Vajon mi rejtőzik az uránon túl a periódusos rendszerben, és milyen titkokat őriznek azok az elemek, amelyek nem, vagy csak alig léteznek a természetben?
A transzurán elemek, a kémia és a fizika határterületének különleges képviselői, régóta foglalkoztatják a tudósokat. Ezek az anyagok, amelyek atommagjukban több protont tartalmaznak, mint az urán (rendszám 92), rendkívüli instabilitásuk és mesterséges előállításuk miatt különleges státusszal bírnak. Bár a mindennapi életben ritkán találkozunk velük, jelentőségük óriási a nukleáris technológiában, az orvostudományban és a tiszta tudományos kutatásban, ahol a periódusos rendszer határait feszegetik.
A transzurán elemek fogalma és eredete
A transzurán elemek gyűjtőneve azokat a kémiai elemeket jelöli, amelyek rendszáma nagyobb, mint 92, azaz több protonnal rendelkeznek atommagjukban, mint az urán. Az urán a legnagyobb rendszámú, természetben is előforduló elem jelentős mennyiségben, innen ered az elnevezés: „transz” latinul „túlon”, „felett” jelent, tehát „uránon túli” elemekről van szó.
Ezen elemek többségére jellemző, hogy rendkívül instabilak, radioaktívak, és viszonylag rövid felezési idővel rendelkeznek. Ennek következtében a Földön természetes körülmények között csak elenyésző mennyiségben, vagy egyáltalán nem fordulnak elő. Azonban az atommagok szerkezetével és stabilitásával kapcsolatos kutatások során a tudósok rájöttek, hogy ezek az elemek mesterségesen előállíthatók.
A transzurán elemek felfedezése és előállítása a 20. század egyik legnagyobb tudományos vívmánya, amely szorosan kapcsolódik a nukleáris fizika fejlődéséhez. Az első ilyen elem, a neptúnium (Np, rendszám 93) 1940-ben került előállításra, és azóta számos további elemet sikerült szintetizálni egészen a 118-as rendszámú oganesszonig, és a kutatások folyamatosan zajlanak újabb, még nehezebb elemek felfedezésére.
A radioaktivitás kulcsfontosságú szerepet játszik a transzurán elemek létezésében és tulajdonságaiban. Az atommagok stabilitását a protonok és neutronok aránya határozza meg. Ahogy az atommag egyre nehezebbé válik, a protonok közötti elektromos taszítóerő egyre erősebbé válik, és a rövid hatótávolságú erős nukleáris erő már nem képes elegendő stabilitást biztosítani. Ezért bomlanak el ezek az elemek alfa-bomlással, béta-bomlással vagy spontán hasadással, stabilabb atommagokká alakulva át.
A mesterséges előállítás módszerei
Mivel a transzurán elemek a természetben elenyésző mennyiségben vagy egyáltalán nem fordulnak elő, előállításuk kizárólag mesterséges úton történhet. Ennek két fő módszere van: a neutronbefogás atomreaktorokban, és a nehéz ionok ütköztetése részecskegyorsítókban.
Neutronbefogás és béta-bomlás atomreaktorokban
Ez a módszer az enyhébb transzurán elemek, például a plutónium (Pu), amerícium (Am), kűrium (Cm) előállítására alkalmas. A folyamat lényege, hogy egy nehéz atommagot, például urán-238-at (238U) neutronokkal bombáznak egy atomreaktorban. Az uránmag neutronokat fog be, és instabil izotóppá válik, például urán-239-é (239U).
Ez az instabil izotóp béta-bomlással bomlik el. A béta-bomlás során egy neutron protonná alakul át, miközben egy elektron és egy antineutrinó távozik. Ennek eredményeként az atommag rendszáma eggyel nő, miközben tömegszáma változatlan marad. Így lesz az urán-239-ből neptúnium-239 (239Np).
„A neutronbefogás és a béta-bomlás láncreakciója lehetővé tette az első generációs transzurán elemek, mint a plutónium, szisztematikus előállítását, megnyitva az utat a nukleáris korszak előtt.”
A neptúnium-239 maga is béta-radioaktív, és tovább bomlik plutónium-239-re (239Pu). Ez a folyamat folytatható, további neutronbefogásokkal és béta-bomlásokkal, egészen a kűriumig (Cm) vagy akár a kaliforniumig (Cf) bizonyos mennyiségben.
Nehéz ionok ütköztetése részecskegyorsítókban
A nehezebb és a szupernehéz elemek előállításához már nagyobb energiára van szükség, amelyet részecskegyorsítókban érnek el. Ezen létesítményekben nehéz atommagokat (például kalcium-48 ionokat) gyorsítanak fel rendkívül nagy sebességre, majd egy célanyagra, például ólomra, bizmutra vagy egy már meglévő transzurán elemre ütköztetik.
