Atomic Heritage Foundation on äskettäin saanut historiallisen videon, jossa esitellään eräitä kuuluisia tiedemiehiä, jotka johtivat kilpajuoksua uusien alkuaineiden löytämiseksi. Videolla kerrotaan mendeleviumin eli alkuaineen 101 löytymisestä. Lawrence Berkeley National Laboratoryn eläkkeellä olevan fyysikon Claude Lyneisin tuottama ja kertoma video tuo esiin tutkijoiden jännittävässä löydössään käyttämät työkalut ja tekniikat. Klikkaa tästä tai vieritä alas nähdäksesi videon.
Transuraanisten alkuaineiden etsintä
tutkijat ovat etsineet uusia alkuaineita satojen vuosien ajan. Kun Dmitri Mendelejev järjesti tunnetut alkuaineet jaksollisen eli toistuvan järjestelmän mukaan 1860-luvulla, niissä oli aukkoja, alkuaineita, joita ei vielä tunnettu, mutta joiden ominaisuudet voitiin ennustaa niiden suhteesta kemiallisiin lähinaapureihin. Mendelejevin taulukkoa on sittemmin laajennettu siten, että siihen on lisätty uusia elementtejä Mendelejevin olettamien lisäksi. Tällaisia alkuaineita ovat esimerkiksi uraani, plutonium ja mendelevium.
uraanin järjestysluku on yksi maan kaikkien luonnossa esiintyvien alkuaineiden korkeimmista, 92. Uraanin ulkopuoliset alkuaineet, transuraaniset alkuaineet, olivat olemassa maapallolla sen muodostumisen jälkeen, mutta niiden lyhyemmät puoliintumisajat ovat ajan myötä johtaneet niiden katoamiseen. Transuraanisten alkuaineiden löytyminen tapahtui näin laboratoriossa. Vaikka luonnosta on löydetty pieniä määriä kahta transuraanista alkuainetta—neptuniumia ja plutoniumia-molemmat syntetisoitiin ennen kuin niiden havaittiin esiintyvän luonnossa.
Dmitri Mendelejev
ensimmäiset yritykset tuottaa näitä transuraanisia aineksia aloittivat Enrico Fermi, Emilio Segrè ja heidän kollegansa Roomassa. Vuonna 1934, pian sen jälkeen kun James Chadwick oli löytänyt neutronin, Fermi kollegoineen pommitti uraania neutroneilla, minkä jälkeen he havaitsivat uusia radioaktiivisia tuotteita. Aluksi he uskoivat näiden olevan uusia elementtejä. Otto Hahnin ja Fritz Strassmannin kokeet kuitenkin osoittivat, että ne olivat pienempien, aiemmin tunnettujen alkuaineiden isotooppeja, jotka olivat syntyneet uraaniytimen halkeamisesta. Nämä kokeet johtivat atomiaikaan, ja jonkin aikaa fyysikkojen painopiste siirtyi tämän vasta löydetyn fissioilmiön tutkimiseen.
transuraaniset alkuaineet syntetisoitiin samalla yleisellä menetelmällä, jota Fermi ja Segrè käyttivät kokeissaan 1930-luvun alussa. Kun pienempi hiukkanen törmää raskaaseen ytimeen, ydin voi hajota pienemmiksi kappaleiksi, tätä prosessia kutsutaan fissioksi, tai kappaleet voivat fuusioitua muodostaen raskaamman alkuaineen. Hiukkasten törmäykset suurilla nopeuksilla ovat johtaneet suuren määrän raskaiden alkuaineiden löytymiseen. Tämä ei kuitenkaan ole yksinkertainen tehtävä. Näiden alkuaineiden syntetisoimiseen tarvittiin uusia tekniikoita ja materiaaleja sekä paljon onnea.
