30th Νοέμβριος 2020

ScienceLab.Gr

Science Communication

Το Φράγκιο έχει σύντομη ζωή και είναι κυριολεκτικά άπιαστο: σε όλη την επιφάνεια της Γης δεν υπάρχουν ανά πάσα στιγμή περισσότερα από 30 γραμμάρια του στοιχείου.

Η ιστορία ανακάλυψης του στοιχείου

Με το στοιχείο αυτό συνδέεται μια κοπέλα (Μαργκερίτ Περέ) που σε ηλικία 19 ετών αναγκάστηκε να ζητήσει την πρόσληψή της, αμέσως μετά τα Χριστούγεννα του 1928, στο εργαστήριο της ήδη διάσημης Μαρίας Κιουρί. Τον Νοέμβριο του 2014 μάλιστα η ιστορία της παρουσιάστηκε ξανά από μια μακρινή συγγενή της στο περιοδικό των «New York Times», με τον σαφή υπαινιγμό πως επρόκειτο για μια ζωή θυσία στην επιστήμη διότι το ζεύγος Κιουρί δεν έδινε τόση σημασία στην ασφάλεια όσο στην αφοσίωση στο επιστημονικό έργο που παραγόταν μέσα στο εργαστήριο.

Η Περέ στα δεκαεννέα της, το μικρότερο παιδί από τα πέντε ενός μυλωνά, ζώντας σε μια μικρή επαρχιακή πόλη κοντά στο Παρίσι, έκανε όνειρα για να φοιτήσει στην Ιατρική αλλά ο ξαφνικός θάνατος του πατέρα της και τα οικονομικά προβλήματα που δημιούργησε της άλλαξαν εντελώς τη ζωή. Αναγκαστικά πήγε σε μια κατώτερη και ολιγόχρονης φοίτησης σχολή για παρασκευαστές σε χημικά εργαστήρια. Όντας κορυφαία στην τάξη της κλήθηκε, όπως ήταν συνηθισμένο, από το εργαστήριο της Κιουρί για μια συνέντευξη διότι εκεί έψαχναν πάντα για τους καλύτερους, αφού ήταν και αυτοί στο απόγειο της δόξας τους. Το ζεύγος Κιουρί ως τον θάνατο του Πιέρ είχε ανακαλύψει ήδη ένα στοιχείο, είχε τιμηθεί με το βραβείο Νομπέλ για τη Φυσική και το 1911 η Μαρία Κιουρί, παρά τον θάνατο του συζύγου της το 1906, κατάφερε να τιμηθεί με άλλο ένα Νομπέλ, για τη Χημεία αυτή τη φορά, οπότε δύο Νομπέλ βρίσκονταν ήδη στην τροπαιοθήκη της. Χρήματα επομένως υπήρχαν άφθονα για τις έρευνες και το εργαστήριο, αν και γκρίζο και κατηφές κατά τις περιγραφές, είχε μια φήμη σχεδόν μυθική. Η ατμόσφαιρά του πάντως δεν είχε αρέσει στη νεαρή Μαργκερίτ αλλά, αν και αυτό που επιθυμούσε μέσα της ήταν να μην τη δεχτούν τελικά, το γράμμα που έλαβε από το εργαστήριο την καλούσε να αναλάβει υπηρεσία.

