Kosmiczna alchemia

Tomasz Rożek

GN 09/2016 |

publikacja 25.02.2016 00:15

Gwiazdy, planety, a na niektórych z nich życie. To wszystko jest zbudowane z atomów wielu różnych pierwiastków. Jak to się stało, że pewien naukowiec ułożył je wszystkie w Układ Okresowy?

Dmitrij Iwanowicz Mendelejew (1834–1907) canstockphoto Dmitrij Iwanowicz Mendelejew (1834–1907)

Alchemicy od wieków próbowali wyprodukować złoto. Pewnie niektórzy chcieli tego dokonać z chciwości. Byli jednak i tacy, którym nie zależało na pieniądzach, tylko na odkryciu tajemnicy. Dlaczego akurat złoto? Bo to najdoskonalsza – jak sądzono – substancja.

Nie wszystko złoto, co się świeci

Starożytni Grecy uważali, że świat zbudowany jest z czterech żywiołów i mieszając je w odpowiednich proporcjach, można uzyskać każdą substancję. Więcej, że mając jakąś substancję (np. ołów), można ją zamienić w inną (np. złoto), dodając pozostałe żywioły. Jak? Oto jest pytanie. Tymi żywiołami są ogień, woda, powietrze i ziemia. Choć dzisiaj mówimy o żywiołach, wtedy raczej chodziło o stany skupienia. Starożytni mówili więc mniej więcej tak: wszystko, co znamy, w różnych proporcjach posiada cechy czterech stanów skupienia. Stałego (ziemi), gazowego (powietrza), płynnego (wody) i ognia. Prawda, że brzmi to bardziej naukowo? Transmutacja, dzięki której alchemicy chcieli wyprodukować złoto, to nic innego jak próba nadawania jednym materiałom (substancjom) cech innych. Jeżeli złoto się błyszczy, najpewniej ma w sobie coś z ognia – rozumowano. Skoro jest twardsze od np. ołowiu, pewnie ma w sobie więcej cech „ziemi”. Skoro jest od ołowiu lżejsze, to może ma w sobie także nieco powietrza (stanu gazowego). Nie wiedziano, jak cechy poszczególnych żywiołów (stanów skupienia) można przenosić pomiędzy substancjami. Metoda prób i błędów, czyli mieszania wszystkiego ze wszystkim, okazała się oczywiście nieskuteczna. Nieskuteczna w produkcji złota, bo z punktu widzenia rozwoju chemii, czy ogólnie nauk przyrodniczych, bezcenna.

Dzisiaj wiemy, że transmutacja jest możliwa, ale żadne działania alchemików nie mogły do niej doprowadzić. Dla dzisiejszej fizyki zamiana jednych pierwiastków w inne nie jest problemem. Tak, złoto można wyprodukować z ołowiu, ale jest to kosztowne. Dlaczego alchemikom to się nie udawało, a dzisiejszym fizykom owszem? Bo alchemicy nie mieli bladego pojęcia o budowie materii, o jej strukturze. Wszystkie atomy zbudowane są według tego samego wzoru, składają się z tych samych klocków: neutronów, protonów i elektronów. W jądrze każdego pierwiastka (poza wodorem, którego jądro tworzy sam proton, bez neutronu), są protony i neutrony. Poza jądrem, czy wokół jądra, krążą elektrony. Atomy różnych pierwiastków różnią się liczbą tych klocków. Dodanie do jądra atomu ołowiu (znajdują się w nim 82 protony) jednego protonu czyni z niego atom bizmutu. Dodanie protonu do jądra bizmutu stwarza polon (ten odkryty przez Marię Skłodowską-Curie). W jądrze atomu złota jest 79 protonów. Gdy odbierze się 3 protony z jądra atomu ołowiu, otrzymuje się atom złota. Dokładnie ten sam efekt uzyska się, odbierając jeden proton atomowi rtęci. Tak krok po kroku (a właściwie proton po protonie) można z każdego pierwiastka otrzymać każdy inny. Na tę samą sprawę można spojrzeć od innej strony. Jeżeli wodór, najprostszy atom, potraktujemy jako bazę, dokładając po jednym protonie i odpowiednią ilość neutronów, jesteśmy w stanie stworzyć jądro każdego pierwiastka we wszechświecie.

