האצילים והרדיואקטיביים, הלנתנידים ואלה שפשוט נדירים: רוב היסודות בטבלה המחזורית התגלו בתוך כמה עשרות שנים במאה ה-19. אבל היו כאלה שהיה הרבה יותר מסובך לזהות

חלק מהיסודות הכימיים מוכרים לאדם משחר ההיסטוריה ואחרים זוהו רק בשנים האחרונות. עם זאת, רובם התגלו ובודדו עד שנת 1894, לאחר שמנדלייב פיתח את הטבלה המחזורית 25 שנה קודם לכן וחזה באמצעותה את קיומם. מהם היסודות האחרונים שהתגלו, ומדוע זה קרה כל כך מאוחר?

כדי להבין את זה עלינו להבהיר גם שכמעט כל היסודות שהתגלו עד המאה ה-20, גם בודדו. כלומר לא רק הוכח שקיים יסוד חדש ובלתי מוכר, אלא גם הצליחו לבודד אותו מתוך דגימה, גם אם לפעמים נדרשו לכך עוד כמה וכמה שנים. למשל פלואור (F) בודד רק 76 שנה לאחר גילויו, ואילו אטום ההליום (He) התגלה בשמש 27 שנה לפני שזוהה גם בכדור הארץ.

האדישים

הקבוצה הראשונה של יסודות קשים לגילוי היא הגזים האצילים. אלו יסודות אדישים כימית שאינם נוטים ליצור תרכובות, כלומר לא מתחברים ליסודות אחרים, ולכן מופיעים בטבע כגזים בצורתם החופשית באטמוספרה.

הגז האציל הראשון שהתגלה היה הארגון (Ar), בזכות ריכוזו הגבוה באטמוספירה – קרוב לאחוז אחד. מעט אחריו זוהה גם ההליום, שאותר בתוך מינרל של אורניום, שבו הוא נוצר כתוצאה מדעיכה רדיואקטיבית. שאר הגזים האצילים, שהתגלו כמה שנים לאחר מכן בידי ויליאם רמזי (Ramsay) ומוריס טרוורס (Travers), נמצאים באוויר אבל בריכוזים נמוכים מאוד. קסנון (Xe), הנדיר מביניהם, הוא כמאית של אלפית האחוז מהאוויר.

חלק מהגזים האצילים מוכרים ושימושיים: ההליום המשמש בין השאר לקירור לטמפרטורות נמוכות במיוחד באמצעות הליום נוזלי – אבל גם למילוי בלונים למסיבות. הניאון (Ne) נמצא בנורות ניאון; ואילו הארגון, הנפוץ יחסית, משמש לעיתים כגז אדיש בכימיה, כשנדרשת עבודה עם חומרים שעשויים להגיב עם גזים אחרים שקיימים באוויר.

הגזים האצילים התגלו מאוחר, אבל שימושיים לעיתים דווקא בגלל אדישותם. גז ארגון מיונן | מקור: Science Photo Library
הגזים האצילים התגלו מאוחר, אבל שימושיים לעיתים דווקא בגלל אדישותם. גז ארגון מיונן | מקור: Science Photo Library

הדועכים

קבוצת אחרת של חומרים קשים לגילוי היא היסודות הרדיואקטיביים: מארי קירי ופייר קירי התפרסמו בין השאר בזכות גילוי הרדיום (Ra) והפולוניום (Po) בשנת 1898 במקביל לגילוי הגזים האצילים. באותו זמן התגלה גם הרדון (Rn), שהוא גז אציל אך גם רדיואקטיבי מאוד ונוצר במהלך הדעיכה של רדיום ושל תוריום. זמן קצר לאחר מכן התגלה גם האקטיניום (Ac), ואילו פרוטאקטיניום (Pa) זוהה כיסוד ב-1913, אף על פי שהוא בודד כבר ב-1900 אך לא זוהה כראוי כיסוד.

