בכדור הארץ לא נותרו יסודות כבדים יותר מהאורניום – ובכל זאת בראנו מחדש כמעט שלושים מהם. איך בונים אטום מלאכותי – ולשם מה?

הטבלה המחזורית כוללת כיום 118 יסודות, אך בפועל העולם הסובב אותנו מורכב ממספר קטן בהרבה של אבני בניין. קצתם נפוצים מאוד, אחרים נדירים וכמה מהם נחשבים מלאכותיים לגמרי. מיהם החברים הפחות מוכרים הללו במשפחת היסודות?

יסודות מוגדרים על פי מספר הפרוטונים המצויים בגרעיני האטומים שלהם. לאורניום (U), הנחשב ליסוד הכבד ביותר המצוי בטבע  בכמות משמעותית, יש 92 פרוטונים בגרעין, ולפיכך המספר האטומי שלו הוא 92. כל היסודות שהמספר האטומי שלהם נמוך יותר, למעט שניים שנדון בהם בהמשך, מצויים בטבע ולכן נחשבים טבעיים.

לפרוטונים שבגרעין יש מטען חשמלי חיובי, כך שבאטום ניטרלי מקיף אותם מספר זהה של אלקטרונים שמטענם שלילי, והם אלה שקובעים את התכונות הכימיות של היסוד. בנוסף מצויים בגרעין חלקיקים שנקראים ניטרונים, שאינם נושאים מטען חשמלי ולכן אינם משפיעים על המטען הגרעיני, על מספר האלקטרונים או על התכונות הכימיות של היסוד.

היציבים והרדיואקטיביים

רדיואקטיבי וקיים באופן טבעי בכדור הארץ מאז היווצרותו. גביש ביסמוט | צילום: Lawrence Lawry / Science Photo Library
רדיואקטיבי וקיים באופן טבעי בכדור הארץ מאז היווצרותו. גביש ביסמוט | צילום: Lawrence Lawry / Science Photo Library

לכל יסוד יכולים להיות סוגים שונים של גרעינים, הנבדלים זה מזה במספר הניטרונים שבהם וקרויים איזוטופים. עקרונות הפיזיקה הגרעינית, שלא נפרט כאן, קובעים שאיזוטופים מסוימים – כלומר גרעינים שבהם מספר מסוים של פרוטונים וניטרונים – יהיו יציבים: בתנאים רגילים הגרעינים היציבים ישמרו על המבנה שלהם לאורך זמן. אחרים, שמכונים גרעינים רדיואקטיביים, מתפרקים ומשנים את זהותם. היסודות הרדיואקטיביים נבדלים זה מזה ביציבותם – אחדים מתקיימים מיליארדי שנים ואחרים מתפרקים תוך כמה שברירי שנייה מרגע שנוצרו.

רוב גרעיני היסודות הכבדים מברזל נוצרים באירועים קוסמיים אלימים, כמו התפוצצות של כוכב גדול והפיכתו לסופרנובה, ומתפזרים ביקום. אחדים מהגרעינים הרדיואקטיביים הגיעו כך לעננת החומר שבה נוצרה מערכת השמש, וממנה לכדור הארץ. אולם הגרעינים הללו ממשיכים להתפרק. כך שבראשית ימיו של כדור הארץ היו בו יותר יסודות כבדים, ובכמויות גדולות יותר, מאלה שאנו מוצאים בו כיום באופן טבעי. יסודות כבדים אחרים נוצרים כל העת הכדור הארץ מהתפרקויות רדיואקטיביות של יסודות טבעיים כבדים מהם, וגם הם נחשבים טבעיים.

מתוך 90 היסודות הטבעיים, 83 מצויים בכדור הארץ מאז היווצרותו. ל-80 מהם יש איזוטופים יציבים, שהכבד מביניהם הוא היסוד עופרת (Pb). שלושה אחרים, רדיואקטיביים וכבדים מעופרת, אומנם מתפרקים עם הזמן ליסודות אחרים, אך קצב ההתפרקות שלהם איטי מאוד ולכן אנו מוצאים אותם עדיין באופן טבעי בעולמנו. לדוגמה, גרעיני אורניום מתפרקים בקצב איטי מספיק כדי שגם כיום, 4.5 מיליארדי שנים לאחר היווצרות כדור הארץ מחציתם עדיין שרדו. על כן יש עדיין כמות גדולה למדי של אורניום בכדור הארץ. שני היסודות הנוספים מקבוצה זו הם ביסמוט (Bi, מספר אטומי 83) ותוריום (Th, מספר 90).

