de Atomic Heritage Foundation heeft onlangs een historische video ontvangen van enkele beroemde wetenschappers die de race leidden om nieuwe chemische elementen te ontdekken. De video toont de ontdekking van mendelevium, of element 101. Geproduceerd en verteld door Claude Lyneis, een gepensioneerde natuurkundige aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, belicht de video de tools en technieken die door de wetenschappers worden gebruikt in hun spannende ontdekking. Klik hier of scroll naar beneden om de video te zien.
de zoektocht naar Transuranische elementen
wetenschappers zijn al honderden jaren op zoek naar nieuwe elementen. Toen Dmitri Mendelejev organiseerde de bekende elementen volgens een periodiek, of herhalen, systeem in de jaren 1860, waren er hiaten, elementen nog niet bekend, maar met eigenschappen die kunnen worden voorspeld door hun relatie met de chemische buren te sluiten. Mendelejev ‘ s tafel is sindsdien uitgebreid om nieuwe elementen op te nemen die verder gaan dan wat Mendelejev beweert. Dergelijke elementen omvatten uranium, plutonium en mendelevium.
Uranium heeft een van de hoogste atoomgetallen, 92, van alle natuurlijk voorkomende elementen op aarde. Elementen buiten uranium, de transuranische elementen, bestonden op aarde na de vorming ervan, maar hun kortere halfwaardetijden hebben geleid tot hun verdwijning in de tijd. De ontdekking van de transuranische elementen vond dus plaats in het laboratorium. Hoewel sporen van twee transuranische elementen—neptunium en plutonium—in de natuur zijn ontdekt, werden beide gesynthetiseerd voordat ze op natuurlijke wijze werden aangetroffen.
Dmitri Mendelejev
de eerste pogingen om deze transuranische elementen te produceren begonnen met Enrico Fermi, Emilio Segrè, en hun collega ‘ s in Rome. In 1934, kort nadat het neutron werd ontdekt door James Chadwick, gebruikten Fermi en zijn collega ‘ s neutronen om uranium te bombarderen, waarna ze nieuwe radioactieve producten observeerden. Eerst geloofden ze dat dit nieuwe elementen waren. Experimenten van Otto Hahn en Fritz Strassmann toonden echter aan dat het isotopen waren van kleinere, voorheen bekende elementen, die het gevolg waren van de splitsing van de uraniumkern. Deze experimenten leidden tot het atoomtijdperk, en gedurende een tijdje verschoof de focus van natuurkundigen naar het bestuderen van dit nieuw ontdekte fenomeen van kernsplijting.
de transuranische elementen werden gesynthetiseerd met dezelfde algemene methode die Fermi en Segrè gebruikten in hun experimenten in de vroege jaren 1930. Wanneer een kleiner deeltje botst met een zware kern, kan de kern uiteenvallen in kleinere stukken, een proces genaamd splijting, of de twee lichamen kunnen fuseren tot een zwaarder element te vormen. De botsingen van deeltjes bij hoge snelheden hebben geleid tot de ontdekking van een groot aantal zware elementen. Dit is echter geen eenvoudige taak. Het kostte nieuwe technieken en materialen, en veel geluk, om deze elementen eerst te synthetiseren.
de ontdekking van Mendelevium
In hun hoofdstuk geschreven voor de nieuwe chemie, Glenn T. Seaborg en Walter D. Loveland beschreef de ontdekking van mendelevium als “een van de meest dramatische in de opeenvolging van syntheses van transuranen.”In het bijzonder,” het was het eerste geval waarin een nieuw element werd geproduceerd en geïdentificeerd een atoom tegelijk.Mendelevium ‘ s ontdekking begon met een knal, of meer specifiek met een explosie in de Stille Zuidzee. In 1952, de eerste thermonucleaire apparaat, Ivy Mike, werd gedropt op het Eniwetok Atol, een tien-megaton ontploffing die een radioactieve wolk stuurde meer dan 130.000 voet in de lucht. Monsters van die wolk werden genomen naar laboratoria in de Verenigde Staten, waar twee nieuwe elementen werden ontdekt tussen het puin—elementen 99 en 100, later genoemd einsteinium en fermium, respectievelijk.
deze ontdekkingen werden gedaan in het midden van een ander nucleair ras dat zich ontvouwde in het midden van de twintigste eeuw, een om nieuwe elementen te ontdekken. In de Verenigde Staten werden de belangrijkste onderzoekers geconcentreerd in het Stralingslaboratorium van de Universiteit van Californië, Berkeley, onder leiding van Ernest Lawrence. Met behulp van Lawrence ‘ s 60-inch cyclotron, onderzoekers rende om bewijs voor nieuwe elementen te vinden. Deze nieuwe elementen, hoopten ze, zouden de geheimen van het atoom ontsluiten en nieuwe gebieden van onderzoek openen, zoals de ontdekking van plutonium deed in 1940.Met behulp van een miljard atomen einsteinium-253, gevormd in een reactor in Idaho door de bestraling van plutonium met neutronen, bedacht het team van wetenschappers—waaronder Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Bernard G. Harvey, Gregory R. Choppin en Seaborg—een plan om een nieuw element te produceren, element 101. Eerst werden de atomen van einsteinium verspreid op een dunne goudfolie. Aangezien einsteinium een halfwaardetijd van ongeveer drie weken heeft, hadden de wetenschappers slechts ongeveer een week na ontvangst van het element om hun experimenten uit te voeren.
