Vânătorii de elemente

Tabelul periodic, inventat în 1869 de Dmitri Mendeleev, veghează diverse piese și instrumente vechi, într-un ungher din Laboratorul Flerov pentru Reacții Nucleare, din Dubna, în Rusia. Fizicienii de acolo adaugă noi elemente în tabel, prin fuzionarea celor vechi. Foto: Max Aguilera-Hellweg

Toate elementele chimice existente în natură – diversele tipuri de atomi – au fost descoperite de mult. În ziua de azi, ca să treci în catastif unul nou și să forțezi limitele materiei, trebuie mai întâi să-l creezi.

Text: Rob Dunn
Foto: Max Aguilera-Hellweg

Anul trecut, pe 22 octombrie, la ora 9:29 a.m., un clopoțel suna în laboratorul lui Iuri Oganessian de la Dubna, la nord de Moscova. Într-un labirint înghesuit, compartimentat de rafturi cu cărți și table de scris, 12 specialiști în fizică nucleară stăteau la birourile lor pline de teancuri de hârtii sau ambalaje de mâncare. În extremitatea cealaltă a sălii, un ciclotron refăcut, dar venerabil, arunca atomi de calciu spre o bucată de folie, cu o viteză de 108 milioane de kilometri pe oră. Clopoțelul anunța că una dintre coliziuni reușise: se născuse un nou atom. În momentul respectiv, era unicul atom de pe Pământ al elementului 117  – și doar al 19-lea care existase vreodată. Ceilalți fuseseră creați tot în acest laborator, însă toți dispăruseră rapid. După o fracțiune de secundă, a dispărut și acesta.

Dubna, o localitate de pe Volga, a fost întemeiată într-o pădure, ca nou oraș al oamenilor de știință, după Al Doilea Război Mondial. Gheorghi Flerov, care contribuise la lansarea programului de înarmare nucleară sovietic, a înființat laboratorul, pe care ulterior l-a preluat Oganessian. La începutul războiului, Flerov remarcase că fluxul de articole despre elementele radioactive scrise de cercetătorii americani și germani se oprise brusc. A bănuit că aceștia lucrau la bomba atomică și i-a scris liderului sovietic, Iosif Stalin, în aprilie 1942. Stalin le-a trasat și fizicienilor ruși sarcina de a fabrica o bombă atomică. Pentru rolul său, Flerov a fost recompensat cu o mașină, o casă de vacanță (dacea) și, cel mai important, Laboratorul de la Dubna. Acolo s-a concentrat asupra vânătorii de noi elemente chimice.

Tot ce știi și iubești pe Pământ, ca și tot ce nu știi, e alcătuit din elemente chimice – diverse tipuri de atomi. Sunt vechi de miliarde de ani, majoritatea, și au fost împrăștiați în spațiu de Big Bang sau de stele care au explodat, iar apoi au fost încorporați în nou-născutul Pământ și reciclați la infinit, trecând din rocă în bacterie, în președinte sau în veveriță. La sfârșitul secolului al XIX-lea, un alt rus, Dmitri Mendeleev, a încercat să-i ordoneze cumva pe toți, grupându-i în funcție de masă și de alte atribute în tabelul lui periodic. Mai târziu, savanții au legat ordinea stabilită de Mendeleev de structura atomilor. Fiecare element a primit un număr: numărul de protoni din nucleu.

Până în 1940, cercetătorii descoperiseră tot ce e durabil și străvechi pe Pământ, până la uraniu, elementul 92. Completaseră toate golurile lăsate de Mendeleev în tabelul lui. Dar nu-și încheiaseră misiunea. Dincolo de uraniu se deschide o lume întreagă de posibilități – elemente prea radioactive și instabile ca să fi supraviețuit miliarde de ani. Pentru a putea explora această lume, mai întâi trebuie să o creezi.