שבעת היסודות הרדיואקטיביים הטבעיים הנוספים מתפרקים מהר יותר, ולא היינו מוצאים אותם באופן טבעי בקרקע אלמלא היה להם מנגנון של התחדשות. חמישה מהם נוצרים מחדש כחלק ממהלך שרשרות הדעיכה הרדיואקטיבית של אורניום ותוריום, כלומר מההתפרקות של יסודות כבדים מהם ליסודות קלים יותר. שני האחרים, אסטטין (At, 85) ופרנציום (Fr), מצויים בכמויות זעירות כתוצאה מהתפרקויות רדיואקטיביות נדירות אחרות.

 יסוד רדיואקטיבי עם קצב התפרקות איטי. מבנה של גביש תוריום | איור: Russell Kightley / Science Photo Library
יסוד רדיואקטיבי עם קצב התפרקות איטי. מבנה של גביש תוריום | איור: Russell Kightley / Science Photo Library

פרק את היסוד

28 מהיסודות המופיעים בטבלה המחזורית נחשבים מלאכותיים. לחלקם חשיבות רבה בתעשייה ובחיי היומיום ואחרים משמשים למחקר מדעי בלבד. אפשר לחלק אותם לשתי קבוצות עיקריות. הראשונה כוללת יסודות שנוצרים בטבע בכמות קטנה מאוד כתוצאה מתהליכים גרעיניים טבעיים, ואפשר לשחזר את התהליכים האלה באופן מלאכותי. הם התגלו לפיכך לראשונה במקביל לגילוי התגובות הגרעיניות, ובכלל זה ביקוע.

שניים מהם – פרומתיום (Pm, מספר אטומי 61) וטכנציום (Tc, מספר אטומי 43), שמשמעות שמו לקוחה מהמילה היווני שפירושה "מלאכותי", מפתיעים  במקצת, שכן הם קלים מעופרת ונמצאים באמצע הטבלה המחזורית. למרות זאת, אין להם איזוטופים יציבים, ואילו האיזוטופים הרדיואקטיביים שלהם מתפרקים בקצב מהיר למדי. הטכנציום יכול להחזיק מעמד כמה מיליוני שנים והפרומתיום מתפרק ליסודות קלים יותר תוך כמה עשרות שנים בלבד. כיוון שכך, גם אם הם היו קיימים בכדור הארץ בעת שנוצר, כל הכמות שהייתה התפרקה מזמן ועל כן אי אפשר כמעט למצוא אותם בטבע.

פרומתיום, ועוד יותר מכך טכנציום, נוצרים בכמויות גדולות יחסית בכורים גרעיניים,כחלק מתהליך הביקוע של יסודות כבדים יותר. נכון להיום יש בעולם כמאה טונות טכנציום, שיש לו יש שימושים רפואיים חשובים, בעיקר לשימוש בסריקות PET. עם זאת, רוב הטכנציום אינו בשימוש ולא מפרידים אותו משאר הפסולת הגרעינית.

לשני אלה מצטרפים שני יסודות נוספים, כבדים מאורניום, נפטוניום (Np, 93) ופלוטוניום (Pu, 94), המצוים בטבע בריכוזים זעירים כתוצאה מתגובות גרעיניות נדירות. שניהם, ובעיקר פלוטוניום, מיוצרים באופן מלאכותי מאורניום בכורים גרעיניים. עד כה נצברו בעולם כמה מאות טונות של פלוטוניום, ואת רובן נוהגים להפריד מהפסולת הגרעינית בכורים.

מיוצר מאורניום בכורים גרעיניים. פלוטוניום בשקית | צילום: Hagley Museum and Archive / Science Photo Library
מיוצר מאורניום בכורים גרעיניים. פלוטוניום בשקית | צילום: Hagley Museum and Archive / Science Photo Library

רוב הפלוטוניום משמש כחומר בקיע (החומר הפעיל) בפצצות גרעיניות, ולכן ייצרו אותו במכוון בכמויות גדולות בזמן המלחמה הקרה. מיעוטו משמש להפעלת גנרטורים שממירים את האנרגיה הנפלטת ממנו לחשמל. המחוללים הגרעיניים האלה משמשים בעיקר להפעלת רכבי חלל כמו חלליות וויאג'ר, שמגיעות למרחקים שבהם אי אפשר לנצל את אנרגיית השמש. טונות רבות נוספות מאוחסנות במדינות שאינן מעוניינות בכלי נשק גרעיניים, כמו יפן, עד שיימצא פתרון ארוך טווח לאחסונו. בגלל השימוש הצבאי בו, אחסון הפלוטוניום מחייב שמירה הדוקה. להלכה אפשר להשתמש בפלוטוניום להפעלת כורים גרעיניים במקום אורניום, אך ככל הידוע הדבר לא נעשה בפועל.