A nagy energiájú ütközés során a két atommag egyesülhet, egy új, nehezebb atommagot hozva létre. Ez a folyamat a magfúzió. Az így keletkezett atommag azonban gyakran rendkívül instabil és nagy energiájú, ezért gyorsan bomlani kezd alfa-részecskék kibocsátásával, hogy stabilabb állapotba kerüljön.
Ezeknek a reakcióknak a valószínűsége rendkívül kicsi, és az előállított elemek mennyisége is minimális, gyakran csak néhány atomnyi. A kísérletek hetekig vagy hónapokig tarthatnak, mire egyetlen új atommagot detektálnak. Azonban ezek a felfedezések alapvető fontosságúak a periódusos rendszer és az atommagok stabilitásának megértésében.
Az új elemek felfedezését és elismerését a Nemzetközi Elméleti és Alkalmazott Kémiai Unió (IUPAC) és a Nemzetközi Elméleti és Alkalmazott Fizikai Unió (IUPAP) közös bizottsága hagyja jóvá. A felfedezők javaslatot tehetnek az elem nevére és vegyjelére, amelyeket gyakran tudósok, helyek vagy mitológiai alakok tiszteletére neveznek el.
A transzurán elemek listája és főbb tulajdonságai
Az alábbiakban részletesen bemutatjuk a transzurán elemeket, rendszámuk szerint sorrendben, kiemelve legfontosabb jellemzőiket, felfedezésük körülményeit és ismert alkalmazásaikat.
93. Neptúnium (Np)
A neptúnium az első szintetizált transzurán elem, rendszáma 93. 1940-ben fedezte fel Edwin McMillan és Philip H. Abelson a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben. Nevét a Neptunusz bolygóról kapta, amely a Naprendszerben az Uránusz után következik.
Legstabilabb izotópja a neptúnium-237 (237Np), amelynek felezési ideje körülbelül 2,14 millió év. Ez az izotóp béta-bomlással bomlik. A neptúnium kémiailag az aktinidák csoportjába tartozik, és több oxidációs állapotban is előfordulhat, leggyakrabban +3, +4, +5 és +6 állapotban. Fémként ezüstös színű, reakcióképes anyag.
Alkalmazása korlátozott, elsősorban tudományos kutatásokban használják, például plutónium-238 (238Pu) előállítására, amelyet radioizotópos termoelektromos generátorokban (RTG) alkalmaznak űrszondák energiaforrásaként.
94. Plutónium (Pu)
A plutónium, rendszáma 94, a legismertebb és legjelentősebb transzurán elem. 1940-ben fedezte fel Glenn T. Seaborg vezetésével egy csapat a Kaliforniai Egyetemen. Nevét a Plútó bolygóról kapta, amely a Neptunusz után következik.
Legstabilabb izotópja a plutónium-244 (244Pu), felezési ideje 80,8 millió év, de a nukleáris technológiában a plutónium-239 (239Pu) a legfontosabb, amelynek felezési ideje 24 100 év. Ez utóbbi hasadóanyag, ami azt jelenti, hogy neutronokkal bombázva hasad, hatalmas energia szabadul fel. Ez teszi alkalmassá atombombákban és nukleáris reaktorokban való felhasználásra.
„A plutónium felfedezése és hasznosítása alapjaiban változtatta meg a világ energetikai és geopolitikai térképét, egyaránt hozva magával az atomenergia ígéretét és az atomfegyverek fenyegetését.”
Kémiailag rendkívül reakcióképes fém, amely levegővel érintkezve oxidálódik. Nagyon mérgező és radioaktív, ezért rendkívül óvatosan kell kezelni. Az aktinidák közé tartozik, számos oxidációs állapotban előfordulhat, +3-tól +7-ig.
95. Amerícium (Am)
Az amerícium, rendszáma 95, 1944-ben, szintén Glenn T. Seaborg és munkatársai által került felfedezésre Chicagóban. Nevét Amerikáról kapta, ahogy az európium (Eu) is Európáról.
Legfontosabb izotópjai a amerícium-241 (241Am), felezési ideje 432,2 év, és az amerícium-243 (243Am), felezési ideje 7370 év. Ezek az izotópok alfa-bomlással bomlanak. Az amerícium is ezüstfehér, reaktív fém, az aktinidák csoportjába tartozik.
Az amerícium-241-et széles körben alkalmazzák a háztartási füstérzékelőkben, ahol az általa kibocsátott alfa-részecskék ionizálják a levegőt, és az ionáram változása jelzi a füst jelenlétét. Emellett ipari mérőműszerekben és tudományos kutatásokban is használják.
