Polon – od Skłodowskiej do zamachu w Londynie

To, że najbardziej polski z pierwiastków, polon, wydzielony w pocie czoła przez naszą noblistkę Marię Skłodowską-Curie, jest obecnie niemal wyłącznie produkowany w Rosji, a do tego posłużył do politycznego morderstwa, jest strasznym chichotem historii.

Pierre i Maria Curie w laboratorium (ok. 1904)
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Zacznijmy jednak od początku, czyli od tego, w jak genialny sposób małżeństwo Curie wpadło na trop nowego pierwiastka. Otrzymywali oni w bardzo żmudnym procesie pierwiastki promieniotwórcze, takie jak uran i tor, wykorzystując do tego celu blendę uranową, która jest odmianą uraninitu.

Blenda uranowa (blenda smolista)
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna


Zauważyli coś bardzo dziwnego: po ekstrakcji z mieszaniny uranu i toru pozostałość po zagęszczeniu wykazywała zaskakująco wysoką promieniotwórczość. Wysunęli hipotezę, że pochodzi ona od nieznanego jeszcze pierwiastka. Streszczając ciąg dalszy, który wielu z was zapewne zna, przerabiali w swojej pracowni tony rudy uranowej, polując na ukryty izotop radioaktywny. O tym, jak bardzo ciężka to była praca, świadczy fakt, że średnia zawartość polonu w rudzie to zaledwie 0,1 miligrama w tonie (!). Aby otrzymać choćby niewielką ilość nowego pierwiastka, musieli więc przerobić wiele ton blendy. Ale widok, który ujrzeli, wynagrodził im trudy. Otrzymany produkt świecił w ciemności pięknym, bladoniebieskim światłem. Dziś wiemy, że emisja tego światła nie pochodziła od samego polonu, ale była efektem lokalnej jonizacji powietrza cząstkami alfa emitowanymi przez izotop. Polon jest jednym z najsilniejszych emiterów alfa, izotop 210Po przekształca się przy tym w stabilny 206Pb. Polon ma ponad 40 izotopów, przy czym wszystkie są radioaktywne. Najbardziej stabilny, 209Po, ma czas półtrwania 124 lata, a najmniej stabilne zaledwie setki nanosekund.
Ktoś może spytać: OK, ale skoro najbardziej stabilny ma okres półtrwania 124 lata, to jak to jest, że w ogóle jeszcze jakieś ślady polonu zostały? Tu odpowiedzią jest szereg promieniotwórczy. Uran z głębi Ziemi rozpada się cały czas. W wyniku rozpadów promieniotwórczych tworzy się m.in. polon. Ot, i cała tajemnica. A na jak długo wystarczy uranu? Jego okres półtrwania to miliardy lat, a więc naprawdę na długo.

Dziś nikt już nie przerabia rud uranowych w celu otrzymania polonu – proces ten jest straszliwie żmudny i nieefektywny. Ponieważ na świecie cały czas jest zapotrzebowanie na ten pierwiastek, wymyślono inny sposób. Bardziej efektywny, ale wymagający dostępu do reaktora jądrowego. I mamy tu dwa sposoby: pierwszy polega na umieszczeniu wewnątrz reaktora czystego bizmutu-209 i poddaniu go promieniowaniu neutronowemu. 209Bi przekształca się w 210Bi, który z kolei emituje promieniowanie beta (elektrony), w efekcie czego dostajemy pożądany izotop 210Po. Tą drogą otrzymuje się ok. 8 g polonu miesięcznie.
Inną metodę stosuje się w reaktorach, które są chłodzone metalem, a konkretnie stopem bizmutu z ołowiem. Polon powstaje tutaj jako swoisty produkt uboczny, metoda jest znacznie mniej efektywna.
Niezależnie od metody, potem następuje stosunkowo prosty proces chemiczny – rozdziału polonu od pozostałego bizmutu. Całość traktuje się kwasem solnym, który usuwa bizmut, polon wychwytuje się na specjalnej żywicy, a następne odzyskuje przy użyciu kwasu azotowego (nie próbujcie tego w domu, nawet jeśli w piwnicy macie działający reaktor jądrowy).

