Nová alchymie

Alchymisté pomocí pomyslného kamene mudrců chtěli transmutovat obyčejné kovy ve zlato. Ernest Rutherford před sto lety zveřejnil objev umělé přeměny prvků. Výroba zlata se však stále nevyplácí.

Transmutace, česky přeměna, byla jedním z hlavních cílů středověkých alchymistů. Ti pomocí pomyslného kamene mudrců chtěli transmutovat obyčejné kovy, hlavně rtuť a olovo, ve zlato. Samozřejmě se jim to nikdy nepodařilo, proto se uchylovali k trikům.

Například v lednu 1648 v Praze přímo před císařem Ferdinandem III. alchymista Johann Konrad Richthausen „proměňuje“ dvě a půl libry rtuti ve zlato. Kolik přesně tohoto vzácného kovu „vzniklo“, se neví, nicméně stačilo prý to k vyražení pamětní medaile o této události.

Podobných událostí zná historie bezpočet; zpravidla končily kvapným útěkem, někdy i hladomornou, skřipcem až šibenicí. (V tom byl Richthausen výjimkou; zemřel krátce po transmutaci, proto ještě v záři panovníkovy přízně a na rozdíl od drtivé většiny svých nectihodných kolegů bohatý.)

Alchymista Sendivogius na obraze Jana Matejka. Volné dílo, CC0 1.0

Někteří z chemiků se později bavívali pokusy ty staré alchymistické eskamontáže vysvětlit a reprodukovat. Samozřejmě všichni žili v přesvědčení, že transmutovat jeden prvek v druhý nelze jinak než podfukem. Dokud nepřišel Ernest Rutherford.

Všeobecně uznávaného zakladatele jaderné fyziky z tohoto rodilého Novozélanďana dělají zejména dva pokusy.

První vystihuje slogan „už vím, jak vypadá atom!“, kterým počastoval koncem roku 1910 jednoho ze svých mladších kolegů. Odpověděl tak ­ první na světě už nikoli domněnkou, nýbrž vědeckými důkazy ­ na prastarou otázku antických atomistů.

To bylo tak: V roce 1909 jako profesor univerzity v Manchesteru, čerstvý nobelista a asi největší znalec radioaktivity té doby, dal svému stážistovi Hansi Geigerovi a diplomantu Ernestu Marsdenovi za úkol prostudovat průchod paprsků alfa tenkými vrstvami kovů. Podle tehdy platné „pudinkové“ teorie měly být atomy kladně nabité homogenní kuličky, ve kterých jako rozinky v pudinku „plavalo“ odpovídající množství záporných elektronů. V takovém případě by průletů částic alfa (rychle letících jader hélia vznikajících při radioaktivní přeměně velmi těžkých atomových jader) ubývalo úměrně s tloušťkou prolétané vrstvy.

Ernest Rutherford na McGillově univerzitě, rok 1905.CC 4.0 International

A výsledek? U tenounké zlaté fólie sice drtivá většina helionů podle očekávání bez problémů proletěla, avšak jedna z několika tisíc se velmi odchýlila až odrazila zpátky.

„Bylo to neuvěřitelné skoro tak, jako kdyby někdo vystřelil proti listu hedvábného papíru patnáctipalcový granát a ten se vrátil a zasáhl střelce,“ napsal Rutherford ­ a k vysvětlení tohoto zdánlivého paradoxu vytvořil tzv. planetární model: Atom není stejnorodý, nýbrž obsahuje rozměrově nepatrné, zato velmi hmotné, pro letící částice neprůchodné jádro, zatímco lehounké elektrony obíhají v prostupné „prázdnotě“ kolem něj obdobně jako planety kolem Slunce.

Pokus za všechny války

Experiment druhý lze charakterizovat jiným výrokem. Když se někdy ke konci první světové války bránil výtkám důstojníků za pozdní příchod na schůzi jakési vojenské komise, prohlásil: „Klídek! ... Dělám zrovna pokusy, které dávají naději, že člověk může rozbít atom. Jestli se to podaří, pak to bude důležitější než celá ta vaše válka...“

Co tedy dělal? Teď, když už věděl, že atom má hmotné jádro, zkoušel ve své severoanglické univerzitní laboratoři, co se stane, když se částice alfa čelně srazí s jádrem jiného atomu. Rozbije se zasažený atom, nebo se jenom odpálí, jako když se srazí dvě kulečníkové koule?

Ozařoval tedy pomocí radia (silného zdroje částic alfa) různé plyny: vodík, oxid uhličitý, kyslík, vzduch. A i když pravděpodobnost čelní srážky byla za jeho experimentálních podmínek pranepatrná, v tom kvantu přítomných atomů se to tu a tam podařilo, dokonce jakž takž v souladu s dosud známou teorií (tedy vychýlení až odraz). Až na jednu výjimku: ozařovaný vzduch, a to i po naprostém vyčištění od vodních par, naprosto nepochopitelně vydával rychlá vodíková jádra. Vzduch se skládá především z dusíku, kyslíku a trochy toho oxidu uhličitého. Poslední dva jmenované plyny už ozařovány byly a žádnou vodíkovou úrodu nevykazovaly. Zbývá tedy dusík. Opravdu, ukázalo se, že radiem ozařovaný samotný dusík je ještě bohatším zdrojem vodíkových jader než vzduch.