96. Kűrium (Cm)
A kűrium, rendszáma 96, 1944-ben fedezte fel Glenn T. Seaborg, Ralph A. James és Albert Ghiorso Chicagóban. Nevét Marie és Pierre Curie tiszteletére kapta, akik úttörő munkát végeztek a radioaktivitás kutatásában.
Legstabilabb izotópja a kűrium-247 (247Cm), amelynek felezési ideje 15,6 millió év. Más fontos izotópok közé tartozik a kűrium-244 (244Cm), felezési ideje 18,1 év, és a kűrium-242 (242Cm), felezési ideje 162,8 nap. Erős alfa-sugárzó, és jelentős hőtermelő képességgel rendelkezik.
Az űrkutatásban, például a Mars Science Laboratory (Curiosity rover) fedélzetén használt alfa-proton röntgen spektrométer (APXS) energiaforrásaként alkalmazták, illetve tudományos kutatásokban, más transzurán elemek előállításának célpontjaként.
97. Berkelium (Bk)
A berkelium, rendszáma 97, 1949-ben fedezte fel Glenn T. Seaborg, Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson és Kenneth Street Jr. a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben. Nevét Berkeley városáról kapta.
Legstabilabb izotópja a berkelium-247 (247Bk), felezési ideje 1380 év. A leggyakrabban előállított izotóp a berkelium-249 (249Bk), felezési ideje 330 nap. Ez az izotóp béta-bomlással bomlik. Ezüstös színű fém, az aktinidák csoportjába tartozik.
Főként tudományos kutatásokban használják, különösen nehezebb elemek, például a tenesszin (Ts) előállításához szükséges célanyagként. Extrém radioaktivitása miatt gyakorlati alkalmazása szinte nincs.
98. Kalifornium (Cf)
A kalifornium, rendszáma 98, 1950-ben fedezte fel Stanley G. Thompson, Kenneth Street Jr., Albert Ghiorso és Glenn T. Seaborg szintén a Kaliforniai Egyetemen. Nevét Kalifornia államról és a Berkeley Egyetemről kapta.
Legstabilabb izotópja a kalifornium-251 (251Cf), felezési ideje 898 év. A legfontosabb izotóp a kalifornium-252 (252Cf), amelynek felezési ideje 2,64 év. Ez az izotóp rendkívül erős neutronforrás, mivel spontán hasadással bomlik, nagy mennyiségű neutront bocsátva ki.
A kalifornium-252-t széles körben alkalmazzák ipari célokra, például neutronaktivációs analízishez, fémhibák vizsgálatához, radarok és aknák felderítéséhez. Orvosi alkalmazásai közé tartozik a sugárterápia bizonyos rákos megbetegedések esetén.
99. Einsteinium (Es)
Az einsteinium, rendszáma 99, 1952-ben fedezte fel Albert Ghiorso és munkatársai az első hidrogénbomba robbanásának törmelékében. Nevét Albert Einstein tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja az einsteinium-252 (252Es), amelynek felezési ideje 471,7 nap. A leggyakrabban vizsgált izotóp az einsteinium-253 (253Es), felezési ideje 20,47 nap. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Rendkívül radioaktív, és csak mikrogrammnyi mennyiségben állítható elő.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, különösen más nehezebb elemek, például a mendelevium előállításához szükséges célanyagként. Nagyon kevés van belőle, és rendkívül nehéz vele dolgozni.
100. Fermium (Fm)
A fermium, rendszáma 100, szintén 1952-ben fedezte fel Albert Ghiorso és munkatársai az első hidrogénbomba robbanásának törmelékében. Nevét Enrico Fermi, a modern nukleáris fizika egyik atyja tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a fermium-257 (257Fm), felezési ideje 100,5 nap. Ez az izotóp alfa-bomlással bomlik. Az összes izotópja rendkívül radioaktív és rövid felezési idejű. Ez az utolsó elem, amelyet neutronbefogással lehet előállítani atomreaktorokban, nagyobb rendszámú elemek már csak részecskegyorsítókkal szintetizálhatók.
Csak tudományos kutatásokban használják, az aktinidák kémiai tulajdonságainak megértésére és a szupernehéz elemek előállítására irányuló kísérletekben.
101. Mendelevium (Md)
A mendelevium, rendszáma 101, 1955-ben fedezte fel Albert Ghiorso, Glenn T. Seaborg, Bernard Harvey és Gregory R. Choppin a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben. Nevét Dmitrij Mengyelejev, a periódusos rendszer megalkotója tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a mendelevium-258 (258Md), felezési ideje 51 nap. Ez az izotóp elektronbefogással bomlik. Az első elem volt, amelyet „atom atomonként” szintetizáltak és azonosítottak, mindössze néhány atomnyi mennyiségben.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, az aktinidák kémiai viselkedésének vizsgálatára, és a transzaktinidák előállítására irányuló kísérletekben.
