Promieniotwórcze - część 2

W dwudziestoleciu międzywojennym intensywnie rozwijała się atomistyka. Naturalne i sztuczne przemiany jądrowe nasunęły chemikom i fizykom myśl otrzymania pierwiastków leżących w układzie okresowym za uranem - transuranowców. W roku 1934 włoski fizyk Enrico Fermi poddał uran działaniu neutronów. Sądził, że jego jądro po pochłonięciu dodatkowego neutronu przekształci go w proton i doprowadzi do powstania pierwiastka o liczbie atomowej 93. Wyniki nie zostały potwierdzone, a obserwowane efekty wytłumaczono rozszczepieniem jąder uranu, co wkrótce zrewolucjonizowało świat.

Kalendarium - dzieci wojny

1940. Po kilku latach od doświadczenia Fermiego naukowcy wiedzieli, że zachowanie jąder trafionych neutronami zależy od energii pocisku oraz rodzaju jądra. Lżejszy izotop U-235 ulegał rozpadowi pod wpływem neutronów, natomiast cięższy U-238 zazwyczaj je pochłaniał. Pierwsza przemiana niosła za sobą możliwość wykorzystania energii tkwiącej w jądrze, co po kilku latach zrealizowano w praktyce w postaci bomby zrzuconej na Hiroszimę. Drugi izotop po pochłonięciu neutronu rzeczywiście zdawał się przekształcać w kolejny pierwiastek. Jak jednak zidentyfikować promieniotwórczość nowego pierwiastka wśród lawiny cząstek emitowanych przez pękające na kawałki jądra U-235?

Pomógł przypadek. Edwin McMillan i Philip Abelson chcieli zmierzyć zasięg fragmentów rozpadu jąder uranu. W tym celu n-byli „książeczkę” bibułek papierosowych, na pierwszą kartkę nanieśli warstwę dwutlenku uranu i poddali ją  działaniu neutronów. Po zakończeniu naświetlania badali poszczególne bibułki (wylatujące odłamki zatrzymywały się na nich, te o większej energii wędrowały dalej). W drugiej warstwie stwierdzili nieoczekiwaną radioaktywność, którą tłumaczyło tylko powstawanie nowego pierwiastka: izotop uranu-238 pochłania neutron i zwiększa liczbę masową do 239, a następnie w wyniku rozpadu ulega przemianie w izotop pierwiastka 93. Nowemu pierwiastkowi nadano nazwę neptun, przez analogię do następnej za Uranem planety Układu Słonecznego (1).

1941. Otrzymany izotop neptunu rozpadał się z utworzenie kolejnego pierwiastka. Pluton (bo tak oczywiście go nazwano) został zidentyfikowany przez amerykańskiego chemika Glenna Seaborga wraz z zespołem badawczym. Po stwierdzeniu, że jest on również materiałem rozszczepialnym, przystąpiono do prac nad otrzymaniem większej jego ilości. Badania nad plutonem zostały objęte tajemnicą i świat dowiedział się o nim dopiero po wojnie. Realizowany w ramach Projektu Manhattan Plutonium Project zakończył się „sukcesem” - bomba zrzucona na Nagasaki była bombą plutonową (2).

2. Fat Man - bomba plutonowa zrzucona na Nagasaki 9 sierpnia 1945 roku

1944. Podczas II wojny światowej zespół Seaborga, nazwanego później „ojcem transuranowców”, wyprodukował jeszcze dwa nowe pierwiastki. Tym razem zastosowano bombardowanie uranu i plutonu cząstkami alfa (jądra helu-4) przyspieszonymi w cyklotronie. Chemicy nie mogli jednak wydzielić związków otrzymanych pierwiastków. „Nie chciały” one zachowywać się jak członkowie grup 9 i 10, do której formalnie musiały należeć. Dopiero sugestia Seaborga, że  pierwiastki począwszy od aktynu tworzą analogiczny do lantanowców szereg, rozwiązała problem.

Zastosowanie jako nośników związków lantanowców pozwoliło wydzielić porcje pierwiastków 96 i 95. Pierwszy z nich otrzymał nazwę kiur dla uczczenia małżonków Curie (jest analogiem lantanowca gadolinu, nazwanego na  cześć odkrywcy pierwszego pierwiastka ziem rzadkich). Nazwa drugiego - ameryk - nawiązuje z kolei do położonego nad nim europu.

1949–50. Zespół Seaborga (3) do perfekcji opanował technikę pracy z mikrogramowymi ilościami substancji, m.in. skonstruowany został sprzęt laboratoryjny, którym posługiwano się pod mikroskopem (probówki o pojemności tysięcznej części mililitra, itp.). Chromatografia jonowymienna, opracowana na potrzeby rozdzielania lantanowców (patrz artykuł im poświęcony), została udoskonalona w takim stopniu, że stała się możliwa identyfikacja nawet pojedynczych atomów.

3. Rok 1946, w laboratorium w Berkeley obecne są same sławy.
Od lewej: Ernest Lawrence (konstruktor cyklotronu),
Glenn Seaborg („ojciec transuranowców”)
i Robert Oppenheimer (dyrektor Projektu Manhattan)

Czas po odkryciu ameryku i kiuru przeznaczono na syntezę większych porcji nowych metali tak, aby użyć ich w roli tarczy dla cząstek alfa. Technologia była już opracowana i sukcesy pojawiły się zgodnie z planem. W końcu roku 1949 otrzymano pierwiastek 97, a na początku 1950 - 98. Pierwszy z nich otrzymał nazwę berkel (laboratorium w  Berkeley to  miejsce „narodzin” transuranowców (4)), a drugi - kaliforn (od nazwy stanu, w którym leży Berkeley). Pierwiastek 98 zidentyfikowano na podstawie analizy zaledwie około 5000 atomów. Było to wielkie osiągnięcie, ale równocześnie oznaczało, że w najbliższym czasie fizycy nie będą dysponowali wystarczającą ilością materiału do syntezy następnych transuranowców.

4.  Historyczny cyklotron, miejsce produkcji wielu pierwiastków transuranowych
(University of California, Lawrence Radiation Laboratory, Berkeley, sierpień 1939) 

1952. Po teście bomby termojądrowej na atolu Eniwetok zebrano próbki, w których badacze stwierdzili obecność nieznanych jeszcze, bardzo ciężkich izotopów plutonu. Zachęcony wynikami zespół Seaborga przerobił tony stopionej rafy koralowej, czego efektem było wykrycie wszystkich dotychczas otrzymanych transuranowców oraz dwóch kolejnych. Nowe pierwiastki zidentyfikowano na podstawie analizy około 200 atomów, czyli porcji znacznie mniejszej niż w przypadku kalifornu. Pierwiastek 99 otrzymał nazwę einstein (w roku 1955, już po śmierci Alberta Einsteina), a 100 -  ferm (na cześć zmarłego w roku 1954 Enrico Fermiego) (5).

5. „Bombowa” produkcja transuranowców, czyli eksplozja bomby wodorowej
Ivy Mike o mocy 10 Mt (1 listopada 1952, atol Enivetok).
W pozostałościach po wybuchu wykryto m.in. einstein i ferm

1955. Uczeni dysponowali około miliardem atomów einsteinu wytworzonego już w pokojowy sposób. Cały zapas naniesiono na złotą folię, która została ustawiona na drodze cząstek alfa. Trafione jądro wylatywało z tarczy i było zatrzymywane przez kolejną folię. W laboratorium wyodrębniano powstałe atomy produktów reakcji i identyfikowano
je na podstawie aktywności promieniotwórczej. W kilku pierwszych eksperymentach naukowcy otrzymali łącznie 17 atomów pierwiastka 101, który otrzymał nazwę mendelew (na cześć twórcy układu okresowego). W dalszych doświadczeniach zbadano niektóre własności chemiczne mendelewu, dysponując zaledwie setką jego atomów.

Transuranowce

Zarówno neptun, jak i pluton wykryto w rudzie uranowej, gdzie występują w postaci śladowych domieszek. Oba 4. pierwiastki tworzą się, gdy jądro uranu pochłonie neutron (pochodzący z promieniowania kosmicznego lub powstający w wyniku naturalnych przemian promieniotwórczych) i nie ulegnie rozpadowi, lecz przekształci w kolejne pierwiastki. Prawdopodobieństwo takich przemian jest jednak znikomo małe (trafione neutronem jądro uranu zwykle się rozpada), więc i zawartości neptunu i plutonu są tylko śladowe. Próby jądrowe zanieczyściły środowisko również pierwiastkami cięższymi od nich - w rejonach eksplozji stwierdzono obecność kilku następnych transuranowców.

