Az ember a világ jelenségeiben már a legrégibb időkben is egységet, hasonlóságot próbált felfedezni. A rendszerezés áhítata vezette az ókori gondolkodókat arra a törekvésre, hogy minden anyagot korlátozott számú elemből (például tűzből, vízből, levegőből és földből) származtassanak. Majd az ember felfedezte, hogy a testek alapvető építőkövei az atomok. Az elektron felfedezésével bebizonyosodott az is, hogy az atomok – nevükkel ellentétben – összetett képződmények. Minden kémiai elem atomjának magja meghatározott számú protont tartalmaz, a neutronok száma azonban változó lehet, így jönnek létre az eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkező izotópok. Míg a kémiai elemek száma viszonylag alacsony, az ismert izotópoké igen nagy, és előreláthatóan a jövőben is növekedni fog.
A XX. század tudománya aztán a változhatatlannak hitt atomokról bebizonyította, hogy nem örök entitások: képződnek, meghatározott körülmények között átalakulhatnak, bomlanak. A radioaktivitásról bebizonyosodott, hogy nem más, mint instabil magok elemi részek kibocsátásától kísért bomlása. A magban levő protonok számának változásával pedig új kémiai elem képződik.
Mesterséges elemátalakítás
Az első mesterséges magreakció Rutherford nevéhez fűződik (1919): nitrogénmag α-részecskékkel való bombázásával oxigénmag és proton képződött. A két pozitív töltéssel rendelkező héliummag (az α-részecske) csak akkor hatolhat be valamely másik magba, ha mozgási energiája elég nagy a két mag közötti elektromos taszítás legyőzésére. S minél nagyobb a bombázott mag töltése (rendszáma a periódusos táblázatban), annál nagyobb mozgási energiája kell hogy legyen az α-részecskének, hogy beléhatoljon. Nagy energiájú részecskék előállítása céljából a harmincas évek elején megépültek az első gyorsítók (Lawrence 1930, van de Graaff 1931). Az első mesterséges elemátalakítás után tizenhárom évvel Rutherford cambridge-i laboratóriumában megvalósították az első elemátalakítást mesterségesen gyorsított protonokkal. A felfedezett magreakció-típusok száma ezután gyorsan növekedett. 1934-ben észlelte Enrico Fermi a neutronok befogását és az ezt követő radioaktív bomlást. A neutronokkal való bombázás a leghatásosabb magátalakítási módszernek ígérkezett. Fermi feltételezte, hogy neutronbombázás hatására az uránnál nehezebb elemek képződhetnek (1934). A kutatók legnagyobb meglepetésére az urán reakciótermékei között Hahnes Strassmann az uránnál nem nehezebb, hanem sokkal könnyebb elemek jelenlétét mutatta ki. A kísérletek alapján Meitner és Frich arra a következtetésre jutott, hogy neutronok hatására az urán magja annyira deformálódik, hogy két, közel egyenlő tömegű magra hasad szét (például báriumra és kriptonra), miközben hatalmas energia szabadul fel. Ezekkel a felfedezésekkel az emberiség történelmében új korszak kezdődött: az atomkor.
