Huszadik századi "alkímia"

A régi aranycsinálók abból az elképzelésbõl indultak ki, hogy minden anyag négy elembõl, földbõl, tûzbõl, levegõbõl és vízbõl épül fel, s az "összetétel" megváltoztatásával a bölcsek kövének birtokában a fémek átalakíthatók egymássá.  A bölcsek kövét elõször a hellenisztikus írások említik (Kr. e. IV. sz. vége Kr. u. VI. sz. eleje). Van Helmont (15771644), akit Boyle is nagyra tartott, arról számolt be, hogy higanyból 2000-szeres mennyiségû aranyat készített a bölcsek kövének negyed granumjával (16 mg), amelyet egy idegentõl kapott. Jelentõs írásaiban mégis az alkímia végét, az elemek átalakításának valószínûtlenségét érzékelteti. Arra a következtetésre jut, hogy a fémeket nem emésztik el a savak, hanem visszanyerhetõk, és ha egy fém egy másikat kicsap az oldatából, nincs transzmutáció.

Annak ellenére, hogy a XVIII. sz. második felében a kémiát elsõsorban Lavoisier hatására rendszerezték, a transzmutáció fogalma nem tûnt el egészen. Joseph Priestley 1777-ben valakirõl azt írta, hogy nem mondott le egészen a bölcsek kövének megtalálásáról,1 E. J. Moore pedig 1918-ban megállapította, hogy "sok vegyész még ma is hisz a transzmutáció lehetõségében, de valószínûleg senki sem gondolja, hogy valaha is gyümölcsözõ vállalkozás alapja lesz".2

Aranykor
Századunk elsõ 25 évében többször is hírt adtak transzmutációról, de csak egyetlen vitathatatlan eredmény született: Rutherford 1919-ben nitrogén-14-et oxigén-17-té alakított át a-részecskékkel. Két másik bejelentés az alkímia határán mozog; mindkettõ brit szabadalomként látott napvilágot és fõként arany elõállítására vonatkozik.

Az elsõ találmány
Marie Roux 1910-ben szabadalmaztatott egy eljárást, amellyel "arzenátoktól, széntõl, foszfortól, kéntõl, vas-protoxidtól és vas-peroxidtól*, palától és grafittól" mentes vasport elõször ezüstté alakított át. A "transzmutálószer" szilícium-dioxid volt, amelyet 39:1 arányban kellett a vashoz keverni. Az elektromos kemencébe helyezett anyag 1015 perces hevítés után átalakult, és hûléskor kis ezüsterecskék jelentek meg, amelyeket higannyal vonhattak ki és desztillációval választhattak el. Sõt, ha vas helyett ezüstöt használtak, Roux leírása szerint aranygömböcskék szilárdultak meg az üvegszerû szilícium-dioxidon.3 Roux úgy vélte, hogy egyedül a hõ (3500 oC) idézte elõ a változást, és hatását a szilícium-dioxid csak elõsegítette. A keletkezett termékek mennyiségét a feltaláló nem közölte, és a kiindulási anyagok ezüst-/aranytartalmát sem adta meg.

A második találmány
A következõ évben még furcsább találmány vált szabadalommá. Albert Verley közlése szerint a vas mágnesezése és sósavas oldása után "a vas-oxiddal és a vassókkal együtt folyamatosan keletkezik egy vízben oldható anyag, amely vízgõzzel desztillálható, és bizonyos körülmények között nemesfémekké, nevezetesen arannyá, ezüstté és platinává képes átalakulni". A mennyiségekrõl most sem esik szó, de Verley beszámol az eljárás bizonytalanságáról: "Az egyes nemesfémekbõl képzõdõ mennyiség eddig nem teljesen meghatározott módon függ a mûvelet körülményeitõl, de nyilvánvalóan függ a mágneses térerõsségtõl, a vas oldásához használt vízzel kevert anyag természetétõl és a fény vagy az aktinikus sugarak intenzitásától."4

