Wetenschappers op zoek naar het mythische ‘eiland van stabiliteit’ moeten alle zeilen bijzetten. Onderzoek naar het superzware element flerovium wijst uit dat het eiland wat verder weg ligt dan gehoopt.

Het bestaan van het eiland van stabiliteit is voorspeld in de jaren zestig. De voorspelling draait om een groep superzware elementen. Deze elementen zijn over het algemeen hartstikke radioactief: ze komen niet in de natuur voor, en wanneer je ze in het lab maakt, vallen ze meestal in een fractie van een seconde uit elkaar.

Sommige varianten van deze superzware elementen – zogeheten isotopen – zouden in theorie echter toch redelijk stabiel moeten zijn. Wanneer je ze maakt, zouden ze uren-, dagen- of misschien zelfs jarenlang intact kunnen blijven. Deze isotopen vormen in een zee van instabiele elementen het mythische eiland van stabiliteit.

Stabiele superzware elementen zouden geweldig zijn voor de industrie. Ze zouden een uitstekende brandstof vormen, omdat ze door hun hoge massa veel energie bevatten en toch lang genoeg intact blijven om gebruikt te kunnen worden.

Flerovium

Het is alleen onduidelijk waar dit scheikundige Atlantis zich precies bevindt. De bedenkers ervan verwachtten dat de kustlijn zou beginnen bij flerovium, element 114 in het periodiek systeem. Een zware isotoop van flerovium – de variant met 184 neutronen in de kern – zou stabiel moeten zijn.

Dit viel echter een halve eeuw lang niet te controleren. Flerovium is heel moeilijk in het lab te maken. Als dit al eens lukte, dan viel het uit elkaar voordat scheikundigen het goed konden bestuderen. En de zware isotoop bleek al helemaal onmogelijk te produceren.

Calcium en plutonium

Kernfysici onder leiding van Dirk Rudolph van de Universiteit van Lund in Zweden hebben nu toch eindelijk inzicht gekregen in het vluchtige flerovium. Dat deden ze via een experiment in het GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (prachtige naam!) in het Duitse Darmstadt.

Eerst versnelden de onderzoekers zo’n 6 triljoen calciumatoomkernen tot 10 procent van de lichtsnelheid – een slordige 100 miljoen kilometer per uur. Vervolgens lieten ze deze kernen op een dunne laag plutonium knallen.

In een ingenieus experiment combineerden onderzoekers calcium en plutonium tot flerovium. Beeld: G. Otto, GSI/FAIR

Een calciumkern bevat 20 protonen en een plutoniumkern 94 protonen. Wanneer je zulke kernen loeihard op elkaar afschiet, smelten ze heel soms samen tot een kern met 114 protonen: een fleroviumkern. In het achttien dagen durende experiment zagen de onderzoekers dat enkele tientallen keren gebeuren.

Copernicium en darmstadtium

Wanneer twee van zulke kernen samensmelten, vloeit er altijd wat energie weg. Als gevolg daarvan raken de kernen onvermijdelijk een paar neutronen kwijt. De geproduceerde fleroviumkernen waren daardoor niet van de zware, mogelijk stabiele variant. Zoals verwacht vielen ze dus vrij snel weer uit elkaar. Maar dankzij een speciaal meetapparaat brachten de onderzoekers wel het verval van de kernen voor het eerst goed in kaart.

Met een speciaal apparaat brachten de onderzoekers het verval van flerovium in kaart. Beeld: A. Såmark-Roth, Lund Universiteit

Daaruit volgde slecht nieuws in de zoektocht naar het eiland van stabiliteit. De fleroviumkernen bleken nog wat instabieler dan gedacht. Zo verviel de isotoop met 174 neutronen in twee andere elementen: copernicium en darmstadtium. Uit dit nieuw ontdekte vervalmechanisme concludeerden de scheikundigen dat ook de variant met 184 neutronen niet stabiel kan zijn.

Oganesson

Wetenschappers bevinden zich dus wat verder van het eiland van stabiliteit dan gehoopt. Maar het gloort nog wel aan de horizon: de onderzoekers denken nu dat het eiland begint bij het element met 120 protonen.

Een probleem is alleen dat dit element nog nooit is gemaakt of ontdekt. Voorlopig ligt het scheikundige schip voor pampus bij element 118, oganesson. Voordat de ontdekkingsreizigers verder koers kunnen zetten richting het eiland van stabiliteit, moet er eerst een kanaal worden gegraven naar een onbekende zee vol met nog zwaardere elementen.

