היסוד שהשלים
את הטבלה המחזורית

מה המרחק בין פולין לצרפת? בדיקה מהירה באטלס או בגוגל מפות, מעלה כי המרחק בין ורשה בירת פולין לפריז, עיר הבירה הצרפתית, הוא כ-1600 קילומטר. לעומת זאת, הצצה בטבלה המחזורית מגלה שבין פולוניום, היסוד הקרוי על שם פולין, לבין פרנציום (Francium)  הקרוי על שם צרפת (France), מפרידות שלוש משבצות בלבד. בנוסף, בין פולין וצרפת של הטבלה המחזורית מפרידות 40 שנות מחקר, ושלושה דורות של מדעניות.

מרגריט פריי (Perey), תלמידתה של אירן ז'וליו קירי, שבעצמה היתה בתה של המדענית הנודעת מארי קירי,  גילתה את הפרנציום – היסוד הטבעי האחרון שהתגלה – ב-7 בינואר 1939, היום לפני 80 שנה.

עוזרת מעבדה של מארי קירי וסטודנטית של בתה, והמשיכה את ההישגים שלהן. מרגריט פריי | מקור: Science Photo Library 

החורים של מנדלייב

כאשר דמיטרי מנדלייב פרסם את הטבלה המחזורית של היסודות בשנת 1869, הוא כלל בתוכה את 63 היסודות שהיו מוכרים אז. מנדלייב סידר את היסודות בטבלה לפי כמה עקרונות, כולל המשקל של כל יסוד ביחס לאטום המימן והתכונות הכימיות של היסודות. מנדלייב השכיל להשאיר בטבלה שלו משבצות ריקות, עבור יסודות שהוא הבין שאמורים להתגלות בעתיד. בין השאר הוא השאיר מקום ריק ליד היסוד צזיום (Cesium) ליסוד שהוא כינה אקא-צזיום (מעבר לצזיום), שלימים יתגלה ויקבל את השם פרנציום.

במשך השנים, החורים שהשאיר מנדלייב החלו להתמלא. בשנת 1898, כשלושים שנה לאחר שפרסם את המהדורה הראשונה של הטבלה המחזורית, גילתה מארי קירי שני יסודות חדשים, פולוניום ורדיום. גילוי שני יסודות אלו התאפשר במידה רבה בשל תגלית חשובה אחרת שהיא הייתה שותפה לה – הקרינה הרדיואקטיבית.

גרעין, קליפה, והקרינה שביניהם

מה הקשר בין קרינה רדיואקטיבית לגילוי יסודות חדשים? המפתח לשאלה הזו נעוץ בהבנה בסיסית של מבנה האטום. באופן פשטני, אפשר לומר שכל אטום מורכב מגרעין וקליפה. הגרעין מכיל פרוטונים, שהם חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי, וניטרונים, חלקיקים בעלי משקל זהה אך חסרי מטען חשמלי. מסביב לגרעין מסתובבים אלקטרונים, חלקיקים קלים הרבה יותר בעלי מטען חשמלי שלילי. מה שמבדיל בין אטומים שונים הוא מספר הפרוטונים בגרעין. מספר הפרוטונים, המכונה גם "מספר אטומי", קובע את המיקום של כל יסוד בטבלה המחזורית. המספר הכולל של פרוטונים וניטרונים קובע את המשקל האטומי, או "מספר המסה" של היסוד.

לאטום מימן, למשל, יש פרוטון אחד בגרעין, והוא ממוקם בפינה השמאלית העליונה של הטבלה. אחרי מימן מגיע הליום עם שני פרוטונים בגרעין, ליתיום עם שלושה פרוטונים, בריליום עם ארבעה וכן הלאה. אחד היסודות עם הכי הרבה פרוטונים בגרעין שהיו מוכרים בתקופתה של מארי קירי הוא אורניום, שבגרעינו יש 92 פרוטונים.