102. Nobélium (No)
A nobélium, rendszáma 102, felfedezése vitatott volt. Először 1957-ben állították elő a stockholmi Nobel Intézetben, innen kapta a nevét Alfred Nobel tiszteletére. Később azonban az amerikai és szovjet kutatók nem tudták megismételni az eredményt. Végül 1966-ban a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben sikerült hitelt érdemlően előállítani.
Legstabilabb izotópja a nobélium-259 (259No), felezési ideje 58 perc. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Az aktinidák utolsó eleme, és az első transzaktinida elemek vizsgálatában játszik szerepet.
Csak tudományos kutatásokban használják, a periódusos rendszer határainak vizsgálatára.
103. Laurencium (Lr)
A laurencium, rendszáma 103, 1961-ben fedezte fel Albert Ghiorso, Torbjørn Sikkeland, Almon Larsh és Robert M. Latimer a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben. Nevét Ernest O. Lawrence, a ciklotron feltalálója tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a laurencium-266 (266Lr), felezési ideje 11 óra. Más fontos izotópok közé tartozik a laurencium-262 (262Lr), felezési ideje 3,6 óra. Ez az izotóp alfa-bomlással bomlik. A laurencium a periódusos rendszer aktinida sorának utolsó tagja.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, a periódusos rendszer kémiai és fizikai tulajdonságainak vizsgálatára az aktinidák és a transzaktinidák közötti átmenetnél.
104. Rutherfordium (Rf)
A rutherfordium, rendszáma 104, felfedezése szintén vitatott volt. Először 1964-ben állították elő a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben, majd 1969-ben a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben. Nevét Ernest Rutherford, a nukleáris fizika úttörője tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a rutherfordium-267 (267Rf), felezési ideje 1,3 óra. Az összes izotópja alfa-bomlással és spontán hasadással bomlik. Ez az első transzaktinida elem, ami azt jelenti, hogy kémiai tulajdonságai már nem az aktinidákra, hanem a periódusos rendszer 4. csoportjában (titán, cirkónium, hafnium) található elemekre hasonlítanak.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, a szupernehéz elemek kémiai viselkedésének vizsgálatára.
105. Dubnium (Db)
A dubnium, rendszáma 105, 1968-ban fedezte fel a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben egy szovjet kutatócsoport, majd 1970-ben a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben egy amerikai csoport. Nevét a Dubnai Atomkutató Intézetről kapta.
Legstabilabb izotópja a dubnium-268 (268Db), felezési ideje 29 óra. Az összes izotópja alfa-bomlással és spontán hasadással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 5. csoportjába (vanádium, nióbium, tantál) sorolható, mint egy nehéz homológ.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, a relativisztikus hatások tanulmányozására, amelyek befolyásolják a szupernehéz elemek kémiai tulajdonságait.
106. Sziborium (Sg)
A sziborium, rendszáma 106, 1974-ben fedezte fel a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben egy szovjet csoport, majd még ugyanabban az évben a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben egy amerikai csoport. Nevét Glenn T. Seaborg, a transzurán elemek felfedezésében úttörő tudós tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a sziborium-271 (271Sg), felezési ideje 2,4 perc. Az összes izotópja alfa-bomlással és spontán hasadással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 6. csoportjába (króm, molibdén, volfrám) tartozik.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, a szupernehéz elemek kémiai tulajdonságainak megértésére.
107. Bohrium (Bh)
A bohrium, rendszáma 107, 1976-ban fedezte fel a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben egy szovjet csoport, majd 1981-ben a GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) Darmstadtban, Németországban egy német csoport. Nevét Niels Bohr, a kvantummechanika egyik alapítója tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a bohrium-270 (270Bh), felezési ideje 61 másodperc. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 7. csoportjába (mangán, technécium, rénium) tartozik.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, a periódusos rendszer elméleti modelljeinek validálására.
108. Hasszium (Hs)
A hasszium, rendszáma 108, 1984-ben fedezte fel a GSI Darmstadtban, Németországban egy német kutatócsoport. Nevét Hessen német tartományról kapta, ahol a GSI található.
Legstabilabb izotópja a hasszium-277 (277Hs), felezési ideje 10 perc. Az összes izotópja alfa-bomlással és spontán hasadással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 8. csoportjába (vas, ruténium, ozmium) tartozik.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, a szupernehéz elemek stabilitásának és kémiai viselkedésének vizsgálatára.