Einsteinium

De laatste jaren slagen kernfysici er niet in om nieuwe elementen te produceren. Maar wellicht kunnen ze moed putten uit ander recent onderzoek.

De zwaarste elementen die we kennen, zijn net als flerovium gemaakt door calciumkernen op een ander zwaar element af te schieten. Wil je element 119 op die manier produceren, dan moet je calcium (20) combineren met einsteinium (99). Er zijn echter maar een paar plekken op de wereld waar einsteinium gemaakt kan worden, en dat kan alleen in zeer beperkte hoeveelheden. Het element is momenteel dus niet beschikbaar als keukentrapje richting zwaardere elementen.

Amerikaanse onderzoekers hebben nu wel voor het eerst de eigenschappen van einsteinium goed in kaart gebracht. Dat biedt hoop dat het element binnenkort in grotere hoeveelheden kan worden geproduceerd. Als het eveneens zeldzame element fermium (100) eenzelfde ontwikkeling doormaakt, leidt dat mogelijk tot de ontdekking van element 120 en zijn gehoopte stabiliteit.

Bismut en uranium

Waarom dachten de kernfysici eigenlijk dat juist element 114 stabiel zou zijn? En waarom denken ze dat nu van element 120? Dat volgt uit hoe de atoomkernen van deze elementen zijn opgebouwd.

Een atoomkern bestaat uit protonen en neutronen. De protonen stoten elkaar af. Het is aan de neutronen te danken dat er toch tientallen protonen samen in één kern kunnen zitten.

Het zwaarste volledig stabiele element is bismut, dat 83 protonen in zijn kern heeft (of, als je heel streng bent, nummer 82: lood). Bij zwaardere elementen kunnen de neutronen de kern niet bijeenhouden, zodat die vroeg of laat uit elkaar valt. En bij elementen zwaarder dan uranium (nummer 92) gebeurt dat altijd vroeg – die elementen bestaan maar heel kort.

Element 126

Maar wellicht zijn er uitzonderingen. In de jaren zestig ontdekten natuurkundigen dat de protonen en neutronen in een atoomkern geen willekeurige plekken innemen. Ze bevinden zich in verschillende schillen. Elke schil biedt plek aan een bepaald aantal protonen en neutronen.

Wanneer alle schillen in een kern precies vol zitten, kan een zwaar element toch stabiel zijn. Daarvoor moet het element dus precies het goede aantal protonen en neutronen hebben. Zware isotopen van element 114 en 120 bevatten deze ‘magische aantallen’ van kerndeeltjes. Dat geldt ook voor onder andere een isotoop van element 126. Het eiland van stabiliteit kan dus behoorlijk uitgestrekt zijn, ook al begint het niet bij flerovium.

Nihonium

Alexander Karpov is leider van de theoriegroep in het Flerov Laboratory of Nuclear Reactions in de Russische stad Dubna. Volgens hem is het eiland van stabiliteit al lang door de Russen ontdekt. Hij verwijst daarbij naar onderzoek van Yuri Oganessian, de Russische kernfysicus naar wie het element ogenasson is vernoemd. ‘Het eiland van stabiliteit is het gebied met atoomkernen die langer in leven blijven dan hun buren’, zegt Karpov. ‘Het bestaan van dit eiland is experimenteel bewezen door de groep van Oganessian.’

Je zou inderdaad kunnen stellen dat Oganessian al een stukje van het eiland heeft ontdekt. In 1998 wist hij met zijn groep in Dubna voor het eerst flerovium te produceren. Ook al was dit niet de ‘magische’ isotoop, toch leefde het element langer dan zijn buurman nihonium; element 113.

Maar daarbij ging het om enkele seconden – te kort om echt van een stabiel element te kunnen spreken. Wat Oganessian destijds heeft ontdekt, lijkt dus eerder een zandbank in de buurt van het eiland van stabiliteit. Het daadwerkelijke eiland ligt volgens de meeste ontdekkingsreizigers toch echt een stukje verderop. Maar voorlopig blijft het de vraag waar, en of we er ooit voet aan de grond zullen zetten.

LEESTIP: Atomen is de boeiende en heldere introductie in de atomaire wereld zoals je hem eigenlijk op school al had willen krijgen. Bekijk in onze webshop!