No dobrze, ale do czego ten polon może służyć? Okazuje się, że ten rzadki i drogi izotop ma całkiem sporo zastosowań. Jest to bardzo istotny pierwiastek stosowany w badaniach chemicznych i biologicznych. Stosuje się go głównie w analizie aktywacyjnej, gdzie emitowane cząstki alfa powodują zmianę innych pierwiastków w izotopy promieniotwórcze, które następnie same emitują promienie badane przy pomocy odpowiednich detektorów. Pozwala to na wykrywanie pierwiastków lub związków, które trudno analizować innymi metodami. W radiochemii pierwiastek ten stosowany jest jako źródło neutronów. Tu mała uwaga: oczywiście polon sam w sobie nie emituje neutronów, ale wystarczy np. otoczyć go berylem, aby uzyskać stabilny strumień neutronów.
Przemysł stosuje polon jako element tzw. szczotek antystatycznych wszędzie tam, gdzie tworzą się ładunki statyczne. Są one często szkodliwe, ponieważ powodują przeskok iskier, który w skrajnym przypadku może prowadzić nawet do powstania ognia. Polon jonizując powietrze w okolicy neutralizuje te ładunki.

Promieniotwórczość polonu jest bardzo wysoka. 1 gram polonu wytwarza 140 W energii (temperatura rośnie aż do 500 °C), co jest bardzo wysoką wartością. Niestety, wiąże się to z tym, że źródło energii dość szybko się wyczerpuje (czas półtrwania 138 dni). Niemniej był on stosowany jako źródło energii w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych, głównie w Związku Radzieckim.

Radioizotopowy generator termoelektryczny zasilany polonem-210
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Dwa łaziki księżycowe „Łunochod” w latach 70. XX w. były wyposażone w elementy grzewcze oparte na polonie-210.
Tu jako ciekawostkę można dodać, że przez kilka lat polon był składnikiem elektrod w świecach zapłonowych. Takie świece produkowała firma Firestone w latach 1940-1953. Także tutaj istotą było zjawisko jonizacji powietrza w okolicy elektrod, co pozwalało na odsunięcie elektrod od siebie skutkujące pełniejszym spalaniem mieszanki paliwowej.

Świece zapłonowe z polonem – firma Firestone
produkowane w latach 40/50
źródło: ORAU, licencja: domena publiczna

No ale na koniec trzeba wspomnieć o ciemnej stronie polonu. Żeby nie było wątpliwości, napiszę od razu, że nie jest on chemicznie toksyczny, jak tal, rtęć czy arsen. Niemniej jest to pierwiastek śmiertelnie groźny. Jak już wiemy, 210Po emituje w sposób ciągły promieniowanie alfa. Jest ono wysokoenergetyczne, ale na szczęście wystarczy arkusz papieru, aby je zatrzymać. Jednak zupełne inaczej wygląda sytuacja, gdy polon dostanie się do wnętrza organizmu. Taki los spotkał Aleksandra Litwinienkę, byłego pracownika kontrwywiadu KGB, potem FSB, który zdecydował się uciec na Zachód. Jak wiemy, Rosja nie wybacza. W 2006 roku w Londynie dopadli go Rosjanie i poczęstowali herbatą zaprawioną polonem. Pierwotnie złe samopoczucie przypisywano zatruciu pokarmowemu, potem zatruciu talem (Litwinienko szybko stracił włosy). Dopiero w dniu śmierci, 24 listopada 2006 roku, wykryto promieniotwórczy polon. Nawet gdyby był wykryty wcześniej, los Litwinienki był przesądzony już w momencie, gdy wypił herbatę. Przyjął wtedy śmiertelną dawkę radioizotopu, nie było dla niego ratunku. Śledztwo prowadzone przez Brytyjczyków ujawniło 40 miejsc w Londynie, w których wykryto zabójczy polon. Okazało się m.in., że pojemnik z zabójczą zawartością był nieszczelny(!). Co więcej, samochód, którym poruszał się Litwinienko po „herbatce”, był na tyle zanieczyszczony polonem, że musiał zostać zutylizowany jako odpad promieniotwórczy. Ale najbardziej radioaktywny okazał się ręcznik, którego używał jeden z zabójców przed zamachem. Dwa miesiące po zdarzeniu znaleziono go w pralni hotelowej. Prawdopodobnie był to najbardziej radioaktywny ręcznik w historii. Niebezpieczny? No, już niekoniecznie – przypominam, że polon jest emiterem cząstek alfa, które mają minimalny zasięg.

