Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 04:44 • sest 22:21 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 23:29 • Sest 21:40 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 03:29 • Síðdegis: 16:04 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 09:40 • Síðdegis: 22:28 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Eru enn til ófundin frumefni og gæti eitthvert þeirra verið stöðugt?

Páll Theodórsson (1928-2018)

Fundin hafa verið 112 frumefni. Svarið við spurningunni er í stuttu máli: Já, líklega er hægt, með miklum tilkostnaði, að búa til ný frumefni en að öllum líkindum væri ekkert þeirra stöðugt. Hér á eftir er fjallað nánar um sögu frumefnanna.

Rússneski efnafræðingurinn Mendelejev lagði grunninn að lotukerfi frumefnanna árið 1869 þegar hann sýndi fram á að svipaðir efnafræðilegir eiginleikar komu lotubundið fram þegar frumefnunum var raðað eftir vaxandi atómmassa. Á árunum 1911-1914 fékkst dýpri skilningur á lotukerfinu í kjölfar kjarneðlisfræðilegra rannsókna. Atómlíkan Rutherfords (1911) var fyrsta skrefið, en samkvæmt því er nær allur massi atómsins í örsmáum kjarna sem hefur jákvæða hleðslu, heilt margfeldi af hleðslu róteindarinnar.

Líkan Rutherfords sagði fátt um afstöðu rafeindanna til kjarnans. Tveimur árum síðar bætti Bohr úr þessu þegar hann gerði ráð fyrir að rafeindirnar sveimuðu umhverfis kjarnann á misvíðum hvelum og ákveðinn hámarksfjöldi gæti setið í hverju hveli. Kenning Bohrs skýrði lotukerfið á einfaldan hátt og sagði fyrir um eiginleika þeirra frumefna sem vantaði í auð sæti í lotukerfinu. Ári síðar fann Moseley aðferð til að mæla fjölda róteinda í kjarna atómanna (táknaður með sætistölunni Z) út frá bylgjulengd röntgengeisla sem atómin sendu frá sér þegar orkuríkum rafeindum var skotið á þau. Nú var fyrst mögulegt að raða frumefnum með öryggi í sæti í lotukerfinu, allt frá fyrsta sæti (vetni Z=1) til hins síðasta sem þá var þekkt (úran Z=92).

Árið 1933 hófst nýr kafli í sögu efnafræðinnar, en hann fjallar um tilbúin eða manngerð geislavirk frumefni. Þetta ár tók ítalski eðlisfræðingurinn Enrico Fermi að beina straumi nifteinda, sem var nýbúið að uppgötva, að fjölmörgum frumefnum. Við þetta ná atómkjarnar að binda nifteind og verður þá til ný samsæta af frumefninu sem er jafnan geislavirk. Sömmu síðar tókst að smíða hraðla sem gefa frá sér orkurík kjarnaskeyti (vetnis- og helínkjarna) sem nota má til að breyta kjörnum atóma og búa þannig til nýja kjarna, sem eru oftast geislavirkir. Í Bandaríkjunum smíðaði Lawrence hringhraðal og í Englandi smíðaði Cockcroft línuhraðal. Á árunum 1937 til 1945 fundu vísindamenn með hinni nýju tækni geislavirkar samsætur margra frumefna. Öll frumefni lotukerfisins aftur að úrani voru nú fundin.

Á árunum eftir síðari heimsstyrjöld fengust með stórum kjarnaofnum margfalt öflugri nifteindagjafar og smíðaðir voru kjarnahraðlar af ýmsum gerðum sem gáfu frá sér æ orkuríkari kjarnaskeyti. Hefur nú tekist að búa til frumefni með sætistölu allt upp í 112. Ekkert frumefni handan úrans hefur stöðuga samsætu. Þrátt fyrir óstöðugleikann hafa nokkur þeirra verið framleidd í kílóatali og eitt, því miður, í tonnatali, en það er plúton (plutonium) sem er notað í kjarnorkusprengjur. Eitt efnanna er að finna á fjölda heimila, því að ameríkín (americium, Z=95) er notað í flesta reykskynjara.

Gríðarlegt fjármagn og mikið hugvit hefur þurft til að smíða risahraðla og búa til í þeim hin nýju frumefni. Auk þess þarf að sanna tilvist þeirra með því að skrá hvernig þau og dótturefni þeirra ummyndast. Þegar mendelefín (mendelevium) fannst fyrst árið 1955 tókst aðeins að mæla umbreytingu tveggja atóma. Vísindamenn þriggja landa (Bandaríkjanna, Þýskalands og fyrrverandi Sovétríkjanna) hafa keppst um að verða fyrstir til að finna ný frumefni og ávinna sér með því hefðbundinn rétt til að gefa þeim nöfn. Þar sem í nokkrum tilvikum hefur aðeins tekist að mæla ummyndun örfárra atóma af nýjum frumefnum, hefur stundum leikið vafi á réttmæti staðhæfinga um að nýtt frumefni hafi fundist og af þessu hafa sprottið deilur.

