Vértes, Attila; Nagy, Sándor; Klencsár, Zoltán (Eds.)
Handbook of Nuclear Chemistry, 1–5.
Az ötkötetes magkémiai kézikönyv 2. kötetét Csótó Attila ismerteti
Handbook of Nuclear Chemistry, vol. 2.: Elements and Isotopes Formation, Transformation, Distribution (Szerkesztők: Vértes Attila, Nagy Sándor és Klencsár Zoltán)
Az ötkötetes Magkémiai Kézikönyv második kötete a kémiai elemek és izotópjaik kialakulásával, kozmológiai, geológiai, klimatológiai, környezeti, régészeti stb. megjelentetésével és alkalmazásaival, a természetben elő nem forduló izotópok mesterséges előállításaival és kémiájával foglalkozik. A kötet hasznos segédeszköz lehet az egyes szakterületek kutatóinak, oktatóinak és diákoknak. Számos fejezet még kívülálló érdeklődők számára is élvezetes olvasmány lehet, mivel tudománytörténeti visszatekintéseket és hasznos alkalmazásokat is bemutat, a fizikától és kémiától távol eső területekről is. Az alábbiakban a teljesség igénye nélkül röviden ismertetem a kötetben tárgyalt főbb témákat, kedvcsinálóként néhány érdekes példát kiragadva.
Az első fejezet a kémiai elemek eredetével foglalkozik. A világegyetem anyaga nagy skálán homogén eloszlású, tehát a kémiai elemeket mindenhol ugyanazok a folyamatok hozták, illetve hozzák létre. Az egyes elemek kozmikus gyakorisága az atommagok tömegszámának függvényében érdekes képet mutat. Kiugró csúcsok vannak benne, a vaskörnyéki izotópok jelentős feldúsulást mutatnak, a vason túli tartományban pedig, érdekes kettős csúcsú szerkezetek jelen-nek meg, a tömegszám függvényében egyre csökken az izotóp gyakoriságában. Ennek a természetes izotópeloszlásnak a magyarázata 50 év kitartó erőfeszítéseinek hála mára jórészt ismert. Tudjuk hogy a legkönnyebb elemek (H, He, Li) az ősrobbanást követő néhány percben születtek, a nehezebb elemeket a vasig bezárólag a csillagokbeli hidrosztatikus égés, a magfúzió hozta létre, míg a vason túli elemek neutronbefogással keletkeztek, felerészben csillagokban, felerészben szupernóvákban. Jelenlegi magfizikai, asztrofizikai és csillagászati ismereteink (mint pl. az egyes magreakciók hatáskeresztmetszete, a csillagfejlődés fizikája, a csillagok megfigyelt tömegeloszlása stb.) lehetővé teszik, hogy néhány kivételtől eltekintve az észlelt izotópgyakoriságokat számszerűen pontosan magyarázzuk a hidrogéntől az uránig. A kémiai elem szintezés pontos megértése meglepő eredményekhez és alkalmazásokhoz vezethet. Például belátható, hogy bizonyos típusú szupernóvák a bennük lezajló magfolyamatoknak köszönhetően mindig ugyanolyan abszolút fényességűek, ezáltal felhasználhatók kozmológiai távolságmérésre. Ilyen mérésekből ma úgy látszik, hogy a világegyetem gyorsulva tágul. Vagy említhetnénk a fluor esetét. Ennek leggyakoribb izotópjáról kimutatható, hogy csak szupernóva-robbanásokban keletkezhet, neutronok által kiváltott folyamatokban. A fogkrémbeli fluor tehát egy sok milliárd évvel ezelőtt a közelünkben felrobbant szupernóvából származik. De mehetünk még tovább is. A testünket felépítő atomok nagy része, a csontjainkban lévő kalcium, magnézium és foszfor, a vérünkben lévő vas, mind valaha volt és felrobbant csillagok belsejében született. A kémiai elemek szintézisének megértésében játszott úttörő szerepért Nobel-díjjal kitüntetett Fowlert idézve: mi, emberek, csillaganyag vagyunk.