Na sam koniec przypomnę palaczom tytoniu, że polon-210 jest też obecny w dymie tytoniowym. Skąd się tam bierze? To akurat bardzo proste – jest naturalnym elementem nawozów fosforowych, którymi obficie „doprawia się” uprawy tytoniu. Koncerny tytoniowe wiedzą o tym od kilkudziesięciu lat. Próbowano nawet eliminować go z liści tytoniu, ale dość szybko to zarzucono. Zbyt kosztowna sprawa, a palacze mogą nocą świecić – za papierosy już przecież zapłacili. Nie ma problemu.

https://www.theguardian.com/world/2016/mar/06/alexander-litvinenko-and-the-most-radioactive-towel-in-history

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2509609

EM poleca (#5) Atomy w naszym domu. Moje życie z Enrikiem Fermim – Laura Fermi

Chcę wam dziś zaproponować książkę, która została wydana w USA 70 lat temu, a w Polsce w 1960/61. Opublikowano ją w nieodżałowanej „Bibliotece Problemów”. Co dziwne, nigdy nie została u nas wznowiona, a szkoda. Nie poszukujcie też jej w formie e-booka, bo go po prostu nie ma. Pozostają serwisy aukcyjne i biblioteki.

fot. Mirosław Dworniczak

A książka jest naprawdę niezwykła. Owszem, jest sporo o atomach, ale napisane jest to językiem bardzo prostym, zrozumiałym dla każdego. Przede wszystkim jest to jednak książka o ludziach, głównie o fizykach, ale nie tylko. Wszystko zaczyna się jednak wspomnieniem 16-letniej Laury, która spacerując z przyjaciółmi pewnej rzymskiej niedzieli spotkała człowieka, z którym spędziła następne 30 lat. W książce znajdziemy bardzo kobiecą historię fascynacji młodej dziewczyny już uznanym w świecie naukowym fizykiem. Dowiemy się także, jak wyglądał świat lat 20. i 30. XX w. – epoki Mussoliniego, czasu faszyzmu (dodam, że Laura pochodziła z rodziny żydowskiej, co będzie miało wpływ na jej dalsze losy). Wspomnienia są też uzupełnione o historię rodziny Fermich z czasów, gdy jeszcze nie znał Laury.