כל אלה התגלו זמן קצר יחסית אחרי שאנרי בקרל גילה את הרדיואקטיביות ב-1896. רוב היסודות הרדיואקטיביים מתפרקים מהר, ולכן אינם שרידים שנותרו מאז היווצרות כדור הארץ, אלא נוצרים כל הזמן מהתפרקות של היסודות הרדיואקטיביים הכבדים אורניום ותוריום ונמצאים איתם בטבע בריכוזים נמוכים ביותר.

בהתפרקות רדיואקטיבית, יסודות כבדים הופכים ליסודות אחרים, שבדרך כלל יהיו שכנים קרובים וקלים יותר שלהם בטבלה המחזורית. האורניום והתוריום נפוצים בטבע כיוון שהם מתפרקים לאט מאוד, במשך מיליארדי שנים, ודועכים בסדרה של התפרקויות עד שהם הופכים לעופרת. שאר היסודות הרדיואקטיביים מתפרקים הרבה יותר מהר, תוך כמה עשרות אלפי שנים לכל היותר, כך שהם קיימים בטבע רק בתוך שרשרת ההתפרקויות של יסודות כבדים מהם.

בשל נדירותם, משתמשים לגילויָם בשיטות שמתבססות על זיהוי הרדיואקטיביות שלהם, ולא בשיטות כימיות מסורתיות שדורשות לבודד כמות גדולה יחסית של האטום שאותו מחפשים. למשל כדי להשיג את הגרם הראשון של רדיום עיבדו מרי ופייר קירי קרוב לטון של עופְרָת אורניום במשך כארבע שנים והצליחו להוציא ממנה רק כמאה מיליגרם של רדיום.

באחדים מהיסודות הרדיואקטיביים, ובמיוחד ברדיום, נעשה שימוש אזרחי נרחב בתחילת המאה ה-20, עקב ההתלהבות הרבה מהקרינה שהם פולטים. למשל רדיום זוהר בחושך, במיוחד אם שמים לידו זרחן, שממיר לאור נראה את הקרינה שהוא פולט ואינו מתפרק במהירות. השימושים הללו חדלו כשהתגלו הסכנות של הקרינה הרדיואקטיבית, בהן סרטן ומחלת קרינה.

רדיום הוא היסוד הרדיואקטיבי היחיד שהופק מהטבע בכמויות משמעותיות – כמה קילוגרמים בסך הכול. השאר מתפרקים מהר מכדי שישתלם להפיק אותם, כך שבדרך כלל מייצרים אותם באופן מלאכותי כשרוצים לעשות בהם שימוש. לרדיום ולאקטיניום יש שימושים רפואיים מסוימים ורדיום משמש לעיתים לייצור אקטיניום.

רדון, לעומת זאת, נחשב מסוכן מדי לשימוש עקב התפרקותו המהירה מאוד – בתוך כשלושה ימים וחצי), שכן אפילו כמויות קטנות ביותר שלו פולטות הרבה מאוד קרינה. לשם המחשה, אילו יכולנו לייצר ליטר של רדון טהור, הקרינה שהיה פולט הייתה מתיכה את המכל שהוא נמצא בו בתוך שניות ספורות. עקבות זעירים של תוריום ואורניום בקרקע גורמות לפעמים להיווצרות כמויות זעירות של רדון במרתפים. הגז חשוד כגורם השני בשכיחותו לסרטן הריאות, אחרי עישון סיגריות, אם כי יש מחלוקת בנושא.

הריכוז הגבוה ביותר של רדון שנמדד במרתף ביתי התגלה בביתו של עובד בתחנת כוח גרעינית בארצות הברית. זה קרה אחרי שבדיקות קרינה שגרתיות שנערכו בשערי המפעל גילו עליו סימני רדיואקטיביות כשהגיע לעבוד, אחרי שכמה ימים קודם לכן יצא מהעבודה נקי. חקירה גילתה בהמשך במרתף ביתו ריכוזי רדון גבוהים פי מאה מהתקן המותר במכרות אורניום, אחרי שהרדיום חלחל פנימה מהקרקע סביב המרתף.