Két rövid fejezet foglalkozik a radioaktív bomlási sorokkal, illetve a radionuklidokkal. A természetben négy olyan hosszú élethű izotóp van, amelyek radioaktív bomlások sorozatán keresztül jutnak el a stabilitásig. Ebből a Földön három van jelen, a 232Th, 235U és 238U, a negyedik 237Np ha volt is, már elbomlott. Fontos, hogy pontosan megértsük ezeket a folyamatokat, mert a természetes sugárzási háttér nagy része ezektől származik. A radionuklidok témakörében két elemről a technéciumról és a proméciumról olvashatunk. A bizmutnál könnyebb elemek között ez az a kettő, amelynek nincs stabilis izotópja. Felfedezésükhöz meg kellett születnie a ciklotronnak, illetve a hasadási reaktornak. Mindkét elem érdekes alkalmazáshoz jut a technikában, illetve a fizikában. A kiégett atomerőművi fűtőelemekből nyert proméciumot nagy aktivitása és az áthatoló sugárzása hiánya miatt előszeretettel alkalmazzák termoelektromos konverterekben. A technécium pedig óriási szerepet játszott a nukleoszintézis megértésében. 1952-ben technécium vonalakat fedeztek fel egy több milliárd éves csillag spektrumában. Mivel a leghosszabb életidejű Tc izotóp felezési ideje is csak 4 millió év, ezért ez azt jelentette, hogy a csillagokban ma is termelődnie kell ennek az elemnek. Ez döntő bizonyíték volt arra, hogy a kémiai elemek a csillagokban születtek, és születnek ma is.
Egy igen érdekes fejezet foglalkozik az izotópeffektusokkal. Egy adott rendszámhoz tartozó izotópok kémiailag ugyanazok az elemek. Ez azonban nem jelenti azt, hogy tökéletesen ugyanúgy viselkednek. Az eltérő tömeg és tömegeloszlás érdekes következményekhez vezet a spektroszkópiában, reakciókinetikában, biológiában, stb. Ezek az izotópeffektusok tették lehetővé, például a deutérium felfedezését a Nap spektrumában, vagy az 235U dúsítását. Az izotópbeli eltérések módosítják a kémiai reakciókat. Például a víz elektrolízise során a H2O sokkal gyorsabban bomlik, mint a természetesen jelenlévő D2O. Jelenleg is ezt a jelenséget használják fel a nehézvíz ipari méretű előállításához. Érdekes kísérleteket végeztek az esetleges biológiai és fiziológiai hatások felderítésére. Kiderült például, hogy ha algákat nehézvízbe tesznek, azok ott rövid idő alatt elpusztulnak. Fokozatos nehézvíz átmenet esetén viszont hozzászoknak az új környezethez. Érdekes módon a hirtelen nehézvíz átmenet ugyanolyan toxikus mint a fordítottja. A fejlettebb állatok kevésbé képesek elviselni a nehézvizet, 30% fölötti koncentráció már végzetes. Ugyanakkor a túl alacsony koncentráció sem egészséges, mivel ilyen környezet gátolja a sejtosztódást. Úgy tűnik, hogy a szervezetek evolúciójuk során optimálisan alkalmazkodtak a meglévő izotóparányokhoz.
A radioaktivitás jelensége lehetőséget ad arra, hogy különféle anyagok életkorát meghatározzuk. Ez érdekes alkalmazásokat tesz lehetővé a geológiától, a klimatológián át a régészetig. A kötet két fejezete szól a radioaktív kormeghatározásról, illetve a paleoklimatológiai alkalmazásokról. A több mint ezer ismert nuklid nyolcvan százaléka radioaktív, a legkülönfélébb felezési idővel. Ez lehetőséget ad arra, hogy segítségükkel kormeghatározást végezzünk. A jól ismert radiokarbonos kormeghatározás mellett mára olyan módszereket fejlesztettek ki, amelyek számos szerves és szervetlen anyag korának meghatározását teszik lehetővé pár évtizedtől milliárd évekig.
