Πρωτακτίνιο: Βρείτε μου να κάνω κάτι

Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο πρωτακτίνιο. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μάς ξεναγεί και σε μιαν άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.

Βίος και πολιτεία

Το 1871 ο ρώσος χημικός Ντμίτρι Μεντελέγεφ φτιάχνοντας τον πρώτο πίνακα των στοιχείων που εμφανίζονται στο Σύμπαν και συγκροτούν τον υλικό κόσμο γύρω μας επέμενε ότι ανάμεσα στο θόριο και στο ουράνιο έπρεπε να υπάρχει ένα ακόμη στοιχείο. Και σε μια εποχή μάλιστα όπου δεν γινόταν η κατάταξη των στοιχείων με τον ατομικό αριθμό αλλά με το ατομικό βάρος και η έννοια των ισοτόπων ήταν εντελώς άγνωστη. Ενα πρώτο βήμα έγινε το 1890 με την ανακάλυψη της ραδιενέργειας. Το 1910 ο άγγλος χημικός Γουίλιαμ Κρουκς κατάφερε από δείγμα που περιείχε ουράνιο να ξεχωρίσει και κάτι ακόμη, με έντονη ραδιενεργό εκπομπή, που δεν καθόρισε αν είναι νέο στοιχείο και του έδωσε την αόριστη προσωνυμία ουράνιο-Χ. Το 1913 ο αμερικανός, πολωνικής όμως καταγωγής, χημικός Κάζιμιρ Φάγιανς και ο γερμανός φυσικός Ο. Χ. Γκέρινγκ μελετώντας τις διασπάσεις του ουρανίου-238 που καταλήγει σε μόλυβδο έδειξαν ότι με ακτινοβολία-β στον δρόμο προς τα εκεί περνούσαν και από ένα ισότοπο του στοιχείου αυτού, το πρωτακτίνιο-234. Αλλά τότε βέβαια δεν το ήξεραν και το ονόμασαν Brevium, που σημαίνει «βραχύβιος», από το λατινικό brevis (εξ ου και το αγγλικό brief = σύντομος), διότι είχε χρόνο ημιζωής μόλις 1,17 λεπτά. Το ζεύγος των γερμανών ερευνητών Οτο Χαν και Λίζε Μάιτνερ όμως το 1917 κατάφερε, ύστερα από επιδέξιους εργαστηριακούς χειρισμούς, κυρίως της γερμανίδας χημικού, να πάρει πρωτακτίνιο-231 με χρόνο ημιζωής 32.500 έτη. Εστειλαν υλικό προς δημοσίευση τον Μάρτιο του 1918 στο επιστημονικό περιοδικό «Physikalische Zeitschrift», ενώ τον Ιούνιο του ίδιου χρόνου ο άγγλος χημικός Σόντι με τους συνεργάτες του κατέληξε και αυτός στην ανίχνευση του ίδιου στοιχείου.

Εδώ θα πρέπει, για να καταλάβουμε και τις δυσκολίες που κρύβονται πίσω από τους σκέτους αριθμούς, να αναφερθεί και το όνομα του Αριστίντ φον Γκρόσετ που το 1927 παρήγαγε 2 χιλιοστά του γραμμαρίου από την ένωση πεντοξείδιο του πρωτακτινίου και το 1934 απομόνωσε καθαρό μεταλλικό πρωτακτίνιο από ένα δέκατο του χιλιοστού του γραμμαρίου της ίδιας ένωσης, αφού την ακτινοβόλησε με δέσμη ηλεκτρονίων 35 keV ενέργειας. Ετσι ύστερα από περίπου 60 χρόνια ήλθε και η επιβεβαίωση για τον διορατικό Μεντελέγεφ, ο οποίος χωρίς πολλά μέσα στη διάθεσή του μπορούσε να προβλέπει την ύπαρξη στοιχείων προτού αυτά ανακαλυφθούν. Ο παρατηρητικός αναγνώστης του πίνακα των στοιχείων θα διαπιστώσει ότι το ατομικό βάρος του πρωτακτινίου είναι μικρότερο από το ατομικό βάρος του θορίου που προηγείται. Αυτό όμως είναι μια επιβεβαίωση ότι από τότε που διευκρινίστηκε η δομή των ατόμων τα στοιχεία μπαίνουν στον πίνακα με βάση τον ατομικό τους αριθμό και όχι το ατομικό τους βάρος.

