ไขปริศนาตารางธาตุ จะมีวันถูกเติมเต็มจนครบสมบูรณ์หรือไม่

ครั้งสุดท้ายที่ตารางธาตุต้อนรับธาตุชนิดใหม่คือเมื่อสิบปีที่แล้วหรือเมื่อปี 2016 นั่นคือ ธาตุลำดับที่ 113, 115, 117 และ 118

หน่วยงานกำกับดูแลระหว่างประเทศได้ทำสิ่งที่เคยกล้าทำเพียงครั้งเดียวก่อนหน้านี้ นั่นคือการตั้งชื่อธาตุ ๆ หนึ่งตามชื่อนักฟิสิกส์ที่ยังมีชีวิตอยู่

บุคคลนั้นคือ ยูริ โอแกเนสเซียน เขาเป็นผู้นำกลุ่มวิจัยร่วมระหว่างรัสเซีย-สหรัฐฯ ที่ค้นพบธาตุที่ 118 (โอแกเนสซอน) ในปี 2002 การยืนยันผลการค้นพบใช้เวลาหลายปี เนื่องจากธาตุตัวนี้มีกัมมันตภาพรังสีสูงมากที่มีเพียงไม่กี่อะตอมเท่านั้นที่เคยถูกสร้างขึ้น

อาจมีคนสงสัยว่า ทำไมจึงไม่มีการเพิ่มธาตุตัวใหม่ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา และตารางธาตุจะมีวันที่ครบถ้วนสมบูรณ์หรือไม่

ตารางธาตุคืออะไร

โดยพื้นฐานแล้วตารางธาตุคือแผนที่ของธาตุทางเคมีซึ่งมีช่องสี่เหลี่ยมจำนวนมากที่ใส่ตัวย่อของธาตุเหล่านั้นไว้หรือที่เรียกว่า สัญลักษณ์ตัวย่อของธาตุ โดยจะมีการวาดใหม่ขึ้นอยู่เรื่อย ๆ ตลอดช่วงหลายปีที่ผ่านมา

ธาตุคือสารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมเพียงชนิดเดียว อะตอมเป็นหน่วยพื้นฐานของสสารและมีนิวเคลียส ซึ่งโดยทั่วไปประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและนิวตรอนที่ไม่มีประจุ ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ

ธาตุในตารางธาตุรวมกันเป็นทุกสิ่งที่เรารู้จักในจักรวาล รวมถึงตัวเราด้วย

ย้อนกลับไปในช่วงต้นศตวรรษที่ 18 มีการค้นพบธาตุจำนวนมาก แต่ยังไม่ได้จัดเรียงอย่างเป็นระบบ นักบุกเบิกตารางธาตุหลายคนพยายามที่จะเปลี่ยนแปลงสิ่งนี้

หนึ่งในนั้นคือนักเคมีชาวอังกฤษที่ชื่อว่า จอห์น นิวแลนด์ส

เขาจัดเรียงธาตุตามน้ำหนักอะตอม (ค่าที่ใช้วัดน้ำหนักของอะตอม) และพบว่าทุก ๆ ธาตุลำดับที่แปดจะมีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่น ลิเธียม โซเดียม และโพแทสเซียม อยู่ห่างกันแปดตำแหน่งและแสดงปฏิกิริยาที่คล้ายคลึงกันกับน้ำ

เขาเรียกสิ่งนี้ว่า "กฎแห่งอ็อกเทฟ" หรือ "กฎของคู่แปด" (the law of octaves)

ดมิทรี เมนเดเลฟ นักเคมีชาวรัสเซีย ซึ่งได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็นบิดาแห่งตารางธาตุ ได้นำแนวคิดเรื่องคุณสมบัติที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ มากำหนดเป็นกฎของธาตุ

เขาได้สร้างกรอบสำหรับตารางธาตุสมัยใหม่ในปี 1869 โดยเรียงลำดับธาตุตามน้ำหนักอะตอม

ตารางธาตุของเขาแตกต่างจากตารางธาตุของนิวแลนด์ส เพราะมีช่องว่างสำหรับธาตุที่ขาดหายไป และงานของเขาก็ได้รับความสนใจมากขึ้นเมื่อมีการค้นพบธาตุที่ทำนายไว้ในภายหลัง

ปัจจุบันธาตุในตารางธาตุถูกกำหนดและจัดเรียงตามเลขอะตอม ซึ่งเป็นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส โดยไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 ตัว ในขณะที่โอแกเนสซอนมี 118 ตัว

ส่วนธาตุในคอลัมน์เดียวกันมีสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน เช่น ปฏิกิริยากับสารอื่น ๆ

ธาตุเหล่านี้มักจะมีรูปแบบในสมบัติทางกายภาพ เช่น จุดหลอมเหลว ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำนายพฤติกรรมของพวกมันได้ ตัวอย่างเช่น วิศวกรสามารถใช้ตารางธาตุเพื่อช่วยในการเลือกวัสดุเมื่อต้องออกแบบสะพานและเครื่องบิน

หากนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าตนได้ค้นพบธาตุใหม่แล้ว องค์กรกำกับดูแลระดับโลกที่เรียกว่า สหภาพเคมีบริสุทธิ์และประยุกต์ระหว่างประเทศ ( International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC) จะตรวจสอบว่าธาตุนั้นมีอยู่จริงหรือไม่ และจะรับรองให้ธาตุนั้นอยู่ในตารางธาตุ ซึ่งกระบวนการนี้อาจใช้เวลานานหลายปี

