La storia dell'alchimia è in gran parte la storia della scoperta di un modo per trasformare il piombo o il mercurio in oro. A proposito di reale scoperte chimiche, cosa che facevano gli alchimisti del Medioevo lungo questo percorso, spesso parlavano con disinvoltura, senza molta attenzione. La cosa principale che stavano cercando era il Magistero (noto anche come tintura rossa, panacea della vita, elisir di lunga vita, pietra filosofale) - una certa sostanza, un reagente che avrebbe permesso di ottenere nobili da metalli di base.
Non si sa con certezza se qualcuno sia riuscito a ottenere l'oro dal mercurio e dal piombo mediante una reazione chimica, anche se ci sono ancora molte leggende al riguardo. Tuttavia, a metà del XX secolo, un gruppo di fisici americani riuscì a ottenere una piccola quantità di un isotopo stabile dell'oro dal mercurio, ma solo attraverso la fisica nucleare. La trasformazione dei metalli, detta anche trasmutazione, si è rivelata possibile!
La storia inizia nel 1940. Quindi, in diversi laboratori in tutto il mondo, iniziarono a essere condotti esperimenti sul bombardamento del mercurio, che è adiacente all'oro nella tavola periodica di Mendeleev, con neutroni veloci. I primi risultati positivi degli esperimenti furono annunciati nell'aprile 1941 in una riunione di fisici americani a Nashville dagli scienziati di Harvard A. Sherr e K. T. Bainbridge.
Sono riusciti a ottenere tre isotopi dell'oro con numeri di massa 198, 199 e 200. Ma non erano stabili e si sono trasformati nuovamente in mercurio nell'arco di alcune ore o diversi giorni.
Era necessario un modo per ottenere un isotopo naturale: l'oro-197. Questo percorso, sebbene non intenzionale, è stato seguito dai dipendenti del laboratorio del professor Arthur Dempster: i fisici Ingram, Hess e Haydn. (Arthur Dempster è famoso per aver creato il primo spettrometro di massa moderno e per aver scoperto, insieme a F. Aston, un numero record di isotopi di elementi chimici).
Nel marzo 1947, questo gruppo di scienziati, mentre studiava il processo di cattura dei neutroni da parte dei nuclei atomici, riuscì a ottenere come sottoprodotto l'oro-197 desiderato. È stato “estratto” da 100 milligrammi di mercurio-196 irradiandolo con neutroni moderati in un reattore nucleare.
La resa dell'oro stabile era di soli 35 µg. Questa, per gli standard scientifici, è una quantità abbastanza tangibile di oro artificiale. Una pubblicazione sulla scoperta è apparsa sulla rivista Physical Review. Ma il grande pubblico naturalmente non ha notato l’articolo intitolato “Sezioni d’urto efficaci per la cattura dei neutroni da parte degli isotopi del mercurio”.
Tuttavia, nel 1949, un certo giornalista “giallo” pubblicò un articolo sull’inizio della produzione di oro nei reattori nucleari. Il risultato della pubblicazione è stato il panico sulle borse francesi, che ha portato al crollo dei prezzi dell'oro. Il panico cessò solo nel 1950, quando la rivista Atoms pubblicò un articolo, “Trasmutazione di mercurio in oro”, in cui si riferiva che il costo di produzione dell’oro artificiale dal mercurio è molte volte superiore al costo di estrazione dell’oro naturale dal mercurio. il minerale d'oro più squallido.
35 microgrammi di oro artificiale sono ancora conservati a Chicago, nel Museo della Scienza e dell'Industria. Da allora, nessuno si è impegnato seriamente nella produzione di oro-197 da metalli vili né ha cercato di ridurre il costo della tecnologia.
Nel 21° secolo, dal mercurio-198 si ottiene l'oro radioattivo instabile-198, che viene utilizzato come medicinale per ottenere radiografie degli organi del corpo umano (invece dei raggi X) e per trattare i tumori cancerosi. Si scopre che gli atomi di tale oro funzionano come piccoli tubi a raggi X e uccidono le cellule tumorali in un'area strettamente definita del corpo.
E nel 21° secolo fiorisce l’“alchimia inversa”. Dall'oro, ad esempio, si ottengono isotopi degli elementi scientificamente preziosi francio e astato, che semplicemente non esistono in natura.
Foto: “Goden Eggs in Carton” (corbisimages.com/photographer/bevis-boobacca), Arthur Dempster (American Institute of Physics)
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Oro prodotto in un reattore nucleare
Nel 1935, il fisico americano Arthur Dempster riuscì a realizzarlo determinazione spettrografica di massa degli isotopi contenuto nell'uranio naturale. Durante gli esperimenti, Dempster studiò anche la composizione isotopica dell'oro e scoprì un solo isotopo: l'oro-197. Non c'era alcuna indicazione dell'esistenza dell'oro-199. Alcuni scienziati presumevano che dovesse esistere un isotopo pesante dell'oro, poiché all'oro a quel tempo veniva assegnata una massa atomica relativa di 197,2. Tuttavia, l'oro è un elemento monoisotopico. Pertanto, coloro che desiderano ottenere artificialmente questo ambito metallo nobile devono indirizzare tutti gli sforzi alla sintesi dell'unico isotopo stabile: l'oro-197.