Iuri Oganessian, cu creta în mână, conduce echipa rusească creditată că a creat 11 noi elemente grele. Foto: Max Aguilera-Hellweg

Primii pași ai acestui proces de creație au schimbat mai mult decât tabelul periodic. În 1941, după ce Glenn Seaborg și colegii lui de la Universitatea din California, Berkeley, au produs elementul 94, plutoniul, Seaborg a fost imediat recrutat pentru Proiectul Manhattan. Flerov avea dreptate. După ce a contribuit la realizarea bombei cu plutoniu care a fost lansată la Nagasaki, în Japonia, punând capăt războiului, Seaborg s-a întors la Berkeley. A continuat să creeze noi elemente, cu aplicații mai puțin dramatice – de pildă, pentru detectoarele de fum – sau chiar fără. În 1955, echipa lui deja ajunsese la elementul 101. Seaborg l-a denumit mendeleeviu.

Un timp, se părea că tabelul lui Mendeleev se putea încheia acolo, cu elementul care îi purta numele. Protonii dintr-un nucleu atomic încearcă întotdeauna să îl descompună; sarcinile lor electrice pozitive se resping reciproc. Neutronii – particule neutre din punct de vedere electric, care depășesc protonii ca număr – ajută la păstrarea coeziunii nucleului. Dar această forță de legătură funcționează doar pe distanțe extrem de mici și slăbește vertiginos pe măsură ce crește dimensiunea nucleului. Trebuie, așadar, să existe o căsuță finală a tabelului periodic,  o dimensiune maximă, dincolo de care un atom nu ar mai fi stabil nici măcar o perioadă infimă, ca un fel de efemeridă a chimiei. Cu mendeleeviul, care are un timp de înjumătățire de 51,5 zile, cercetătorii păreau să fi ajuns la capăt.

Totuși echipa de la Berkeley și-a continuat eforturile și totodată rivalitatea cu Laboratorul Flerov pentru Reacții Nucleare, din cadrul Institutului Reunit pentru Cercetări Nucleare, de la Dubna. Între 1965 și 1974, Berkeley susține că a produs elementele 102, 103, 104, 105 și 106 – ca și echipa din Dubna. Toate aceste efemeride au murit în numai câteva ore. Disputa referitoare la cine reușise primul să le creeze a evoluat urât, probabil acutizată și de Războiul Rece. În final, s-a ajuns la un compromis: elementul 105 a fost numit dubnium, iar elementul 106 – seaborgium. Războiul nuclear a fost astfel evitat.

Între timp, teoreticienii găsiseră un nou țel pentru aceste eforturi. Un nucleu foarte mare ar putea fi surprinzător de stabil – au decis ei – dacă ar avea „numere magice“ de protoni și neutroni – exact cât să umple straturile discrete pe care le ocupă aceste particule. Această idee, dacă se dovedea corectă, avea să schimbe totul. Însemna că poate, doar poate, exista o „insulă de stabilitate“ dincolo de orizont, unde elemente teribil de grele, cu 114, 120 sau 126 de protoni reușeau să reziste minute, săptămâni sau chiar mii de ani. Acest vis încețoșat despre o posibilă nouă lume a făcut brusc întreaga căutare mult mai atrăgătoare. Cam atunci a fost momentul când Oganessian a intrat în echipa laboratorului lui Flerov.

Într-o seară din toamna trecută, în Dubna, eu și traducătorul meu am ciocănit la ușa căsuței modeste a lui Oganessian, pe Strada Flerov. Nori grei de zăpadă atârnau deasupra capetelor noastre. În jurul felinarelor de pe stradă țopăiau ciori. Oganessian ne-a dat papuci de casă, apoi ne-a condus în sufrageria lui, unde a turnat ceaiul. După ceai, am băut cafea, apoi vin de casă din Armenia. Am discutat despre muzica folk americană, despre copiii noștri și despre locurile pe unde am călătorit fiecare. După o vreme, am revenit la eforturile lui Oganessian de a găsi acea insulă de stabilitate.

În tinerețea lui, când această insulă i-a cucerit pentru prima dată imaginația, i se părea un vis imposibil. Laboratoarele din Berkeley și Dubna ajunseseră până la elementul 106 proiectând nuclee ușoare asupra unor nuclee grele, cu forțe atât de mari, încât fuzionau într-un singur nucleu supergreu. Dar dincolo de 106, coliziunile produceau atât de multă energie, încât spulberau nucleul înainte ca acesta să apuce să se formeze. În 1974, Oganessian a venit cu ideea că proiectile ceva mai grele și ținte ceva mai ușoare ar putea conduce la o coliziune mai blândă și deci mai eficientă. Un laborator din Darmstadt, Germania, a preluat ideea și de a crea elementele de la 107 la 112. Avea să mai treacă încă un sfert de secol până la ziua cea mare a lui Oganessian.