A kötet talán legélvezetesebb fejezete az izotópos paleoklimatológiáról szól, vagyis arról hogyan tudunk múltbeli hőmérsékleteket meghatározni. Urey ismerte fel, hogy az izotóp összetétel függ a hőmérséklettől, ami lehetőséget ad földi hőmérsékletek geológiai időskálán történő meghatározására. Módszerének lényegét egy példán keresztül érthetjük meg. A mészvázas tengeri állatokban a kalcium-karbonát oxigént tartalmaz, ugyanúgy, mint a tenger vize. Egy jól ismert izotópeffektus szerint, a nehezebb izotóp az erősebben kötött vegyületbe (CaCO3) szeret bekötődni. Ez azt jelenti, hogy a tengervízben kis mennyiségben meglévő 18O izotóp kissé feldúsul a tengeri állatok vázában. A melegebb tengervízben valamivel nagyobb az 18O/16O arány, ami jelentősebb mészvázbeli dúsulást okoz, így a tengeri üledékből nyert mészvázak 18O koncentrá-cióját mérve meghatározható, hogy az élőlények milyen hőmérsékletű tengervízben éltek. A módszer tökéletesítésére Urey tengeri állatokat kezdett nevelni állandó hőmérsékletű medencékben, s így sikerült kalibrálnia egy paleohőmérsékleti skálát. Egy ilyen eszköz birtokában olyan kérdésekre kereshetjük a választ, mint például, hogy milyen gyakoriak a jégkorszakok, hova tűnik el ma jelentős mennyiségű szén a szenek körforgásából, vagy mi okozta a földtörténeti korokban többször bekövetkezett kihalásokat.
A kötet négy fejezete, terjedelmében mintegy fele, szól a transzurán elemek fizikájáról és kémiájáról. Ez nem meglepő, mivel napjainkban a szupernehéz elemek kutatása a fizikai és a kémia frontvonalába tartozik. Az első transzurán elemeket a Manhattan-terv keretében kezdték el vizsgálni. Seaborg és munkatársai az urántól indulva, majd a keletkezett elemeket céltárgynak használva neutron-, deuteron- és alfa bombázással lépésről lépésre állították elő a Z=93–98 rendszámú elemeket. A gyakorlati felhasználáson túl (atombomba), az egyik legfontosabb eredményük annak felismerése volt, hogy a Z=89–103 rendszámú elemek a ritkaföldfémekhez hasonlóan egy különálló csoportot alkotnak, az aktinidákat. Az elállított elemeket vizsgálva azt gondolták, hogy a 98-as rendszámú kaliforniumnál nehezebb elemek valószínűleg nem léteznek. Igaz ugyan, hogy két nehéz izotópot (például uránt) összelőve jóval nagyobb közbenső mag is létrehozható, azonban ez a várakozásunk szerint olyan rövid élettartamú lenne, ami nem érdemelné ki a kémiai elem címet. Éppen ezért nagy meglepetést okozott, amikor a legelső termonukleáris robbantás (az Eniwetok korallzátonyon végrehajtott 10 megatonnás Mike hidrogénbomba-kísérlet) törmelékei között Z=99-es 100-as rendszámú elemek nyomait találták (ehhez jó sok korallt kellett feldolgozni). Ez azt jelentette, hogy a magbeli héjeffektusok képesek extra stabilitást adni az ilyen nehéz magoknak, ami megnöveli az élettartamukat. Ha ez igaz, akkor lehetséges, hogy még nagyobb proton- és neutronszámmal, a proton- és neutronhéjak lezáródásánál (az úgynevezett kétszermágikus magokban) még hosszabb élettartamú (akár milliárd éves felezési idejű) szupernehéz elemek is létezhetnek. Az elmúlt ötven évben a magfizika egyik fő célja a szupernehéz elemekhez vezető út felderítése, az egyre nagyobb rendszámú elemek szintézise volt. Az eddigi legnehezebb elem, amit létrehoztak 118-as rendszámú, amiből eddig egy darabot sikerült előállítani. A 110-es rendszámig fekvő új elemeket már