Almennt er tilvist frumefnisins tins afar kyrrlát.
Stór hluti af heimsframleiðslunni á málminum fer í niðursuðudósir sem eru fylltar með ananasi, súrsíld eða öðrum vörum sem ætlað er að endast lengi.
En í heimi samsætanna skarar tin fram úr.
Tin finnst nefnilega í fleiri afbrigðum en nokkurt annað frumefni. Þessar svokölluðu samsætur sem við nefnum oft ísótóp, margfalda möguleika eðlisfræðinga til að nýta eiginleika frumeindanna – til dæmis til að framleiða orku framtíðarinnar.
Hvað eru samsætur?
Samsætur eru afbrigði frumefna – þeirra eininga sem allt er gert úr.
Frumefnið kolefni sem gegnir lykilhlutverki í öllum lifandi verum á jörðinni, er til dæmis til í 15 mismunandi afbrigðum.
Og á rannsóknarstofum hafa vísindamenn búið til 36 samsætur gulls sem eru frábrugðnar því eina afbrigði gulls sem finnst í náttúrunni.
Munurinn á samsætum frumefnis felst í því hvernig atómkjarninn er byggður upp.
Framfarir móta skilning á skrýtnum frumeindum
Eftir uppgötvun frumeinda komust eðlisfræðingar að raun um að til voru ýmis afbrigði frumefna. Afbrigðin kallast ísótóp eða samsætur og veita innsýn í hvernig frumefni urðu til fyrir milljörðum ára.
1907: Úran notað til að ákvarða aldur jarðar
Bandaríski geislaefnafræðingurinn B.B. Boltwood uppgötvar að sundrun geislavirku úran-238 samsætunnar í stöðugt blý má nota til jarðfræðilegrar aldursgreiningar. Honum tekst að aldursgreina jarðlög.
1913: Fyrstu stöðugu ísótópin fundin
Í tilraunum sínum skýtur eðlisfræðingurinn J.J. Thomson neonatómum á ljósmyndaplötu og uppgötvar fyrstu stöðugu samsæturnar. Tilraunin leiddi í ljós að neon hefur nokkrar stöðugar samsætur með mismunandi massa.
1946: Kolefni sýnir aldur plantna og dýraleifa
Efnafræðingurinn Willard Frank Libby uppgötvar að nota má kolefni-14 eða C-14 sem er m.a. í loftinu, til að aldursgreina lífræn efni. Aðferðina er hægt að nota á sýni sem eru allt að 50.000 ára gömul.
2025: Samætur veita innsýn í myndun frumeinda
Hópur vísindamanna skapar samsætuna rutherfordín-252 með helmingunartíma upp á aðeins 60 nanósekúndur. Rannsóknir á skammlífum samsætum veita nýja þekkingu á því hvernig frumeindir myndast.
Öll frumefni samanstanda af kjarna með einni eða fleiri svokölluðum kjarneindum ásamt ákveðnum fjölda rafeinda.
Kjarneindir eru til í tveimur gerðum: nifteindir sem hafa enga rafhleðslu og róteindir sem hafa jákvæða hleðslu.
Hleðsla róteindar vegur upp á móti neikvæðri hleðslu rafeindar. Þess vegna hefur hlutlaust atóm eða frumeind, jafnmargar rafeindir og róteindir.
Fjöldi róteinda skilgreinir um hvaða frumefni er að ræða. Blý hefur til dæmis alltaf 82 róteindir, helíum hefur aðeins tvær og rutherfordín 104. En fjöldi nifteinda getur verið breytilegur eftir samsætum.
Kolefni hefur sætistöluna 6 og hefur því alltaf sex róteindir í kjarnanum. Algengasta samsæta kolefnis hefur einnig sex nifteindir og er því kölluð kolefni-12 (6 róteindir + 6 nifteindir = 12 kjarneindir).
Auk þess eru til 14 aðrar samsætur kolefnis með allt frá tveimur upp í 16 nifteindir.
Gull hefur 79 róteindir og venjulega 118 nifteindir en vísindamenn hafa búið til gervisamsætur gulls með 90-126 nifteindir í atómkjarnanum.
Hvar eru samsætur í náttúrunni?
Samsætur eru alls staðar – í loftinu, í vatninu, í jörðinni og í öllum lifandi verum.
