Transmutacja – marzenie alchemików i rzeczywistość fizyków

Czas czytania w minutach: 6

Podejrzewam, że niewielu z Was zapoznawało się z klasycznymi dziełami alchemików. Jeśli jednak Was spytam o to, co było celem alchemii, to prawdopodobnie większość będzie kojarzyła kamień filozoficzny i przemianę pospolitych metali w złoto. Czyli, innymi słowy, transmutacja. A czy wiecie, że dziś transmutacja jest nie tylko możliwa, ale wręcz regularnie przeprowadzana? Ale jak to działa i do czego służy? Pozwól, że wyjaśnię!

Jak działa materia

Żeby zrozumieć, na czym polega transmutacja, najpierw musimy sobie przypomnieć, jak zbudowana jest materia. Możecie w tym celu sięgnąć głęboko do archiwum i zajrzeć do jednego z pierwszych wpisów na naszym blogu. Albo przeczytać dalej wersję skróconą – wybór należy, jak zawsze, do Was!

Atomy składają się z jądra i ujemnie naładowanych elektronów. W jądrze zaś znajdziemy obojętne neutrony oraz dodatnie protony. I to liczba protonów decyduje o tym, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. I tak liczba atomowa – czyli liczba protonów – dla ołowiu wynosi 82, a dla złota – 79. Czyli w każdym jądrze ołowiu jest o trzy protony więcej, niż w jądrze złota. A ponieważ atom jako całość jest elektrycznie obojętny, to elektronów jest tyle samo, co protonów – czyli w atomie złota również o trzy mniej niż w atomie ołowiu. I właśnie z tego wynika cała różnica pomiędzy złotem a ołowiem: różnica właściwości, reaktywności, a nawet wyglądu.

Jak dostać złoto

Samo złoto jako takie jest bardzo interesującym pierwiastkiem i na pewno kiedyś napiszemy o nim szerzej – na razie dość powiedzieć, że jego charakterystyczny kolor wynika z efektów relatywistycznych. Ale najistotniejsze jest to, że alchemicy nie znali struktury atomu – ba, nie wiedzieli nawet o tym, że atomy istnieją¹. Tym bardziej więc nie mieli żadnej możliwości wpłynąć na jego jądro. To wszystko, co oni robili, nazwalibyśmy dziś próbami przeprowadzania reakcji chemicznych. A te reakcje oznaczają budowanie lub zrywanie połączeń pomiędzy atomami, co wiąże się z wpływaniem na elektrony krążące wokół jądra. Ale samo jądro – ono w przemianach chemicznych nie ulega żadnej zmianie. Do tego niezbędna jest fizyka.

Zanim jednak do niej przejdziemy warto zauważyć, to nie jest tak, że wszyscy alchemicy byli oszustami wykorzystującymi ludzką naiwność i niewiedzę. Przede wszystkim, oni sami nie wiedzieli, bo i nie mogli wiedzieć, że ich eksperymenty skazane są na niepowodzenie. A wielu z nich pracowało długo i wytrwale, zaś ze swoich badań wyciągali wnioski na miarę stanu wiedzy ówczesnego świata. Dokonali też szeregu ważnych odkryć – tym bardziej imponujących, że wiemy, jak ograniczone środki mieli do dyspozycji. Ale transmutacja pozostawało poza ich zasięgiem. Choć niektórzy nieuczciwi alchemicy chcieli pokazać, że jednak są w stanie ją ujarzmić i efektownie “przemieniali” ołów w złoto. Najczęściej oznaczało to wykorzystanie tygla z podwójnym dnem albo wydrążonej różdżki wypełnionej opiłkami złota. Takie otwory były następnie maskowane woskiem, który roztapiał się w podwyższonej temperaturze. Wtedy zaś złoto wypadało i można było na własne oczy zobaczyć, że eksperyment przynosi obiecujące efekty, jeszcze tylko kilka miesięcy utrzymywania laboratorium przez króla i na pewno się uda, tak, na pewno…

Jak przeprowadzić prawdziwą transmutację?

