Elementa: Kapplöpning på nukleärnivå

Ända fram till slutet av 1930-talet förutsatte upptäckter av nya grundämnen traditionella mekaniska, optiska och kemiska analysmetoder. Man var länge tvungen att handgripligen genomleta, krossa och analysera bergarter som antogs föra mineral, bestående av intressanta grundämnen. Men med mera avancerad (och kostsam) utrustning i form av acceleratorer och känsliga detektorer inleddes på 1940-talet en prestigefylld kapplöpning mellan flera av världens forskningsinstitut, skriver Sten Niklasson.

Under decenniets allra första år tillkännagav Edwin McMillan vid Berkeleyuniversitetet i Kalifornien att han framställt det första transurana ämnet, det vill säga ett grundämne som har sin plats efter nummer 92 U, uranium. Nummer 93 döptes följaktligen till Np, neptunium, efter planeten Neptunus, granne med uranets Uranus.

När McMillan i början av andra världskriget mobiliserades för att arbeta med militära projekt, fortsatte en av hans assistenter, svenskättlingen Glenn Seaborg, att isolera nya grundämnen. Det ledde till upptäckten av nummer 94 Pu, plutonium. Många forskare trodde då att plutonium var det sista ämne som kunde framställas på konstgjord väg. Det gavs därför namn efter den längst ut belägna himlakroppen i vårt planetsystem, Pluto.

1946 inledde emellertid Seaborg och en egensinnig tekniker vid namn Al Ghiorso ett samarbete som kom att leda till upptäckten av ett stort antal nya grundämnen. Arbetet bestod i att med hjälp av de nya acceleratorerna skjuta iväg alfapartiklar, det vill säga heliumkärnor bestående av två protoner och två neutroner, i hög hastighet. Med dessa små missiler bombarderade man plutonium. Träffarna resulterade i två nya ämnen, vilka fick namnen 95 Am, americium, och 96 Cm, curium, uppkallat efter Marie Curie. Några år senare lyckades teamet isolera 97 Bk, berkelium, och 98 Cf, californium. Snart upptäcktes också nummer 99 Es, einsteinium, och 100 Fm, fermium, genom analys av ett stycke korall som blivit radioaktivt efter en provsprängning av en vätebomb. Få forskare trodde att det var möjligt att isolera fler. Men Seaborg och Ghiorsi gav sig inte.

Efter tre års (!) beskjutning av plutonium med alfapartiklar hade man fått fram en ytterst liten mängd einsteinium. Materialet placerades med största varsamhet på guldfolie och bestrålades med partiklar. När guldet lösts bort, analyserades resterna. 1955 kröntes all denna möda med framgång. Ghiorso hade kopplat sina detektorer till laboratoriets brandlarm och plötsligt, mitt i natten, utlöstes larmet av några atomer som visade sig vara det nya ämnet nummer 101. Det döptes, trots att det kalla kriget gick mot sin kulmen, till Md, mendelevium, efter den berömde ryssen, och följdes kort tid därefter av nummer 102 No, nobelium, efter Alfred Nobel, och 103 Lr, lawrencium, efter Berkeleylaboratoriets grundare Ernest Lawrence.

USA, och framför allt Berkeleyuniversitetet, var efter dessa remarkabla upptäckter ledare i världen när det gällde forskning om grundämnen. USAs huvudmotståndare i det kalla kriget, Sovjetunionen, kunde bara skryta med två upptäckter, båda gjorda långt före den ryska revolutionen. Men ingen av upptäckarna var ryss. Det ena ämnet var en metall, Ru, ruthenium, vars upptäckt 1844 av en baltisk forskare fyllde ruta 44 i det periodiska systemet. Det andra, nummer 62 Sm, samarium, hade egentligen upptäckts av en fransk kemist redan 1879.

