Príbeh technécia-99 je jedným z najúžasnejších príkladov toho, ako môže základný výskum meniť a výrazne zlepšovať náš život. Na úplnom začiatku nebolo technécium nič iné ako vedecká kuriozita. V súčasnosti vyšetrenie pomocou neho ročne podstupujú desiatky miliónov pacientov po celom svete.
Technécium je chemický prvok s protónovým číslom 43. Ide o rádioaktívny kov, ktorý kryštalizuje v hexagonálnej sústave. Rozpúšťa sa iba v koncentrovanej kyseline dusičnej a sírovej za vzniku kyseliny technecistej. V prírode sa takmer nevyskytuje a jeho príbeh sa začal písať už v roku 1869, keď Dmitrij Ivanovič Mendelejev publikoval svoju prvú periodickú sústavu chemických prvkov.
D. I. Mendelejev ešte nevedel nič o protónovom čísle, prvky boli v tabuľke zoradené podľa atómových hmotností. Všimol si biele miesta v tabuľke a správne predpokladal, že sa v nich ukrývajú doposiaľ neznáme prvky, ktoré čakajú na svoje objavenie. A skutočne, čoskoro na to boli v prírode objavené gálium, skandium a germánium. Štvrtý chýbajúci prvok, ktorý pomenoval eka-mangán, naďalej unikal.
Historické míľniky poznania
Na konci 19. storočia došlo k niekoľkým zásadným objavom. Najprv v roku 1895 objavil Wilhelm Conrad Röntgen žiarenie, ktoré doteraz nesie jeho meno. Za tento objav sa v roku 1901 stal vôbec prvým nositeľom Nobelovej ceny za fyziku.
O rok neskôr, v roku 1896 objavil Francúz Henri Becquerel rádioaktivitu uránu. Identifikoval tri typy žiarenia: alfa, beta a gama a popísal niektoré ich vlastnosti. Ich podstata, ako aj podstata samotnej rádioaktivity zatiaľ ostávali zahalené rúškom tajomstva.
V roku 1897 identifikovali Joseph John Thomson, John Sealy Townsend a Harold Albert Wilson časticu elektrón. J. J. Thomson následne preukázal, že beta žiarenie, ktoré krátko predtým objavil a popísal H. Becquerel, je prúdom nových častíc.
V roku 1898 manželia Curieovci objavili nové chemické prvky rádium a polónium. Tento objav ich priviedol k správnej interpretácii rádioaktivity: je to samovoľná premena jedného chemického prvku na druhý. Prirodzene to prinieslo otázku, či môžu v prírode existovať ďalšie rádioaktívne chemické prvky.
Nový koncept periodickej tabuľky
V roku 1911 objavil Ernest Rutherford atómové jadro. Bolo interpretáciou experimentov s rozptylom alfa častíc na zlatej fólii, ktoré realizovali Hans Geiger a Ernest Marsden. E. Rutherford preukázal, že atómové jadro je veľmi hmotné, veľmi malé v porovnaní s celým atómom a je kladne nabité.
Na týchto základoch Niels Bohr vybudoval svoj model atómu, ktorý charakterizujú tri postuláty: elektróny sa pohybujú po kruhových trajektóriách, pričom povolené sú len také trajektórie, ktorých moment hybnosti je celočíselným násobkom Planckovej konštanty. Pri pohybe po kruhovej trajektórii elektróny nevyžarujú energiu. Tú môžu vyžiariť jedine pri prechodoch medzi hladinami.
Henry Moseley následne preukázal závislosť frekvencie takéhoto žiarenia od atómového čísla (počtu elektrónov v obale). Otvoril sa tak úplne nový koncept periodickej tabuľky prvkov založený na atómovom čísle, ktoré sa stalo akýmsi poradovým číslom prvku. Protónové číslo ešte známe nebolo.