Ale wróćmy do naszej prawdziwej transmutacji. Tak jak wspomniałem, nie da się jej osiągnąć metodami chemicznymi – musimy sięgnąć po fizykę. A konkretniej fizykę jądrową, bo to jądro decyduje o tym, jakiego pierwiastka przedstawicielem jest dany atom. Transmutacja oznacza konieczność zmiany liczby protonów w jądrze atomu. Czyli dokładnie te procesy, które zachodzą podczas rozpadów promieniotwórczych – alfa i beta. Pamiętajcie, że promieniotwórczość jest zjawiskiem naturalnym. Oznacza to, że choć alchemicy tego nie wiedzieli, to wokół nich dochodziło do naturalnej transmutacji, tylko na skalę zbyt małą, żeby ktoś był w stanie to wykryć.

Pierwszymi, którzy zaobserwowali tę naturalną transmutację, byli Ernest Rutherford i Frederick Soddy. Badając promieniotwórczość, która była wtedy świeżą i bardzo “modną” dziedziną fizyki, zorientowali się, że tor ulegał powolnej przemianie w rad². Tor-232 emituje cząstkę alfa, która składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Oznacza to, że pozostałość po rozpadzie ma o dwa protony mniej, niż miał tor – i dlatego właśnie nie jest już torem, tylko radem.

Transmutacja – szybsze metody

Gdybyśmy jednak mieli polegać wyłącznie na naturalnej transmutacji, to daleko byśmy nie zajechali. Dla toru-232 czas połowicznego rozpadu to około 14 miliardów lat! Zdecydowanie jeśli chcemy uzyskać złoto – czy w ogóle cokolwiek innego – w czasie naszego życia, musimy mieć metodę pozwalającą działać nieco szybciej. I takie metody są – potrafimy sztucznie wymusić przemiany jądrowe. Nie osiąga się tego jednak ani prażąc ołów w retorcie, ani składając w ofierze czarną kurę przy pełni Ksieżyca, tylko bombardując jądra danego pierwiastka odpowiednimi cząstkami.

Standardowym przykładem są tu neutrony. To właśnie one sprawiają, że elementy zużytego reaktora jądrowego przez jakiś czas same są promieniotwórcze. W czasie pracy reaktora rozpady paliwa generują intensywne promieniowanie neutronowe, które z kolei dokonuje transmutacji tego, na co padnie. Na przykład elementów konstrukcji samego reaktora. A izotopy, które są produkowane w wyniku takiej wymuszonej transmutacji, często same są promieniotwórcze.

Transmutacja – zastosowania

I to właśnie jest powód, dla którego chcemy takie operacje wykonywać. Bo uzyskiwane w ich toku materiały często są promieniotwórcze. Ba, często są nawet rozszczepialne. Niedawno zaczęliśmy cykl artykułów o katastrofie w Czarnobylu. Jednym z czynników, które wprawdzie nie były bezpośrednim powodem samej katastrofy, ale przyczyniły się do pogorszenia jej skutków, był brak obudowy ochronnej wokół reaktora. Ten zaś spowodowany był między innymi jego rodowodem – jako reaktora mającego dostarczać pluton do radzieckich bomb jądrowych. Idea była dokładnie taka sama, jak w czasie projektu Manhattan. Mianowicie: bombardowanie uranu U-238³ neutronami powoduje powstanie izotopu U-239, który następnie spontanicznie przemienia się w pluton 239. I to właśnie on był paliwem w pierwszej oraz trzeciej bombie jądrowej w historii⁴.

Ale wykorzystujemy je również pokojowo, nawet bardzo pokojowo. Na przykład do celów medycznych. Planujemy cały artykuł o medycynie nuklearnej, ale teraz warto wspomnieć choćby o tym, że w Polsce produkuje się radioaktywny jod-131 poprzez naświetlanie telluru wiązką neutronów. Podobnie fluor-18, wykorzystywany w tomografii PET, powstaje, gdy naświetlimy tlen-18 wiązką protonów. Pokojowych zastosowań jest więcej: czy to pluton w radiotermalnych generatorach prądu, czy kobalt wykorzystywany w prześwietlaniu metali w poszukiwaniu niewidocznych z zewnątrz usterek… Zastosowań jest wiele.

