Livet, Universum, Fysik, Undervisning, Lärande och allting annat..

Kemi

Mina Grundämnen – Kol

av 18. august 2020 i Fysik, Historia, Kemi, The light side med Ingen kommentarer

Kol är ett grundämne som är mycket speciellt. Ser man astrofysiskt så borde egentligen inte Kol finnas. Eller rättare sagt, det är en mycket speciell egenskap som gjort att liv och tyngre grundämnen överhuvudtaget kan existera. Fusion i stjärnor ger i princip bara He-4, men Be-8 som man får när två He-4 kolliderar är inte partikelstabil, vilket betyder att den har en livstid på under 10^{-16} s det vill säga under den tiden måste en He-4 kollidera med Be-8 för att bilda ett exciterat tillstånd av C-12. Detta är mycket osannolikt, men nu finns en liten detalj till som hade kunnat ge en ännu mindre sannolikhet, dvs energinivåer i C-12. Det finns ett energitillstånd i C-12 som ger en ökad sannolikhet för reaktionen, hade energin varit annorlunda hade inte sannolikheten varit mycket mindre och hade inte kunnat ske. Så om det inte vore för det.. inget kol och inget liv..

Men det speciella med kol tar inte slut där. I sitt yttre skal finns 2s- och 2p-elektroner och det ger några mycket speciella egenskaper. p-elektronerna kan bilda 3 olika orbitaler och vi kan även få en hybridisering där s-elektronerna kommer till. Summan av det hela är att kol kan ha upptill 4 olika bindningar, se metan CH4. Men bindningarna kan variera så vi kan ha 1,2,3 st, vi kan ha dubbelbindningar och trippelbindningar. Något som gör att det kan binda med andra grundämnen på ett mycket varierat sätt, det vi kallar organisk kemi. Detta är grunden för liv.

Men vi får en annan egenskap och det har med kristallstrukturen att göra. Vi har två kristall strukturer som förekommer i naturen, Grafit och Diamant.

Grafit består av en hexagonal struktur med relativt starka bindningar i ett plan och svagare bindningar mellan planen. Planen bilder grafen, ett material med speciella egenskaper. Men planen kan också rullas ihop till rör eller till «fotbollar». Under mina studier så var det en forskargrupp (nabogruppen) som sysslade med beräkningar på just detta så vi fick hela tiden information om vad som hände i forskningsfronten. Så C-60 och C-70 var på den tiden «hett». Jag sysslade inte själv med det men det fanns diskussioner om hur man kunde göra olika experiment.

Diamant ligger mig varmare om hjärtat. I min utbildning ingick Fasta tillståndets fysik, där examinationen var en hemexamen där frågor skulle besvaras för ett grundämne som lottades ut bland studenterna, där jag fick kol, och valet var mellan Grafit och Diamant.

Diamant är en speciellt material, det är metastabilt, dvs diamanter förstörs sakta, det är i ren form en halvledare, men leder värme bättre än de flesta material. Det är transparent, extremt hårt och har ett högt brytningsindex.

Diamant förekommer naturligt och då ofta med olika föroreningar som ger de olika färgnyanser.

Rent fysiskt har diamant speciella egenskaper som gjorde svårt att att hitta data för min hemexamen, jag hade mer än 3 olika typer att förhålla mig till och att det antingen fanns mycket data eller inget alls. Så jag har ett intressant förhållande till kol och diamanter..

Mina grundämnen – Bor

av 1. februar 2020 i Fysik, Kemi, The light side med Ingen kommentarer

Bor är liksom Be ett grundämne som inte skapas genom fusion i stjärnor, utan genom fotofisson och spallation. Det är essentiellt för växter och något vi använder bland annat i olika typer av glas.

För min del har jag erfarenhet av bor i form av bornitrid (BN). En material med intressanta egenskaper, där kombinationen av att vara islator samtidigt sm det leder värme bra gjort att man kan tillverka ugnar för att få atomstrålar. Enkelt uttryckt en burk med ett litet hål som man värmer upp med en wolfram eller tantal tråd snurrad runt. Man kan dock även skapa andra designer beroende på applikationen. För min del vad det olika försök med atomstrålar av Ba, Ca och Mg, med mål att skapa en ugn för Be. (Se inlägg om Be)

Mer än så är det inte att säga.

Mina Grundämnen – Beryllium

Beryllium är ett av de grundämnen som inte borde finnas, den stabila isotopen Be-9 kan inte bildas genom fusion och Be-8 skulle bestå av två alfa, vilket inte är en partikel-stabil isotop, kan inte bildas. Beryllium kan vi dock få genom att tyngre kärnor genomgår fotodissociation.

