Die Atomic Heritage Foundation hat kürzlich ein historisches Video erhalten, das einige der berühmten Wissenschaftler zeigt, die das Rennen um die Entdeckung neuer chemischer Elemente angeführt haben. Das Video zeigt die Entdeckung von Mendelevium oder Element 101. Produziert und erzählt von Claude Lyneis, einem pensionierten Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory, zeigt das Video die Werkzeuge und Techniken, die die Wissenschaftler bei ihrer aufregenden Entdeckung verwendet haben. Klicken Sie hier oder scrollen Sie nach unten, um das Video zu sehen.
Die Suche nach transuranen Elementen
Wissenschaftler suchen seit Hunderten von Jahren nach neuen Elementen. Als Dmitri Mendelejew in den 1860er Jahren die bekannten Elemente nach einem periodischen oder sich wiederholenden System organisierte, gab es Lücken, Elemente, die noch nicht bekannt waren, aber Eigenschaften hatten, die durch ihre Beziehung zu engen chemischen Nachbarn vorhergesagt werden konnten. Mendelejews Tabelle wurde seitdem erweitert, um neue Elemente einzubeziehen, die über die von Mendelejew postulierten hinausgehen. Solche Elemente umfassen Uran, Plutonium und Mendelevium.
Uran hat eine der höchsten Ordnungszahlen, 92, aller natürlich vorkommenden Elemente auf der Erde. Elemente jenseits von Uran, die transuranen Elemente, existierten nach ihrer Entstehung auf der Erde, aber ihre kürzeren Halbwertszeiten haben im Laufe der Zeit zu ihrem Verschwinden geführt. Die Entdeckung der transuranen Elemente erfolgte somit im Labor. Während Spurenmengen von zwei transuranen Elementen – Neptunium und Plutonium — in der Natur entdeckt wurden, wurden beide synthetisiert, bevor sie natürlich vorkamen.
Dmitri Mendelejew
Die ersten Versuche, diese transuranen Elemente herzustellen, begannen mit Enrico Fermi, Emilio Segrè und ihren Kollegen in Rom. Im Jahr 1934, kurz nachdem das Neutron von James Chadwick entdeckt wurde, verwendeten Fermi und seine Kollegen Neutronen, um Uran zu bombardieren, woraufhin sie neue radioaktive Produkte beobachteten. Zuerst glaubten sie, dies seien neue Elemente. Experimente von Otto Hahn und Fritz Strassmann zeigten jedoch, dass es sich um Isotope kleinerer, bisher bekannter Elemente handelte, die aus der Spaltung des Urankerns resultierten. Diese Experimente läuteten das Atomzeitalter ein, und für eine Weile verlagerte sich der Fokus der Physiker auf die Untersuchung dieses neu entdeckten Phänomens der Spaltung.
Die transuranen Elemente wurden mit der gleichen allgemeinen Methode synthetisiert, die Fermi und Segrè in ihren Experimenten in den frühen 1930er Jahren verwendeten. Wenn ein kleineres Teilchen mit einem schweren Kern kollidiert, kann der Kern in kleinere Stücke zerbrechen, ein Prozess, der als Spaltung bezeichnet wird, oder die beiden Körper können zu einem schwereren Element verschmelzen. Die Kollisionen von Partikeln mit hohen Geschwindigkeiten haben zur Entdeckung einer großen Anzahl schwerer Elemente geführt. Dies ist jedoch keine einfache Aufgabe. Es brauchte neue Techniken und Materialien und viel Glück, um diese Elemente zuerst zu synthetisieren.
Die Entdeckung von Mendelevium
In ihrem Kapitel für die Neue Chemie, Glenn T. Seaborg und Walter D. Loveland beschrieb die Entdeckung von Mendelevium als „eine der dramatischsten in der Abfolge der Synthesen von Transuranelementen.“ Insbesondere“war es der erste Fall, in dem ein neues Element hergestellt und Atom für Atom identifiziert wurde.“
Mendelejews Entdeckung begann mit einem Knall, genauer gesagt mit einer Explosion im Südpazifik. Im Jahr 1952 wurde das erste thermonukleare Gerät, Ivy Mike, auf dem Eniwetok-Atoll abgeworfen, eine Zehn-Megatonnen-Explosion, die eine radioaktive Wolke über 130.000 Fuß in die Luft schickte. Proben dieser Wolke wurden in Laboratorien in den Vereinigten Staaten gebracht, wo zwei neue Elemente unter den Trümmern entdeckt wurden — Elemente 99 und 100, später Einsteinium bzw.
Diese Entdeckungen wurden mitten in einem weiteren nuklearen Rennen gemacht, das sich in der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts entfaltete, um neue Elemente zu entdecken. In den Vereinigten Staaten konzentrierten sich die führenden Forscher auf das Strahlungslabor der University of California, Berkeley, unter der Leitung von Ernest Lawrence. Mit Lawrences 60-Zoll-Zyklotron suchten die Forscher nach Beweisen für neue Elemente. Diese neuen Elemente, so hofften sie, würden die Geheimnisse des Atoms entschlüsseln und neue Forschungsgebiete eröffnen, wie es die Entdeckung von Plutonium 1940 tat.
Unter Verwendung von einer Milliarde Einsteinium-253—Atomen, die in einem Reaktor in Idaho durch Bestrahlung von Plutonium mit Neutronen gebildet wurden, entwickelte das Wissenschaftlerteam — zu dem Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Bernard G. Harvey, Gregory R. Choppin und Seaborg gehörten – einen Plan zur Herstellung eines neuen Elements, Element 101. Zuerst wurden die Einsteinium-Atome auf eine dünne Goldfolie verteilt. Da Einsteinium eine Halbwertszeit von etwa drei Wochen hat, hatten die Wissenschaftler nach Erhalt des Elements nur etwa eine Woche Zeit, um ihre Experimente durchzuführen.