Για την επόμενη δεκαετία, ξεκινώντας από χαμηλά και κάνοντας πρώτα τη λάντζα του εργαστηρίου για να γίνει μετά η παρασκευάστρια της ίδιας της Κιουρί, η κύρια δουλειά της έγινε το να διαχωρίζει το ραδιενεργό στοιχείο ακτίνιο από το μετάλλευμα του πισουρανίτη, που είναι γνωστό πως μεταφερόταν στο εργαστήριο των Κιουρί σε μεγάλες ποσότητες, για να γίνεται μετά η αποδόμησή του αντικείμενο μελέτης από τη Μαρία. Μούσκευε τα δείγματα σε αμμωνία και επιδρώντας με διάφορα οξέα, καίγοντας, ξεπλένοντας, εξατμίζοντας κατάφερνε να διώχνει τις ανεπιθύμητες ουσίες για να μείνει στο τέλος αυτό που ήθελε. Η ίδια δουλειά συνεχίστηκε ακόμη και μετά το 1934, όταν η Μαρία πέθανε και στο εργαστήριο ανέλαβε τη διεύθυνση η κόρη της Ιρέν. Πέρασαν χρόνια έως ότου η Περέ διαπίστωσε στα σχετικά με το ακτίνιο δείγματα πως εμφανιζόταν και μία ακόμη, πολύ πιο χαμηλής ενέργειας, ανεξήγητη ακτινοβολία. Έχοντας καθαρίσει όσο γινόταν πιο πολύ ένα δείγμα ακτινίου από τα ραδιενεργά του ισότοπα παρατήρησε ότι ακόμη η ακτινοβολία-β ήταν πολύ πιο έντονη από ό,τι θα έπρεπε. Κατέληξε λοιπόν στο συμπέρασμα πως εκεί έπρεπε να βρίσκεται ένα άλλο στοιχείο που δεν είχε ανακαλυφθεί ως τότε. Και μάλιστα θα έπρεπε να είναι αυτό με τον ατομικό αριθμό 87. Και ήταν το τελευταίο στοιχείο που ανακαλύφθηκε χρονικά σε υλικά που προέρχονταν από τη Φύση. Πέρασε όμως καιρός μέχρι να γίνει δεκτό και το όνομα που πρότεινε η Περέ και κυρίως για να καταχωριστεί και επίσημα πως αυτή το ανακάλυψε διότι υπήρξαν έντονες διαμάχες ως προς αυτό.

Η περίπτωση της Περέ πάντως εφάπτεται και με ένα άλλο θέμα. Τον κίνδυνο που κρύβει για την υγεία ενός επιστήμονα η έρευνά του. Και εδώ γνωρίζουμε και το τέλος της ερευνήτριας αυτής, που ήταν πολύ δυσάρεστο. Διότι η Περέ κατάφερε μετά την ανακάλυψη του στοιχείου αυτού όχι μόνο να πάρει πτυχίο Χημικού χάρη σε μια υποτροφία που της δόθηκε αλλά και να εκπονήσει διδακτορική διατριβή που υπερασπίστηκε με απόλυτη επιτυχία στη Σορβόννη το 1946 και, από το 1949, να είναι επικεφαλής στο Τμήμα Πυρηνικής Χημείας του Πανεπιστημίου του Στρασβούργου. Αναζητούσε τρόπους θεραπείας του καρκίνου με τη βοήθεια του στοιχείου που είχε ανακαλύψει διότι το φράγκιο επετίθετο πολύ πιο γρήγορα στους καρκινικούς όγκους από ό,τι στους υγιείς ιστούς. Το σπαρακτικό είναι πως αν το κατάφερνε, αυτό θα ανακούφιζε και την ίδια, αφού γνώριζε πως ήδη από τον καιρό που πέρασε στο εργαστήριο των Κιουρί η ακτινοβολία των δειγμάτων που ετοίμαζε είχε γίνει η αφορμή να προσβληθεί από τον καρκίνο. Στα τελευταία 15 χρόνια της ζωής της κουβαλούσε έναν βαρύ καρκίνο των οστών, έχασε την όρασή της και τμήμα του χεριού της. Οπως έγραψε η μακρινή της συγγενής στο άρθρο των «New York Times»: Εκλεισε μια τρύπα στον Περιοδικό Πίνακα Στοιχείων αλλά δεν άλλαξε την ιατρική ως προς τον καρκίνο όπως το είχε ελπίσει.

Λέγεται ότι στην αρχή η Περέ είχε δώσει στο στοιχείο το όνομα «κάτιον» διότι ήταν το πιο ηλεκτροθετικό από τα στοιχεία που υπάρχουν και το σύμβολο Cm. Αλλά αυτό δεν έγινε δεκτό. Πάντως υπήρξε μια ερευνητική ομάδα από έναν ρουμάνο επιστήμονα και μια Γαλλίδα που ισχυρίστηκαν ότι από το 1936 είχαν διαπιστώσει την ύπαρξη του στοιχείου με τον αριθμό 87 αλλά μετά τον πόλεμο έγινε ένας άλλος «επιστημονικός πόλεμος» μέχρι να «κατακυρωθεί» στην Περέ το φράγκιο.

