— Published on 15/12/2011 / Priroda 1007, 12/11.
Poštovani uredniče,
u Vašem članku Zlato iz žive (Priroda br. 10/2011.) ostala su otvorena dva pitanja iz područja nuklearne fizike. Ta je pitanja bio postavio Soddy, u prvom dijelu prošlog stoljeća, tumačeći pokušaje Miethea da pomoću električne struje dobije zlato iz žive. Zahvaljujući modernim ubrzivačima čestica, danas na ta pitanja znamo odgovoriti. Osim toga, priča o modernim alkemičarima u spomenutom članku ne seže dalje od 1941. godine kad su znanstvenici s Harvarda proizveli kratkoživuće izotope zlata iz žive. Otad je prošlo točno 70 godina. Nameće se pitanje postoje li novosti po pitanju transmutacije žive.
Prije odgovora na Soddyjeva pitanja podsjetimo se konteksta spomenutog članka. Težnje starih alkemičara o proizvodnji zlata iz žive splasnule su u 17. stoljeću, s početkom razvoja moderne znanosti. Robert Boyle je, primjerice, u svojoj utjecajnoj knjizi Skeptični kemičar, definirao pojam kemijskog elementa i utvrdio da nije moguća pretvorba jednog elementa u drugi. No, s otkrićem atomske strukture i radioaktivnosti, početkom 20. stoljeća, pokazalo se da su pretvorbe elemenata ipak moguće. Nije trebalo puno da opet zaživi stari alkemičarski san o proizvodnji zlata. Dvojica njemačkih kemičara, Adolf Miethe i Hans Stammreich, objavili su, 1924. godine, da su uspjeli pretvoriti živu u zlato. Ostvarili su to, po njihovim riječima, uz pomoć električnog luka u svjetiljci sa živinim parama.
Vijest je, naravno, brzo obišla svijet kao, u današnje doba, nedavna vijest o neutrinima koji su navodno brži od svjetlosti u vakuumu. Mnogi su pokušali ponoviti postupak Miethea i Stammreicha. Iako je bilo nekih tvrdnji o navodnim uspjesima, eksperiment nikad nije potvrđen u onom smislu kako to zahtijeva znanstvena metoda. Valja naglasiti da je u zlato pretvoren tek sićušni dio žive, nipošto sva živa. Iz objektivne perspektive, sa zdravom dozom znanstvenog skepticizma, moglo se zaključiti da je pronađeno zlato ili već bilo u živi kao nečistoća ili je u živu dospjelo tijekom eksperimenta.
Ipak, ideja proizvodnje zlata iz žive uz pomoć elektrona bila je, ako ništa drugo, barem na dobrom tragu. Živa je element atomskog broja 80, a zlato atomskog broja 79. Kad bismo jedan proton u jezgri žive pretvorili u neutron dobili bismo upravo izotop zlata. Jezikom nuklearnih reakcija
Doduše, ovaj je izotop zlata nestabilan. Svakih 2,6 dana količina tako dobivenog zlata smanjila bi se na polovicu početne vrijednosti. Ipak, slavni nuklearni fizičar Frederick Soddy postavio je dva pitanja vezana uz ovu reakciju: (1) je li kinetička energija elektrona dovoljna da elektron dospije do jezgre; i (2) kolika je vjerojatnost da se to dogodi. Drugim riječima, je li postojala neka mala mogućnost nuklearne transmutacije u eksperimentima Miethea i Stammreicha.