Sammeln der Goldfolie, die Spuren von Mendelevium enthält.
Als Ghiorso die ungefähre Anzahl der Atome des Elements 101 berechnete, die entstehen würden, wenn die Goldfolie mit Alphateilchen bombardiert würde, stellte er fest, dass die Zahl viel kleiner war, als er gehofft hatte. Nach Ghiorsos Berechnungen würde nur etwa ein Atom des neuen Elements 101 entstehen, wenn alle drei Stunden die Goldfolie von Alphateilchen beschossen würde.
Um die unvorstellbar kleine Menge des neuen Elements, die im Experiment entstehen würde, zu trennen, stellten die Wissenschaftler ein zweites Stück Goldfolie hinter dem ersten auf, um die Atome einzufangen, die durch den Aufprall der Alphateilchen losgeschlagen würden. Dieses Stück Folie wurde vom Zyklotron zum Rad-Labor gebracht, wo es aufgelöst und analysiert wurde. Die Halbwertszeit von Element 101 lag in der Größenordnung von Stunden, daher war es ein Wettlauf, das neue Element zu entdecken, bevor es wieder verschwand.
In den frühen Morgenstunden des 19.Februar 1955 sahen die Wissenschaftler fünf Spaltzahlen, ein Produkt der Spaltung, das von einem der vielen Detektoren aufgenommen wurde, die für Element 101 charakteristisch sind, und acht von Element 100, Fermium. Dies war der schlüssige Beweis, den sie brauchten; Element 101 war nicht mehr unbekannt. Die Entdeckung des damals schwersten bekannten Atoms wurde Ende April 1955 angekündigt. In einer Pressemitteilung der Universität wurde die aufregende Natur der Entdeckung hervorgehoben: „Die Atome des neuen Elements mögen die seltensten Materieeinheiten gewesen sein, die seit fast 5 Milliarden Jahren auf der Erde existieren … Die 17 Atome des neuen Elements sind natürlich alle zerfallen, und das“ neue“ Element ist vorerst wieder ausgestorben. Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Entdeckung in der Juni-Ausgabe 1955 von Physical Review Letters und nannten ihr Element „Mendelevium“ zu Ehren von Dmitri Mendelejew und seinem Periodensystem.
1967 wurde ein neues Isotop von Mendelevium entdeckt, das zu dieser Zeit das schwerste den Wissenschaftlern bekannte Atom übernahm. Was jedoch aufregender war, war die Halbwertszeit des Isotops: Mendelevium-258 würde monatelang im Labor halten, was die Möglichkeiten zur weiteren Untersuchung schwerer Elemente und ihrer Eigenschaften dramatisch erhöhte. Über das Potenzial anderer schwerer Elemente mit langen Halbwertszeiten sagte Seaborg: „Sie werden unser grundlegendes Verständnis der Kernstruktur unermesslich verbessern. Ich weiß noch nicht, was es in der Praxis bedeuten wird, aber wir wussten nicht, wofür Plutonium gut sein würde, als es vor Jahren entdeckt wurde, und jetzt treibt es Schiffe an.“ Es gibt sechzehn bekannte Isotope von Mendelevium.
Das Video
Ghiorsos aufgeladener VW Bug fährt die Probe zum Rad-Labor.
Das Video ist Teil von 18 Minuten Filmmaterial, das von KQED, einem öffentlich-rechtlichen Sender in Nordkalifornien, aufgenommen wurde, und zeigt die Entdeckung von Mendelevium, wie sie von einigen der gleichen Wissenschaftler nachgestellt wurde, die die Experimente durchgeführt haben. Das Video zeigt dramatisch die Fähigkeiten und die Geschwindigkeit, die erforderlich sind, um das neue Element zu synthetisieren, und die dramatische Reise vom Zyklotron zum Rad-Labor in Ghiorsos aufgeladenem VW Bug.
Mit diesen Techniken steht das Berkeley-Team an der Spitze der Elemententdeckung. Die Arbeit von Seaborg und Ghiorso führte zur Entdeckung von über einem Dutzend neuer Elemente, und half, die Form des Periodensystems zu erweitern und zu verändern, Hinzufügen und Ausfüllen der heutigen Aktinidenreihe. Während das Filmmaterial möglicherweise ursprünglich für eine Dokumentation über die experimentellen Techniken des Rad-Labors gedreht wurde, ist nicht bekannt, ob das Filmmaterial jemals vor der Entdeckung von Herrn Lyneis veröffentlicht wurde.
Das Video wurde von Lyneis, einem ehemaligen Direktor für Betrieb und Entwicklung im Berkeley-Labor, in dem die Experimente durchgeführt wurden, in einer Schachtel mit Filmen gefunden, die in den Müll gingen. Lyneis bearbeitete das Video, um Soundeffekte und Erzählungen hinzuzufügen, und erklärte die Techniken, die Ghiorso und seine Kollegen vor über sechzig Jahren verwendeten. Die Box enthielt auch eine Aufzeichnung der Feier zum 25-jährigen Jubiläum in Hanford, die Lyneis auch der Atomic Heritage Foundation gespendet hat und hier zu sehen ist.
Ab 2016 gibt es keine Lücken mehr in den ersten sieben Zeilen des Periodensystems. Die zukünftige Expansion bleibt ungewiss, aber die Suche nach neuen Elementen dauert bis heute an. Die Atomic Heritage Foundation ist Dr. Lyneis dankbar für seine Arbeit und Erklärungen zu dieser revolutionären Entdeckung.