Mendeleviumin löytyminen
heidän uutta kemiaa, Glenn T. Seaborgia ja Walter D: tä varten kirjoittamassaan luvussa. Loveland kuvaili mendeleviumin löytämistä ” yhdeksi dramaattisimmista transuraanielementtien synteesisarjassa.”Erityisesti” se oli ensimmäinen tapaus, jossa syntyi uusi alkuaine ja tunnistettiin yksi atomi kerrallaan.”
Mendeleviumin löytö alkoi pamauksella, tai tarkemmin sanottuna eteläisellä Tyynellämerellä tapahtuneella räjähdyksellä. Vuonna 1952 Eniwetokin atollille pudotettiin ensimmäinen lämpöydinlaite, Ivy Mike, kymmenen megatonnin räjähdys, joka lähetti radioaktiivisen pilven yli 130 000 metrin korkeuteen ilmaan. Näytteitä tuosta pilvestä vietiin laboratorioihin Yhdysvaltoihin, missä romun seasta löydettiin kaksi uutta alkuainetta: alkuaineet 99 ja 100, joita myöhemmin kutsuttiin einsteiniumiksi ja fermiumiksi.
nämä löydöt tehtiin kahdennenkymmenennen vuosisadan puolivälissä kehkeytymässä olleen toisen ydinrodun, uusien alkuaineiden löytämisen, keskellä. Yhdysvalloissa johtavat tutkijat keskittyivät Ernest Lawrencen johdolla Kalifornian yliopiston Berkeleyssä sijaitsevaan Säteilylaboratorioon. Lawrencen 60-tuumaisen syklotronin avulla tutkijat riensivät etsimään todisteita uusista alkuaineista. He toivoivat, että nämä uudet alkuaineet avaisivat atomin salaisuudet ja avaisivat uusia tutkimusalueita, kuten plutoniumin löytyminen vuonna 1940 teki.
käyttäen miljardi atomia Einsteinium-253: A, joka muodostui Idahossa sijaitsevassa reaktorissa säteilyttämällä plutoniumia neutroneilla, tiedemiesryhmä—johon kuuluivat Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Bernard G. Harvey, Gregory R. Choppin ja Seaborg—laati suunnitelman uuden alkuaineen, alkuaineen 101, tuottamiseksi. Ensin einsteiniumin atomit levitettiin ohuelle kultafoliolle. Koska einsteiniumin puoliintumisaika on noin kolme viikkoa, tutkijoilla oli vain noin viikko alkuaineen saamisen jälkeen aikaa suorittaa kokeensa.
Keräilen kultafoliota, joka sisältää pieniä määriä mendeleviumia.
kun Ghiorso laski alkuaineen 101 atomien likimääräisen määrän, joka syntyisi, kun kultafoliota pommitettaisiin alfahiukkasilla, hän huomasi luvun olevan paljon pienempi kuin hän oli toivonut. Ghiorson laskelmien mukaan uutta alkuainetta 101 syntyisi vain noin yksi atomi kolmen tunnin välein, kun alfahiukkaset pommittivat kultafoliota.
erottaakseen kokeessa syntyvän uuden alkuaineen käsittämättömän pienen määrän tutkijat asettivat ensimmäisen taakse toisen kultafolion Palan, joka nappasi alfahiukkasten törmäyksestä irtoavia atomeja. Tämä pala foliota kiidätettiin ylös mäkeä syklotronista Radiolaboratorioon, jossa se liuotettiin ja analysoitiin. Alkuaineen 101 puoliintumisaika oli tuntien luokkaa, joten se oli kilpajuoksu uuden alkuaineen löytämiseksi ennen kuin se katosi uudelleen.