Le notizie di esperimenti riusciti nella produzione di oro artificiale hanno sempre suscitato preoccupazione negli ambienti finanziari e dominanti. Era così ai tempi dei governanti romani, e rimane così anche adesso. Non sorprende quindi che un rapporto secco sulle ricerche del Laboratorio Nazionale di Chicago da parte del gruppo del professor Dempster abbia recentemente suscitato entusiasmo nel mondo finanziario capitalista: in un reattore nucleare si può ottenere l’oro dal mercurio! Questo è il caso più recente e convincente di trasformazione alchemica.
Ciò iniziò nel lontano 1940, quando in alcuni laboratori di fisica nucleare si cominciò a bombardare gli elementi adiacenti all'oro - mercurio e platino - con neutroni veloci ottenuti utilizzando un ciclotrone. In una riunione di fisici americani a Nashville nell'aprile 1941, A. Sherr e K. T. Bainbridge dell'Università di Harvard riferirono sui risultati positivi di tali esperimenti. Hanno inviato deutoni accelerati a un bersaglio di litio e hanno ottenuto un flusso di neutroni veloci, che è stato utilizzato per bombardare i nuclei di mercurio. Come risultato della trasformazione nucleare, è stato ottenuto l'oro!
Tre nuovi isotopi con numeri di massa 198, 199 e 200. Tuttavia, questi isotopi non erano stabili come l'isotopo naturale oro-197. Emettendo raggi beta, dopo poche ore o giorni si convertirono nuovamente in isotopi stabili di mercurio con numeri di massa di 198, 199 e 200. Di conseguenza, i moderni aderenti all'alchimia non avevano motivo di rallegrarsi. L'oro che si trasforma in mercurio non ha valore: è oro ingannevole. Tuttavia, gli scienziati si sono rallegrati della riuscita trasformazione degli elementi. Sono stati in grado di espandere la loro conoscenza degli isotopi artificiali dell'oro.
La base della “trasmutazione” operata da Sherr e Bainbridge è la cosiddetta ( N, P) -reazione: il nucleo di un atomo di mercurio che assorbe un neutrone N, si trasforma in un isotopo dell'oro e rilascia un protone R.
Il mercurio naturale contiene sette isotopi quantità diverse: 196 (0,146%), 198 (10,02%), 199 (16,84%), 200 (23,13%), 201 (13,22%), 202 (29,80%) e 204 (6,85%). Poiché Sherr e Bainbridge trovarono isotopi dell'oro con numeri di massa 198, 199 e 200, si deve presumere che quest'ultimo derivi da isotopi del mercurio con gli stessi numeri di massa. Per esempio:
198Hg+ N= 198 Au+ R
Questa ipotesi sembra giustificata: dopo tutto, questi isotopi del mercurio sono abbastanza comuni.
La probabilità che si verifichi una reazione nucleare è determinata principalmente dal cosiddetto sezione trasversale di presa efficace nucleo atomico in relazione alla corrispondente particella bombardante. Pertanto, i collaboratori del professor Dempster, i fisici Ingram, Hess e Haydn, hanno cercato di determinare con precisione la sezione trasversale effettiva per la cattura dei neutroni da parte degli isotopi naturali del mercurio. Nel marzo 1947 furono in grado di dimostrare che gli isotopi con numeri di massa 196 e 199 avevano le sezioni d'urto di cattura di neutroni più grandi e quindi avevano la maggiore probabilità di diventare oro. Come un suo "sottoprodotto". ricerca sperimentale hanno ottenuto... oro! Esattamente 35 mcg, ottenuti da 100 mg di mercurio dopo irradiazione con neutroni moderati in un reattore nucleare. Ciò equivale ad una resa dello 0,035%, tuttavia, se la quantità di oro trovata viene attribuita solo al mercurio-196, si otterrà una resa solida del 24%, poiché l'oro-197 è formato solo dall'isotopo del mercurio con un numero di massa 196.
Con i neutroni veloci si verificano spesso ( N, R) reazioni e con neutroni lenti - principalmente ( N, γ)-trasformazioni. L'oro scoperto dai dipendenti di Dempster è stato formato come segue:
196Hg+ N= 197 Hg* + γ
197Hg*+ e- = 197 Au
Di conseguenza, il mercurio instabile-197 formato dal processo (n, γ) si trasforma in oro-197 stabile K-cattura (elettrone da K-gusci del proprio atomo).
