Transurane elementen: kunstmatige atomen voorbij uranium
Uranium staat al sinds de ontdekking van het periodiek systeem bekend als het zwaarste element dat in noemenswaardige hoeveelheden in de natuur voorkomt. Het heeft atoomnummer 92, wat betekent dat elk uraniumatoom 92 protonen in zijn kern heeft. Alles wat daarna komt in het periodiek systeem — elementen met 93 protonen of meer — noemen we transurane elementen. Op een paar sporen na, die in piepkleine hoeveelheden in uraniumerts ontstaan, zijn deze elementen niet door de natuur gemaakt maar door mensen, in laboratoria met kernreactoren of deeltjesversnellers.
Een handige analogie: stel het periodiek systeem voor als een flatgebouw waarvan de bovenste, door de natuur gebouwde verdieping op nummer 92 zit. Wetenschappers hebben daar sindsdien, verdieping voor verdieping, steeds wiebeliger bouwlagen bovenop gezet — tot en met nummer 118. Hoe hoger je komt, hoe instabieler de constructie: de nieuwste, zwaarste elementen bestaan soms maar een fractie van een seconde voordat ze uiteenvallen. Toch leren onderzoekers uit elke nieuwe verdieping meer over de fundamentele bouwstenen van materie.
Wat is het precies?
Het atoomnummer van een element geeft aan hoeveel protonen er in de kern zitten. Dat aantal bepaalt om welk chemisch element het gaat: 92 protonen is altijd uranium, 94 protonen is altijd plutonium, ongeacht hoeveel neutronen er verder in de kern zitten. Verschillende varianten van hetzelfde element, met een verschillend aantal neutronen, heten isotopen.
Transurane elementen worden op twee hoofdmanieren gemaakt. De eerste methode is neutronenvangst in een kernreactor: een bestaand zwaar element, zoals uranium, wordt bestraald met neutronen totdat de kern er genoeg heeft opgenomen en via radioactief verval verandert in een element met een hoger atoomnummer. Zo ontstaan de lichtere transuranen als plutonium, americium, curium en californium.
De tweede methode, nodig voor de allerzwaarste elementen, is kernfusie in een deeltjesversneller. Daarbij wordt een lichtere atoomkern met hoge snelheid op een zwaardere doelwitkern afgevuurd. Botsen de twee kernen precies goed, dan smelten ze heel kort samen tot één nieuwe, zwaardere kern. Dat gebeurt extreem zelden: van de miljarden deeltjes die op het doelwit worden afgevuurd, levert soms maar één botsing per week een nieuw atoom op.
Vrijwel alle transurane elementen zijn radioactief en vervallen na een bepaalde tijd vanzelf naar lichtere elementen. Die tijd wordt uitgedrukt in de halveringstijd: de periode waarin de helft van een hoeveelheid atomen is vervallen. Bij plutonium-239 is dat ruim 24.000 jaar, maar bij de zwaarste, meest recent ontdekte elementen kan dat oplopen tot slechts milliseconden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het maken van nieuwe, zwaardere elementen is voor een groot deel fundamenteel wetenschappelijk onderzoek: het test en verfijnt ons begrip van hoe atoomkernen in elkaar zitten en waarom sommige combinaties van protonen en neutronen stabieler zijn dan andere. Een belangrijk richtsnoer daarbij is de theorie van het eiland van stabiliteit: de gedachte dat er, voorbij de tot nu toe gemaakte superzware elementen, kernen bestaan met bijzonder “gesloten” combinaties van protonen en neutronen die veel langer stand zouden houden dan hun buren in het periodiek systeem. Vinden en bevestigen van zo'n stabielere kern zou een belangrijke doorbraak zijn in de kernfysica.
Daarnaast hebben sommige transurane elementen concrete, praktische toepassingen die weinig met sciencefiction te maken hebben. Ze worden gebruikt als energiebron in de ruimtevaart, als rookdetector in huizen, of als bron van neutronen voor medisch en industrieel onderzoek. Voor landen en instituten speelt ook prestige mee: het ontdekken en vernoemen van een nieuw element is een zeldzame en zichtbare wetenschappelijke prestatie.