Fascynujący jest cały świat ludzi, opisywany przez autorkę. Poznajemy między innymi wybitnych fizyków i matematyków pracujących wtedy we Włoszech. Autorka patrzy na nich z zewnątrz, przez pryzmat ludzki. Dowiemy się, dlaczego Fermiego nazywano „Papieżem”, a Persico „Kardynałem”. Ciekawe są opisy prowadzonych na wydziale fizyki eksperymentów z promieniotwórczością. Nie jest to oczywiście podręcznik fizyki jądrowej, nawet popularyzatorski, ale wiedza o tych tematach przewija się pomiędzy tematami czysto ludzkimi. Te wypełniają większość tekstu. Dowiemy się, jak włoscy fizycy spędzali czas wolny, co to było „Towarzystwo Antysąsiedzkie” i jakie znaczenie miały w nim kłódki, jakimi samochodami się wtedy jeździło, jak też o tym, czy astronom może zostać rzeką. Całość okraszona sympatycznym humorem. Bardzo ciekawy jest wątek Ettore Majorany, absolutnie wybitnego fizyka, którego zniknięcie do dziś jest wielką zagadką. Drugą ciekawą postacią opisaną w książce jest Bruno Pontecorvo, który nagle w 1950 roku zniknął tajemniczo z Wielkiej Brytanii, po czym nagle objawił się w Związku Radzieckim, gdzie pracował w Instytucie Jądrowym w Dubnej. Hołubiony w Moskwie, odznaczany i nagradzany. Do dziś nie wiadomo, ile wiedzy o zachodnim programie jądrowym przekazał Sowietom.
Laura opisuje dość szczegółowo okoliczności przyznania Fermiemu nagrody Nobla wraz z planami wyjazdu z Włoch do USA – na zawsze. Ciekawostka: wjeżdżając do Stanów noblista musiał, jak wszyscy inni, zdać egzamin z arytmetyki. Dostał m.in. zadanie: ile jest 15 plus 27. Uff, zdał! Autorka opisuje także własne zmagania z językiem angielskim. A sam Fermi zabrał się w USA do pracy, której ukoronowaniem było uruchomienie w 1942 roku pierwszego na świecie reaktora jądrowego, zwanego w owym czasie stosem (ang. pile). Ten fragment książki jest niezwykle sugestywny, nie opisuje kwestii fizycznych, ale czysto ludzkie reakcje na ten przełomowy moment w historii nauki i technologii.
Spory fragment książki dotyczy udziału fizyków (w tym oczywiście Fermiego) w Projekcie Manhattan, którego wynikiem była bomba jądrowa. Warto przy okazji dodać, że fragmenty dotyczące fizyki jądrowej przejrzał i poprawił wybitny fizyk włoski, odkrywca pierwiastka technet, Emilio Segre, bliski współpracownik Enrika Fermiego.
Na koniec warto dodać, że znajdziemy tam też sporo unikatowych zdjęć. Niestety, są one fatalnej jakości, a cała książka jest wydrukowana na słabym papierze. No cóż, czasy głębokiego socjalizmu.
Niemniej warto tę książkę przeczytać, gorąco polecam.

Organiczne odpadki z fabryki gwiazd – część 2

Poprzedni odcinek można znaleźć tutaj.

W poprzednim odcinku opisałem, jak w przestrzeni kosmicznej rodzą się i zapalają gwiazdy, a w nich powstają przez miliony lat pierwiastki. Teraz tę sytuację można porównać do pudełka z rozmaitymi klockami lego. Są tam klocki malutkie, ale też nieco większe. Brakuje tych największych, bo natura ich jeszcze nie stworzyła. Tak czy inaczej niektóre z tych klocków da się połączyć w pary, trójki i większe zestawy. Tu muszę podkreślić, że nie możemy przy tym posługiwać się klasycznymi podręcznikami do chemii. Owszem, część powstających połączeń będzie takich, jak na Ziemi, ale w kosmosie możliwości tworzenia wiązań jest znacznie więcej.
I nawet jeśli istnieje teoretyczna możliwość powstania niektórych połączeń chemicznych w ziemskim laboratorium, większość z nich będzie istnieć niesamowicie krótko, ponieważ będą na tyle reaktywne, że szybko połączą się z czymś, co jest tuż obok. W kosmosie powstające indywiduum chemiczne jest oddalone od możliwych reagentów, stąd jego trwałość.