Ramsay nitonja
Sir William Ramsay

Kevésbé emlékeztet az alkímiára két kísérletsorozat, amelyet az elõbbi két szabadalammal ellentétben szigorú bírálatnak vetettek alá. Az elsõt William Ramsay kutatócsoportja hajtotta végre a london University College laboratóriumaiban.5 Ramsay-t 1902-ben ütötték lovaggá, és 1904-ben tüntették ki kémiai Nobel-díjjal. 1894-ben Rayleigh-vel együtt nyerte ki és írta le az elsõ nemesgázt, az argont. Késõbb asszisztensével, Morris Traversszel fedezte fel a neont, a kriptont és a xenont. A radont, amelyet Ramsay és kortársai "niton"-nak neveztek, Frederick Soddy nyerte ki elõször 1904-ben. Ramsay érdeklõdését felkeltette az új elem. Megállapította, hogy a többi nemesgáztól eltérõen "... a természet egyik legpotensebb, ha nem a legpotensebb kémiai ágense". 1911-ben a British Association elõtt tartott elõadást kísérleteirõl: "A niton energiáját különbözõ célokra próbáltam felhasználni: ez az energia komponenseire bontja a vizet, az ammóniát, a hidrogén-kloridot és a szén-dioxidot; a rézsókkal folytatott további vizsgálatok azt mutatták, hogy hatására a fémréz részben lítiummá, a nátriumcsoport egyik fémévé alakult át, és hasonló kísérletek ... arra utalnak, hogy a tórium, a cirkónium, a titán és a szilícium szénné bomlik le."

Ramsay-t izgatta a transzmutáció lehetõsége.6 Talán Ostwald (18871905) is hatott rá, aki úgy gondolta, tévedés, hogy a világ atomokból épül fel, s a fizikai jelenségek az energia különbözõ formáinak kölcsönhatásából születnek. Lehet, hogy ez az elképzelés állt azoknak a kísérleteknek a hátterében, amelyeket Soddyval végzett és 1904-ben publikált a héliumatomok átalakításáról: a héliumból radon hatására kripton képzõdött. Travers azt is leírja, hogy Ramsay soha nem tudta megismételni a kísérletet. A nagy energiájú sugárzással kiváltott kémiai változás azonban Ramsay fontos kutatási területe maradt. 1906-ban (J. E. Spencerrel) ultraibolya sugárzással próbált változást elõidézni fémekben. Nem sikerült, de továbbra is abban reménykedett, hogy a radon energiájával elektronokat szakíthat le irreverzibilisen a megfelelõ fémionokról, s így olyan részecskék keletkeznek, amelyek transzmutált termékekké hullhatnak szét.

A. T. Cameronnal 1907-ben a víz pszeudo-elektrolitikus bontására vonatkozó korábbi kísérleteket terjesztette ki (a folyamatban hidrogén és oxigén keletkezett). A réz(II)-nitrát vizes oldatát radongázzal kezelte abban a reményben, hogy fémréz keletkezik. A spektrokémiai elemzés azonban réz helyett lítiumot mutatott ki (a nátrium és az argon mellett). Az "izgalmas átalakulást" Ramsay a nemesgázok csoportjában lejátszódó, jól dokumentált radon > hélium átalakulás párjának tekintette, mert a réz és a lítium is ugyanabba a csoportba tartozik a periódusos rendszerben (Ia és Ib). A lítium vörös vonalának intenzitása alapján kiszámította, hogy 0,8 g réz-nitrátból 0,00017 mg lítium keletkezett. Összehasonlító kísérleteket is végzett, amelyekben nem képzõdött lítium. Ez idõ tájt mutatta ki, hogy radon hatására a desztillált vízbõl, amely egy kevés réz-szulfátot tartalmazott, hidrogénen és oxigénen kívül nyomnyi neon is keletkezett az "atomi változás" eredményeként. Felfedezéseit Ramsay mérföldköveknek tekintette a tudomány fejlõdésében, s úgy vélte, beváltották Faraday 1815-ös jóslatát: "... a fémek bontása és az átalakítás egykor képtelen gondolatának megvalósítása a vegyészek feladata lesz".

Curie és Rutherford vizsgálatai
Ramsay állításait többen megvizsgálták. Edgar Perman, a cardiffi University College munkatársa, rézsókat akart lítiummá alakítani rádiummal (amely bomlása során radongázt bocsát ki). Perman zárt berendezést használt, hogy a radon hatása minél nagyobb legyen, de a négy hónapig tartó kísérletek során nem talált lítiumnyomokat. Ugyanebben az évben (1908-ban) Marie Curie, Gleditch kisasszony segítségével, szigorúan lítiummentes berendezéssel és reagensekkel megismételte Ramsay kísérleteit. (Nem használtak például kvarcedényeket, mert a kvarc tartalmazhat lítiumot.) A platinaberendezésben se nátriumot, se lítiumot nem mutattak ki a folyamat végén. Marie Curie, mielõtt az eredményeket közölte volna, tájékoztatta Ramsay-t, és azt tanácsolta, hogy ismételje meg a kísérleteket. Ramsay azonban így írt Emil Fischernek: "Mme Curie tanácsa ellenére nem ismétlem meg a rézlítium átalakítási kísérletet. Mindössze annyit mondhatok, hogy nekem sikerült az átalakítás, neki nem."