לפולוניום היו בעבר שימושים תעשייתיים, אך רובם פסקו זה מכבר. כיום מיוצרים רק כמאה גרם שלו בשנה, רובם המכריע ברוסיה. הוא התפרסם כשנעשה בו שימוש להרעלת המרגל הרוסי אלכסנדר ליטוויננקו בשנת 2006. פרוטואקטיניום מופק בעיקר כפסולת בכורים גרעיניים ואין לו כמעט שימושים מחוץ למעבדות מחקר.

לפני שידעו על סכנות הקרינה נעשה שימוש אזרחי נרחב ברדיום, למשל בשעונים זוהרים כמו זה מ-1950 | מקור: ויקיפדיה, Arma95
לפני שידעו על סכנות הקרינה נעשה שימוש נרחב ברדיום, למשל בשעונים זוהרים כמו זה מ-1950 | מקור: ויקיפדיה, Arma95 

המיוצרים

שאר היסודות הרדיואקטיביים הטבעיים נדירים בהרבה, וזוהו מאוחר יותר. פרנציום (Fr) וטכנציום (Tc) זוהו רק בסוף שנות ה-30, רגע לפני גילוי הביקוע הגרעיני. פרומותיאום (Pm) ואסטטין (At) התגלו במהלך מלחמת העולם השנייה, יחד עם פלוטוניום (Pu) ונפטוניום (Np). פרנציום הוא היסוד האחרון שהתגלה בטבע ולא יוצר במעבדה, אף שהוא מתפרק מהר מאוד – זמן מחצית החיים שלו הוא 23 דקות, כלומר זה הזמן שנדרש למחצית מכל כמות להתפרק. הוא זוהה בכמות זעירה כתוצר ההתפרקות הרדיואקטיבית של אקטיניום.

היסודות הרדיואקטיביים יוצרו ישר במעבדה, שכן הם קיימים בטבע בכמויות זעירות במיוחד. מעריכים לדוגמה כי בכל קרום כדור הארץ יש פחות מגרם אחד של אסטטין בכל רגע נתון, מאחר שמחצית מכמותו תתפרק תוך פחות מדקה, אך הוא נוצר כל הזמן מדעיכה רדיואקטיבית של יסודות כבדים יותר. אפשר לייצר כמיליונית הגרם שלו במאיצי חלקיקים, למשל לצרכים רפואיים.

פרנציום מעולם לא בודד או יוצר בכמות של יותר מכמה מאות אלפי אטומים – פחות ממיליארדית של מיליונית הגרם. אין לו כל שימוש עקב נדירותו, הקושי הרב לייצר אותו והעובדה שהוא מתפרק מתוך דקות ספורות מרגע שנוצר.

פלוטוניום ונפטוניום נוצרים בטבע מאורניום בכמויות זעירות ביותר, ואינם מופקים מהטבע כלל. עם זאת, הם מיוצרים בכמויות גדולות בכורים גרעיניים. מאות טונות שלהם קיימים כיום בעולם, מאחר שהם זקוקים לזמן רב להתפרק: בין עשרות אלפי שנים במקרה של פלוטוניום למיליוני שנים כשמדובר בנפטוניום.

טכנציום ופרומתיום נוצרים בכורים גרעיניים כתוצרים של ביקוע גרעיני, ויש להם שימושים מעטים – במיוחד לטכנציום, שמשמש ברפואה, אף שרובו נחשב פסולת ולא מופרד משאר הפסולת הגרעינית. פרומתיום מתפרק תוך שנים ספורות ושימושיו מעטים. בין השאר משתמשים בו לייצור צבעים זוהרים בחושך, שכן הוא דומה לרדיום אך פחות רעיל ויותר זול ממנו. גם הוא לא מופרד בדרך כלל מהפסולת הגרעינית אלא נותר בה ומתפרק תוך כמה שנים. בעבר יוצרו ממנו כמה מאות גרמים בשנה, אך כיום הכמות פחתה.