נפטוניום נחשב בעיקר תוצר לוואי שולי למדי בפסולת גרעינית הנוצרת בכורי ביקוע. גם נפטוניום עשוי לשמש לבניית כלי נשק גרעיניים, אך בפועל נראה שהדבר לא נעשה מעולם בפועל, שכן הפלוטוניום שימושי יותר למטרה הזאת וקל יותר לייצור.

משקל כבד, חיים קצרים

בקבוצה השנייה נמצאים כל 24 היסודות הכבדים מפלוטוניום. כל אלה אינם נוצרים בכדור הארץ בתגובות גרעיניות של יסודות קלים מהם, ולכן למיטב ידיעתנו אינם מצויים בטבע אפילו בכמות זעומה.

היסודות עד פרמיום (Fm, מספר אטומי 100), נוצרים בכורים גרעיניים ובפצצות גרעין בסדרת תגובות שבהן גרעינים כבדים נוצרים מגרעינים קלים מהם. אמריקיום (Am, 95) וקיריום (Cm, 96) שנוצרים כך נחשבים סינתטיים לגמרי. הם מיוצרים מפלוטוניום בכמויות לא גדולות שעומדות על קילוגרמים בודדים מכל אחד מהם.

את האמריקיום אפשר למצוא בבתים רבים ובמוסדות ציבור, מפני שהוא מרכיב מרכזי בגלאי עשן. בכל גלאי מהסוג הזה יש פחות ממיליונית הגרם של אמריקיום, כמות שאינה מסוכנת לבריאות. הקרינה המייננת שהוא פולט גורמת לנפח קטן מאוד של אוויר בתוך הגלאי להוליך חשמל. כשיש עשן בחדר, החלקיקים שלו מורידים את מוליכות האוויר בתוך הגלאי ומשפיעים על עוצמת הזרם החשמלי שעובר בו, וכך מערכת ההתרעה מופעלת. לקיריום אין שימושים מעשיים פרט למחקר על תכונותיו הפיזיקליות והכימיות וייצור יסודות כבדים אחרים ממנו.

את היסודות הכבדים יותר מסובך יותר לייצר וקיימות מהם לכל היותר כמויות זעירות של גרמים בודדים. זה מצבם של הברקליום (Bk, 97) והקליפורניום (Cf, 98). הם נוצרים בכמויות קטנות מאוד בכורים גרעיניים ומתפרקים מהר יותר מהיסודות הקלים מהם – האיזוטופים הנפוצים שלהם מחזיקים מעמד שניות ספורות לכל היותר.

האיינשטייניום והפרמיום התגלו במקור בנשורת של פיצוץ פצצת המימן הראשונה. ענן הפטרייה מניסוי קיסוס מייק (Ivy Mike) | צילום: NNSA / Nevada Site Office
האיינשטייניום והפרמיום התגלו במקור בנשורת של פיצוץ פצצת המימן הראשונה. ענן הפטרייה מניסוי קיסוס מייק (Ivy Mike) | צילום: NNSA / Nevada Site Office

לברקליום אין שימוש פרט למחקר מדעי, או כשלב בתהליך הייצור של קליפורניום. לקליפורניום, באופן מפתיע עבור יסוד מלאכותי, יקר ורדיואקטיבי כל כך, דווקא יש שימושים תעשייתיים: האיזוטופ הנפוץ ביותר שלו פולט קרינת ניטרונים עזה ביותר, ולכן נעזרים בו למגוון שימושים הדורשים קרינת כזאת – למשל לאתחול כורים גרעיניים, לגילוי נפט ולטכניקות רפואיות מסוימות.

איינשטייניום (Es, 99) ופרמיום הם היסודות הכבדים ביותר שאפשר לייצר בכורים גרעיניים באמצעות הקרנה של קליפורניום. בכל שלב שבו יוצרים יסוד כבד מיסוד קל ממנו, נוצרת כמות קטנה באופן ניכר. על כן בכל שנה מיצרים בעולם כמיליגרם של איינשטייניום – כלומר לא יותר מגרגיר חול. את הננוגרמים הבודדים של פרמיום שמייצרים מדי שנה כבר אי אפשר לראות בעין בלתי מזוינת. עם זאת, אלו היסודות האחרונים שאפשר לייצר בכמויות העולות על אטומים יחידים.

