În 2013 a fost confirmat elementul 115, cea mai nouă adiție a tabloului imaginat pentru prima dată de rusul Dimitri Mendeleev, dar nu și cea mai grea. Încă din 2000, a fost confirmat elementul 118, însă doar câțiva atomi au fost observați (și când spun câțiva, înseamnă vreo 3–4). Vecinul lui 115 a fost ceva mai darnic cu noi: din Livermorium, elementul 116 (denumit astfel după laboratorul cu același nume din California) a fost sintetizat în nu mai puțin de 35 de atomi!

Elementul 115 nu are încă un nume, însă existența sa este sigură: dacă în 2003 au fost creați 50 de atomi, mai nou cercetătorii suedezi au confirmat existența elementului prin sinteza sa într-un laborator independent de cel din 2003.

ALCHIMIE

EXTREM DE SCURTĂ ISTORIE A UNIVERSULUI

T+1 secundă: se formează protonii, neutronii, electronii, neutrinii

T+10 secunde: anihilarea materie-antimaterie

T+20 de minute: se formează primele nuclee

T+377.000 ani: apar primii atomi: hidrogen și heliu

T+1 miliard de ani: primele stele se aprind prin colaps gravitațional și fuziune nucleară; apar primele galaxii

T+9 miliarde de ani: se formează sistemul solar

T+13,8 miliarde de ani: prezent

Cum reușesc oamenii de știință să creeze elemente noi? Prin transmutație! Asemenea visului chimiștilor, însă cu costuri exorbitante și rezultate slabe cantitativ (nu uitați, 50 de atomi este o captură impresionantă pentru elementul 115, în timp ce o picătură de apă conține cel puțin un miliard de miliarde de atomi de oxigen și hidrogen, adică 1 urmat de 18 zerouri!).

Pentru a crea elementul 115, cercetătorii au bombardat o folie foarte subțire de americiu (Z=95) cu un fascicul ce conținea atomi de calciu (Z=20). Atomii din fascicul aveau o viteză atât de mare, încât unii dintre aceștia fuzionau cu atomii de americiu și formau atomi ai elementului 115, care însă se dezintegrau imediat. Doar 37 de astfel de atomi au fost identificați într-un experiment care s-a desfășurat timp de trei săptămâni.

Dacă noi producem aceste elemente masive în laborator, oare nu există ele și în natură? Puțin probabil. Chiar dacă ar fi generate ca urmare a unor procese complexe, faptul că au viața atât de scurtă le face imposibil de detectat. Însă natura este alchimistul suprem, deoarece toate celelalte elemente stabile din sistemul periodic (inclusiv cele din care este format propriul nostru corp) au fost formate pe cale naturală, într-un fel sau altul.

Dacă vă întrebați cum și unde se produc elemente, nu trebuie decât să vă reamintiți din nou de vara călduroasă: Soarele, spre exemplu, este, ca oricare altă stea, o uzină de elemente chimice. Chiar în acest moment au loc în Soare transmutații care fac posibilă nu doar lumina, dar și căldura Soarelui, fără de care viața pe Pământ nu ar fi evoluat așa cum a făcut-o de atâtea miliarde de ani.

Pentru a vedea însă cum pot fi create noi elemente chimice într-o stea, să ne familiarizăm puțin cu vocabularul necesar.

STRUCTURA ATOMULUI

Un nucleu este format din protoni și neutroni. Cum neutronii nu au sarcină electrică (sunt neutri, dar probabil v-ați dat seama de acest lucru după numele lor), protonii tind să se respingă electrostatic, din moment ce sunt încărcați pozitiv. Însă există o forță mai puternică decât respingerea electrostatică (denumită, nu întâmplător, forța tare), care acționează doar la nivelul nucleului și nu se resimte în lumea macroscopică, împiedicând dezintegrarea nucleului prin forța de atracție pe care o exercită asupra nucleonilor.

Fără efectul forței tari, nucleul s-ar împrăștia sub efectul forței electrostatice, efect care ne este atât de cunoscută în viața de zi cu zi. Când numărul de protoni și neutroni crește considerabil, efectul forței tari începe să se reducă și stabilitatea nucleului este afectată. Acesta tinde să se rupă (să fisioneze, spun fizicienii) în două sau mai multe fragmente care, separat, sunt mai convenabile din punct de vedere energetic. Asta deoarece natura preferă tot timpul stările de energie minimă și orice sistem lăsat liber va tinde spre o stare de echilibru unde energia să fie minimă.

