την πτώση προς τα μέσα, τα ηλεκτρόνια του χρυσού πρέπει να σφυρίζουν σε περισσότερο από το ήμισυ της ταχύτητας του φωτός. Αυτό τους καθιστά πιο ογκώδεις και τις τραβάει σε μια πιο σφιχτή τροχιά χαμηλής ενέργειας. Σε αυτή τη διαμόρφωση, τα ηλεκτρόνια απορροφούν το μπλε φως αντί να το αντανακλούν, δίνοντας στις γαμήλιες ζώνες τη χαρακτηριστική λάμψη τους.
Ο περιβόητος φυσικός του bongo Richard Feynman λέγεται ότι επικαλέστηκε τη σχετικότητα για να προβλέψει το τέλος του περιοδικού πίνακα στο στοιχείο 137. Στον Feynman, ο 137 ήταν ένας "μαγικός αριθμός" - είχε εμφανιστεί χωρίς προφανή λόγο αλλού στη φυσική. Οι υπολογισμοί του έδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια σε στοιχεία πέραν των 137 θα έπρεπε να κινούνται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός και έτσι να παραβιάζουν τους κανόνες της σχετικότητας, για να αποφύγουν τη συντριβή στον πυρήνα.
Πιο πρόσφατοι υπολογισμοί ανέτρεψαν από τότε το όριο αυτό. Ο Feynman αντιμετώπισε τον πυρήνα ως ένα μόνο σημείο. Αφήστε το να είναι μια σφαίρα σωματιδίων και τα στοιχεία μπορούν να συνεχίσουν μέχρι τα 173 περίπου. Τότε η κόλαση σπάει. Τα άτομα πέρα από αυτό το όριο μπορεί να υπάρχουν αλλά μόνο ως παράξενα πλάσματα ικανά να καλέσουν ηλεκτρόνια από κενό χώρο.
Η σχετικότητα δεν είναι το μόνο πρόβλημα. Τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια απωθείται το ένα το άλλο, οπότε όσο περισσότερο πακετάρετε σε έναν πυρήνα, τόσο λιγότερο σταθερό τείνει να είναι. Το ουράνιο, με ατομικό αριθμό 92, είναι το τελευταίο στοιχείο που είναι αρκετά σταθερό ώστε να εμφανίζεται φυσικά στη Γη. Κάθε στοιχείο πέρα από αυτό έχει έναν πυρήνα που χωρίζει γρήγορα και ο χρόνος ημιζωής του - ο χρόνος που χρειάζεται για να πέσει το ήμισυ του υλικού - μπορεί να είναι λεπτά, δευτερόλεπτα ή και χωριστά δευτερόλεπτα.
Τα βαρύτερα, ασταθή στοιχεία μπορεί να υπάρχουν σε άλλα μέρη του σύμπαντος, όπως μέσα σε πυκνά αστέρια νετρονίων, αλλά οι επιστήμονες μπορούν να τα μελετήσουν μόνο με το να συντρίψουν μαζί τα ελαφρύτερα άτομα για να κάνουν βαρύτερα και στη συνέχεια να κοσκινίσουν μέσω της αλυσίδας αποσύνθεσης.
"Δεν ξέρουμε πραγματικά ποιο είναι το βαρύτερο στοιχείο που θα μπορούσε να υπάρχει", λέει ο πυρηνικός φυσικός Witold Nazarewicz του Michigan State University.
Η θεωρία προβλέπει ότι θα υπάρξει ένα σημείο στο οποίο οι εργαστηριακοί μας πυρήνες δεν θα ζουν αρκετά για να σχηματίσουν ένα σωστό άτομο. Ένας ραδιενεργός πυρήνας που χωρίζει σε λιγότερο από δέκα τρισεκατομμύρια του δευτερολέπτου δεν θα είχε το χρόνο να συγκεντρώσει ηλεκτρόνια γύρω από τον εαυτό του και να κάνει ένα νέο στοιχείο.
Ακόμα, πολλοί επιστήμονες αναμένουν ότι τα νησιά σταθερότητας θα υπάρχουν πιο κάτω από το δρόμο, όπου τα υπερφυσικά στοιχεία έχουν σχετικά μακράς διάρκειας πυρήνες. Η φόρτωση ορισμένων υπερευαίσθητων ατόμων με πολλά επιπλέον νετρόνια θα μπορούσε να προσδώσει σταθερότητα εμποδίζοντας τους πλούσιους σε πρωτόνια πυρήνες να παραμορφωθούν. Το στοιχείο 114, για παράδειγμα, αναμένεται να έχει ένα μαγικά σταθερό αριθμό νετρονίων στο 184. Τα στοιχεία 120 και 126 έχουν επίσης προβλεφθεί ότι έχουν τη δυνατότητα να είναι πιο ανθεκτικά.