Aftast í lotukerfinu bíður nýtt frumefni (Z=112) eftir að hljóta viðurkennt nafn, en af því hefur enn aðeins verið mæld ein kjarnaummyndun. Það hefur bráðabirgðanafnið ununbium (sem þýðir einfaldlega einn-einn-tveir, samanber Z=112). Eftir að þunn blýhimna hafði verið geisluð í þrjár vikur samfellt með orkuríkum zinkkjörnum í línuhraðli í Darmstadt í Þýskalandi árið 1996 fékkst eitt atóm af frumefni númer 112, en það ummyndast á stuttum tíma í fimm þrepum, þar sem alfa-ögn kemur frá hverjum nýjum kjarna. Í mælitækinu var unnt að mæla orku allra alfa-agnanna og fékkst þannig örugg sönnun þess að röðin hófst með kjarna af frumefni í sæti 112.

Svarið við spurningunni er því: Frumefni allt upp í sæti 112 hafa nú verið fundin. Fræðilega séð er mögulegt að búa til þyngri kjarna, en með hækkandi sætistölu verður helmingunartíminn æ skemmri og æ kostnaðarsamara að framleiða slík efni. Því verður að teljast ólíklegt að lengra verði gengið eftir þessar braut og fræðilegir útreikningar sýna að afar ósennilegt er að nokkurt þeirra þeirra efna sem skipa sæti yfir atómnúmeri 112 sé stöðugt.

Um heimildir

Þessar upplýsingar eru að mestu teknar úr Bogen om grundstofferne eftir Henning Henriksen og Erik Pawlik, sem var gefin út hjá Gyldendal í Kaupmannahöfn 1998. Bókin er einstaklega fróðleg, með alþýðlegum og skemmtilegum skýringum úr sögu frumefnanna og um eiginleika þeirra og notkun og er hún prýdd fjölda frábærra mynda.

Höfundur

Páll Theodórsson (1928-2018)

eðlisfræðingur, vísindamaður emeritus við Raunvísindastofnun

Útgáfudagur

6.4.2000

Spyrjandi

Ingi Einar og Sigurður H.

Efnisorð

Tilvísun

Páll Theodórsson (1928-2018). „Eru enn til ófundin frumefni og gæti eitthvert þeirra verið stöðugt?“ Vísindavefurinn, 6. apríl 2000. Sótt 4. ágúst 2021. http://visindavefur.is/svar.php?id=321.

Páll Theodórsson (1928-2018). (2000, 6. apríl). Eru enn til ófundin frumefni og gæti eitthvert þeirra verið stöðugt? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=321

Páll Theodórsson (1928-2018). „Eru enn til ófundin frumefni og gæti eitthvert þeirra verið stöðugt?“ Vísindavefurinn. 6. apr. 2000. Vefsíða. 4. ágú. 2021. <http://visindavefur.is/svar.php?id=321>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Eru enn til ófundin frumefni og gæti eitthvert þeirra verið stöðugt?
Fundin hafa verið 112 frumefni. Svarið við spurningunni er í stuttu máli: Já, líklega er hægt, með miklum tilkostnaði, að búa til ný frumefni en að öllum líkindum væri ekkert þeirra stöðugt. Hér á eftir er fjallað nánar um sögu frumefnanna.

Rússneski efnafræðingurinn Mendelejev lagði grunninn að lotukerfi frumefnanna árið 1869 þegar hann sýndi fram á að svipaðir efnafræðilegir eiginleikar komu lotubundið fram þegar frumefnunum var raðað eftir vaxandi atómmassa. Á árunum 1911-1914 fékkst dýpri skilningur á lotukerfinu í kjölfar kjarneðlisfræðilegra rannsókna. Atómlíkan Rutherfords (1911) var fyrsta skrefið, en samkvæmt því er nær allur massi atómsins í örsmáum kjarna sem hefur jákvæða hleðslu, heilt margfeldi af hleðslu róteindarinnar.

Líkan Rutherfords sagði fátt um afstöðu rafeindanna til kjarnans. Tveimur árum síðar bætti Bohr úr þessu þegar hann gerði ráð fyrir að rafeindirnar sveimuðu umhverfis kjarnann á misvíðum hvelum og ákveðinn hámarksfjöldi gæti setið í hverju hveli. Kenning Bohrs skýrði lotukerfið á einfaldan hátt og sagði fyrir um eiginleika þeirra frumefna sem vantaði í auð sæti í lotukerfinu. Ári síðar fann Moseley aðferð til að mæla fjölda róteinda í kjarna atómanna (táknaður með sætistölunni Z) út frá bylgjulengd röntgengeisla sem atómin sendu frá sér þegar orkuríkum rafeindum var skotið á þau. Nú var fyrst mögulegt að raða frumefnum með öryggi í sæti í lotukerfinu, allt frá fyrsta sæti (vetni Z=1) til hins síðasta sem þá var þekkt (úran Z=92).

