La Atomic Heritage Foundation ha recentemente ricevuto un video storico che mostra alcuni dei famosi scienziati che hanno guidato la corsa alla scoperta di nuovi elementi chimici. Il video raffigura la scoperta di mendelevium, o elemento 101. Prodotto e narrato da Claude Lyneis, un fisico in pensione presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, il video mette in evidenza gli strumenti e le tecniche utilizzate dagli scienziati nella loro emozionante scoperta. Clicca qui o scorri verso il basso per vedere il video.
La ricerca di elementi transuranici
Gli scienziati sono alla ricerca di nuovi elementi per centinaia di anni. Quando Dmitri Mendeleev organizzò gli elementi noti secondo un sistema periodico, o ripetitivo, negli anni 1860, c’erano lacune, elementi non ancora noti ma con proprietà che potevano essere previste dalla loro relazione con i vicini chimici vicini. La tabella di Mendeleev è stata ampliata per incorporare nuovi elementi oltre a quelli postulati da Mendeleev. Tali elementi includono uranio, plutonio e mendelevio.
L’uranio ha uno dei più alti numeri atomici, 92, di qualsiasi elemento naturale sulla terra. Elementi oltre l’uranio, gli elementi transuranici, esistevano sulla terra dopo la sua formazione, ma le loro emivita più brevi hanno portato alla loro scomparsa nel tempo. La scoperta degli elementi transuranici avvenne quindi in laboratorio. Mentre tracce di due elementi transuranici-nettunio e plutonio—sono stati scoperti in natura, entrambi sono stati sintetizzati prima che fossero trovati a verificarsi naturalmente.
Dmitri Mendeleev
I primi tentativi di produrre questi elementi transuranici iniziarono con Enrico Fermi, Emilio Segrè e i loro colleghi di Roma. Nel 1934, poco dopo che il neutrone fu scoperto da James Chadwick, Fermi ei suoi colleghi usarono neutroni per bombardare l’uranio, dopo di che osservarono nuovi prodotti radioattivi. All’inizio, credevano che questi fossero nuovi elementi. Tuttavia, gli esperimenti di Otto Hahn e Fritz Strassmann hanno indicato che si trattava di isotopi di elementi più piccoli, precedentemente noti, derivanti dalla scissione del nucleo di uranio. Questi esperimenti inaugurarono l’era atomica e, per un po’, l’attenzione dei fisici si spostò sullo studio di questo fenomeno di fissione appena scoperto.
Gli elementi transuranici sono stati sintetizzati utilizzando lo stesso metodo generale Fermi e Segrè utilizzati nei loro esperimenti nei primi anni 1930. Quando una particella più piccola si scontra con un nucleo pesante, il nucleo può rompersi in pezzi più piccoli, un processo chiamato fissione, o i due corpi possono fondersi per formare un elemento più pesante. Le collisioni di particelle ad alta velocità hanno portato alla scoperta di un gran numero di elementi pesanti. Tuttavia, questo non è un compito semplice. Ci sono volute nuove tecniche e materiali, e molta fortuna, per sintetizzare prima questi elementi.
La scoperta di Mendelevium
Nel loro capitolo scritto per la Nuova Chimica, Glenn T. Seaborg e Walter D. Loveland ha descritto la scoperta di mendelevium come “uno dei più drammatici nella sequenza di sintesi di elementi transuranici.”In particolare”, è stato il primo caso in cui è stato prodotto un nuovo elemento e identificato un atomo alla volta.”
La scoperta di Mendelevium iniziò con un botto, o, più specificamente, con un’esplosione nel Pacifico meridionale. Nel 1952, il primo dispositivo termonucleare, Ivy Mike, è stato lasciato cadere sull’atollo di Eniwetok, un’esplosione di dieci megatoni che ha inviato una nube radioattiva oltre 130.000 piedi in aria. Campioni di quella nube sono stati portati in laboratori negli Stati Uniti, dove sono stati scoperti due nuovi elementi tra i detriti—elementi 99 e 100, in seguito chiamati einsteinium e fermium, rispettivamente.
Queste scoperte furono fatte nel mezzo di un’altra razza nucleare che si svolgeva a metà del ventesimo secolo, una per scoprire nuovi elementi. Negli Stati Uniti, i principali ricercatori sono stati concentrati presso il Laboratorio di radiazioni dell’Università della California, Berkeley, sotto la direzione di Ernest Lawrence. Usando il ciclotrone da 60 pollici di Lawrence, i ricercatori hanno corso per trovare prove per nuovi elementi. Questi nuovi elementi, speravano, avrebbero svelato i segreti dell’atomo e aperto nuove aree di ricerca, come fece la scoperta del plutonio nel 1940.
Utilizzando un miliardo di atomi di einsteinio-253 formati in un reattore in Idaho dall’irradiazione di plutonio con neutroni, il team di scienziati—che comprendeva Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Bernard G. Harvey, Gregory R. Choppin e Seaborg—escogitò un piano per produrre un nuovo elemento, l’elemento 101. In primo luogo, gli atomi di einsteinium sono stati sparsi su una sottile lamina d’oro. Poiché l’einsteinium ha un’emivita di circa tre settimane, gli scienziati hanno avuto solo circa una settimana dopo aver ricevuto l’elemento per eseguire i loro esperimenti.