Così Ingram, Hess e Haydn sintetizzarono quantità significative di oro artificiale in un reattore atomico! Nonostante ciò, la loro "sintesi dell'oro" non ha allarmato nessuno, poiché solo gli scienziati che hanno seguito attentamente le pubblicazioni sulla Physical Review ne sono venuti a conoscenza. Il rapporto era breve e probabilmente non abbastanza interessante per molti a causa del titolo insignificante: “Sezioni d’urto di neutroni per isotopi di mercurio” ( Sezioni d'urto efficaci per la cattura di neutroni per gli isotopi del mercurio).
Tuttavia, il caso volle che due anni dopo, nel 1949, un giornalista eccessivamente zelante raccolse questo messaggio puramente scientifico e, ad alta voce in stile mercato, annunciò alla stampa mondiale la produzione di oro in un reattore nucleare. In seguito a ciò, in Francia si è verificata una grande confusione al momento della quotazione dell'oro in borsa. Sembrava che gli eventi si stessero svolgendo esattamente come li aveva immaginati Rudolf Daumann, che nel suo romanzo di fantascienza predisse “la fine dell’oro”.
Tuttavia, l’oro artificiale prodotto in un reattore nucleare si è fatto attendere. Non c’era alcuna possibilità che avrebbe inondato i mercati del mondo. A proposito, il professor Dempster non aveva dubbi al riguardo. A poco a poco il mercato dei capitali francese si è nuovamente calmato. Questo è non ultimo merito della rivista francese "Atoms", che pubblicò nel numero di gennaio 1950 un articolo: "La transmutation du mercure en or" ( Trasmutazione del mercurio in oro).
Sebbene la rivista riconoscesse in linea di principio la possibilità di produrre oro dal mercurio mediante una reazione nucleare, assicurava ai suoi lettori quanto segue: il prezzo di un metallo nobile così artificiale sarebbe molte volte superiore a quello dell'oro naturale estratto dai minerali d'oro più poveri!
I dipendenti di Dempster non potevano negarsi il piacere di ottenere una certa quantità di tale oro artificiale nel reattore. Da allora, questa piccola e curiosa mostra ha abbellito il Museo della Scienza e dell'Industria di Chicago. Questa rarità - testimonianza dell'arte degli "alchimisti" nell'era atomica - poté essere ammirata durante la Conferenza di Ginevra dell'agosto 1955.
Dal punto di vista della fisica nucleare sono possibili diverse trasformazioni degli atomi in oro. Finalmente sveleremo il segreto della pietra filosofale e ti diremo come fare l'oro. Sottolineiamo che l'unica via possibile è la trasformazione dei nuclei. Tutte le altre ricette dell'alchimia classica che sono arrivate fino a noi non hanno valore, portano solo all'inganno.
L'oro stabile, 197Au, potrebbe essere prodotto dal decadimento radioattivo di alcuni isotopi di elementi vicini. Questo è ciò che ci insegna la cosiddetta mappa dei nuclidi, che presenta tutti gli isotopi conosciuti e le possibili direzioni del loro decadimento. Pertanto, l'oro-197 è formato dal mercurio-197, che emette raggi beta, o da tale mercurio mediante cattura K. Sarebbe anche possibile produrre oro dal tallio-201 se questo isotopo emettesse raggi alfa. Tuttavia, ciò non viene osservato. Come si può ottenere un isotopo del mercurio con numero di massa pari a 197, che non esiste in natura? In teoria, può essere ottenuto dal tallio-197 e quest'ultimo dal piombo-197. Entrambi i nuclidi si trasformano spontaneamente rispettivamente in mercurio-197 e tallio-197, con la cattura di un elettrone. In pratica, questa sarebbe l’unica, anche se solo teorica, possibilità di ricavare oro dal piombo. Tuttavia, anche il piombo-197 è solo un isotopo artificiale, che deve prima essere ottenuto mediante una reazione nucleare. Non funzionerà con il piombo naturale.
Anche gli isotopi del platino 197Pt e del mercurio 197Hg si ottengono solo mediante trasformazioni nucleari. Solo le reazioni basate sugli isotopi naturali sono realmente possibili. Come materiale di partenza sono adatti solo 196 Hg, 198 Hg e 194 Pt. Questi isotopi potrebbero essere bombardati con neutroni accelerati o particelle alfa per produrre le seguenti reazioni:
196Hg+ N= 197 Hg* + γ
198Hg+ N= 197Hg* + 2n
194 Pt + 4 He = 197 Hg* + N
Con lo stesso successo si potrebbe ottenere l'isotopo di platino desiderato da 194 Pt mediante ( N, γ)-trasformazione da 200 Hg a ( N, α) -processo. Allo stesso tempo, naturalmente, non dobbiamo dimenticare che l'oro naturale e il platino sono costituiti da una miscela di isotopi, quindi in ogni caso bisogna tenere conto delle reazioni concorrenti. Alla fine l'oro puro dovrà essere isolato da una miscela di vari nuclidi e isotopi non reagiti. Questo processo sarà molto costoso. La trasformazione del platino in oro dovrà essere abbandonata del tutto per ragioni economiche: come sapete, il platino è più costoso dell'oro.