het verzamelen van de goudfolie met sporen van mendelevium.
toen Ghiorso het Geschatte aantal atomen van element 101 berekende dat zou ontstaan wanneer de goudfolie werd gebombardeerd met alfa-deeltjes, vond hij het aantal veel kleiner dan hij had gehoopt. Volgens Ghiorso ‘ s berekeningen, zou slechts ongeveer een atoom van het nieuwe element 101 worden gemaakt voor elke drie uur de goudfolie werd gebombardeerd door alfadeeltjes.
om de onvoorstelbaar kleine hoeveelheid van het nieuwe element dat in het experiment zou worden geproduceerd te scheiden, zetten de wetenschappers een tweede stuk goudfolie achter het eerste op om de atomen te vangen die door de impact van de alfadeeltjes zouden worden losgemaakt. Dit stuk folie werd de heuvel op gehaast van het cyclotron naar het Rad Lab, waar het werd opgelost en geanalyseerd. De halfwaardetijd van element 101 was in de Orde van uren, dus het was een race om het nieuwe element te ontdekken voordat het weer verdween.In de vroege ochtenduren van 19 februari 1955 zagen de wetenschappers vijf tellingen van splijting, een product van splitsing, opgepikt door een van de vele detectoren, kenmerkend voor element 101, en acht van element 100, fermium. Dit was het sluitende bewijs dat ze nodig hadden; element 101 was niet meer onbekend. De ontdekking van het zwaarste atoom werd eind april 1955 aangekondigd. In een persbericht van de universiteit werd het opwindende karakter van de ontdekking benadrukt: “De atomen van het nieuwe element kunnen de zeldzaamste eenheden van materie zijn geweest die bijna 5 miljard jaar op aarde hebben bestaan…de 17 atomen van het nieuwe element zijn natuurlijk allemaal vervallen, en het ‘nieuwe’ element is voor het huidige weer uitgestorven.”De wetenschappers publiceerden hun ontdekking in de uitgave van Physical Review Letters van juni 1955, waarbij ze hun element “mendelevium” noemden ter ere van Dmitri Mendelejev en zijn periodiek systeem.
in 1967 werd een nieuwe isotoop van mendelevium ontdekt, die op dat moment het zwaarste atoom was dat wetenschappers kenden. Wat echter spannender was, was de halveringstijd van de isotoop: Mendelevium-258 zou maanden in het lab meegaan, wat de mogelijkheden voor verdere studie van zware elementen en hun eigenschappen dramatisch verhoogde. Van het potentieel van andere zware elementen met lange halfwaardetijden, zei Seaborg, “ze zullen onmetelijk toevoegen aan onze basiskennis van nucleaire structuur. Ik weet nog niet wat het in de praktijk zal betekenen, maar we wisten niet waar plutonium goed voor zou zijn toen het jaren geleden werd ontdekt en nu drijft het schepen aan. Er zijn zestien isotopen bekend van mendelevium.
de Video
Ghiorso ‘ s Supercharged VW Bug drijft het monster naar het Rad Lab.
een deel van 18 minuten aan beeldmateriaal dat is opgenomen door KQED, een publieke omroep in Noord-Californië, toont de video de ontdekking van mendelevium zoals die werd nagebootst door enkele van dezelfde wetenschappers die de experimenten uitvoerden. De video toont dramatisch de vaardigheid en snelheid die nodig is om het nieuwe element te synthetiseren, en de dramatische reis van het cyclotron naar het Rad Lab in Ghiorso ‘ s Supercharged VW Bug.
deze technieken zetten het Berkeley team in de voorhoede van elementaire ontdekking. Het werk van Seaborg en Ghiorso leidde tot de ontdekking van meer dan een dozijn nieuwe elementen, en hielp bij het uitbreiden en veranderen van de vorm van het periodiek systeem, het toevoegen en invullen van wat nu de actinide-serie is. Hoewel de beelden oorspronkelijk zijn opgenomen voor een documentaire over de experimentele technieken van het Rad Lab, is het niet bekend of de beelden ooit zijn vrijgegeven voor de ontdekking van Mr.Lyneis.
de video werd gevonden door Lyneis, een voormalig directeur van Operations and Development in het Berkeley lab waar de experimenten werden uitgevoerd, in een doos met films op weg naar de prullenbak. Lyneis bewerkte de video om geluidseffecten en vertelling toe te voegen, en legde de technieken uit die Ghiorso en zijn collega ‘ s meer dan zestig jaar geleden gebruikten. De doos bevatte ook een opname van de viering van het 25-jarig bestaan in Hanford, die Lyneis ook schonk aan de Atomic Heritage Foundation en is hier te zien.
vanaf 2016 zijn er geen hiaten meer in de eerste zeven rijen van het periodiek systeem. Toekomstige uitbreiding blijft onzeker, maar de zoektocht naar nieuwe elementen gaat nog steeds door tot op de dag van vandaag. De Atomic Heritage Foundation is Dr. Lyneis dankbaar voor zijn werk en verklaringen van deze revolutionaire ontdekking.