Para ilmuwan ini ingin mengetahui bagaimana elemen 104 sampai 118 terlihat dan berperilaku
Laura Howes
Di sebuah panggung di markas besar Organisasi Pendidikan, Ilmu Pengetahuan, dan Kebudayaan Perserikatan Bangsa-Bangsa di Paris, Yuri Oganessian memegang mikrofon di satu tangan dan remote control kecil di tangan lainnya. Selama 20 menit berikutnya, auditorium yang sunyi mendengarkan saat dia menjelaskan bagaimana tabel periodik unsur telah berkembang. Sampai saat ini, 118 elemen saat ini mengisinya. Yang terberat dari mereka, oganesson, dinamai menurut Oganessian sendiri.
Namun dalam pembicaraan yang berlangsung pada bulan Januari saat peluncuran Tahun Internasional Tabel Periodik, Oganessian mengatakan, menemukan unsur superheavy (SHE) dengan nomor proton 104 ke atas seperti membuka kotak Pandora. Banyak masalah tak terduga yang mengucur, katanya, beberapa mungkin lebih sulit untuk diselesaikan daripada membuat SHE di tempat pertama. Penemuan unsur-unsur yang lebih baru ini telah mendorong para ilmuwan untuk bertanya tidak hanya apakah unsur yang lebih berat dapat dibuat tetapi juga sifat kimia SHE yang telah ditemukan dan bagaimana mengukur sifat-sifat atom individu dari spesies yang berumur pendek tersebut.
Meskipun komunitas ilmiah telah menetapkan unsur-unsur terberat ini ke tempatnya sendiri di tabel periodik, masih banyak yang belum kita ketahui tentang mereka. Misalnya, seperti apa inti dari elemen-elemen ini? Isotop apa yang paling stabil? Bagaimana efek relativistik mengubah struktur elektroniknya? Dan apa artinya reaktivitas mereka?
Pertanyaan-pertanyaan ini mendorong Flerov Laboratory of Nuclear Reactions (FLNR), lembaga di mana Oganessian adalah pemimpin ilmiah, untuk membangun pabrik SHE baru di Dubna, Rusia. Pabrik secara resmi dibuka pada bulan Maret, dan saat C&EN mulai dicetak, pemeriksaan sedang dilakukan, sebelum fasilitas tersebut memulai dua percobaan selama 50 hari. Tidak seperti fasilitas akselerator partikel lainnya, yang juga melakukan eksperimen fisika tambahan atau membuat isotop untuk perawatan medis, siklotron DC280 telah dibangun hanya untuk menyelidiki superheavies.
Tujuan dari pabrik SHE yang baru tidak hanya untuk menghasilkan elemen baru tetapi juga untuk membuat isotop yang lebih stabil dari elemen yang sudah ada dan untuk meningkatkan hasil produksi SHE. “Kami sangat beruntung,” kata Patrick Steinegger, ahli kimia di FLNR. Dia dan rekannya Nikolay Aksenov sangat senang bahwa mesin baru ini dapat menghasilkan lebih banyak inti daripada mesin yang ada. Saat ini, dibutuhkan waktu berhari-hari atau berminggu-minggu untuk menghasilkan setiap inti untuk penelitian tertentu, sehingga fasilitas yang lebih produktif dapat secara signifikan mempercepat penelitian SHE.
Namun peneliti FLNR bukanlah satu-satunya yang mencoba mengkarakterisasi properti elemen baru ini. Di seluruh dunia, persaingan bersahabat terjadi di situs fisika partikel saat ahli kimia dan fisikawan mencoba untuk lebih memahami superheavies.
Untuk mempelajari unsur-unsur tersebut, peneliti perlu membuatnya terlebih dahulu. Semua elemen, ringan atau berat, dibuat melalui reaksi nuklir. Atau di beberapa titik. Untuk sebagian besar tabel periodik, reaksi ini terjadi di bintang dan supernova. Untuk superheavies, ahli kimia harus menjalankan reaksinya.
“Setiap eksperimen kimia dimulai sebagai eksperimen fisika nuklir,” jelas Christoph Düllmann, kepala kimia SHE di Pusat Penelitian Ion Berat GSI Helmholtz di luar Darmstadt, Jerman. Di FLNR atau GSI atau salah satu laboratorium lain yang mempelajari SHE, reaksi terjadi di akselerator partikel yang dapat menabrak inti dengan kecepatan yang tepat — misalnya, 10% kecepatan cahaya. Jika Anda beruntung, mungkin sekali sehari salah satu tabrakan ini membentuk elemen baru. Untuk membuat oganeson, misalnya, para ilmuwan mengakselerasi seberkas ion kalsium-48 pada target yang dilapisi californium-249. Tiga tumbukan sukses masing-masing menghasilkan satu inti oganeson-294 dan tiga neutron yang terlontar.
