Je leest:

Speuren naar het Eiland van Stabiliteit

Speuren naar het Eiland van Stabiliteit

Auteur: | 21 augustus 2003

Als atomen op elkaar botsen, smelten ze soms samen tot superzware, nieuwe elementen. Vaak vallen die in een oogwenk weer uiteen. Maar in de verte lokt het Eiland van Stabiliteit. Wat valt daar te ontdekken?

Uup: superzwaar scheikundig element met atoomgetal 115. Totdat de ontdekking officieel is bekendgemaakt, heeft het nog geen eigen naam. Het wordt kortweg aangeduid als Uup. Die afkorting staat voor ununpentium, ofwel ‘één-éen-vijf’ volgens een classificatie die bedacht is door de International Union for Pure and Applied Chemistry.

Wat zou een goede naam zijn voor Uup? Alienum: ‘element der buitenaardsen’? Of beter nog misschien: ufonium? Volgens Robert Lazar, een Amerikaan die claimt te hebben gewerkt voor het supergeheime regeringsproject ‘Area S-4’ (dichtbij de geheimzinnige luchtmachtbasis ‘Area 51’ ten noorden van Las Vegas), wordt Uup gebruikt als stuwmiddel in vliegende schotels. Volgens Lazar waren eind jaren tachtig van de vorige eeuw negen vliegende schotels in hangars in de heuvels ondergebracht. Lazar klapte uit de school en kwam op televisie. Vervolgens werd hij een nationale bekendheid. Samen met het vermeende UFO-ongeluk bij Roswell droeg zijn verhaal bij tot een deel van het scenario voor de sf-rampenfilm Independance Day (1996).

Uup is stabiel, zegt Lazar. Het valt dus niet binnen korte tijd uiteen, zoals andere superzware elementen. Zo hebben rutherfordium (Rf), dubnium (Db), seaborgium (Sg), bohrium (Bh), hassium (Hs) of meitnerium (Mt) – de elementen 104 tot en met 109 die een paar jaar geleden een naam kregen – halfwaardetijden (de tijdsduur waarin de helft van het element is uiteengevallen) van slechts 70 milliseconden tot hooguit 1,1 minuut.

Tabel met de tot nu toe ontdekte elementen. bron: Carl Koppeschaar

“Dat Uup niet op aarde voorkomt, is geen wonder. Het komt alleen voor in planetenstelsels rond zeer massieve sterren,” vertelt Lazar. “In de door mij onderzochte UFO-reactor wordt element 115 beschoten met een proton. Dat nestelt zich in de kern van het 115-atoom, dat daardoor een atoomgetal van 116 krijgt. (Het atoomgetal duidt op het aantal protonen in een atoomkern.) Element 116 valt onmiddellijk uit elkaar. Daarbij ontstaan naast minder zware elementen ook kleine hoeveelheden anti-materie. De antimaterie wordt opgevangen in een magnetische opslagring. Doordat het in een magnetisch veld gevangen blijft, botst het niet tegen de wanden en vindt dus geen reactie met gewone materie plaats . Pas later botst het op een plasma van gewone materie. Dan treedt annihilatie op. Materie en anti-materie vernietigen elkaar namelijk volkomen. De hitte die als gevolg van de annihilatie vrijkomt, wordt in elektrische energie omgezet. Zo ontstaat een honderd procent efficiënte thermo-elektrische generator. Maar nog veel spectaculairder zijn de overige eigenschappen. Door onderzoek met een nevelkamer kwamen we erachter dat Uup niet alleen gebruikt wordt omwille van de energie, maar ook voor het opwekken van anti-zwaartekracht! Dat zagen we aan de duidelijke afwijkingen die het teweegbracht in de banen van zogenaamde alfadeeltjes. Voor zover we konden nagaan, waren alle buitenaardse toestellen voorzien van 223 gram ununpentium. De substantie had een driehoekige vorm en bevond zich in het midden van de reactoren.”

