Periyodik cetvele kaç yeni element daha bulunabilir?

Philip Ball / BBC Future

1930'lardan bu yana fizikçiler onlarca yeni kimyasal element buldu. Daha ne kadar yeni element keşfedilebilir? Bunun bir sınırı var mıdır?

30 Aralık 2015'te kimya bilimi periyodik cetvele dört yeni element daha ekledi. Bunların tümü laboratuvarda üretilmişti. Bundan sonra başka elementler de üretilebilir. Ama bu iş giderek zorlaşıyor.

Periyodik cetvelin yeni elementlerle daha ne kadar uzatılabileceğini kimse bilmiyor. Bazıları bunun sınırının olmadığını söylüyor. Bazıları ise atomların daha fazla ağırlaştırılamayacağını, atomlar büyüdükçe kontrolünün zorlaşıp istikrarsız hale geleceğini ve radyoaktivite yayarak parçalanacağını söylüyor.

Elementlerin yapısı

Elementler kimyanın yapı taşlarıdır. Element bir çeşit atom içeren maddedir. Yani yeni bir element üretmek, yeni bir atom üretmek demektir. Her elemente bir numara verilir. Örneğin karbonunki 6'dır. Bu sayılar, atom içindeki proton sayısını gösterir.

Protonlar pozitif elektrik yüklüdür ve atomun çekirdeğinde bir araya toplanmış haldedir. Protonları dengeleyen negatif yüklü elektronlar ise daha hafiftir ve çekirdeğin etrafında dönerler.

Hidrojen atomu dışındaki atomların çekirdeğinde ayrıca protonlarınkine eşit kütleye sahip nötronlar vardı. Bunlar elektrikle yüklü değildir. Bir elementin atomları farklı sayıda nötronlara sahip olabilir. Bu varyantlara ise ‘izotop' adı verilir.

Nötronlar protonları bir arada tutan tutkal işlevi görür. Onlar olmasa protonlar pozitif elektrik akımı nedeniyle birbirini iterdi.

Radyoaktif bozulma

Fakat yine de uranyum gibi ağır atomların çekirdeği öylesine birbirini iten protonlarla doludur ki nötronlar bile onları bir arada tutamaz. Bu atomlar "radyoaktif bozulma”ya uğrar, parçacık ve enerji bırakırlar.

Atom bozulmaya uğradığında çekirdeğindeki proton sayısı değişir; yani radyoaktif bozulma bir elementi başka bir elemente dönüştürür. Bu, çevremizde, hatta vücudumuzda sürekli gerçekleşen bir değişimdir.

Her atom çekirdeğinde proton ve nötron optimum oranda bulunur. Çekirdek küçük olsa bile uygun orandan daha az ya da daha fazla sayıda nötron varsa atom bozulmaya uğrayacaktır.

Doğal oluşum

Karbon ve oksijen gibi hafif elementlerde normal oran 1:1'dir. Ağır elementlerde nötron oranı biraz daha yüksektir. Evrendeki doğal süreçler ancak belli ağırlıkta elementler üretebilir.

En hafif beş element hidrojen, helyum, lityum, berilyum ve bor çoğunlukla evrenin başlangıcını oluşturduğu söylenen Büyük Patlama sırasında oluşmuştur.

Daha ağır olan elementler ise yıldızların kendi içinde oluşmuştur. Burada aşırı ısı ve basınç nedeniyle elementlerin çekirdeği birbiriyle kaynaşır. Buna nükleer füzyon denir. Daha büyük yıldızlarda ise çekirdeğinde 80 proton taşıyan cıva gibi daha ağır elementler de oluşur.

Fakat periyodik cetveldeki elementlerin çoğu, enerjisi biten yıldızların "süpernova” adı verilen dev patlamayla parçalanması sırasında oluşur. Bu sırada ortaya çıkan enerji o kadar güçlüdür ki atomlar birbiriyle çarpışıp yeni füzyonlarla uranyum gibi 92 protonlu ağır elementleri oluşturur.