Sklejanie pierwiastków

Odbieranie czy dodawanie protonów brzmi abstrakcyjnie. Jak to się robi w praktyce? Taka „operacja” wymaga akceleratora, urządzenia, które rozpędza cząstki do dużych prędkości. Gdy rozpędzony proton uderza w jądro atomu, zdarza się, że w nim utknie. Gdy w jądro uderza się np. neutronem, zdarza się, że wybije on znajdujący się tam proton poza jądro. Tę sytuację łatwo zrozumieć w czasie gry w bilard. Co do zasady wszystko jest proste i logiczne. W rzeczywistości to proces, który wymaga budowy skomplikowanej infrastruktury naukowej i dużej ilości energii. Dlatego nikt nie produkuje złota z ołowiu w procesie transmutacji. I choć taniej byłoby pewnie wybudować kopalnię złota, niż w ten sposób je produkować, transmutacja ma także swoją praktyczną stronę. Wykorzystuje się ją albo próbuje wykorzystać do recyklingu wypalonego paliwa z reaktorów atomowych. Transmutacja może pomóc w „zamianie” pierwiastków, które są bardzo promieniotwórcze, na takie, które nie są groźne albo promieniują mniej. Transmutacja zdarza się także w przyrodzie. No bo czym innym jest rozpad pierwiastków promieniotwórczych? Coraz cięższe pierwiastki powstają w gwiazdach i w czasie wybuchów supernowych. Powstają ze sklejenia pierwiastków lżejszych. Jedne zamieniają się w inne. Ale część z tak powstałych jąder atomowych jest niestabilna. Rozpada się znowu na lżejsze w procesie rozpadu promieniotwórczego. Najbardziej niesamowity jest w tym wszystkim idealny porządek. Dostrzegł go Dmitrij Iwanowicz Mendelejew, który odkrył, że pierwiastki można uszeregować. Mały Dmitrij fascynował się nauką, a konkretnie chemią, za sprawą swojej mamy. Była ona właścicielką niewielkiej huty szkła. Chłopak często przebywał w warsztatach, w których mistrzowie szklarscy farbowali szkło. Dla Dmitrija była to czynność wręcz magiczna. Na studia pojechał do Petersburga i za wyjątkiem krótkich epizodów pozostał wierny miastu do końca swojej kariery naukowej. Był niezwykle barwną postacią. Palił ogromne ilości papierosów, nosił obszerne ubrania i miał liberalne poglądy polityczne i społeczne. Był ulubieńcem studentów, ale elity nie przepadały za nim. Swoje poglądy referował krótko, dosadnie i nie owijając w bawełnę. Mowa tutaj nie tylko o poglądach politycznych, ale także naukowych. Właśnie dlatego nigdy nie został laureatem Nagrody Nobla (naraził się szwedzkiemu chemikowi Svante Arrheniusowi). Z tego samego powodu zwolnił się ze stanowiska profesora chemii na Uniwersytecie Petersburskim (po awanturze z ministrem oświaty dotyczącej praw studentów). Mendelejew miał bardzo rzadką umiejętność zauważania prawidłowości, na które nikt inny nie zwracał uwagi. W czasach, w których nikt nie mówił o Wielkim Wybuchu czy reakcjach zachodzących w gwiazdach, czyli w czasach, gdy ludzie nie mieli pojęcia o tym, jak powstają pierwiastki, Mendelejewowi udało się je uporządkować. To ogromna sztuka, biorąc pod uwagę fakt, że ani on, ani naukowcy jemu współcześni nie mieli pojęcia o budowie jądra atomowego. Nie wiedzieli o istnieniu protonów i neutronów.

Tylko jeden Mendelejew

To, co zrobił Mendelejew, zasługuje na podziw z jeszcze jednego powodu. Naukowiec znał masy atomowe (masy jądra atomowego) pierwiastków i zauważył, że pierwiastki można ułożyć w pewnej kolejności. Tyle tylko, że za jego czasów nie wszystkie pierwiastki były znane. Tablica, którą zaproponował, miała dziury. I pewnie wielu uznałoby te dziury za dowód na to, że porządkowanie pierwiastków „po kolei” jest nietrafionym pomysłem. Mendelejew patrzył na to inaczej. Dla niego wspomniane dziury nie były dowodem jego błędu, tylko argumentem za tym, że nasza wiedza jest niepełna, że nie poznaliśmy jeszcze pełnego obrazu (czyli nie odkryliśmy jeszcze wszystkich pierwiastków). Mendelejew był przekonany, że świat jest uporządkowany, że jest w nim regularność i porządek. Nie tylko teoretycznie przewidział istnienie niektórych pierwiastków (chociażby galu czy skandu), ale przewidział także ich właściwości. Co więcej, tak uszeregował pierwiastki, że zostawił możliwość dopisywania pierwiastków sztucznych czy wręcz „nowych generacji” pierwiastków. Skąd mógł to wiedzieć, skoro za jego czasów nie wiedziano nawet, jak zbudowany jest atom, nie mówiąc o tym, że nie miano pojęcia o akceleratorach (czyli urządzeniach do rozpędzania cząstek), o promieniotwórczości czy o reakcji fuzji jądrowej (w wyniku której lekkie pierwiastki sklejają się w cięższe)? Dzisiaj jedyną sensowną odpowiedzią jest ta, że Mendelejew był geniuszem. Po prostu. I może w tym miejscu warto zacytować pewną anegdotę, która dotyczyła uczonego. Przez pewien czas ten sławny chemik był bigamistą. Ożenił się z kobietą, mimo że nie miał jeszcze rozwodu z poprzednią żoną. Co więcej, zgodnie z carskim prawem, po rozwodzie kolejny ślub był możliwy dopiero po 7 latach. O sprawie było głośno i dość szybko znaleźli się naśladowcy. Gdy jeden zwrócił się do cara z prośbą o skrócenie 7-letniego okresu oczekiwania, powołując się na przypadek Mendelejewa, car odmówił, uzasadniając: To prawda, że Mendelejew miał dwie żony, ale przecież my mamy tylko jednego Mendelejewa!