Þjóðviljinn - 21.07.1955, Page 5

t .am
Fimmtudagur 21. júlí 1955 — ÞJÓÐVILJINN — (S
Hina fyrstu öruggu
viíneskju um gerð frum-
eindanna fengu menn
við rannsókn hinna svo-
nefndu geislavirku efna.
Frá þeim rannsóknum
segir Óskar B. Biarna-
son í þessari grein um
/(innri gerð efnisins".
Það mun hafa verið árið
1896 að franski eðlisfræðing-
urinn Becquerel tók eftir því
einkennilega fyrirbæri að
steintegundin bikblendi staf-
aði frá sér geislum.
Geislar þessir höfðu áhrif
á ljósmyndaplötur þótt þœr
væru vafðar inn í svartan
pappír og höfðu þannig sterk-
ari verkanir en geislar sólar-
ljóssins.
Þetta sama ár, nokkrum
mánuðum áður, hafði pró-
fessor IV'mtgen í Þýzka-
landi uppgötvað geisla þá
sem síðar voru við hann
kenndir, en liann sjálfur
nefndi x-geisla.
Becquerel datt nú í hug að
geislamir frá bikblendi væru
samskonar og x-geislar
Röntgens.
Hjónin María Sklodovka og
Pierre Curie, sem bæði voru
eðlisfræðingar og síðar pró-
fessorar við Sorbonneháskól-
ann tóku nú að rannska þetta
fyrirbæri nánar fyrir áeggjan
Becquerels.
Steintegundin bikblendi er
gerð að mestu leyti af úran-
oxíði, sambandi úrans og súr-
efnis, en brátt kom í ljós að
geislunin var ekki svo mjög
bundin við úranoxíðið sjálft,
heldur við einhver óhreinindi
í þessari steintegund. María
Curie áleit að geislunin mundi
stafa frá áður óþekktu frum-
efni, sem hún nefndi radíum.
Samband þessa efnis við
bróm, radíumbrómíð, einangr-
uðu þau úr bikblendi árið
1898. Samtímis fundu þau
einnig annað geislavirkt efni
í bikblendi og nefndi María
það pólonium eftir ættlandi
sínu, Póllandi.
ESnangrun radíumbrómíðs
var út af fyrir sig mikið af-
rek, því magn þessa frum-
efnis nam aðeins Vf> milli-
grammi í tonni af bikb'endi.
Auk þess voru tæki og hjálp-
argögn af skomum skammti
og vinnustofa. þeirra hjóna
heldur fátækleg.
Sjá'fan máiminn, radíum,
einangraði Maria Curie árið
1910. Pierre hafði sjálfur hætt
rannsóknum sem hann starf-
aði að til að geta einbeitt sér
að hinu heillandi viðfangsefni,
rannsókn radíums og annarra
geislavirkra efna, sem kona
hans var byriuð á. Hans naut
þó ekki iengi við því hann
fórst í umferðarslysi árið
1906.
Radíum og sambönd þess
eru sjálfíýsandi. Þau gefa sí
og æ frá sér geisla og senda
um leið frá sér hitaorku sem
nemur 133 kaloríum á klst.
fyrir hvert gramm af radíum.
Við nánari rannsókn kem-
ur í ijós að geislun þessi er
þrennskonar 1) svonefnd'r
alfageis'ar, sem eru hraðfara
efnisagnir, kjarnar frumefnis-
ins helínm; 2) betageislar sem
em straumur af mjög hrað-
fara rafeindum og 3) gamma-
geislar sem eru bylgjuhreyf-
ing samskonar og sólarljósið
og röntgengeislar. Bylgjur
gammageislanna em þó enn
styttri en röntgenbylgjur. Or-
sök þessarar geislunar er sú
að frumeindakjamar frumefn-
isins radiums sundrast af
sjálfu sér og breytast í önnur
efni. »Af |þeúsu er ljóstfað kjam
ar hinna geislavirku fmmefna
eru óstöðugir. Eigihleikar
fmmeindakjarnanna eru fyrst
og fremst komnir undir fjölda
prótóna og nevtróna í kjarn-
anum. Hjá léttustu frumefnum
em jafnmargar nevtrónur og
prótónur í kjamanum. Hinir
þyngri kjamar hafa fleiri
nevtrónur en prótrónur og
hinir þyngstu hafa kringum
3 netrónur á móti hverjum
tveim prótónum og mörg
þessara efna hafa óstöðuga
byggingu, em geislavirk.
Geislavirk efni em að vísu
byggð upp af sömu frumögn-
um og önnur efni, en frum-
eindir þeirra em óstöðugar.
Geislavirk efni gera loftið í
kringum sig leiðandi fyrir
rafmagn og er því tiltölu-
lega auðvelt að mæla magn
geislunferinnar. Þar sem fmm-
eindimar sem ser.da frá sér
þessar efnisagnir og geisla
breytast að lokum í efni sem
ekki er geislavirkt er aug-
ljóst að geislunin hlýtur að
fara minnkandi með tíman-
um og er þessi eyðing tákhuð
með helmingunartíma efnisins
þ. e. a. s. þeim tíma sem líð-
úr þar til geislavirka efnið
hefur minnkað um helming.