מבית היוצר של מכון דוידסון לחינוך מדעי: תקועים בבית - היסוד היומי לרשימת הסרטונים המלאה

אלו גם היסודות הכבדים ביותר שנוצרו אי פעם ביקום באופן טבעי. פרמיום והיסודות הרדיואקטיביים הקלים ממנו, נוצרים בתגובות שבהן מעורבים ניטרונים, כמו אלה שמתרחשות בסופרנובות, בפצצות גרעיניות ובכורים גרעיניים. אך פרמיום הוא הגבול העליון של השיטה הזאת, ואי אפשר לייצר ממנו את היסוד הבא אחריו, מנדלביום (Md, 101).

האיינשטייניום והפרמיום התגלו במקור בנשורת של פיצוץ פצצת המימן הראשונה, שכן התגובות הגרעיניות שהתרחשו בפיצוץ פיזרו בסביבתו כמות זעירה של היסודות האלה. הכמויות הזעירות, הקושי לייצר אותם וקצב ההתפרקות המהיר שלהם לא משאירים לאיינשטייניום ולפרמיום שום שימוש מעשי שאינו מחקרי. פעם אחת ויחידה השתמשו באיינשטייניום כדי לכייל ספקטרומטר לאנליזה כימית שפעל בגשושית Surveyor5 שנאס"א שיגרה לירח בשנת 1967. שימוש דומה נעשה גם בקיריום.

כל היסודות הללו התקיימו בעבר באופן טבעי בכדור הארץ. מיעוטם התפרקו מספיק לאט כדי לשרוד מרגע יצירתם בסופרנובה ועד שמערכת השמש סיימה את התפתחותה. אחרים קשורים לתופעה מסקרנת שהתרחשה לפני כשני מיליארד שנה במחוז אוקלו שבמדינה האפריקאית גבון. בתקופה ההיא שררו באזור הזה תנאים ייחודיים שאפשרו את קיומו של כור גרעיני טבעי. כמו בכורים גרעיניים בימינו, נוצרו גם בו כל היסודות המלאכותיים עד הפרמיום, אם כי רק בכמויות זעירות. כל היסודות הללו התפרקו מאז, אך עוד אפשר למצוא עקבות לנוכחותם, שמסגירים את מה שאירע שם בעבר הרחוק.

דועך ליסודות אחרים. אורניום | צילום: Thedore gray, Visuals Unlimited / Science Photo Library
דועך ליסודות אחרים. אורניום | צילום: Thedore gray, Visuals Unlimited / Science Photo Library

יסודות בלתי אפשריים

18 היסודות הבאים הם מלאכותיים לחלוטין ולא התקיימו מעולם בטבע או בכורים גרעיניים. כדי לייצר אותם כבר צריכים להאיץ גרעיני אטומים של יסודות מסוימים ולהטיח אותם באנרגיות גבוהות בגרעיני אטומים אחרים שנבחרו בקפידה, באמצעות מאיצי חלקיקים. כך חלקם ניתכים מדי פעם ויוצרים גרעינים כבדים של יסודות חדשים. היסודות שנוצרים כך מתפרקים מהר מאוד – הקלים מביניהם עשויים לשרוד כמה ימים והכבדים פחות משנייה. לעיתים הראיה היחידה להיווצרותם היא תוצרי הפירוק שלהם.

ליסודות העל-כבדים האלה אין שום שימוש זולת מחקר מדעי טהור והם נוצרים בכמויות זעירות של אטומים בודדים בלבד. מהקלים שבהם אפשר לייצר אלפי אטומים או מיליונים לכל היותר. מהכבדים לא נוצרו אפילו עשרות. נכון להיום היסוד הכבד ביותר שנוצר כך הוא אוגנסון (Og, 118). עם זאת, אין מגבלה תיאורטית לקיומם של יסודות כבדים יותר ועד כה הקושי הוא במציאת תגובות גרעיניות שייצרו אותם, או בביצוען בפועל.

כאן מגיע סיפורו של היסוד ה-112, קופרניקיום (Cn). בשנת 1971 דיווח המדען הישראלי אמנון מרינוב על גילוי איזוטופ יציב יחסית של היסוד הזה בפסולת של מאיץ החלקיקים CERN בשווייץ. אולם מסיבות אלה ואחרות, כגון הרדיואקטיביות הגבוהה של התוצרים וההחמרה בתקנות הבטיחות, מעבדות אחרות לא הצליחו לשחזר את הניסוי. רק כעבור שנים רבות, ב-2009, הוענק הקרדיט על זיהוי היסוד למדענים גרמנים שייצרו איזוטופים אחרים ופחות יציבים של היסוד, בשיטות שמרניות יותר.

