Fravrister hemmeligheten til supertunge grunnstoffer

Når forskere oppdager nye grunnstoffer, er det bare begynnelsen på en oppdagelsesreise i den kjemiske verden.

Kjemikere er ikke bare interessert i å vite antall protoner og nøytroner i de nye, supertunge grunnstoffene. De ønsker også å avdekke kjemiske egenskaper, slike som koke- og smeltepunkt, om grunnstoffet løser seg opp i vann eller syre, og hvordan grunnstoffet hekter seg på og oppfører seg sammen med andre atomer og molekyler.

Det er riktignok ikke mulig å måle kokepunktet direkte på supertunge grunnstoffer, men kjemikerne kan få et indirekte svar ved å måle flyktigheten, det vil si hvor sterkt grunnstoffet binder seg til en metalloverflate.

Det er bare mulig å gjennomføre slike undersøkelser i et fåtall laboratorier i verden, deriblant Helmholtz-senteret for tungioneforskning (GSI) i Tyskland og kjerneforskningsanlegget Dubna i Russland. Universitetet i Oslo samarbeider med begge sentrene.

Planlegges i Oslo.

Eksperimentene er svært kostbare. Og det er vanskelig å få tilgang til laboratoriene. Kjemikerne er derfor nødt til å forberede eksperimentene meget godt på forhånd.

Forberedelsene skjer i en partikkelakselerator (syklotron) koblet til et kjemisk laboratorium. Ladete hydrogen- og heliumkjerner blir akselerert opp i enorme hastigheter og skutt mot tynne metallfolier. Da dannes radioaktive metallioner som ligner på de supertunge grunnstoffene. Kjemikerne kan da eksperimentere med metallionene i det kjemiske laboratoriet.

De færreste forskningsinstitusjoner har en egen syklotron i kjelleren. Enda færre har en automatisk kobling mellom syklotronen og et kjemisk laboratorium. Universitetet i Oslo er et av de få stedene i verden som har begge deler.

– Anlegget vårt vekker interesse utenlands. Når vi har sjekket at det selvlagde utstyret vårt fungerer, fyller vi opp en varebil og tar det med oss til eksperimentet i utlandet, forteller professor i kjernekjemi, Jon Petter Omtvedt ved Senter for akseleratorbasert forskning og energifysikk på Universitetet i Oslo.

Svært kort levetid.

På Blindern sendes grunnstoffene rett fra syklotronen gjennom et tjue meter langt rør og inn i et kjemisk laboratorium. Mye foregår helautomatisk. Tiden er utrolig knapp. Ettersom halveringstiden på grunnstoffene er svært kort, har ikke kjemikerne tid til å utføre forsøket på vanlig vis. Levetiden på grunnstoffet er mindre enn ett minutt. Mange av de supertunge grunnstoffene de ønsker å eksperimentere med, overlever bare noen sekunder.

Det nytter altså ikke med klassiske reagensrør som analyseres etterpå. Det tar for lang tid. Noen ganger må de kjemiske reaksjonene skje inne i selve detektoren for at stoffene skal oppdages før de forsvinner.

Detektoren oppdager først hva som skjer med det ene atomet i det øyeblikket det forsvinner. Da sender det ut et spesielt, radioaktivt signal. Det er dette signalet som blir fanget opp.

De aller tyngste grunnstoffene har så korte levetider at det ikke er mulig å undersøke dem kjemisk. Det gjør det ikke lettere at man bare kan eksperimentere med ett og ett atom om gangen.

Femten års arbeid.

Jon Petter Omtvedt har brukt de siste 15 årene til å bygge opp laboratoriefasilitetene på Blindern.

Spesialet hans er en spesiell type detektorsystem som måler en bestemt type radioaktive stråler, kalt alfastråler, fra flytende væske. Det andre spesialfeltet hans er avanserte, automatiske oppsett av eksperimenter for såkalt “våtkjemi”.

– Ettersom levetiden til stoffene er så kort, må vi være lynkjappe. Alle trinnene i eksperimentet må fungere samtidig. Vi presser grensene til det ytterste. Du kan sammenligne dette med å utforske det ytterste i verdensrommet. Det er ikke mange detektorer i verden som kan finne igjen ett eller to atomer av et spesielt grunnstoff, særlig når det er mye grums i blandingen, påpeker Omtvedt.

Han var med på den kjemiske utforskningen av grunnstoff 104, rutherfordium, for noen år siden.

Repeterer forsøket.

Nå deltar Omtvedt i et stort internasjonalt forskerteam for å undersøke de kjemiske egenskapene til det supertunge grunnstoffet 114.

For å få gode nok data er kjemikerne nødt til å kjøre det samme eksperimentet en rekke ganger. Hver gang tester de om atomet binder seg til andre molekyler. Ved å gjenta forsøket en rekke ganger, kan de finne frem til den omtrentlige sannsynligheten for hvor ofte atomet bindes opp.

Omtvedt skulle gjerne også ha studert hvordan supertunge atomer reagerer sammen, men siden syklotronen bare klarer å lage ett og ett supertungt atom om gangen, er denne oppgaven umulig å løse.

Verdens tyngste grunnstoffer, 119 og 120, som forhåpentligvis blir oppdaget i høst, vil ha så kort levetid at de ikke overlever det kjemiske forsøket. Det er derfor en øvre begrensning på hvor tunge grunnstoffer som det er mulig å undersøke kjemisk.

Bedre kjemimodeller.

Hvis kjemikerne skjønner mer om hvordan de supertunge grunnstoffene fungerer kjemisk, kan de, overraskende nok for menigmann, også få mer kunnskap om de kjemiske egenskapene til de lettere grunnstoffene.

Og selv om dette er grunnforskning i dypeste forstand, kan oppdagelsene forbedre dagens matematiske kjemimodeller. Disse modellene er grunnlaget for all kjemi. Kjemikerne bruker dem til å forutsi kjemiske reaksjoner.

– Dataene fra forsøkene kan presse modellene til å gi enda bedre resultater.

Elektronene blir tyngre.

Einsteins relativitetsteori er en viktig del i slike kjemiske modeller. Jo tyngre grunnstoffene blir, desto høyere er hastigheten til elektronene. Når elektronene går fortere og fortere, blir de også tyngre og tyngre. Moderne, matematiske beskrivelser av atomer er avhengige av denne sammenhengen. Her kommer relativitetsteorien inn.

Et artig eksempel: Hvis det ikke hadde vært relativistiske egenskaper i gull, hadde gullet vært hvitt.

I Helmholtz-senteret jobber Omtvedts russiske kollega, Valeria Pershina , utelukkende med teoretiske beregninger av atomenes egenskaper.

– Hun kan forutsi kjemiske reaksjoner. Av og til stemmer ikke teorien hennes med eksperimentene våre. Spørsmålet er da hvem som har gjort feil, avslutter Omtvedt. l