De tabel van Mendelejev krijgt er een rij bij. Big deal, denkt u? Toch wel. De uitbreiding van de periodieke tafel maakt deel uit van een internationale wedloop die in het verleden kwalijk uitpakte, en doet vervelende vragen rijzen. Zoals: moet de wetenschap zich hier wel mee bezighouden?
Vroeg in de negentiende eeuw kreeg men de eerste, vage vermoedens dat de complete chemie wel eens op een onderliggend patroon gebaseerd zou kunnen zijn. Dat idee kwam er met de ontdekking van lithium, natrium en kalium, die samen de alkalimetalen vormen. Hoewel ze nogal van elkaar verschillen, hebben die drie elementen opvallend gelijksoortige eigenschappen. Voor de Duitse chemicus Johann Döbereiner was het een van de aanleidingen om zich af te vragen of misschien niet alle chemische elementen bepaalde familietrekjes vertonen. Het duurde tientallen jaren om uit de hypothese van Döbereiner harde feiten te kunnen distilleren, en zo de periodieke tafel te kunnen opstellen – waarin de alkalimetalen de eerste kolom vormen. Pas nog eens tientallen jaren later zou men erin slagen om precies uit te leggen waarom de tabel klopt (het heeft te maken met de manier waarop elektronen zichzelf opstellen in een baan rond de atoomkern).
Er is een passend eerbetoon aan het vernuft van Döbereiner op komst. Als alles volgens plan verloopt, wordt er in de komende maanden een nieuw alkalimetaal gecreëerd: element nummer 119. De vader van dat nieuwe element is ook een Duitser: Christoph Düllmann van het GSI Helmholtz- zentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. En door dat element toe te voegen, gebeurt er iets met de periodieke tabel wat nooit eerder is gebeurd. Er komt een rij bij.
Vingers kruisen
Het atoomnummer van een element slaat op het aantal protonen in zijn kern. Hoewel die positief geladen zijn, en elkaar dus afstoten, worden ze bij elkaar gehouden door een fenomeen dat de strong nuclear force (sterke nucleaire kracht) wordt genoemd. Een deel van die kracht wordt ook aangeleverd door de neutronen, die in de meeste kernen talrijker aanwezig zijn dan de protonen en geen elektrische lading hebben. Maar als er te veel of te weinig neutronen in een kern zijn, wordt die onstabiel, of anders gezegd: radioactief. Door de grillen van de kwantumfysica gebeurt het dat ’te veel’ en ’te weinig’ elkaar al eens overlappen en dat er dus geen stabiele isotoop (variant, met meer of minder neutronen) is van een bepaald element.
Dat gebeurt op twee plaatsen in het midden van de tabel, een soort eilanden van instabiliteit. Net daardoor komt het dat technetium (element 43) en promethium (61) altijd radioactief zijn (en in de natuur niet voorkomen in meetbare hoeveelheden). Hoe lager in de tabel, waar de kernen zwaarder worden en de elementen minder bekend zijn, hoe vaker instabiliteit voorkomt. Geen enkel element zwaarder dan lood (nummer 82) heeft een stabiele isotoop en boven nummer 92 (uranium) is de levensduur zo kort dat die stoffen zo goed als nooit in de natuur voorkomen. Dat soort ’transurane’ elementen kunnen echter wel kunstmatig gemaakt worden, door de fusie van lichtere elementen. En dat is precies wat Düllmann wil doen met element 119, door titaniumatomen (nummer 22) af te vuren op berkelium-atomen (97) en de vingers te kruisen dat sommige daarvan zullen samensmelten.
Zo’n nieuw element maken, is geen makkelijk klusje. De titanium-atomen moeten snel genoeg bewegen door de deeltjesversneller van het GSI om de afstotingskracht tussen hun protonen en die van berkelium te overwinnen. Te snel is dan ook weer niet goed, om te vermijden dat het nieuw gevormde atoom 119 uit elkaar spat voor het zich gevormd heeft. Düllmann vertrouwt erop dat hij de juiste balans zal vinden zodat er zich in de komende maanden één of twee atomen van het element 119 zullen vormen en dat die atomen lang genoeg zullen bestaan om gedetecteerd te worden.
Als het lukt, wordt het een mooie overwinning voor het GSI in de vriendelijke competitie die het instituut uitvecht met het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië (waar berkelium naar werd vernoemd) en het Gezamenlijk Instituut voor Nucleair Onderzoek in het Russische Dubna (waar dubnium, nummer 105, naar werd vernoemd). Nummer 110 is darmstadtium, en onder elkaar zijn die drie labs verantwoordelijk voor de creatie van alle transuranen die er tot nog toe zijn gevormd. Met als bekendste plutonium, het element dat in 1945 Nagasaki van de kaart veegde en zo het einde van de Tweede Wereldoorlog inluidde.
Eiland van stabiliteit
De transurane research is ondertussen een stuk vredelievender dan in de jaren veertig. Zozeer dat sceptici zich afvragen wat nu eigenlijk het nut is om nieuwe elementen te creëren van slechts enkele atomen groot en voor weinig andere reden dan om aan te tonen dat het kán.
Toch zit er een verklaring achter. Net zoals technetium en promethium ‘eilanden van instabiliteit’ zijn in delen van de tabel die normaal niet radioactief zijn, denken heel wat natuurkundigen dat er in het onstabiele deel onderaan ook een ‘eiland van stabiliteit’ moet bestaan. Hun voorspelling is dat atoomkernen met 184 neutronen (die een atoomnummer rond de 120 hebben) een zeer lange levensduur zullen hebben van misschien zelfs miljoenen jaren. Dat zou hen toch tenminste de kans geven om hun nut te bewijzen.
Met Düllmanns versie van element 119 zijn we er nog niet. Dat element zal maar 177 neutronen tellen. Maar als het gemaakt kan worden, is het een mooi opstapje naar het mythische eiland van de stabiliteit, waarvan iedereen het eens is dat het een zinvolle bestemming is. Dat het de Duitsers ook de kans geeft om de Amerikanen en de Russen een neus te zetten, is uiteraard puur toeval.
© The Economist – Vertaling en bewerking: Frederic Petitjean
Wat is het nut van elementen creëren, behalve bewijzen dat de wetenschap het kán?