Ευτυχώς τίποτε, αν το αφήσουμε να ζει τη σύντομη ζωή του σε μέρη από όπου δεν μπορεί να αποδράσει στο περιβάλλον, όπως είναι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες και τα αντίστοιχα εργαστήρια. Διότι το μακροβιότερο από τα ισότοπά του, το φράγκιο-223, έχει χρόνο ημιζωής μόλις 22 λεπτά ενώ στα ουρανιούχα μεταλλεύματα συναντάται 1 άτομο από το φράγκιο για κάθε 1 δισεκατομμύριο δισεκατομμυρίου ατόμων ουρανίου (1: 1 x 1018).

Με φυσικό τρόπο από το ουράνιο-235 προκύπτει ακτίνιο-227 και από αυτό τελικά φράγκιο-227. Υπολογίζεται πως ανά πάσα στιγμή στην επιφάνεια της Γης δεν υπάρχουν, και αυτά διάσπαρτα, περισσότερα από 30 γραμμάρια από το στοιχείο αυτό.

Μία από τις λίγες ομάδες που ασχολούνται με το φράγκιο βρίσκεται στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, με επικεφαλής τον καθηγητή της Φυσικής Λουίς Ορόσκο. Η έρευνα εκεί στο Quantum Institute έχει να κάνει με τις δυνάμεις που συγκρατούν τους πυρήνες των ατόμων και μεταξύ άλλων βομβαρδίζουν με τη βοήθεια επιταχυντή ενώσεις ουρανίου και άνθρακα με πρωτόνια. Ενα από τα «θραύσματα» είναι και το φράγκιο. Παρ’ όλο τον μικρό χρόνο που επιζεί, όπως ισχυρίζονται οι ερευνητές της ομάδας, μπορούν και κάνουν κάποια πειράματα με αυτό. Επειδή είναι ένας ισχυρός πομπός ακτινοβολίας-β, επιτρέπει τη μελέτη και την κατανόηση αυτής της ακτινοβολίας. Πάντως δεν κάνουν πειράματα σχετικά με τη χρήση του στοιχείου αυτού για τη θεραπεία του καρκίνου.

Πόσο φράγκιο μπορούμε να συγκεντρώσουμε;

Η μεγαλύτερη ποσότητα που συγκεντρώθηκε ήταν 10.000 άτομα στο γνωστό εργαστήριο στο Stony Brook του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης το 1997 με τη βοήθεια γραμμικού επιταχυντή. Με μια δέσμη ατόμων οξυγόνου-18 που πέφτει σε στόχο χρυσού-197 και τον θερμαίνει μέχρι που λιώνει. Μοιάζει απλό αλλά είναι εξαιρετικά πολύπλοκο να αποσπάσεις το φράγκιο από τον λιωμένο σχεδόν στόχο και να το οδηγήσεις μέσω μαγνητικών φακών στη λεγόμενη μαγνητο-οπτική παγίδα (ΜΟΤ), που δημιουργείται με ακτίνες λέιζερ. Μέχρι να μετατραπούν σε άλλο στοιχείο περνούν 20 δευτερόλεπτα ενώ εισέρχεται στην παγίδα νέα δέσμη φθάνοντας ως τα 300.000 και γίνονται ορατά μόνο χάρη στον φθορισμό τους σαν μια κόκκινη σφαίρα με διάμετρο ενός χιλιοστού. Η ποσότητα ήταν αρκετή απλά για να παρατηρηθεί η φθορίζουσα λάμψη που είχε κινήσει την προσοχή και της Μαργκερίτ Περέ σε εκείνα τα ηρωικά χρόνια. Επίσης φράγκιο παράγεται βομβαρδίζοντας ράδιο με νετρόνια και θόριο με πρωτόνια.

Ταυτότητα Φυσικά χαρακτηριστικά
Όνομα Φράγκιο Σημείο τήξης 27°C
Σύμβολο Fr Σημείο βρασμού 677°C
Ατομικός αριθμός (Ζ) 87 Πυκνότητα 1,870 kg/m3
Κατηγορία Μέταλλα (αλκάλια) Ειδική ηλεκτρική αντίσταση 3 μΩ*m
Θέση στον Περιοδικό Πίνακα 1η ομάδα, 7η περίοδος, τομέας s Ειδική θερμική αγωγιμότητα 5 W/m*K
Σχετική ατομική μάζα (Ar) 223
Ηλεκτρονική διαμόρφωση [86Rn]7s1

Με πληροφορίες από: tovima.gr | chemist.gr