ארבעת אלה נחשבו בעבר ליסודות מלאכותיים, אך כיום הם נחשבים טבעיים למרות הכול עקב גילוי דבר קיומם בטבע.

כל שאר היסודות הכבדים מפלוטוניום הם רדיואקטיביים, מתפרקים מהר יחסית ואינם קיימים בטבע. כולם נוצרו במעבדה לאחר מלחמת העולם השנייה, והאחרונים מביניהם התגלו רק בשנים האחרונות. יש מעט מאוד מהם והם מיוצרים בכמויות זעירות, אם בכלל.

מאיץ החלקיקים במעבדות ברקלי בקליפורניה, שם ייצרו וגילו יסודות רבים | צילום: Science Photo Library
מאיץ החלקיקים במעבדות ברקלי בקליפורניה, שם ייצרו וגילו יסודות רבים | צילום: Science Photo Library

המתערבבים

קבוצה משמעותית אחרת של יסודות שהתגלו באיחור הם יסודות ממשפחת הלנתנידים, הידועים גם כעפרות נדירות. מדובר בקבוצת יסודות שנמצאים בשתי השורות התחתונות של הטבלה המחזורית. הם מופיעים כמעט תמיד יחד וקשה להפריד ביניהם בשל הדמיון הרב בתכונותיהם הכימיות.

רוב הלנתנידים התגלו במחצית השנייה של המאה ה-19, אך שלושת האחרונים התגלו מאוחר יותר: היסוד אירופיום (Eu) התגלה ב-1896, ולוטציום (Lu) ב-1906. השלישי והאחרון הוא פרומתיאום, שבגלל היותו רדיואקטיבי הוזכר כבר קודם. הוא התגלה כאמור רק באמצע המאה ה-20.

האירופיום, ועוד יותר ממנו הלוטציום, הם לנתנידים לא נפוצים ולכן קשה במיוחד לבודד אותם. לוטציום קשה במיוחד להפיק ולהפריד משאר הלנתנידים ולכן הוא גם יקר מאוד ועולה בערך כרבע מזהב בכמות דומה.

ללנתנידים יש שימושים רבים בתעשייה ובחיי היומיום, אך בגלל הדמיון הרב ביניהם מסתפקים בדרך כלל ביסודות הנפוצים יותר מביניהם. לפיכך ללוטציום יש שימושים מעטים למדי בשל מחירו הגבוה. אירופיום נפוץ מעט יותר וזול משמעותית, ועל כן הוא שימושי יותר. למשל במסכי טלוויזיה צבעוניים יש כגרם של תחמוצת אירופיום, שממנה יוצרים בהם את הצבע האדום.

החומר המשמש ליצירת צבע אדום במרקעי טלוויזיה. מבחנה של היסוד אירופיום | צילום: Science Photo Library
החומר המשמש ליצירת צבע אדום במרקעי טלוויזיה. מבחנה של היסוד אירופיום | צילום: Science Photo Library

המתכות הנדירות

לבסוף נותרנו עם שני יסודות אחרונים: הפניום (Hf) ורניום (Re). בשני המקרים מדובר במתכות יציבות בתחתית הטבלה המחזורית, אך נדירות בטבע ומופיעות תמיד בריכוזים נמוכים מאוד. הפניום התגלה ב-1922, אחרי עיכובים שנבעו ממחסור בידע תיאורטי: בתקופה הזו היו ויכוחים בין כימאים על מקומו של היסוד החסר (מספר 72) בטבלה המחזורית: היו שטענו שהוא היסוד האחרון במשפחת הלנתנידים, והיו שטענו שהוא היסוד הראשון המופיע אחריהם ולכן עליו להיות דומה לזירקוניום. בעקבות זאת רבים חיפשו אותו במרבצי לנתנידים, שם הוא כמעט לא קיים, והוא התגלה רק כשהחלו לחפש אותו במרבצי זירקוניום.