109. Meitnérium (Mt)
A meitnérium, rendszáma 109, 1982-ben fedezte fel a GSI Darmstadtban, Németországban egy német kutatócsoport. Nevét Lise Meitner, az atommaghasadás egyik felfedezője tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a meitnérium-278 (278Mt), felezési ideje 7,6 másodperc. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 9. csoportjába (kobalt, ródium, irídium) tartozik.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, az atommagok elméleti modelljeinek tesztelésére.
110. Darmsztadtium (Ds)
A darmsztadtium, rendszáma 110, 1994-ben fedezte fel a GSI Darmstadtban, Németországban egy német kutatócsoport. Nevét Darmstadt városáról kapta, ahol a GSI található.
Legstabilabb izotópja a darmsztadtium-281 (281Ds), felezési ideje 9,6 másodperc. Az összes izotópja alfa-bomlással és spontán hasadással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 10. csoportjába (nikkel, palládium, platina) tartozik.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják.
111. Röntgénium (Rg)
A röntgénium, rendszáma 111, 1994-ben fedezte fel a GSI Darmstadtban, Németországban egy német kutatócsoport. Nevét Wilhelm Conrad Röntgen, a röntgensugárzás felfedezője tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a röntgénium-282 (282Rg), felezési ideje 100 másodperc. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 11. csoportjába (réz, ezüst, arany) tartozik, és várhatóan nemesfém tulajdonságokat mutat.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják.
112. Kopernícium (Cn)
A kopernícium, rendszáma 112, 1996-ban fedezte fel a GSI Darmstadtban, Németországban egy német kutatócsoport. Nevét Nicolaus Copernicus, a heliocentrikus világkép megalkotója tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a kopernícium-285 (285Cn), felezési ideje 29 másodperc. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 12. csoportjába (cink, kadmium, higany) tartozik, és várhatóan rendkívül illékony fém.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják.
113. Nihónium (Nh)
A nihónium, rendszáma 113, 2003-ban fedezte fel a RIKEN (Rikagaku Kenkyūsho) Japánban. Ez volt az első elem, amelyet Ázsiában fedeztek fel. Nevét Japán japán elnevezéséről, a „Nihon”-ról kapta.
Legstabilabb izotópja a nihónium-286 (286Nh), felezési ideje 20 másodperc. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 13. csoportjába (bór, alumínium, gallium, indium, tallium) tartozik, és várhatóan fém.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, a periódusos rendszer elméleti előrejelzéseinek tesztelésére.
114. Fleróvium (Fl)
A fleróvium, rendszáma 114, 1999-ben fedezte fel a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben egy orosz-amerikai kutatócsoport. Nevét Georgij Flerov, a szovjet nukleáris fizikus tiszteletére kapta.
Legstabilabb izotópja a fleróvium-289 (289Fl), felezési ideje 2,6 másodperc. Az összes izotópja spontán hasadással és alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 14. csoportjába (szén, szilícium, germánium, ón, ólom) tartozik, és várhatóan nagyon illékony elem.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják. A stabilitási sziget közelében helyezkedik el.
115. Moszkóvium (Mc)
A moszkóvium, rendszáma 115, 2003-ban fedezte fel a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben egy orosz-amerikai kutatócsoport. Nevét Moszkva megyéről kapta.
Legstabilabb izotópja a moszkóvium-290 (290Mc), felezési ideje 0,8 másodperc. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 15. csoportjába (nitrogén, foszfor, arzén, antimon, bizmut) tartozik.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják.
116. Livermórium (Lv)
A livermórium, rendszáma 116, 2000-ben fedezte fel a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben egy orosz-amerikai kutatócsoport. Nevét a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumról kapta.
Legstabilabb izotópja a livermórium-293 (293Lv), felezési ideje 60 milliszekundum. Az összes izotópja alfa-bomlással és spontán hasadással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 16. csoportjába (oxigén, kén, szelén, tellúr, polónium) tartozik.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják. Szintén a stabilitási sziget feltérképezésében játszik szerepet.
117. Tenesszin (Ts)
A tenesszin, rendszáma 117, 2010-ben fedezte fel a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben egy orosz-amerikai kutatócsoport. Nevét Tennessee államról kapta, ahol az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium található, amely kulcsszerepet játszott az elem előállításához szükséges berkelium-249 célanyag biztosításában.
Legstabilabb izotópja a tenesszin-294 (294Ts), felezési ideje 78 milliszekundum. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 17. csoportjába (halogének: fluor, klór, bróm, jód, asztácium) tartozik, de várhatóan eltérő kémiai tulajdonságokat mutat a relativisztikus hatások miatt.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják.
