Wissenschaftler der Massey University in Neuseeland, der Universität Mainz in Deutschland, der Sorbonne-Universität in Frankreich und der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) diskutieren mit aktuellen Wissenschaftlern die Grenze des Periodensystems und die Überarbeitung des Konzepts der „Insel der Stabilität“. Fortschritte in der Forschung zu superschweren Elementen. Ihre Arbeit erschien erstmals in Nature Reviews Physik.
In Ergänzung zu Nature Reviews Physik Besonderheit, Physikberichte hat eine veröffentlicht Rezension zur atomaren elektronischen Strukturtheorie für superschwere Elemente.
Was ist der schwerste gebundene Kern und das schwerste gebundene Atom und welche Eigenschaften haben sie? Als „superschwer“ werden die Kerne chemischer Elemente mit mehr als 103 Protonen bezeichnet. Sie sind Teil eines riesigen unbekannten Territoriums dieser Kerne, das Wissenschaftler aufzudecken versuchen. Die Erkundung dieses Neulandes bietet Aussichten auf Entdeckungen, die die weiten Bereiche der Wissenschaft verbinden.
Neue Versuchsanlagen werden gebaut, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, die Eigenschaften von Atomen und ihren Kernen in einem Bereich sehr großer Mengen an Elektronen, Protonen und Neutronen aufzudecken. Die Anlagen werden neue Elemente und Nuklide an den Grenzen der Atomzahl und Masse erzeugen. Die Produktionsraten superschwerer Kerne sind außerordentlich niedrig.
Die aus diesen Experimenten gewonnenen physikalischen und chemischen Daten weisen auf Abweichungen von leichteren Elementen und Isotopen hin. Dies ermöglicht Wissenschaftlern die Frage, wie weit die Grenzen des Periodensystems der Elemente und des Diagramms der Nuklide erweitert werden können. Ein wissenschaftliches Ziel ist es auch, die Existenz der „Halbinsel der erweiterten Stabilität“ abzuschätzen, auf der superschwere Kerne eine Lebensdauer haben könnten, die über die bisher entdeckte sehr kurze Lebensdauer hinausgeht.
Darüber hinaus konzentriert sich der Fortschritt der Atomstrukturtheorie auf superschwere Elemente und ihre vorhergesagten elektronischen Grundzustandskonfigurationen, die für die Platzierung eines Elements im Periodensystem wichtig sind.
„Aufgrund der enormen elektrostatischen Kräfte bewegen sich Elektronen in superschweren Atomen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit“, sagte einer der Autoren des Papiers, Witek Nazarewicz, John A. Hannah Distinguished Professor of Physics und leitender Wissenschaftler am FRIB. „Außerdem führen sehr starke Coulomb-Kräfte in superschweren Kernen zu neuen Effekten. Das ist ein neues Ballspiel für die Atom- und Kerntheorie.“
Am FRIB werden Wissenschaftler Wege untersuchen, um superschwere Kerne zu erreichen, die näher an der Region erhöhter Stabilität liegen. Viele superschwere Kerne können derzeit nicht gemessen werden, daher müssen Informationen über sie aus theoretischen Extrapolationen stammen. Kerntheoretiker am FRIB führen mithilfe fortschrittlicher Modelle, unterstützt durch Hochleistungsrechnen und maschinelles Lernen, Vorhersagen für superschwere Kerne durch.
Die Untersuchung des Periodensystems der Elemente und der nuklearen Landschaft in der superschweren Region wird neue Ideen und Methoden hervorbringen, die sich auf die Kern- und Atomphysik, Astrophysik und Chemie auswirken werden.
Mehr Informationen:
OR Smits et al., Pushing the limits of the periodic table – Ein Überblick über die atomar-relativistische elektronische Strukturtheorie und Berechnungen für die superschweren Elemente, Physikberichte (2023). DOI: 10.1016/j.physrep.2023.09.004