Flerovium: Het element

Flerovium is een superzware kunstmatig chemisch element met symbool Fl en atoomnummer 114. Het is een uiterst radioactief element dat gecreëerd is in het laboratorium en niet in de natuur voorkomt. Het element is vernoemd naar de Flerov Laboratorium voor kernreacties in Dubna (Rusland), waar het element is ontdekt in 1998.

Plaats van flerovium in het periodieksysteem

Flerovium is een element in het p-blok, lid van de 7de periode en zwaarste lid van de koolstofgroep. Studies in 2007-2008 tonen aan dat Flerovium vluchtig is en sommige eigenschappen heeft die vergelijkbaar zijn met die van edelgas. Het is de minst reactieve metaal uit groep 14.

Ongeveer 80 atomen van Flerovium zijn tot nu toe bestudeerd. Deze Flerovium atomen hebben massanummers van 285 tot 289. De meest stabiele bekende Flerovium isotoop, Flerovium-289, heeft een halfwaardetijd van ongeveer 2,6 seconden, maar het is mogelijk dat deze Flerovium isotoop een isomeer heeft met een halfwaardetijd van circa 65 seconden. Dit is een van de langste halfwaardetijden van een isotoop van een superzwaar element.

Algemene eigenschappen van het element flerovium

Chemische eigenschappen van het element flerovium

Fysische eigenschappen van het element flerovium

Stabielste isotopen van flerovium

“Stabiele eilanden”

Vanaf de jaren 1940 is men begonnen met de synthese van kunstmatige zware atoomkernen, de zogenaamde transuranen, dat zijn de elementen zwaarder dan uranium. Dergelijke zware elementen komen niet in de natuur voor. Ze hebben kortere halveringstijden. Volgens toenmalige wetenschappers zouden kernen vanaf atoomnummer 108 waarschijnlijk niet kunnen bestaan. Echter eind zestiger jaren werd het "nucleaire schillen" model bedacht, waarin de protonen en neutronen schillen vormen binnen de kern, zoals de elektronen elektronenschillen vormen binnen een atoom en de edelgassen niet reactief zijn door hun "volle" elektronenschillen.

Dat zijn de redenen om te veronderstellen dat er een “eiland van stabiliteit” bestaat. Zo zijn er bepaalde “magische getallen”, als een atoomkern uit aantallen protonen en neutronen bestaat die overeenkomen met deze magische getallen, wordt de halveringstijd beduidend langer.

Atoomnummers Z=114 tot Z = 126, zouden een eiland vormen van atoomkernen die dankzij hun inwendige ordening langer leven, namelijk van enkele dagen tot honderden miljoenen jaren. Deze elementen zouden zeer radioactief zijn en de dichtheid zou dertig tot veertig gram per kubieke centimeter bedragen.

Een dubbel-magic isotoop, met magische getallen voor zowel protonen en neutronen, zou extra gestabiliseerd zijn. Men berekende dat de dubbel-magic isotoop na lood-208, dat is Flerovium-298 met 114 protonen en 184 neutronen in het centrum van het "stabiele eiland" zou liggen.

Dit stabiele eiland zou zich waarschijnlijk bevinden tussen elementen 112 (copernicium) tot 118, de Flerovium isotopen daarin, werd gespeculeerd in 1966, halveringstijden hebben van honderd miljoen jaar. Heden vermoedt men dat de relatieve stabiliteit rond Flerovium gevolg is van een vervormd, afgeplatte atoomkern, waardoor deze stabieler is en de echte "eiland van stabiliteit" pas optreedt rond de kern met 122 protonen en 184 neutronen.

Cyclotron in Dubna waar de eerste flerovium kernen zijn geproduceerd. Flerovium werd voor het eerst gesynthetiseerd in december 1998 in Dubna (Rusland) door bombarderen van plutonium-244 met versnelde kernen van calcium-48. Door het Dubna team werden twee atomen van element 114 geproduceerd; met alpha verval met een halfwaardetijd van 2,6 s. In december 2002 volgde erkenning van de atomen 289Fl uit 1999. De ontdekking van de isotopen Flerovium-286 en -287 werd bevestigd in januari 2009 in Berkeley.

Protonen en neutronen kunnen zich binnen de kern schikken in nucleaire schillen. De bekende magische getallen zijn 2, 8, 20, 28, 50, en 82 voor protonen en neutronen, ook 126 voor neutronen. Magische proton en neutron aantallen, zoals helium-4, zuurstof-16, calcium- -48, en lood-208, worden aangeduid met "dubbel magisch" en zeer stabiel.

Deze eigenschap van verhoogde nucleaire stabiliteit is belangrijk voor superzware elementen. Zonder stabilisatie, zouden hun halveringstijden in de miljardste seconde liggen vanwege de steeds toenemende afstotende elektromagnetische kracht tussen de positieve protonen die de sterke kernkracht die de nucleonen (dus de kern) bij elkaar houdt, overwint.

Superzware elementen

Sommige wetenschappers geloven dat het ‘eiland van stabiliteit’ ligt bij een atoomgetal tussen 125 en 130. Het stabielste element is ijzer. Voorbij bismut is de hoeveelheid bindingsenergie per nucleon zo laag dat de kernen uit elkaar vallen. Bismut valt extreem langzaam uit elkaar. Hoe verder voorbij uranium, hoe korter de halveringstijd van een element. Uranium-238 gaat ongeveer 4,5 miljard jaar mee.

Plutonium-239, het zwaarste element tot nu toe in de natuur, heeft een halveringstijd van 80 miljoen jaar. Nog zwaardere elementen kunnen alleen kunstmatig gemaakt worden en bestaan maar kort. Twee recent ontdekte elementen zijn Flerovium (114) en Livermore (116).

In zware sterren vinden voor en tijdens de supernova-explosie complexe kernreacties plaats. Atoomkernen zwaarder dan ijzer ontstaan Hierbij worden in nikkelkernen neutronen ingevangen. Dit proces kan doorgaan tot er rond de 270 kerndeeltjes in de kern voorkomen. Op deze manier ontstaan zwaardere elementen als koper, goud en uranium.

De vraag is of tijdens de processen in zware sterren misschien nog zwaardere atoomkernen zijn geproduceerd. Uiteraard is er na vijf miljard jaar weinig van deze instabiele elementen over, maar dat geldt niet voor elementen in het “eiland van stabiliteit”, die kunnen nog aanwezig zijn. Onderzocht werd een monster van licht radioactieve thorium, en men vond aanwijzingen voor het bestaan van een atoomkern met een atoomgetal van 122 en een atoomgewicht van 292, dus behorende bij het “eiland van stabiliteit”.

Superzware elementen in de toekomst

Zeer zware elementen zijn uitermate instabiel. Element 114 vormt een uitzondering omdat het in dezelfde kolom als lood ligt en enkele eigenschappen daarvan gemeen heeft. Verwacht wordt dat er ook stabiele superzware elementen bestaan met vervaltijden van miljoenen jaren. Natuurkundigen vermoeden dat ze behoren tot de nog hypothetische groep van ‘superactiniden’, ofwel de elementen 122-153. De zoektocht naar deze elementen, die waarschijnlijk bijzondere eigenschappen hebben, is in volle gang. Bij deze zware elementen denkt men dat elektron schillen zich met elkaar mengen. Vermoedelijk is het materiaal uiterst explosief als het met neutronen wordt gebombardeerd.