In een paar woeste golven zijn de elementen ontdekt

Kwam de zoektocht naar elementen uit de startblokken dankzij Georg Ernst Stahl, die aan de hand van het verbranden van metaaloxiden aan het begin van de 18de eeuw een algemene theorie probeerde op te stellen over oxidatie en reductie? Of begon het pas met het inzicht van Antoine Lavoisier, die de theorie van Stahl ontkrachtte en in 1789 de wet van behoud van massa formuleerde, waarna met een geheel nieuwe blik naar elementen werd gezocht?

Dit is de laatste aflevering van de rubriek De Elementen, die de afgelopen drie jaar in NRC verscheen. We hebben lang niet alle 118 nu bekende elementen besproken, maar de leukste en verrassendste verhalen zijn wel verteld. Vandaag bespreken we geen element en ook geen ontdekker, maar drie revolutionaire technieken die elk een golfje aan ontdekkingen van nieuwe elementen mogelijk maakten.

Je ziet door de tijd heen een sprong in ontdekkingen

De zoektocht naar elementen is nog altijd gaande. Het is het domein van nucleair fysici geworden, zoals Julia Even, die aan de Rijksuniversiteit Groningen met een deeltjesversneller isotopen van zware elementen probeert te maken: „Je ziet door de tijd heen een sprong in ontdekkingen, bij elke sprong die de technologie maakt. Ook de afgelopen decennia zie je dit patroon nog.”

Ten tijde van Stahl en Lavoisier was de gereedschapskist van chemici nog rudimentair. In de oudheid waren ‘chemici’ al bezig met hete vuurtjes gesteenten te verhitten om onder meer koper, ijzer en tin te verkrijgen. Verhitten was sindsdien een van de belangrijkste methoden gebleven om stoffen los te maken, al kon lang niet elk metaal zo helemaal geïsoleerd worden. In de 18de eeuw werd, dankzij onder meer Stahl en Lavoisier, het chemisch proces wel steeds wetenschappelijker. Kwantitatieve analyse werd gemeengoed, meetapparatuur zoals de thermometer was ingeburgerd en gassen konden worden opgevangen.

In 1800 ontdekte Alessandro Volta de batterij – toen nog een stapel schijven van zink en koper met een vochtig stuk leer ertussen. Hierdoor kon stroom gecontroleerd lopen en dit opende de weg naar de elektrochemie.

Humphry Davy ging er als eerste succesvol mee aan de gang. Elektrolyse van gesmolten kaliumhydroxide leverde het element kalium op en enige dagen na de kaliumontdekking vond Davy via dezelfde methode natrium. In 1808 ging Davy helemaal los en ontdekte calcium, magnesium, strontium en barium.

Licht uit elkaar trekken

De volgende opvallende golf van ontdekkingen begint rond 1860. In dat jaar werden de eerste resultaten gepresenteerd van chemische analyse met behulp van een nieuw apparaat: de spectroscoop. Dit apparaat trekt licht dat uit materialen komt uit elkaar, vergelijkbaar met hoe een prisma wit licht uiteen laat vallen in regenboogkleuren.

Elk element heeft een eigen spectrum van licht dat het uitzendt of absorbeert bij verhitting of als het bestraald wordt met licht. Dit spectrum is een soort ‘vingerafdruk’ van een element. Door onbekende stoffen met de spectroscoop te bekijken konden nieuwe elementen ontdekt worden. Zo zijn onder m eer cesium, rubidium, thallium en indium ontdekt, niet toevallig alle vier vernoemd naar hun kleur. Enige jaren later werd de hele trits zeldzame aardmetalen ontdekt, eveneens met behulp van de spectroscoop.

De komst van de deeltjesversneller – en de ontwikkeling van de atoombom – zwengelde daarna een hausse aan nieuw ontdekte elementen aan. De aard van de zoektocht veranderde compleet. In plaats van stoffen te ontleden, brengt een deeltjesversneller atoomkernen bij elkaar om zo nieuwe elementen te vormen.

Als nucleair fysicus Julia Even praat over de zoektocht naar elementen wijst ze niet naar de bekende tabel van Mendelejev, maar naar de veel grotere isotopentabel, die wat weg heeft van een schematische weergave van de Melkweg. Een diagonale lijn met zwarte blokjes (de stabiele verschijningsvormen van elementen) omgeven met gekleurde blokjes (alle andere verschijningsvormen, oftewel radioactieve isotopen van elementen). „Dit is het speelveld van de nucleair fysicus”, zegt Even. Er zijn nog veel vakjes wit, die proberen onderzoekers zoals zij in te vullen.

Technetium uit de deeltjesversneller

De eerste deeltjesversneller werd in 1931 in Berkeley in gebruik genomen, en technetium – Grieks voor ‘kunstmatig’ – was het eerste element dat dankzij deze zogeheten cyclotron het licht zag.

„In een typisch experiment met een deeltjesversneller wordt een bundel geladen atomen versneld tot 30 procent van de lichtsnelheid en gericht op een dun metalen folie, het doelwit”, vertelt Even. „Een klein deel van de ionen reageert met het doelwitmateriaal, en bij de botsing kunnen nieuwe, zwaardere elementen ontstaan. De gewenste atomen moeten er wel nog uitgevist worden. Dat gebeurt met een magnetisch scheidingssysteem dat ongewenste deeltjes laat afbuigen, en gewenste richting de detector stuurt.”

Door de jaren heen breidden de mogelijkheden van de deeltjesversnellers uit. „In de jaren 80, en later in de jaren 90 en begin 2000, kregen we krachtiger ionenbundels. Dat zorgde elke keer voor een sprongetje in nieuw gevonden isotopen”, zegt Even.

Inmiddels is de stroom aan nieuwe ontdekkingen gestokt, de zoektocht naar element 119 en 120 gaat moeizaam. „Ik heb enkele jaren gewerkt in het GSI Helmholtzzentrum, een beroemd Duits lab, waar ze element 119 proberen te maken”, vertelt Even. „Ik werkte er een half jaar aan een experiment, waar we uiteindelijk niks vonden. Geen enkel atoom!”

Het is zo lastig omdat de grens van wat mogelijk is met de favoriete ionenbundel van het moment – calcium 48 – is bereikt. „Alle logische combinaties van bundel en doelwitmaterialen zijn geprobeerd”, zegt Even. „Nieuwe combinaties zijn niet ideaal door de snelheid van het verval. De uitdaging zit hem tegenwoordig dus in de materialen.”