118. Oganesszon (Og)
Az oganesszon, rendszáma 118, 2002-ben fedezte fel a Dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben egy orosz-amerikai kutatócsoport. Nevét Jurij Oganeszján orosz nukleáris fizikus tiszteletére kapta, aki úttörő munkát végzett a szupernehéz elemek kutatásában.
Legstabilabb izotópja az oganesszon-294 (294Og), felezési ideje 0,89 milliszekundum. Az összes izotópja alfa-bomlással bomlik. Kémiailag a periódusos rendszer 18. csoportjába (nemesgázok: hélium, neon, argon, kripton, xenon, radon) tartozik, de a relativisztikus hatások miatt várhatóan kevésbé inert, mint a könnyebb nemesgázok.
Kizárólag tudományos kutatásokban használják, a periódusos rendszer és az atommagok szerkezetének végső határainak megértésére.
Összefoglaló táblázat a transzurán elemekről
Az alábbi táblázat egy átfogó képet nyújt a transzurán elemekről, rendszám, vegyjel, felfedezés éve és a legstabilabb izotóp felezési ideje alapján.
| Rendszám | Vegyjel | Név | Felfedezés éve | Legstabilabb izotóp | Felezési idő |
|---|---|---|---|---|---|
| 93 | Np | Neptúnium | 1940 | 237Np | 2,14 millió év |
| 94 | Pu | Plutónium | 1940 | 244Pu | 80,8 millió év |
| 95 | Am | Amerícium | 1944 | 243Am | 7370 év |
| 96 | Cm | Kűrium | 1944 | 247Cm | 15,6 millió év |
| 97 | Bk | Berkelium | 1949 | 247Bk | 1380 év |
| 98 | Cf | Kalifornium | 1950 | 251Cf | 898 év |
| 99 | Es | Einsteinium | 1952 | 252Es | 471,7 nap |
| 100 | Fm | Fermium | 1952 | 257Fm | 100,5 nap |
| 101 | Md | Mendelevium | 1955 | 258Md | 51 nap |
| 102 | No | Nobélium | 1966 | 259No | 58 perc |
| 103 | Lr | Laurencium | 1961 | 266Lr | 11 óra |
| 104 | Rf | Rutherfordium | 1964/1969 | 267Rf | 1,3 óra |
| 105 | Db | Dubnium | 1968/1970 | 268Db | 29 óra |
| 106 | Sg | Sziborium | 1974 | 271Sg | 2,4 perc |
| 107 | Bh | Bohrium | 1976/1981 | 270Bh | 61 másodperc |
| 108 | Hs | Hasszium | 1984 | 277Hs | 10 perc |
| 109 | Mt | Meitnérium | 1982 | 278Mt | 7,6 másodperc |
| 110 | Ds | Darmsztadtium | 1994 | 281Ds | 9,6 másodperc |
| 111 | Rg | Röntgénium | 1994 | 282Rg | 100 másodperc |
| 112 | Cn | Kopernícium | 1996 | 285Cn | 29 másodperc |
| 113 | Nh | Nihónium | 2003 | 286Nh | 20 másodperc |
| 114 | Fl | Fleróvium | 1999 | 289Fl | 2,6 másodperc |
| 115 | Mc | Moszkóvium | 2003 | 290Mc | 0,8 másodperc |
| 116 | Lv | Livermórium | 2000 | 293Lv | 60 milliszekundum |
| 117 | Ts | Tenesszin | 2010 | 294Ts | 78 milliszekundum |
| 118 | Og | Oganesszon | 2002 | 294Og | 0,89 milliszekundum |
A transzurán elemek kémiai és fizikai tulajdonságai
A transzurán elemek, különösen a nehezebbek, rendkívül rövid élettartamuk és csekély mennyiségük miatt nehezen vizsgálhatók. Ennek ellenére a tudósok kísérleti és elméleti módszerekkel is igyekeznek feltárni egyedi tulajdonságaikat.
Radioaktivitás és instabilitás
A transzurán elemek mindegyike radioaktív, és az atommagjuk rendszámának növekedésével általában egyre instabilabbá válnak. A felezési idők a millió évektől egészen a milliszekundumokig terjednek. Ez az instabilitás abból adódik, hogy az atommagban lévő protonok közötti elektromos taszítóerő egyre erősebbé válik, és a nukleáris erő már nem képes azt ellensúlyozni.
A bomlási módok változatosak: alfa-bomlás (hélium atommag kibocsátása), béta-bomlás (elektron vagy pozitron kibocsátása), és spontán hasadás (az atommag két vagy több kisebb magra szakadása). A nehezebb elemekre, különösen a 100-as rendszám felett, a spontán hasadás válik a domináns bomlási móddá.
