Dit is het zwaarste atoom dat er ooit gemaakt is en nog behoorlijk stabiel ook

Het monster van Oganessian

Element-118 is het zwaarste atoom dat er ooit gemaakt is en nog behoorlijk stabiel ook. Maar tegelijk lijkt dit Oganesson geen chemisch element zoals we ze kennen.

Foto Rein Janssen

Als u me wilt bellen, mailt Witold Nazarewicz van de Michigan State University op een dinsdagmiddag even na twee uur, dan moet het nu. Zo dadelijk om half negen geeft hij namelijk eerst college, daarna is hij vooral in het lab en moeilijk te pakken te krijgen, zoals altijd eigenlijk. De van origine Poolse Nazarewicz, Witek voor vrienden, is een drukbezet man. Op zijn manier een ontdekkingsreiziger, op zoek naar een magisch onontdekt eiland. Niet op aarde maar op de kaart van chemische elementen die de mensheid kent. En niet kent, dus.

Op de universiteit sleutelt hij aan een reusachtige machinerie die de eerste snufjes van dat ongewisse eiland zou kunnen produceren. Zou kunnen, want dezelfde Witek Nazarewicz is een van de vier auteurs van een wetenschappelijk artikel dat de laatste weken stof doet opwaaien onder exotische atoomonderzoekers. Boodschap: het eiland is vermoedelijk vreemder dan we denken.

Het is, stelt hij voorop, allemaal theoretisch rekenwerk. Maar wel het meest geavanceerde dat er is. En als het klopt dan is het zwaarste element dat tot nog toe bekend is, vernoemd naar zijn Russische collega en ontdekker van chemische elementen 114 tot en met 118 Yuri Oganessian in Dubna, vermoedelijk geen chemisch element zoals we ze kennen.

Element 118

Op grond van naïeve overwegingen is dit oganesson, element 118, weliswaar een edelgas (chemisch ongenaakbaar als xenon of neon). Maar het rekenwerk wijst meer op een schimmig monstrum met ongewisse fysische en chemische eigenschappen. 'Dat leidt tot veel vraagtekens, maar die zie ik vooral als een opening voor nieuwe research, niet als het einde ervan', zegt Nazarewicz. 'Oganesson is niet zozeer raar als juist heel interessant', zegt in Groningen ook de Duitse kernchemicus Julia Even.

Element 118, sinds twee jaar officieel oganesson gedoopt, is het zwaarste atoom waarvan het bestaan is bewezen. De kern ervan bevat 118 protonen, positief geladen kerndeeltjes, en ongeveer 175 neutronen zonder lading. Het bestaan ervan werd in 2006 onomstotelijk aangetoond met experimenten van het Gemeenschappelijk Instituut voor Nucleair Onderzoek JINR in Dubna bij Moskou en het Lawrence Livermore-lab in Californië. In cyclotrons schoten onderzoekers extreem zeldzame calcium-48-atomen, een Russische specialiteit, op een doelwit van het element californium, in de VS gemaakt door plutonium te bombarderen met neutronen.

Witold Nazarewicz Foto FRIB

Wonderlijk ding

Drie keer werden in het resultaat de nieuwe superzware atomen gezien, zij het indirect. Ze vallen naar menselijke maatstaven snel uit elkaar, na 0,89 milliseconde, maar atoomfysisch gezien is dat een eeuwigheid. De alfastraling die ze uitzenden verraadt hun bestaan overtuigend genoeg. In eerste instantie heette het zwaarste element ooit gevonden ununoctium (Latijn voor 118). In maart 2016 kreeg het de naam van Yuri Oganessian, de Russische veteraan in het veld van de superzware elementen. Oganesson is het enige element dat naar een nog levende persoon is vernoemd. 'Een terecht eerbetoon aan een hoofdrolspeler van het veld', vindt Paul-Henri Heenen, kernfysicus aan de Vrije Universiteit in Brussel, expert in superheavies.