Helmingunartími radíums er
t. d. tæp 1700 ár.
Það er nú auðskilið, að ef
ekki væri til eitthvert annað
efni sem gæfi af sér radíum
mundi þetta efni vera fyrir
löngu horfið af jörðinni.
Móðurefni radíums er fmm-
efnið úraníum og finnst það
vitanlega í sömu steintegund-
um og radium. Helihingunar-
timi úraniums er 4-—5 þúsund
milljónir ára og hefur það
því minnkað um hémmbil 14
hluta frá þvi hin fasta skorpa
jarðarinnar myndaðist. —
Það er ljóst af því sem hér
hefur verið sagt að radíum er
einn liður í langri keðju um-
myndúnar fmmefna.. Keðjan
sem byrjar með úraníum end-
ar við óvirkt frumefni sem
hefur sömu eiginleika og blý.
Minnsta aldur steintegunda
sem innihalda geislavirk efni
er þvi hægt að reikna út frá
hlutfallinu milli úraníums og
blýs — og hafa á þann hátt
fengizt aldurákvarðanir berg-
tegunda sem nálgast 2000
milljónir ára.
Og þetta er sá aldur sem
jarðskorpan er talin hafa að
minnsta kosti. Áður þótti svo
hár aldur jarðar ekki koma.
til greina vegna þess að kóln-
unartimi yfirborðs jarðar
gæti ekki verið svo langur.
En skýring þess fæst einnig
með tilveru geislavirkra efna.
Þegar hin geislavirku efni
klofna myndast mikill hiti og
hefur það haft veruleg áhrif
til að lengja kólnunartíma
jarðar.
Á siðari árum hefur tekizt
að framleiða geislavirk efni
sem ekki eru til í náttúrunni
með skothríð hraðfara efnis-
agna á frumeindir efnisins.
Það hefur áður verið tekið
Antoine Henri Becquerel
fram að frumeindir geta ver-
ið misstórar eða misþungar
þótt þær hafi sömu efna-
fræðilega eiginleika. Þannig
gildir það ekki lengur að all-
ar frumeindir sama frumefn-
is séu eins; þær geta verið
misþungar. Það virðist meira
að segja svo að flest öll frum-
efni geislavirk og ekki geisla-
virk séu blöndur af misþung-
um frumeindum með sömu
kemísku eiginleika.
Það var margra alda
draumur alkemistanna, efna-
fræðinga miðaldanna að búa
til gull úr óeðlum málmum,
einkum blýi. Það tókst þeim
að vísu aldrei. En nú á dög-
um er þetta orðið mögulegt
eða a. m. k. hliðstæðar breyt-
ingar, og slíkar breytingar
gerast eimnitt sjálfkrafa í
náttúrunni við ummyndun
geislavirkra efna.
Árið 1919 var í fyrsta
skipti einu frumefni breytt
í annað í rannsóknarstofu,
þegar brezka eðlisfræðingnum
Rutherford hepþnaðist að búa
til súrefni úr köfnunarefnis-
fi-umeindum með því að beina
að þeim skothríð alfaagna.
Þessi breyting gerðist þó
aðeins í mjög smáum mæli og
á þeim tíma var talið vafa-
samt að slíkar efnabreyting-
ar mundu nokkurntíma fá
hagnýta þýðiiígu.
Árið 1934 gerði Frederik
Joliot og kona hans Iren
Curie, dóttir Mariu og Pierre
Curie, þé uppgötvun að efni
þau sern myndast við skot-
hríð nevtróna á frumeinda-
kjarna eru yfirleitt geislavirk
og klofna sjálfkrafa í 2 eða
fleiri efni með svipuðum
frumeindaþunga. Og það er
einmitt klofnun af þessu tagi
sem gerist þegar nevtrónu-
skothríð er beint að frumefn-
inu úraníum. Nevtrónur eru
hentugri skeyti til að skjóta
með á frumeindakjarna en
aðrar efnisagnir vegna þess að
þær eru óhlaðnar og komast
því auðveldlega að kjörn-
um atómanna án þess að
verða fyrir fráhrindingu af
hinni sterku pósitífu hleðslu
kjarnans.
Frumefnið úraníum sem
finnst í náttúrunni er blanda
af þrennskonar ísótópum
U238 þ. e. úraníum með at-
omþungann 238, en af því eru
99.3% í náttúrulegu úraníum.
Önnur tegund úraníums er
U235 og af því eru 0.7% í
náttúrlegu úraníum og loks
er svo vottur af U234.
Úraníum er það eldsneyti
sem notað er í kjarnorkuofn-
um eins og kunnugt er.
Hinar mismunandi tegundir
úraníums haga sér nú mjög
ólíkt gagnvart nevtrónu-
skothiíð;
U235 klofnar, þannig að at-
ómið skiptist í tvo álíka stóra
hluta t.d. þannig að frumefnin
krypton og baríum myndast
og auk þess myndast nýjar
nevtrónur sem valda klofn-
un nýrra atóma og ennfremur
losnar mjög mikil orka því að
nokkur hluti efnisins eða um
einn þúsundasti breytist í
orku.
