Pasiekėme periodinės elementų lentelės kraštą? Kodėl tai gali būti pabaiga, kodėl greitintuvai virsta automobilių stovėjimo aikštelėmis ir kas slypi dar toliau

Štai mes ir pasiekėme periodinės elementų lentelės kraštą. 118 elementas, oganesonas, yra ten, kur moksliniai klausimai persipina su filosofinias. Ar šis elementas iš tiesų egzistuoja gamtoje, ar jį galima sukurti tik laboratorijose sekundės daliai? Negi galima tai vadinti „atradimu“? Kiek dar elementų atsiras elementų lentelėje? Ar verta skirti laiką ir jėgas tam, kad joje atsirastų dar vienas kvadratėlis?

Atsakymą į šiuos klausimus galima rasti Nacionalinėje Lawrence'o laboratorijoje Berkeley'je. Ten ne vieną dešimtmetį veikiantys gigantiški greitintuvai, kuriuose susiduria aukštų energijų dalelės, pagimdė 15 periodinės lentelės elementų. Jie pradėti vadinti supersunkiais, nors taip buvo vadinami elementai tai po 92, tai po 100, tai po 103 numerio (Berkeley'je atrasti elementai nuo 93 iki 106 numerio, išskyrus 104, rezerfordį).

Universitetas paliko ryškią žymę istorijoje. Du supersunkūs elementai – laurencis ir syborgis – pavadinti Berklio branduolinės fizikos titanų Ernesto Lawrence'o ir Glenno Seaborgo garbei. Jie kūrė universitetinius greitintuvus, kuriais paskui tyrė sunkiuosius periodinės sistemos elementus. Ten taip pat buvo atrastas kalifornis ir berklis. Paskutiniuoju Berklyje gautu elementu 1974 metais tapo syborgis.

Dabar supersunkieji elementai atrandami Dubnoje (RF), Darmstadte (VFR) ir Saitama'oje (Japonija). Mokslas pasikeitė ir, atrodo, Berklis netgi nebandė atsigriebti. Naujų elementų atradimas kainuoja milijonus dolerių, tačiau šios išlaidos niekada neatsipirks, nes nauji elementai negali pakankamai ilgai išbūti stabilūs. Finansavimo irgi neverta tikėtis. Kartą Berklio tyrėjai iš atsarginių detalių sukonstravo jonų separatorių, o jo vožtuvą padarė iš pelių spąstų spyruoklės.

Kai kurie universiteto greitintuvai tapo nebenaudojami. Vieno iš jų vietoje padaryta automobilių stovėjimo aikštelė.

Netikri atradimai

Naujų elementų paieškos – aritmetikos ir paslaptingos alchemijos mišinys. Atomo numerį ir jo, kaip elemento identitetą nusako jo branduolyje esančių protonų skaičius. Suliejant skirtingų elementų atomus, susidaro sunkesnis elementas, kurio atominis numeris lygus jį sudarančių lengvesnių atomų protonų sumai. Norint gauti syborgį (106 protonai), reikia sujungti chromą (24 protonai) su švinu (82 protonai) arba deguonį (8 protonai) su kaliforniu (98 protonai). Protonų sumą galėtų paskaičiuoti ir pirmokas. Tačiau jis nežinos, kad norint sujungti du jodo atomus (po 53 protonus) ar kitus, panašaus dydžio atomus, reikės nepasiekiamos galios. Nustatyti, kurios reakcijos galimybės didžiausios, suskaičiuoti, kokiu greičiu atomai turi susidaužti, o paskui paleisti dalelių greitintuvą, kuriuo visai naujas elementas būtų sukurtas, – tai, regis, primena pačios visatos sukūrimą.

Berkeley'je iki šiol stovi JAV DoE priklausantis greitintuvas, atsiradęs ten naujų elementų paieškų epochoje. Ciklotronas su kamera, kurios skersmuo vos didesnis nei du metrai, buvo pastatytas 1961 metais.

