Múzsák - Múzeumi Magazin 1982 (Budapest, 1982)

1982 / 4. szám

TÚL AZ ÁLLHATATLANOKON

A görögök spekulatív természetmagyarázatától, a négy őselemtől hosszú út vezetett a XIX. század második feléig, amikor már hatvanhárom „igazi” elemet ismert a kémia és a fizika. Sokuk történeti gyökere az emberiség civilizációs hajnaláig nyúlik vissza, de jó néhányat csak a XVII—

XVI11. században ismert fel a kutatás. A XIX. század már kezdetétől érlelte azt az igényt, hogy az ismert elemi anyagokat rendszerbe foglalja. 1869- ben Dmitrij Mengyelejev orosz kémikus találta meg az elemek rendszerbe foglalásának helyes útját. A róla elnevezett periódusos rendszer, apróbb módosításokkal azóta is kémiai és fizikai tájékozódásunk egyik pontja. Mengyelejev az alacsonytól a magas atomsúlyú elemek felé halad-, va, az elemek és vegyületeik fizikai és kémiai tulajdonságaiban mutatkozó ismétlődésre figyelt fel, s ez volt rendszerének alapgondolata. Növekvő atomsúlyuk szerint vízszintes sorokba rendezte az elemeket, és ha egy elemnek egy korábbival rokon viselkedését tapasztalta, megszakította a vízszintes sort, új sor megnyitásával folytatta a fölírást. Az így kialakuló táblázatban a rokon tulajdonságú elemek egymás alá, függőleges oszlopokba kerültek. Mengyelejev nem ismerhette még rendszere atomfizikai magyarázatát, s azt sem, hogy végső soron nem az atomsúly (azaz atomtömeg) szerinti sorbaírás teremti meg a helyes rendszert. Periódusos táblázata nem az atomszerkezet ismerete alapján készült, de az atom szerkezetének megismerésében az egyik kiindulóponttá vált.

Az atomok felépítésében három részecske vesz részt. Az atom központi magját két „nehéz” részecske alkotja, a pozitív elektromos tulajdonságú proton és a vele közel megegyező tömegű, de elektromosan semleges neutron. Közös nevük: nukleon. A nukleonok össztömege adja az úgynevezett atomtömeget: egy nukleon tömegét egy egységnek vesszük. így például a két protonból és két neutronból álló hélium atomtömege négy. A központi mag tömege az atomnak majd egészét, térfogata viszont elenyésző részét képezi. A mag körül, annak méreteihez képest nagy táA Bennett üstökös (Dél-Afrika, 1969)

volságban ugyanannyi elektron mozog, mint ahány proton építi a magot. Az elektronok tömege mintegy kétezred része a nukleonok tömegének, de negatív elektromos töltésük nagysága megegyezik a protonéval.

Az elektronok héjszerkezetbe rendeződnek. Az elemek kémiai tulajdonságát végső soron a magtól legtávolabb elhelyezkedő, úgynevezett legkülső elektronjaik döntik el. Az elektronhéjak telítésére meghatározott számú elektron képes. Az egyik héj betöltése után új héj kiépülése kezdődik meg; ilyenkor nyit új vízszintes sort a periódusos rendszer. A legkisebb atomtömegű elemek magjában a protonok és neutronok száma azonos. A közepes atomtömegű elemeknél a két nukleon száma már eltér a neutronok javára. A kémiai tulajdonságokat a héj elektronjainak (a mag protonjainak) száma határozza meg, ezért az atomtömeg szerinti rendezés a közepesen nehéz elemektől kezdve nem azonos a protonok száma (az úgynevezett rendszám) szerinti rendezéssel. A félreértések tisztázódása után a periódusos rendszer pontos iránytűként szolgált a még fel nem fedezett elemek és vegyületeik tulajdonságainak kikövetkeztetésében is. A periódusos rendszerbe lépő új elemek, valamint az atomfizikai és atommag-fizikai kutatások több olyan kérdést is feltettek, amelyek bizonyos értelemben túlmutatnak a fizika és a kémia keretein. Hány elem rejtőzik még az ismeretlenségben? Milyen nehéz elemekkel fog lezárulni, és lezárul-e egyáltalán az elemek periódusos táblázata? A radioaktív bomlást szenvedő elemek felfedezése rávilágított, hogy a napjainkban is bomló radioaktív elemeknek, meglehet hosszú, de véges idővel ezelőtt keletkezniük kellett. Ez kérdésessé teszi az összes többi elem öröktől létezését is.