Element chimic: reprezintă totalitatea atomilor care au același număr atomic (același număr de protoni și electroni)

Număr atomic: numărul de protoni din nucleu (în cazul unui atom, este identic cu numărul de electroni)

Număr de masă: suma dintre numărul de protoni și numărul de neutroni aflați în nucleul unui atom

Izotopi: elemente chimice cu același număr atomic (Z), dar cu numere de masă diferite (altfel spus, elemente care se diferențiază prin numărul de neutroni din nucleu)

Sistem periodic: aranjare a elementelor chimice în ordinea numărului atomic, pe linii (perioade) și coloane (grupe), astfel încât elementele cu proprietăți chimice asemănătoare să fie așezate unele sub altele. Primul element este hidrogenul (Z=1), ultimul element stabil plumbul (Z=82), iar ultimul element observat până în prezent Ununoctium (Z=118)

Surplusul de energie este eliberat sub forma unui foton și, în linii generale, acesta este principiul funcționării centralelor nucleare (reacție controlată) sau armelor nucleare cu fisiune (reacție necontrolată).

Dar există și situația opusă când, în anumite condiții, un nucleu mai numeros poate fi mai stabil energetic decât două nuclee separate, proces denumit fuziune nucleară. Din nou, surplusul energetic este eliberat sub formă de fotoni, însă de data aceasta, energia eliberată este mai mare decât în cazul fisiunii, procesul fiind unul mai eficient dacă urmărim exploatarea sa energetică.

Din păcate, am reușit să construim doar bombe care folosesc fisiunea (denumite și bombe termonucleare), pentru că reacția este foarte greu de ținut sub control, făcând deocamdată imposibilă construcția unor reactoare care să exploateze acest fenomen.

Cel mai simplu element chimic este hidrogenul. Un atom de hidrogen este format dintr-un proton și un electron. Doar atât. Din acest motiv, uneori un proton mai este numit și nucleu de hidrogen. Dacă protonului îi adăugăm un neutron, elementul se numește deuteriu, iar dacă îi adăugăm doi neutroni, elementul poartă denumire de tritiu. Vorbim în continuare despre același element chimice, iar despre deuteriu și tritiu spunem că sunt izotopi ai hidrogenului.

nucleosinteza-stiinta-tehnica-2Dacă mai adăugăm însă un proton, avem un nou element chimic, heliul. Adăugând un al treilea proton, avem litiu, și așa mai departe. Numărul de neutroni nu afectează prea mult reacțiile chimice la care participă un atom, însă numărul de protoni și electroni este definitoriu pentru fiecare element în parte și dictează felul în care reacționează atomul respectiv.

Cum au apărut toate aceste elemente chimice pe care le avem astăzi în sistemul periodic? Unele au fost create de om, în laborator. Este vorba despre cele mai grele, care nu sunt stabile și care se dezintegrează rapid în alte elemente. Altele sunt rezultatul fisiunii elementelor mai grele. Dar nu despre ele vom povesti în cele ce urmează deoarece subiectul este atât de complex încât merită un articol separat.

Multe dintre elementele chimice sunt suficient de stabile încât să nu se dezintegreze până la sfârșitul timpului și știm că ele sunt prezente în stele și nebuloase îndepărtate. Cum au ajuns acolo, cum s-au format și cel fel de forțe au creat elementele chimice din lumea care ne înconjoară?

CALEA SPRE STELE

La scurt timp după Big-Bang, evenimentul care a creat timpul și spațiu în urmă cu peste 13 miliarde de ani, universul era o mare foarte rarefiată de hidrogen. Fiind cel mai simplu dintre elementele chimice, este relativ ușor de înțeles de ce hidrogenul este cel mai abundent element chimic din tot universul: tot ce trebuie pentru formarea sa sunt un proton și un electron, particule care au existat din abundență la scurt timp după Big-Bang.

Au mai fost create și alte elemente ușoare precum heliu, litiu și beriliu, acesta din urmă fiind cel mai greu element chimic creat după Big-Bang. De ce? Pentru că răcirea universului a făcut imposibilă (din punct de vedere energetic) reacția care ar fi dus la formarea borului sau a carbonului (prin fuziunea a trei nuclee de heliu). Așadar, carbonul, elementul fundamental pentru structuri organice complexe care aveau să ducă la apariția vieții, nu a fost format în nucleosinteza primordială, generată de Big-Bang.

Pentru ca noi să existăm, mai multe stele au trebuit să moară

Universul va trebui să mai aștepte o bună perioadă de timp până la apariția unor ființe inteligente care să contemple universul. Avem așadar o mare de hidrogen care umple tot universul. Datorită unor fluctuații aleatoare sau a unor neregularități în distribuția materiei, în timp se formează aglomerări care, sub influența gravitației, cresc în volum, adunând tot mai multă materie din jurul lor. Se formează ceea ce numim astăzi nebuloase interstelare.

Procesele care au loc sunt ceva mai complexe, dar ne vom limita la a spune că, tot datorită gravitației, acești nori, dacă au masă suficient de mare, pot colapsa. Altfel spus, materia se aglomerează rapid către un punct central care va deveni în viitor centrul stelei. Colapsând, temperatura începe să crească și au loc primele procese de fuziune care opresc temporar colapsul: la un milion de grade, hidrogenul fuzionează cu deuteriul și formează heliul (izotopul cu doi protoni și un neutron).

