Wann erreichen wir das Ende des Periodensystems?

Vor kurzem mussten Chemielehrer ihre Klassenzimmerausstattung mit der Ankündigung aktualisieren, dass Wissenschaftler die Entdeckung von vier neuen Elementen im Periodensystem bestätigt haben. Die noch unbenannten Elemente 113, 115, 117 und 118 füllten die verbleibenden Lücken am unteren Rand des berühmten Diagramms - eine Roadmap der Bausteine ​​der Materie, die Chemiker seit fast eineinhalb Jahrhunderten erfolgreich anleitet.

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Die offizielle Bestätigung, die von der Internationalen Union für Reine und Angewandte Chemie (IUPAC) erteilt wurde, war jahrelang in Vorbereitung, da diese superschweren Elemente äußerst instabil und schwierig herzustellen sind. Aber Wissenschaftler hatten starken Grund zu der Annahme, dass sie existieren, auch weil das Periodensystem bisher bemerkenswert konsistent war. Die Bemühungen, die Elemente 119 und 120 zu beschwören, die eine neue Reihe bilden würden, sind bereits im Gange.

Aber wie viele weitere Elemente es gibt, bleibt eines der beständigsten Rätsel der Chemie, zumal unser modernes Verständnis der Physik selbst bei den etablierten Akteuren Anomalien aufgedeckt hat.

"Im Periodensystem zeigen sich allmählich Risse", sagt Walter Loveland, Chemiker an der Oregon State University.

Die moderne Inkarnation des Periodensystems gliedert die Elemente in Reihen, die auf der Ordnungszahl basieren - der Anzahl der Protonen im Atomkern - und in Spalten, die auf den Bahnen ihrer äußersten Elektronen basieren, die normalerweise ihre Persönlichkeit bestimmen. In einer Säule leben weiche Metalle, die dazu neigen, stark mit anderen wie Lithium und Kalium zu reagieren. Nichtmetallische reaktive Elemente wie Fluor und Jod besiedeln ein anderes.

Der französische Geologe Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois erkannte als erster, dass sich Elemente in wiederkehrenden Mustern gruppieren lassen. Er zeigte die 1862 bekannten Elemente, geordnet nach ihrem Gewicht, als Spirale, die um einen Zylinder gewickelt war ( siehe Abbildung unten ). Elemente, die auf diesem Zylinder senkrecht zueinander ausgerichtet waren, hatten ähnliche Eigenschaften.

Aber es war das Organisationsschema, das Dmitri Mendelejew, ein heißgelaunter Russe, geschaffen hatte, der behauptete, Gruppierungen von Elementen in einem Traum gesehen zu haben, das die Zeit überdauerte. Sein Periodensystem von 1871 war nicht perfekt; Es wurden beispielsweise acht Elemente vorhergesagt, die nicht existieren. Es wurde jedoch auch Gallium (jetzt in Lasern verwendet), Germanium (jetzt in Transistoren verwendet) und andere zunehmend schwere Elemente korrekt vorausgesagt.

Das Mendeleev-Periodensystem akzeptierte leicht eine brandneue Säule für Edelgase wie Helium, die sich bis zum Ende des 19. Jahrhunderts der Entdeckung entzogen hatte, weil sie nicht mit anderen Elementen reagieren wollten.

Das moderne Periodensystem entspricht mehr oder weniger der Quantenphysik, die im 20. Jahrhundert eingeführt wurde, um das Verhalten subatomarer Teilchen wie Protonen und Elektronen zu erklären. Darüber hinaus haben sich die Gruppierungen größtenteils als schwerere Elemente bestätigt. Bohrium, wie das Element 107 nach seiner Entdeckung im Jahr 1981 genannt wurde, passt so gut zu den anderen sogenannten Übergangsmetallen, die es umgeben. Einer der Forscher, der es entdeckte, erklärte, Bohrium sei langweilig.

Aber interessante Zeiten können noch bevorstehen.

Eine offene Frage betrifft Lanthan und Actinium, die mit den anderen Mitgliedern ihrer jeweiligen Gruppe weniger gemein haben als Lutetium und Lawrencium. Die IUPAC hat kürzlich eine Task Force eingesetzt, die sich mit diesem Thema befasst. Sogar Helium, Element 2, ist nicht einfach - es gibt eine alternative Version des Periodensystems, bei der Helium mit Beryllium und Magnesium anstelle seiner Edelgasnachbarn platziert wird, basierend auf der Anordnung aller seiner Elektronen anstelle nur der äußersten.

„Am Anfang, in der Mitte und am Ende des Periodensystems gibt es Probleme“, sagt Eric Scerri, Historiker in der Abteilung für Chemie an der University of California in Los Angeles.

Einsteins spezielle Relativitätstheorie, die Jahrzehnte nach Mendeleevs Tisch veröffentlicht wurde, führte auch einige Risse in das System ein. Die Relativität schreibt vor, dass die Masse eines Teilchens mit seiner Geschwindigkeit zunimmt. Dies kann dazu führen, dass sich die negativ geladenen Elektronen, die den positiv geladenen Kern eines Atoms umkreisen, merkwürdig verhalten und die Eigenschaften eines Elements beeinflussen.

