Początkowo transmutacja nie była uważana za czynność nadzwyczajną, nie towarzyszyły jej rytuały i wiedza tajemna. Możliwe nawet, że był to proces odkryty przypadkiem i wykorzystywany z powodu zapotrzebowania na złoto. Prawdopodobnie wytwarzaniem złota mógł początkowo zająć się każdy metalurg posiadający wiedzę na temat odpowiednich procesów. Stapianie miedzi z cyną daje brąz cynowy, w barwie szary i możliwe, że właśnie to kolor tego stopu z dodatkiem innych metali był w starożytnym Egipcie uznawany za złoto. Kolejnym stopem miedzi będącym wynikiem transmutacji mógł być tombak- połączenie miedzi z cynkiem. Stopy zawierające cynk znane są od starożytności, tak też możliwe jest, że użycie odpowiednich rud zawierających cynk, świadome lub nie, mogło dać stopy podobne do dzisiejszego tombaku, popularnej imitacji złota. W starożytnym Egipcie takie procesy mogły uchodzić za uzyskanie metalu z innego, ze względu na brak metod analizy składu stopów. Wraz z rozwojem wiedzy chemicznej i odkryciem kwasów możliwe stało się poznanie składów próbek metalu przez traktowanie ich kwasem. Szybko okazało się, że wiele metali roztwarza się w kwasach, ale część metali nie chce roztwarzać się w części, a nawet większości kwasów i złoto rozpuszcza się tylko w wodzie królewskiej. Odkrycie odporności złota na działanie większości kwasów pozwala na rozróżnienie go od tombaku, umożliwia też odróżnienie innych metali od ich imitacji (Bugaj, 1991), (Bielański, 2010).

Czytaj również: Alchemicy w starożytnej Grecji i Rzymie

Starożytny fenomen transmutacji

Zapraszamy również do lektury pierwszej części artykułu Transmutacja. Dziecko alchemii, osiągnięcie chemii

Inwazja grecka na Egipt i rozrastające się wpływy filozofii greckiej spowodowały, że filozofowie zaczęli szukać wytłumaczenia dla fenomenu transmutacji, tak jak szukali wyjaśnień dla innych zjawisk i otaczającego nas świata. Rozważania nad mechanizmem transmutacji mogły od początku opierać się na greckiej teorii żywiołów, gdyż powstała ona prawdopodobnie przed zetknięciem się filozofii greckiej ze zjawiskiem transmutacji. Zgodnie z opracowanym systemem przemiany żywiołów szybko mogła zostać postawiona hipoteza co do mechanizmu przemiany metali. Dominacja myśli greckiej trwała pomimo rozwoju Rzymu i podbicia Grecji, jednak po upadku Rzymu tematem transmutacji i alchemii zajęły się raczej ludy arabskie niż mieszkańcy Starego Kontynentu.

Arabowie zasymilowali część kultury i dotychczas wypracowanej wiedzy. Nie poprzestali jednak na tym i dalej rozwijali opis transmutacji, która była procesem ciekawym i obiecującym, niezależnie od ilości posiadanego złota. Geber wprowadził dwie zasady bezpośrednie, prawdopodobnie dokonując przekształcenia teorii żywiołów, tak jak miało to już kilka razy miejsce np. przy opracowaniu teorii humoralnej (inspirowanej teorią żywiołów). Dodanie soli do pary siarka- rtęć i stworzenie koncepcji trójzasadowej przez Paracelsusa spowodowane mogło być dużym znaczeniem soli dla procesów chemicznych. Z soli kamiennej uzyskiwano kwas solny, używano i nadal używa się jej do wytrącania substancji z roztworu przez tzw. wysalanie — dodanie soli do roztworu w celu wytrącenia osadu substancji rozpuszczonej. Przykładem użycia jest także zastosowanie soli przy produkcji mydła (Bugaj, 1991).

