1 listopada 1952 roku zespół amerykańskich naukowców pracujących dla armii amerykańskiej rzucił zmianę na dziwną trzypiętrową strukturę o kryptonimie „Ivy Mike”. Była to pierwsza na świecie bomba wodorowa , nowy rodzaj broni jądrowej, która była 700 razy potężniejsza niż bomby atomowe zrzucone na Japonię.
Test bombowy odbył się na maleńkim atolu o nazwie Eniwetok na Wyspach Marshalla na południowym Pacyfiku. Kiedy Ivy Mike został zdetonowany, uwolnił 10,4 megatony wybuchowej mocy , mniej więcej tyle, ile wynosi 10,4 miliona pałeczek trotylu. Bomba zrzucona na Hiroszimę , dla porównania, wyprodukowany zaledwie 15 kiloton (15000 laski trotylu).
Eksplozja całkowicie odparowała atol Eniwetok i wytworzyła chmurę grzyba o szerokości 4,8 kilometra. Pracownicy w kombinezonach ochronnych zebrali materiał opadowy z sąsiedniej wyspy i wysłali go z powrotem do Berkeley Lab w Kalifornii (obecnie Lawrence Berkeley National Laboratory) do analizy. Tam zespół naukowców z Projektu Manhattan, kierowany przez Alberta Ghiorso, wyizolował zaledwie 200 atomów zupełnie nowego pierwiastka zawierającego 99 protonów i 99 elektronów.
W 1955 roku naukowcy ogłosili swoje odkrycie światu i nazwali je na cześć swojego naukowego bohatera: einsteinium.
Duży i niestabilny
Einsteinium zajmuje numer 99 w układzie okresowym pierwiastków w towarzystwie innych bardzo ciężkich i radioaktywnych pierwiastków, takich jak kaliforn i berkel. Niektóre pierwiastki radioaktywne, zwłaszcza uran, występują w znaczących ilościach w skorupie ziemskiej (przy 2,8 części na milion, pod ziemią jest więcej uranu niż złota ). Ale nawet cięższe pierwiastki, w tym einsteinium, można wytworzyć sztucznie tylko poprzez eksplozję bomby wodorowej lub zderzenie ze sobą cząstek subatomowych w reaktorze.
Co sprawia, że pierwiastek jest radioaktywny? W przypadku einsteinu i jego sąsiadów na dole układu okresowego jest to rozmiar ich atomów, wyjaśnia Joseph Glajch, chemik farmaceutyczny, który intensywnie pracował z innymi pierwiastkami promieniotwórczymi używanymi do obrazowania medycznego.
„Kiedy pierwiastki osiągają określoną wielkość, jądro atomu staje się tak duże, że rozpada się” – mówi Glajch. „Dzieje się tak, że wypluwa neutrony i/lub protony i elektrony i rozpada się do niższego stanu pierwiastkowego”.
Rozpadające się pierwiastki promieniotwórcze odrzucają skupiska cząstek subatomowych, które przybierają postać cząstek alfa, beta, promieni gamma i innego promieniowania. Niektóre rodzaje promieniowania są stosunkowo nieszkodliwe, podczas gdy inne mogą powodować uszkodzenia ludzkich komórek i DNA.
Krótki „okres trwałości”
W miarę rozpadu pierwiastków promieniotwórczych tworzą również różne izotopy o różnej masie atomowej. Masę atomową pierwiastka oblicza się, dodając liczbę neutronów w jądrze do liczby protonów. Na przykład einsteinium zebrane na południowym Pacyfiku w 1952 roku było izotopem zwanym einsteinium-253, który ma 99 protonów i 154 neutrony.
Ale izotopy nie trwają wiecznie. Każdy z nich ma inny „ okres półtrwania ”, który jest szacowanym czasem rozpadu połowy materiału na nowy izotop lub niższy pierwiastek. Einsteinium-253 ma okres półtrwania wynoszący zaledwie 20,5 dnia . Z drugiej strony uran-238, który jest najpowszechniejszym izotopem uranu występującym w przyrodzie, ma okres półtrwania wynoszący 4,46 miliarda lat.
Jedną z trudnych rzeczy związanych z syntezą ciężkich pierwiastków promieniotwórczych, takich jak einsteinium w laboratorium (a przez laboratorium mamy na myśli wysoce wyspecjalizowane reaktory jądrowe) jest to, że duże pierwiastki zaczynają się bardzo szybko rozkładać.
„Gdy tworzysz coraz większe pierwiastki i izotopy, coraz trudniej jest utrzymać je wystarczająco długo, aby je zobaczyć” – mówi Glajch.
Wielki przełom na małą skalę
Właśnie dlatego ostatnio w świecie chemii było tyle podekscytowania, gdy zespołowi naukowców udało się utrzymać próbkę krótko żyjącego einsteinu wystarczająco długo, aby zmierzyć niektóre właściwości chemiczne tego niezwykle rzadkiego pierwiastka.
Naukowcy, kierowani przez Rebeccę Arbergel z Lawrence Berkeley National Laboratory, cierpliwie czekali na maleńką próbkę einsteinium-254 wyprodukowaną przez Oak Ridge National Laboratory w Tennessee. Próbka ważyła 250 nanogramów lub 250 miliardowych grama i miała okres półtrwania 276 dni. Kiedy w 2020 r. wybuchła pandemia COVID-19, badania były odkładane na bok na miesiące, podczas których 7 procent próbki ulegało degradacji co 30 dni.
Przełom Abergela nastąpił wraz ze stworzeniem molekularnego „pazura”, który mógłby utrzymać pojedynczy atom einsteinu-254 wystarczająco długo, aby zmierzyć takie rzeczy, jak długość jego wiązań molekularnych i przy jakiej długości fali emituje światło. Oba te pomiary mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób einsteinium i jego ciężcy kuzyni mogą być potencjalnie wykorzystywane do takich celów, jak leczenie raka.
Teraz to jest fajne
Łącznie z einsteinem, naukowiec nuklearny Albert Ghiorso wspólnie odkrył 12 pierwiastków, które ustanawiają rekord w układzie okresowym pierwiastków, dzięki swojej przełomowej pracy w zakresie analizy promieniowania od lat 50. do 70. XX wieku.