Rutherford azt vizsgálta, hogy elõállítható-e neon a radon és a víz kölcsönhatásából, ahogy Ramsay állította. Royddal együtt öt kísérletet végzett 150 mg rádiummal (mint radonforrással). A hidrogént és az oxigént robbantással távolították el, és a maradék gáz(oka)t spektroszkóppal vizsgálták meg. Négy kísérletben csak a hélium spektrumvonalait észlelték. Az ötödikben neonvonalakat is láttak, de hamarosan kiderült, hogy levegõ került a készülékbe. Rutherford arra a megállapításra jutott, hogy Ramsay pozitív eredményei a berendezésbe beszivárgott levegõnek tulajdoníthatók.

Marie Curie-nek talán igaza volt: a Ramsay által észlelt lítium származhatott az üvegbõl, de az összehasonlító kísérletekben (amikor nem haszáltak radont) nem mutattak ki lítiumot, ami kizárja ezt a lehetõséget. A radonos és a radon nélküli kísérletsorozatban azonban nem egyforma készüléket használtak. Az elõzõ esetben a berendezésen üvegdugó is volt. Travers véleménye szerint6 "a lombikbeli folyadékok viselkedése közötti különbség (a kontroll- és a radonos kísérletben) nemcsak a radonnak,  hanem egy kevés csapzsírmaradéknak is betudható. A csapzsírt mindig nyitott, széles szájú üvegben tartottuk, amely általában az egyik polcon állt. Ramsay állandóan cigarettázott ... és hamut a legközelebbi polc szélén verte le a padlóra vagy éppen magára a polcra. ... Csak Ramsay és kollégái nyúltak a polcokhoz, amelyeket rendszerint por borított. Azóta kiderült, hogy a cigartettahamu fél százalék lítiumot tartalmaz. A finom hamu leülepedhetett a csapzsír felszínére, rákerülhetett a dugóra és innen a lombikra. Valószínûleg ezzel magyarázható Ramsay kísérlete."

Ramsay-t nem térítette el munkájától, hogy Curie is, Rutherford is megkérdõjelezte a lítiumhoz és a neonhoz vezetõ átalakulásokat. 1909-ben F. L. Usherrel arról számolt be, hogy a rádiumemanációk a tóriumoldatokat szénné (szén-dioxiddá) alakíthatják át. A kísérletet ezúttal Herschfinkel ismételte meg, aki a szén-dioxidot a tóriumsók szerves szennyezéseire vezette vissza. 1912-ben Ramsay ismét a neon elõállítását tûzte ki célul, és bejelentette, hogy ha fluoritot oxigén jelenlétében katódsugarakkal bombáznak, neon keletkezik. Késõbb J. N. Collie-val kimutatta, hogy a kalcium-fluorit nem játszik fontos szerepet a folyamatban. Kísérleteik szerint akkor is keletkezik neon, ha katódsugár-kisülés megy végbe hidrogénben. Soddy óvatosan kommentálta a megállapítást: "... nem lenne tisztességes, ha azt a következtetést vonnánk le, hogy a kimutatott neonnak a légkörbõl kell szükségképpen származnia". De a dugó nélküli készülékben nem keletkezett neon, és a kutatók ismét arra gondoltak, hogy a gáz a levegõbõl került a berendezésbe. Sir J. J. Thomson kajánul szemlélte a neon szeszélyes megjelenését és eltûnését: "... soha semmilyen bizonyítékát nem láttam annak, hogy valamely atom ilyen behatásra másfajta atommá változzék: más szóval, hogy ezzel a módszerrel az elemeket transzmutációra késztethetnénk."

Higanyból arany
A transzmutációk körüli második komoly vitát Adolph Miethe munkája indította el 1924-ben. Miethe Berlinben dolgozott, a Charlottenburgi Mûszaki Egyetemen. Ramsay elemátalakításai csak tudományos körökben váltottak ki érdeklõdést 0,00017 mg lítium miért kavarta volna fel a közvéleményt?  Miethe azonban arról számolt be, hogy higanyból állított elõ aranyat nem csoda, ha bejelentése az újságok címlapjára került.