Średniowieczny rozwój myśli alchemicznej

Średniowiecze było okresem, kiedy Europa zaczęła coraz bardziej interesować się transmutacją. Możliwe, że przyczyn tego zjawiska było kilka. Po pierwsze: w średniowiecznej Europie brakowało kruszcu do produkcji monet, gdyż starożytni byli na tyle dobrymi górnikami, że wydobyli wszystkie złoża dostępne w owym czasie. Brak złota na monety spowodował wzrost wartości pieniędzy złotych i samego metalu, co nie dziwi przy rosnącej populacji i “feudalności” Europy. Z czasem pojawiło się coraz więcej możnych, drabina feudalna rozrosła się, a każdy posiadacz majątku zapewne chciał zdobyć ten jakże cenny metal. Drugim czynnikiem, który mógł wpłynąć na zainteresowanie przemianą metali, jest chrześcijaństwo. W czasie mszy dochodzi do przemiany chleba w ciało i wina w krew, analogicznie przemienianie metali jest czymś tajemniczym, co dotyka niemalże Boga. Jest to także porównanie mogące ściągnąć gniew Kościoła na człowieka zajmującego się tym tematem, gdyż zmiana metali, tak podobna do mszalnej przemiany, może rodzić zarzuty o bluźnierstwo i świętokradztwo oraz konkurowanie z Bogiem, co w wielu przypadkach, jak choćby wieża Babel, kończyło się tragicznie. Możliwe, że obawy przed takimi właśnie zarzutami spowodowały, że złoty czas dla alchemii nadszedł dopiero w renesansie, gdy zaczęto interesować się światem i naturą, a odrzucono tak dużą bojaźń przed karą bożą. Transmutacja nabrała nowego wymiaru, nie była to już tylko przemiana metalu, ale także przemiana człowieka, który ten proces prowadzi. Taka zmiana charakteru zjawiska miała miejsce zapewne pod wpływem rozwoju nauk humanistycznych, a samo uzyskanie złota straciło na znaczeniu przez fakt założenia koloni w Ameryce i importu dużych ilości złota przez flotę hiszpańską i portugalską z Nowego Świata.

Od alchemii do współczesnej chemii i fizyki

Nie dziwi również, że wraz z postępem nauki alchemia straciła na znaczeniu, a ostatecznie stała się pseudonauką, jeżeli opracowane zostały nowe metody opisu świata i zjawisk; nowe, lepsze przyrząd, oraz metodyka naukowa. Poza rozwojem narzędzi upadek alchemii spowodowany jest zmianą myślenia. Hipotezy tworzone dotychczas w celu wyjaśnienia zjawisk i świata mogą być obecnie łatwo poddane próbie. Badacze nie zadowalają się już samą teorią, chcą ją udowodnić i tak przeprowadzony zostaje eksperyment, w którym rzekomo dokonano przemiany żywiołów wody w powietrze, ogień i ziemię. Jak się jednak okazało, doświadczenie było prowadzone błędnie, a interpretacja wyników niewłaściwa. Dobrym przykładem ilustrującym połączenie zadowolenia z teorii i autorytetu jest twierdzenie, które mówi, że cięższy obiekt spada szybciej. Zostało sformułowane w starożytności, a zakwestionowane zostało dopiero przez Galileusza. Około roku 1600 Galileusz wykonał doświadczenie obalające wspomniany pogląd— zrzucił dwa, różniące się masą obiekty — kulę muszkietową i armatnią z Krzywej Wieży w Pizie. Doświadczenie to było ryzykowne, ale udowodniło zdanie badacza i ukazało od dawna utrzymywaną teorię jako błędne rozumowanie. Galileusz dowiódł, że czas spadania swobodnego obiektu nie zależy od jego masy. Prawdopodobnie, pomimo “uniemożliwienia” transmutacji, ciągle trwały próby uzyskania złota z ołowiu, jednak musiały to być marginalne przypadki (Tatarkiewicz, 2005).

Czytaj również: “Sceptyczny Chymik” R. Boyle’a, czyli XVII-wieczny schyłek alchemii

XX-wieczna alchemia

Od czasu upadku alchemii do prawie połowy XX wieku transmutacja była tylko symbolem kulturowym. Jednak dynamiczny rozwój wiedzy o „świecie kwantowym” i zmiana myślenia spowodowały, że przemiana pierwiastków w złoto staje się możliwa. Zagadnienie przemian jądrowych, chociaż ciekawe, jest zbyt rozległe by omówić je tu szczegółowo, dlatego poruszę tylko problem przemiany pierwiastków w złoto.