Raccogliere la lamina d’oro contenente tracce di mendelevium.
Quando Ghiorso calcolò il numero approssimativo di atomi dell’elemento 101 che si sarebbe creato quando la lamina d’oro fu bombardata da particelle alfa, trovò che il numero era molto più piccolo di quanto avesse sperato. Secondo i calcoli di Ghiorso, solo circa un atomo del nuovo elemento 101 sarebbe stato creato per ogni tre ore la lamina d’oro è stata bombardata da particelle alfa.
Per separare la quantità inimmaginabilmente piccola del nuovo elemento che sarebbe stato prodotto nell’esperimento, gli scienziati hanno creato un secondo pezzo di lamina d’oro dietro il primo per catturare gli atomi che sarebbero stati sciolti dall’impatto delle particelle alfa. Questo pezzo di lamina è stato precipitato sulla collina dal ciclotrone al laboratorio Rad, dove è stato sciolto e analizzato. L’emivita dell’elemento 101 era dell’ordine delle ore, quindi è stata una corsa per scoprire il nuovo elemento prima che scomparisse di nuovo.
Nelle prime ore del mattino del 19 febbraio 1955, gli scienziati videro cinque conteggi di fissione, un prodotto di scissione raccolto da uno dei molti rivelatori, caratteristica dell’elemento 101, e otto dall’elemento 100, fermio. Questa era la prova conclusiva di cui avevano bisogno; l’elemento 101 non era più sconosciuto. La scoperta dell’atomo più pesante allora conosciuto fu annunciata alla fine di aprile 1955. In un comunicato stampa rilasciato dall’università, è stata evidenziata la natura eccitante della scoperta: “Gli atomi del nuovo elemento potrebbero essere stati le unità di materia più rare che sono esistite sulla terra per quasi 5 miliardi di anni The I 17 atomi del nuovo elemento sono tutti decaduti, naturalmente, e il ‘nuovo’ elemento è per il momento estinto ancora una volta.”Gli scienziati hanno pubblicato la loro scoperta nel numero di giugno 1955 di Physical Review Letters, nominando il loro elemento “mendelevium” in onore di Dmitri Mendeleev e della sua tavola periodica.
Nel 1967 fu scoperto un nuovo isotopo del mendelevio, che all’epoca prese il posto dell’atomo più pesante conosciuto dagli scienziati. Ciò che era più eccitante, tuttavia, era l’emivita dell’isotopo: Mendelevium-258 sarebbe durato in laboratorio per mesi, il che aumentava drasticamente le opportunità di ulteriori studi sugli elementi pesanti e sulle loro proprietà. Del potenziale di altri elementi pesanti con emivita lunga, Seaborg ha detto, “Aggiungeranno incommensurabilmente alla nostra comprensione di base della struttura nucleare. Non so ancora cosa significherà in termini pratici, ma non sapevamo a cosa sarebbe servito il plutonio quando fu scoperto anni fa e ora sta alimentando le navi.”Ci sono sedici isotopi noti di mendelevium.
Il video
La cimice VW sovralimentata di Ghiorso porta il campione al laboratorio Rad.
Parte di 18 minuti di filmati girati da KQED, una stazione di radiodiffusione pubblica nel nord della California, il video raffigura la scoperta di mendelevium come rievocato da alcuni degli stessi scienziati che hanno eseguito gli esperimenti. Il video mostra in modo drammatico l’abilità e la velocità necessarie per sintetizzare il nuovo elemento, e il drammatico viaggio dal ciclotrone al laboratorio Rad nel Bug VW sovralimentato di Ghiorso.
Queste tecniche mettono il team di Berkeley in prima linea nella scoperta elementale. Il lavoro di Seaborg e Ghiorso portò alla scoperta di oltre una dozzina di nuovi elementi, e contribuì ad espandere e cambiare la forma della tavola periodica, aggiungendo e riempiendo quella che oggi è la serie degli attinidi. Mentre il filmato potrebbe essere stato originariamente girato per un documentario sulle tecniche sperimentali del Laboratorio Rad, se il filmato sia mai stato rilasciato prima della scoperta del signor Lyneis non è noto.
Il video è stato trovato da Lyneis, un ex direttore delle operazioni e dello sviluppo presso il laboratorio di Berkeley dove sono stati eseguiti gli esperimenti, in una scatola di film diretti verso la spazzatura. Lyneis ha curato il video per aggiungere effetti sonori e narrazione, spiegando le tecniche utilizzate da Ghiorso e dai suoi colleghi oltre sessant’anni fa. La scatola conteneva anche una registrazione della celebrazione del 25 ° anniversario di Hanford, che Lyneis ha anche donato alla Atomic Heritage Foundation e può essere visto qui.
A partire dal 2016, non ci sono più spazi vuoti nelle prime sette righe della tavola periodica. L’espansione futura rimane incerta, ma la ricerca di nuovi elementi continua ancora oggi. La Atomic Heritage Foundation è grata al Dr. Lyneis per il suo lavoro e le spiegazioni di questa scoperta rivoluzionaria.