Pierwiastki transuranowe

Pierwiastki o liczbach atomowych większych od 92 są określane wspólną nazwą pierwiastków transuranowych. Problem istnienia pierwiastków o większych od uranu masach atomowych pojawił się już po stworzeniu przez Mendelejewa układu okresowego. Przez kolejne lata pojawiały się doniesienia o odkryciu takich elementów, które zawsze okazywały się błędne. Wraz z odkryciem promieniotwórczości toru i uranu, pierwiastków o najwyższych masach atomowych w układzie Mendelejewa, przypuszczano, że cięższe od nich pierwiastki jeżeli były obecne w skorupie ziemskiej w dawnych czasach to już w stanie wolnym nie występują. Ten sposób rozumowania nie był oparty o jakąkolwiek konkretną wiedzę, ponieważ nie znano, ani nie potrafiono oszacować, czasów rozpadu pierwiastków mających znaleźć się po prawej stronie uranu w układzie okresowym. Nikt nie był w stanie przewidzieć czy kolejne, cięższe od uranu i toru pierwiastki będą mniej czy bardziej stabilne. Pojawiały się przeróżne teorie na temat pierwiastków transuranowych, a ich poszukiwanie obejmowało nie tylko zasoby ziemskie ale i materiał kosmiczny.

W 1925 roku niemiecki naukowiec Richard Swinne poszukiwał pierwiastków transuranowych w niezwykle osobliwym materiale, pyle kosmicznym zebranym na obszarze lodowców grenlandzkich. Próbki tego materiału zostały wysłane do muzeum w Sztokholmie przez polarnika Otto Gustava Nordenskiölda w latach osiemdziesiątych dziewiętnastego wieku. Niemiecki badacz był przekonany, że pył ten zawiera w sobie pierwiastki o masach atomowych zawartych w przedziale od 106 do 110 jednostek masy atomowej. Jeden z raportów przygotowanych przez niego donosił o zarejestrowaniu rentgenowskich linii spektralnych, które w jego mniemaniu potwierdzały obecność takich pierwiastków. Doniesienie Swinne’a nie zostało potwierdzone przez innych naukowców. Jednak poza poszukiwaniem pierwiastków transuranowych w pyle kosmicznym, niemiecki uczony zajmował się również teoretycznymi rozważaniami trwałości tych pierwiastków. Analizując właściwości pierwiastków promieniotwórczych doszedł do wniosku, że cięższe od uranu atomy powinny charakteryzować się stosunkowo krótkimi okresami półtrwania, ale pierwiastki o liczbach atomowych pomiędzy 98 i 102 jak również 108 do 110 powinny być bardziej trwałe. Natomiast poszukiwać ich należy nie na ziemi, a w kosmosie. Cóż, teorie Swinne’a nie znalazły żadnego potwierdzenia i odeszły w zapomnienie.

Badania nad sztucznym otrzymaniem pierwiastków transuranowych, paradoksalnie, rozpoczęły się jeszcze przed syntezą technetu. Impulsem do tych badań było odkrycie neutronu, cząsteczki nie obdarzonej ładunkiem i przez to oferującej wręcz nieograniczone możliwości penetrowania jąder pierwiastków, i transformacji wszystkich pierwiastków. Laboratoria dysponujące źródłami neutronów rozpoczęły szeroko zakrojone eksperymenty polegające na bombardowaniu neutronami celów wykonanych z różnych metali, między innymi z uranu. Na tym polu szczególne zasługi położył włoski uczony Enrico Fermi, pracujący na uniwersytecie w Rzymie, wraz z grupą młodych entuzjastów nowej nauki. Poddali oni próbkę uranu-238 bombardowaniu neutronami i stwierdzili, że w jego wyniku otrzymali izotop nowego pierwiastka o masie atomowej 239, który posiadając nadmiar neutronów w jądrze powinien ulegać rozpadowi beta tworząc izotop pierwiastka o liczbie atomowej 93. Badania takie prowadzone były już w roku 1934, i pojawiła się niepewność co do wyniku eksperymentu, wynikająca chociażby z niedoskonałości aparatury badawczej koniecznej do scharakteryzowania jego właściwości. Niepewność badaczy nie przeszkodziła prasie zamieszczać doniesienia o otrzymaniu kolejnych pierwiastków transuranowych przez grupę Fermiego. Doniesiono nawet o wręczeniu królowej Włoch probówki z roztworem soli pierwiastka o liczbie atomowej 93.

W każdym razie grupa Fermiego wyekstrahowała z napromienionego uranu kilka frakcji, z których dwie wykazywały szczególne właściwości. Z tych próbek łatwiej wytrącały się osady przy użyciu tlenku manganu(IV) niż z pozostałych. Takie zachowanie wskazywało na to, że znajduje się w nich pierwiastek o właściwościach zbliżonych do manganu. Fermi nazwał go „auzonium”,a ponieważ emitował promieniowanie beta więc powinien ulegać przekształceniu w kolejny o liczbie atomowej 94, który otrzymał nazwę „hesperium”. Badania tej serii przemian kontynuowali niemieccy uczeni Otto Hahn, Lise Meitner i Fryderyk Wilhelm Strassmann, odkrywając kolejne trzy pierwiastki, odpowiednio analogi irydu, platyny i złota. Późniejsze badania dowiodły, że określając właściwości tych pierwiastków uczeni ci popełnili błąd.