„Zjišťuji a počítám lehké atomy, uváděné do pohybu částicemi alfa... Mám dojem, že jsem získal určité dosti zvláštní výsledky, ale budu muset ještě dlouho a těžce pracovat, abych mohl své závěry dostatečně prokázat,“ píše koncem roku 1916 Rutherford z Manchesteru do Kodaně svému žáku a příteli, jednomu z nejvýznamnějších fyziků kvantových Nielsi Bohrovi.

Nakonec milému badateli nezbylo než uznat, že zdrojem oněch nevysvětlitelných protonů je sám ozařovaný dusík. Když pak ve Wilsonově mlžné komoře (zařízení, které zviditelňuje dráhu mikročástic kondenzační stopou obdobně jako atmosféra dráhu vysoko letících letadel) změřil délku stopy zasaženého, tedy nárazem odmrštěného dusíku, nemohl se dopočítat. Stopa byla kratší, než vyplývalo z teorie. Připomínala spíš dráhu stejným způsobem odraženého kyslíku ­ ten má o něco kratší stopu než dusík, poněvadž těžší jádro... První písemný záznam o transmutaci dusíku v kyslík pochází ze dne 9. listopadu 1917.

V červnu 1919 vědecký měsíčník The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, zkráceně Philmag, přináší soubor čtyř Rutherfordových prací pod společným titulem Srážka alfa částic s lehkými atomy. V části čtvrté, nazvané Nepravidelný jev v dusíku, autor postupně dochází k závěru, že dusík přímo trefený částicí alfa dává kyslík a proton: ¹⁴N + ⁴He = ¹⁷O + ¹H.

Možnost umělých jaderných reakcí otevřela vědě novou cestu, jejímiž milníky byly například objev umělé radioaktivity (1934 Joliot-Curieovi), objev štěpení uranu (1939 Hahn), konstrukce prvního jaderného reaktoru (1942 Fermi) a výbuch první jaderné bomby (1945 Oppenheimer a spol.)

Novodobí alchymisté se nenapakují

Před sto lety tedy Rutherford provedl transmutaci prvku v jiný a vlastně tím pootevřel cestu ke splnění jednoho z dávných alchymistických snů – získání zlata z nějakého méně vzácného kovu.

Než k tomu ale vědci dospěli, několikrát se spálili. Tady už nešlo o podvod, jak tomu bývalo u alchymistů, nýbrž o zmýlenou (snad trochu vyvolanou zbožným přáním). Například v létě 1924 středoškolský profesor fotochemie Adolf Miethe zveřejnil v časopise Die Naturwissenschaften sdělení, že několik desítek hodin trvajícím působením napětí 170 voltů ve rtuťové výbojce získal ze rtuti zlato. Postup si spolu s kolegou už předtím nechal patentovat. Zpráva byla přijata rozporuplně; skeptici argumentovali, že žádné dostupné elektrické napětí na případnou transmutaci – spontánní či umělou – nestačí.

Adolf Miethe v roce 1905 na fotografii Nicoly Percheida. Volné dílo, CC0 1.0

Časopis Scientific American potom nechal Mietheho tvrzení nezávisle prověřit. Žádné zlato nenašel, to, které detekovali Němci, muselo být ve stopách přimíšeno ve výchozích materiálech. Vzhledem ke značné podobnosti obou atomových jader, uvedl časopis, však není vyloučeno, že kýžené změny by snad šlo dosáhnout nějakou jinou, dosud neobjevenou či nevynalezenou fyzikální procedurou...

Nu, dnes v jaderných reaktorech či urychlovačích částic dokážeme připravit tisíce všelikých nuklidů, radioaktivních i stabilních. Pro zlato ze rtuti se nabízejí nejméně dva způsoby, jednak ozařování přírodního izotopu rtuti 198 tvrdým zářením gama za vzniku protonu: ¹⁹⁸Hg⁸⁰ (γ, p) ¹⁹⁷Au⁷⁹, nebo dvojstupňově ostřelováním vzácnějšího přírodního izotopu rtuti 196 neutrony: ¹⁹⁶Hg⁸⁰ (n, γ) ¹⁹⁷Hg⁸⁰ s následnou přeměnou jádra rtuti 197 elektronovým záchytem probíhajícím s poločasem 2,7dne: ¹⁹⁷Hg⁸⁰ + e^- (EC) ¹⁹⁷Au⁷⁹.

Všechny metody však mají jednu vadu, zlata vzniká tak nicotně malounko a náklady na jeho „výrobu“ jsou tak vysoké, že se to hned o mnoho řádů nevyplácí.