Einsteinium: Nye eksperimenter kortlægger grundstof fundet efter brintbombe
Nye eksperimenter med grundstoffet einsteinium åbner døren på klem til forståelsen af den tungeste del af vores verden.
Einsteinium grundstof brintbombe

'Ivy Mike' hed historiens første brintbombe, som amerikanere lod sprænge i 1952. I asken fra den ekstremt kraftfulde bombe fandt forskere to nye grundstoffer, herunder einsteinium. (Foto: The Official CTBTO Photostream)

'Ivy Mike' hed historiens første brintbombe, som amerikanere lod sprænge i 1952. I asken fra den ekstremt kraftfulde bombe fandt forskere to nye grundstoffer, herunder einsteinium. (Foto: The Official CTBTO Photostream)

I 1952 detonerede amerikanerne historiens første brintbombe på en ø i Stillehavet, og en milepæl i kapløbet om at skabe altødelæggende våben var nået.

I efterladenskaberne fra brintbomben blev en mere fredelig opdagelse samtidig gjort: Forskere fra det amerikanske Berkeley Lab fandt nemlig frem til grundstoffet einsteinium.

Siden opdagelsen er der imidlertid kun lavet få eksperimenter med einsteinium, for stoffet er ekstremt radioaktivt og vanskeligt at få fingrene i.  

Men i et nyt studie, som udspringer fra selvsamme Berkeley-lab, har forskere overvundet vanskelighederne ved at håndtere einsteinium og for første gang karakteriseret flere af stoffets kemiske egenskaber.

»Studiet udforsker et område af vores natur, som stadig er meget eksotisk, fordi det er så teknisk udfordrende at arbejde med. Så det er endnu et skridt på vejen til at udforske grænsen af vores periodiske system, og hvad er muligt for os at lave,« siger Jens Jørgen Gaardhøje, som er professor i subatomar fysik ved Niels Bohr Institutet På Københavns Universitet og ikke har været en del af det nye studie.

Eksperiment er en bedrift

Det periodiske system er en tabel, som du formentlig har mødt i folkeskolens fysik- eller kemitime. Tabellen indeholder alle universets grundstoffer – altså de grundlæggende byggesten, som du, dit hus, din hamster, Månen, Solen og alt andet omkring os er opbygget af.

Einsteinium hører til blandt de tungeste drenge, som ligger sidst i rækken af grundstoffer i det periodiske system. Vores viden om disse tunge grundstoffer er generelt sparsom.

En af det nye studies hovedforfattere Rebecca Abergel påpeger selv, at det er »en bemærkelsesværdig bedrift,« at forskerne har været i stand til at lave eksperimenter med en lille mængde einsteinium.

»Det er betydningsfuldt, fordi jo mere vi forstår om stoffets kemiske adfærd, des mere kan vi anvende denne forståelse til udvikling af nye materialer eller nye teknologier – ikke nødvendigvis kun med einsteinium,« siger lektor Rebecca Abergel, som er leder af en forskergruppe ved Berkeley Lab på University of California, i en pressemeddelelse.

Det periodiske system indeholder alle grundstoffer - altså alle byggeklodser, som vores verden er opbygget af. De sidste grundstoffer i nederste række er radioaktive og meget tunge. Alle stoffer efter nummer 94 er menneskeskabte, mens resten kan findes i naturen. (Illustration: Sandbh/videnskab.dk  

En hemmelig opdagelse

Efter opdagelsen af einsteinium i 1952 forblev det nye grundstof i første omgang en hemmelighed efter ordre fra amerikansk militær.

Einsteinium var dukket op i en verden fyldt med spændingerne fra Den Kolde Krig. Først i 1954 fik forskerne grønt lys til at offentliggøre deres opdagelse af einsteinium og det lidt tungere grundstof fermium, som også blev opdaget i forbindelse med brintbomben.