Navedenu reakciju danas nazivamo elektroprodukcijom. Takve nuklearne rekacije uobičajeno se provode u nekim istraživačkim centrima, primjerice na JLabu (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) u američkoj državi Virginiji. Iz eksperimentalnih podataka i teorijskih modela poznate su vjerojatnosti elektroprodukcije za razne reakcije. Fizičari te vjerojatnosti izražavaju u terminima udarnih presjeka. Na temelju znanja iz nuklearne fizike danas bismo mogli precizno odgovoriti na Soddyjeva pitanja. Kontaktirao sam kolege koji su radili na JLabu, ali nisam uspio saznati je li se netko bavio reakcijom transmutacije žive. Vjerojatno nije. Današnji fizičari, naime, imaju pametnija posla od toga da se igraju alkemičara. Postoje brojne zanimljivije nuklearne reakcije koje mogu dati odgovore na temeljna pitanja iz strukture tvari. Primjerice, pomoću visokoenergijskih elektrona mogu se u jezgri dobiti strani kvarkovi. Takve jezgre, koje nazivamo hiperjezgrama, ne postoje u prirodi. Postoje, međutim, u neutronskim zvijezdama. Sastojak neutronske zvijezde istraživaču je neusporedivo vredniji od sastojka jedne zlatne ogrlice.
Vratimo se na Soddyjeva pitanja. Je li kinetička energija elektrona dovoljna da elektron dospije do jezgre? U načelu, nije. Miethe i Stammreich koristili su napon od svega 170 V. To znači da su njihovi elektroni imali energiju od najviše 170 eV. Atom je okružen elektronskim plaštom koji je, naravno, istog naboja kao i elektron-projektil s kojim se pokušava doprijeti do jezgre. Tako jezgra žive zaštićena plaštom od 80 elektrona. To je prepreka ili barijera za projektil. Fizičari govore o potencijalnoj barijeri koju valja savladati. Visina te barijere može se procijeniti iz umnoška Rydbergove energije (13,6 eV) i kvadrata atomskog broja Z
To je oko 500 puta više od najveće energije elektrona iz električnog luka. Savladavanje potencijalne barijere od 90 keV za elektron kinetičke energije od 170 eV izgleda otprilike ovako: kao da u zrak bacamo kamen dajući mu kinetičku energiju jedva dovoljnu da se digne 18 cm od tla, a pokušavamo doseći vrh Cibonina tornja koji je 500 puta viši (92 m).
No, elektron nije kamen. Elektron je elementarna čestica za koju vrijede načela kvantne mehanike, pravila koja su često bitno različita od pravila klasične fizike. U kvantnom svijetu postoji takozvani tunel-efekt, pojava savladavanja potencijalne barijere koja je viša od raspoložive kinetičke energije. Ali ni tunel-efekt nije svemoćan. Što je manja razlika između potencijalne barijere i raspoložive kinetičke energije to je vjerojatnost tunel-efekta veća. Tako dolazimo i do kvalitativnog odgovora na drugo Soddyjevo pitanje: elektron ubrzan razlikom potencijala od 170 V načelno može doseći jezgru žive, ali je vjerojatnost za to jako, jako mala.
Elektroni koji se koriste na JLabu dosežu energije od čak 12 GeV. To je 12 milijardi eV ili 70 milijuna puta više od energije elektrona koje su koristili Miethe i Stammreich. Osim toga, elektroni na JLabu raspoloživi su u obliku snopa čiji je intenzitet (broj elektrona po jedinici površine u jedinici vremena) puno veći od intenziteta elektrona iz električnog luka. U takvim uvjetima nuklearne reakcije elektroprodukcije nisu iznimno rijetki događaji nego pravilo. U principu, uvjeti se mogu podesiti tako da se odabrana nuklearna reakcija ostvaruje željenim tempom.
Konačno, elektroprodukcija nije jedini način za transmutaciju. U atomsku jezgru se najlakše prodire neutronom – nukleonom bez električnog naboja. Nuklearna reakcija u kojoj se u jezgru ubaci dodatni neutron naziva se neutronskim uhvatom. Time se, doduše, ne mijenja atomski broj ali se može narušiti stabilnost jezgre. Ako se, primjerice, izazove β−-raspad (emisija elektrona iz jezgre), β+-raspad (emisija pozitrona iz jezgre) ili α-raspad (emisija dva protona i dva neutrona iz jezgre) tada se transmutacija događa. U principu, može se dizajnirati nuklearna reakcija u kojoj je krajnji 197Au . Na taj način akcelerator danas možemo pretvoriti u tvornicu proizvod stabilni izotop zlata . No, postoji kvaka. Zlato u obližnjoj zlatarnici je jeftinije.