Fizikė Jacklyn M. Gates naudoja jį eksperimentams su supersunkiais elementais. Berkeley'je ji nuo 2004 metų, todėl jos nepaveikė skandalas, vykęs praėjusio amžiaus paskutinio dešimtmečio pabaigoje. Bulgarų mokslininkas Victor Ninov dirbęs Darmstadte su 110, 111 ir 112 elemento atradimu, 1996 metais pradėjo dirbti Berkeley'yje. Tuo metu universitetas nupirko sudėtingą jonų separatorių – klajojančių supersunkiųjų atomų aptikimui skirtą aparatą. Atrodė, mokslo proveržis jau ne už kalnų. Ninovas parašė iš ciklotrono gaunamų duomenų analizavimo programą. 1999 metais, bombarduojant šviną kriptonu, programa užfiksavo naują elementą.

Universitetas džiugiai pranešė apie 118 elemento atradimą. Tokius atradimus tikrinanti Tarptautinė teorinės ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) laukė atradimo patvirtinimo iš kitų laboratorijų. Tačiau jų nebuvo. Berkeley'io mokslininkai patys patikrino pradinius eksperimento duomenis ir išsiaiškino, kad jie falsifikuoti. Ninovas machinacijų nepripažino. Jis buvo atleistas.

Vėliau mokslininkai atrado elementus nuo 113 iki 118, tačiau Berkeley'io laboratorija su tuo niekaip nebuvo susijusi. „Pasitraukėme nuo to, – sako Gates. – Tai galėjo nutikti dėl 118 elemento skandalo. Manau, mums tai tapo nebeįdomu“.

Greitintuvu Gates atliekami eksperimentai padeda kuo daugiau sužinoti apie supersunkiuosius elementus. Kitu laiku ciklotroną naudoja stambūs užsakovai, tokie kaip Boeing, Blue Origin ir NASA. Su juo tikrinamas radiacijos poveikis elektronikos lustams prieš montuojant juos palydovuose. Iš šių eksperimentų gaunamų lėšų finansuojamas greitintuvo veikimas. Tad, net jei Berkeley'io mokslininkai užsimanytų grįžti prie naujų elementų atradimo, ilgą laiką naudotis ciklotronu jiems būtų sunku.

Brangu ir beprasmiška

Norint praplėsti periodinę lentelę, reikia ne tik laiko, bet ir pinigų. Mokslininkai turi būti pasirengę tam, kad jų resursai gali būti sunaudoti tuščiai. Britų žurnalistas Kit Chapman knygoje Superheavy: Making and Breaking the Periodic Table papasakojo, kai mokslininkų komanda ciklotronu, kurio dienos darbas kainuoja $50 tūkstančių, bandė patvirtinti 112 elemento atradimą. Po mėnesio eksperimentų jie pastebėjo, kad greitintuvo magnetai buvo nustatyti netinkamai.

Šio amžiaus pirmojo dešimtmečio viduryje fizikas iš Vanderbilto universiteto (JAV, Nashville, Tennessee) Joseph Hamilton kartu su rusų komanda sintezavo 117 elementą ir dažnai važinėdavo į Dubną. Mokslininkams reikėjo berklio. Hamiltonas kreipėsi į Nacionalinę Oak Ridge'o laboratoriją, kurioje gaminami supersunkūs elementai komerciniams ir ir moksliniams tikslams (aktinis – vėžio gydymui, kalifornis – naftos pramonei, plutonis – kosminėms misijoms). Pakankamas eksperimentams berklio kiekis kainavo $3,5 mln. Norėdamas išvengti tokių didelių kaštų, Hamiltonas nusprendė sulaukti, kol Oak Ridge'as gaus stambų kalifornio užsakymą, ir nupirkti berklį kaip pašalinį gamybos produktą. Galutinė kaina buvo $600 tūkstančių. Didžiąją dalį išlaidų padengė subsidija, kuriai paraišką padavė Hamiltonas. Likusius $100 tūkstančių sumokėjo Berkeley'io laboratorija.