Voorbeelden uit de praktijk
De geschiedenis van transurane elementen begint in 1940, toen natuurkundigen Edwin McMillan en Philip Abelson aan de Universiteit van Californië in Berkeley neptunium (element 93) ontdekten door uranium te bestralen met neutronen. Kort daarna, in 1940-1941, ontdekte een team onder leiding van Glenn Seaborg op dezelfde locatie plutonium (element 94) — het element dat later een centrale rol zou spelen in kernwapens en kernenergie.
Een minder bekende maar blijvend relevante toepassing is plutonium-238 als brandstof voor radio-isotopen thermo-elektrische generatoren (RTG's): apparaten die de warmte van radioactief verval omzetten in elektriciteit, zonder bewegende delen of zonlicht nodig te hebben. NASA gebruikte deze techniek in de Voyager-sondes (gelanceerd in 1977, nog altijd deels actief in de interstellaire ruimte), in de Cassini-missie naar Saturnus en in de Marsrovers Curiosity en Perseverance, die diep in het Marsjaar en soms in stoffige, zonarme periodes toch stroom nodig hebben.
Dichter bij huis zit americium-241, een transuraan element, in de meeste gewone ionisatie-rookmelders, waar het een zwakke, veilig afgeschermde stroom ioniseert die bij rook wordt verstoord en zo alarm slaat.
Aan de zware kant van het periodiek systeem is een mijlpaal de ontdekking van oganesson (element 118) in 2002 door een Russisch-Amerikaanse samenwerking tussen het Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna en het Lawrence Livermore National Laboratory in de Verenigde Staten. In 2016 bevestigde de internationale scheikundekoepel IUPAC de namen van de vier laatst ontdekte elementen — nihonium (113, ontdekt door het Japanse instituut RIKEN), moscovium (115), tennessine (117) en oganesson (118) — waarmee de zevende rij van het periodiek systeem compleet werd.
Hoe ver is de techniek?
Sinds 2016 is het periodiek systeem tot en met element 118 volledig ingevuld en officieel benoemd. Dat betekent niet dat het onderzoek stilligt: verschillende laboratoria proberen sindsdien element 119 en 120 te maken, wat de achtste rij van het periodiek systeem zou openen. Tot op heden is er, voor zover bekend, geen officieel door IUPAC bevestigde ontdekking van element 119 gepubliceerd; verschillende experimenten lopen nog of hebben nog geen sluitend resultaat opgeleverd.
De belangrijkste technische horde is dat elk element zwaarder ook moeilijker te maken is: de kans op een succesvolle kernfusie neemt sterk af naarmate de kernen groter en de lading hoger wordt, waardoor experimenten maanden kunnen duren voor slechts een handvol atomen — soms letterlijk één enkel atoom. Bovendien is de halveringstijd van die atomen vaak zo kort dat ze binnen milliseconden weer vervallen, wat het detecteren en identificeren ervan tot een precisiewerk maakt.
Het tempo van nieuwe ontdekkingen is daardoor van nature laag: waar in de jaren vijftig en zestig nog geregeld nieuwe elementen werden gevonden, kostte de bevestiging van elk van de laatste vier elementen (113 tot en met 118) jaren van herhaalde experimenten en onafhankelijke verificatie voordat IUPAC ze officieel erkende.
Wie werken eraan?
Een klein aantal gespecialiseerde laboratoria wereldwijd beschikt over de deeltjesversnellers en detectiesystemen die nodig zijn om aan superzware elementen te werken. In Duitsland is dat het GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, met de nieuwe FAIR-faciliteit (Facility for Antiproton and Ion Research) die momenteel wordt uitgebreid. In Rusland ligt het Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, een internationaal samenwerkingsverband van meerdere landen. Japan draagt bij via het RIKEN Nishina Center, dat verantwoordelijk is voor de ontdekking van nihonium — het eerste element ontdekt in Azië.
In de Verenigde Staten zijn het Lawrence Berkeley National Laboratory (waar de eerste transuranen werden gemaakt), het Lawrence Livermore National Laboratory en het Oak Ridge National Laboratory (met zijn High Flux Isotope Reactor, gespecialiseerd in de productie van zwaardere actiniden zoals californium) actief. De officiële naamgeving en erkenning van nieuwe elementen verloopt via de internationale scheikundekoepel IUPAC, in samenspraak met de natuurkundekoepel IUPAP.