Men samtidigt är det bra då beryllium är mycket giftigt för oss. Men samtidigt har det en rad mycket bra egenskaper, lätt, starkt och leder värme mycket bra, vilket gör att det används inom rymdindustrin (med ordentliga säkerhetsföreskrifter). Men vi kan hitta beryllium i ex. golfklubbor (beryllium-brons) vilket gör att en golfklubba kan innehålla tillräckligt mycket för att ta livet av en mellanstor stad.

Det är inte bara beryllium utan även berylliumoxid har bra värmeledningsegenskaper, samtidigt som det är en isolator. Detta gjode att BeO användes som isolationsplattor för högeffek-transistorer i ex. gas-lasrar. Man kunde också hitta BeO i laserrör hos vissa tillverkare. Numera är wolfram det som är vanligast även om BeO förkommer.

Beryllium har i tillägg en intressant position i periodesystemet som gör det intressant får beräkningar av atomstrukturen. Men samtidigt är det en metall med hög smältpunkt varför det saknades experimentella data under 1980-talet. Det var vid den tiden jag började titta på möjligheten att få en atomstråle av Be med en population av meta-stabila (långlivade tillstånd) som har låg sannolikhet att deexiteras till grundtillståndet. Test av andra metaller med hög smältpunkt visade att det var möjligt att få en stråle. Populationen kunde ökas genom en urladdning i strålen. Så i princip var det möjligt. Problemet som kvarstod var att få till en laser i ultraviolett. Detta var ett problem som då inte var löst, det är det idag, så lösningen var att exitera med pulsade lasrar och använda rf för att studera tillstånden.

Planen var att använda en smalfrekvent kontinuerlig laser och använda den som oscillator (seed) i en pulsad förstärkare. Vi hade tillgång till pulsade lasrar som kunde pumpa förstärkaren, men var tvungna att se om det skulle gå att få till. En gammal blixlamps pumpad färgämneslaser användes för ett första test. Vi såg en liten förstärkning i en uppställning som var långt i från optimal, så det såg ut att vara möjligt.

Vi designade en ny uppställning och skaffade uppgifter om kostnaden. Totalt ca350000 kr i den dagens penningvärde och skrev en ansökan till NFR (forskningsrådet) vilket var inom den angivna ramen. Problemet var att beloppet var stort och skulle behandlas av FRN istället, med de hade en undre gräns på 500000kr. Så ansökan som kom högt upp på rangeringen hamnade utanför på grund av beloppet.

Vad hände sedan? Grupp en förlorade några medlemmar och andra satsade på andra projekt, så det kom ingen uppföljning nästa år och projeket dog ut…

Så beryllium är lite speciellt för mig då jag har haft bruk för det samtidigt som det är en påminnelse av ett projekt som aldrig blev..

Mina Grundämnen – Lithium

av 11. november 2019 i Fysik, Kemi, The light side med Ingen kommentarer

Litium är ett grundämne som skapades vid Big Bang och som inte kan bildas genom fusions-processer i stjärnor. Detta delar litium med beryllium och bor. Men genom att tyngre atomkärnor kan splittras eller spalleras av högenergi gamma elller partiklar så har det skapats litium efter Big Bang. Detta förklarar även varför litium är relativt lite förkommande i universum.

Litium är en alkali-metall och som sådan reaktiv, men det är långt i från lika reaktivt som natrium eller rubidium. Men metallen som är ganska mjuk måste förvaras i olja för att inte oxideras. Problemet är att litium har en densitet som är hälften av vatten (den flyter i vatten) vilket gör att den även måste hållas under ytan även i olja.

Mina erfarenheter av litium är i samband med charge-exchange, dvs soom ett medel att tillföra elektroner till positiva joner, genom att låta dessa passera genom en litium-gas. Det vill säga en cell som håller ca 400 grader celsius. Detta var den metod som brukas när jag jobbade vid University of Birmingham. I samband med flytten av utrustning till finland från Daresbury acceleratorn så hade dessa testats för radioaktivitet (under bakgrundssgrålningen) så var ganska mycket kontaminerat med LiO och LiOH, som HMS där inte visste hur de skulle hantera. Dock öppnade HMS-ansvarig kemilabbet och försvann varvid jag och en kollega spolade av utrustningen med varmt vatten tills allt skölts bort. egentligen olagligt med det är preskriberat nu.