Hiromitsu Haba, branduolių chemikas iš RIKEN, tyrimų instituto Japonijoje, papasakojo, kad trijų 112 elemento atomų sukūrimas per 9 metus atsiėjo $3 mln. Pinigai buvo išleisti sąskaitoms už elektrą, medžiagas ir greitintuvą valdžiusių specialistų atlyginimams. RIKEN finansuoja valstybė, tačiau nichonį atradusi Haba komanda išlaidų naštą perėmė, pasiūliusi tiekėjams dalyvauti istorinėje misijoje. Atsakydamos, firmos pasiūlė nuolaidas savo paslaugoms.

Kaip ir kitose laboratorijose, užsiimančiose supersunkiais elementais, greitintuvą teko dalintis su kompanijomis, kurios moka už jį, vykdydamos savo užduotis. Taip per devynis metus nichonio atradimo eksperimentus vykdė tik 200 dienų.

Matthias Schiedel, Darmstadto Sunkiųjų jonų institute branduolių chemiku pradirbęs beveik 40 metų, prisimena, kaip naujų elementų paieškų eksperimentų parengiamoji fazė galėjo trukti ne vienus metus. Reikėjo įkalbėti kolegas pradėti bendradarbiauti, teikti paraiškas finansavimui ir darbui su greitintuvu. Kai jonai pagaliau pradėdavo daužytis į taikinius, mokslininkams prasidėdavo rutina. Jie tikrino rodiklius ir stebėjo greitintuvo veikimą – panašiai įdomu stebėti, kaip džiūva dažai. Ypač nuobodu būdavo per naktines pamainas, kai mokslininkai, stumdami laiką, skaitydavo žurnalus ar knygas, kas valandą patikrindami ciklotrono rodmenis. Schiedelis daug kartų tokiose naktinėse pamainose buvo, tačiau jam taip ir nepavyko sudalyvauti naujo elemento atradime. Atsižvelgiant, kiek tokiems eksperimentams išleidžiama pinigų ir sugaištama laiko, jis kelia tokių užsiėmimų prasmės klausimą.

Lenktynių pabaiga?

Periodinė elementų sistema negali būti be galo plati, o naujus elementus tyrinėti darosi vis sudėtingiau. Mokslininkai lig šiol nežino, kokius elementus reikėtų apjungti, norint gauti cheminį elementą 119. Oganesonas, kurio atominis numeris 118, gautas, susidūrus stabiliam kalcio izotopui ir kaliforniui. Tačiau šio kalcio negalima sudaužti su periodinėje lentelėje po kalifornio esančiu einšteiniu, nes kasmet viso pasaulio branduoliniai reaktoriai pagamina vos miligramą šios medžiagos. Prieš septynis metus Schiedelio komanda bandė apjungti titaną (22 protonai) ir berklį (97 protonai), tačiau be rezultatų. Japonijoje Haba naudojo vanadį (23 protonai) ir kiurį (96 protonai). Šiais metai atidarytame Supersunkiųjų elementų fabrike Dubnoje, mokslininkai sudaužia berklį su titano izotopu. Nepaisant to, Schiedelis 118 elementą vadina „istorijos pabaiga“.

Teoretikai nelinkę su juo sutikti ir sako, kad 119 ir 120 elementai, tikėtina, yra pasiekiami. Elementai, įprastai atrandami grupėmis, aiškina chemikas branduolininkas Paulas Karolas, vadovavęs IUPAC naujų elementų darbo grupei, ir viskas dar priešaky. Bet ar bus atrasta elementų po 120 numerio – atviras klausimas.

Tada ir baigsis ilga periodinės elementų lentelės plėtros kampanija. Sintetiniai elementai kokią nors praktinę prasmę prardo maždaug su 98 elementu. Jų vertingumas buvo tyrimai, kuriais jie atrasti. Subsidijos ras naujus gavėjus, ciklotronai užsiims kuo nors kitu arba taps automobilių aikštelėmis. Pirmą kartą nuo 1896 metų, kai D. Mendelejevas pasiūlė naują elementų išdėstymo būdą, jo periodinėje lentelėje neliks tuščių vietų.

Bloomberg