Atomic Heritage Foundation har nyligen fått en historisk video som visar några av de berömda forskarna som ledde loppet för att upptäcka nya kemiska element. Videon visar upptäckten av mendelevium, eller element 101. Producerad och berättad av Claude Lyneis, en pensionerad fysiker vid Lawrence Berkeley National Laboratory, belyser videon de verktyg och tekniker som används av forskarna i deras spännande upptäckt. Klicka här eller bläddra ner för att se videon.
sökandet efter Transuraniska element
forskare har letat efter nya element i hundratals år. När Dmitri Mendeleev organiserade de kända elementen enligt ett periodiskt eller upprepande system på 1860-talet fanns det luckor, element som ännu inte var kända men med egenskaper som kunde förutsägas av deras förhållande till nära kemiska grannar. Mendeleevs bord har sedan dess utökats för att införliva nya element utöver de som Mendeleev postulerat. Sådana element innefattar uran, plutonium och mendelevium.
uran har ett av de högsta atomnumren, 92, av något naturligt förekommande element på jorden. Element bortom uran, de transuraniska elementen, fanns på jorden efter dess bildning, men deras kortare halveringstid har lett till att de försvunnit över tiden. Upptäckten av de transuraniska elementen inträffade således i laboratoriet. Medan spårmängder av två transuraniska element-neptunium och plutonium—har upptäckts i naturen, syntetiserades båda innan de befanns förekomma naturligt.
Dmitri Mendeleev
de första försöken att producera dessa transuraniska element började med Enrico Fermi, Emilio Segr Occioch deras kollegor i Rom. 1934, strax efter att neutronen upptäcktes av James Chadwick, använde Fermi och hans kollegor neutroner för att bombardera uran, varefter de observerade nya radioaktiva produkter. Först trodde de att dessa var nya element. Experiment av Otto Hahn och Fritz Strassmann indikerade emellertid att de var isotoper av mindre, tidigare kända element, som härrör från splittringen av urankärnan. Dessa experiment inledde atomåldern, och ett tag skiftade fysikens fokus till att studera detta nyupptäckta fissionsfenomen.
de transuraniska elementen syntetiserades med samma allmänna metod Fermi och Segr, som användes i sina experiment i början av 1930-talet. När en mindre partikel kolliderar med en tung kärna kan kärnan bryta isär i mindre bitar, en process som kallas fission, eller de två kropparna kan smälta samman för att bilda ett tyngre element. Kollisionerna av partiklar vid höga hastigheter har lett till upptäckten av ett stort antal tunga element. Detta är dock inte en enkel uppgift. Det tog nya tekniker och material, och mycket tur, att först syntetisera dessa element.
upptäckten av Mendelevium
i deras kapitel skrivet för den nya Kemin, Glenn T. Seaborg och Walter D. Loveland beskrev upptäckten av mendelevium som ”en av de mest dramatiska i sekvensen av synteser av transuranelement.”I synnerhet” var det det första fallet där ett nytt element producerades och identifierade en atom i taget.”
mendeleviums upptäckt började med en smäll, eller mer specifikt med en explosion i södra Stilla havet. 1952 släpptes den första termonukleära enheten, Ivy Mike, på Eniwetok-atollen, en tio megaton-sprängning som skickade ett radioaktivt moln över 130 000 fot i luften. Prover av det molnet togs till laboratorier i USA, där två nya element upptäcktes bland skräpet—elementen 99 och 100, senare kallade einsteinium respektive fermium.
dessa upptäckter gjordes i mitten av en annan kärnvapenras som utvecklades i mitten av det tjugonde århundradet, en för att upptäcka nya element. I USA koncentrerades de ledande forskarna vid Strålningslaboratoriet vid University of California, Berkeley, under ledning av Ernest Lawrence. Med hjälp av Lawrence 60-tums cyklotron tävlade forskare för att hitta bevis för nya element. Dessa nya element, hoppades de, skulle låsa upp atomens hemligheter och öppna nya forskningsområden, som upptäckten av plutonium gjorde 1940.
med hjälp av en miljard atomer av einsteinium-253 som bildades i en reaktor i Idaho genom bestrålning av plutonium med neutroner, utarbetade forskargruppen—som inkluderade Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Bernard G. Harvey, Gregory R. Choppin och Seaborg—en plan för att producera ett nytt element, element 101. Först spreds atomerna av einsteinium på en tunn guldfolie. Eftersom einsteinium har en halveringstid på cirka tre veckor hade forskarna bara ungefär en vecka efter att ha fått elementet för att utföra sina experiment.
