Hvor tunge grundstoffer kan man fremstille?

De tunge grundstoffer med atomnumrene 113, 115, 117 og 118 blev fremstillet for år tilbage, men først for nylig har den internationale kemi-organisation International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) bekræftet, at de fire nye grundstoffer har fået plads i det periodiske system.

Spørgsmålet er, hvor tunge grundstoffer det egentlig er muligt at skabe?

Sådan lyder spørgsmålet fra Kim Michaelsen, der også gerne vil vide, hvor mange grundstoffer, der er naturligt forekommende, og hvor mange der er menneskeskabte.

Og det er et godt spørgsmål – men lad os først slå fast, at der findes et begrænset antal forskellige atomer, som alting består af.

Atomet består af en kerne med protoner og neutroner, omgivet af en sky af elektroner. Og hver slags atom har et atomnummer, der fortæller, hvor mange protoner, der findes i atomkernen.

94 naturlige grundstoffer

Et grundstof er et stof, der udelukkende består af atomer med det samme atomnummer.

Og så er vi klar til det sidste spørgsmål, for nu at tage det først: Alle grundstoffer fra nr. 1 (brint) til nr. 94 (plutonium) kan findes i naturen.

Bortset fra et par enkelte undtagelser findes grundstof nr. 1 til 82 som stabile isotoper (grundstofvarianter), mens grundstoffer med atomnummer 83 og derover alle er radioaktive og henfalder til andre grundstoffer.

I dag er der 118 grundstoffer

Et tungt, naturligt grundstof som uran (med atomnummer 92) henfalder til andre grundstoffer, men det kan stadig findes i naturen, fordi det har en meget lang halveringstid på 4,5 milliarder år – hvilket omtrent svarer til Jordens alder. Siden Jorden blev skabt, er halvdelen af al uran-238 forsvundet, men der er altså stadigvæk en del tilbage.

Det er dog ikke alle grundstofferne, der har været her altid. Nogle af dem skabes hele tiden ved henfald af uran. Og de tungeste naturlige grundstoffer neptunium (nr. 93) og plutonium (nr. 94) er dannet i naturens egne atomreaktorer på samme måde som i en reaktor på et atomkraftværk.

Grundstoffer med højere atomnummer end 94 er alle menneskeskabte, enten i atomreaktorer eller ved hjælp af partikelacceleratorer.

I dag finder man 118 grundstoffer i det periodiske system. De første 112 samt nummer 114 og 116 har fået rigtige navne, mens de fire, der er opdaget senest, indtil videre må nøjes med midlertidige, besværlige navne som for eksempel ununoctium (nr. 118). Det er nemlig en langstrakt proces af få godkendt et navn til et nyt grundstof.

To kræfter skal være i balance

Men hvorfor findes der ikke tungere grundstoffer? Det spørger vi Jens Jørgen Gaardhøje om, for han er professor på Niels Bohr Institutet og ekspert i eksperimentel subatomar fysik.

»Det hænger sammen med, at der er to kræfter, der er aktive i en atomkerne. Dels er der en frastødning mellem de positive ladninger, der er i kernen, dels er der en tiltrækkende kræft mellem kernepartiklerne,« fortæller han.

»En atomkernes stabilitet opstår som følge af en balance mellem den tiltrækkende kraft og den frastødende kraft.«

Atomkerner består nemlig af protoner med en positiv ladning og neutroner, der ikke har nogen ladning. Den elektromagnetiske kraft mellem de positivt ladede protoner prøver at rive atomkernen itu, mens den kortrækkende stærke vekselvirkning, der virker mellem alle kernepartiklerne, holder sammen på atomkernen.

Store atomkerner spaltes i to

De neutrale neutroner kan opfattes som den lim, der holder kernen sammen – og trodser den kraft, der prøver at holde protonerne væk fra hinanden.

»Den tiltrækkende kraft har meget kort rækkevidde. Den virker stort set på en afstand fra en proton til en neutron. Mens den elektriske kraft har meget lang rækkevidde,« forklarer Jens Jørgen Gaardhøje.

»Det betyder, at når en atomkerne bliver meget stor, så har de tiltrækkende kræfter svært ved at holde sammen på den i konkurrence med de frastødende elektriske kræfter. Så sker der det, at kernen spaltes i to stykker.«

Så derfor er der grænser for, hvor tunge atomer kan blive. Hvilket jo ikke forhindrer forskerne i at prøve at skabe grundstoffer, der er tungere (har højere atomnummer) end de hidtil sete.

Fysikerne søger særligt stabile atomer

Fysikerne mener nemlig, at der godt kan eksistere tunge grundstoffer, der ikke forsvinder igen på en brøkdel af et sekund. For der er også effekter, der stabiliserer atomkerner, siger Jens Jørgen Gaardhøje:

»Et specielt antal protoner og neutroner fører til en særlig stabilitet. Derfor har man forudsagt, at der også kan findes supertunge kerner, der kunne være særligt stabile – at de kan have lange levetider.«

Sådanne supertunge, nogenlunde stabile grundstoffer kan måske være nyttige, så derfor forsøger fysikerne at fremstille dem i laboratorier. Men det er ikke spor nemt – det tager mange år med forsøg, før det lykkes.

Tunge atomkerner under beskydning

De tungeste atomer er dannet ved at få to andre atomer til at smelte sammen (fusionere). Forskerne finder et passende forholdsvis tungt grundstof, som beskydes med et lettere grundstof – og så håber forskerne, at de to grundstoffer fusionerne i ny og næ.

De seneste mange år har det været et internationalt hold, der har skabt nye, tunge grundstoffer på forskningscenteret JINR i Rusland. Og disse forskere vil fortsætte bestræbelserne på at fremstille grundstoffer, der er endnu tungere end nr. 118.

Med dette svar håber vi, at Kim Michaelsen – og forhåbentlig også andre læsere – har fået tilfredsstillet nysgerrigheden omkring grundstoffer. Vi sender en T-shirt som tak for spørgsmålet.

Du kan selv stille et spørgsmål om alt mellem himmel og jord ved at sende en mail til sv@videnskab.dk.