Árið 1933 hófst nýr kafli í sögu efnafræðinnar, en hann fjallar um tilbúin eða manngerð geislavirk frumefni. Þetta ár tók ítalski eðlisfræðingurinn Enrico Fermi að beina straumi nifteinda, sem var nýbúið að uppgötva, að fjölmörgum frumefnum. Við þetta ná atómkjarnar að binda nifteind og verður þá til ný samsæta af frumefninu sem er jafnan geislavirk. Sömmu síðar tókst að smíða hraðla sem gefa frá sér orkurík kjarnaskeyti (vetnis- og helínkjarna) sem nota má til að breyta kjörnum atóma og búa þannig til nýja kjarna, sem eru oftast geislavirkir. Í Bandaríkjunum smíðaði Lawrence hringhraðal og í Englandi smíðaði Cockcroft línuhraðal. Á árunum 1937 til 1945 fundu vísindamenn með hinni nýju tækni geislavirkar samsætur margra frumefna. Öll frumefni lotukerfisins aftur að úrani voru nú fundin.

Á árunum eftir síðari heimsstyrjöld fengust með stórum kjarnaofnum margfalt öflugri nifteindagjafar og smíðaðir voru kjarnahraðlar af ýmsum gerðum sem gáfu frá sér æ orkuríkari kjarnaskeyti. Hefur nú tekist að búa til frumefni með sætistölu allt upp í 112. Ekkert frumefni handan úrans hefur stöðuga samsætu. Þrátt fyrir óstöðugleikann hafa nokkur þeirra verið framleidd í kílóatali og eitt, því miður, í tonnatali, en það er plúton (plutonium) sem er notað í kjarnorkusprengjur. Eitt efnanna er að finna á fjölda heimila, því að ameríkín (americium, Z=95) er notað í flesta reykskynjara.

Gríðarlegt fjármagn og mikið hugvit hefur þurft til að smíða risahraðla og búa til í þeim hin nýju frumefni. Auk þess þarf að sanna tilvist þeirra með því að skrá hvernig þau og dótturefni þeirra ummyndast. Þegar mendelefín (mendelevium) fannst fyrst árið 1955 tókst aðeins að mæla umbreytingu tveggja atóma. Vísindamenn þriggja landa (Bandaríkjanna, Þýskalands og fyrrverandi Sovétríkjanna) hafa keppst um að verða fyrstir til að finna ný frumefni og ávinna sér með því hefðbundinn rétt til að gefa þeim nöfn. Þar sem í nokkrum tilvikum hefur aðeins tekist að mæla ummyndun örfárra atóma af nýjum frumefnum, hefur stundum leikið vafi á réttmæti staðhæfinga um að nýtt frumefni hafi fundist og af þessu hafa sprottið deilur.

Aftast í lotukerfinu bíður nýtt frumefni (Z=112) eftir að hljóta viðurkennt nafn, en af því hefur enn aðeins verið mæld ein kjarnaummyndun. Það hefur bráðabirgðanafnið ununbium (sem þýðir einfaldlega einn-einn-tveir, samanber Z=112). Eftir að þunn blýhimna hafði verið geisluð í þrjár vikur samfellt með orkuríkum zinkkjörnum í línuhraðli í Darmstadt í Þýskalandi árið 1996 fékkst eitt atóm af frumefni númer 112, en það ummyndast á stuttum tíma í fimm þrepum, þar sem alfa-ögn kemur frá hverjum nýjum kjarna. Í mælitækinu var unnt að mæla orku allra alfa-agnanna og fékkst þannig örugg sönnun þess að röðin hófst með kjarna af frumefni í sæti 112.

Svarið við spurningunni er því: Frumefni allt upp í sæti 112 hafa nú verið fundin. Fræðilega séð er mögulegt að búa til þyngri kjarna, en með hækkandi sætistölu verður helmingunartíminn æ skemmri og æ kostnaðarsamara að framleiða slík efni. Því verður að teljast ólíklegt að lengra verði gengið eftir þessar braut og fræðilegir útreikningar sýna að afar ósennilegt er að nokkurt þeirra þeirra efna sem skipa sæti yfir atómnúmeri 112 sé stöðugt.

Um heimildir

Þessar upplýsingar eru að mestu teknar úr Bogen om grundstofferne eftir Henning Henriksen og Erik Pawlik, sem var gefin út hjá Gyldendal í Kaupmannahöfn 1998. Bókin er einstaklega fróðleg, með alþýðlegum og skemmtilegum skýringum úr sögu frumefnanna og um eiginleika þeirra og notkun og er hún prýdd fjölda frábærra mynda.

...