Het veld van de superzware elementen is ontstaan in de nasleep van de Tweede Wereldoorlog, toen onderzoekers het zwaarste natuurlijke element op aarde, uranium, gebruikten om een Bom met een hoofdletter te bouwen. Dat uranium splijtbaar was, was in 1939 ontdekt in Berlijn bij zuiver wetenschappelijke pogingen om kunstmatig nog zwaardere elementen te maken.

Een atoom is in veel opzichten een wonderlijk ding. In de schoolboeken leren we dat het bestaat uit een kern en een wolk van elektronen, die eromheen bewegen in schillen of banen. Die elektronen bepalen de chemische eigenschappen van een element.

Foto Rein Janssen

Radioactief

De piepkleine atoomkern daarbinnen bestaat uit protonen en neutronen. Dat die kern niet uit elkaar klapt, is ogenschijnlijk een mirakel, want protonen zijn positief elektrisch geladen en stoten elkaar op korte afstand hardnekkig af. Dat de kern toch bestaat komt doordat de kerndeeltjes nog een tweede, aantrekkende kracht kennen, door fysici nuchter de sterke kernkracht genoemd.

In natuurlijke elementen is de aantrekking sterker dan de afstoting. Daar zit een limiet aan die kennelijk bij uranium met zijn 92 protonen in de kern wordt bereikt, en daar is de zaak al niet echt meer stabiel. Uranium is radioactief. Maar tegelijk leek het niet ondenkbaar dat verderop een gebied van kunstmatige elementen kon bestaan dat gaandeweg het Eiland van Stabiliteit werd gedoopt.

Amerikaanse en Russische onderzoekers, later ook Duitsers en Japanners, schoten bundels lichtere elementen als calcium op zware trefplaten en probeerden een glimp van die onbekende wereld te ontdekken. Mogelijk, was het idee, waren daar zelfs materialen met ongekende eigenschappen te vinden, harder, lichter. Spul voor de betere sciencefiction.

Een tijdlang was het net als de race naar de maan een kwestie van landseer in de Koude Oorlog, maar gaandeweg ontstond een internationale inspanning om het Eiland te vinden en betreden. Dat lukte interessant genoeg het GSI-laboratorium in Darmstadt, Duitsland voor het eerst toen het element-112 maakte. De jaren erna werden ook de elementen tot 118 gemaakt en aangetoond, vaak met niet meer dan letterlijk een handvol waargenomen atomen.

Eiland van stabiliteit

Dat het zo moeilijk is om superzware elementen te maken, zegt de Groningse emeritus hoogleraar kernfysica Hans Wilschut, is niet verwonderlijk. 'De vraag is steeds of je genoeg neutronen kunt meeschieten om de massale onderlinge afstoting van al die protonen in de nieuwe kern tijdig te compenseren. In de meeste gevallen spat alles meteen uit elkaar.' In een artikel in het Britse blad Chemistry World werd het wel vergeleken met het schieten met een machinegeweer op een speld in een hooiberg. 'Waarbij je hoopt dat een kogel met een speld versmelt, netjes naar buiten komt en wordt waargenomen voor hij in een oogwenk weer verdwenen is.'

In de wouden boven Moskou, in de wetenschapsstad Dubna, bestiert Yuri Oganessian, 84 jaar oud inmiddels, al een halve eeuw de experimenten die dat allemaal proberen. Het Eiland van Stabiliteit, vertelt hij in interviews, begint in zicht te komen. Mogelijk wordt het ergens de komende jaren met element 120 zelfs gevonden, meent hij. Een kwestie van nog zwaardere projectielen en relatief veel extra neutronen, de zogeheten hetefusiemethode.

In Dubna, de VS en Japan worden reusachtige nieuwe experimenten voorbereid die de elementen 119 en 120 zouden kunnen vinden, als Moeder Natuur daar tenminste ook zin in heeft. Eerdere pogingen in Darmstadt hadden geen succes. Alleen is er nu dus dat artikel van team Nazarewicz in Michigan dat een atypisch beeld schetst van het superzware element-118, Oganesson.