Historia badań pierwiastków transuranowych zna wiele przykładów przebłysku geniuszu. Jednym z takich momentów była teoria Idy Noddack, która w 1934 roku wysunęła hipotezę, że jądro uranu pochłaniając neutron nie przekształca się w inny pierwiastek, ale ulega rozpadowi na fragmenty będące jądrami lżejszych, znanych pierwiastków. Początkowo hipoteza Noddack została wyśmiana przez Hahna, lecz później okazało się, że racja była po jej stronie. Inni badacze starali się zbadać co dzieje się z jądrem uranu podczas bombardowania neutronami. Irène Joliot-Curie wraz z serbskim fizykiem Pavle Savićem prowadzili szczegółowe analizy próbek uranu poddanych działaniu neutronów. Podczas badań znaleźli w próbkach ślady pierwiastków chemicznych, których właściwości były zbliżone do aktynu, czyli pierwiastka poprzedzającego uran w układzie okresowym. W niedługim czasie kolejne badania wykazały, że poddany działaniu neutronów uran zawiera pierwiastki o właściwościach zbliżonych do lantanu, pierwiastka o liczbie atomowej 52. I. Joliot-Curie i P. Savić nie zakończyli swoich badań zdecydowaną konkluzją nawiązującą do koncepcji I. Nodack. Zamiast tego sprawdzenia wyników Francuski i Serba podjął się O. Hahn, który nie dowierzając wynikom innych badaczy zdecydował się wykonać własne eksperymenty, poniekąd kwestionując swoją wcześniejszą opinię o hipotezie I. Noddack.

Hahn wraz ze swoim współpracownikiem Strassmannem powtórzyli eksperymenty Joliot-Curie i Savića i potwierdzili wcześniejsze wyniki znajdując w napromienionym uranie izotopy lantanu i baru. Wcześniej żadna fizyczna teoria nie przewidywała takiego zachowania się jąder pierwiastków poddanych działaniu neutronów. 23 grudnia 1938 roku stało się faktem, że bombardowane neutronami jądra uranu ulegają rozpadowi, a Hahn wysłał raport o tym odkryciu. Później wspominał, że już po wysłaniu listu odczuwał przemożną chęć aby jakimś sposobem wyjąć wysłany list ze skrzynki pocztowej. Zaobserwowane zjawisko wydawało mu się nieprawdopodobne. Kilka dni później list dotarł do Lisy Meitner, którą wraz z Otto Robertem Frischem, dla którego pani Meitner była ciotką, rozpoczęli teoretyczne rozważania nad tym procesem. W pewnym stopniu jądra atomowe można rozpatrywać jako krople cieczy i jeżeli do kropli dostarczy się odpowiednią porcję energii ulegnie ona rozerwaniu na mniejsze części. Jeżeli jądro atomowe ulegnie wzbudzeniu, na przykład w wyniku pochłonięcia neutronu, również może ulec rozpadowi na mniejsze fragmenty. W takim modelu, jądro uranu pochłaniając neutron ulega, analogicznie jak kropla cieczy, wydłużeniu, które w pewnym momencie prowadzi do rozpadu na dwa fragmenty. Meitner i Frisch w taki sposób opisali proces zachodzący w uranie i zaproponowali nazwę „rozszczepienie jąder”.

Rozpad jąder uranu jest stowarzyszony z wydzielaniem znacznych ilości energii, jak również strumienia neutronów, które zapoczątkowują reakcje rozpadu kolejnych jąder. Badania procesów rozpadu jąder uranu pozwoliły na wyodrębnienie szeregu powstających izotopów pierwiastków od cynku do gadolinu. Nie wszystkie izotopy uranu ulegają procesom rozszczepienia pod działaniem strumienia neutronów. Dokładne badania mechanizmu rozpadu jąder pozwoliły na odkrycie, że neutrony o mniejszej energii, tak zwane neutrony termiczne, doskonale spełniają swoją rolę w przypadku izotopu uranu-235. Natomiast uran-238 wymaga zastosowania strumienia neutronów o wyższej energii. N. Bohr wysunął hipotezę, że analogiczne reakcje zachodzą w sposób spontaniczny w uranie występującym w naturalnych rudach. Hipotezę Bohra zweryfikowali eksperymentalnie dwaj rosyjscy naukowcy Gieorgij Nikołajewicz Flerow i Konstantin Antonowicz Pietrzak w roku 1940. Spontaniczną reakcję rozpadu jąder uranu zaobserwowali oni wykonując eksperymenty z uranem-238, nocą, na terenie najgłębiej położonej stacji metra w Moskwie, tak aby ograniczyć dopływ neutronów z promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi. Odkrycie sztucznego rozszczepienia jąder uranu, jak również naturalnych procesów jakim ulegają jądra tego pierwiastka, zapoczątkowało nowy rozdział w poszukiwaniu sztucznych pierwiastków chemicznych.