Ketika tabrakan berhasil terjadi, yang keluar dari sisi lain adalah campuran. Bersama dengan inti berat yang diinginkan, berkas tersebut mengandung neutron, sinar, dan ion yang tidak bereaksi. Ilmuwan mengeluarkan spesies yang tidak diinginkan ini dari produk menggunakan medan magnet atau listrik, dan jika inti baru bertahan cukup lama, ia akan menuju ke detektor di bagian belakang peralatan.
Peneliti tidak pernah bisa langsung mengamati SHE. Yang mereka deteksi adalah produk peluruhan karena nukleus dengan cepat memuntahkan partikel α — dua proton dan dua neutron. Misalnya, ketika elemen 118 meluruh, ia melepaskan partikel α dan berubah menjadi elemen 116, yang menjadi 114, dan seterusnya sebelum akhirnya menjadi elemen yang lebih stabil. "Rantai peluruhan itulah yang memungkinkan para ilmuwan untuk mengidentifikasi, secara retroaktif, elemen mana yang mereka buat," kata Science.
Agar elemen baru dapat diterima oleh komunitas ilmiah dan akhirnya dinamai oleh Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan, para ilmuwan hanya perlu bukti bahwa mereka berhasil. Karakterisasi properti elemen tidak diperlukan. Beberapa peneliti mengkritik proses ini, menunjukkan bahwa elemen terbaru disetujui terlalu cepat. Tetapi para ilmuwan yang berbicara dengan C&EN menerima bahwa unsur-unsur tersebut adalah apa yang telah diklaim. “Ini adalah kurangnya bukti langsung dalam banyak kasus,” kata Düllmann. “Tapi saya tahu tidak ada yang meragukan elemen-elemen itu.”
Sekarang ahli kimia dan fisikawan mulai bekerja keras untuk menentukan sifat fisikokimia dari spesies yang berumur pendek dan sangat langka ini. Dan itu sering kali melibatkan kimia atom-pada-waktu. Beberapa isotop SHE bertahan cukup lama bagi para peneliti untuk membuat senyawa kimia. Misalnya, peneliti telah membuat senyawa halida dan oksihalida dari beberapa SHE. Dan tim termasuk Düllmann menciptakan kompleks karbonil seaborgium, elemen 106 (Science 2014, DOI: 10.1126 / science.1255720). Senyawa ini tampaknya mengkonfirmasi bahwa unsur 104, 105, 106, dan mungkin 108 berperilaku seperti logam transisi, meskipun dengan tingkat energi elektronik yang sedikit berbeda karena efek relativistik.
Relativitas berperan karena massa inti yang besar ini mempercepat elektron yang menghuni orbit bola mereka. Akibatnya, elektron-elektron ini menjadi stabil dan lebih sulit dihilangkan. Sementara itu, elektron dalam orbital nonspherical menjadi tidak stabil karena orbital sferis yang berkontraksi bertindak sebagai perisai yang lebih kuat di sekitar nukleus, sehingga mengurangi interaksi antara nukleus dan elektron di orbital nonspherical. Akibat lainnya adalah pemisahan spin-orbit, yang berarti bahwa orbital p dari SHE tidak memiliki energi yang sama tetapi terpecah menjadi dua tingkat energi, yang mengubah urutan elektron mengisi orbital tersebut.
Iklan:Meskipun komunitas ilmiah telah menetapkan unsur-unsur terberat ini ke tempatnya sendiri di tabel periodik, masih banyak yang belum kita ketahui tentang mereka. Misalnya, seperti apa inti dari elemen-elemen ini? Isotop apa yang paling stabil? Bagaimana efek relativistik mengubah struktur elektroniknya? Dan apa artinya reaktivitas mereka?
Pertanyaan-pertanyaan ini mendorong Flerov Laboratory of Nuclear Reactions (FLNR), lembaga di mana Oganessian adalah pemimpin ilmiah, untuk membangun pabrik SHE baru di Dubna, Rusia. Pabrik secara resmi dibuka pada bulan Maret, dan saat C&EN mulai dicetak, pemeriksaan sedang dilakukan, sebelum fasilitas tersebut memulai dua percobaan selama 50 hari. Tidak seperti fasilitas akselerator partikel lainnya, yang juga melakukan eksperimen fisika tambahan atau membuat isotop untuk perawatan medis, siklotron DC280 telah dibangun hanya untuk menyelidiki superheavies.
Tujuan dari pabrik SHE yang baru tidak hanya untuk menghasilkan elemen baru tetapi juga untuk membuat isotop yang lebih stabil dari elemen yang sudah ada dan untuk meningkatkan hasil produksi SHE. “Kami sangat beruntung,” kata Patrick Steinegger, ahli kimia di FLNR. Dia dan rekannya Nikolay Aksenov sangat senang bahwa mesin baru ini dapat menghasilkan lebih banyak inti daripada mesin yang ada. Saat ini, dibutuhkan waktu berhari-hari atau berminggu-minggu untuk menghasilkan setiap inti untuk penelitian tertentu, sehingga fasilitas yang lebih produktif dapat secara signifikan mempercepat penelitian SHE.