Ef U238' verður fyrir nev-
trónuskothríð klofnar kjarn-
inn ekki, heldur innbyrðir
úraníumkjarninn nevtrónurn-
ar og sendir um leið frá sér
eina elektrónu. Við það hækk-
ar rafhleðsla kjarnanna um
einn og ytri elektrónum
fjölgar því einnig sjálfkrafa
um eina þ. e. a. s. nýtt frum-
efni með atómþunga 239 og
atómnúmer 93 hefur orðið til.
Þetta nýja frumefni sem
nefnist neptúníum er geisla-
virlct, sendir frá sér eina
elektrónu úr kjarnanum og
myndast þá nýtt frumefni,
plútoníum með atómþyngd 239
og númer 94. Plútoníum er
merkilegt efni að því leyti að
gagnvart nevtrónuskothríð
hagar það sér á sama hátt
og U235 þ. e. klofnar og
nokkur hluti þess breytist í
orltu. Plútóníum er því kjarn-
orkueldsneyti á sama hátt og
U235 en það þýðir að allt
úraníum sem finnst i náttúr-
unni er verðmætt til kjarn-
orkuframleiðslu en ekki að-
eins U235 sem aðeins nemur
0.7% af náttúrlegu úraníum.
Sú skilgreining að frumefni
sé efni, sem ekki verður klof-
ið í einfaldari efni var sett
fram af franska efnafræð-
ingnum Lavoisier árið 1789.
Sú skilgreining getur gilt enn
í dag með örlítilli viðbót,
nefnilega: Frumefni er efnL
sem ekki verður klofið í önn-
ur efni með kemískum eða
efnafræðilegum aðferðum.
Svo virðist sem menn hafi.
mjög snemma reynt að gera
sér grein fyrir eðli efnisins og
fyrirbærum náttúrunnar.
Slík heimspeki þróaðist mej
hinum fornu menningarþjóð-
um Indlands og Kína og hef-
ur líklega borizt þaðan til
Sýrlands og Grikklands, ea
Grikkland var höfuðsetuj
hins menntaða heims í nokkr-
ar aldir, eins og kunnugt er.
Sú hugmynd er mjög fora
að frumefni alheimsins sé að-
eins eitt — „materia prima11.
Um skeið töldu hinir grísku.
heimspekingar að frumefnia
væru 4, nefnilega eldur, vatn,
jörð, loft. Aristoteles sern.
uppi var á 4. öld f. Kr. taldt
að allir lilutir hefðu að geyma
bæði hið óbreytanlega og hið
breytilega; efnið væri hið ó-
breytanlega en formið hið
breytilega. Jörð og vatn va)?
því í raun og veru sama efn-
ið í mismunandi formi. A£
þessari forsendu mátti draga
þá ályktun að hvaða breyting
sem væri gæti átt sér st.a-5
fræðilega séð, þótt hún yrði
ekki við venjuleg skilyrði.
Þessi hugmynd varð siðaí
undirstaða gullgerðar-efna-
fræðinnar, eða alkemíunnar.
Efni eins og vatn, jörð, loft
teljum við ekki frumefni ní.
á dögum. Við vitum að þau.
eru samsett úr mörgum frunr-
efnum.
Á dögum Lavoisier voru'.
þekkt frumefni talin 28. A.
dögum Mendeléfs, nærri ölu.
síðar, þ.e. um 1870, voi’ir.
þekkt frumefni 67 að tölu.
Samkvæmt hinu endurbætta
frumeindakerfi Mendeléfs.
sem nú er kennt við Niels
Bohr og Rutherford, er x
frumefnin 92, og er raunae
ekki rúm fyrir fleiri í þess i.
kerfi. Níutíu þeirra eru nú.
þekkt. Fleiri frumefni haf.%
ekki fundizt í náttúrunni, eí.
eins og lýst hefur verið, hef-
ur tekizt að bæta ofan vi$
atómtölu Bohrs, búa til nýj
frumefni með hærri atómtöU
um en úran, nr. 92.
I sambandi við klofnuoi
úrans urðu til tvö ný frurn-
efni eins og áður var lýsfcP
frumefnin neptúníum og
plútóníum númer 93 og 94.
Síðan hafa verið búin til.
fleiri ný efni með hækkanci
atómnúmerum og nú fyric
skömmu hefur verið tilkynní:
að efni nr. 99 hafi verið búil
til og líkur eru á að hægfc
verði að búa til efni mö
enn hærri atómtölum. Flest
þessara efna eru óstöðug þ. e,
geislavirk og hafa skamma
ævi.
í náttúrunni finnast sam-
tals um 300 mismunanc.í:.
frumeindakjarnar með stöí-
uga byggingu þ. e. þeir tii-
heyra efnum sem ekki era,
geislavirk, en geislavirk efrtú
í náttúrunni eru um 50 tals-
ins. Auk þess hafa veri?
framleiddar geislavirkar ísc-
topur (samstæður) af flest-
um ef ekki öllum frumefnura.
og munu nú vera til alÍD
um 800 tegundir geislavirkra,
atómkjarna.
Qskar B. Bjarnason: