Οι σύγχρονοι αλχημιστές

Tα παιδιά της Πανισπέρνα στο προαύλιο του Ινστιτούτου Φυσικής στη Ρώμη το 1934. Aπό αριστερά προς τα δεξιά: D’Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti και Enrico Fermi

Τα παιδιά της οδού Πανισπέρνα
Τέσσερα ακόμη ονόματα ήρθαν πρόσφατα να προστεθούν στον περιοδικό πίνακα και η κούρσα για την αναζήτηση νέων στοιχείων συνεχίζεται. Ο μακρύς και επιτυχημένος αυτός αγώνας ξεκίνησε τον περασμένο αιώνα από μια ομάδα ιταλών επιστημόνων

Βάρβογλης Χάρης – tovima.gr
Στις 28 Νοεμβρίου 2016 η Διεθνής Ενωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) ανακοίνωσε τα ονόματα τεσσάρων νέων χημικών στοιχείων, που είναι τα νιχόνιο (Nihonium), μοσκόβιο (Moscovium), τενέσιο (Tennessine) και ογκανέσον (Oganesson).


Οι πιο πολλοί θα θυμούνται ίσως από το σχολείο ότι στη φύση υπάρχουν μόνο 92 χημικά στοιχεία, με πρώτο το υδρογόνο (που έχει ένα μόνο πρωτόνιο και ατομικό αριθμό Ζ = 1) και τελευταίο το ουράνιο (που έχει 92 πρωτόνια και ατομικό αριθμό Ζ = 92). Τα υπόλοιπα 26 στοιχεία, με τελευταία αυτά με ατομικούς αριθμούς Ζ = 113, 115, 117 και 118 που ονοματοδοτήθηκαν πρόσφατα, δημιουργήθηκαν από τον άνθρωπο με δύσκολη, επίπονη και εφευρετική δουλειά. Τα τέσσερα αυτά στοιχεία είναι εξαιρετικά ασταθή, όλα τους με χαρακτηριστική διάρκεια ζωής μικρότερη από 20 δευτερόλεπτα, οπότε δεν έχουν κάποιο πρακτικό ενδιαφέρον, πέραν του επιστημονικού. Μας δίνουν όμως την ευκαιρία να δούμε πώς άρχισε η προσπάθεια δημιουργίας υπερουράνιων στοιχείων.

Μια ομάδα υπό τον Φέρμι
Πριν από 90 χρόνια ο Ενρίκο Φέρμι, ένας νεαρός τότε ιταλός φυσικός, σε ηλικία μόλις 25 ετών, έκανε αίτηση για τη θέση του καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ρώμης Λα Σαπιέντσα (La Sapienza). Μετά την εκλογή του, και με την υποστήριξη του γερουσιαστή Κορμπίνο, ο Φέρμι οργάνωσε μια ερευνητική ομάδα από άλλους έξι νέους επιστήμονες, η οποία στεγάστηκε σε ένα οίκημα της οδού Πανισπέρνα της Ρώμης, από όπου η ομάδα πήρε και το «ανεπίσημο» όνομά της: τα παιδιά της οδού Πανισπέρνα. Οι νέοι αυτοί επιστήμονες ήταν οι Φράνκο Ραζέτι, Εντοάρντο Αμάλντι, Εμίλιο Σεγκρέ, Μπρούνο Ποντεκόρβο, Ετορε Μαγιοράνα και Οσκαρ ντ’ Αγκοστίνο, όλοι τους φυσικοί εκτός από τον Ντ’ Αγκοστίνο που ήταν χημικός. Μία από τις βασικότερες επιτυχίες της ομάδας θεωρήθηκε ότι ήταν «η απόδειξη της ύπαρξης νέων ραδιενεργών στοιχείων». Με αυτά ακριβώς τα λόγια η επιτροπή των βραβείων Νομπέλ αιτιολόγησε την απονομή του Νομπέλ Φυσικής του 1938 στον Φέρμι.