เชื่อกันว่าเราได้ค้นพบธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทั้งหมดบนโลกแล้ว และธาตุเหล่านั้นก็เป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของตารางธาตุ ธาตุที่หนักกว่าจะต้องสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการโดยการรวมธาตุที่เบากว่าสองธาตุเข้าด้วยกัน

นักวิทยาศาสตร์สามารถเพิ่มธาตุหนักยิ่งยวดได้มากขึ้นเรื่อย ๆ ด้วยเทคโนโลยีที่ก้าวหน้า แต่ในทางทฤษฎีแล้วมนุษย์สามารถพยายามสร้างธาตุตัวใหม่ต่อไปได้เรื่อย ๆ แต่ก็ยากขึ้นเรื่อย ๆ เช่นกัน

การสร้างธาตุชนิดใหม่

การจะรวมธาตุที่เบากว่าเข้าด้วยกันเพื่อสร้างธาตุใหม่ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ ขึ้นมา "เราต้องไปสู่สภาวะพลังงานที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ โดยการสร้างไซโคลตรอนหรือเครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ" ศาสตราจารย์ฟิล โบลเวอร์ หัวหน้าภาควิชาเคมีและชีววิทยาเชิงภาพที่คิงส์คอลเลจลอนดอนอธิบาย

"เมื่อธาตุมีขนาดใหญ่ขึ้นและหนักขึ้นเรื่อย ๆ พวกมันจะมีความเสถียรน้อยลงเรื่อย ๆ เนื่องจากโปรตอนในนิวเคลียสนั้น" โบลเวอร์กล่าว

อัตราส่วนของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสเป็นตัวกำหนดว่านิวเคลียสจะเสถียรหรือไม่เสถียร โปรตอนที่มีประจุบวกจะผลักกันเองตามธรรมชาติ แต่การมีอยู่ของนิวตรอนสามารถยึดพวกมันไว้ด้วยกันได้

"สิ่งที่คุณทำเมื่อคุณสร้างธาตุที่หนักขึ้นเรื่อย ๆ คือการเพิ่มโปรตอนเข้าไปในนิวเคลียสของธาตุนั้น และเพื่อป้องกันไม่ให้มันแตกสลาย คุณจำเป็นต้องมีจำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้น" ดร.ซินเซีย อิมเบอร์ติ หัวหน้ากลุ่มเทคนิคการสร้างภาพทางโลหะวิทยา (Imaging Metallomics) ที่คิงส์คอลเลจลอนดอน อธิบาย

ธาตุหนึ่ง ๆ สามารถเกิดขึ้นได้ด้วยจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เรียกว่าไอโซโทป ไอโซโทปที่ไม่เสถียรจะเป็นกัมมันตรังสี พวกมันจะสลายตัวโดยการปลดปล่อยรังสี

ดร.โจนาธาน รอร์ค นักเคมีจากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ และศาสตราจารย์กิตติมศักดิ์แห่งมหาวิทยาลัยวอร์ริกในสหราชอาณาจักร อธิบายว่า "ธาตุทั้งหมดที่หนักกว่าตะกั่ว (ธาตุที่ 82) เป็นธาตุกัมมันตรังสี และโดยธรรมชาติแล้วมันไม่เสถียรจึงสลายตัวไปเอง"

"หากเราสามารถสร้างอะตอมเพียงหนึ่งอะตอมของธาตุเหล่านั้นได้ มันก็จะคงอยู่ได้ไม่นานนัก" เขากล่าวเสริม

ดร.อิมเบอร์ติจากคิงส์คอลเลจลอนดอนกล่าวว่า นั่นเป็นกรณีพิเศษอย่างยิ่ง เพราะตั้งแต่ธาตุลำดับที่ 100 (เฟอร์เมียม) เป็นต้นไป "คุณสร้างอะตอมได้เพียงไม่กี่อะตอม และคุณอาจรู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพของมัน แต่พวกมันไม่มีประโยชน์ในทางปฏิบัติ" เธอกล่าว

อย่างไรก็ตาม การค้นหาธาตุชนิดต่อไปซึ่งจะทำให้ตารางธาตุเพิ่มเข้าสู่แถวใหม่ ยังคงดำเนินต่อไป

ที่ผ่านมาความพยายามหลายครั้งในการค้นหาธาตุลำดับที่ 119 และ 120 ต้องเผชิญกับความล้มเหลว แต่กลุ่มวิจัยต่าง ๆ ยังคงพยายามต่อไป นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า การสำรวจธาตุที่อยู่ในสภาวะสุดขั้วอาจทำให้เราได้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ เกี่ยวกับวิธีการทำงานของอะตอม ขีดจำกัดของนิวเคลียสของอะตอม และโอกาสในการทดสอบทฤษฎีเกี่ยวกับฟิสิกส์นิวเคลียร์

"คุณต้องไม่คิดเพียงแค่ว่าเราจะสร้างมันขึ้นมาได้หรือไม่ แต่เราจะต้องคิดว่ามันจะคงอยู่ได้นานพอที่เราจะค้นพบมันในแง่ที่มีความหมาย เรียนรู้เกี่ยวกับมันสักเล็กน้อย... ก่อนที่มันจะหายไป" ดร.อิมเบอร์ติกล่าวทิ้งท้าย