Op 1 november 1952 zette een team van Amerikaanse wetenschappers die voor het Amerikaanse leger werkten de schakelaar om naar een vreemd bouwwerk van drie verdiepingen met de codenaam 'Ivy Mike'. Het was 's werelds eerste waterstofbom, een nieuw soort kernwapen dat 700 keer krachtiger was dan de atoombommen die op Japan waren gevallen.

De bomtest vond plaats op een klein atol genaamd Eniwetok op de Marshalleilanden in de Stille Zuidzee. Toen Ivy Mike tot ontploffing werd gebracht, kwam er 10,4 megaton explosieve kracht vrij, ongeveer het equivalent van 10,4 miljoen ton TNT. Ter vergelijking:de bom die op Hiroshima viel, produceerde slechts 15 kiloton (15.000 ton TNT).

De explosie verdampte het Eniwetok-atol volledig en veroorzaakte een paddestoelwolk van 4,8 kilometer breed. Werknemers in beschermende pakken verzamelden neerslagmateriaal van een naburig eiland en stuurden het voor analyse terug naar Berkeley Lab in Californië (nu het Lawrence Berkeley National Laboratory). Daar isoleerde een team van Manhattan Project-onderzoekers onder leiding van Albert Ghiorso slechts 200 atomen van een gloednieuw element dat 99 protonen en 99 elektronen bevat.

In 1955 maakten de onderzoekers hun ontdekking bekend aan de wereld en vernoemden deze naar hun wetenschappelijke held:einsteinium.

1. Groot en onstabiel
2. Een korte 'houdbaarheid'
3. Grote doorbraak op kleine schaal

Groot en onstabiel

Einsteinium bezet atoomnummer 99 op het periodiek systeem, samen met andere zeer zware en radioactieve elementen zoals californium en berkelium. Sommige radioactieve elementen, met name uranium, komen in betekenisvolle hoeveelheden voor in de aardkorst (met 2,8 delen per miljoen zit er meer uranium onder de grond dan goud). Maar zelfs zwaardere elementen, waaronder einsteinium, kunnen alleen kunstmatig worden gecreëerd door een waterstofbom te laten ontploffen of door subatomaire deeltjes in een reactor tegen elkaar te slaan.

Wat maakt een element radioactief? In het geval van einsteinium en zijn buren onderaan het periodiek systeem is het de enorme omvang van hun atomen, legt Joseph Glajch uit, een farmaceutisch chemicus die uitgebreid heeft gewerkt met andere radioactieve elementen die worden gebruikt voor medische beeldvorming.

‘Als elementen een bepaalde grootte krijgen, wordt de kern van het atoom zo groot dat het uiteenvalt’, zegt Glajch. "Wat er gebeurt is dat het neutronen en/of protonen en elektronen uitspuugt en vervalt naar een lagere elementaire toestand."

Terwijl radioactieve elementen vervallen, werpen ze clusters van subatomaire deeltjes af die de vorm aannemen van alfadeeltjes, bètadeeltjes, gammastraling en andere straling. Sommige soorten straling zijn relatief onschadelijk, terwijl andere schade kunnen toebrengen aan menselijke cellen en DNA.

Een korte 'houdbaarheid'

Naarmate radioactieve elementen vervallen, vormen ze ook verschillende isotopen met verschillende atoomgewichten. Het atoomgewicht van een element wordt berekend door het aantal neutronen in de kern op te tellen bij het aantal protonen. Het einsteinium dat in 1952 in de Stille Zuidzee werd verzameld, was bijvoorbeeld een isotoop genaamd einsteinium-253, die 99 protonen en 154 neutronen heeft.

Maar isotopen duren niet eeuwig. Ze hebben elk een andere 'halfwaardetijd', wat de geschatte tijd is waarin de helft van het materiaal vervalt tot een nieuwe isotoop of een geheel lager element. Einsteinium-253 heeft een halfwaardetijd van slechts 20,5 dagen. Uranium-238 daarentegen, de meest voorkomende isotoop van uranium die in de natuur wordt aangetroffen, heeft een halfwaardetijd van 4,46 miljard jaar.

Een van de moeilijke dingen bij het synthetiseren van zware radioactieve elementen zoals einsteinium in het laboratorium (en met laboratorium bedoelen we zeer gespecialiseerde kernreactoren) is dat grote elementen zeer snel beginnen te vervallen.

"Naarmate je steeds grotere elementen en isotopen creëert, wordt het steeds moeilijker om ze lang genoeg in de buurt te houden om ze te kunnen zien", zegt Glajch.

Grote doorbraak op kleine schaal

Dat is de reden waarom er recentelijk zoveel opwinding was in de chemiewereld toen een team van wetenschappers met succes een monster kortlevend einsteinium lang genoeg vasthielden om enkele van de chemische eigenschappen van dit ultrazeldzame element te meten.

De wetenschappers, onder leiding van Rebecca Arbergel van het Lawrence Berkeley National Laboratory, wachtten geduldig op een klein monster einsteinium-254 geproduceerd door het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. Het monster woog 250 nanogram of 250 miljardste van een gram en had een halfwaardetijd van 276 dagen. Toen in 2020 de COVID-19-pandemie toesloeg, werd het onderzoek maandenlang aan de kant gezet, waarbij 7 procent van de steekproef elke 30 dagen achteruitging.

De doorbraak van Abergel kwam met de creatie van een moleculaire ‘klauw’ die een enkel atoom einsteinium-254 lang genoeg op zijn plaats kon houden om zaken als de lengte van zijn moleculaire bindingen te meten en op welke golflengte het licht uitzendt. Beide metingen zijn van cruciaal belang om te begrijpen hoe einsteinium en zijn zware neven mogelijk kunnen worden gebruikt voor zaken als de behandeling van kanker.

Dat is cool

Met inbegrip van einsteinium heeft kernwetenschapper Albert Ghiorso mede-ontdekte twaalf elementen op het periodiek systeem die een record hebben neergezet door zijn baanbrekende werk op het gebied van stralingsanalyse van de jaren vijftig tot zeventig.

Veel beantwoorde vragen

Waarom werd einsteinium vernoemd naar Albert Einstein?

Einsteinium is vernoemd naar Albert Einstein omdat het het element is met het hoogste atoomnummer dat kan worden gevormd met behulp van thermonucleaire bomexplosies.