Juri Oganesjan on maailman tunnetuimpia ydinfyysikoita ja ainoa elossa oleva ihminen, jonka mukaan on nimetty alkuaine, oganesson.
Davide Monteleone
Martin Schlak
Venäläinen ydinfyysikko Juri Oganesjan on ainoa elossa oleva ihminen, jonka mukaan on nimetty alkuaine. Oganessonin löytäminen kesti yli kymmenen vuotta.
Juri Oganesjan on löytänyt tähän mennessä kymmenen alkuainetta, mikä tekee hänestä maailman menestyksekkäimmän alkuaineiden metsästäjän. Vai pitäisikö työstä käyttää sanaa keksiminen tai valmistaminen? Vaikea sanoa, koska oganesson sijoittuu alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä alueelle, jonka alkuaineet ovat äärimmäisen harvinaisia. Niitä ei tavata kemianopetuksen harjoitustöissä.
Oganesjanin nimeä kantavan alkuaineen luomiseen tarvitaan kahta ainesosaa. Oganessonin ytimessä on 118 protonia. Sen valmistuskustannukset ovat valtavat ja sen elinikä on 2,5 millisekuntia.
Toista oganessonin lähtöainetta säilytetään ämpärin kokoisessa lyijysäiliössä Dubnan ydintutkimuslaitoksessa, joka sijaitsee satakunta kilometriä Moskovasta pohjoiseen. Lyijysäiliön sisässä on muutama milligramma radioaktiivista kaliforniumia, jonka kemiallinen merkki on Cf. Laitoksen työntekijät saavat avata säiliön ainoastaan suojapuvussa.
Toinen valmistusaine, hapettunut kalsium, on lasiastiassa kassakaapissa, joka on päällystetty samalla neuvostoaikaisella ruutukuviolla kuin huoneen seinät. Laitoksen yhden työntekijän ainoa tehtävä on pitää huolta tästä kalsiumista ja kassakaapin avaimesta.
Oganesjan kertoo, ettei jauhe ole tavallista kalsiumia. Sen ytimessä on 28 neutronia eli kahdeksan enemmän kuin tavallisesti. Neutronit ovat sähkövarauksettomia hiukkasia, jotka vakauttavat atomiydintä. Luonnossa tällaista kalsiumia esiintyy vain pieniä määriä.
Maailmassa on ainoastaan yksi tuotantolaitos, jossa harvinainen kalsium pystytään riittävän tarkasti erottelemaan tavallisesta. Laitos sijaitsee lähellä Uralvuoristoa ja tuottaa vuodessa 12 grammaa eli teelusikallisen verran tätä harvinaista kalsiumia. Erä maksaa kolme miljoonaa dollaria eli yli 2,6 miljoonaa euroa.
Oganesjan kertoo ylpeyttä äänessään, että hänen laitoksensa ostaa koko vuosituotannon. ”Koska olemme ainoa asiakas, saamme alennusta.”
Kun hän ensimmäisen kerran sai valmistusaineet yhdistymään uudeksi alkuaineeksi, se hajosi 0,0025 sekunnin kuluttua. Touhua voisi pitää järjettömänä, rahan tai ajan tai molempien haaskauksena. Mutta sitä voi pitää myös neronleimauksena. Sellaisen ihmisen älynväläyksenä, joka kysyy ainoana joukosta, mistä meitä ympäröivät aineet pohjimmaltaan koostuvat, miksi osa niistä on vakaita ja osa hajoaa, ja onko tähän mennessä löydetyn alkuaineiden joukon ulkopuolella kenties aivan toisenlaisten alkuaineiden valtakunta.
Taikamaailma.
Ydinlaitos kylmän sodan ajoilta
Oganesjanin laitoksen naapureita ovat ydinturvallisuuden ja teoreettisen fysiikan laitokset. Kolmikko muodostaa yhdessä neljän muun samalla kadulla sijaitsevan laitoksen kanssa Dubnan tutkimuskeskuksen, jonka virallinen nimi on ”Yhteinen ydintutkimuksen instituutti”. Aineen pienimpien rakenneosasten tutkimukselle omistetun tiedekadun erottaa Dubnan 70 000 asukkaan kaupungista kivikasvoisten sotilaiden vartioima portti.
Instituutti on huippututkimusyksikkö maassa, josta Neuvostoliiton hajottua katosi ensin tutkimusrahoitus ja sitten suuri osa tutkijoista.
Ajatus tutkimuslaitoksesta virisi vuonna 1952. Kylmän sodan aikaan yksitoista länsivaltiota päätti rakentaa Geneveen Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen, Cernin. Sosialistisen maailman vastaveto seurasi neljä vuotta myöhemmin.