Sovjetunionens svaga position när det gällde grundforskning på området hade inte minst sin grund i Stalins misstro mot nya vetenskapliga rön inom fält som relativitetsteori och kvantmekanik. Bland de flera hundra ryska vetenskapsmän, som på partiordförandens order hade avrättats som fiender till det kommunistiska drömsamhället, fanns flera framstående kemister och fysiker. Men Stalins negativa attityd till de nya teorierna förändrades snabbt när de amerikanska atombomberna detonerade över Hiroshima och Nagasaki i andra världskrigets slutskede. Därtill inspirerad av den ambitiöse unge atomfysikern Georgi Flyorov, mobiliserade Stalin forskare som överlevt utrensningarna, och gav dem order att utan dröjsmål framställa en sovjetisk bomb. Lyckan visste inga gränser, när forskarlaget lyckades spränga den första sovjetiska atombomben 1949. Flyorov belönades med ett eget forskningslaboratorium i Dubna.

1964 tillkännagav ryssarna att man upptäckt grundämne nummer 104. Beskedet utlöste tvivel i Berkeley, där ett forskarlag under Ghiorso satte igång med egna försök. När amerikanerna själva lyckades få fram detta ämne 1969, påstod sig ryssarna ha framställt nummer 105. Nu utbröt vetenskapligt tumult. Konkurrerande forskningsinstitut började inte bara ifrågasätta varandras resultat, utan använda olika namn på samma ämne, och den politiskt prestigeladdade matchen fortsatte långt in på 1990-talet. Efter åtskillig förvirring och medlingsförsök av The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) fastställdes först 1996 en salomonisk lista, enligt vilken grundämne 104 kallas Rf, rutherfordium, 105 Db, dubnium, 106 Sg, seaborgium, och så vidare.

De senast upptäckta grundämnena fick i avvaktan på slutlig bekräftelse tillfälliga namn efter sitt nummer i det periodiska systemet. Av nummer 118 Uuo, ununoctium (från latinets siffror för ett, ett, åtta), den hittills enda syntetiska ädelgasen, har sedan 2002 endast ett fåtal atomer framställts. Efter en åttondels millisekund sönderfaller en sådan atom till andra ämnen. Nyligen har 118 fått namnet Og, oganesson efter den ryske atomfysikern Jurij Oganesjan.

Det är visserligen inte osannolikt att ytterligare grundämnen kommer att påträffas, men analysen av dem blir svår, beroende på att de måste antas vara ytterst instabila och kortlivade. Upptäckten av antimateria, liksom den mystiska mörka materia, som enligt nya rön utgör nästen en fjärdedel av universums massa, kan också på sikt nödvändiggöra förändringar och kompletteringar av det periodiska systemet.

Av alla ämnena i det periodiska systemet förekommer 92 i naturen på Jorden. De övriga är framställda på konstgjord väg.

Flera av de mera obemärkta grundämnena på Jorden är betydligt vanligare än de mera kända. Det finns till exempel mer cerium än koppar i jordskorpan. Och tenn är mera sällsynt än mindre bekanta ämnen som praesodym och gadolinium.

Det brukar hävdas att nittio procent av alla atomer i universum är väte och att i stort sett hela återstoden är helium. I det stora kosmiska perspektivet tycks flertalet grundämnen som vi identifierat på Jorden vara försvinnande små poster i materiens balansräkning. Det mest sällsynta naturliga grundämnet på vår planet är nummer 85, At, astat, som är ett starkt radioaktivt ämne i gruppen halogener. Detta ämne upptäcktes 1939 av ett forskarlag, lett av Emilio Segré. Det ligger nära jod i det periodiska systemet, och precis som jod katalyseras det av sköldkörteln. Segré och hans kollegor sprutade in en vätska som de bedömde innehöll astat i ett marsvin, och, mycket riktigt, sköldkörteln hos djuret visade sig vid analys ha koncentrerat ämnet.

Endast 28 gram astat anses finnas på Jorden vid varje tidpunkt. Dess halveringstid är drygt åtta timmar.

Nummer 87 Fr, francium, är ännu mera kortlivat. Dess mest stabila isotops halveringstid är ynka 20 minuter. Trots detta beräknas bortåt ett halvt kilo finnas på Jorden. Men ingen har någonsin sett ett massivt stycke francium. I laboratoriemiljö har man som mest lyckats samla ihop ett kluster med några hundratusen atomer.

Sten Niklasson är författare och tidigare generaldirektör

Här kan du läsa Elementa del 1.