Fundacja Atomic Heritage otrzymała niedawno historyczne wideo przedstawiające niektórych słynnych naukowców, którzy poprowadzili wyścig do odkrycia nowych pierwiastków chemicznych. Film przedstawia odkrycie mendelevium, czyli pierwiastka 101. Wyprodukowany i opowiedziany przez Claude ’ a Lyneisa, emerytowanego fizyka z Lawrence Berkeley National Laboratory, film przedstawia narzędzia i techniki używane przez naukowców w ich ekscytującym odkryciu. Kliknij tutaj lub przewiń w dół, aby zobaczyć film.
poszukiwania pierwiastków Transuranowych
naukowcy od setek lat szukają nowych pierwiastków. Kiedy Dmitrij Mendelejew uporządkował znane pierwiastki według okresowego lub powtarzalnego systemu w 1860 roku, istniały luki, pierwiastki jeszcze nie znane, ale o właściwościach, które można przewidzieć dzięki ich związkowi z bliskimi sąsiadami chemicznymi. Od tego czasu Tablica Mendelejewa została rozszerzona o nowe elementy wykraczające poza postulowane przez Mendelejewa. Takie pierwiastki obejmują uran, Pluton i mendelewium.
Uran ma jedną z najwyższych liczb atomowych, 92, spośród wszystkich naturalnie występujących pierwiastków na ziemi. Pierwiastki poza Uranem, pierwiastki transuraniczne, istniały na ziemi po jej uformowaniu, ale ich krótsze okresy półtrwania doprowadziły do ich zaniku w czasie. Odkrycie pierwiastków transuranowych nastąpiło więc w laboratorium. Podczas gdy śladowe ilości dwóch pierwiastków transuranowych-neptunu i plutonu-zostały odkryte w przyrodzie, oba zostały zsyntetyzowane, zanim stwierdzono, że występują naturalnie.
Dmitrij Mendelejew
pierwsze próby wytworzenia tych elementów transuranowych rozpoczęli Enrico Fermi, Emilio Segrè i ich współpracownicy w Rzymie. W 1934 roku, krótko po odkryciu neutronu przez Jamesa Chadwicka, Fermi i jego współpracownicy użyli neutronów do bombardowania uranu, po czym zaobserwowali nowe produkty radioaktywne. Początkowo uważali, że są to nowe elementy. Eksperymenty Otto Hahna i Fritza Strassmanna wykazały jednak, że są to izotopy mniejszych, wcześniej znanych pierwiastków, powstałych w wyniku rozszczepienia jądra uranu. Eksperymenty te zapoczątkowały erę atomową i na chwilę fizycy skoncentrowali się na badaniu tego nowo odkrytego zjawiska rozszczepienia.
pierwiastki transuranowe zostały zsyntetyzowane przy użyciu tej samej ogólnej metody, którą Fermi i Segrè zastosowali w swoich eksperymentach na początku lat 30. Gdy mniejsza cząstka zderza się z ciężkim jądrem, jądro może rozbić się na mniejsze kawałki, proces zwany rozszczepieniem lub dwa ciała mogą się łączyć, tworząc cięższy pierwiastek. Zderzenia cząstek przy dużych prędkościach doprowadziły do odkrycia dużej liczby ciężkich pierwiastków. Nie jest to jednak proste zadanie. Potrzeba było nowych technik i materiałów, i dużo szczęścia, aby najpierw zsyntetyzować te elementy.
odkrycie Mendelevium
w ich rozdziale napisanym dla nowej chemii, Glenn T. Seaborg i Walter D. Loveland opisał odkrycie mendelevium jako ” jedno z najbardziej dramatycznych w sekwencji syntez pierwiastków transuranowych.”W szczególności” był to pierwszy przypadek, w którym nowy pierwiastek został wyprodukowany i zidentyfikowany jeden atom na raz.”
odkrycie Mendelevium zaczęło się od wybuchu, a dokładniej od eksplozji na południowym Pacyfiku. W 1952 roku na atol Eniwetok zrzucono pierwsze urządzenie termojądrowe, Ivy Mike, wybuch o mocy 10 megatonów, który wysłał radioaktywną chmurę ponad 130 000 stóp w powietrze. Próbki tej chmury zostały zabrane do laboratoriów w Stanach Zjednoczonych, gdzie wśród szczątków odkryto dwa nowe pierwiastki-pierwiastki 99 i 100, nazwane później odpowiednio einsteinium i fermium.
odkrycia te zostały dokonane w środku innej rasy nuklearnej rozwijającej się w połowie XX wieku, w celu odkrycia nowych pierwiastków. W Stanach Zjednoczonych czołowi badacze koncentrowali się w Radiation Laboratory na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, pod kierunkiem Ernesta Lawrence ’ a. Wykorzystując 60-calowy cyklotron Lawrence ’ a, naukowcy ścigali się, aby znaleźć dowody na nowe pierwiastki. Mieli nadzieję, że te nowe pierwiastki odkryją tajemnice atomu i otworzą nowe obszary badań, tak jak odkrycie plutonu w 1940 roku.
wykorzystując miliard atomów einsteinu – 253 utworzonych w reaktorze w Idaho przez napromieniowanie plutonu neutronami, zespół naukowców—w skład którego wchodzili Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Bernard G. Harvey, Gregory R. Choppin i Seaborg—opracował plan wytworzenia nowego pierwiastka, pierwiastka 101. Najpierw Atomy einsteinu zostały rozłożone na cienkiej złotej folii. Ponieważ einsteinium ma okres półtrwania około trzech tygodni, naukowcy mieli tylko około tygodnia po otrzymaniu pierwiastka do przeprowadzenia swoich eksperymentów.