סיבה נוספת לקושי לגלותו טמונה בכך שהוא מופיע תמיד עם זירקוניום, הדומה לו מאוד ברוב תכונותיו אך נפוץ ממנו הרבה יותר. מאחר שההפניום הוא רק אחוזים בודדים מכמות הזירקוניום במינרל, קשה להפיקו גם כיום, ובדרך כלל הוא תוצר לוואי של הפקת זירקוניום נקי הדרוש לכורים גרעיניים. בשל נדירותו הפניום הוא יקר הרבה מזירקוניום. מכיוון שהפניום בולע ניטרונים ומפריע לתגובות גרעיניות, משתמשים בו בין השאר במוטות בקרה בכורים גרעיניים, אך ללא זירקוניום שממלא שם תפקידים אחרים. כמו כן הוא מרכיב בסגסוגות חשובות, בעיקר בטילים.

מועד גילויו של היסוד רניום שנוי במחלוקת. ב-1908 הכריז הפיזיקאי היפני מסטאקה אוגווה (Ogawa) שגילה את היסוד מספר 43 בטבלה המחזורית וקרא לו ניפוניום, שמה של ארצו. טענתו הופרכה בהמשך ויסוד 43 – האטום הרדיואקטיבי טכנציום – התגלה רק ב-1937 כשיוצר מלאכותית במעבדה. אולם כמה עשורים לאחר מכן התגלה כי בדוגמאות שלו דווקא הופיע יסוד מספר 75, רניום, שנמצא בטבלה המחזורית בדיוק מתחת ליסוד 43 ודומה לו מבחינה כימית. על כן יש מי שמחשיבים אותו למגלה הרניום. לכבודו הוענק ב-2016 השם ניהוניום (Nh) ליסוד 113, שגם מגליו היו יפנים.

הראשונים שבודדו רניום באמת והעניקו לו את שמו היו בני הזוג אידה ווולטר נודק (Noddack), שזיהו אותו עם שותפם אוטו ברג (Berg) ב-1925. כך הוא היה ליסוד היציב, הלא-רדיואקטיבי האחרון שהתגלה. שלוש שנים לאחר מכן, לאחר שעיבדו במאמץ 660 קילוגרם של המינרל מוליבדניט, הצליחו להפיק גרם בודד של רניום.

כיום רוב הרניום המופק בעולם משמש לסגסוגות המצויות במנועי סילון. שימוש משמעותי נוסף שלו הוא כזרז בתגובות כימיות מסוימות. גם כיום רניום הוא יקר ומחירו עומד על קרוב לרבע ממחירו של שנהב באותה כמות, כיוון שהוא אחד היסודות הנדירים ביותר בכדור הארץ, ומופק בכמויות קטנות יותר.

גילו את היסוד האחרון שאינו רדיואקטיבי - רניום. אוטו ברג (מימין), ולטר ואידה נודאק | מקור: ויקיפדיה, Science Photo Library
גילו את היסוד האחרון שאינו רדיואקטיבי - רניום. אוטו ברג (מימין), ולטר ואידה נודאק | מקור: ויקיפדיה, Science Photo Library

גילוי היסודות האחרונים בטבלה המחזורית הוא אם כן ראיה לכוחה של תיאוריה טובה. במאה ה-19 התגלו רוב היסודות ונוצרה הטבלה המחזורית – שניבאה את קיומם של יסודות נוספים. היסודות האחרונים שהתגלו כבר נחזו קודם לכן בזכות המקום הריק שהשאירו בטבלה. לפני כמאה שנה התגלו היסודות היציבים האחרונים, גילוי הרדיואקטיביות אִפשר לאנושות לחשוף גם יסודות רדיואקטיביים נדירים מאוד ובעלי משך קיום קצר. לבסוף, גילוי הביקוע הגרעיני השלים את גילויָם, איפיונם וזיהויָם של היסודות החסרים אחרונים, ואת ייצורם של יסודות מלאכותיים שהמשיכו להרחיב את הטבלה המחזורית.