Forskerne bag opdagelsen valgte at navngive de to nye grundstoffer efter to af kvantefysikkens store pionerer – tyske Albert Einstein og italisk-amerikanske Enrico Fermi.

Begge fysikere nåede imidlertid at dø, inden det endeligt blev annonceret i 1955, at de to nye grundstoffer havde taget navn efter dem.

Ordliste

Et grundstof er et materiale, som danner grundlag for alt omkring os – alting i verden er altså opbygget af grundstoffer, som kan sættes sammen på alle mulige forskellige måder; ligesom legoklodser.

Et atom er en ekstremt lille bestanddel – en enkelt legoklods - af et grundstof.

Et atom er i sig selv opbygget af endnu mindre byggeklodser, som kaldes:
- Protoner (partikler med en positiv elektrisk ladning) 
elektroner (partikler med en negativ elektrisk ladning), og 
neutroner (som er neutrale i forhold til elektrisk ladning).

Antallet af protoner i et atom afgør, hvilket grundstof der er tale om. Grundstoffets atomnummer beskriver også antallet af protoner. Einsteinium har f.eks. atomnummer 99, fordi stoffet har 99 protoner i sin atomkerne.

Isotoper er forskellige udgaver af det samme grundstof. De har samme antal protoner i atomkernen, men antallet af neutroner i kernen varierer afhængig af det enkelte isotop.

F.eks. er Einsteinium-254 en isotop, der ligesom alle andre einsteinium-isotoper har 99 protoner i sin atomkerne. Men for lige netop denne isotop er antallet af neutroner 155. (99 protoner +155 neutroner  = 254)

Ikke længere blandt de tungeste

Selvom einsteinium fortsat hører til blandt klassens tunge drenge, er stoffet i dag ikke længere blandt de allertungeste grundstoffer i det periodiske system – eller mere præcist formuleret: Einsteinium er ikke længere et af de grundstoffer, som har det højeste atomnummer.

Atomnummeret beskriver, hvor mange protoner (se faktaboks) grundstoffet har i sin atomkerne. 

Einsteinium har altså atomnummer 99, fordi et einsteinium-atom har 99 protoner i sin kerne. Man kan – lidt forsimplet - sige, at jo højere atomnummeret er, des tungere er stoffet som udgangspunkt.

»Flere forskningsgrupper specialiserer sig i at lave tungere og tungere grundstoffer, og i øjeblikket er verdensrekorden nået op på atomnummer 119 i det periodiske system. Einsteinium har nummer 99, så det er et meget tungt stof, men altså et stykke fra de allertungeste grundstoffer, vi kender,« fortæller Jens Jørgen Gaardhøje.

»De tungeste grundstoffer i det periodiske system lever kun i meget kort tid – ofte mindre end et sekund. Det er derfor, at det er så vanskeligt at lave dem og identificere dem,« tilføjer han.

En lille klump einsteinium

Einsteinium findes imidlertid i en temmelig stabil udgave (isotop) kaldet einsteinium-254. Denne udgave af einsteinium har en halveringstid på 276 dage, hvilket betyder, at det tager 276 dage for halvdelen af materialet at forsvinde.

Forskerne har altså relativt god tid til at studere denne udgave af einsteinium-materialet, når de først har fået fingrene i det.

I det nye studie har forskerne samlet 200 nanogram (0.0002 milligram) einsteinium-254, som det er lykkedes dem at studere.

»Pointen med undersøgelsen er, at de har samlet, hvad du og jeg normalt ville tænke på som en meget lille mængde. Men det er tilstrækkeligt til, at de ikke længere kun ser på enkelte einsteinium-atomer, men på en lille klump af stoffet. Det er det nye i studiet,« fortæller Jens Jørgen Gaardhøje.

Måler kemiske egenskaber

Fordi forskerne har undersøgt en lille klump af einsteinium – og ikke kun enkelte atomer – har de som noget nyt været i stand til at undersøge stoffets kemiske egenskaber.