zbieranie złotej folii zawierającej śladowe ilości mendelewium.
kiedy Ghiorso obliczył przybliżoną liczbę atomów pierwiastka 101, które powstaną, gdy złota folia zostanie zbombardowana cząstkami alfa, odkrył, że liczba ta jest znacznie mniejsza, niż się spodziewał. Według obliczeń Ghiorso, na każde trzy godziny złota folia była bombardowana cząstkami alfa, powstaje tylko około jednego atomu nowego pierwiastka 101.
aby oddzielić niewyobrażalnie małą ilość nowego pierwiastka, który byłby produkowany w eksperymencie, naukowcy ustawili drugi kawałek złotej folii za pierwszym, aby złapać atomy, które zostaną uwolnione przez uderzenie cząstek alfa. Ten kawałek folii został przewieziony na wzgórze z cyklotronu do laboratorium Rad, gdzie został rozpuszczony i przeanalizowany. Okres półtrwania pierwiastka 101 był rzędu godzin, więc był to wyścig do odkrycia nowego pierwiastka, zanim zniknął ponownie.
we wczesnych godzinach porannych 19 lutego 1955 roku naukowcy zobaczyli pięć rozszczepień, produkt rozszczepienia wychwycony przez jeden z wielu detektorów, charakterystyczny dla pierwiastka 101, i osiem z pierwiastka 100, fermium. To był ostateczny dowód, którego potrzebowali; element 101 nie był już nieznany. Odkrycie najcięższego znanego wówczas atomu ogłoszono pod koniec kwietnia 1955 roku. W komunikacie prasowym wydanym przez Uniwersytet podkreślono ekscytujący charakter odkrycia: „Atomy nowego pierwiastka mogły być najrzadszymi jednostkami materii, które istniały na ziemi przez prawie 5 miliardów lat … 17 atomów nowego pierwiastka oczywiście rozpadło się, a „nowy” pierwiastek jest dla obecnego po raz kolejny wymarły.”Naukowcy opublikowali swoje odkrycie w czerwcowym wydaniu Physical Review Letters z 1955 roku, nadając im nazwę „mendelevium” na cześć Dmitrija Mendelejewa i jego układu okresowego.
w 1967 roku odkryto nowy izotop mendelevium, który w tym czasie przejął rolę najcięższego atomu znanego naukowcom. Bardziej ekscytujący był jednak okres półtrwania izotopu: Mendelewium – 258 trwał w laboratorium przez miesiące, co znacznie zwiększyło możliwości dalszego badania ciężkich pierwiastków i ich właściwości. O potencjale innych ciężkich pierwiastków o długim okresie półtrwania, Seaborg powiedział: „dodadzą one niezmiernie do naszego podstawowego zrozumienia struktury jądrowej. Nie wiem jeszcze, co to będzie oznaczać w praktyce, ale nie wiedzieliśmy, do czego Pluton będzie przydatny, gdy zostanie odkryty lata temu, a teraz zasilany jest statkami.”Istnieje szesnaście znanych izotopów mendelevium.
film
doładowany VW Bug Ghiorso doprowadza próbkę do laboratorium Rad.
Część 18 minut materiału nagranego przez KQED, publiczną stację nadawczą w północnej Kalifornii, wideo przedstawia odkrycie mendelevium, odtworzone przez niektórych z tych samych naukowców, którzy przeprowadzili eksperymenty. Film dramatycznie pokazuje umiejętności i szybkość potrzebną do syntezy nowego elementu, a także dramatyczną podróż z cyklotronu do Rad Lab w doładowanym VW Bug Ghiorso.
te techniki stawiają zespół Berkeley na czele odkrywania pierwiastków. Prace Seaborga i Ghiorso doprowadziły do odkrycia kilkunastu nowych pierwiastków i pomogły rozszerzyć I zmienić kształt układu okresowego, dodając i wypełniając to, co jest teraz szeregiem aktynowców. Chociaż materiał mógł być pierwotnie nakręcony do filmu dokumentalnego o eksperymentalnych technikach Rad Lab, nie wiadomo, czy materiał został kiedykolwiek wydany przed odkryciem Pana Lyneisa.
film został znaleziony przez Lyneisa, byłego dyrektora ds. operacji i rozwoju w laboratorium w Berkeley, gdzie przeprowadzono eksperymenty, w pudełku z filmami skierowanymi do śmieci. Lyneis zmontował wideo, aby dodać efekty dźwiękowe i narrację, wyjaśniając techniki używane przez Ghiorso i jego kolegów ponad sześćdziesiąt lat temu. Pudełko zawierało również nagranie z obchodów 25-lecia w Hanford, które Lyneis przekazał również Fundacji Atomic Heritage Foundation i można je zobaczyć tutaj.
od 2016 r. nie ma już żadnych luk w pierwszych siedmiu rzędach układu okresowego. Dalsza ekspansja pozostaje niepewna, ale poszukiwanie nowych elementów trwa do dziś. Fundacja Atomic Heritage jest wdzięczna doktorowi Lyneisowi za jego pracę i wyjaśnienia tego rewolucyjnego odkrycia.