Surplusul de energie este eliberat sub formă de fotoni și cât timp reacția are loc, energia acesteia este suficientă pentru a frâna colapsul gravitațional. Însă cantitatea mică de deuteriu face ca această fază să fie destul de scurtă așa că după consumarea acestuia și răcirea norului, colapsul continuă.

UZINELE GALACTICE

Când temperatura ajunge la câteva milioane de grade se întâmplă un proces care va stabiliza steaua și care va dura miliarde de ani: două nuclee de hidrogen (deci doi protoni) vor fuziona sub presiunea gravitației și vor forma un nucleu de heliu cu doi protoni, dar fără neutroni.

Este o configurație instabilă care se dezintegrează rapid într-un nucleu de deuteriu, un electron și un neutrin (o particulă misterioasă, fără sarcină electrică și care creează și astăzi probleme fizicienilor, la peste 70 de ani de la descoperirea sa). Deuteriul nou format va fuziona din nou cu hidrogenul, ca în prima fază descrisă mai sus, și va forma tot heliul, eliberând surplusul de energie sub forma unui foton.

SOARELE

Distanța față de Pământ: 150 milioane km

Diametru: 1,4 milioane km

Volum: de 1,3 milioane de ori volumul Pământului

Masă: de 333.000 de ori masa Pământului

Temperatură în centru: 16 milioane grade

Temperatură la suprafață: 5.500 grade

Magnitudine absolută: 4.83

Clasă spectrală: G2V

Vârstă: 4,57 miliarde de ani

Compoziție: 73.5% hidrogen, 24.9% heliu, urme de oxigen, carbon, fier, azot

În Soare și în restul stelelor de masă apropiată, acesta este principalul mecanism responsabil pentru energia pe care o resimțim pe Pământ sub formă de căldură în ultimii 4 miliarde de ani. Iar rezervele de hidrogen ale Soarelui sunt suficiente pentru ca acest proces să mai dureze încă alte 4 miliarde de ani.

În prezent, Soarele și marea majoritate a stelelor de pe boltă nu sunt altceva decât rezervoare uriașe de hidrogen și heliu, aflate într-un echilibru între gravitație (care tinde să colapseze steaua) și fuziunea nucleară (care cauzează expansiune). Când hidrogenul se consumă în totalitate, echilibrul se rupe în favoarea gravitației, iar centrul stelei devine locul unde încep să aibă loc procese de fuziune tot mai complexe. Din heliu se produce carbonul,
elementul indispensabil vieții.

Cu cât steaua este mai masivă, cu atât avem o presiune mai mare în centrul acesteia și au loc mai multe procese de fuziune, luând naștere elemente din ce în ce mai grele. Pentru stelele cu masa de 10 ori mai mare decât cea a Soarelui, în centrul acestora se formează și magneziu, neon, siliciu și în cele din urmă fier, ultimul element chimic produs prin fuziune.

Dincolo de fier, datorită energiei prea mari necesare continuării proceselor de fuziune, nucleosinteza continuă, dar ea are loc printr-un alt proces, denumit captură de neutroni. Astfel, un nucleu captează un neutron și dacă nucleul nou format prin acest mecanism este stabil, va rămâne așa ca un izotop al elementului inițial. Dacă însă configurația nu este convenabilă energetic, nucleul se va dezintegra beta-minus (un neutron emite un electron și se transformă astfel într-un proton), devenind un nou element chimic, mai greu cu o unitate decât cel inițial. Procesul se poate relua, pentru a forma un element mai greu.

nucleosinteza-stiinta-tehnica-3Viața unei stele depinde în mare măsură de masa acesteia. Dacă Soarele nostru poate fi considerată o stea liniștită, cu un final oarecum calm, nu același lucru se poate spune despre stelele masive, mai mari decât Soarele (cea mai mare stea cunoscută este de 265
de ori mai grea decât Soarele), care pot sfârși violent, prin explozii gigantice, care împrăștie materialul format în păturile interioare ale stelei. Astfel, elementele chimice din sistemul periodic ajung în spațiul interstelar, de unde sunt ulterior încorporate în alte nebuloase, care dau și ele naștere altor stele sau sisteme solare.

Fiecare atom din corpul nostru s-a format așadar prin transmutație în inima unor stele și, pentru ca noi să existăm, mai multe stele au trebuit să moară, unele deseori destul de violent, proiectând astfel praf stelar din care au apărut în cele din urmă Soarele, Pământul și noi, fiii stelelor de mult apuse.

PIATRA FILOZOFALĂ

Unde se va opri goana după elemente noi? Teoria prezice că undeva dincolo de elementul 118 s-ar afla o insulă de stabilitate, iar elementele de acolo nu s-ar mai dezintegra atât de rapid sau ar fi chiar stabile. Aplicațiile ar putea fi fenomenale, dacă s-ar putea identifica o metodă de a produce astfel de elemente masive, însă drumul până acolo nu va fi unul ușor pentru cercetători, mai ales că în natură nu s-au observat astfel de elemente chimice, nicăieri în univers.

Upgrade