Wiele pierwiastków występuje w przyrodzie w postaci mieszaniny izotopów, odmian tego samego pierwiastka różniących się masą, właściwościami fizycznymi i często trwałością. Złoto jest jednym z pierwiastków występujących tylko w postaci jednego izotopu ¹⁹⁷Au. Wszystkie pozostałe formy są niestabilne, najdłużej utrzymującą się z nich jest izotop ¹⁹⁵Au- czas jego połowicznego rozpadu wynosi 182 dni. Oznacza to, że po takim czasie połowa próbki rozpada się w inny pierwiastek. Izotopy ¹⁹⁵Au i ¹⁹⁶Au rozpadają się do platyny (odpowiednio ¹⁹⁵Pt i ¹⁹⁶Pt), natomiast ¹⁹⁸Au i ¹⁹⁹Au, po samorzutnej przemianie, dają rtęć (¹⁹⁸Hg i ¹⁹⁹Hg) (PubChem, 2017; Polskie Wydawnictwo Naukowe PWN, 2017).

Czy opłaca się produkować złoto?

Przemiana do platyny jest związana z wychwytem elektronu, co oznacza, że jeden z protonów (cząstek w jądrze naładowanych dodatnio) reaguje z ujemnym elektronem, w wyniku czego powstaje obojętny neutron, a uzyskany produkt jest „o jedno miejsce w lewo” względem pierwiastka wyjściowego w układzie okresowym (Bielański, 2010). Natomiast przemiana w rtęć łączy się z odwrotnym procesem, rozpadem β, w trakcie którego neutron rozpada się na dodatni proton i elektron. Produkt rozpadu β jest „o jeden w prawo” w tablicy Mendelejewa.

W obu procesach powstają jeszcze inne, trudno wykrywalne, cząstki — neutrino i antyneutrino elektronowe (wychwyt e^– i rozpad β) (Bielański, 2010). Stabilność tylko jednego izotopu i mała żywotność izotopów nietrwałych jest przyczyną naturalnego występowania tylko jednego izotopu i trudności z uzyskaniem sztucznego złota. Szukając atomów, z których można by uzyskać złoto należy przyjrzeć się pierwiastkom leżącym w tym samym szeregu (okresie) co złoto, gdyż ich masa i liczba atomowa (liczba protonów) jest podobna. Jest to ważne dlatego, że dodanie kilku jednostek masy do atomu nie jest aż tak dużym problemem, jak dodanie kilkunastu.

W okresie szóstym, zajmowanym przez złoto, widzimy (w nawiasie — zawartość w skorupie ziemskiej w ppm, czyli części na milion, czyli 1 ppm = 1/1 000 000, tu masy skorupy ziemi, jeśli zawartość pierwiastka wynosi 1 ppm, to po wykopaniu 1 000 000 kg skorupy ziemskiej uzyskamy 1 kg tego pierwiastka.): Hafn (5,3), Tantal (2), Wolfram (1,25), Ren (0,0004), Osm (0,0001), Iryd (0,001), Platynę (0,004), Złoto (ok. 0,024), Rtęć (0,05), Tal (0,6), Ołów (0,6), Bizmut (0,048), Polon (jest go tak mało, że opłaca się uzyskiwać go przemysłowo z bizmutu), Astat (nie występuje naturalnie, zbyt nietrwały) i Radon (jest gazem, powstaje podczas rozpadu uranu i toru, szybko ulega przemianom, ale ma znaczenie dla zdrowia np. w kopalniach, gdzie może koncentrować się i znacząco podnosić poziom promieniowania) (Bielański, 2010).

Pomijając koszt i trudności związane z wydobyciem, możemy powiedzieć, że hafn, tantal i wolfram są dobrymi kandydatami do przemiany w złoto, gdyż ich zawartość w skorupie ziemskiej jest większa od zawartości złota. Ilość wymienionych pierwiastków wpływa na ich korzyść, natomiast na negatywnie wpływa ich oddalenie od złota w układzie okresowym. Znacznie bliżej znajdują się platyna, rtęć, iryd i tal, różniące się liczbą atomową odpowiednio o jeden i o dwa. Ze względu na ilość platyna i iryd są mniej pospolite od złota, natomiast rtęć i tal wręcz przeciwnie. Biorąc pod uwagę ilość i łatwość produkcji, wydaje się, że ołów również jest świetnym kandydatem na substrat reakcji. Uwzględniając zarówno bliskość pierwiastka względem złota, jak i jego zawartość w skorupie ziemskiej, możemy powiedzieć, że wygrywa rtęć. Rzeczywiście— pierwszy przypadek transmutacji z wymienionych wykorzystywał rtęć i szybkie neutrony, co pozwalało uzyskać złoto.