Elektronkonfiguráció és kémiai viselkedés
A transzurán elemek többsége az aktinidák sorozatába tartozik (93-tól 103-ig). Ezek az elemek az 5f alhéj elektronjaival töltődnek fel, és kémiailag hasonló viselkedést mutatnak a lantanidákhoz, elsősorban a +3-as oxidációs állapot jellemző rájuk, bár sokan más oxidációs állapotokat is felvehetnek (pl. plutónium +4, +6).
A 104-es rendszámtól kezdődően a transzaktinidák következnek. Ezek az elemek már a 6d alhéj elektronjaival töltődnek fel, és kémiai tulajdonságaik a periódusos rendszer megfelelő főcsoportjainak elemeire (pl. rutherfordium a cirkóniumra és hafniumra) hasonlítanak. Azonban a nagy atommagtöltés miatt a relativisztikus hatások jelentősen befolyásolják az elektronok viselkedését, és ez eltéréseket okozhat az elméletileg várt kémiai tulajdonságokhoz képest.
„A relativisztikus hatások a szupernehéz elemek kémiáját a hagyományos elképzeléseinktől eltérővé teszik, a periódusos rendszer eddigi szabályszerűségei itt már nem érvényesülnek teljesen.”
Például a kopernícium (112) várhatóan kevésbé reakcióképes, mint a higany, míg az oganesszon (118) kevésbé inert, mint a radon, annak ellenére, hogy mindkettő a nemesgázok csoportjába tartozik.
A stabilitási sziget koncepciója
Az atommagok stabilitásának elmélete szerint létezhet egy úgynevezett stabilitási sziget a periódusos rendszerben, ahol bizonyos „mágikus” proton- és neutronszámú atommagok sokkal stabilabbak lehetnek, mint a közvetlenül szomszédos, rövidebb élettartamú izotópok. Az elméleti előrejelzések szerint ez a sziget a 114-es vagy 120-as rendszám körül helyezkedhet el, bizonyos neutronszámokkal (pl. 184).
Ez a koncepció hajtja a szupernehéz elemek kutatását, reményt adva arra, hogy hosszú élettartamú, akár mérhető mennyiségben is előállítható elemeket fedezhetnek fel. Bár eddig nem találtak olyan elemet, amely a „stabilitási sziget” közepén helyezkedne el, a fleróvium (114) és a livermórium (116) bizonyos izotópjainak viszonylag hosszabb felezési ideje (néhány másodperc) arra utal, hogy a sziget peremén már járunk.
Alkalmazások és jelentőség
Bár a legtöbb transzurán elem rendkívül rövid élettartamú és nehezen hozzáférhető, néhányuknak kritikus szerepe van a tudományban, az iparban és az energetikában.
Tudományos kutatás
A transzurán elemek előállítása és tanulmányozása alapvető fontosságú a kémia és a fizika számára. Lehetővé teszik a periódusos rendszer határainak feltérképezését, az atommagok szerkezetének és stabilitásának mélyebb megértését, valamint a kvantummechanika és a relativitáselmélet hatásainak vizsgálatát az atomi szinten.
Az új elemek felfedezése hozzájárul az elméleti modellek finomításához, és segít megjósolni a még fel nem fedezett elemek tulajdonságait. A szupernehéz elemek kutatása különösen fontos a „stabilitási sziget” elméletének tesztelésében.
Atomenergia és nukleáris fegyverek
A plutónium-239 (239Pu) a legismertebb és legjelentősebb transzurán elem ezen a területen. Hasadóanyagként kulcsfontosságú az atomerőművekben, ahol energiát termel, és a nukleáris fegyverekben is. A plutónium előállítása és kezelése szigorú nemzetközi ellenőrzés alatt áll a proliferáció megelőzése érdekében.
Más transzurán elemek, mint például az amerícium és a kűrium, hosszú élettartamú radioaktív hulladékot képeznek az atomreaktorok kiégett fűtőanyagában, ami komoly kihívást jelent azok biztonságos tárolására és ártalmatlanítására.
Ipari és orvosi alkalmazások
Néhány transzurán elemnek specifikus gyakorlati alkalmazása is van:
- Amerícium-241 (241Am): széles körben alkalmazzák háztartási füstérzékelőkben. Alfa-részecskéket bocsát ki, amelyek ionizálják a levegőt, és a füst megváltoztatja ezt az ionáramot, riasztást kiváltva.
- Kalifornium-252 (252Cf): rendkívül erős neutronforrás, amelyet ipari alkalmazásokban használnak, például:
- Neutronaktivációs analízis: anyagok összetételének meghatározására.
- Nedvességmérők: az építőiparban és az olajiparban.