Un'altra opzione per la sintesi dell'oro è la trasformazione nucleare diretta degli isotopi naturali, ad esempio, secondo le seguenti equazioni:
200Hg+ R= 197 Au + 4 He
199 Hg + 2 D = 197 Au + 4 He
Porterebbe anche all’oro-197 (γ, R) -processo (mercurio-198), (α, R) -processo (platino-194) o ( R, γ) o (D, N)-trasformazione (platino-196). L'unica domanda è se ciò sia praticamente possibile e, in tal caso, sia anche conveniente in termini di costi per i motivi citati. Sarebbe economico solo un bombardamento a lungo termine del mercurio con neutroni, che sono presenti in una concentrazione sufficiente nel reattore. Altre particelle dovrebbero essere prodotte o accelerate in un ciclotrone, un metodo noto per produrre solo piccole quantità di sostanze.
Se il mercurio naturale viene esposto a un flusso di neutroni in un reattore, oltre all'oro stabile, si forma principalmente oro radioattivo. Questo oro radioattivo (con numeri di massa 198, 199 e 200) ha una vita molto breve e nel giro di pochi giorni ritorna alle sue sostanze originali emettendo radiazioni beta:
198Hg+ N= 198 Au* + P
198 Au = 198 Hg+ e- (2,7 giorni)
Non è assolutamente possibile escludere la trasformazione inversa dell’oro radioattivo in mercurio, cioè rompere questo Circulus vitiosus: le leggi della natura non possono essere aggirate.
In queste condizioni, la produzione sintetica del costoso metallo nobile platino sembra meno complicata dell’“alchimia”. Se fosse possibile dirigere il bombardamento di neutroni in un reattore in modo tale che prevalentemente ( N, α), allora si potrebbe sperare di ottenere quantità significative di platino dal mercurio: tutti gli isotopi comuni del mercurio - 198 Hg, 199 Hg, 201 Hg - vengono convertiti in isotopi stabili del platino - 195 Pt, 196 Pt e 198 Pt . Naturalmente anche in questo caso il processo di isolamento del platino sintetico è molto complicato.
Frederick Soddy, nel 1913, propose un modo per ottenere l'oro mediante trasformazione nucleare di tallio, mercurio o piombo. Tuttavia, a quel tempo gli scienziati non sapevano nulla della composizione isotopica di questi elementi. Se si potesse realizzare il processo di separazione delle particelle alfa e beta proposto da Soddy, bisognerebbe procedere dagli isotopi 201 Tl, 201 Hg, 205 Pb. Di questi, in natura esiste solo l'isotopo 201 Hg, mescolato con altri isotopi di questo elemento e chimicamente inseparabili. Di conseguenza, la ricetta di Soddy non era fattibile.
Ciò che nemmeno un eminente ricercatore atomico può realizzare, un profano, ovviamente, non può realizzarlo. Lo scrittore Dauman, nel suo libro “The End of Gold”, pubblicato nel 1938, ci ha fornito una ricetta per trasformare il bismuto in oro: separando due particelle alfa da un nucleo di bismuto utilizzando raggi X ad alta energia. Una reazione di questo tipo (γ, 2α) non è nota fino ad oggi. Inoltre, l'ipotetica trasformazione
205 Bi + γ = 197 Au + 2α
non può andare per un altro motivo: non esiste l’isotopo stabile 205 Bi. Il bismuto è un elemento monoisotopico! L'unico isotopo naturale del bismuto con un numero di massa pari a 209 può produrre, secondo il principio della reazione di Daumann, solo oro radioattivo-201, che con un tempo di dimezzamento di 26 minuti si trasforma nuovamente in mercurio. Come vediamo, l'eroe del romanzo di Dauman, lo scienziato Bargengrond, non è riuscito a ottenere l'oro!
Ora sappiamo come ottenere effettivamente l'oro. Armati delle conoscenze della fisica nucleare, azzardiamo un esperimento mentale: trasformiamo 50 kg di mercurio in un reattore nucleare in oro a tutti gli effetti, in oro-197. Il vero oro proviene dal mercurio-196. Sfortunatamente, solo lo 0,148% di questo isotopo è contenuto nel mercurio. Pertanto, in 50 kg di mercurio ci sono solo 74 g di mercurio-196, e solo questa quantità può essere trasmutata in vero oro.
Siamo inizialmente ottimisti e supponiamo che questi 74 g di mercurio-196 possano essere convertiti nella stessa quantità di oro-197 se il mercurio viene bombardato con neutroni in un moderno reattore con una produttività di 10 15 neutroni/(cm 2 . Con). Immaginiamo 50 kg di mercurio, cioè 3,7 litri, sotto forma di una palla posta in un reattore, quindi la superficie del mercurio, pari a 1157 cm 2, sarà interessata da un flusso di 1,16 al secondo . 10 18 neutroni. Di questi, 74 g di isotopo-196 sono influenzati per lo 0,148%, ovvero 1,69 . 10 15 neutroni. Per semplificare, assumiamo inoltre che ogni neutrone causi la trasformazione di 196 Hg in 197 Hg*, da cui si forma per cattura elettronica 197 Au.