For eksempel har forskerne for første gang målt bindingsafstanden for einsteinium. Det vil sige, at de har målt, hvor stor den gennemsnitlige afstand er mellem to einsteinium-atomer, som er bundet sammen.

»Bestemmelsen af bindingsafstanden lyder måske ikke interessant, men det er det første man gerne vil vide om, hvordan metaller binder sig til andre molekyler. Hvilken slags interaktion har dette grundstof med andre atomer og molekyler?« forklarer Rebecca Abergel i pressemeddelelsen fra Berkeley Lab.

Selvom det er nyt, at studiet har frembragt målinger af bindingsafstanden og andre kemiske egenskaber for einsteinium, er resultaterne ikke overraskende – de stemmer nogenlunde overens med, hvad vi forestillede os ud fra teoretiske modeller, påpeger Jens Jørgen Gaardhøje.

»Så vidt jeg kan skønne, kommer der ikke noget sindsoprivende nyt frem. Einsteiniums egenskaber afviger ikke voldsomt fra egenskaberne i andre tunge grundstoffer, men det ved man selvfølgelig først, når man har målt det. Det sker faktisk jævnligt, at teoretiske forudsigelser af grundstoffers kemiske egenskaber viser sig at være forkerte, når man laver målinger,« siger han.

Naturlige og menneskeskabte grundstoffer:

Alle grundstoffer i det periodiske system fra nr. 1 (brint) til nr. 94 (plutonium) kan findes i naturen.

Grundstoffer med højere atomnummer end 94 er alle menneskeskabte, enten i atomreaktorer, atomsprængninger eller ved hjælp af partikelacceleratorer.

Grundstoffer med lave atomnumre fra 1 til 82 er stabile (bortset fra et par enkelte undtagelser), mens grundstoffer med atomnummer 83 og derover alle er radioaktive. Det betyder, at de med tiden forvandler sig (henfalder) til andre grundstoffer.

Læs mere i artiklen Hvor mange tunge grundstoffer kan man fremstille?

Uheldige forskere

Men hvordan har forskerne overhovedet lavet deres målinger og eksperimenter med det svært tilgængelige grundstof?

I første omgang krævede det, at forskerne skulle fremskaffe en portion einsteinium, hvilket ifølge Rebecca Abergel nærmest var halvdelen af kampen.

»Hele studiet er en lang række af uheldige begivenheder,« siger hun i pressemeddelelsen.

Heldigvis indgik der ingen sprængning af brintbomber i forbindelse med fremskaffelsen af einsteinium til det nye studie. Men hvis du havde forestillet dig noget lignende, er du ikke fuldstændig galt på den.

»Tidligere skaffede man de tunge grundstoffer, når der havde været underjordiske atomprøvesprængninger. Det skete op til engang i 1970’erne. Efter sprængningen kunne man skrabe de eksotiske stoffer af væggene, og det gav adgang til tunge grundstoffer, som man kunne købe til forskningsbrug,« fortæller Jens Jørgen Gaardhøje.

Sådan skaffer man einsteinium

Når forskerne i dag vil skabe de allertungeste grundstoffer, sker det ifølge Jens Jørgen Gaardhøje med kraftfulde maskiner, som accelererer grundstoffer op i ekstremt stor fart og får dem til at støde ind i hinanden.

For en kort stund smelter de to grundstoffer altså sammen og danner et nyt og endnu tungere grundstof – det var eksempelvis grundprincippet, da det periodiske system blev udvidet med fire nye grundstoffer i 2016.

Fremskaffelsen af einsteinium er derimod lidt anderledes.

Første trin går kort fortalt ud på, at et tungt grundstof kaldet curium (atomnummer 96) bliver bombarderet med neutroner (atomkernepartikler). Bombardementet medfører en lang kæde af radioaktive reaktioner (henfald) – og i sidste ende står forskerne altså med einsteinium i hånden.