Wiadomo, że nie ma szans na to, by wykonać typowe badania laboratoryjne w obłokach molekularnych czy protogwiazdach. Są one po prostu za daleko od nas. Na szczęście mamy spektroskopię, która jest najważniejszą zdalną metodą badawczą względnie nowej dyscypliny naukowej, jaką jest astrochemia.
Jak sama nazwa wskazuje, jest to połączenie astronomii (czy też astrofizyki) z chemią. Podstawowym narzędziem pracy astrochemika nie są kolby oraz probówki, ale radioteleskopy i komputery. To dzięki nim zdobywamy wiedzę o promieniowaniu emitowanym przez odległe obiekty. Jednymi z budzących największe zainteresowanie są tzw. ośrodki międzygwiazdowe (ISM – Interstellar Medium).

Efektowny ośrodek międzygwiazdowy w gwiazdozbiorze Łabędzia (Cygnus) zwany kosmiczną gąsienicą
Długość – rok świetlny (9,5 bln km)
źródło: Wikipedia, licencja: CC BY SA 4.0

Jest tam głównie gaz, plazma, pył kosmiczny oraz promieniowanie elektromagnetyczne. Panuje tam względnie niska temperatura (<3000 K), dzięki czemu mogą powstawać (i trwać) typowe wiązania chemiczne.
Kilka słów o tym, jak się to bada. Każdy atom podgrzany do pewnej temperatury zaczyna emitować promieniowanie o określonych długościach fali, charakterystycznych dla danego pierwiastka. Jest to swoisty „odcisk palca” pozwalający na jego jednoznaczną identyfikację. Z kolei jeśli mamy atomy połączone w związki, badamy głównie wiązania między atomami. Tu można sobie wyobrazić, że są to np. dwie kulki połączone sprężyną. I w takim układzie możemy obserwować oscylacje (kulki regularnie oddalają się i zbliżają do siebie) oraz rotacje (obrót całej cząsteczki). Wszystkie te ruchy przekładają się znowu na promieniowanie. Obraz emisji tego promieniowania jest oczywiście bardziej złożony niż w przypadku widm poszczególnych atomów, ale są one jak najbardziej do rozszyfrowania. Co więcej, dzięki metodom chemii kwantowej jesteśmy w stanie z dużą dokładnością bez eksperymentów laboratoryjnych przewidzieć teoretycznie wygląd tych widm.
Tu trzeba dodać jeszcze jedną rzecz. Ośrodki międzygwiezdne, podobnie jak gwiazdy i galaktyki, są w ciągłym ruchu – oddalają się (najczęściej) albo przybliżają (znacznie rzadziej) od/do miejsca obserwacji. Mamy tu do czynienia z klasycznym efektem Dopplera. Znacie to na pewno z życia codziennego, gdy mija was karetka czy straż z włączonym sygnałem dźwiękowym. Dźwięk ma inną wysokość w zależności od tego, czy samochód jedzie w naszą stronę, czy się oddala.
Dlatego też uzyskane widmo musimy odpowiednio przesunąć (mówiąc w uproszczeniu: w lewo lub prawo), aby skorygować to przesunięcie. Przy okazji możemy jednocześnie w prosty sposób wyznaczyć szybkość przybliżania się albo oddalania danego źródła promieniowania. Zauważmy tutaj, że to przesunięcie umożliwia właśnie obserwacje tych galaktyk. Trafiliśmy w idealny moment, więc powinniśmy to docenić.
Jeśli już mamy widmo umieszczone w prawidłowym miejscu na osi długości fali (czy też częstotliwości), wystarczy przyporządkować występujące piki do konkretnych wiązań odpowiednich związków – i gotowe. Tak, wystarczy… Brzmi prosto, ale diabeł tkwi w szczegółach. Nie dość, że mamy całą paletę tych związków, to jeszcze niektóre z nich mają w sobie różne izotopy tego samego pierwiastka. Weźmy chociaż prosty tlenek węgla – CO. Skoro możemy tam mieć takie izotopy węgla, jak 12C, 13C i 14C, a także 16O, 17O oraz 18O, to możliwe jest aż 9 kombinacji dwuatomowych. A przecież jest to tylko kombinacja dwóch atomów. Jeśli będzie tam CO2, liczba możliwości rośnie do 27.
Jak więc widać, analiza tych danych będzie naprawdę złożona.