Laboratorul din Dubna a trăit vremuri grele. Flerov a murit în 1990. Uniunea Sovietică s-a prăbușit în 1991. Laboratorul a funcționat luni de zile fără să-i poată plăti pe cercetători, care trăiau culegând ciuperci din pădure și pescuind în Volga. La momentul respectiv, Oganessian devenise șeful operațiunii. Ar fi putut decide ca laboratorul să se ocupe de chestiuni mai practice. Însă a hotărât ca întreaga lui echipă să se concentreze asupra obținerii elementului 114 – țărmul cel mai apropiat al insulei lui de stabilitate.

În Laboratorul de la Dubna, patru magneți albaștri concentrează ioni de calciu într-o rază subțire, care se deplasează cu o zecime din viteza luminii. Când calciul sparge o țintă care conține un element mult mai greu, cele două tipuri de atomi pot fuziona, formând un nou atom, supergreu. Foto: Max Aguilera-Hellweg

Pentru a crea elementul 114, Oganessian avea să proiecteze atomi de calciu (cu 20 de protoni) asupra unor atomi de plutoniu (cu 94). Ciclotronul lui putea face față acestui proces. Dar avea nevoie de izotopi rari de calciu și plutoniu, care să aibă suficienți neutroni în plus pentru a crea legături cu 114 protoni. Oganessian i-a convins pe fizicienii americani de la Laboratorul Național Lawrence Livermore, din California – care cu numai câțiva ani în urmă erau rivalii lui – să-i dea 20 de miligrame de plutoniu. Planul lui era ca în ciclotron să se proiecteze o rază de atomi de calciu, cu o zecime din viteza luminii, asupra unei folii acoperite cu prețiosul plutoniu. Printre miile de miliarde de atomi pulverizați pe partea cealaltă a foliei – care era mai subțire decât firul de păr – Oganessian se aștepta să obțină cel mult un atom de 114. Împreună, echipa lui și cea de la Livermore au inventat un nou detector pentru a-l găsi.

Au pus în funcțiune ciclotronul în noiembrie 1998. Aparatul trebuia supravegheat zi și noapte. „Dacă era om, ciclotronul ăsta ar fi fost unul foarte bătrân“ – mi-a spus un tehnician al laboratorului. La sfârșitul lui noiembrie, ciclotronul a produs un singur atom al elementului 114. A rezistat doar câteva secunde – dar tot a fost de mii de ori mai mult decât era de așteptat dacă nu ar fi existat o insulă de stabilitate, plus că a demonstrat că metoda calciului funcționa. De atunci, Dubna și alte laboratoare au obținut elementele 115, 116, 117 și 118, precum și izotopi cu un diferit număr de neutroni. Nu s-au apropiat încă prea mult de punctul de vârf al insulei, unde un element ar putea rezista cu anii. Dar au acostat la țărmul ei când Oganessian a obținut pentru prima dată elementul 114, la care visa de decenii.

În primăvara trecută, acesta a fost oficial admis în tabelul periodic, sub numele de fleroviu (elementul 116 a fost denumit livermoriu). Câteva luni mai târziu, pe Strada Flerov, m-am aplecat peste masă și am formulat o întrebare care se impunea: la 80 de ani, nu dorea Oganessian să iasă la pensie și să se bucure de o viață liniștită și animată de recunoștință?

„Am descoperit insula – mi-a răspuns el. Acum e timpul s-o explorăm, să ne plimbăm pe țărmul ei de vest.“ Cineva trebuie să înțeleagă cum se comportă noile elemente – de sine stătător și în reacție cu altele. Cineva trebuie să găsească o metodă prin care să pompeze în fleroviu numărul magic de neutroni, adică 184, ca să ajungă pe vârful insulei. Cineva trebuie să afle dacă mai există și alte vârfuri pentru elementele 120 sau 126. Pentru moment, toate aceste obiective par aproape imposibile. Dar Oganessian nu are încă de gând să se pensioneze.

Acest articol a apărut în ediția din mai 2013 a revistei National Geographic România.



Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*