»Mens de allertungeste grundstoffer bliver dannet i acceleratorer, hvor grundstoffer smelter sammen, bliver einsteinium altså dannet, ved at noget tungere grundstoffer henfalder og bliver til einsteinium,« forklarer Jens Jørgen Gaardhøje.

Tunge grundstoffer:

Lidt forsimplet kan man sige, at jo højere atomnummer, des tungere er grundstoffet.

Et højere atomnummer betyder nemlig, at stoffet har flere protoner i kernen og dermed bliver stoffet altså som udgangspunkt tungere.

Men tommelfingerreglen har imidlertid masser af undtagelser, fordi grundstoffer kan findes i mange forskellige udgaver (isotoper) med forskellig vægt (masse).

Massen bestemmes nemlig ikke kun af antallet af protoner i kernen – antallet af neutroner spiller en mindst ligeså vigtig rolle.

Ramt af coronakrise

Problemet var imidlertid, at einsteinium-prøven i det nye studie var forurenet med et andet supertungt grundstof – kaldet californium (atomnummer 98). Forskerne måtte derfor gøre flere krumspring for at få isoleret en brugbar prøve af einsteinium.   

Næste udfordring var, at einsteinium-prøven godt nok var rimelig stabil, men ikke fuldstændig stabil. Prøven var fortsat radioaktiv, og dermed forsvandt (henfaldt) en del af einsteinium-prøven løbende.

Det blev især til et problem, fordi coronakrisen pludselig ramte, og laboratoriet blev beordret lukket. Og da forskerne vendte tilbage til deres laboratorium i sommeren 2020 for at lave opfølgende eksperimenter, var »det meste« af deres einsteinium-prøve forsvundet, oplyser pressemeddelelsen fra Berkeley Lab.

Heldigvis havde forskerne nået at lave mange af deres eksperimenter før nedlukningen, og udfordringerne til trods er der blevet lavet en række målinger af einsteinium-prøven.

Målingerne foregik med såkaldt luminescens-spektroskopi og røntgen-spektroskopi – det betyder kort fortalt, at forskerne undersøgte einsteiniums kemiske egenskaber ved at bombardere stoffet med lys og røntgenstråler.

Og hvad så? Hvorfor alt dette besvær?

Einsteinium er opkaldt efter den verdensberømte tyske fysiker Albert Einstein, som her ses til højre. Den danske fysiker Niels Bohr (til venstre) har også fået grundstoffet bohrium opkaldt efter sig.  

Hvad får vi ud af det?

»Den overordnede motivering for at lave den slags eksperimenter er ikke alene trangen til at udforske nye og tunge grundstoffer for at blive klogere. Perspektivet er, at der kan gemme sig ny kemi blandt de supertunge grundstoffer, som vi måske en dag kan overføre til vores hverdag,« fortæller Jens Jørgen Gaardhøje.

En teori, som især motiverer forskerne, er, at der måske et sted i udkanten af det periodiske system – helt ude blandt de allertungeste grundstoffer, som normalt kun eksisterer et splitsekund – kan findes en ø af mere stabile grundstoffer.

»Man håber og forventer, at der findes en ø af supertunge grundstoffer oppe omkring atomnumrene 114-125. Det er sådan en stabil ø, hvor de supertunge grundstoffer kan eksistere i minutter, timer eller måske dage eller måneder, før de henfalder. Hvis øen findes, er teorien, at stofferne kan have nogle anderledes kemiske egenskaber end dem, vi normalt kender – og at vi måske en dag vil kunne udnytte dem,« forklarer Jens Jørgen Gaardhøje.

Med andre ord håber forskerne, at de supertunge grundstoffer en dag vil kunne åbne døren til en verden af ny kemi – og nye muligheder for at skabe helt nye opfindelser.

»Men første skridt er, at vi skal blive bedre til at håndtere de supertunge grundstoffer, og her er det nye studie et lille skridt fremad,« slutter Jens Jørgen Gaardhøje.

Det nye studie er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om det anderledes Danmarkskort og flere tal om arealet her.