Dlatego z szacunkiem przywitałem pracę dużego zespołu naukowców z Chalmers tekniska högskola (Politechnika Chalmersa – Szwecja). Analizowali oni dane uzyskane z zespołu radioteleskopów NOEMA.

Obserwatorium NOEMA (Alpy Francuskie, wys. 2500 m npm) – tu 9 z 15 radioteleskopów
źródło: Wikipedia, licencja: CC BY SA 4.0

Sięgnęli oni bardzo daleko, a więc do wczesnego Wszechświata, z którego światło wędrowało do Ziemi kilkanaście miliardów lat. Trzeba tu zdawać sobie sprawę, że w chwili, gdy to promieniowanie startowało w swoją podróż, Układu Słonecznego jeszcze oczywiście nie było. Badano obiekt w gwiazdozbiorze Rysia, noszący bardzo poetycką nazwę APM 08279+5255. W tym przypadku astrofizykom pomogło zjawisko soczewkowania grawitacyjnego (kiedyś może o tym też napiszę). Mówiąc skrótowo – jest to kwazar, czyli gwiazdopodobne źródło promieniowania, będące po prostu aktywną galaktyką, w której centrum jest równie gigantyczna czarna dziura. Gigantyczna, czyli jaka? Wyobraźmy sobie nasze poczciwe Słońce. Pomnóżmy jego masę przez 23 miliardy. No i mamy masę tej czarnej dziury.
Ale nas bardziej interesuje otoczenie tego wszystkiego, czyli gaz i pył w przestrzeni międzygwiezdnej. Dodam tylko, że samą czarną dziurę otacza obłok pary wodnej, też wielki. Jego masa jest szacowana na sto tys. mas Słońca.
No ale woda była już wykrywana w wielu miejscach Wszechświata. Ciekawsze są inne połączenia chemiczne, zwłaszcza że mamy tu spotkanie z bardzo wczesnymi obiektami, zaledwie 1,5 mld lat po powstaniu Wszechświata. Badacze zostali zaskoczeni bogactwem chemicznego zoo, które znaleźli. Część tych egzotycznych połączeń została znaleziona pierwszy raz. Cóż takiego tam mamy: tlenek węgla (CO), rodnik cyjanowy (CN – bardzo ważny), rodnik etynylowy (CCH), cyjanowodór (HCN – uwaga, toksyczny!), kation formylowy (HCO+), izocyjanowodór (HNC), siarczek węgla (CS), jon hydroniowy (H3O+), tlenek azotu(II) (NO), diazenylium (N2H+ – jeden z pierwszych obserwowanych w kosmosie), metylidyn (CH – odkryty w Kosmosie po raz pierwszy w 1937 roku) itd. Niektóre z tych związków zostały po raz pierwszy zaobserwowane na tak dużych dystansach, czyli w bardzo młodym Wszechświecie. W tym chemicznym koktajlu są składniki, które pozwalają na stworzenie znacznie bardziej złożonych związków, co jest podstawą życia, jakie znamy.
Jeśli spojrzymy na to wszystko całościowo, zauważymy, że w miejscu, które jest olbrzymią fabryką gwiazd, produkuje całą masę odpadów, które tak naprawdę odpadami przecież nie są. I właśnie one są niesamowicie interesujące dla nauki. W sumie jest to dość niezwykła sprawa – w takich miejscach, a jest ich na pewno wiele, rodzą się gwiazdy, ale też materia budulcowa, z której po milionach (albo miliardach) lat powstaną układy planetarne. Powstaje tam też materia organiczna, a więc potencjalna podstawa życia podobnego do ziemskiego.

Zadziwiający jest ten świat, a im lepiej go poznajemy, tym bardziej nas zaskakuje.

Publikacja naukowców z Chalmers

Sekrety fabryki gwiazd

Interstellar molecules (ang.)