Αλλά ορισμένοι ισχυρισμοί υπέρμετρης σταθερότητας έχουν ήδη ξεσπάσει. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, ο χημικός Edward Anders πρότεινε ότι το ξένον σε ένα μετεωρίτη που έπεσε πάνω στο μεξικάνικο έδαφος προερχόταν από την καταστροφή ενός στοιχείου μυστηρίου μεταξύ 112 και 119 που θα ήταν αρκετά σταθερό για να συμβεί στη φύση. Αφού πέρασε χρόνια περιορίζοντας την έρευνά του, έσυρε τελικά την υπόθεσή του στη δεκαετία του '80.
Η πρόβλεψη της δυνητικής σταθερότητας των βαρέων στοιχείων δεν είναι εύκολη. Οι υπολογισμοί, οι οποίοι απαιτούν τεράστια υπολογιστική ισχύ, δεν έχουν γίνει για πολλούς από τους γνωστούς παίκτες. Και ακόμη και όταν έχουν, αυτό είναι ένα πολύ νέο έδαφος για την πυρηνική φυσική, όπου ακόμη και μικρές αλλαγές στις εισροές μπορούν να έχουν βαθιές επιπτώσεις στα αναμενόμενα αποτελέσματα.
Ένα πράγμα είναι σίγουρο: Κάνοντας κάθε νέο στοιχείο πρόκειται να γίνει πιο δύσκολο, όχι μόνο επειδή τα άτομα με βραχύτερη διάρκεια ζωής είναι πιο δύσκολο να ανιχνευθούν, αλλά επειδή η κατασκευή υπερσυλλογών μπορεί να απαιτεί ακτίνες ατόμων που είναι ραδιενεργά. Εάν υπάρχει ή όχι τέλος στον περιοδικό πίνακα, μπορεί να υπάρχει τέλος στη δυνατότητα δημιουργίας νέων.
"Νομίζω ότι είμαστε πολύ μακριά από το τέλος του περιοδικού πίνακα", λέει ο Scerri. "Ο περιοριστικός παράγοντας τώρα φαίνεται να είναι ανθρώπινη εφευρετικότητα".
Σημείωση του συντάκτη: Η υπαγωγή του Witold Nazarewicz έχει διορθωθεί.
Περιοδικός πίνακας Συνιστώμενη λίστα ανάγνωσης
Μια ιστορία επτά στοιχείων
ΑγοράΈνας έγκυρος απολογισμός της πρώιμης ιστορίας του περιοδικού πίνακα μπορεί να βρεθεί στο A Sale of Seven Elements του Eric Scerri, το οποίο παίρνει μια βαθιά κατάδυση στις αντιπαραθέσεις γύρω από τις ανακαλύψεις επτά στοιχείων.
Ο περιοδικός πίνακας
ΑγοράΟι αναγνώστες που ενδιαφέρονται για το Ολοκαύτωμα πρέπει να πάρουν ένα αντίγραφο των κινούμενων απομνημονευμάτων του Primo Levi, The Periodic Table. Επίσης, για μια συναρπαστική αυτοβιογραφία που χρησιμοποιεί τον περιοδικό πίνακα για να πλαισιώνει τη ζωή ενός από τους πιο αγαπημένους νευρολόγους του κόσμου, βλ. New York Times του Oliver Sacks "opended" My Periodic Table ".
Το Κουτάλι Εξαφάνισης: Και άλλα αληθινά ιστορία της τρέλας, της αγάπης και της ιστορίας του κόσμου από τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων
ΑγοράΟ Sam Kean παίρνει τους αναγνώστες του σε μια ζωντανή και χαοτική ντροπή μέσα από τα στοιχεία στο The Disappearing Spoon.
Τα χαμένα στοιχεία: η σκιασμένη πλευρά του περιοδικού πίνακα
ΑγοράΟι ενθουσιώδεις επιστήμονες που ενδιαφέρονται για το μπέιζ-μπώλ που έχει εμπιστοσύνη πίσω από στοιχεία που δεν το έκαναν ποτέ στο περιοδικό τραπέζι μπορούν να ελέγξουν τα καλά ερευνημένα The Lost Elements από τους Marco Fontani, Mariagrazia Costa και Mary Virginia Orna.