Pertanto, abbiamo a nostra disposizione 1.69 . 10 15 neutroni al secondo per trasformare gli atomi di mercurio-196. Quanti atomi sono questi, in realtà? Una mole dell'elemento, cioè 197 g di oro, 238 g di uranio, 4 g di elio, contiene 6,022 . 10 23 atomi. Possiamo solo avere un'idea approssimativa di questo numero gigantesco in base a confronto visivo. Ad esempio, questo: immagina che l'intera popolazione del globo nel 1990 - circa 6 miliardi di persone - abbia iniziato a contare questo numero di atomi. Tutti contano un atomo al secondo. Nel primo secondo conterebbero 6 . 10 9 atomi, in due secondi - 12 . 10 9 atomi, ecc. Quanto tempo impiegherebbe l'umanità nel 1990 per contare tutti gli atomi in una mole? La risposta è sconcertante: circa 3.200.000 anni!
74 g di mercurio-196 contengono 2,27 . 10 23 atomi. Al secondo con un dato flusso di neutroni possiamo trasmutarne 1,69 . 10 15 atomi di mercurio. Quanto tempo ci vorrà per convertire l'intera quantità di mercurio-196? Ecco la risposta: richiederebbe un intenso bombardamento di neutroni da parte di un reattore ad alto flusso per quattro anni e mezzo! Dobbiamo sostenere questi enormi costi per ottenere alla fine da 50 kg di mercurio solo 74 g di oro e tale oro sintetico deve essere separato anche dagli isotopi radioattivi dell'oro, del mercurio, ecc.
Sì, è vero, nell'era dell'atomo si può fare l'oro. Tuttavia, il processo è troppo costoso. L’oro prodotto artificialmente in un reattore non ha prezzo. Sarebbe più semplice vendere una miscela dei suoi isotopi radioattivi come “oro”. Forse gli scrittori di fantascienza saranno tentati di creare storie che coinvolgano questo oro “a buon mercato”?
"Mare tingerem, si mercuris esset" ( Trasformerei il mare in oro se fosse composto da mercurio). Questa affermazione vanagloriosa fu attribuita all'alchimista Raymundus Lullus. Supponiamo di non aver trasformato il mare, ma una grande quantità di mercurio in 100 kg d'oro in un reattore nucleare. Esteriormente indistinguibile dall'oro naturale, questo oro radioattivo si trova davanti a noi sotto forma di lingotti lucenti. Anche questo è oro puro dal punto di vista chimico.
Alcuni Creso acquistano questi lingotti a quello che crede sia un prezzo simile. Non ha idea che in realtà si tratta di una miscela di isotopi radioattivi 198 Au e 199 Au, il cui tempo di dimezzamento va dalle 65 alle 75 ore. Si può immaginare questo avaro vedersi letteralmente scivolare tra le dita il suo tesoro d'oro.
Ogni tre giorni i suoi beni si riducono della metà e non può impedirlo; dopo una settimana, da 100 kg di oro rimarranno solo 20 kg di oro, dopo dieci emivite (30 giorni) - praticamente nulla (in teoria, sono altri 80 g). Tutto ciò che restava nel tesoro era una grande pozza di mercurio. L'ingannevole oro degli alchimisti!
Da diversi anni Adolf Mithe colorava minerali e vetro sotto l'influenza dei raggi ultravioletti. Per fare ciò, ha utilizzato una normale lampada al mercurio: un tubo di vetro al quarzo sotto vuoto, tra i cui elettrodi si forma un arco di mercurio che emette raggi ultravioletti.
Successivamente Miethe utilizzò un nuovo tipo di lampada che forniva un rendimento energetico particolarmente elevato. Tuttavia, durante l'uso prolungato, si sono formati depositi sulle sue pareti, che hanno notevolmente interferito con il lavoro. Tali depositi potrebbero trovarsi anche nelle lampade al mercurio usate se il mercurio veniva rimosso. La composizione di questa massa nerastra interessò il consigliere privato e all'improvviso, analizzando il resto di 5 kg di mercurio della lampada, trovò... oro. Mitya si chiedeva se fosse teoricamente possibile che il mercurio in una lampada a mercurio, a seguito della distruzione di un atomo, decadesse in oro con il distacco di protoni o particelle alfa. Miethe e il suo collaboratore Hans Stamreich condussero numerosi esperimenti, affascinati dall'idea di questa trasformazione degli elementi. Il materiale di partenza era il mercurio distillato sotto vuoto. I ricercatori credevano che non contenesse oro. Ciò è stato confermato anche dalle analisi dei famosi chimici K. Hoffmann e F. Haber. Mitya chiese loro di esaminare il mercurio e i residui nella lampada. Con questo mercurio, che secondo i dati analitici era privo di oro, Miethe e Stamreich riempirono una nuova lampada, che poi funzionò per 200 ore. Dopo aver distillato il mercurio, sciolsero il residuo in acido nitrico ed esaminarono con entusiasmo ciò che rimaneva. nel bicchiere: c'era uno scintillio sul vetro di copertura agglomerato di cristalli ottaedrici giallo dorato.