Czemu nie złoto?

Warto również wiedzieć, że transmutacja, kiedyś przez naukę odrzucona, wróciła do łask i dziś⁵ pozwala nam na uzyskiwanie nowych, nie istniejących w naturze pierwiastków. Faktem jest, że uzyskujemy je z niewielką wydajnością – zdarza się, że badacze dają radę uzyskać tylko kilka jąder nowego pierwiastka, które z resztą błyskawicznie ulegają rozpadowi – ale innej drogi nie ma.

I ta niska wydajność właśnie jest jednym z głównych powodów, dla których nikt nie produkuje złota poprzez transmutację na skalę komercyjną. Produkuje się to, czego nie da się sensownie uzyskać innymi sposobami – czyli izotopy, które w naturze nie występują, lub które występują w stężeniu na tyle małym, że nie ma komercyjnego sensu ich izolacja. A na domiar złego mają krótki czas połowicznego rozpadu. Złoto – to, z którego korzystamy czy to w biżuterii, czy w celach inwestycyjnych – żadnego z tych warunków nie spełnia. Jego produkcja przez transmutację zaowocowałaby złotem o wiele droższym, niż wydobywane spod ziemi.

Transmutacja – a może jednak złoto?

Ale to nie jedyny powód. Bo wiecie, naukowcy mają poczucie humoru, i próbując się zabawić w alchemików opracowali kilka sposobów na produkcję złota przez transmutację. Owszem, nawet z ołowiu, choć ta metoda była bardzo wymagająca, nawet jak na standardy transmutacji. Ale nie tylko. Patrząc na układ okresowy, wzięli się za badanie bezpośrednich sąsiadów złota. Rtęć ma od niego tylko jeden proton więcej, więc była naturalnym kandydatem – i tak, okazało się, że rzecz jest wykonalna. Ale niestety, zasady rządzące naszym światem mówią, że dużo łatwiej jest dodać do atomu jeden proton niż go usunąć. A z całą pewnością nie można dokonać tej sztuki po prostu przepuszczając przez rtęć prąd elektryczny o odpowiednich parametrach – choć jeszcze sto lat temu takie próby były podejmowane i opisywane jako częściowy sukces, bo badaczom udawało się uzyskać niewielkie ilości złota w badanej próbce. Ba, doprowadziło to nawet do hipotezy, że nie wszystkie protony w jądrze trzymają się równie mocno – być może jeden z nich jest niejako “na wylocie”, dzięki czemu prąd stosunkowo łatwo go odrywa.

Niestety, dokładniejsza analiza wyników wykazała, że – podobnie jak w przypadku średniowiecznej alchemii – złoto przedostawało się do układu w inny sposób. Na przykład z elektrod. Albo z używanych przez badacza pozłacanych okularów. Ale najczęściej nie był to wynik oszustwa⁶, tylko po torsze nieuwagi, po torsze przypadku, a po trosze ultrawysokiej czułości aparatury pomiarowej.

Ale skoro mowa o dodawaniu protonu do jądra w celu uzyskania złota, to potrzebny jest kolejny rzut oka na układ okresowy. Ale tym razem zamiast patrzeć na pierwiastek bezpośrednio na prawo od złota, musimy spojrzeć na jego sąsiada z lewej strony. A tym pierwiastkiem, do którego wystarczyłoby dodać jeden proton, jest drugi sąsiad złota w układzie okresowym – platyna… Choć dziś cena złota przewyższa cenę platyny, to sytuacja nie zawsze tak wygląda – przez długi czas było dokładnie odwrotnie. Ale nawet gdyby trend miał się utrzymać, to nie sądzę,żebyśmy mieli doczekać chwili, gdy transmutacja platyny w złoto stanie się opłacalną operacją.

Transmutacja nie jest więc magią ani legendą. Jest dziedziną nauki i inżynierii wykorzystywana codziennie. A jednocześnie nie jest lekiem na wszelki niedostatek – ze względu na problemy techniczne i wydajność syntezy jeśli chcecie opływać w złoto, dużo łatwiej będzie zakasać rękawy i zarobić pieniądze.

Bibliografia

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!