A transzurán elemek
Az urán hasadásával egyidejűleg neutronok szabadulnak fel, ezek a soron következő uránmagokban újabb hasadást idéznek elő – így a folyamat láncszerűen folytatódik. A maghasadáskor felszabadult energiát használták fel az első atombombákban. E. Fermi és Szilárd Leó 1942-ben szabadalmazta az első atommáglyát, melyben az uránhasadás láncreakciója ellenőrzötten megy végbe. Az urán hasadásának tanulmányozásával egyidejűleg tovább folytatódott a transzuránok kutatása. E. M. McMillan 1940-ben felfedezte az első uránon túli elemet, s mivel az urán névadója, az Uranus bolygó után a Neptunus következik, az új elemet utólag neptúniumnak (Np) nevezték el. Mérhető mennyiségben az urán bomlástermékeiből állították elő 1944-ben. A következő, 94-es rendszámú elemet Seaborg és munkatársai állították elő 1940-ben a berkeley-i ciklotron segítségével: uránt bombáztak protonokkal, neptúnium képződött, ami radioaktív bomlás (elektronsugárzás) útján a 94-es elemmé alakult. A felfedezett elemet az utolsó bolygóról plutóniumnak (Pt) nevezték el. Mivel ez az elem az uránnál hatásosabb hasadó anyag, az uránreaktor segítségével megindult nagyipari előállítása. A plutónium volt az első mérhető mennyiségben előállított transzurán elem. A transzuránok előállításával párhuzamosan megindult a tisztán kémiai jellegű kutatómunka is. Fel kellett deríteni az új elemek vegyi jellegét, meg kellett valósítani elválasztásukat. Seaborg és munkatársai: A. Ghiorso és mások megállapították, hogy az urán és transzuránok kémiailag egymáshoz közel álló elemcsaládot alkotnak, az aktinidák csoportjába tartoznak, a periódusos rendszer egyetlen kockájába sorolhatók.
(Glenn T. Seaborg, Nobel-díjas fiziko-kémikus neve elválaszthatatlan a transzurán elemek történetétől: az uránnál nehezebb elemek többségét a Seaborg vezette kaliforniai kutatócsoport állította elő. Glenn T. Seaborg professzor, aki az USA Atomenergia Bizottságának elnöke, múlt év szeptemberében hazánkban járt.)
1944-ben már nagy mennyiségű plutónium állt Seaborg és munkatársai rendelkezésére. Ezt bombázva nagy sebességre gyorsított protonokkal, előállították a 95-ös és egy évre rá a 96. elemet. A 95-ös elemet ameríciumnak (Am) nevezték el, a 96-ost pedig a radioaktivitás úttörőiről, a Curie-házaspárról curium-nak (Cm) keresztelték. A további elemek előállítása akkor vált lehetővé, amikor az amerícium és a curium mérhető mennyiségben állt a Seaborg és Ghiorso vezette csoport rendelkezésére. Az amerícium és a curium magokat gyorsított héliummagokkal bombázták (1949, 1950); a két új elem, mely szemmel nem látható mennyiségben képződött (kb. 5000 atom), Berkeley városról és Kalifornia amerikai államról kapta nevét (berkelium, kalifornium).
A transzuránok családja így már hat tagúra gyarapodott. 1951-ben a Nobel-bizottság G. Seaborgnak és McMillannak, a transzuránok első előállítóinak ítélte oda a kémiai Nobel-díjat.
1952-ben a csendes-óceáni korallszigeteken végrehajtott termonukleáris robbanás füstfelhőjében új radioaktív elemet mutattak ki, majd több száz kilogramm korall feldolgozásával sikerült a 99-es és 100-as rendszámú elemet azonosítani. Ezek a nehéz elemek feltételezhetően többszörös neutronbefogással képződnek a 238-as urán izotópból, ha elég nagy a neutronsugárzás erőssége. A két elemet einsteiniumnak (Es) és fermiumnak (Fm) nevezték el. Az einsteiniumot a plutóniumreaktor termékeiből makroszkopikus mennyiségben is sikerült elkülöníteni 1961-ben. Ghiorso és munkatársai 1955-ben einsteinium céltárgyat bombáztak hélium magokkal. A keletkezett új elemet különleges technikával sikerült a céltárgyból kivonni. A periódusos rendszer felállítójáról a mendelevium (Md) nevet kapta.