Niestabilne owoce transmutacji

Uzyskano jednak tylko niestabilne izotopy ¹⁹⁸Au i ¹⁹⁹Au (Sherr, Bainbridge, Anderson, 1941). Otrzymanie złota z rtęci polegało na wybiciu neutronem, rozpędzonym do odpowiedniej energii, protonu z jądra złota, co spowodowało „przesunięcie w lewo”. Metoda Seborga używa natomiast jako substancji wyjściowej bizmutu— jego zawartość jest dwa razy większa niż złota, ale znajduje się on „cztery miejsca w prawo od złota”. Różnicę w liczbie atomowej równą cztery udało się jednak zniwelować, używając w tym celu nie szybkich neutronów, ale jąder węgla ¹²C i neonu ²⁰Ne rozpędzonych do odpowiednich energii (Loveland, McGaughey & Seaborg, 1981). Jest możliwe uzyskanie stabilnego izotopu złota ¹⁹⁷Au, jednak wydajność takiego procesu będzie mieściła się w najlepszym wypadku w przedziale od ok. 1% do 4%. Powstanie atomu złota w tym procesie wiąże się, podobnie jak podczas użycia prędkich neutronów, z usunięciem protonu, tym razem nie jednego, lecz czterech. Istnieją również inne metody prowadzące do uzyskania złota, np. uzyskanie niestabilnego izotopu rozpadającego się do złota, jednak aby je opisać, należałoby porzucić wszelki rys historyczny.

Wnioski

Przypuszczam, że termin „transmutacja” został sformułowany bez wiedzy o chemii kwantowej, a następnie potwierdzony w wyniku pewnej kombinatoryki. W przeszłości powstawało wiele pojęć i teorii, nie wszystkie się sprawdziły, ale część zyskało potwierdzenie po upływie dłuższego czasu. Sama przemiana metalu w złoto jest pomysłem tak kuszącym, że dziwnym wręcz byłoby dla mnie, gdyby ktoś nie spróbował osiągnąć czegoś takiego dla zysku.

Uzyskanie sztucznie złota jest drogie i skomplikowane, dlatego wydaje się, że ludzkość nieprędko sięgnie po przemiany jądrowe, by je otrzymać. Może się jednak okazać, że wprowadzenie nowych reaktorów jądrowych da nam sposobność do pozyskiwania, sztucznie, mieszanki pierwiastków cennych, w tym złota i wówczas sztuczne uzyskiwane złota może stać się prawdopodobne, a nawet opłacalne.

Transmutacja jest tematem ciekawym kulturowo i psychologicznie. Sam jej rys historyczny przedstawiony tu jest dość wąski, a samo zagadnienie zasługuje na obszerne omówienie, w kontekście kultury i psychologii (co zostało poczynione przez Junga).

W pracy tej pominięto wiele aspektów chemiczno-fizycznych. Należy mieć to na uwadze, zostało to jednak poczynione w celu uczynienia tekstu bardziej przystępnym, dla odbiorcy niezaznajomionego w naukach chemiczno-fizycznych.

Bibliografia

1. Bielański, A. (2010). Podstawy chemii nieorganicznej. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN
2. Bugaj, R. (1991). Hermetyzm. Wrocław, Warszawa, Kraków: Zakład narodowy im. Ossolińskich
3. Hassa, R., Mrzigod, J., Nowakowski, J. (2004). Podręczny słownik chemiczny. Katowice: Videograf
4. Loveland, W., McGaughey, P. L., & Seaborg, G. T. (1981). Energy dependence of Bi 209 fragmentation in relativistic nuclear collisions. Physical Review C, 23(3), 1044.
5. Miethe, A. (1924). Der Zerfall des Quecksilberatoms. Naturwissenschaften, 12(29), 597–598.
6. Polskie Wydawnictwo Naukowe PWN. (2017). Złoto. Pobrano z: https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/zloto;4001784.html, Dnia (2017, 07, 27).
7. PubChem. (2017). Złoto(CID: 23985). Pobrano z: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/23985,Dnia (2017, 07, 27).
8. Sherr, R., Bainbridge, K., Anderson, H. (1941). Transmutation of Mercury by Fast Neutrons. The Physical Review,Vol. 60 No.7, 473–479
9. Tatarkiewicz, W. (2005). Historia Filozofii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN

Autor

mgr. farm Michał Rudko — magister farmacji (Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu). Zainteresowany między innymi chemią w szczególności chemią organiczną, syntetyczną, polimerów, krystalografią, modelowaniem molekularnym i epidemiologicznym oraz historią.