Namun peneliti FLNR bukanlah satu-satunya yang mencoba mengkarakterisasi properti elemen baru ini. Di seluruh dunia, persaingan bersahabat terjadi di situs fisika partikel saat ahli kimia dan fisikawan mencoba untuk lebih memahami superheavies.
Untuk mempelajari unsur-unsur tersebut, peneliti perlu membuatnya terlebih dahulu. Semua elemen, ringan atau berat, dibuat melalui reaksi nuklir. Atau di beberapa titik. Untuk sebagian besar tabel periodik, reaksi ini terjadi di bintang dan supernova. Untuk superheavies, ahli kimia harus menjalankan reaksinya.
“Setiap eksperimen kimia dimulai sebagai eksperimen fisika nuklir,” jelas Christoph Düllmann, kepala kimia SHE di Pusat Penelitian Ion Berat GSI Helmholtz di luar Darmstadt, Jerman. Di FLNR atau GSI atau salah satu laboratorium lain yang mempelajari SHE, reaksi terjadi di akselerator partikel yang dapat menabrak inti dengan kecepatan yang tepat — misalnya, 10% kecepatan cahaya. Jika Anda beruntung, mungkin sekali sehari salah satu tabrakan ini membentuk elemen baru. Untuk membuat oganeson, misalnya, para ilmuwan mengakselerasi seberkas ion kalsium-48 pada target yang dilapisi californium-249. Tiga tumbukan sukses masing-masing menghasilkan satu inti oganeson-294 dan tiga neutron yang terlontar.
Ketika tabrakan berhasil terjadi, yang keluar dari sisi lain adalah campuran. Bersama dengan inti berat yang diinginkan, berkas tersebut mengandung neutron, sinar, dan ion yang tidak bereaksi. Ilmuwan mengeluarkan spesies yang tidak diinginkan ini dari produk menggunakan medan magnet atau listrik, dan jika inti baru bertahan cukup lama, ia akan menuju ke detektor di bagian belakang peralatan.
Peneliti tidak pernah bisa langsung mengamati SHE. Yang mereka deteksi adalah produk peluruhan karena nukleus dengan cepat memuntahkan partikel α — dua proton dan dua neutron. Misalnya, ketika elemen 118 meluruh, ia melepaskan partikel α dan berubah menjadi elemen 116, yang menjadi 114, dan seterusnya sebelum akhirnya menjadi elemen yang lebih stabil. "Rantai peluruhan itulah yang memungkinkan para ilmuwan untuk mengidentifikasi, secara retroaktif, elemen mana yang mereka buat," kata Science.
Agar elemen baru dapat diterima oleh komunitas ilmiah dan akhirnya dinamai oleh Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan, para ilmuwan hanya perlu bukti bahwa mereka berhasil. Karakterisasi properti elemen tidak diperlukan. Beberapa peneliti mengkritik proses ini, menunjukkan bahwa elemen terbaru disetujui terlalu cepat. Tetapi para ilmuwan yang berbicara dengan C&EN menerima bahwa unsur-unsur tersebut adalah apa yang telah diklaim. “Ini adalah kurangnya bukti langsung dalam banyak kasus,” kata Düllmann. “Tapi saya tahu tidak ada yang meragukan elemen-elemen itu.”
Sekarang ahli kimia dan fisikawan mulai bekerja keras untuk menentukan sifat fisikokimia dari spesies yang berumur pendek dan sangat langka ini. Dan itu sering kali melibatkan kimia atom-pada-waktu. Beberapa isotop SHE bertahan cukup lama bagi para peneliti untuk membuat senyawa kimia. Misalnya, peneliti telah membuat senyawa halida dan oksihalida dari beberapa SHE. Dan tim termasuk Düllmann menciptakan kompleks karbonil seaborgium, elemen 106 (Science 2014, DOI: 10.1126 / science.1255720). Senyawa ini tampaknya mengkonfirmasi bahwa unsur 104, 105, 106, dan mungkin 108 berperilaku seperti logam transisi, meskipun dengan tingkat energi elektronik yang sedikit berbeda karena efek relativistik.
Relativitas berperan karena massa inti yang besar ini mempercepat elektron yang menghuni orbit bola mereka. Akibatnya, elektron-elektron ini menjadi stabil dan lebih sulit dihilangkan. Sementara itu, elektron dalam orbital nonspherical menjadi tidak stabil karena orbital sferis yang berkontraksi bertindak sebagai perisai yang lebih kuat di sekitar nukleus, sehingga mengurangi interaksi antara nukleus dan elektron di orbital nonspherical. Akibat lainnya adalah pemisahan spin-orbit, yang berarti bahwa orbital p dari SHE tidak memiliki energi yang sama tetapi terpecah menjadi dua tingkat energi, yang mengubah urutan elektron mengisi orbital tersebut.
0 comments:
Posting Komentar