A nehezebb elemek előállításához egyre nehezebb magokat tartalmazó céltárgy és egyre nehezebb bombázó részecske szükséges. Mivel a nehéz magok igen kevéssé stabilak, mennyiségük a kémiai kimutathatóság határa alatt van, emiatt az új elem azonosítása és tulajdonságainak meghatározása csak különleges technikai megoldásokkal lehetséges. Ezekkel a nehézségekkel magyarázható a 102-nél nagyobb rendszámú elemek előállítását és tulajdonságait bejelentő közlések ellentmondásos volta. A 102-es elem előállításáról egy stockholmi kutatócsoport adott hírt (1957), curiumot bombáztak négyszeresen ionizált szénatomokkal. Az új elemet Nobel nevéről nobeliumnak (Nb) nevezték el. Ghiorso csoportjának nem sikerült megismételnie a szintézist, s az új elemet csak 1958-ban azonosították minden kétséget kizáróan. A 103-as elemet is Ghiorso és munkatársai állították elő 1961-ben, kaliforniumot bombáztak bórionokkal. A periódusos rendszer új tagját a ciklotron felfedezőjéről, Lawrence-ről laurencium-nak (Lr) nevezték el.
A 104-es és 105-ös elem körül még ma is folyik a vita. A 104-es elem előállításáról Flerov dubnai csoportja számolt be 1964-ben; nagy teljesítményű nehézion-gyorsító segítségével plutóniumot bombáztak neonionokkal. A 104-es elem (a kurcsatovium) Kurcsatovról, a szabályozható termonukleáris reakciók kutatójáról kapta nevét. A dubnai csoport jelentette be 1967-ben elsőnek a 105-ös elem előállítását is. Ghiorso és munkatársai curiumot, illetve kaliforniumot bombázva oxigénnel és nitrogénnel jutottak a 104-es és 105-ös elemekhez. A 105-ös elemet a maghasadás felfedezőjéről, O. Hahnról hahniumnak nevezték el (1970).
A transzuránokkal kapcsolatos kísérleti munkával egyidejűleg megindultak az elméleti kutatások is. Tisztázni kellett a magszerkezet és a stabilitás problémáit, a transzuránok helyét a periódusos rendszerben. Megállapították, hogy a transzuránok a 103-as elemig a lantáncsoport analógjai, míg a nehezebbek valószínűleg az átmeneti fémek csoportjába tartoznak.
Lezártnak tekinthető-e a periódusos rendszer?
A magok összetételének tanulmányozása érdekes következtetésekhez vezetett. A „mágikus számú” nukleonokat (2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 164, 184) tartalmazó magok különleges stabilitással rendelkeznek. A „mágikus összetétel” a magok nemesgáz konfigurációinak tekinthető. A fenti tények alapján várható, hogy a 114-es rendszámú és 184 neutront tartalmazó „kettős mágikus magnak” a megelőző elemektől eltérően sokkal állandóbbnak kell lennie, vagyis a 112-114-es tartományban egy „stabilitási sziget”-nek kell léteznie. A fenti feltételezés fennállása esetén a szupernehéz eleméket könnyebben elő lehet majd állítani, esetleg a természetben is előfordulnak. Megindult a hajtóvadászat a stabil szupernehéz elemek után az ólom és platina ásványokban, meteoritekben. Több közlemény jelent meg, mely a szupernehéz elemek nyomait véli kimutatni. Ám a periódusos rendszer óriásainak előállításához az eddigieknél még nagyobb energiákra van szükség. Például uránt uránmaggal vagy uránt kriptonnal bombázva lehet megvalósítani a stabilitási sziget eléréséhez szükséges neutronkoncentrációt. Ehhez viszont a meglevő gyorsítók nem voltak alkalmasak. Megkezdődött a speciális nehéziongyorsítók építése, ezek az 1971-1974-es évek folyamán lépnek működésbe.
Ezekbe a lázas előkészületekbe robbant bele a múlt év februárjában a hír: egy angol kutatócsoport előállította a 112-es rendszámú elemet. Erre a célra a meglevő 24 GEV-os protongyorsítót használták. Ha nehéz magot protonnal bombázunk, a befogott proton kilövelése után a nehéz mag a golyót kilövő fegyverhez hasonlóan visszalökődik. Az így nyert hatalmas mozgási energia legyőzheti a magok közötti taszítást, s a nehéz magok egyesülnek. Az angol kutatók feltételezték, hogy az egy éven át protonnal bombázott wolfram-lemezben végbement a wolframmagok egyesülése. Az így képződött átmeneti mag bomlása a stabilitási sziget valamelyik elemét eredményezheti. A vizsgálatok nagy valószínűséggel arra engedtek következtetni, hogy ténylegesen 112-es elem, vagyis eka-higany képződött, amely a várakozásnak megfelelően sokkal stabilabb az eddig előállított nehéz elemeknél.