samla guldfolien som innehåller spårmängder mendelevium.
när Ghiorso beräknade det ungefärliga antalet atomer av element 101 som skulle skapas när guldfolien bombarderades med alfapartiklar, fann han att antalet var mycket mindre än han hade hoppats. Enligt ghiorsos beräkningar skulle endast en atom av det nya elementet 101 skapas för var tredje timme som guldfolien bombarderades av alfapartiklar.
för att separera den ofattbart små mängden av det nya elementet som skulle produceras i experimentet satte forskarna upp en andra bit guldfolie bakom den första för att fånga atomerna som skulle slås loss av alfapartiklarnas inverkan. Denna bit folie rusade uppför backen från cyklotronen till Rad-labbet, där den löstes och analyserades. Halveringstiden för element 101 var i storleksordningen timmar, så det var ett lopp att upptäcka det nya elementet innan det försvann igen.
under de tidiga morgontimmarna den 19 februari 1955 såg forskarna fem klyvningsantal, en splittringsprodukt som plockades upp av en av de många detektorerna, kännetecknande för element 101 och åtta från element 100, fermium. Detta var det avgörande beviset de behövde; element 101 var inte längre okänt. Upptäckten av den tyngsta atomen som då var känd tillkännagavs i slutet av April 1955. I ett pressmeddelande utfärdat av universitetet lyfts upptäcktens spännande natur fram: ”Atomerna i det nya elementet kan ha varit de sällsynta enheterna av materia som har funnits på jorden i nästan 5 miljarder år…de 17 atomerna i det nya elementet alla förfallna, naturligtvis, och det” nya ” elementet är för närvarande utrotat igen.”Forskarna publicerade sin upptäckt i juni 1955-utgåvan av Physical Review Letters och namngav deras element ”mendelevium” för att hedra Dmitri Mendeleev och hans periodiska bord.
1967 upptäcktes en ny isotop av mendelevium, som vid den tiden tog över som den tyngsta atomen som forskarna kände till. Vad som var mer spännande var dock isotopens halveringstid: Mendelevium-258 skulle hålla i labbet i månader, vilket dramatiskt ökade möjligheterna till vidare studier av tunga element och deras egenskaper. Av potentialen hos andra tunga element med långa halveringstider, sa Seaborg, ”de kommer att lägga omätligt till vår grundläggande förståelse för kärnstruktur. Jag vet ännu inte vad det kommer att innebära i praktiken, men vi visste inte vad plutonium skulle vara bra för när det upptäcktes för år sedan och nu driver det fartyg.”Det finns sexton kända isotoper av mendelevium.
videon
Ghiorsos superladdade VW-bugg som kör provet till Rad-labbet.
en del av 18 minuters film skott av KQED, en offentlig sändningsstation i norra Kalifornien, visar videon upptäckten av mendelevium som reenacted av några av samma forskare som utförde experimenten. Videon visar dramatiskt den skicklighet och hastighet som krävs för att syntetisera det nya elementet och den dramatiska resan från cyklotronen till Rad Lab i Ghiorsos supercharged VW Bug.
dessa tekniker sätter Berkeley-teamet i spetsen för elementär upptäckt. Arbetet med Seaborg och Ghiorso ledde till upptäckten av över ett dussin nya element och hjälpte till att expandera och ändra formen på det periodiska systemet, lägga till och fylla i det som nu är aktinidserien. Även om filmen ursprungligen kan ha tagits för en dokumentär om rad-labbets experimentella tekniker, är det inte känt om filmen någonsin släpptes före Mr.Lyneis upptäckt.
videon hittades av Lyneis, en tidigare chef för drift och utveckling vid Berkeley lab där experimenten utfördes, i en låda med filmer på väg mot papperskorgen. Lyneis redigerade videon för att lägga till ljudeffekter och berättelser och förklarade de tekniker som Ghiorso och hans kollegor använde för över sextio år sedan. Lådan innehöll också en inspelning av 25-årsjubileet i Hanford, som Lyneis också donerade till Atomic Heritage Foundation och kan ses här.
från och med 2016 finns det inte längre några luckor i de första sju raderna i det periodiska systemet. Framtida expansion är fortfarande osäker, men sökandet efter nya element fortsätter fortfarande till denna dag. Atomic Heritage Foundation är tacksam för Dr. Lyneis för hans arbete och förklaringar av denna revolutionära upptäckt.