Από το 1911, οπότε διαπιστώθηκε από τον Ράδερφορντ ότι τα άτομα αποτελούνται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιβάλλεται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, γεννήθηκε στους επιστήμονες η ιδέα της μετατροπής ενός χημικού στοιχείου σε ένα άλλο, με την «εμφύτευση» πρωτονίων στον πυρήνα του αρχικού στοιχείου. Αυτή η διεργασία ονομάζεται μεταστοιχείωση (δηλαδή μετατροπή ενός χημικού στοιχείου σε ένα άλλο), και ήταν το όνειρο των αλχημιστών του Μεσαίωνα, που προσπαθούσαν να μετατρέψουν τον μόλυβδο σε χρυσάφι.

Η μεταστοιχείωση, με τον τρόπο που περιγράψαμε, δεν είναι εύκολη δουλειά, επειδή ο πυρήνας και το πρωτόνιο έχουν θετικά φορτία, οπότε απωθούνται από τις ηλεκτρικές δυνάμεις, που είναι μάλιστα τόσο ισχυρότερες όσο περισσότερα πρωτόνια έχει ο αρχικός πυρήνας. Θα πρέπει λοιπόν το πρωτόνιο-βλήμα να επιταχυνθεί σε μεγάλη ταχύτητα, ώστε να πλησιάσει τον πυρήνα αρκετά, υπερνικώντας την ηλεκτρική απωστική δύναμη, για να «συλληφθεί» από αυτόν και να δημιουργηθεί ένα άλλο στοιχείο.

Οι σύγχρονοι αλχημιστές
Το 1932, χρησιμοποιώντας τον πρώτο λειτουργικό επιταχυντή πρωτονίων, οι Κόκροφτ και Γουόλτον βομβάρδισαν έναν στόχο από λίθιο (Z = 3) αλλά αντί να πάρουν βηρύλλιο (Z = 4) πήραν δύο πυρήνες ηλίου (Ζ = 2). Η πρώτη προσπάθεια δεν ήταν πετυχημένη. Ούτως ή άλλως όμως τότε δεν υπήρχε επιταχυντής ικανός να επιταχύνει πρωτόνια τόσο ώστε να τα «εμφυτεύσει» σε πυρήνες ουρανίου, για να δημιουργήσουμε στοιχεία πέρα από τα 92 γνωστά.

Οπως συχνά συμβαίνει στην επιστήμη, αλλά και στην καθημερινή ζωή, μεγάλο ρόλο στην ανάδειξη νέων ιδεών παίζει και η χρονική σύμπτωση των γεγονότων. Την ίδια χρονιά με το πείραμα των Κόκροφτ και Γουόλτον, ανακαλύφθηκε το νετρόνιο από τον Τσάντγουικ και έτσι έγινε κατανοητό ότι ο πυρήνας των ατόμων αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Την επόμενη χρονιά ο Φέρμι διατύπωσε τη θεωρία της ραδιενέργειας-β, σύμφωνα με την οποία οι ακτίνες-β, που είναι ηλεκτρόνια, εμφανίζονται όταν ένα νετρόνιο στον πυρήνα κάποιου ατόμου μετατρέπεται σε πρωτόνιο εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο.

Αυτό όμως είναι ακριβώς μια μεταστοιχείωση, αλλά χωρίς βομβαρδισμό με πρωτόνια! Επειδή τα νετρόνια είναι ουδέτερα, είναι πολύ εύκολο να απορροφηθούν από έναν πυρήνα, σε αντίθεση με τα πρωτόνια που χρειάζονται προηγουμένως επιτάχυνση. Μετά τη σύλληψη του νετρονίου είναι πιθανό (αλλά όχι βέβαιο) ο πυρήνας αυτός να υποστεί διάσπαση-β, να εκπέμψει δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο και να αυξηθεί ο ατομικός αριθμός του κατά ένα. Ετσι τα παιδιά της οδού Πανισπέρνα βομβάρδισαν με νετρόνια το ουράνιο (Ζ = 92) και διαπίστωσαν ότι ο στόχος απέκτησε ραδιενεργές ιδιότητες. Είχαν άραγε παρασκευάσει ένα νέο χημικό στοιχείο με Ζ = 93;

