Grundämnena som knappt hinner finnas
Så bygger forskarna periodiska systemets yttersta utkant – en atom i taget.
De tyngsta grundämnena tillverkas i acceleratorer och kan försvinna på bråkdelar av en sekund. Ändå räcker deras korta liv för att upptäcka nya ämnen, pröva kärnfysikens gränser och söka efter en möjlig ö av stabilitet. Men nyttan ser helt annorlunda ut än för metallerna i en mobiltelefon.
Uppläst av tidningens berättarröst
Det finns inget provrör med oganesson att hålla upp mot ljuset. Ingen metallbit att väga, ingen gasbehållare att öppna. Grundämne 118, längst ut i det bekräftade periodiska systemet, har identifierats genom ett fåtal atomkärnor och de spår de lämnade när de sönderföll.
Det låter nästan som en motsägelse: hur kan man upptäcka ett ämne som försvinner innan man hinner undersöka det på vanligt sätt?
Svaret börjar med vad ett grundämne faktiskt är. Det behöver inte finnas i en gruva, gå att samla i en flaska eller överleva tills någon ser det. Det avgörande är antalet protoner i atomkärnan. En kärna med 118 protoner tillhör oganesson, även om dess liv bara varar en bråkdel av en sekund.
I laboratoriet blir den korta existensen en mätbar följd av händelser: en kärna som bromsas i en detektor, en alfapartikel som avges, kanske ytterligare några sönderfall och till sist en kärna som klyvs. Ur tidpunkter, energier och positioner rekonstruerar forskarna vad som hände.
Det är periodiska systemets mest extrema detektivarbete. Och det ställer två frågor på sin spets: hur långt kan materia byggas ut, och vad får vi egentligen ut av att skapa ämnen som nästan omedelbart upphör att vara sig själva?
Ett ämne behöver inte vara beständigt
Uttrycket ”grundämnen som inte finns” är lockande, men missvisande. De supertunga grundämnena finns när de har skapats. Däremot finns de inte som beständiga råvaror omkring oss, och flera är så kortlivade och svårframställda att ingen någonsin har haft en synlig mängd av dem.
Ett grundämnes identitet bestäms av protonantalet, atomnumret. Väte har en proton, järn 26 och uran 92. Antalet neutroner kan däremot variera. Varianterna kallas isotoper och kan ha mycket olika livslängd, trots att de tillhör samma grundämne.
Skillnaden är avgörande längst ned i periodiska systemet. Att säga att ett ämne lever i en millisekund är egentligen en förenkling. Det är en viss isotop som har en viss halveringstid. En annan isotop av samma ämne kan sönderfalla betydligt snabbare eller långsammare.
Halveringstid är dessutom ett statistiskt mått, inte en individuell nedräkning. Om många likadana radioaktiva kärnor finns från början har i genomsnitt hälften återstått efter en halveringstid. För en ensam atom kan forskarna inte förutsäga exakt när sönderfallet sker.
Uran är det tyngsta grundämne som förekommer i stora naturliga mängder på jorden. Även tyngre ämnen kan förekomma naturligt i mycket små spår, så gränsen mellan ”naturligt” och ”konstgjort” är inte absolut. Men ämnena vid periodiska systemets ytterkant måste, för de experiment vi kan utföra, tillverkas.
I forskningen används ofta beteckningen supertunga grundämnen för ämnen från rutherfordium, atomnummer 104, och uppåt. Gränsdragningen varierar något. Det viktiga är att kärnorna här befinner sig i ett område där den vanliga bilden av en sammanhållen droppe kärnmateria inte räcker för att förklara deras existens.
Protonerna är positivt laddade och stöter bort varandra. Den starka kärnväxelverkan binder samman protoner och neutroner, men verkar på mycket kort avstånd. När kärnan blir större växer svårigheten att hålla ihop den.
Ändå kan vissa kombinationer av protoner och neutroner överleva tillräckligt länge för att upptäckas. Det är inte ett undantag från fysikens lagar. Det är ett tecken på att kärnans kvantmekaniska struktur spelar en avgörande roll.