Flest frumefni koma fyrir í náttúrunni í formi fleiri en einnar samsætu. Í mannslíkamanum eru til dæmis tvær mismunandi vetnissamsætur, þrjár kalíumsamsætur og sex mismunandi kalsíumsamsætur.
Sumar samsætur eru stöðugar en aðrar eru geislavirkar.
Stöðugar samsætur hafa atómkjarna í jafnvægi og geta verið til í milljarða ára án þess að breytast. Súrefnisatóm í andrúmsloftinu eða kísilatóm í steini breytast ekki.
Í geislavirkum samsætum er atómkjarninn hins vegar óstöðugur.
Róteindirnar í kjarnanum hafa allar jákvæða hleðslu og þess vegna hrinda þær hver annarri frá sér, líkt og plúspólar tveggja segla.
Þess vegna er þörf fyrir nifteindir. Þær halda kjarnanum saman þökk sé náttúrukrafti sem kallast sterki kjarnakrafturinn. Krafturinn „límir“ kjarneindirnar saman en ef hlutfallið milli nifteinda og róteinda er ekki rétt, brestur límið.
Til að bresta ekki reynir atómið að ná jafnvægi með því sem eðlisfræðingar kalla „hrörnun“ eða ”sundrun”.
Eftir dauða lífvera dregur smám saman úr magni samsætunnar kolefnis-14 í leifum þeirra og það nýta vísindamenn til að aldursgreina til dæmis fornleifafundi.
Venjulegt kolefni, kolefni-12, hefur eins og áður sagði sex róteindir og sex nifteindir í kjarnanum. Samsætan kolefni-14 hefur tvær auka nifteindir og það gerir hana óstöðuga.
Meiri fjöldi nifteinda þýðir að kjarninn er of þungur og því er hætt við að frumeindin rifni í sundur.
Til að skapa jafnvægi breytist nifteind í róteind. Í því ferli – sem kallast beta-mínus-hrörnun – losnar rafeind og svokölluð andfiseind. Það er slík geislun sem kallast geislavirkni en hún er þó afar mismikil eftir efnum.
Þegar einni róteind er bætt við kjarna kolefnis-14 er það ekki lengur kolefni-14. Það verður þess í stað að köfnunarefni-14 sem er stöðug samsæta. Hrörnun kolefnis-14 er tiltölulega hæg.
Vissir þú að …
… tilraunasprengingar með kjarnorkuvopn á 6. og 7. áratugnum sendu frá sér nifteindir sem juku magn kolefnis-14 í andrúmsloftinu á árunum eftir þær?
Eftir 5.730 ár hefur helmingur frumeindanna breyst í köfnunarefni-14. Sá tími kallast helmingunartími samsætunnar og er mjög misjafn eftir efnum.
Fyrir pólon-212 er hann til dæmis aðeins 0,0000003 sekúndur en fyrir úran-238 tekur það 4,5 milljarða ára að sundra helmingi atómanna í þórín-234 sem er heldur ekki stöðug samsæta.
Fyrst eftir 13 umbreytingar til viðbótar komast atómin sem byrjuðu sem úran-238, í jafnvægi sem blý-206.
Nýtast samsætur til greiningar?
Þegar vísindamenn þekkja helmingunartíma samsætu er hægt að nota hana eins og klukku til að aldursgreina t.d. fornleifafundi eða berg í jarðskorpunni.
Þekktasta dæmið er kolefnis-14-aldursgreining sem efnafræðingurinn Willard F. Libby uppgötvaði árið 1946.
Aldursgreining C-14 afhjúpar aldur lífveruleifa
Geislavirka samsætan kolefni-14 er til staðar í litlu magni í andrúmsloftinu – en brotnar smám saman niður. Þetta nýta vísindamenn til að aldursgreina allt frá egypskum múmíum til timburs úr víkingaskipum og leifum dauðra dýra frá steinöld.
Árekstrar í loftinu mynda kolefni-14
Þegar öreindageislun frá sólinni og utan úr geimnum lendir á frumeindum í andrúmsloftinu losna nifteindir úr þeim.
Áreksturinn skapar nýtt frumefni
Í hvert sinn sem nifteind rekst á köfnunarefni í andrúmsloftinu sendir atómið frá sér róteind og breytist í kolefni-14.