Kun silloin 23-vuotias Juri Oganesjan ajoi ensimmäisen kerran Dubnan tutkimuskeskukseen, alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä oli 17 alkuainetta vähemmän kuin nyt ja kaupunki oli vain pieni työläistaajama Volgan varrella.
Neuvostoliitto halusi tulla maailman johtavaksi tiedevaltioksi. Se investoi tiedekaupunkeihinsa rutkasti rahaa ja rakennutti Dubnaan edullisia asuinkortteleita ja omakotitaloja, joissa oli kauniit päätykolmiot. Kaupunkiin nousi myös kulttuurikeskus ja myöhemmin uimahalli, jossa oli 50 metrin allas. Pian tutkimuskeskus työllisti tuhat ihmistä. Nykyään työntekijöitä on melkein 5 000.
Dubnassa tutkijat perehtyvät ainetta koossa pitäviin voimiin ja jäljittävät maailmankaikkeuden kummajaisia neutriinoja. Juri Oganesjan tutkii superraskaiden atomien valtakuntaa. Hän haluaa lisätä alkuaineiden listalle vielä yhden, entisiä raskaamman. Siksi hän ja hänen työtoverinsa rakentavat jättimäisiä hiukkaskiihdyttimiä ja pitävät niitä käynnissä kuukausikaupalla. Kukaan ei pysty sanomaan, mitä hyötyä heidän löydöistään kenties joskus on.
Kaikki alkoi Mendelejevistä
Kemian perusyksikkö on alkuaine. Alkuaineen rakenne määrää, kuinka kärkkäästi se reagoi toisten kanssa, onko se olomuodoltaan kiinteä vai nestemäinen ja onko se kiiltävä vai mattapintainen. Alkuaineet erottaa toisistaan ytimen positiivisesti varautuneiden hiukkasten eli protonien määrä. Kevyimmällä alkuaineella vedyllä on ytimessään vain yksi protoni, ja tähän mennessä raskaimmalla oganessonilla niitä on 118. Silti sekin on niin kevyt, että yhteen grammaan oganessonia tarvitaan 2 000 triljoonaa atomia, siis lukumäärä, jossa kakkosen perässä on 21 nollaa.
Vuonna 1869 venäläinen kemisti Dimitri Mendelejev luokitti kaikki silloin tunnetut alkuaineet niiden massan mukaan taulukkoon. Keskenään samalla tavalla reagoivat alkuaineet, kuten esimerkiksi alkalimetallit tai halogeenit, hän sijoitti samaan sarakkeeseen. Niin syntyi ensimmäinen jaksollisen järjestelmän luonnos. Se oli neronleimaus.
Mendelejevin taulukko pani alkuaineet järjestykseen, mutta sen avulla pystyi myös ennustamaan vielä löytämistään odottavien alkuaineiden ominaisuuksia, kuten niiden massan ja kiehumispisteen.
Tutkijat kaikkialla maailmassa lähtivät täyttämään Mendelejevin taulukon aukkokohtia. Kuusi vuotta myöhemmin ranskalainen kemisti pisti palan sinkkipitoista malmia happoon ja huomasi, että sen pintaan muodostui ohut hopeanhohtoinen kerros. Hän kuumensi kerrosta ja havaitsi mittalaitteillaan ennennäkemättömän spektrin. Hän oli löytänyt galliumin. Mendelejevin taulukossa oli yksi aukko vähemmän.
Vuonna 1937 valmistettiin ensimmäinen keinotekoinen alkuaine teknetium. Kahdeksan vuotta myöhemmin kaikki Mendelejevin taulukon aukot oli täytetty. Sen jälkeen fyysikot ovat pohtineet, voiko alkuaineiden listaa jatkaa loputtomiin vai päättyykö jaksollinen järjestelmä joskus.
He ovat valmistaneet yhä raskaampia alkuaineita ja nimenneet niitä maakuntien, kaupunkien ja tutkijoiden mukaan: hassium, darmstadtium, moskovium, mendelevium, meitnerium. Ne kaikki ovat radioaktiivisia, hajoavat lyhyessä ajassa, eikä niitä esiinny luonnossa.
Nykyajan alkemistit
Periaatteessa raskas alkuaine on sitä epävakaampi, mitä enemmän sen ytimessä on protoneja. Ytimen massan yhä kasvaessa tämä lainalaisuus saattaa kuitenkin kääntyä päinvastaiseksi. Fyysikot ovat laskeneet superraskaille alkuaineille niin sanottuja maagisia lukuja. Kun ytimen osasten lukumäärä on tällainen luku, ennusteiden mukaan ytimen hiukkaset sitoutuvat tiukemmin toisiinsa, samaan tapaan kuin matkustajat täyteen ahdetussa bussissa sen jarruttaessa.