Επειδή κανένας δεν γνώριζε τις χημικές ιδιότητες ενός τέτοιου στοιχείου, ο Ντ’ Αγκοστίνο, ο χημικός της ομάδας, προσπάθησε να αποκλείσει όσο πιο πολλά στοιχεία μπορούσε, ξεκινώντας από το στοιχείο με Ζ = 91 (πρωτακτίνιο) και προχωρώντας προς τα πίσω σε ολοένα και μικρότερο ατομικό αριθμό. Αφού απέκλεισε καμιά δεκαριά στοιχεία, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι, πράγματι, είχαν παρασκευάσει το χημικό στοιχείο με Ζ = 93 και λίγο αργότερα το χημικό στοιχείο με Ζ = 94, τα οποία και ονόμασαν αουζόνιο και εσπέριο, από δύο διαφορετικά ονόματα της Ιταλίας. Η ομάδα ανακοίνωσε το επίτευγμά της και ο Φέρμι πήρε το βραβείο Νομπέλ Φυσικής του 1938.

Η μεγάλη γκάφα
Δυστυχώς επρόκειτο για μια μεγάλη γκάφα. Αν ο Ντ’ Αγκοστίνο είχε συνεχίσει τους ελέγχους και σε χημικά στοιχεία με ακόμη μικρότερο ατομικό αριθμό, θα είχε διαπιστώσει ότι τα δύο «νέα» στοιχεία δεν ήταν καθόλου νέα, ήταν το βάριο (Ζ = 56) και το κρυπτόν (Ζ = 36). Ο πυρήνας του ουρανίου είχε διασπαστεί σε δύο μικρότερους, αφού 56+36=92! Δηλαδή τα παιδιά της οδού Πανισπέρνα είχαν πετύχει τη διάσπαση του ατόμου, αλλά δεν το είχαν αντιληφθεί! Τη δόξα αυτής της σημαντικότατης ανακάλυψης την πήραν το 1938 οι Οτο Χαν και Φριτς Στράσμαν.

Ετσι το 1938 σηματοδότησε τρία σημαντικά γεγονότα Φυσικής: τη βράβευση μιας λανθασμένης επιστημονικής ανακοίνωσης, την ανακάλυψη του πραγματικού φαινομένου αλλά και τη διάλυση της ομάδας των παιδιών της οδού Πανισπέρνα. Ο Ετορε Μαγιοράνα, ο θεωρητικός της ομάδας, εξαφανίστηκε από το πλοίο που τον μετέφερε από το Παλέρμο στη Νάπολι. Εικάζεται ότι αυτοκτόνησε. Ο Εμίλιο Σεγκρέ και ο εξάδελφός του Μπρούνο Ποντεκόρβο, που ήταν Εβραίοι, διέφυγαν στις ΗΠΑ για να γλιτώσουν από τις διώξεις του φασιστικού καθεστώτος της Ιταλίας. Ο Σεγκρέ εργάστηκε ερευνητικά στη νέα πατρίδα του και βραβεύθηκε με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής του 1959 για την ανακάλυψη του αντιπρωτονίου.

Ο ίδιος ο Φέρμι, που ήταν παντρεμένος με Εβραία, πήγε στη Στοκχόλμη τον Δεκέμβριο του 1938 για να παραλάβει το βραβείο Νομπέλ και στη συνέχεια έφυγε κατευθείαν για τις ΗΠΑ. Εκεί εργάστηκε για την κατασκευή του πρώτου ατομικού αντιδραστήρα και της πρώτης ατομικής βόμβας. Πέθανε στη σχετικά νεαρή ηλικία των 53 χρόνων από καρκίνο του στομάχου, αποτέλεσμα πιθανόν της εργασίας του με ραδιενεργές ουσίες, χωρίς να μπορέσει ποτέ να ξεπεράσει το γεγονός της αποτυχίας του να αναγνωρίσει την πυρηνική σχάση, που πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά «κάτω από τη μύτη του» στα εργαστήρια της οδού Πανισπέρνα. Το χημικό στοιχείο με Ζ = 93 δημιουργήθηκε για πρώτη φορά το 1940 στο Μπέρκλεϊ από τους Μακ Μίλαν και Αμπελσον, και ονομάστηκε ποσειδώνιο (neptunium).
Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.

https://physicsgg.me/2016/12/19/%ce%bf%ce%b9-%cf%83%cf%8d%ce%b3%cf%87%cf%81%ce%bf%ce%bd%ce%bf%ce%b9-%ce%b1%ce%bb%cf%87%ce%b7%ce%bc%ce%b9%cf%83%cf%84%ce%ad%cf%82/