Denken Sie an Gold: Der Kern ist mit 79 positiven Protonen gefüllt. Damit die Elektronen des Goldes nicht nach innen fallen, müssen sie mit mehr als der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit herumflitzen. Das macht sie massiver und zieht sie in eine engere Umlaufbahn mit niedrigerer Energie. In dieser Konfiguration absorbieren die Elektronen blaues Licht, anstatt es zu reflektieren, und verleihen den Eheringen ihren unverwechselbaren Glanz.

Der berüchtigte bongospielende Physiker Richard Feynman soll sich auf die Relativitätstheorie berufen haben, um das Ende des Periodensystems bei Element 137 vorherzusagen. Für Feynman war 137 eine „magische Zahl“ - es war aus keinem offensichtlichen Grund anderswo in der Physik aufgetaucht. Seine Berechnungen ergaben, dass sich Elektronen in Elementen jenseits von 137 schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und somit die Relativitätsregeln verletzen müssen, um einen Zusammenstoß mit dem Kern zu vermeiden.

Neuere Berechnungen haben diese Grenze inzwischen überschritten. Feynman behandelte den Kern als einen einzigen Punkt. Lassen Sie es zu, dass es sich um eine Kugel aus Partikeln handelt, und die Elemente können bis etwa 173 weiterlaufen. Dann bricht die Hölle los. Atome jenseits dieser Grenze können existieren, aber nur als seltsame Kreaturen, die in der Lage sind, Elektronen aus dem leeren Raum zu beschwören.

Relativitätstheorie ist nicht das einzige Problem. Positiv geladene Protonen stoßen sich gegenseitig ab. Je mehr Sie in einen Kern packen, desto weniger stabil ist er. Uran mit einer Ordnungszahl von 92 ist das letzte Element, das stabil genug ist, um auf der Erde auf natürliche Weise vorzukommen. Jedes Element dahinter hat einen Kern, der schnell zerfällt, und ihre Halbwertszeit - die Zeit, die die Hälfte des Materials benötigt, um zu zerfallen - kann Minuten, Sekunden oder sogar Sekundenbruchteile betragen.

Schwerere, instabile Elemente mögen an anderer Stelle im Universum existieren, wie in dichten Neutronensternen, aber Wissenschaftler können sie hier nur untersuchen, indem sie leichtere Atome zu schwereren zusammenschlagen und dann die Zerfallskette durchforsten.

„Wir wissen wirklich nicht, welches der schwersten Elemente überhaupt existieren könnte“, sagt der Atomphysiker Witold Nazarewicz von der Michigan State University.

Die Theorie sagt voraus, dass es einen Punkt geben wird, an dem unsere im Labor hergestellten Kerne nicht lange genug leben werden, um ein richtiges Atom zu bilden. Ein radioaktiver Kern, der in weniger als zehn Billionen Sekunden zerfällt, hätte keine Zeit, Elektronen um sich zu sammeln und ein neues Element zu bilden.

Dennoch erwarten viele Wissenschaftler Inseln der Stabilität, auf denen superschwere Elemente relativ langlebige Kerne haben. Das Laden bestimmter superschwerer Atome mit vielen zusätzlichen Neutronen könnte Stabilität verleihen, indem verhindert wird, dass sich die protonenreichen Kerne verformen. Beispielsweise wird erwartet, dass das Element 114 bei 184 eine magisch stabile Anzahl von Neutronen aufweist. Es wurde auch vorhergesagt, dass die Elemente 120 und 126 das Potenzial haben, dauerhafter zu sein.

Einige Behauptungen über eine extrem hohe Stabilität sind jedoch bereits auseinandergefallen. In den späten 1960er Jahren vermutete der Chemiker Edward Anders, dass Xenon in einem Meteoriten, der auf mexikanischen Boden fiel, aus dem Zusammenbruch eines mysteriösen Elements zwischen 112 und 119 stammt, das stabil genug wäre, um in der Natur vorzukommen. Nachdem er Jahre damit verbracht hatte, seine Suche einzugrenzen, zog er schließlich seine Hypothese in den 1980er Jahren zurück.

Die Vorhersage der potenziellen Stabilität schwerer Elemente ist nicht einfach. Die Berechnungen, die enorme Rechenleistung erfordern, wurden für viele der bekannten Player nicht durchgeführt. Und selbst wenn ja, ist dies ein sehr neues Gebiet für die Kernphysik, wo selbst kleine Änderungen der Inputs tiefgreifende Auswirkungen auf die erwarteten Ergebnisse haben können.

Eines ist sicher: Es wird schwieriger, jedes neue Element herzustellen, nicht nur, weil kurzlebige Atome schwerer zu erkennen sind, sondern auch, weil für die Herstellung von Superschwierigkeiten möglicherweise Strahlen von Atomen erforderlich sind, die selbst radioaktiv sind. Unabhängig davon, ob das Periodensystem ein Ende hat oder nicht, kann unsere Fähigkeit, neue zu erstellen, ein Ende haben.

"Ich denke, wir sind noch weit vom Ende des Periodensystems entfernt", sagt Scerri. "Der limitierende Faktor scheint momentan der menschliche Einfallsreichtum zu sein."

Anmerkung der Redaktion: Die Zugehörigkeit von Witold Nazarewicz wurde korrigiert.

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