részletesen is meg tudták vizsgálni, így ezek már nevet is kaptak. A 111-es neve Roentgenium. A szupernehéz elemek kutatása igazi detektívmunka. Olyan eszközöket kellett hozzá kidolgozni, mint az akár egyetlen atommag észlelése, vagy olyan módszereket kidolgozni amelyekkel a másodperc életidejű atomok kémiai tulajdonságai és reakciói is vizsgálhatók. A kötetbeli rendkívül élvezetes leírásokból megtudhatjuk például, hogy a szupernehéz elemek szintéziséhez miért célszerű erősen eltérő céltárgy, illetve lövedék-atommagot használni (egy ilyen páros alakja közelebb áll a létrehozni kivánt magéhoz, mint a szimmetrikus céltárgy + lövedék esetén), hogy általában miért célravezetőbb az aktinida céltárgy használata helyett az úgynevezett hideg fúzió (ha a céltárgy és a lövedék is sejtstabilizált, akkor a keletkező mag könnyebben le tud gerjesztődni egy-két neutron kibocsájtásával, és elkerülhető a hasadás), vagy hogy a szupernehéz elemek stabilitási szigetének elérésében a fő gondot az okozza, hogy jelenleg nem tudnak kellőképpen neutrontöbbletes izotópokat előállítani. Az eddig szintetizált legnehezebb elemek tulajdonságainak vizsgálata lehetővé tette, hogy a magmodelleket tökéletesítsék. Ezek javaslata alapján ma úgy tűnik, hogy a hosszú élettartamú szupernehéz elemek az N=184 neutronszám és Z=114, vagy 116 protonszám környékén várhatók (ami összesen 300 körüli nukleont jelent). A nagy neutronszám miatt lehet, hogy nem lesz célravezető lépésről lépésre történően elérés. Lehet, hogy egy olyan módszer fog hatásosnak bizonyulni, ahol az elérni kívánt magon túlra célozva abban bízunk, hogy visszafelé bomlással jutunk el a kiszemelt izotóphoz. Ilyenre már van is példa. Egy kísérletben például egy a plutónium és kalcium izotópok reakciójából keletkezett, nagyon rövid életidejű 114-es rendszámú izotóp bomlása elvezetett egy 112-es rendszámú izotóphoz, ami viszont 15 perc felezési idejű. Az ilyen nehéz izotópoknál ez valóságos matuzsálemi kor. Ha sikerülne hosszú élettartamú szupernehéz elemeket előállítani, azzal olyasmit érnénk el, amire valószínűleg a természet sem volt képes. Mai ismereteink szerint a legnehezebb természetben szintetizált elemek szupernóva-robbanásokban születnek. Az ottani óriási neutron fluxus lehetővé teszi, hogy a vas atommagok néhány másodperc alatt akár több száz neutront is befogadjanak. Jelenleg azonban úgy gondoljuk, hogy a legnehezebb izotóp, ami így megszülethet a 270-es tömegszám körül van, a továbblépést a spontán hasadás megállítja. A mesterséges előállítással szemben itt a fő probléma a túlzott neutrontöbblet, például a 270-es tömegszámú izotóp 90 protont és 180 neutront jelent), és valószínűleg csak a 256-os tömegszámnál könnyebb izotópok tudják sorozatos béta-bomlásokkal elérni a stabilitási tartományt anélkül, hogy spontán hasadást szenvednének. Ez nagyon messze van az igazi szupernehéz elemektől. A földi kísérleteknek elvben még a 300-as tömegszámnál sem kell véget érniük. Az újabb neutron és proton-héjlezáródások tartománya 470-480 nukleonszám körül lehet. De az ottani hipernehéz elemek előállítására még alighanem várnunk kell.
****
George B. Kauffman recenziója a The Chemical Educator 10. kötetének 1. számában (2005) jelent meg. Itt is olvasható.
****
Jeroen J. M. de Goeij könyvismertetése a
Structural Chemistry 16. kötetének 3. számában jelenik meg.
Könyvlista