יסודות מסוימים, כמו אורניום, אינם יציבים. לאחר זמן הגרעין שלהם מתחיל להתפרק והיסוד הופך ליסוד אחר. למשל, אורניום עם מספר מסה 238 ( 92 פרוטונים ו 146 ניטרונים) יכול לאבד שני פרוטונים ושני ניטרונים ולהפוך ליסוד תוריום (90 פרוטונים). תוריום בתורו יכול גם לעבור התפרקות גרעינית כזו ולהפוך ליסוד אחר, וכך הלאה עד שיתקבל יסוד יציב הרבה יותר. תוצרי הפירוק הגרעיני של אורניום כוללים בין היתר את היסודות רדיום (88) ופולוניום (84) שמארי קירי הצליחה לבודד מתוך כמות אדירה של עפרות אורניום. תוצרים מוכרים יותר של פירוק גרעיני של אורניום הם היסודות עופרת (מספר אטומי 82) וכספית (מספר אטומי 80).

מי אתה, אטום 87?

העבודה החלוצית של מארי קירי סללה במידה רבה את הדרך גם למילוי המשבצת הריקה שליד היסוד צזיום. בשל המיקום של המשבצת הריקה בטבלה המחזורית, מדענים ידעו שהמספר האטומי של היסוד החסר אמור להיות 87, פרוטון אחד פחות מהיסוד רדיום שגילתה קירי. בנוסף, מכיוון שהמשבצת הריקה נמצאת בעמודה הראשונה של הטבלה המחזורית, עם יסודות מוכרים ונפוצים כמו ליתיום נתרן ואשלגן חוקרים רבים שיערו שליסוד החדש יהיו תכונות כימיות הדומות לשאר היסודות בעמודה זו, הידועים בשם מתכות אלקליות.

מאז שנת 1925 נעשו לא פחות מארבעה נסיונות כושלים להסיר את הלוט מעל היסוד החסר, מספר 87. מדענים מרוסיה, בריטניה, ארצות הברית ורומניה פרסמו בנפרד את הגילוי של היסוד, ובסופו של דבר התברר שכולם טעו. כל אחד מהם גם מיהר להעניק שם ליסוד החדש שהוא חשב שהוא גילה. למשל, הכימאי הרוסי דמיטרי דוברוסרדוב (Dobroserdov) העניק ליסוד שהוא "גילה" בשנת 1925 את השם רוסיום (Russium) על שם מולדתו, וגישה דומה נקטו פרד אליסון (Allison) ואדגר ג'יי מרפי (Murphy) מארצות הברית שהציעו לכנות את היסוד וירג'יניום, על שם מדינת וירג'יניה. את התגלית האמיתית עשתה כאמור הכימאית הצרפתייה מרגריט פריי (Perey).

פחות מגרם

בשנת 1929, כשהייתה בת 20 בלבד,  החלה פריי לעבוד כעוזרת במעבדה של מארי קירי במכון הרדיום שהקימה בפריז. במהלך עבודתה התמחתה פריי בבידוד יסודות נדירים מתוך טונות של עפרות אורניום, בעזרת שיטות כימיות מתקדמות, בדומה לעבודה שהובילה את קירי עצמה לגילוי הרדיום והפולוניום. המטרה העיקרית של המחקר של פריי היתה להבין את הקרינה הרדיואקטיבית שפולט היסוד אקטיניום (מספר אטומי 89), אחד מתוצרי הפירוק הגרעיני של אורניום. מתוך עשר טונות של עפרות אורניום, הצליחה פריי לבודד שני מיליגרם בלבד של אקטיניום.

בשנת 1938, לאחר כמעט עשר שנות עבודה, פריי הבינה כי ב-99 אחוז מהמקרים אחד הניטרונים בגרעין האקטיניום מתפרק לפרוטון ואלקטרון. האלקטרון נפלט בקרינת בטא, ואילו הפרוטון הנוסף בגרעין הופך את היסוד לתוריום (מספר אטומי 90).  באחוז אחד מהמקרים האקטיניום פולט קרינת אלפא, שני פרוטונים ושני ניטרונים, והופך ליסוד החסר, מספר 87. פריי לא רק הצליחה לבודד את היסוד מספר 87, היא גם גילתה שהוא מאוד לא יציב. אם ניקח מיליגרם מהיסוד הזה , אחרי 22 דקות חצי ממנו כבר יתפרק ויהפוך ליסודות אחרים. עקב אורך חייו הקצר של הפרנציום, מעריכים כיום שעל פני כל כדור הארץ יש פחות מגרם אחד של היסוד הזה.

