Atomic Heritage Foundation har for nylig modtaget en historisk video, der viser nogle af de berømte forskere, der førte løbet om at opdage nye kemiske elementer. Videoen viser opdagelsen af mendelevium eller element 101. Produceret og fortalt af Claude Lyneis, en pensioneret fysiker ved Laurence Berkeley National Laboratory, videoen fremhæver de værktøjer og teknikker, som forskerne bruger i deres spændende opdagelse. Klik her eller rul ned for at se videoen.
søgningen efter Transuraniske elementer
forskere har ledt efter nye elementer i hundreder af år. Da Dmitri Mendeleev organiserede de kendte elementer i henhold til et periodisk eller gentaget system i 1860 ‘ erne, var der huller, elementer, der endnu ikke var kendt, men med egenskaber, der kunne forudsiges af deres forhold til at lukke kemiske naboer. Mendeleevs bord er siden blevet udvidet til at inkorporere nye elementer ud over dem, der er postuleret af Mendeleev. Sådanne elementer omfatter uran, plutoniumog mendelevium.
uran har et af de højeste atomnumre, 92, af ethvert naturligt forekommende element på jorden. Elementer ud over uran, de transuraniske elementer, eksisterede på jorden efter dens dannelse, men deres kortere halveringstid har ført til deres forsvinden over tid. Opdagelsen af de transuraniske elementer forekom således i laboratoriet. Mens spormængder af to transuraniske elementer—neptunium og plutonium—er blevet opdaget i naturen, blev begge syntetiseret, før de viste sig at forekomme naturligt.
Dmitri Mendeleev
de første forsøg på at producere disse transuraniske elementer begyndte med Enrico Fermi, Emilio Segr Kurrog deres kolleger i Rom. I 1934, kort efter at neutronen blev opdaget af James Chadvick, brugte Fermi og hans kolleger neutroner til at bombardere uran, hvorefter de observerede nye radioaktive produkter. Først troede de, at disse var nye elementer. Imidlertid viste eksperimenter af Otto Hahn og Frits Strassmann, at de var isotoper af mindre, tidligere kendte elementer, som følge af splittelsen af urankernen. Disse eksperimenter indledte atomalderen, og i et stykke tid skiftede fysikernes fokus til at studere dette nyopdagede fissionsfænomen.
de transuraniske elementer blev syntetiseret ved hjælp af den samme generelle metode Fermi og Segr larr anvendt i deres eksperimenter i begyndelsen af 1930 ‘ erne. Når en mindre partikel kolliderer med en tung kerne, kan kernen bryde fra hinanden i mindre stykker, en proces kaldet fission, eller de to kroppe kan smelte sammen for at danne et tungere element. Kollisionerne af partikler ved høje hastigheder har ført til opdagelsen af et stort antal tunge elementer. Dette er dog ikke en simpel opgave. Det tog nye teknikker og materialer og meget held at først syntetisere disse elementer.
opdagelsen af Mendelevium
i deres kapitel skrevet til den nye Kemi, Glenn T. Seaborg og Valter D. Loveland beskrev opdagelsen af mendelevium som “en af de mest dramatiske i sekvensen af synteser af transuranelementer.”Især” var det det første tilfælde, hvor et nyt element blev produceret og identificeret et atom ad gangen.”
Mendeleviums opdagelse begyndte med et brag, eller mere specifikt med en eksplosion i Det Sydlige Stillehav. I 1952 blev den første termonukleære enhed, Ivy Mike, droppet på atollen, en ti-megaton-eksplosion, der sendte en radioaktiv sky over 130.000 fod i luften. Prøver af denne sky blev taget til laboratorier i USA, hvor to nye elementer blev opdaget blandt affaldet—elementerne 99 og 100, senere kaldet henholdsvis einsteinium og fermium.
disse opdagelser blev lavet midt i en anden nuklear race, der udfoldede sig i midten af det tyvende århundrede, en til at opdage nye elementer. I USA blev de førende forskere koncentreret på Strålingslaboratoriet ved University of California, Berkeley, under ledelse af Ernest Laurence. Ved hjælp af Laurence ‘ s 60-tommer cyklotron kørte forskere for at finde beviser for nye elementer. Disse nye elementer, håbede de, ville låse atomets hemmeligheder op og åbne nye forskningsområder, som opdagelsen af plutonium gjorde i 1940.
brug af en milliard atomer einsteinium-253 dannet i en reaktor i Idaho ved bestråling af plutonium med neutroner, teamet af forskere—som omfattede Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Bernard G. Harvey, Gregory R. Choppin og Seaborg—udtænkte en plan for at producere et nyt element, element 101. For det første blev atomer af einsteinium spredt på en tynd guldfolie. Da einsteinium har en halveringstid på cirka tre uger, havde forskerne kun omkring en uge efter at have modtaget elementet til at udføre deres eksperimenter.