Miete 1,52 kg, közönséges ultraibolya lámpával 197 órán át besugárzott higanyból kapott 0,08216 mg aranyat.7 A következõ évben a tokiói H. Nagaoka büszkélkedett azzal, hogy aranyat állított elõ, amikor olajon át vezetett elektromos kisülést higanyelektródhoz. Miethe bejelentése azonban nagyobb vitát váltott ki.

Soddy 1924-ben lehetségesnek tartotta az átalakítást: "Már Miethe professzor bejelentése elõtt is világos volt számomra egy ideje, hogy ha elegendõ nagy feszültségû kisülést bocsátanak át higanygõzön, nemcsak végbemehet ilyen transzmutáció, hanem elkerülhetetlen."8 Soddy úgy gondolta, hogy ha a higany atommagja befog egy elektront, az elem rendszáma eggyel csökken, és aranyatom keletkezik, de azt is megjegyezte, hogy Miethe eredményeit újabb kísérletekkel kell alátámasztani.

Miethe megállapításait többen is támadták. Honigschmidt és Zintl szerint a Miethe-féle arany relatív atomtömege 197,26-nak adódik. Ennyi jönne ki, ha az arany Hg-197-bõl keletkezne elektronbombázással, de Aston ugyanebben az évben, 1925-ben tömegspektrográfjával kimutatta, hogy a legkisebb tömegû higanyizotóp a Hg-198. Késõbb kiderült, hogy a természetes higany 0,15 százaléka Hg-196, de nem valószínû, hogy ez 197-es izotóppá alakul át. Az 1921-es nemzetközi atomsúly-skálán az arany 197,2-es értékkel szerepel, ami gyanúsan közel esik a Miethe aranyára kapott értékhez. Miethe átalakítása ellen az hozható fel legfõképpen, hogy mások nem tudták megismételni.9

Csak az 1950-es évek végén került ismét szóba a "modern" aranycsinálás: tantál atommagok nehézionos (C-12) bombázásával sikerült egy könnyû aranyizotópot (Au-188) elõállítani. Néhány éve, 1992-ben John Bockris, a Texas A&M University kémiaprofesszora kutatási programot indított el bizonyos Joe Champion bejelentése alapján: Champion azt állította, hogy eljárást dolgozott ki, amellyel az ezüst arannyá alakítható át. A kísérletek során kálium-nitrát, szén és "különbözõ sók" keverékeit gyújtották meg, és állítólag mérhetõ mennyiségû aranyat kaptak. De miután Chapman kivált a csoportból, semmi sem alakult át arannyá, se más elemmé, és professzortársai felszólították Bockrist, hogy vonuljon nyugdíjba.10

Rutherford az utolsó szó
Az elemátalakításokról szóló korábbi bejelentéseket összegezve Rutherford, a "valódi" transzmutációs kémia atyja 1930-ban azt mondta: "Aligha fér hozzá kétség, hogy a gyors a-részecskéktõl eltérõ anyagokkal végzett transzmutációk nem hihetõk. Az elemek megjelenését az összes leírt esetben összetévesztették a képzõdésükkel."11

Az Education in Chemistry 1998. januári
számában megjelent cikk alapján

*A régi elnevezés szerint a protoxidban egy elem a lehetõ legkevesebb, a peroxidban a lehetõ legtöbb oxigénnel vegyül.

1. A. T. Dronsfield and I. Tracey, Educ. Chem., 1995, 32(2), GG.
2. E. J. Moore, History of chemistry. New York: McGraw-Hill, 1918.
3. M. Roux, British patent 26 365, 1910.
4. A. Verley, British patent 28 595, 1911.
5. T. J. Trenn (ed), Radioactivity and atomic theory. London: Taylor & Francis, 1975.
6. M. W. Travers, A life of Sir William Ramsay. London: Edward Arnold, 1956.
7. A. Mieste, Naturwiss., 1924, 29, 597.
8. F. Soddy, Nature (London), 1924, 114, 244.
9. H. H. Sheldon and R. S. Estey, Ind. Eng. Chem., 1926, 4(23), 5.
10. R. Pool, Science, 1993, 262, 1367.
11. E. Rutherford, J. Chadwick and C. D. Ellis, Radiations from radioactive substances. Cambridge: CUP 1930.


Vissza a Teázóba http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/