Oprócz plutonu będącego materiałem rozszczepialnym, pozostałe transuranowce używane są w czujnikach dymu, licznikach przepływu, grubościomierzach, ogniwach o długim czasie życia (np. do zasilania sond kosmicznych i rozruszników serca) oraz jako źródła promieniowania. Produkcja plutonu sięga ton rocznie, zasoby wynoszą około kilkunastu ton, a jego właściwości są lepiej zbadane niż wielu lżejszych, znanych od dawna pierwiastków (6). Pozostałe transuranowce otrzymuje się głównie ze zużytego paliwa do reaktorów jądrowych (lżejsze w ilościach kilogramowych). Ostatnim pierwiastkiem, dla którego dostępne są dostrzegalne próbki o miligramowej masie, jest einstein zajmujący 99. miejsce w układzie okresowym.

6. Próbka dwutlenku plutonu (izotop Pu-238) świeci w ciemności
rozgrzana własnym promieniowaniem

Kalendarium - nowa technologia

1958. Ponieważ atomy pierwiastka 101 liczono na sztuki, możliwości dotychczasowej metody syntezy najcięższych pierwiastków ostatecznie wyczerpały się wraz z jego otrzymaniem. Rozwiązaniem problemu było zwiększenie masy pocisków. Dzięki temu zamiast tarczy z praktyczne nieistniejących najcięższych pierwiastków, można użyć pierwiastków lżejszych (dostępnych w dużych ilościach i mających długi czas życia lub nawet trwałych, niepromieniotwórczych), a protony „dokładać” do jądra od razu w większej liczbie. Przystosowano więc akceleratory oraz sposoby wykrywania produktów i wypróbowano nową metodę, najpierw do syntezy już znanych pierwiastków.

Do tej pory transuranowce powstawały w Berkeley. W roku 1957 wszystkich zaskoczył więc komunikat wytworzeniu pierwiastka 102 w Instytucie Nobla w Sztokholmie. Nobel miał powstać w wyniku bombardowania kiuru (nr 96) jądrami węgla (nr 6). Amerykanie nie potwierdzili wyników i wkrótce z nobla zostało - jak żartowano - tylko no. Do gry włączyło się również radzieckie laboratorium Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej. Rywalizujące zespoły próbowały otrzymać pierwiastek 102, stosując różne kombinacje tarczy i pocisków. Ostatecznie przyjęto rok 1958 jako datę powstania nobla (nazwa została zachowana), a miejscem narodzin ponownie stało się laboratorium w Berkeley.

1961. W tym też miejscu został wyprodukowany pierwiastek 103. Otrzymano go, naświetlając tarczę z kalifornu (nr 98) jądrami boru (nr 5). Nowy pierwiastek otrzymał nazwę lorens (po polsku, w innych językach jest to lawrencium) na cześć Ernesta Lawrence’a, konstruktora cyklotronu (7). Synteza ostatniego aktynowca to jednak dopiero początek rozwoju technologii ciężkich jonów.

7. Albert Ghiorso, jeden z liderów grupy Seaborga, wraz z zespołem uzupełniają
układ okresowy pierwiastków o najcięższy aktynowiec (Berkeley, 1961)

Podrodziny

Aktynowce dużo zawdzięczają lantanowcom: dzięki opracowaniu metod rozdzielania i identyfikacji metali ziem rzadkich udało się wydzielić mikroskopijne próbki nowo otrzymanych sztucznych pierwiastków, niektóre z nich w ilości zaledwie kilkunastu atomów. Chemia aktynowców odbiega jednak znacznie od chemii lantanowców, a cały szereg nie jest tak jednorodny, jak w przypadku metali ziem rzadkich. Można w nim wyróżnić trzy podgrupy:

• aktyn, tor, protaktyn i uran dobrze pasują swoimi właściwościami (charakterem tworzonych związków i wartościowością) do grup od 3 do 6.
• neptun, pluton i ameryk to uranowce, pierwiastki o właściwościach podobnych do uranu, nie zaś do lantanowców, pozostałych aktynowców oraz pierwiastków grup 7–9.
• podobieństwo do lantanowców zaznacza się dopiero w drugiej połowie szeregu, od kiuru. Jednak dokładniejsze analizy często utrudnia brak odpowiedniej ilości materiału do badań, a także trudności w  operowaniu silnie radioaktywnymi preparatami.

Aktynowce to  nadal pierwiastki pełne tajemnic, należy mieć jednak nadzieję, że rozwój nauki i techniki je odsłoni, a w konsekwencji pozwoli lepiej zrozumieć otaczający nas świat. 

Krzysztof Orliński