A periódusos rendszer egyre nagyobb rendszámú elemei felé haladva, a mag és az elektronburok közötti elektromos vonzóerő egyre nő. Ennek oka egyrészt az, hogy az elektromos erő arányos a kölcsönhatásba lépő töltések mennyiségével, másrészt maga az atom is egyre kompaktabbá válik, így a vonzó töltések közelebb kerülnek egymáshoz. A legrégibb számítások szerint a 180-as rendszám (180 proton a magban) környékén következik be az atomi rendszer katasztrofális összeomlása, vagyis a mag beszippantja a legközelebbi héj elektronjait, és azok a mag protonjait semlegesítve csökkentenék a rendszámot. Az elméleti számítások tehát hozzávetőlegesen kijelölték az elvileg legnagyobb rendszámú elemek határát. De a század első évtizedeinek legnagyobb rendszámú ismert eleme, az „állhatatlanok" egyik képviselője, az urán 92-es rendszámú, tehát 92 proton zsúfolódik össze magjában. Hol vannak hát a 92-es és 180-as rendszám közé eső elemek? És léteznek-e egyáltalán? A

talány megfejtése régóta áll a fizikai kutatás homlokterében. Manapság az egyre újabb elemek felfedezésére akkora anyagi és szellemi erőket fordít a világ, mely az űrkutatás céljaira mozgósított erővel mérhető. (De nem haladja meg a hadi célokra fecsérelteket.) Az új elemek előállítása elsősorban a Becquerel felfedezte (1896) radioaktivitás ismeretében vált lehetővé. Ez a folyamat spontán „állít elő" új elemeket. 1919-ben Rutherford mesterséges úton bontott szét atommagot, és állított elő új elemet. 1935-ben Curie-ék laboratóriumi körülmények között hoztak létre mesterséges izotópokat. 1938-ban Hahn és Strassmann fedezte fel, hogy neutronok — hatalmas energiafelszabadulás közben — képesek kettéhasítani az urán magját. 1939-ben pedig Florov és Petrzsák észlelte az urán magjának spontán hasadását.

Az adott rendszámú (meghatározott protont tartalmazó) elem magjában a neutronok száma változó lehet, így a periódusos rendszer egyazon helyén különböző tömegszámú, úgynevezett izotópokat találunk. Az atom magja a proton-neutron szám adott arányánál a legstabilabb. Ha a neutronok száma ettől eltér, kevésbé stabil izotópok keletkeznek. Ma 105 elemet ismerünk, melyek közel kétezer izotóp formájában léteznek, közülük 279 stabil. Az úgynevezett páros izotópok a legstabilabbak, s közülük is azok, melyekben a protonok és a neutronok száma egyaránt páros. A páratlan protont és páratlan neutront tartalmazó magok könnyen bomló, instabil izotópok. A nem stabil izotópot a felezési idő jellemzi, vagyis az az időtartam, amely alatt a bomló izotóp adott mennyiségének fele marad meg, a másik fele pedig elbomlik. Az uránnál nehezebb atommagok felezési ideje százmillió évnél kisebb. Az ilyen kis felezési idejű izotópoknak tehát régen ki kellett halniuk azóta, hogy a világunkat felépítő elemek kialakultak.

Elméleti számítások is igazolták, hogy az uránon túli, úgynevezett transzurán elemeknél a felezési idő csökkenése csak körülbelül a 106. rendszámig tart. Ennél nagyobb rendszámú magoknál a feHidrogénkitörés a világűrben Ausztrália felett, 1977