Lifandi dýr og plöntur taka upp efnið
Þegar plöntur taka til sín koltvísýring við ljóstillífun, fylgir dálítið magn af kolefni-14 með.
Kolefni-14 safnast upp alla ævi
Dýr og menn éta plönturnar. Þannig taka allar lífverur til sín kolefni-14 alla ævina.
Kolefnið sem eftir er sýnir dánartímann
Eftir að lífveran deyr breytist kolefni-14 hennar smám saman í köfnunarefni. Eftirstöðvar kolefnis-14 í leifum lífverunnar sýna hvenær hún dó.
Aldursgreining C-14 afhjúpar aldur lífveruleifa
Geislavirka samsætan kolefni-14 er til staðar í litlu magni í andrúmsloftinu – en brotnar smám saman niður. Þetta nýta vísindamenn til að aldursgreina allt frá egypskum múmíum til timburs úr víkingaskipum og leifum dauðra dýra frá steinöld.
Árekstrar í loftinu mynda kolefni-14
Þegar öreindageislun frá sólinni og utan úr geimnum lendir á frumeindum í andrúmsloftinu losna nifteindir úr þeim.
Áreksturinn skapar nýtt frumefni
Í hvert sinn sem nifteind rekst á köfnunarefni í andrúmsloftinu sendir atómið frá sér róteind og breytist í kolefni-14.
Lifandi dýr og plöntur taka upp efnið
Þegar plöntur taka til sín koltvísýring við ljóstillífun, fylgir dálítið magn af kolefni-14 með.
Kolefni-14 safnast upp alla ævi
Dýr og menn éta plönturnar. Þannig taka allar lífverur til sín kolefni-14 alla ævina.
Kolefnið sem eftir er sýnir dánartímann
Eftir að lífveran deyr breytist kolefni-14 hennar smám saman í köfnunarefni. Eftirstöðvar kolefnis-14 í leifum lífverunnar sýna hvenær hún dó.
Á meðan lífverur eru á lífi taka þær til sín bæði stöðugt kolefni- 12 og geislavirkt kolefni-14.
Eftir dauðann brotnar kolefni-14 niður í líkamsleifunum og verður að köfnunarefni-14 en innihald kolefnis-12 breytist ekki þar sem sú samsæta er stöðug.
Með því að bera saman innihald kolefnissamsætanna tveggja er hægt að ákvarða aldur, t.d. dýrabeins. Ef það inniheldur helmingi minna af kolefni-14 en eðlilegt er, dó dýrið fyrir um 5.730 árum.
Kolefnis-14-aðferðin verður ónákvæm ef sýnin eru eldri en u.þ.b. 50.000 ára gömul, því þá er orðið of lítið eftir af kolefni-14.
En þá geta vísindamenn nýtt sér aðrar samsætur.
Afar langur helmingunartími úrans-238 eða 4,5 milljarðar ára, þýðir t.d. að hægt er að nota samsætuna til að aldursgreina bergtegundir.
Með því að mæla hversu mikið af geislavirku úrani-238 og hversu mikið af stöðugu blýi-206 er í steindinni í dag geta jarðfræðingar reiknað út hversu langur tími er liðinn frá því að bergið myndaðist.
Nýtast samsætur í kjarnorku?
Kjarnorkuver nýta orku úr geislavirkum samsætum sem hægt er að kljúfa.
Algengasta eldsneytið í kjarnaofnum er óstöðuga samsætan úran-235. Í kjarnaofninum er nifteind skotið á úran-235-kjarna.
Nýi úran-236-kjarninn er svo óstöðugur að hann klofnar nánast samstundis í tvo minni atómkjarna, oft baríum-141 og krypton-92.
Á sama tíma losna tvær til þrjár nifteindir og mikið magn orku – meðal annars í formi geislavirkrar gammageislunar.
Nýju nifteindirnar geta rekist á aðra U-235-kjarna og valdið því að þeir klofna. Keðjuverkunin er þar með hafin.
Nýmynduðu atómkjarnarnir fara á miklum hraða – um 10.000 km/sek. Þegar þeir rekast á aðrar frumeindir, flyst hreyfiorka þeirra yfir sem hiti.
Það er þessi hiti sem er nýttur í kjarnorkuverinu til að sjóða vatn og gufan knýr svo hverfla sem framleiða rafmagn.