Tuttavia, Frederick Soddy non pensava che l'oro fosse formato dall'astrazione di una particella alfa o di un protone. Piuttosto si può parlare di assorbimento di un elettrone: se quest'ultimo ne ha abbastanza ad alta velocità, per perforare i gusci elettronici degli atomi e penetrare nel nucleo, potrebbe formarsi l'oro. In questo caso, il numero seriale del mercurio (80) diminuisce di uno e si forma il 79esimo elemento: l'oro.
L'affermazione teorica di Soddy rafforzò il punto di vista di Miethe e di tutti quei ricercatori che credevano fermamente nella “decomposizione” del mercurio in oro. Tuttavia, non hanno tenuto conto del fatto che solo un isotopo di mercurio con un numero di cassa pari a 197 può trasformarsi in oro naturale. Solo la transizione 197 Hg + e- = 197 Au possono dare oro.
Esiste l'isotopo 197 Hg? La massa atomica relativa di questo elemento, 200,6, allora chiamata peso atomico, suggeriva che ne esistessero diversi isotopi. F.V. Aston, studiando i raggi canale, trovò isotopi del mercurio con numeri di massa compresi tra 197 e 202, quindi una tale trasformazione era probabile.
Secondo un'altra versione, da una miscela di isotopi da 200,6Hg si potrebbero formare anche 200,6Au, cioè uno o più isotopi dell'oro con grandi masse. Quest'oro avrebbe dovuto essere più pesante. Pertanto Miethe si affrettò a determinare la massa atomica relativa del suo oro artificiale e lo affidò al miglior specialista in questo campo: il professor Gonigschmidt di Monaco.
Naturalmente, la quantità di oro artificiale per tale determinazione era molto scarsa, ma Mitya non ne aveva ancora di più: il re pesava 91 mg, il diametro della palla era di 2 mm. Se lo confrontiamo con le altre “rese” che Miethe ottenne durante le trasformazioni in una lampada al mercurio - in ogni esperimento variavano da 10 -2 a 10 -4 mg - era comunque un notevole pezzo d'oro. Gonigschmidt e il suo collaboratore Zintl trovarono una massa atomica relativa per l'oro artificiale di 197,2 ± 0,2.
A poco a poco, Mitya rimosse il “segreto” dai suoi esperimenti. Il 12 settembre 1924 fu pubblicato un messaggio del laboratorio fotochimico in cui venivano presentati per la prima volta i dati sperimentali e veniva descritta l'attrezzatura in modo più dettagliato. Divenne nota anche la resa: da 1,52 kg di mercurio, precedentemente purificato mediante distillazione sotto vuoto, dopo 107 ore di combustione continua di un arco lungo 16 cm, con una tensione compresa tra 160 e 175 V e una corrente di 12,6 A, Mite ricevette altrettanto come 8,2 * 10 -5 g d'oro, cioè otto centesimi di milligrammo. Gli “alchimisti” di Charlottenburg assicurarono che né la sostanza di partenza, né gli elettrodi e i fili che fornivano la corrente, né il quarzo del guscio della lampada contenevano quantità di oro rilevabili analiticamente.
Ben presto, però, arrivò la svolta. I chimici divennero sempre più diffidenti. L'oro a volte si forma, e sempre in quantità minime, e poi ancora non si forma. Non viene trovata alcuna proporzionalità, cioè la quantità di oro non aumenta con l'aumento del contenuto di mercurio, con l'aumento della differenza di potenziale o con un tempo di funzionamento più lungo della lampada al quarzo. L’oro scoperto è stato effettivamente prodotto artificialmente? Oppure era già presente prima? Le fonti di possibili errori sistematici nel metodo Miethe sono state verificate da diversi scienziati degli istituti chimici dell'Università di Berlino, nonché del laboratorio dell'azienda elettrica Siemens. I chimici hanno prima di tutto studiato in dettaglio il processo di distillazione del mercurio e sono giunti a una conclusione sorprendente: anche nel mercurio distillato, apparentemente privo di oro, c'è sempre oro. O appariva durante il processo di distillazione oppure rimaneva disciolto nel mercurio sotto forma di tracce, per cui non poteva essere immediatamente rilevato analiticamente. Solo dopo essere rimasto fermo a lungo o durante la spruzzatura in un arco che ha causato l'arricchimento è stato improvvisamente rilevato di nuovo. Questo effetto potrebbe essere confuso con la formazione dell’oro. E' venuta alla luce un'altra circostanza. I materiali utilizzati, compresi i cavi che portavano agli elettrodi e gli elettrodi stessi, contenevano tutti tracce d'oro.