Lazarium of belazerium?

Dr. David Morgan, een deeltjefysicus die verbonden is aan de Ross School in de Amerikaanse staat New York, ligt dubbel van het lachen. "Wat een kolder! Het lijken de verzonnen dilithium-kristallen uit Star Trek wel, waarmee zogenaamd warp-snelheid wordt opgewekt. Het verbaast me dat Bob Lazar ‘zijn’ element niet naar zichzelf heeft vernoemd als lazarium! Laat toch niemand wat hij zegt geloven! Hij claimt natuurkundige te zijn geweest bij het Los Alamos National Laborarory. Maar we zijn er inmiddels achter dat hij in de buurt alleen maar een fotozaak had en wat werk deed voor het laboratorium. Door de rechtbank is hij later ook als oplichter veroordeeld.

“Lazar heeft echt geen flauwe notie hoe deeltjesfysica écht in elkaar zit. Zo stelt hij dat een zwaardere – in werkelijkheid massievere – ster een grotere hoeveelheid zware elementen bevat. Dat is je reinste onzin. Zware elementen worden niet door normale kernfusieprocessen in sterren gevormd. Dat gebeurt alleen als een ster ontploft als supernova. Door supernova-explosies verspreiden ze zich door de melkwegstelsels. Het voorkomen van zware elementen in een zonnestelsel hangt dus niet af van de eigenschappen van de huidige moederster van een planetenstelsel, maar van die van de vorige generatie sterren in de omgeving. Als het een stabiel element zou zijn, zou het overal voorkomen. Dus ook op aarde.”

Ununquadium

Zal element 115 wel worden gevonden? Tot nu toe zijn deeltjesfysici alleen nog maar gekomen tot het vervaardigen van element 114 en is een glimp van element 116 opgevangen. Element 114 – voorlopig Uuq of ununquadium gegenoemd – werd in 1999 ontdekt door Russische natuurkundigen van het Joint Institute of Nuclear Research (JINR) in Dubna, in samenwerking met Amerikaanse colega’s van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Zij schoten speciale calciumkernen op plutonium, net zo lang tot die bleven plakken. Overigens viel het nieuw gevormde element alweer na 30,4 seconden uit elkaar.

Recept voor een nieuw element

Element 114 ontstaat als een calciumkern met zoveel kracht op een plutoniumkern bost dat de twee positief geladen kernen elkaar niet meer kunnen afstoten. Op dat moment vindt een fusie plaats waarbij 3 neutronen worden uitgestoten. Het nieuwe element, ununquadium, vervalt na iets meer dan 30 seconden tot lichtere elementen.

Wie element 114 zelf wil maken kan het volgende recept gebruiken (naar het ‘Kookboek’ van het Lawrence Livermore National Laboratory):

Ingrediënten: · 2 gram calcium-48, een zeldzame isotoop van calcium die veel neutronen bevat. Van de 100.000 calciumatomen zijn er slechts 187 calcium-48. · 30 milligram plutonium-244, een langlevende isotoop van plutonium die veel neutronen bevat. Van deze isotoop is op aarde slechts 3 gram voorradig. · de U400-cyclotron in het Russische Dubna om de calciumkernen tot 10 procent van de lichtsnelheid te kunnen opjagen. · een met gas gevulde ‘recoil separator’ voor het verwijderen van ongewenste reactieproducten · een positie-gevoelige detector voor het opvangen van reactieproducten · 2 computers. Eén voor de oplag en één voor de analyse van gegevens · tientallen Russische technici en assistenten voor de controle van de versneller · 19 Russische wetenschappers · 5 Amerikaanse wetenschappers

Bereiding: Meng de eerste zeven ingrediënten en gebruik 0,3 milligram calcium-48 per uur. Laat dit 6 maanden lang onafgebroken sudderen. Gebruik de laatste twee ingrediënten om de 7 gigabytes informatie te doorzoeken naar element 114 (Uuq). Garneer met verschillende publicaties die het resultaat beschrijven.