התיאוריה שהנחתה את מרינוב במחקרו מצטרפת לתחזיות תיאורטיות שנויות במחלוקת אחרות, שלפיהן ייתכן שליסודות הכבדים בעלי מסה אטומית 120-114 עשויים להיות איזוטופים יציבים יחסית, שיתפרקו הרבה יותר לאט מאלה שהתגלו בפועל. נכון להיום עדיין לא התגלו איזוטופים כאלה.

במעבדות רבות לחקר הגרעין ממשיכים לנסות לייצר יסודות כבדים יותר מאוגנסון ואיזוטופים יציבים יותר ליסודות שהתגלו עד כה. במקביל, מנסים חוקרים לבדוק את התכונות הכימיות של היסודות החדשים ולברר אם החוקיות של הטבלה המחזורית ממשיכה הלאה גם ליסודות העל-כבדים.

4 תגובות

  • רועי

    רועי

    למה בעצם צריך את היסודות היותר כבדים? למה לנסות ליצור אותם? אם יצליחו ליצור אותם והן יהיו יציבים, זה ייתן לנו משהו?

  • אורי טייכמן

    תלוי לאילו מהם אתה מתכוון

    קודם כל, תקף לכולם - אנחנו עושים מדע לא רק כי זה שימושי, אלא גם כי זה מעניין, כי זה מסקרן, כי אנחנו רוצים לדעת עוד וכי אתה לעולם לא יודע מה יהיה שימושי ומה לא.
    שנית, לחלק מהם כאמור ישנם שימושים (למה לייצר פלוטוניום, למשל, שהיא אלה שאני חושב שהתשובה לה די ברורה; וגם אמריציום וקליפורניום שימושיים).
    נכון, ליסודות מעל 100 אין שימושים וגם לא צפויים כאלו, אבל חקירה שלהם עדיין מלמדת אותנו יותר על מבנה האטום ועל נכונות התיאוריות המדעיות. אלו סיבות מספקות בהחלט כדי שנחקור אותם.

  • נועם

    כמה שאלות

    1. איך משתמשים בקליפורניום לשימושים תעשיתיים אם הוא מחזיק מעמד רק כמה שניות? 2. זו עובדה מעניינת שהיסוד הכבד ביותר שניתן לייצר בעזרת תגובות גרעיניות טבעיות הוא מספר 100, שהוא משמעותי לאדם אבל לכאורה חסר משמעות בטבע. מה בעצם משתנה בין היסוד ה-100 ל-101 שלא מאפשר היווצרות שלו באופן דומה?

  • אורי טייכמן

    תשובות

    1. קליפורניום ממש לא מחזיק מעמד רק כמה שניות; לאיזוטופ העיקרי בשימוש (252) יש מחצית חיים של כמה שנים.
    2. העובדה שהמספר הוא עגול (100) מקרית לחלוטין. הסיבה היא שכל היסודות עד 100 (כולל) נוצרים מהיסוד הקודם להם באחד (כלומר, אתה מייצר את יסוד 97, ובכור הוא יקלוט עוד ועוד נייטרונים עד שיגיע לאיזוטופ שדועך בטא ליסוד 98, ואז אותו תהליך עם 98 ייתן לך בסוף את 99 וכן הלאה). ליסוד 100 אין שום איזוטופ שדועך בטא ליסוד 101; כשיש יותר מדי נייטרונים, הוא מתפרק בדרך אחרת שנותנת יסודות קטנים יותר (ביקוע ספונטני) ולא דעיכת בטא. זה קורה כי ביסוד כה כבד, הגרעין פחות יציב וביקוע ספונטני נהיה מועדף ביחס לדעיכת בטא; כללית, אין כמעט בכלל דעיכת בטא מעל ליסוד 100. אני יכול כך להסביר למה היינו מצפים שמתישהו התהליך ייעצר, דעיכות בטא ייפסקו וכבר לא נוכל לייצר כך יסודות כבדים יותר, אבל אם אתה מחפש הצדקה למה בדיוק 100 הוא המספר, אין אחת פשוטה כזו.
    אם כי שווה לציין שבגלל זמן מחצית החיים הקצר של האיזוטופים המיוצרים של 100, גם לו זה לא היה המצב, סביר שהכמויות של 101 שהיית מצליח לייצר היו זערוריות ממש (100 אפשר לייצר מיקרוגרמים, 101 מן הסתם היית מצליח רק ננוגרמים או פחות, בקצב הזה את 105-104 היית כבר גם כן סופר באטומים בודדים, לפחות בכורים), ובסופו של דבר היית מגיע למצב שגם מיסודות כבדים יותר לא מצליחים לייצר כמויות רציניות בשיטה הזו.