Πρέπει να γνωρίζουμε ότι αν δύο διαφορετικές ερευνητικές ομάδες ανακαλύψουν το ίδιο στοιχείο το προβάδισμα δίδεται στην ομάδα που ανακαλύπτει το μακροβιότερο ισότοπο! Ετσι οι Γερμανοί είχαν το δικαίωμα να είναι και οι νονοί του στοιχείου έναντι αυτών που προηγήθηκαν. Το ονόμασαν πρωτοακτίνιο, υπενθυμίζοντας έτσι ότι ύστερα από ραδιενεργό εκπομπή προκύπτει από αυτό ένα άλλο στοιχείο, το ακτίνιο. Από το 1949 η ονομασία έγινε για λόγους ευφωνίας (όχι από τους Ελληνες αλλά) από την IUPAC πρωτακτίνιο.

Ατομικός αριθμός:91

Ατομικό βάρος:231,035

Σημείο τήξης: 1.840 βαθμοί Κελσίου

Σημείο ζέσης:4.000 βαθμοί Κελσίου περίπου

Πυκνότητα:15 gr/cm³

Αριθμός ισοτόπων:29

Πρόκειται για στοιχείο γκρίζο, μεταλλικό, όπου και τα 29 ισότοπά του είναι ραδιενεργά με βασική προέλευση από την αυθόρμητη διάσπαση του ουρανίου-235 και τοξικά για τον ανθρώπινο οργανισμό, εκπέμποντας σωματίδια-α (δηλαδή πυρήνες ηλίου).

Ακόμη ψάχνουν να του βρουν κάποια εκτεταμένη χρήση. Το 1961 η Αγγλική Επιτροπή Ατομικής Ενεργείας (UKAEA) από την ανακύκλωση 60 τόνων απόβλητων υλικών των πυρηνικών αντιδραστήρων, σε μια διαδικασία 12 σταδίων και με κόστος κοντά στις 500.000 δολάρια, κατάφερε να παραχθούν 125 γραμμάρια από το στοιχείο αυτό με καθαρότητα 99,9%. Αυτή η ποσότητα στη συνέχεια ήταν για χρόνια η βασική πηγή για όποιο εργαστήριο ήθελε να μελετήσει το πρωτακτίνιο.

Το πρωτακτίνιο-231 (με χρόνο ημιζωής 32.800 χρόνια) σε συνδυασμό με το θόριο-230 (75.400 χρόνια) έχει βοηθήσει τους παλαιοωκεανολόγους στη χαρτογράφηση των κινήσεων του ωκεάνιου όγκου νερού στον Βόρειο Ατλαντικό και αλλού από τον καιρό των παγετώνων! Φαίνεται απίστευτο αλλά από τον καιρό που κατασκευάστηκαν μεγάλης ευαισθησίας φασματογράφοι μάζας έγιναν ακόμη και διδακτορικές διατριβές επάνω στη μέθοδο (π.χ. βλ. εδώ: Hayes_2013_PhD_thesis_final.pdf). Σε αντίθεση με το ουράνιο, το πρωτακτίνιο και το θόριο, λόγω της κατανομής ηλεκτρονίων στην f-στιβάδα, δεν διαλύονται εύκολα στο νερό και καθιζάνουν κάποια στιγμή στον βυθό.