Fabriken där en enda atom är ett resultat
Att framställa ett supertungt grundämne är inte vanlig kemi. Kemiska reaktioner flyttar och delar elektroner mellan atomer; de ändrar inte antalet protoner i kärnan. För att bygga ett nytt grundämne måste forskarna genomföra en kärnreaktion.
I en typisk anläggning börjar arbetet med en accelerator. Elektroner avlägsnas från atomer så att de blir laddade joner. Elektriska fält accelererar jonerna, medan magneter styr och fokuserar strålen mot ett tunt målmaterial.
Projektilen och målet väljs så att protonantalen tillsammans motsvarar det önskade grundämnet. Vid framställningen av oganesson användes kalcium med atomnummer 20 och kalifornium med atomnummer 98. Summan är 118.
Men additionen på papperet är den enkla delen. Båda kärnorna är positivt laddade. Projektilen måste ha tillräcklig energi för att komma nära målkärnan trots den elektriska repulsionen. Samtidigt får den sammansatta kärnan inte bli så starkt exciterad att den omedelbart klyvs.
Även när två kärnor kommer i kontakt smälter de inte nödvändigtvis samman till en varaktig, gemensam kärna. De kan skiljas åt igen. Om fullständig fusion sker måste den nya kärnan sedan göra sig av med energi, ofta genom att avge några neutroner, innan den faller sönder genom klyvning.
Vid den reaktion som gav oganesson-294 förenades kalcium-48 med kalifornium-249. Den tillfälligt sammansatta kärnan hade masstalet 297. Efter att tre neutroner hade avgetts återstod 294 nukleoner, det vill säga protoner och neutroner tillsammans.
Kalcium-48 har varit en särskilt framgångsrik byggsten. Det innehåller 20 protoner men hela 28 neutroner. Därmed kan det bidra med relativt många neutroner utan att samtidigt tillföra lika många protoner, vars elektriska repulsion skulle göra kärnan svårare att hålla ihop. Isotopens slutna proton- och neutronskal ger den också särskilda kärnfysikaliska egenskaper.
De flesta projektiler ger ändå inget önskat resultat. Strålen kan träffa målet under veckor eller månader medan forskarna väntar på ett fåtal intressanta händelser. Sannolikheterna uttrycks som reaktionstvärsnitt; för många supertunga reaktioner ligger de på picobarnnivå eller lägre. En picobarn motsvarar 10⁻⁴⁰ kvadratmeter, men ska förstås som ett mått på reaktionssannolikhet, inte som en vanlig geometrisk målyta.
Målet är också en teknisk prestation. Ett tunt skikt av ett sällsynt, radioaktivt ämne måste tåla en intensiv jonstråle. Ofta roterar målskivan för att sprida belastningen. Materialet kan kräva lång bestrålning i en reaktor, kemisk separation och internationella transporter innan experimentet ens kan börja.
I denna fabrik är en enda framställd atom inte ett misslyckat produktionsresultat. Den kan vara själva genombrottet.
Så bevisar man något som redan har försvunnit
När en nybildad tung kärna lämnar målet befinner den sig i ett inferno av oönskade partiklar. Den ursprungliga jonstrålen och andra reaktionsprodukter är långt fler än de eftertraktade kärnorna.
En separator utnyttjar partiklarnas rörelse och laddning för att sortera fram kandidaterna. Beroende på anläggning används magnetiska och elektriska fält, ibland tillsammans med gas. De utvalda partiklarna leds till detektorer där deras ankomst registreras.
Där börjar den avgörande observationen. Om en tung kärna fastnar på en bestämd plats och kort därefter avger en alfapartikel på samma plats finns en möjlig koppling. En alfapartikel består av två protoner och två neutroner. Vid alfasönderfallet minskar därför kärnans atomnummer med två och masstalet med fyra.
Fortsätter sönderfallen kan en kedja uppstå: ett ämne blir ett annat, som blir ett tredje. De uppmätta energierna och tidsintervallen bildar tillsammans ett slags fingeravtryck. Om kedjan når en redan känd kärna blir identifieringen särskilt stark.
Alla kedjor är inte lika lättolkade. Vissa avslutas genom spontan fission, där kärnan klyvs i större fragment. Andra passerar genom tidigare okända isotoper. Då behövs mer stöd: upprepade händelser, andra reaktioner som når besläktade kärnor och noggrann beräkning av risken för slumpmässiga sammanträffanden.