Pozitif enerji yüklü atom çekirdekleri birbirini ittiği için bu nükleer füzyonların oluşması büyük enerji gerektirir. Atom çekirdeklerinin birbiriyle birleşmesi için büyük bir hızla hareket ediyor olması gerekir.

Doğada oluşan ve önemli miktarda bulunan en ağır element uranyumdur.

**Atomları çarpıştırmak**

Bilim insanları yeni element üretmek için, ışık hızının onda biri düzeyinde bir hızda atomların çarpışmasını sağlamak için parçacık hızlandırıcısı kullanır.

Bu ilk kez 1939'da California Üniversitesi'nde yapılmış ve bugün neptünyum adıyla bilinen 93 numaralı element üretilmişti.

Ondan iki yıl sonra ise aynı ekip, uranyuma hidrojen çekirdekleri fırlatılarak 94 sayılı element plütonyum ortaya çıktı.

Plütonyumun da uranyum gibi nükleer füzyon yoluyla kendiliğinde bozulmaya uğradığı, bu elementin ağır çekirdeği bölündüğünde fazla miktarda enerji salındığı görülmüştü.

Bu bulgular Ağustos 1945'te Nagasaki'ye atom bombasının bırakılmasıyla sonuçlandı. Plütonyumun keşfi savaş sonrasına kadar askeri sır olarak saklanmıştı.

**Nükleer füzyon**

Savaştan sonra fizikçiler yeni elementler bulmaya koyuldu yeniden. Başta Amerikalılar öndeydi bu çalışmalarda ve keşfedilen 95, 97 ve 98 sayılı yeni elementlere amerikyum, berkelyum ve kaliforniyum isimleri verildi.

Diğer elementler ise farklı şekilde keşfedildi. 1950'lerde ABD'de yapılan hidrojen bombası denemelerinde, bombalarda kullanılan uranyumun patlama sırasında nükleer füzyonla oluşturduğu yeni elementlerdi bunlar.

99 ve 100 numaralı elementlere bu nedenle nükleer bilimin iki önemli isminin adı verildi: Einsteinyum ve fermiyum.

ABD ile Sovyetler Birliği arasındaki Soğuk Savaş kızıştıkça 102, 104, 105 ve 106 sayılı elementleri hangi tarafın bulduğu konusunda anlaşmazlık çıkmıştı.

İnsan yapımı ilk elementler ağır atomların daha hafifleriyle çarpıştırılması sonucu bulunmuştu. Almanya'daki GSI Laboratuvarı'nda ise orta büyüklükte iki atom çekirdeği, örneğin çinko, nikel ve krom iyonları kurşun ve bizmutla çarpıştırılarak 108 sayılı hassiyum bulundu.

Son elementlerin üretimi sırasında ise Amerika, Rusya ve Almanya kaynaklarını birleştirdi. Böylece 115, 117 ve 118 sayılı elementler bulundu.

Periyodik cetvelin sekizinci sırasını dolduracak elementlerin bulunması ihtimali konusunda ise farklı fikirler var. Kimileri atom büyüklüğünde üst sınıra ulaşmaya yakın olduğumuz kanısında. Bu nedenle yeni yaratılacak atomların daha öncekilerden oldukça farklı olacağı sanılıyor.

**Elektron orbitalleri**

Atomlardaki elektronlar, orbital ya da kabuk adı verilen gruplar halinde düzenlenir. Her orbitalin belli bir kapasitesi vardır ve atomların nasıl davranacağını ve periyodik cetvelin biçimini belirleyen de bu yapılardır.

İlk orbitalde sadece iki elektron tutulabilir. Bu nedenle periyodik cetvelin ilk sırasında sadece bir atomlu hidrojen ile iki atomlu helyum vardır. İkinci orbitalde en çok sekiz elektron tutulabilir. Bu nedenle cetvelin ikinci sırasında sekiz element vardır.