Ma c'era ancora un'affermazione convincente da parte dei fisici atomici secondo cui tale trasmutazione era possibile dal punto di vista della teoria atomica. Come è noto, ciò si basava sul presupposto che l'isotopo del mercurio 197 Hg assorbe un elettrone e si trasforma in oro.
Tuttavia, questa ipotesi fu confutata dal rapporto di Aston, apparso sulla rivista Nature nell'agosto 1925. Uno specialista nella separazione isotopica è stato in grado di caratterizzare in modo inequivocabile le linee isotopiche del mercurio utilizzando uno spettrografo di massa ad alta risoluzione. Di conseguenza, si è scoperto che il mercurio naturale è costituito da isotopi con numeri di massa 198, 199, 200, 201, 202 e 204.
Di conseguenza, l'isotopo stabile 197 Hg non esiste affatto. Di conseguenza, si deve presumere che sia teoricamente impossibile ottenere l'oro naturale-197 dal mercurio bombardandolo con elettroni, e gli esperimenti mirati a questo possono essere considerati in anticipo poco promettenti. Ciò è stato infine realizzato dai ricercatori Harkins e Kay dell'Università di Chicago, che hanno deciso di trasformare il mercurio utilizzando elettroni ultraveloci. Bombardarono il mercurio (raffreddato con ammoniaca liquida e preso come anticatodo in un tubo a raggi X) con elettroni accelerati in un campo di 145.000 V, cioè aventi una velocità di 19.000 km/s.
Anche Fritz Haber eseguì esperimenti simili durante il test degli esperimenti di Miethe. Nonostante i metodi di analisi molto sensibili, Harkins e Kay non trovarono tracce di oro. Probabilmente credevano che anche gli elettroni con un'energia così elevata non fossero in grado di penetrare nel nucleo di un atomo di mercurio. Oppure gli isotopi dell'oro risultanti sono così instabili da non poter “sopravvivere” fino alla fine dell'analisi, che dura dalle 24 alle 48 ore.
Pertanto, l'idea del meccanismo di formazione dell'oro dal mercurio, proposta da Soddy, fu fortemente scossa.
Nel 1940, quando alcuni laboratori di fisica nucleare iniziarono a bombardare gli elementi adiacenti all'oro - mercurio e platino - con neutroni veloci ottenuti utilizzando un ciclotrone. In una riunione di fisici americani a Nashville nell'aprile 1941, A. Scherr e K.T. Bainbridge dell'Università di Harvard ha riportato i risultati positivi di tali esperimenti. Hanno inviato deutoni accelerati a un bersaglio di litio e hanno ottenuto un flusso di neutroni veloci, che è stato utilizzato per bombardare i nuclei di mercurio. Come risultato della trasformazione nucleare, è stato ottenuto l'oro.
Tre nuovi isotopi con numeri di massa 198, 199 e 200. Tuttavia, questi isotopi non erano stabili come l'isotopo naturale oro-197. Emettendo raggi beta, dopo poche ore o giorni si convertirono nuovamente in isotopi stabili di mercurio con numeri di massa di 198, 199 e 200. Di conseguenza, i moderni aderenti all'alchimia non avevano motivo di rallegrarsi. L'oro che si trasforma in mercurio non ha valore: è oro ingannevole. Tuttavia, gli scienziati si sono rallegrati della riuscita trasformazione degli elementi. Sono stati in grado di espandere la loro conoscenza degli isotopi artificiali dell'oro.
Il mercurio naturale contiene sette isotopi in quantità diverse: 196 (0,146%), 198 (10,02%), 199 (16,84%), 200 (23,13%), 201 (13,22%), 202 (29,80%) e 204 (6,85 %). Poiché Sherr e Bainbridge trovarono isotopi dell'oro con numeri di massa 198, 199 e 200, si deve presumere che quest'ultimo derivi da isotopi del mercurio con gli stessi numeri di massa. Ad esempio: 198 Hg + N= 198 Au+ R Questa ipotesi sembra giustificata: dopo tutto, questi isotopi del mercurio sono abbastanza comuni.
La probabilità che si verifichi una reazione nucleare è determinata principalmente dalla cosiddetta sezione trasversale di cattura effettiva di un nucleo atomico rispetto alla corrispondente particella bombardante. Pertanto, i collaboratori del professor Dempster, i fisici Ingram, Hess e Haydn, hanno cercato di determinare con precisione la sezione trasversale effettiva per la cattura dei neutroni da parte degli isotopi naturali del mercurio. Nel marzo 1947 furono in grado di dimostrare che gli isotopi con numeri di massa 196 e 199 avevano le sezioni d'urto di cattura di neutroni più grandi e quindi avevano la maggiore probabilità di diventare oro. Come “sottoprodotto” della loro ricerca sperimentale, hanno ricevuto... oro. Esattamente 35 mcg, ottenuti da 100 mg di mercurio dopo irradiazione con neutroni moderati in un reattore nucleare. Ciò equivale ad una resa dello 0,035%, tuttavia, se la quantità di oro trovata viene attribuita solo al mercurio-196, si otterrà una resa solida del 24%, poiché l'oro-197 è formato solo dall'isotopo del mercurio con un numero di massa 196.