Aantal porties: Zeer weinig. Na twee experimenten van een half jaar elk ontstond één atoom Uuq-289 met een halfwaardetijd van 30 seconden en vormden zich twee atomen Uuq-288 met een halfwaardetijd van 2 seconden.

Russen en Amerikanen zijn niet de enigen die jacht maken op nieuwe, extreem zware elementen. Ook de Japanners zijn van de partij. En niet te vergeten de Duitse onderzoekers van het Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Bij hun onderzoek is telkens de vraag hoeveel protonen en neutronen zich nog bij elkaar laten voegen tot een stabiele atoomkern. Het zwaarste stabiele element dat in de natuur voorkomt, is uranium met atoomgetal 92. Naast 92 protonen bevat de atoomkern van uranium ook nog 138 tot 147 neutronen, afhankelijk van welke isotoop of radioactieve variant van uranium het betreft. Boven atoomgetal 92 worden alleen radioactieve elementen gevonden. Naarmate die zwaarder worden, vallen ze binnen steeds kortere tijd weer uiteen. Alleen neptunium en plutonium komen als sporenelementen voor in uraniumerts. De rest wordt gemaakt in kernreactoren, of door beschietingen van atoomkernen met reusachtige deetljesversnellers.

Zee van instabiliteit

Maar zijn al die superzware elementen wel zo instabiel? Veertig jaar geleden rees al het vermoeden dat sommige configuraties van protonen en neutronen wel eens langer zouden kunnen blijven bestaan. Voorbij uranium zou dat het eerst moet gebeuren bij element 114. Ununquadium zou een rotspunt kunnen zijn in een ‘zee van instabiliteit’. En voorbij dat rotspunt zou nog een veel groter ‘Eiland van Stabiliteit’ kunnen liggen, vermoedelijk bij atoomgetal 126.

Driedimensionale ‘landkaart’ van de zware elementen en hun isotopen. De landtong wordt gevormd door de redelijk stabiele transuranen. In de gebieden van de landtong staat hoe deze atomen kunnen worden gemaakt. Het rode ‘eiland’ stelt het kunstmatige element 112 voor.

“De gang door de zee van instabiliteit is een zeer moeizame,” zegt dr. Witek Nazarewicz, theoretisch natuurkundige verbonden aan de universiteit van Tennessee en het Oak Ridge National Laboratory. “In de beginperiode van 1896 tot 1940 had je het werk van het Franse echtpaar Curie en de ontdekking van polonium. Het Manhattan Project markeerde de tweede periode van 1940-1952, toen onder andere plutonium in het ‘periodiek systeem van de elementen’ terechtkwam. Van 1955 tot 1974 vond een soort van Koude Oorlog-competitie plaats tussen Russische onderzoekers in Dubna ten noorden van Moskou en Amerikaanse laboratoria in Berkeley. De vierde periode, van 1974 tot 1996 was in handen van de Duitsers, die in Darmstadt maar liefst zes nieuwe elementen ontdekten. De laatste drie daarvan, 110, 111 en 112 hebben nog geen naam vanwege allerlei politiek getouwtrek. De laatste drie ‘leven’ slechts duizendsten tot hooguit miljoensten van een seconde. Daarom is iedereen zo blij met element 114, omdat dat door zijn langere levensduur verraad dat we voet hebben gezet op op de kust van een nieuw land of in ieder geval zijn aangeland op een zandbank voor een groter eiland in de verte.”

Waarom zijn superzware elementen zo belangrijk? Nazarewicz: "Ze vormen het terra incognita of onbekende land voor natuurkundige ontdekkingsreizigers. Allereerst gaat het om de verkenning van de uiterste grenzen van de natuurkunde. Als je alle atoomkernen en hun isotopen uitzet in een grafiek, zie je een een hele bergketen. Die wordt geflankeerd door heuvels van radioactiviteit. Vlakbij de bergrug is de radioactiviteit gering en vervallen elementen in jaren tot uren. Hoe verder weg, des te sneller dat gaat, in minuten, seconden of zelfs onderdelen van een seconde. Maar niet alle combinaties van protonen en neutronen werken. Vandaar die omringende zee van instabiliteit, waar kernen net zo snel vervallen als ze ontstaan. In ieder geval binnen de grenzen van de onzekerheid van 10-21 seconde.