Yeni bulunan dört element, cetvelin yedinci sırasının son üyelerini oluşturuyor. Eğer 119 sayılı element bulunursa sekizinci sırada yer alacak, yani sekizinci orbitalde elektronu olan ilk elementi bulmuş olacağız.

**Cetveldeki yer**

Bu şekilde aşırı özellikleri olan elementler periyodik cetveli düzenleyen kanunları da altüst edebilir. Cetvelde aynı sütunda olan elementler benzer özellikler gösterir. Çünkü en dış orbitallerin yapısı aynıdır.

Örneğin en soldaki sütunda bulunan elementlerin tümü tepkimeli metallerdir. Dış orbitalde tek elektronları vardır, bu istikrarsızlığa yol açıp atomların herhangi bir tepkimede bunu kaybetmesini kolaylaştırır.

En sağdaki sütunda ise dış kabukta elektron sayısı tam olduğundan tepkime vermeyen atıl "soy gazlar” yer alır. Fakat bu kurallar aşırı ağır elementler açısından geçerli olmayabilir.

**Ağır elementler**

Bunların atomlarında, pozitif enerji yüklü çekirdeğe yakın olan elektronlar öyle sıkı birbirine bağlıdır ki aşırı hızlı hareket ederler. Einstein'ın, ışık hızına yakın hızda hareket eden nesnelerin kütlesinin arttığını ifade eden izafiyet teorisinin etkisini gösterirler.

Bunun sonucu olarak iç kısımdaki elektronlar ağırlaşır. Dıştaki elektronlar da bunu hisseder. Bu nedenle süper ağır elementler beklendiği gibi davranış göstermeyebilirler.

Bu etkileri incelemek teknik olarak oldukça zordur. Birkaç atomun birkaç saniyelik kimyasal davranışını gözlemektir söz konusu olan.

Ayrıca elementler ağırlaştıkça bozulma süreçlerinin de hızlanması işi daha da zorlaştırır.

Fakat cetvelin sekizinci sırasında yer alacak elementler, nötron ve proton sayılarına bağlı olarak daha istikrarlı adacıklar halinde de varlığını koruyup daha uzun ömürlü olabilir.

Nükleer fizikçiler atom çekirdeğindeki proton ve nötronların da sürekli dönen elektronlar gibi orbitaller halinde düzenlendiğini buldu. Helyum, oksijen, kalsiyum, alüminyum ve kurşun elementlerinin orbitalinin protonlarla dolu olduğu, bu nedenle daha istikrarlı oldukları görüldü.

**Anti-madde**

Ayrıca bir de atomların ağırlaşmasının öyle bir noktaya gelmesi ve o noktadan sonra var olmaması da söz konusu olabilir deniyor. Amerikalı fizikçi Richard Feynman, çekirdekte 137 proton olduğunda atom oluşumunun mümkün olmayacağını belirtiyor.

Fakat diğer fizikçiler yeniden hesap yaparak bu eşiği daha da yukarıya 173. sırada yer alan elemente kadar çekiyor.

Bu aşamada kuantum mekaniği devreye giriyor. Burada ise parçacıkların kendiliğinden ortaya çıkması, birinin elektron gibi maddeden, diğerinin ise onun anti-madde karşılığı olan pozitrondan oluşması, ve anında çarpışarak birbirini yok etmesi mümkün olabilir deniyor.

İşte 173 sayılı element bu olağandışı ve istikrarsız konumda olup bu "sanal” parçacıkları tetikleyebilir.

Kısacası, periyodik cetvele sayısız yeni elementler bulunsa bile ileride bizi nelerin beklediğini, bu elementlerin ne tür özellikler göstereceğini bilmiyoruz.

Bu makalenin İngilizce aslını BBC Earth sayfasında okuyabilirsiniz.

Dergideki diğer makalelere buradan ulaşabilirsiniz.