Att upptäcka ett supertungt grundämne är inte att se en liten metallbit. Det är att visa att en viss kärna måste ha funnits för att de registrerade sönderfallen ska kunna förklaras.
Här ligger en viktig skillnad mellan ett lovande fynd och en erkänd upptäckt. Ett ensamt utslag kan vara bakgrund, en feltolkad händelse eller en annan kärnreaktion än den förväntade. De extremt små datamängderna gör varje detalj betydelsefull.
Upptäcktsanspråk granskas genom ett gemensamt förfarande inom de internationella organisationerna för kemi och fysik, IUPAC och IUPAP. Att framställa en kandidat, att få upptäckten erkänd och att få ett namn godkänt är skilda steg.
Den japanska jakten på grundämne 113 visar vilken uthållighet som krävs. Vid RIKEN användes en stråle av zinkjoner mot ett vismutmål. Experimentserien gav kandidatkedjor 2004 och 2005, och 2012 registrerades en tredje, särskilt viktig kedja som stärkte identifieringen. Bakom några få registreringar låg år av experimentellt arbete.
Det är också därför ”upptäckt” inte alltid passar in i ett enda kalenderår. Första signalen, avgörande bekräftelsen, erkännandet och namngivningen kan ligga långt ifrån varandra.
De senaste namnen på kartan
År 2016 fick fyra grundämnen sina slutligt godkända namn: nihonium, moskovium, tenness och oganesson. De har atomnummer 113, 115, 117 respektive 118. Därmed var periodiska systemets sjunde period komplett.
Det var en namngivningsmilstolpe, inte fyra plötsliga upptäckter samma år. Experimenten och granskningen hade pågått under lång tid. Några år tidigare, 2012, hade namnen flerovium och livermorium godkänts för grundämnena 114 och 116.
Nihonium, med symbolen Nh, fick sitt namn från Nihon, ett av de japanska namnen på Japan. Upptäckten tillerkändes RIKEN-gruppen. Det blev det första grundämnet vars upptäckt officiellt tillskrevs ett forskarlag i Asien.
Moskovium, Mc, anknyter till Moskvaregionen, där forskningsinstitutet i Dubna ligger. Tenness, Ts, hedrar den amerikanska delstaten Tennessee och forskningsinsatserna där, bland annat arbetet med att framställa det berkelium som behövdes som målmaterial. Oganesson, Og, namngavs efter kärnfysikern Jurij Oganessian, en central gestalt i forskningen om supertunga kärnor.
Just grundämne 117 visar hur geografiskt utspridd en upptäckt kan vara. Berkelium-249 producerades vid Oak Ridge i USA och användes som mål vid experiment i Dubna i Ryssland. Där bestrålades det med kalcium-48. Målmaterialet hade en halveringstid på ungefär 330 dygn, vilket gjorde tidplanen till en del av experimentets fysik: materialet förändrades medan forskarna förberedde och genomförde försöket.
Den första rapporten om syntesen av grundämne 117 publicerades 2010. Oganesson hade rapporterats tidigare, med en central publikation 2006. Att namnen kom samtidigt 2016 betyder alltså inte att ämnena hade samma upptäcktshistoria.
I den etablerade, internationellt erkända tabellen är 118 den yttersta gränsen. Grundämnena 119 och 120 är mål för fortsatt forskning, inte ämnen som ska räknas som upptäckta bara för att experiment har planerats eller påbörjats.
Samtidigt kan ”nytt” betyda mer än ett nytt atomnummer. En ny isotop av ett redan känt ämne, en bättre bestämd halveringstid eller en tidigare omöjlig produktionsreaktion kan vara minst lika viktig för nästa steg.
Ett sådant resultat presenterades 2024: vid Lawrence Berkeley National Laboratory framställdes livermorium, grundämne 116, genom att titan-50 fick träffa plutonium-244. Livermorium var redan känt. Nyheten var att den tyngre titanprojektilen kunde användas för att skapa ett så tungt ämne – ett viktigt test av en möjlig väg vidare mot grundämne 120.