Tutkijat puhuvat stabiilisuuden saaresta. Heidän korvissaan se kuulostaa lupaukselta, maatilkulta aavalla epävakauden merellä. He lähestyvät sen rantaviivaa kuin löytöretkeilijät, jotka matkaavat tuntemattomaan valtakuntaan.
Oganesjan uskoo löytävänsä saarelta toistaiseksi tuntemattoman aineen muodon. Atomeja, jotka käyttäytyvät toisin kuin kaikki arkipäivästä tuntemamme.
Kukaan ei pysty varmasti sanomaan, millaisia eksoottisia ominaisuuksia uusilla aineilla olisi. Niistä voisi ehkä rakentaa voimakkaita magneetteja, kenties ne olisivat erityisen hyviä johteita tai niitä voitaisiin käyttää lääketieteessä uudenlaisiin hoitoihin.
Kun Juri Oganesjan puhuu stabiilisuuden saaresta, hänen äänensä hiljenee miltei kuiskaukseksi. Löytyvien alkuaineiden elinikä saattaa olla päiviä, vuosia tai kenties jopa satoja tai miljoonia vuosia.
Oganesjan tahtoo astua saarelle ensimmäisenä. Siksi hän jatkaa työtään, vaikka hän olisi voinut jäädä eläkkeelle jo vuosikausia sitten. Siksi hän yhdistää laitoksessaan käsittämättömän kallista jauhetta ja radioaktiivisia aineita.
Oganesjan sanoo välillä tuntevansa itsensä nykyajan alkemistiksi. Keskiajan alkemistit tekivät varhaista perustutkimusta ja yrittivät muuttaa aineita toisiksi. He höyrystivät elohopeaa mittalaseissa, kuumensivat lyijyä uuneissa ja lisäsivät joukkoon jauhetta, jonka piti sulautua epäjaloihin metalleihin ja muuttaa ne kullaksi.
”Alkemistit hoksasivat, että alkuaineiden muuttaminen toisiksi vaatii energiaa”, Oganesjan sanoo.
He eivät vain tienneet, kuinka paljon.
Ihme tapahtuu teräshirviön uumenissa
Rengaskiihdytin U400 lymyää heikosti valaistun käytävän päässä syvällä Oganesjanin tutkimuslaitoksen uumenissa. Sen luo pääsee kahdesta panssariovesta, joiden yläpuolella palaa useimmiten sisäänpääsyn kieltävä punainen valo. Ovien takana avautuu voimistelusalin kokoinen tila. Sisällä seisoo vaaleansiniseksi maalattu teräshirviö. Se näyttää kolholta kuin merikontti ja painaa kymmenen jumbojetin verran. Sähköä se kuluttaa yhtä paljon kuin pieni kaupunki.
Selittäessään hirviön toimintaa fyysikot käyttävät sellaisia sanoja kuin ionilähde, Lorentzin voima ja tyhjiöelektrodi. Hiukan yksinkertaisemmin sanottuna kyse on laitteistosta, joka sinkoaa atomit elämänsä nopeimmalle matkalle.
Matka alkaa uunista, jossa kalsium höyrystetään. Sieltä se virtaa kaasuna kammioon, jossa mikroaallot irrottavat atomeista negatiivisesti varautuneita elektroneja. Tämän jälkeen kalsiumatomien varaus on positiivinen, eli ne jatkavat matkaansa ioneina. Ionit päätyvät kahden valtavan magneetin väliin. Magneetit sulkevat ne sisäänsä kuin sämpylän puolikkaat ja pakottavat ne kiitämään laajenevaa ympyrää. Samalla sähkökentät kiihdyttävät koko ajan niiden vauhtia. Kun ionit lähtevät magneettien välistä, niiden nopeus yltää kymmenesosaan valonnopeudesta.
Kalsiumionit kiitävät sadevesikourun paksuista putkea pitkin pleksilasiseen laatikkoon, jossa pyörii maalitaulua muistuttava pyöreä levy. Sen pinnalle on höyrystetty ohut kerros kaliforniumatomeja.
Laatikon tapahtumia ei pysty näkemään. Niitä havainnollistaa kaksi laskutoimitusta.
Toinen, yksinkertainen ynnälasku kuuluu näin: Koska kalsiumatomissa on 20 protonia ja kaliforniumissa 98, protoneja on yhteensä 118. Toinen, paljon mutkikkaampi laskutoimitus johdetaan kahdesta ydinhiukkasiin vaikuttavasta perusvoimasta.
Perusvoimista toinen on sähkömagneettinen voima, joka saa positiivisesti varautuneet ytimet hylkimään toisiaan. Se estää kalsiumia ja kaliforniumia sulautumasta spontaanisti yhteen. Jos kalsium kuitenkin singahtaa paikalle tarpeeksi vinhaa vauhtia, ytimet päätyvät niin lähekkäin, että niihin alkaa vaikuttaa toinen perusvoima. Sen nimi on vahva ydinvoima, ja se saa ytimen hiukkaset vetämään toisiaan puoleensa. Ytimet sulautuvat yhteen, ja syntyy uusi alkuaine.