- Roncsolásmentes anyagvizsgálat: repedések, hibák felderítésére fémekben.
- Orvosi alkalmazások: bizonyos rákos megbetegedések sugárterápiájában.
- Plutónium-238 (238Pu): bár nem hasadóanyag, alfa-bomlása során jelentős hőt termel, amelyet radioizotópos termoelektromos generátorokban (RTG) alakítanak át elektromos energiává. Ezeket az RTG-ket űrszondákban (pl. Voyager, Cassini, Perseverance) és szívritmus-szabályzókban használták, ahol hosszú élettartamú, megbízható energiaforrásra van szükség.
Radioaktív hulladék kezelése
A transzurán elemek, különösen a hosszú felezési idejűek, jelentős részét képezik a nukleáris hulladéknak. Ezek a hulladékok rendkívül veszélyesek, és évszázezredekig vagy akár millió évekig is radioaktívak maradnak. Ezért a biztonságos, hosszú távú tárolásuk (pl. mélygeológiai tárolókban) az egyik legnagyobb kihívás, amellyel a nukleáris ipar és a társadalom szembesül.
A tudósok kutatják a transzmutáció lehetőségét, ami azt jelentené, hogy a hosszú élettartamú transzurán elemeket stabilabb, rövid élettartamú izotópokká alakítanák át neutronokkal bombázva, ezzel csökkentve a hulladék veszélyességét és tárolási idejét.
Jövőbeli kutatások és kilátások
A transzurán elemek világa folyamatosan fejlődik, új felfedezésekkel és elméleti áttörésekkel. A jövőbeli kutatások számos izgalmas területre koncentrálnak.
Újabb szupernehéz elemek keresése
A részecskegyorsítók folyamatos fejlesztésével a tudósok arra törekednek, hogy még nagyobb rendszámú elemeket szintetizáljanak. A 119-es és 120-as rendszámú elemek előállítása már tervben van, és komoly kísérleti erőfeszítések zajlanak a világ vezető laboratóriumaiban.
Ezeknek az elemeknek a felfedezése segítene jobban megérteni a periódusos rendszer szerkezetét, és azt, hogy hol vannak a kémiai elemek végső határai. A cél az, hogy a „mágikus” proton- és neutronszámokat elérve megtalálják a stabilitási sziget középpontját.
A stabilitási sziget feltérképezése
A „stabilitási sziget” elmélete továbbra is az atommagfizika egyik legfontosabb kutatási területe. Az izotópok felezési idejének pontosabb mérése, valamint az új, még nehezebb izotópok felfedezése kulcsfontosságú ahhoz, hogy jobban megértsék, milyen konfigurációk teszik az atommagokat stabilabbá.
Ha sikerülne viszonylag hosszú élettartamú, stabil szupernehéz elemeket előállítani, az alapjaiban változtathatná meg a nukleáris fizikáról és kémiáról alkotott képünket, és talán új alkalmazási lehetőségeket is nyitna.
Elméleti modellek fejlesztése
A kísérleti eredmények mellett az elméleti fizikusok is folyamatosan dolgoznak az atommagok és az elektronhéjak viselkedését leíró modellek finomításán. A relativisztikus kvantumkémia egyre fontosabbá válik a szupernehéz elemek kémiai tulajdonságainak előrejelzésében, mivel a nagy atommagtöltés miatt az elektronok rendkívül nagy sebességgel mozognak, és a speciális relativitáselmélet hatásait figyelembe kell venni.
Ezek a modellek segítenek a kísérletek megtervezésében, és értelmezik a nehezen megszerezhető kísérleti adatokat, hidat képezve az elmélet és a gyakorlat között.
Potenciális új alkalmazások
Bár a legtöbb transzurán elem továbbra is csak laboratóriumi kuriózum marad, a jövőben nem zárható ki, hogy újabb, eddig ismeretlen alkalmazásokat fedezhetnek fel. Például, ha stabilabb szupernehéz elemeket találnánk, azok egyedi nukleáris vagy kémiai tulajdonságaik révén új technológiai áttöréseket hozhatnak.
A transzmutáció területén végzett kutatások is ígéretesek a nukleáris hulladékkezelés optimalizálása szempontjából, ami hosszú távon jelentős környezeti és gazdasági előnyökkel járhat.
A transzurán elemek tanulmányozása továbbra is az emberi tudás határait feszegeti, bepillantást engedve az anyag legmélyebb szerkezetébe és az univerzum alapvető erőibe. Ezek az elemek, amelyek a csillagászati laboratóriumok és részecskegyorsítók mélyén születnek, nemcsak tudományos érdekességek, hanem kulcsfontosságúak a jövő technológiájának és energetikájának megértésében és fejlesztésében.