Ön där kärnorna kan leva längre
Varför fortsätta när ämnena ändå sönderfaller? Ett centralt svar är den så kallade ön av stabilitet.
Uttrycket kan låta som ett löfte om hållbara, exotiska metaller. Så säkert är det inte. Det beskriver ett teoretiskt område i kartan över atomkärnor där vissa supertunga isotoper förväntas leva längre än sina grannar.
För att förstå tanken behöver man lämna bilden av kärnan som en jämn droppe. Protoner och neutroner är kvantmekaniska partiklar som kan ordnas i skal. När ett skal är fyllt kan kärnan få extra stabilitet. Sådana slutna skal hänger samman med de så kallade magiska talen.
För supertunga kärnor pekar många beräkningar på neutroneantalet 184 som särskilt intressant. Vilket protonantal som ger den viktigaste skalstängningen är mindre entydigt. Olika modeller har bland annat pekat mot 114, 120 eller 126.
Där ligger en stor del av utmaningen: de supertunga isotoper som hittills har framställts når inte fram till den eftertraktade kombinationen av protoner och neutroner. Oganesson-294 har 176 neutroner, åtta färre än 184. För att nå oganesson med 184 neutroner skulle forskarna behöva skapa isotopen med masstalet 302.
Det är inte bara att tillföra några extra neutroner efteråt. De tillgängliga projektilerna och målmaterialen begränsar vilka kärnor som kan byggas, och den heta sammansatta kärnan förlorar dessutom ofta neutroner när den svalnar. Just de neutroner man vill behålla är alltså en viktig del av kärnans sätt att göra sig av med överskottsenergi.
”Stabilitet” är också relativt. En isotop som lever i sekunder kan vara oerhört långlivad jämfört med en granne som försvinner på mikrosekunder. Olika teoretiska modeller ger kraftigt skilda prognoser för livslängderna längre in i det outforskade området. Det finns inget experimentellt belägg för att där väntar ett lager av beständiga supertunga material.
Ändå är hypotesen långtifrån gripen ur luften. Att supertunga kärnor över huvud taget överlever tillräckligt länge för att registreras visar betydelsen av kärnans skalstruktur. De uppmätta sönderfallen ger successivt bättre hållpunkter för teorierna.
Varje ny isotop fungerar därmed som ett mätinstrument riktat mot kärnkraftens och kvantmekanikens samspel. Forskarna testar inte bara hur många rutor tabellen kan få. De testar varför atomkärnor håller ihop.
Nyttan – och gränsen för vad man kan lova
Har de allra tyngsta ämnena praktiska användningsområden? För nihonium, moskovium, tenness och oganesson är det raka svaret: inga etablerade användningar utanför forskning.
Problemet är både mängden och livslängden. Ett material för elektronik, medicinteknik eller en mekanisk komponent måste normalt kunna framställas i användbara mängder och finnas kvar tillräckligt länge. Några enstaka atomkärnor som snabbt sönderfaller klarar inte det kravet.
Det betyder inte att konstgjorda tunga ämnen generellt saknar nytta. Men man måste skilja på de allra senaste tillskotten och äldre, mer tillgängliga transuraner – ämnen med högre atomnummer än uran.
Americium-241 används i vissa joniserande brandvarnare. En liten radioaktiv källa joniserar luften, vilket möjliggör en svag elektrisk ström. När rökpartiklar stör processen förändras strömmen och larmet kan utlösas. Det gäller inte alla brandvarnare; många använder i stället optisk detektion.
Kalifornium-252 är en stark neutronkälla eftersom en del av dess sönderfall sker genom spontan fission. Neutronerna kan användas i materialanalys, vissa industriella mätningar och vid uppstart av kärnreaktorer. Den användbara egenskapen är alltså radioaktiviteten, inte att ämnet skulle vara en särskilt bra konstruktionsmetall.
Dessa exempel visar att konstgjorda grundämnen kan få viktiga användningar. De bevisar däremot inte att oganesson eller ett framtida grundämne 120 kommer att få det. Livslängder, tillverkningskostnader och tillgängliga mängder skiljer sig radikalt.