Det inträffade dock en incident i Finland, när det behödes fyllas på med litium. Cellen var fortfarande varm när litiumet las in. Varvid det började brinna i cellen. Det enklaste var att kyla och få bort oxygen så det var bara att ta flytande nitrogen och skvätta på medan vakuum kammaren gjordes klar och en fortfarande glödande cell sattes på och trycket sänktes snabbt när pumparna gick igång. Det var på ett sätt inte det bästa sättet, så jag konstruerade en kammare där cellen kunde stoppas ner i flytande nitrogen om detta hände igen. Vad jag vet behövde den aldrig brukas….

Mina grundämnen: Nihonium

av 15. september 2019 i Fysik, Kemi, The light side med Ingen kommentarer

Grundämne 113 som syntetiserades på RIKEN 2004. Det rapporterades först från Dubna, men det japanska ansågs ha dokumenterat det bättre.
Jag har själv inte jobbat med det, men var på RIKEN i Wako-shi i slutet av 1990-talet och kände många av de som jobbade på projektet som syntetiserade Nihonium. (som Morita-sama)

Det har dock en ganska kul koppling för mig. Jag bodde i en lägenhet inte långt från järnvägsstationen i Wako-shi och gick varje dag till RIKEN. I samband med 50 års jubileet till RIKEN i Wako-shi, markerade man det genom att skapa en «väg» från järnvägsstationen och döpte den till Nihonium street. ( https://itaintmagic.riken.jp/whats-up-with-us/nihonium-street/ ). Till stora delar samma väg som jag gick till RIKEN på.
Jag hittade en video på YouTube där en person går från stationen till RIKEN längs Nihonium street. Så jag kunde över 20 år efter jag bodde där uppleva vägen igen. Det har skett mycket, huset där jag bodde är borta men jag mindes många av de hus, grönområden och broar som syns i videon ( https://www.youtube.com/watch?v=PYTZZ0E4jF8&vl=en-US ). Från det jag minns så startade min väg 4 minuter in i videon.

Så på det sättet kan jag säga att nihonium är ett av mina grundämnen.

Mina Grundämnen – Helium

Helium är det näst vanligaste grundämnet i universum. Trots det är det inte så vanligt på jorden, utan kan klassas som utrotningshotat (se: https://www.ntnu.no/blogger/fysikkforfakirer/2018/02/02/utrotningshotade-grundamnen/ ). Men detta beror främst på svårigheter att utvinna helium. Dock är det så att de tyngre grundämnena i jordens inre konstant genererar helium genom alfa-sönderfall.

Helium är ett grundämne som man observerade på solen(därav namnet, Helium efter Helios solguden i grekisk mytologi) innan man fick fram det på jorden. Solförmörkelsen 1868 gjorde att många observerade den gula He-linjen i coronan, Det är dock Janssen som fått äran, ibland med Lockyer som föreslog att det var ett nytt grundämne. De första som isolerade helium på jorden var Cleve och Langlet 1895.

Det främsta vetenskapliga bruket av helium är för att kyla ner supraledare, och det finns många artiklar som tar upp cryogenetiska användelser och studier av helium vid låga temperaturer. Jag har inte jobbat med flytande helium men har arbetat med det på andra sätt.

Helium spektret är ett av de experiment som jag fick göra som student och senare som handledare. Det intressanta med det spektret är att det är två spektra i ett. Singlett-He och Triplett-He, Parahelium och Ortohelium. Något som borde göra det enkelt att lösa, men så är inte fallet. Det går att göra grova beräkningar för att få fram energinivåerna, med systemet är ett tre-kroppa problem utan analytsika lösningar så olika approximationsmetoder måste användas. Men mina erfarenheter med detta visade sig komma till nytta på ett oväntat ställe.

Efter att jag försvarat min avhandling fick jag jobb vid University of Birmingham, UK, där ett experiment med laserspektroskopi på radioaktiva isotoper skulle flyttas till Finland. Vid den tiden var varma jonkällor vid acceleratorer i bruk på den flesta ställen. Men i Jyväskylä använde man sig av en gas-jet (He)(IGISOL) där producerade isotoper stoppades och tog åt sig elektroner i gasen, så att sedan skjutas ut i en gas-jet. Jeten som man får (om tryckskillnaden är stor nog) är supersonisk, dvs de enskilda atomerna är kall (låg spridning i hastighet) i alla fall om man har en fri expansion. Då var det många som sa att det inte skulle vara möjligt att få en smal hastighetetsfördelning som möjliggjorde laserspektroskopi. Det fanns studier som antydde att så var fallet.

Dock hade man i dessa studier använt elektriska fält (runt 500 V/cm) i expansionsvolumen. Då alla atomer rör sig med ungefär samma hastighet där så kommer ett fält att accelerera ev. joner (som skall studeras) och de kommer då att kollidera med långsammare He-atomer och tappa fart, vilket i sin tur ger en ökad hastighetsspridning. Lösningen var att minska fält-styrkan för att undvika detta.