aamun varhaisina tunteina 19. helmikuuta 1955 tiedemiehet näkivät viisi fissiolaskentaa, yhden monista detektoreista poimiman halkeamistuotteen, joka on ominaista alkuaineelle 101, ja kahdeksan alkuaineelle 100, fermiumille. Tämä oli ratkaiseva todiste, jota he tarvitsivat; alkuaine 101 ei ollut enää tuntematon. Raskaimman silloin tunnetun atomin löytymisestä ilmoitettiin huhtikuun lopussa 1955. Yliopiston julkaisemassa tiedotteessa korostettiin löydön jännittävyyttä: ”Uuden alkuaineen atomit ovat saattaneet olla harvinaisimpia aineyksiköitä, jotka ovat olleet olemassa maan päällä lähes 5 miljardin vuoden ajan – – uuden alkuaineen 17 atomia ovat kaikki luonnollisesti rappeutuneet, ja ’uusi’ alkuaine on nyt jälleen kerran kuollut sukupuuttoon.”Tiedemiehet julkaisivat löytönsä kesäkuussa 1955 Physical Review Letters-lehden numerossa ja nimesivät alkuaineensa ”mendeleviumiksi” Dmitri Mendelejevin ja hänen jaksollisen järjestelmänsä kunniaksi.
vuonna 1967 löydettiin uusi mendeleviumin isotooppi, joka tuolloin otti haltuunsa painavimman tutkijoiden tunteman atomin. Jännittävämpää oli kuitenkin isotoopin puoliintumisaika: Mendelevium-258 kestäisi laboratoriossa kuukausia, mikä lisäsi dramaattisesti mahdollisuuksia tutkia raskaita alkuaineita ja niiden ominaisuuksia. Muiden raskaiden alkuaineiden mahdollisuuksista, joilla on pitkä puoliintumisaika, Seaborg sanoi, ” ne lisäävät mittaamattomasti perusymmärrystämme ydinrakenteesta. En tiedä vielä, mitä se tarkoittaa käytännössä, mutta emme tienneet, mihin plutonium kelpaisi, kun se löydettiin vuosia sitten ja nyt se antaa virtaa aluksille.”Mendeleviumin isotooppeja tunnetaan kuusitoista.
Video
Ghiorson ahdettu VW-bugi vie näytteen Radiolaboratorioon.
Osa 18 minuutin kuvamateriaalia kuvannut KQED, Julkinen yleisradioasema Pohjois-Kaliforniassa, video kuvaa löytö mendelevium kuten reenacted joidenkin samojen tutkijoiden, jotka suorittivat kokeita. Video esittelee dramaattisesti taitoa ja nopeutta, jota uuden alkuaineen syntetisoiminen vaatii, sekä dramaattisen matkan syklotronista Ghiorson supercharged VW bugin Radiolaboratorioon.
nämä tekniikat nostivat Berkeleyn tiimin alkuaineiden löytämisen eturintamaan. Seaborgin ja Ghiorson työ johti toistakymmentä uuden alkuaineen löytämiseen ja auttoi jaksollisen järjestelmän laajentamisessa ja muuttamisessa lisäämällä ja täyttämällä nykyisen aktinidien sarjan. Vaikka kuvamateriaali on saatettu alun perin kuvata Radiolaboratorion kokeellista tekniikkaa käsittelevää dokumenttia varten, ei tiedetä, onko kuvamateriaalia koskaan julkaistu ennen Lyneisin löytöä.
videon löysi Lyneis, entinen Berkeleyn laboratorion toiminta-ja kehitysjohtaja, jossa kokeet tehtiin, roskiin suunnatusta filmilaatikosta. Lyneis muokkasi videolle ääniefektejä ja kerrontaa, selittäen Ghiorson ja hänen kollegoidensa yli kuusikymmentä vuotta sitten käyttämiä tekniikoita. Laatikossa oli myös taltiointi Hanfordin 25-vuotisjuhlista, jonka Lyneis myös lahjoitti Atomic Heritage Foundationille ja on nähtävissä täällä.
vuodesta 2016 alkaen jaksollisen järjestelmän seitsemässä ensimmäisessä rivissä ei ole enää aukkoja. Tuleva laajentuminen on vielä epävarmaa, mutta uusien elementtien etsintä jatkuu vielä tänäkin päivänä. Atomic Heritage Foundation on kiitollinen tohtori Lyneisille hänen työstään ja tämän mullistavan löydön selityksistä.