Fyysikot pystyvät laskemaan, millä todennäköisyydellä ytimien yhtyminen tapahtuu. Mutta tapahtuuko se todella, nähdään vasta kun kiihdytin U400 on käynnissä.
Alkuaineen numero 119 metsästys
Kukaan ei tiedä, mihin stabiilisuuden saari tarkalleen sijoittuu. Osa fyysikoista uskoo, että se voisi alkaa jo alkuaineen 114 sellaisesta isotoopista, jonka ytimessä on erityisen paljon neutroneja. Toiset taas veikkaavat alkuaineita 120 tai 126.
Oganesjan sanoo, että arvoitus ratkeaa ainoastaan valmistamalla kyseisiä alkuaineita. Hänen on pidettävä kiirettä, mikäli hän tahtoo ehtiä ensimmäisenä. Myös Japanissa on lähdetty alkuaineiden 119 ja 120 jäljille.
Suurin haaste on sopivien valmistusaineiden valinta. Oganesjan voisi valita painavan ammuksen ja vaihtaa kalsiumin titaaniin. Mutta silloin aineiden yhdistymisen todennäköisyys putoaisi kahdeskymmenesosaan. Hän voisi myös päällystää maalitaulunsa einsteiniumilla, raskaammalla alkuaineella. Mutta koska sen elinikä on vain noin 20 päivää, se saattaisi hajota kokonaan, ennen kuin ensimmäistäkään uutta atomia syntyisi.
Oganesjan toteaa, että oganessonin teko oli helppoa verrattuna alkuaineen 119 valmistamiseen.
Hänen laitokseensa on rakenteilla entistä suurempi halli, johon tulee uusi kiihdytin. Oganesjan nimittää laitetta superraskaiden alkuaineiden tehtaaksi. Se tuottaa kymmenen kertaa niin voimakkaan ionisuihkun kuin U400. Kun punainen lamppu syttyy tehtaan oven päällä ja atomit lähetetään matkaan kiihdyttimessä, tutkijat viettävät taas öitään laitoksen sohvalla. Vladimir Utjonkov käy joka aamu läpi pitkän listan lukuja, ja ydinfyysikko Juri Oganesjan odottelee puhelinsoittoa.
Oganesjan oli 68-vuotias valmistaessaan alkuaineen, jonka elinikä oli 2,5 millisekuntia. Jäljellä olevina vuosinaan hän tahtoo luoda aineen, joka kestää ikuisesti.
Juttu on julkaistu kokonaisuudessaan GEO-lehdessä 3/2019.
Lue myös:
Janne Hiedanniemi (alh.), Tuomas Hiedanniemi ja Kari Saarilahti kuvattiin päiväkoti Vaahterassa Helsingissä.
Hanna Linnakko
Tähden peittyessä asteroidin taakse syntyy valon taipumiskuvio, joka paljastaa tähden läpimitan.
DESY / Lucid Berlin
Aineenvaihduntaa tutkittiin aivokuvausten avulla.
Matt Miller
Janne Hiedanniemi (alh.), Tuomas Hiedanniemi ja Kari Saarilahti kuvattiin päiväkoti Vaahterassa Helsingissä.
Hanna Linnakko
Tähden peittyessä asteroidin taakse syntyy valon taipumiskuvio, joka paljastaa tähden läpimitan.
DESY / Lucid Berlin
Aineenvaihduntaa tutkittiin aivokuvausten avulla.
Matt Miller
Tukkasotkia pesii Suomenojalla parikymmentä paria.
Esa Mälkönen
Fuego-tulivuori eli Volcan de Fuego purkautuu säännöllisesti. Rauhallisena aikana sitä voi kuvata turvallisesti.
Aleksi Ilpala
Sirkus Bidonen 15 jäsentä ja heidän harmaapartainen johtajansa François Rauline ryhmäkuvassa.
Stephanie Gengotti
Perhosten mesiruokavaliossa on niukasti kivennäisaineita. Ne etsivät suoloja usein oudoista paikoista, tässä tapauksessa päivää paistattavan amatsoninjokikilpikonnan kyynelistä.
Pete Oxford / Minden Pictures
Tämä sivusto käyttää evästeitä käytettävyyden parantamiseksi. Jatkamalla sivuston käyttöä hyväksyt myös evästeiden käyttämisen.
© Fokus Media Finland. Materiaalin kopioiminen muuhun kuin yksityiseen, ei-kaupalliseen käyttöön kielletty.
Aineiston käyttö uuden palvelun osana kielletty.
Fokus Media Finland Oy, Hämeentie 135, 00560 Helsinki, Y-tunnus 2618356-2