“Nieuwe, exotische deeltjes kunnen heel andere eigenschappen hebben. Ze kunnen bijvoorbeeld grote hoeveelheid energie uitstralen tijdens hun radioactief verval. Zo’n eigenschap zou weleens benut kunnen worden in de nucleaire geneeskunde. Andere spelen wellicht een belangrijke rol bij processen die zich afspelen aan het einde van het leven van een ster, met name supernova explosies. Van sommige atoomkernen vermoeden we dat ze kunnen overleven op de buitenste korst van een neutronenster.

“Uiteraard is er ook overal drijfzand. Zo kraaiden in 1999 onderzoekers in Berkely victorie omdat ze de elementen 116 en 118 zouden hebben gevonden. Later bleken dat waarnemingsfouten te zijn. Trouwens: hoe verder we komen, des te moelijker het is voorspellingen te doen. Als je kijkt naar de banen van de elektronen rondom atoomkernen, zie je dat die instabiel worden bij atoomgetal 137. Bij dat element zou de snelheid van de elektronen die het dichtst om de kern draaien zo groot worden als de lichtsnelheid. Het vacuüm wordt daar instabiel. Er ontstaan dan elektronen en hun anti-deeltjes, de positronen. Zulke nieuwe elementen zouden weleens fabriekjes kunnen zijn van antimaterie.”

Dus tóch een element zoals ‘lazarium’? Nazarewicz: “Pas op, want tot zover is alles theorie en dus nog pure speculatie! Sommigen zeggen dat de kritische grens niet ligt bij element 137, maar bij element 173. Maar om dat te maken heb je tien tot vijftig maal krachtiger bundels van deeltjesversnellers nodig. Het duurt nog wel een eeuw voordat die zijn gebouwd. Gelukkig ben ik theoretisch natuurkundige en geen atomenpletter. Ik hoef niet te schipperen. Ik probeer dat onbekende eiland alvast te verkennen in theorie.”

Periodiek systeem van de elementen

De elementen die in de natuur voorkomen of kunstmatig zijn gemaakt, kunnen worden gerangschikt tot een ‘periodiek systeem’. Periodiek wil zeggen dat zich een bepaald regelmaat voordoet. Atoomkernen worden omringd door een of meer schillen waarin zich negatief geladen elektronen bewegen. De opbouw en rangschiking van die elektronenstructuur herhaalt zich bij opklimmend atoomgetal. Daardoor kunnen elementen worden ingedeeld in kolommen met sterk gelijkende chemische eigenschappen. Alle elementen met een atoomgetal groter dan 83 (bismuth) vertonen radioactief verval. Dit verval vindt plaats door de uitstoting van heliumkernen (alfadeeltjes) of elektronen (bètadeeltjes). Het radioactief verval gaat door totdat een stabiel element overblijft. Zo vervalt plutonium net zo lang totdat alleen nog stabiel lood over is. Zeer zware elementen zijn uitermate instabiel. Element 114 vormt een uitzondering omdat het in dezelfde kolom als lood ligt en enkele eigenschappen daarvan gemeen heeft. Verwacht wordt dat er ook zeer stabiele superzware elementen bestaan met vervaltijden van miljarden jaren. Natuurkundigen vermoeden dat ze behoren tot de nog hypotetische groep van ‘superactiniden’, ofwel de elementen 122-153. De zoektocht naar deze elementen, die misschien wel zeer bijzondere eigenschappen hebben, is in volle gang.

…en werkelijkheid

Dit artikel is een publicatie van Astronet.
© Astronet, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 augustus 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.