כפי שציפו על פי מיקומו של יסוד 87 בטבלה המחזורית, פריי הבחינה גם כי הוא מתמוסס בקלות במים, בדומה לשאר המתכות האלקליות, ליתיום, נתרן, אשלגן, רובידיום וצזיום.

הגביש הזעיר הזה של אורניניט מכיל ברגע נתון הרבה הרבה פחות מטריליונית הגרם של פרנציום | מקור: ויקיפדיה, Joachimsthal

החתול היסודי

לאחר ההתרגשות מגילוי היסוד החדש, היה צריך למצוא לו שם. פריי הציעה בהתחלה לקרוא לו "קטיום" מכיוון שהיא חשבה שזה יסוד שיכול לאבד אלקטרון בקלות, ולהפוך ל"קטיון" – אטום בעל מטען חשמלי חיובי. אולם, המנחים שלה בעבודת הדוקטורט, אירן ופרדריק ז'וליו-קירי, בתה וחתנה של מארי, חששו כי דוברי אנגלית עלולים לחשוב שהיסוד קרוי על שם חתול (cat), ולא על שם קטיון. הם הציעו במקום זאת את השם פרנציום, על שם מולדתם צרפת. בכך זכתה צרפת ששני יסודות יקראו על שמה: פרנציום וגליום ( 31), על שם גאליה, שמו העתיק של חבל הארץ הכולל את צרפת. למעשה יש אפילו שלושה, כי גם היסוד הנדיר לוטציום קרוי על שם לוטטיה, שמה הקדום של פריז. פריי זכתה להכרה ציבורית על גילוי הפרנציום, ובשנת 1962 היתה לאישה הראשונה שנבחרה לאקדמיה הלאומית למדעים של צרפת.

דעיכה רדיואקטיבית

מעבר לסיפוק האינטלקטואלי שבגילוי יסוד חדש, היתה תקווה כי הקרינה שפולט פרנציום, בדומה ליסודות רדיואקטיבים אחרים שהתגלו לפניו, תוכל גם לשמש בעולם הרפואה. מקור השראה מסוים היה קרני X שגילה וילהלם  רנטגן, שכבר בתקופה של פריי קידמו את עולם הרפואה, בין היתר בכך שהשתמשו בהם למפות עצמות של מטופלים, כנהוג גם ברפואה המודרנית.

בשנת 1949 פריי מונתה לעמוד בראש המחלקה לכימיה גרעינית באוניברסיטת שטרסבורג, שם החלה לחקור את ההשפעות הביולוגיות של היסוד החדש. "אני מקווה שפרנציום יאפשר לנו לבסס שיטות חדשות לגילוי מוקדם של סרטן", כך אמרה  אז פריי. אולם, לפני שהספיקה למלא את משאלתה, האירוניה היכתה והיא חלתה בסרטן.

בדומה למדענים רבים שחקרו קרינה רדיואקטיבית, גם פריי חלתה עקב חשיפה ממושכת לקרינה המסוכנת, ולבסוף הלכה לעולמה מהמחלה בגיל 66.

למרות שפרנציום הוא אחד היסודות הנדירים בעולם, אפשר עדיין לחקור אותו אם מייצרים אותו באופן מלאכותי במעבדה. כך למשל עושה לואיס אורוסקו (Orozco), פיזיקאי מאוניברסיטת מרלינד, החוקר את הכוחות בין החלקיקים בגרעין האטום. בעזרת מאיץ חלקיקים, אורוסקו ועמיתיו יכולים ליצור פרנציום מתרכובות של אורניום, ולהשתמש בו כדי להגיע לתובנות חדשות בפיזיקה גרעינית.

בדומה לאופן שבו אורוסקו מייצר פרנציום מלאכותי במעבדה, במשך השנים התגלו יסודות נוספים שיוצרו באופן מלאכותי. עם השנים פיתחו חוקרים גם שיטות לייצר במאיצי חלקיקים יסודות כבדים, שאינם קיימים בטבע. ואולם פרנציום, יסוד מספר 87, הוא היסוד הטבעי האחרון בתצרף הגאוני של הטבלה המחזורית.