För de supertunga ämnena ligger den direkta nyttan i dag framför allt i kunskap. Där det går genomförs kemiska experiment med en atom i taget. Forskarna kan exempelvis undersöka hur en atom transporteras med en gas eller fastnar på en yta. Om många sådana enskilda händelser samlas går det att dra slutsatser om kemiskt beteende utan att någonsin ha en makroskopisk mängd.
Sådana experiment är särskilt intressanta eftersom elektronerna i mycket tunga atomer påverkas starkt av relativistiska effekter. Den stora kärnladdningen förändrar elektronernas energier och fördelning. Därför behöver ämnenas egenskaper inte följa enkla extrapolationer från lättare släktingar i samma kolumn.
Oganesson står exempelvis i ädelgasgruppen, men dess egenskaper som ett större materialprov har inte uppmätts. Beräkningar pekar mot ett beteende som på viktiga sätt skiljer sig från de lättare ädelgasernas. Det är en teoretisk förutsägelse, inte en observation av oganesson i en behållare.
Arbetet driver också utvecklingen av detektorer, acceleratorer, målmaterial och metoder för att skilja extremt sällsynta signaler från bakgrund. Sådana tekniska framsteg kan komma andra forskningsområden till del. Men det är klokare att beskriva dem som möjliga och ibland konkreta sidovinster än att utlova en framtida konsumentprodukt.
Nästa ruta kräver en ny väg
Den framgångsrika vägen med kalcium-48 har en praktisk gräns. För att nå allt högre atomnummer behövs allt tyngre målämnen. Till sist blir lämpliga mål för kortlivade, för sällsynta eller alltför svåra att producera i användbar mängd.
Då måste projektilen bli tyngre. Men en tyngre projektil förändrar reaktionens förutsättningar och kan göra den önskade produktionen ännu mindre sannolik. Det är därför försöket med titan-50 och plutonium-244 är mer än en teknisk detalj.
Titan har 22 protoner. Tillsammans med kalifornium, som har 98, skulle summan bli 120. Att visa att titan-50 kan användas för att framställa livermorium ger forskarna erfarenhet av strålen, målbelastningen och reaktionsmekanismen inför ett svårare försök. Det är däremot ingen garanti för att grundämne 120 går att upptäcka med en viss försökslängd.
Sökandet efter 119 och 120 handlar därför både om kärnfysik och om att få en hel maskinkedja att fungera bättre: starkare och stabilare jonstrålar, hållbarare mål, effektivare separation och detektorer som inte missar den enda avgörande händelsen.
Det finns inte heller ett enkelt, experimentellt fastställt sista atomnummer. Gränsen kan sättas av hur snabbt kärnorna sönderfaller, av hur osannolikt det är att bilda dem eller av att de nödvändiga neutronrika kombinationerna inte går att nå med tillgängliga metoder.
Vid denna ytterkant kan ett lyckat experiment lämna efter sig nästan ingenting materiellt. Målet finns kvar, acceleratorn stängs av och den nya kärnan har för länge sedan blivit något annat. Kvar finns mätdata: positioner, energier och tidsstämplar.
Men det är inte samma sak som att ingenting har skapats. Under ett kort ögonblick fanns en ny ordning av protoner och neutroner. Och om bevisen håller måste vår beskrivning av vad materia kan vara göra plats för den.
Källor
- Lars Öhrström och Jan Reedijk, Names and symbols of the elements with atomic numbers 113, 115, 117 and 118 (IUPAC Recommendations 2016) (2016)
- Yu. Ts. Oganessian med flera, Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the 249Cf and 245Cm + 48Ca fusion reactions (2006)
- Yu. Ts. Oganessian med flera, Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117 (2010)
- Kosuke Morita med flera, New Result in the Production and Decay of an Isotope, 278113, of the 113th Element (2012)
- J. M. Gates med flera, Production of the Superheavy Element Livermorium with a 50Ti Beam (2024)
- Yu. Ts. Oganessian och V. K. Utyonkov, Superheavy nuclei from 48Ca-induced reactions (2015)
- U.S. Nuclear Regulatory Commission, Backgrounder on Smoke Detectors
- Oak Ridge National Laboratory, Californium-252
Ställ frågor om "Grundämnena som knappt hinner finnas". Svaren bygger på tidningens egna artiklar.