Men det fanns ett problem till, med gas-jet, den är inte speciellt effektiv så allt som stoppas kan inte utnyttjas utan det kan sluta som atomer eller dubbelladdade joner. Här kommer heliums energinivåer in. Grundtillståndet ligger på runt -24eV, vilket gör att allt som stoppas i gasen borde sluta som dubbelladdade joner. Men det sker inte, något som man kan tro beror på föroreningar i gasen. För mycket och man tappar alla joner. Men Helium har två system Triplett-He som är metastabilt har en «jonisationsenergi» runt 4,7 eV. Men denna energinivå tillsäger att man bara får atomer. Så det handlar om en balansgång. Problemet är att man inte vet om det finns Triplett-He i gasen, det borde men vad jag vet så är det inte bekräftat än. Det finns två sätt, 1) obsertvera ljus får gas-kammaren och se efter triplett linjer eller 2) under exteremt rena förhållanden se efter en jon med massa 8, He-molekyl jonen. Även om Helium är en ädelgas så kan den bilda molekyler men då måste en eller båda av atomerna vara i triplett-tillståndet.

Så helium är ett av de grundämnen som jag har ett speciellt förhållande till.

Mina grundämnen-Väte/hydrogen

Väte är det lättaste grundämnet och består i sin enklaste form av en proton och en elektron. Det förekommer i tre olika isoptoper som har fått egna namn, Deuterium och Tritium (efter 2 och 3). Namnet Väte fick det då Ekeberg(1795) inte hittade ett bättre svenskt namn för hydrogenium (vattenbildare) som är det engelska namnet, Wasserstoff på tyska. Så på ett sätt är det en slump att Svenska (och Finska, Vety) avviker till viss del från andra språk.

Väte är det vanligaste grundämnet i universum och kan observeras på himlen, både med optiska teleskop (Balmer alfa- linjen i rött) och med radioteleskop (7 cm linjen).

Som atomfysiker är väte-spektret en av de första som man träffar på. Det är relativt enkelt att både studera och analysera. Samtidigt så används vätets olika spektrallinjer inom ex. astrofysiken. Men samtidigt är väte intressant för olika typer av precisionsmätningar. Att mäta vätespektret med hög precision var under min studietid något som genomfördes på de främsta laboratorierna. Och nya mer precisa värden av ex. Rydbergskonstanten kom med jämna mellanrum allt medan nya spektroskopska tekniker utvecklades. Även idag så finns ett stort intresse men då när det gäller mätningar på Anti-väte (en antiproton och positron) för att se om det finns någong skillnad mellan materia och anti-materia.

För min del så var vätespektret en av laboration som jag handledde som doktorand under flera år vid CTH. Den utrustning som vi hade där (en prisma spektrometer) hade inte den bästa upplösningen, men det finns idag relativt billiga spektrometrar där det är möjligt att se isotopskiftet mellan väte och deuterium.

Men det är inte bara inom atomfysik man kan utnyttja väte. Deuterium och protoner är ganska bra projektiler i kärnfysik experiment. I tillägg kan man detektera väte med radioteleskop, vilka idag är tillgängliga för amatörer. Så det finns en ganska stor potential i undervisningen.

Även om jag inte direkt jobbat med väte i forskningen, så är det ett grundämne som är där och som vi fortfarande utforskat fullt ut. Man har kanske observerat metallist väte nu. Men det behöver bekräftas, så historien är inte slut än.

«Mina» grundämnen!

I samband med periodesystemets år 2019, finner man olika typer av aktiviteter och artiklar om olika grundämnen. I Sverige har man tilldelat de olika universiteten olika grundämnen som de är faddrar för. I tillägg had det gjorts ett försök med Landskapsgrundämnen för att få upp kemiintresset.

Då jag varit aktiv inom både atom- och kärnfysik som forskare och genom detta kommit i kontakt med olika grundämnen, kan det vara naturligt(?) att skriva om mina erfarenheter med just dessa grundämnen. En del har jag bara(?) behandlat teoretiskt medan andra har haft en mer praktiskt betydelse, som material i utrustning eller som grundämne som jag deltagit i studier av. Totalt rör det sig om ett 30-tal grundämnen som jag haft kontakt med både bildligt och bokstavligen. Jag kommer att behandla grundämnena i olika inlägg och ska försöka begränsa mig till ett grundämne åt gången, men i vissa fall kan man behandla flera på en gång.

