Forskere låser op for H-bombeelementet Einsteiniums hemmeligheder

Den 1. november 1952 satte et hold amerikanske videnskabsmænd, der arbejdede for det amerikanske militær, kontakten på en mærkelig tre-etagers struktur med kodenavnet "Ivy Mike". Det var verdens første brintbombe, en ny race af atomvåben, der var 700 gange stærkere end de atombomber, der blev kastet over Japan.

Bombetesten fandt sted på en lillebitte atol ved navn Eniwetok på Marshalløerne i det sydlige Stillehav. Da Ivy Mike blev detoneret, frigav den 10,4 megaton eksplosiv kraft, omtrent hvad der svarer til 10,4 millioner tons TNT. Bomben, der blev kastet over Hiroshima, producerede til sammenligning kun 15 kilotons (15.000 tons TNT).

Eksplosionen fordampede Eniwetok-atollen fuldstændigt og producerede en svampesky på 4,8 kilometer bred. Arbejdere i beskyttelsesdragter samlede nedfaldsmateriale fra en naboø og sendte det tilbage til Berkeley Lab i Californien (nu Lawrence Berkeley National Laboratory) til analyse. Der isolerede et team af Manhattan Project-forskere ledet af Albert Ghiorso kun 200 atomer af et helt nyt grundstof, der indeholdt 99 protoner og 99 elektroner.

I 1955 annoncerede forskerne deres opdagelse til verden og opkaldte den efter deres videnskabelige helt:einsteinium.

1. Stor og ustabil
2. En kort 'Haldetid'
3. Stort gennembrud i lille skala

Stor og ustabil

Einsteinium indtager atom nr. 99 i det periodiske system i selskab med andre meget tunge og radioaktive grundstoffer som californium og berkelium. Nogle radioaktive grundstoffer, især uran, findes i meningsfulde mængder i jordskorpen (ved 2,8 ppm er der mere uran under jorden end guld). Men selv tungere grundstoffer, herunder einsteinium, kan kun skabes kunstigt ved at eksplodere en brintbombe eller ved at smække subatomære partikler sammen i en reaktor.

Hvad gør et grundstof radioaktivt? I tilfælde af einsteinium og dets naboer i bunden af ​​det periodiske system, er det selve størrelsen af ​​deres atomer, forklarer Joseph Glajch, en farmaceutisk kemiker, som har arbejdet meget med andre radioaktive grundstoffer, der bruges til medicinsk billeddannelse.

"Når grundstoffer bliver en vis størrelse, bliver atomkernen så stor, at den går i opløsning," siger Glajch. "Det, der sker, er, at det spytter neutroner og/eller protoner og elektroner ud og henfalder til en lavere elementær tilstand."

Efterhånden som radioaktive grundstoffer henfalder, udstøder de klynger af subatomære partikler, der tager form af alfapartikler, beta-partikler, gammastråler og anden stråling. Nogle typer stråling er relativt harmløse, mens andre kan forårsage skade på menneskelige celler og DNA.

En kort 'Holdbarhed'

Når radioaktive grundstoffer henfalder, danner de også forskellige isotoper, der har forskellige atomvægte. Et grundstofs atomvægt beregnes ved at lægge antallet af neutroner i kernen til antallet af protoner. For eksempel var einsteinium indsamlet i det sydlige Stillehav i 1952 en isotop kaldet einsteinium-253, som har 99 protoner og 154 neutroner.

Men isotoper varer ikke evigt. De har hver sin "halveringstid", som er den anslåede tid for halvdelen af ​​materialet at henfalde til en ny isotop eller et lavere element helt. Einsteinium-253 har en halveringstid på kun 20,5 dage. Uran-238, på den anden side, som er den mest almindelige isotop af uran fundet i naturen, har en halveringstid på 4,46 milliarder år.

En af de svære ting ved at syntetisere tunge radioaktive grundstoffer som einsteinium i laboratoriet (og med laboratoriet mener vi højt specialiserede atomreaktorer) er, at store grundstoffer begynder at henfalde meget hurtigt.

"I takt med at du skaber større og større elementer og isotoper, bliver det sværere og sværere at holde dem længe nok til at se dem," siger Glajch.

Stort gennembrud i lille skala

Det er grunden til, at der for nylig var så stor spænding i kemiverdenen, da et hold videnskabsmænd med succes holdt fast i en prøve af kortlivet einsteinium længe nok til at måle nogle af de kemiske egenskaber af dette ultrasjældne grundstof.

Forskerne, ledet af Rebecca Arbergel fra Lawrence Berkeley National Laboratory, ventede tålmodigt på en lille prøve af einsteinium-254 produceret af Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. Prøven vejede 250 nanogram eller 250 milliardtedele af et gram og havde en halveringstid på 276 dage. Da COVID-19-pandemien ramte i 2020, blev forskningen sat på sidelinjen i flere måneder, hvor 7 procent af prøven blev forringet hver 30. dag.

Abergels gennembrud kom med skabelsen af ​​en molekylær "klo", der kunne holde et enkelt atom af einsteinium-254 på plads længe nok til at måle ting som længden af ​​dets molekylære bindinger og ved hvilken bølgelængde det udsender lys. Begge disse målinger er afgørende for at forstå, hvordan einsteinium og dets tunge fætre potentielt kan bruges til ting som kræftbehandling.

Nu er det fedt

Inklusive einsteinium, var atomforskeren Albert Ghiorso med-opdagede rekordsættende 12 grundstoffer i det periodiske system gennem sit banebrydende arbejde med strålingsanalyse fra 1950'erne til 1970'erne.

Ofte besvarede spørgsmål

Hvorfor blev einsteinium opkaldt efter Albert Einstein?

Einsteinium er opkaldt efter Albert Einstein, fordi det er grundstoffet med det højeste atomnummer, der kan dannes ved hjælp af termonukleare bombeeksplosioner.