D. I. Mendelejev mal prvky zoradené podľa atómovej hmotnosti. No napríklad kobalt s protónovým (atómovým) číslom 27 má atómovú hmotnosť 58,933, pričom nikel s protónovým číslom 28 má atómovú hmotnosť len 58,693. Mendelejev mal teda kobalt a nikel vymenené. Takýchto dvojíc je v periodickej tabuľke viacero a súvisia so štruktúrou atómového jadra. Navyše H. Moseley systematicky študoval spektrá všetkých známych prvkov a zistil, že chýbajú prvky s atómovými číslami 43, 61, 72 a 75. Potom jeho experimenty prerušila prvá svetová vojna.
Moseley padol pri nešťastnom vylodení britských jednotiek na tureckom polostrove Gallipoli. Krátko po prvej svetovej vojne boli objavené prvky hafnium a rénium s atómovými číslami 72 a 75. Prvky 43 a 61 však naďalej chýbali a nikto nevedel, kde a ako ich nájsť.
Roky omylov, chýb…
V priebehu 19. storočia niekoľkokrát oznámili objav nového chemického prvku, ktorý mohol byť práve tým s číslom 43. Svet postupne spoznal mená polinium, ilmenium, pelopium, davyum a lucium. Vždy sa však ukázalo, že išlo len o zmesi už známych prvkov.
V roku 1908 oznámil japonský chemik Masataka Ogawa objav nového prvku, ktorý pomenoval nipponium. Zrejme nevedomky objavil dovtedy neznámy prvok rénium a nesprávnou interpretáciou prišiel o slávu objaviteľa.
V roku 1925 nemecký tím v zložení Walter Noddack, Ida Tacková (neskôr Ida Noddacková) a Walter Berg ožarovali minerál kolumbit zväzkom elektrónov. Oznámili, že pozorovali charakteristické RTG žiarenie, ktoré zodpovedalo chemickému prvku s protónovým číslom 43. Dali mu meno mazúrium. Ďalšie experimenty nedokázali zreprodukovať výsledok, preto ho neskôr považovali za chybný. Skupina totiž nikdy nezverejnila originálne fotografické dosky a nikdy nevysvetlila prečo. Doteraz nie je spoľahlivo vysvetlené, či naozaj mohli vyprodukovať nový prvok alebo čo mohlo byť príčinou prípadnej chyby.
… aj úspechov a ocenení
Významný bol rok 1932: tri objavy, tri Nobelove ceny. James Chadwick objavil novú časticu neutrón, Carl Anderson prvú antičasticu pozitrón a Harold Urey ťažký vodík alebo deutérium. Od tejto chvíle bola štruktúra atómu jasná. Atómové jadro obsahuje kladne nabité protóny a neutrálne neutróny a je obklopené elektrónovým obalom. Chemické prvky vytvárajú izotopy s atómovými jadrami s rovnakým počtom protónov, no rôznym počtom neutrónov.
Tieto objavy veľmi mrzeli dcéru slávnej Marie Curieovej, Irène Joliot-Curieovú a jej manžela Frédérica. Boli totiž blízko k objavu neutrónu aj pozitrónu. Všetko si však dokonale vynahradili o rok neskôr, keď ožarovali terče ako hliník, bór alebo horčík zväzkom alfa častíc. Výsledná substancia sa chemicky líšila od pôvodného terča. Napríklad ožiarením hliníka vznikol rádioaktívny fosfor a ten sa emisiou pozitrónov menil na stabilný kremík. Navyše substancia vyžarovala pozitróny. Objavili tak možnosť transmutácie prvkov (i keď ju už predtým pozoroval Rutherford) a umelú rádioaktivitu a za tento objav im celkom správne udelili Nobelovu cenu za fyziku.
Umelá rádioaktivita
V tomto období pracoval v laboratóriách v Berkeley prvý cyklotrón a jeho vynálezca Ernest Lawrence začal systematicky študovať umelú rádioaktivitu pomocou jeho zväzkov.
Iný názor zastával taliansky fyzik Enrico Fermi. Navrhoval použiť na prípravu umelých rádioizotopov neutróny. Tie mali preniknúť do jadra oveľa ľahšie, keďže nemajú elektrický náboj. Spolu so svojou skupinou v Ríme začal systematické štúdium a objavil viac ako 40 nových izotopov. Fermiho plán bol postupne ožarovať neutrónmi všetky známe chemické prvky.