Yuri Oganessian Foto getty

Enthousiast

Vorige week reageerde de oude meester Oganessian op het nieuws zoals een echte wetenschapper betaamt: enthousiast, juist omdat het zo verrassend is. 'Het is meer dan ooit aan de experimenten, en dat is mooi', zei hij tegen een verslaggever van het tijdschrift Nature.

Maar geduld kan daarbij geen kwaad, zegt in Groningen nucleair chemicus Julia Even, die jarenlang bij het zware-atoomonderzoek in Japan en Darmstadt betrokken was. 'Het grote probleem is natuurlijk dat er zo weinig van deze exotische atomen worden gemaakt. Fysici kunnen individuele atomen bekijken, voor chemie heb je massa nodig, en daar zijn we nog lang niet.' Anderzijds, memoreert ze, leek een element als 114 (Flerovium, vernoemd naar Oganessians oude leermeester Georgy Flerov) jarenlang buiten bereik van de chemici. 'Uiteindelijk lukte het wel degelijk om daar met hogere productie en slimme absorptie-experimenten toch greep op te krijgen.' Twintig jaar, schat ze, dan weten we meer.

En de droom van het Eiland van Stabiliteit als bron van onbekende sciencefictionmaterialen, komt daar ooit nog wat van terecht? De Duitse lacht. 'We kunnen uiteindelijk misschien een paar atomen per maand maken. Dat schiet hoe dan ook niet erg op. Het is pure nieuwsgierigheid die dit veld drijft, en dat is mooi genoeg.'


Vreemd element

METALIG

Volgens klassiek rekenwerk zouden de elektronen in een atoom oganesson in afgebakende schillen rond de kern moeten bewegen, precies zoals in de zware edelgassen xenon of radon. In oganesson vliegen de elektronen zo snel rond dat relativiteit de elektronschillen uitsmeert, waardoor het als materiaal als een metaal kan ogen.

(ON)NOBEL

Vanwege zijn 118 protonen zou het logisch zijn om oganesson in het periodiek systeem der elementen te plaatsen als een chemisch ongenaakbaar edelgas. Maar vermoedelijk wil oganesson juist wel elektronen afgeven of opnemen en is het dus helemaal niet edel. Het reageert juist enthousiast.

HARD GAS

De vage elektronenwolk van oganesson maakt ook dat atomen onderling gemakkelijk aan elkaar zouden kunnen klitten, in plaats van afstoten. Anders dan bekende edelgassen zou het bij kamertemperatuur zelfs een keiharde vaste stof kunnen zijn.

SCHIL

De protonen in een atoomkern stoten elkaar elektrisch af, maar worden toch bijeengehouden door de sterke kernkracht. In oganesson zitten zoveel protonen (118) dat ze zover mogelijk van elkaar willen zijn. Rekenwerk laat zien dat de kern een pit van misschien wel 293 neutronen bevat, met de protonen als een schil eromheen. Nog nooit vertoond.

PIT

In de kernen van veel bekende zware elementen worden neutronen in schillen gezien. In oganesson lijken die schillen niet te bestaan. Door de neutronenpit in de kern verloopt het radioactieve verval mogelijk heel anders dan kernfysici gewend zijn.

De paradox van stabiliteit

Het is de nachtmerrie van de fysici die trefplaten met zware atomen beschieten met andere zware atomen om superzware elementen te creëren: een echt stabiel superatoom. Bij experimenten verraadt juist het radioactief verval een eventueel nieuw en onbekend element. In theorie zouden daarvan best stabiele versies kunnen bestaan, mits er voldoende neutronen in de kern zitten. Maar die zijn met de huidige fysische methoden niet te vinden, en voor chemici helemaal een niet eens zo spreekwoordelijke speld in een hooiberg.

Meer over