Είναι όμως γνωστό πως όσο βρίσκονται ακόμη στο νερό η αναλογία παραγωγής τους (το κλάσμα δηλαδή 231 Pa / 230 Th) είναι σταθερά σχεδόν πάντοτε κοντά στο 0,093. Το θόριο μένει περίπου 30 χρόνια στο νερό και το πρωτακτίνιο 150. Ετσι οι ερευνητές ξέρουν ότι το θόριο βρίσκεται περίπου κοντά στα σημεία όπου παράγεται ενώ το πρωτακτίνιο αρκετά μακρύτερα. Με πολύ προσεκτικές μετρήσεις των αποκλίσεων από τον λόγο 0,093 και αφαίρεση διαφόρων συνεισφορών από διάφορους ωκεανογραφικούς παράγοντες οι ερευνητές φτιάχνουν χάρτες (π.χ. πρόγραμμα «Geotraces») για την κίνηση των νερών για εποχές ακόμη και πριν από 175.000 χρόνια.

Η σχετική διαπίστωση έχει να κάνει με το ότι τα περισσότερα ξενοδοχεία πλέον διαθέτουν ανιχνευτές ιονισμού (υπάρχουν και ανιχνευτές φωτοδιόδων), για τον καπνό στα δωμάτια. Υπάρχουν λοιπόν αυτοί χάρη στην παρουσία μικρής ποσότητας οξειδίου του αμερικίου. Με το αμερίκιο να αντιπροσωπεύεται από το ισότοπο αμερίκιο-241. Επειδή αυτό το ισότοπο είναι ασταθές, εκπέμπει σωματίδια-α, δηλαδή πυρήνες ηλίου, που είναι «κομμάτια» από τον πυρήνα του και αποτελούνται από δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια. Χάνοντας όμως τα τέσσερα αυτά σωματίδια μεταπίπτει, όπως λέγεται –στην ουσία μεταμορφώνεται -, σε ένα άλλο στοιχείο, το ποσειδώνιο-237. Και επειδή και αυτό είναι ενεργειακά ασταθές, χάνοντας άλλο ένα σωματίδιο-α γίνεται πρωτακτίνιο-233. Τι γίνεται όμως με τον ανιχνευτή καπνού; Η εκπομπή σωματιδίων-α είναι συνεχής. Μέρος του αέρα, που αποτελείται κυρίως από μόρια οξυγόνου και αζώτου, μπαίνει σε έναν θάλαμο ιονισμού, στην ουσία βρίσκεται ανάμεσα σε δύο λεπτές μεταλλικές πλάκες, με σύνδεση η μία σε θετικό και η άλλη σε αρνητικό πόλο. Τα σωματίδια-α κατορθώνουν ακατάπαυστα όλο και κάποιο από τα μόρια του οξυγόνου ή του αζώτου να συναντήσουν και να διώξουν ένα ηλεκτρόνιο, οπότε τα φορτισμένα σωματίδια, τα με θετικό φορτίο ιόντα οξυγόνου και αζώτου και τα με αρνητικό φορτίο ηλεκτρόνια, έλκονται από τις αντίστοιχες αντίθετα φορτισμένες πλάκες και στην ουσία έχουμε μια συνεχή ροή πολύ μικρού ρεύματος που είναι αρκετό για να κρατιέται ήρεμος ο ανιχνευτής και να παράγεται και λίγο πρωτακτίνιο. Αν όμως υπάρχει καπνός, εξουδετερώνονται από τα μόριά του τα φορτισμένα σωματίδια, παύει να ρέει ρεύμα και ο ανιχνευτής αρχίζει να… ουρλιάζει (γι’ αυτό κάποιοι τύποι που ξέρουν τα κόλπα ντύνουν τον ανιχνευτή με ένα προφυλακτικό, που αποδεικνύεται τόσο στεγανό ώστε είναι αδύνατο να εισχωρήσουν τα σωματίδια του καπνού!).

Οχι, οι ποσότητες είναι πολύ μικρές και τα ραδιενεργά υλικά με τη μορφή οξειδίων μπορούν να περάσουν και μέσα από το σώμα και να αποβληθούν πολύ γρήγορα.