A transzuránok gyakorlati jelentősége
A transzuránok előállítására felhasznált részecskegyorsítók megépítésének és működtetésének költségei óriásiak. Jogosan tevődik fel tehát a kérdés: milyen közvetlen vagy közvetett pozitív eredményt szolgáltat az emberi civilizáció számára az uráncsoport elemeinek vizsgálata? Az uráncsoport tanulmányozásának legjelentősebb eredménye, hogy az emberiség új hasadóanyagok, illetve hasadóanyagokat szolgáltató eljárások birtokába jutott. A természetes urán csak 0,7 %-ban tartalmaz hasadóképes 235-ös izotópot, a többi jórészt 238-as, nem hasadó izotóp. Ez azt jelenti, hogy az urán 99,3 %-a felhasználatlan marad. A kutatók erőfeszítése arra irányult, hogy ez az uránmennyiség is felhasználhatóvá váljék a magreaktorban, annál is inkább, mivel a 235-ös izotóp feldúsítása rendkívül költséges eljárás. Különleges típusú, gyors neutronokkal működő reaktorokban felhasználható a teljes uránmennyiség. A gyors neutronok az uránt bétabomlásokon keresztül plutóniummá alakítják át, mely hasadó mag: hasadásával neutronok szabadulnak fel, melyek egy része a további uránt plutóniummá alakítja, más része a plutónium hasadását valósítja meg. Ezt az (egyelőre még kísérleti stádiumban levő) reaktortípust szaporító reaktornak nevezik. A szaporító reaktorok másik típusa a 232-es tóriumizotópot alakítja át hasadó anyaggá.
A szaporító reaktorokkal az elkövetkező ötven évben 1,2 millió tonna urán takarítható meg, ami hárombillió tonna szénnel egyenértékű. Foszilis tüzelőanyagtartalékaink (szén, kőolaj, földgáz) mennyisége annyira korlátozott, hogy a jelenlegi felhasználási ütemet véve alapul ötven-kétszáz év alatt füstté válhatnak. Az emberiség növekvő energiaigénye a közeljövőben csak a magenergia felhasználásával fedezhető. Ebben az összefüggésben – most már világosnak tűnhet – a transzurán elemek nagy jelentőségűek. Ilyen vonatkozásban kell értékelnünk pártunknak az atomipar megteremtésére irányuló gondoskodását is.
A transzuránok képződése a termonukleáris robbanás során fényt derített a nehéz elemek születésének mechanizmusára a csillagok belsejében. A vascsoportnál nehezebb elemek valószínűleg neutronbefogással képződnek. A vas például kaliforniummá alakulhat, ha egy perc leforgása alatt 200 neutron tömörül össze magjában. Az ehhez szükséges neutronsűrűség csak a csillag fejlődésének utolsó szakaszában jön létre. Az első típusú szupernóvák fellángolásának periódusa érdekes módon egybeesik a kalifornium hasadásának felezési idejével. Feltételezik, hogy a fellángolás energiáját a kalifornium maghasadása szolgáltatja.
A plutónium, curium erős alfasugárzó magok, bomlásukkor jelentős hőmennyiség képződik. Ez a hőmennyiség termoelektromos úton közvetlenül elektromos energiává alakítható. Ilyen típusú áramforrásokat használtak a különböző rendeltetésű műholdak és a holdexpedíciók egyes készülékeinek működtetésére.
Az aktinidák magjában az ötmilliárd évvel ezelőtt végbement szupernóva-robbanások energiája koncentrálódott; korunk tudósai új Prométheuszként fölszabadították ezt az égi tüzet, remélhetőleg végérvényesen az emberiség hasznára.
Megjelent A Hét III. évfolyama 2. számában, 1972. január 14-én.