Periodiskt detektivarbete!

av 26. mars 2019 i Historia, Kemi med Ingen kommentarer

I år är det 150 år sedan Mendeleev först publiserade det som kom att bli det periodiska systemet(se Periodesystemet 150 år på NTNU). Det var inte som de planscher vi ser idag utan har genomgått en förändring över tid. Men det är inte bara utseendet som kan ge en bild av när det system som du tittar på gjordes.

Det officiella periodesystemet (Dec 2018)

För några år sedan såg inte periodesystemt ut som det gör på bilen ovan, Utan de tyngsta grundämnena hade hetat Uus, Uuo osv. Om man vet när de olika grundämnena upptäcktes kan man se ungefär när det aktuella systemet trycktes.

På NTNU har jag hittat ett periodesystem som trycktes 1947, detta vet jag för att tryckår står på det. Men även utan det hade jag kunnat säga ungefär när det trycktes. Låt oss titta på hur:


Periodesystem från 1947 i NTNUs samlingar (Inst. för Fysik)

Utan att behöva titta på transuranerna finns i bilden två ledtrådar som sätter tiden inom 3 år. Mellan Zr och Mo, står det Cb vilket är Columbium som användes utanför Europa (USA) för Niob (Nb) fram till 1950. Detta talar om att det är ett amerikanskt periodesystem och att den är tryckt före 1950.
Bredvid Mo står det Tc (teknetium) ett grundämne som detekterades 1937 och som oftast kallades masurium (Ma). Teknetium som namn föreslogs i januari (publiserat i mars) 1947 och accepterades av upptäckarna direkt. Med andra ord så är periodesystemet tryckt efter mars 1947 och före 1950. Hade jag tittat på transuranerna så hade jag sett Neptunium, Plutonium, Americium och Curium som alla upptäcktes under andra världskriget.

Vilka grundämnen som finns och vilka symboler de har ger en bra bild över var och när ett periodesystem tryckts. Så man kan utmana sig själv med att bestämma när det trycktes.

Periodesystem från 1947. Observera att Argon skrivs med «A» och Francium med «Fa»

Utrotningshotade grundämnen

av 2. februar 2018 i Kemi med 1 Kommentar

Vår teknologi, eller rättare vår ekonomi baseras på iden att jordens resurser är oändliga. Avfall har kunnat dumpas i hav eller släpps ut i luften, utan negativa effekter. Detta är dock något som man egentligen vetat inte är möjligt länge, fast det verkar många glömt av. Förbud att elda med kol i London fann redan 1306 för att förhindra luftföroreningar. I norden ledde överanvändning av skog till att det inte fanns ett träd i närheten av olika gruvor.

Trots det har vi alltid lyckats hitta nya källor. När brist på gödsel uppstod i Europa importerade man guano från andra länder. När det blev ny brist skapades nya kemiska metoder för framställning. Men detta lyckades alltid för att man hela tiden hade grundmaterialet, grundämnena, tillgängliga. Men risken är överhängande för ett antal grundämnen, att det inte kommer vara möjligt att utvinna dessa. Koncentrationerna blir så låga att det inte är ekonomiskt eller fysiskt/kemiskt möjligt att få fram grundämnena. American Chemical Society (ACS) har tagit fram en lista över grundämnen som så att säga kan «ta slut». (https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry/research-innovation/endangered-elements.html)

Vi finner ett grundämne som det varit diskussioner om de sista åren och som bland annat gjort att designen av NMR-maskiner har ändrats och att forskningslaboratorier haft svårt att få tag på det: Helium.

Idag är tillgången på Helium begränsad och finns bara på ett fåtal ställen. Så detta är allvarligt.

Men Helium är inte det enda grundämnet som hotat. Viktiga beståndsdelar i elektronik industrin är också i farozonen; Indium, Gallium, Germanium och Arsenik. Kisel passar inte till allt utan dessa är nödvändiga.

Grundämnen som är sällsynta i naturen Os till Bi är också sällsynta och kan vid ökad användning risker att falla från. Dock kan man troligen inom en framtid hitta ersättare, eller nya effektivare utvinningsmetoder, speciellt om vi får tillgång till mycket och billig energi.

Men det som man kanske skall oroa sig mest för är Fosfor (som vi fick från guano som gödsel på 1800-talen), som är nödvändig i våra celler och för att få mat, här kan vi knappast räkna med någon ersättning. Mycket av det som används läcker bland annat ut i haven, där vi måste vänta mycket länge på att det skall anrikas för att bli utvinningsbart. Så Fosfor som vi behöver i gödsel kan bli en bristvara. Lösningar på gödsel problematiken har löst tidigare med import av mumier som maldes till gödsel. Så kanske Soylent Green dyker upp i en annan form än Harrison tänkte sig…

Topp