indsamling af guldfolien indeholdende spormængder af mendelevium.
da Ghiorso beregnede det omtrentlige antal atomer af element 101, der ville blive oprettet, da guldfolien blev bombarderet med alfapartikler, fandt han, at antallet var meget mindre, end han havde håbet. Ifølge ghiorsos beregninger ville kun omkring et atom af det nye element 101 blive oprettet for hver tredje time guldfolien blev bombarderet af alfapartikler.
for at adskille den ufatteligt lille mængde af det nye element, der ville blive produceret i eksperimentet, satte forskerne et andet stykke guldfolie bag den første for at fange atomerne, der ville blive slået løs af virkningen af alfapartiklerne. Dette stykke folie blev skyndt op ad bakken fra cyklotronen til Rad-laboratoriet, hvor det blev opløst og analyseret. Halveringstiden for element 101 var i størrelsesordenen timer, så det var et løb at opdage det nye element, før det forsvandt igen.
i de tidlige morgentimer den 19.februar 1955 så forskerne fem fissionstællinger, et produkt af opdeling hentet af en af de mange detektorer, der er karakteristisk for element 101, og otte fra element 100, fermium. Dette var det afgørende bevis, de havde brug for; element 101 var ikke mere ukendt. Opdagelsen af det tungeste atom, der var kendt, blev annonceret i slutningen af April 1955. I en pressemeddelelse udstedt af universitetet blev den spændende karakter af opdagelsen fremhævet: “Atomerne i det nye element kan have været de sjældneste enheder af stof, der har eksisteret på jorden i næsten 5 milliarder år…de 17 atomer i det nye element forfaldt selvfølgelig, og det ‘nye’ element er for nuværende uddød igen.”Forskerne offentliggjorde deres opdagelse i juni 1955-udgaven af fysiske Gennemgangsbreve og navngav deres element “mendelevium” til ære for Dmitri Mendeleev og hans periodiske system.
i 1967 blev en ny isotop af mendelevium opdaget, som på det tidspunkt overtog som det tungeste atom, som forskere kendte. Hvad der var mere spændende var imidlertid isotopens halveringstid: Mendelevium-258 ville vare i laboratoriet i flere måneder, hvilket dramatisk øgede mulighederne for yderligere undersøgelse af tunge elementer og deres egenskaber. Af potentialet i andre tunge elementer med lange halveringstider sagde Seaborg: “de vil tilføje umådeligt til vores grundlæggende forståelse af nuklear struktur. Jeg ved endnu ikke, hvad det vil betyde i praksis, men vi vidste ikke, hvad plutonium ville være godt for, da det blev opdaget for mange år siden, og nu driver det skibe.”Der er seksten kendte isotoper af mendelevium.
videoen
Ghiorso ‘ s supercharged VV Bug kører prøven til Rad Lab.
en del af 18 minutters optagelser skudt af KKED, en offentlig tv-station i det nordlige Californien, viser videoen opdagelsen af mendelevium som genoptaget af nogle af de samme forskere, der udførte eksperimenterne. Videoen viser dramatisk den dygtighed og hastighed, der kræves for at syntetisere det nye element, og den dramatiske tur fra cyklotronen til Rad Lab i Ghiorsos supercharged VV-fejl.
disse teknikker sætter Berkeley-teamet i spidsen for elementær opdagelse. Seaborg og Ghiorsos arbejde førte til opdagelsen af over et dusin nye elementer og hjalp med at udvide og ændre formen på det periodiske system ved at tilføje og udfylde det, der nu er actinidserien. Mens optagelserne måske oprindeligt er blevet skudt til en dokumentar om de eksperimentelle teknikker i Rad Lab, vides det ikke, om optagelserne nogensinde blev frigivet før Mr. Lyneis’ opdagelse.
videoen blev fundet af Lyneis, en tidligere direktør for operationer og udvikling på Berkeley lab, hvor eksperimenterne blev udført, i en kasse med film på vej mod papirkurven. Lyneis redigerede videoen for at tilføje lydeffekter og fortælling og forklarede de teknikker, der blev brugt af Ghiorso og hans kolleger for over tres år siden. Kassen indeholdt også en optagelse af 25-årsdagen i Hanford, som Lyneis også donerede til Atomic Heritage Foundation og kan ses her.
fra 2016 er der ikke længere huller i de første syv rækker i det periodiske system. Fremtidig ekspansion forbliver usikker, men søgningen efter nye elementer fortsætter stadig den dag i dag. Atomic Heritage Foundation er taknemmelig for Dr. Lyneis for hans arbejde og forklaringer på denne revolutionerende opdagelse.