Členom skupiny bol aj Emilio Segré, ktorý bol synom obchodníka. Možno práve preto ho Fermi poveril úlohou nakúpiť vzorky všetkých prvkov. E. Segré navštívil obchod pána Troccoliho, ktorý vlastnil najlepšiu predajňu s chemikáliami v Ríme. Pri nákupoch si spomenul na mazúrium, o ktorom kedysi dávno čítal. Vypýtal si vzorku a pán Troccoli ho odbil latinskou vetou: Nunquam vidi, teda Nikdy som ho nevidel.
V rokoch 1933 a 1935 sa Fermi spolu so Segrém zúčastnili letnej školy teoretickej fyziky na Michiganskej univerzite v Ann Harbor v USA a Segré aj na Kolumbijskej univerzite v New Yorku. Vzhľadom na nedobrú politickú situáciu v Taliansku už vtedy zvažoval emigráciu. Netrpezlivo však očakával výsledok výberového konania na pozíciu vedúceho Katedry fyziky na Univerzite v Palerme. Rozhodol sa, že v prípade pozitívnej odpovede sa vráti do Talianska. Tá prišla ešte počas jeho pobytu v USA. Po príchode do Palerma sa okamžite pustil do práce, reorganizoval lokálnu skupinu a konštruoval detektory žiarenia. Chcel sa dať do štúdia umelej rádioaktivity, mal však problém: nemal k dispozícii rádioaktívny materiál a ani nevedel, kde ho získať. Čakal teda na príležitosť…
Náhoda praje pripraveným
Tá prišla hneď nasledujúci rok, ale predtým sa s ním osud zahral pomerne zvláštnu hru. V roku 1936 odišiel na pobyt na Kolumbijskú univerzitu v New Yorku. Tentoraz ho nesprevádzal Fermi, ale manželka Elfriede, rodená Spirová. V tom čase bola vo vysokom štádiu tehotenstva a vo vlhkom prostredí New Yorku sa necítila dobre. Preto sa rozhodli, že odcestujú do slnečnej Kalifornie, kde sa bude cítiť oveľa lepšie. Segré tam aspoň bude mať príležitosť zoznámiť sa s E. Lawrenceom a prezrieť si jeho zázračný vynález: cyklotrón.
Skutočne odcestovali do Berkeley, kde si Fermi prezrel laboratóriá a bol nimi úplne nadšený. Navyše si všimol, že v okolí urýchľovača sa povaľujú jeho vyradené časti. Keďže boli vystavené toku zväzku, boli rádioaktívne. Využil preto príležitosť a vypýtal si ich od Lawrencea. Získal tak materiál pre svoj výskum. Opäť sa raz potvrdilo pasteurovské: Náhoda praje pripraveným. Rádioaktívny materiál si odviezol do Talianska loďou vo svojom kufri. Zo súčasného pohľadu je to absolútne nepredstaviteľná vec.
V Palerme sa pustil do práce a analýzou zistil, že v medených častiach je vo veľkých množstvách prítomný rádioaktívny izotop 32P. Spolu s fyziológom Camillom Artomom sa pustili do výskumu použitia 32P ako markera pri štúdiu metabolizmu fosfolipidov. Rýchlo však zistili, že izotopu majú málo. Preto napísal Lawrenceovi a požiadal ho o ďalšie medené súčasti ožiarené zväzkom. Zakrátko dostali v niekoľkých listoch ožiarené medené a molybdénové fólie. Segrému napadlo, že tak ako v medených častiach vznikol fosfor, v molybdénových by sa mohol nachádzať prvok s protónovým číslom 43. Presne ten, ktorý pán Troccoli nikdy nevidel. Spolu s mineralógom Carlom Perrierom začali analyzovať molybdénové fólie a v roku 1937 našli to, čo hľadali – nový chemický prvok.
Mgr. Martin Venhart, PhD.
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i.
Podpredseda SAV pre 1. oddelenie,
štatutárny zástupca predsedu SAV