Con i neutroni veloci si verificano spesso ( N, R) - reazioni e con neutroni lenti - principalmente ( N, d) - trasformazioni. L'oro scoperto dai dipendenti di Dempster era formato come segue: 196 Hg + N= 197 Hg* + g 197 Hg* + e- = 197 Au
Di conseguenza, il mercurio instabile-197 formato dal processo (n, g) si trasforma in oro-197 stabile K-cattura (elettrone da K-gusci del proprio atomo).
I dipendenti di Dempster non potevano negarsi il piacere di ottenere una certa quantità di tale oro artificiale nel reattore. Da allora, questa piccola e curiosa mostra ha abbellito il Museo della Scienza e dell'Industria di Chicago. Questa rarità - testimonianza dell'arte degli "alchimisti" nell'era atomica - poté essere ammirata durante la Conferenza di Ginevra dell'agosto 1955.
Dal punto di vista della fisica nucleare sono possibili diverse trasformazioni degli atomi in oro. L'oro stabile, 197Au, potrebbe essere prodotto dal decadimento radioattivo di alcuni isotopi di elementi vicini. Questo è ciò che ci insegna la cosiddetta mappa dei nuclidi, che presenta tutti gli isotopi conosciuti e le possibili direzioni del loro decadimento. Pertanto, l'oro-197 è formato dal mercurio-197, che emette raggi beta, o da tale mercurio mediante cattura K. Sarebbe anche possibile produrre oro dal tallio-201 se questo isotopo emettesse raggi alfa. Tuttavia, ciò non viene osservato. Come si può ottenere un isotopo del mercurio con numero di massa pari a 197, che non esiste in natura? In teoria, può essere ottenuto dal tallio-197 e quest'ultimo dal piombo-197. Entrambi i nuclidi si trasformano spontaneamente rispettivamente in mercurio-197 e tallio-197, con la cattura di un elettrone. In pratica, questa sarebbe l’unica, anche se solo teorica, possibilità di ricavare oro dal piombo. Tuttavia, anche il piombo-197 è solo un isotopo artificiale, che deve prima essere ottenuto mediante una reazione nucleare. Non funzionerà con il piombo naturale.
Anche gli isotopi del platino 197Pt e del mercurio 197Hg si ottengono solo mediante trasformazioni nucleari. Solo le reazioni basate sugli isotopi naturali sono realmente possibili. Come materiale di partenza sono adatti solo 196 Hg, 198 Hg e 194 Pt. Questi isotopi potrebbero essere bombardati con neutroni accelerati o particelle alfa per produrre le seguenti reazioni: 196 Hg + N= 197 Hg* + g 198 Hg + N= 197 Hg* + 2n 194 Pt + 4 He = 197 Hg* + N.
Con lo stesso successo si potrebbe ottenere l'isotopo di platino desiderato da 194 Pt mediante ( N, d) - trasformazione da 200 Hg mediante ( N, b) - processo. Allo stesso tempo, naturalmente, non dobbiamo dimenticare che l'oro naturale e il platino sono costituiti da una miscela di isotopi, quindi in ogni caso bisogna tenere conto delle reazioni concorrenti. Alla fine l'oro puro dovrà essere isolato da una miscela di vari nuclidi e isotopi non reagiti. Questo processo sarà molto costoso. La trasformazione del platino in oro dovrà essere abbandonata del tutto per ragioni economiche: come sapete, il platino è più costoso dell'oro.
Un'altra opzione per la sintesi dell'oro è la trasformazione nucleare diretta degli isotopi naturali, ad esempio, secondo le seguenti equazioni: 200 Hg + R= 197 Au + 4 He 199 Hg + 2 D = 197 Au + 4 He.
Se il mercurio naturale viene esposto a un flusso di neutroni in un reattore, oltre all'oro stabile, si forma principalmente oro radioattivo. Questo oro radioattivo (con numeri di massa 198, 199 e 200) ha una vita molto breve e nel giro di pochi giorni ritorna alla sua sostanza madre con l'emissione di radiazioni beta: 198 Hg + N= 198 Au* + P 198 Au = 198 Hg+ e- (2,7 giorni). Non è assolutamente possibile escludere la trasformazione inversa dell’oro radioattivo in mercurio: le leggi della natura non possono essere aggirate.
Nell’era dell’atomo si può produrre l’oro. Tuttavia, il processo è troppo costoso. L’oro prodotto artificialmente in un reattore non ha prezzo. E se stiamo parlando di una miscela di isotopi radioattivi 198 Au e 199 Au, dopo pochi giorni rimarrà solo una pozza di mercurio dal lingotto d'oro.