A hafnium felfedezése
A hafnium felfedezése
Hevesy Györgyöt nem a radioaktív indikációs módszer tette híres tudóssá, hanem a 72. rendszámú elem felfedezése. Ez azért is különös, mert kémiai elemek felfedezéséért inkább a 18-19. században ünnepelték a vegyészeket, azt gondolván, hogy az elemek a természet alapvető építőkövei és felkutatásukkal újabb téglákat helyeznek el a még nem teljesen kész anyagszerkezeti elmélet épületén. A 20. században az érdeklődés már másfelé fordult; új kémiai elemekkel általában nem lehetett többé szenzációt kelteni. Ebben az időben már csak a szűk szakberkeket foglalkoztató ritkaföldfémek területén remélhettek ilyesféle sikereket, de ez technikailag igen nehéz volt, mert a ritkaföldfémek rendkívülien hasonlónak mutatkoztak egymáshoz. Talán éppen a nagy technikai ötletességet, igen precíz munkát és a különleges ásványokhoz való hozzáférést igénylő kutatás magyarázza, hogy ritka nagy ellenségeskedés ütötte fel a fejét a szakágban. Olyan nagy, hogy a kutatás két protagonistája, az osztrák Auer von Welsbach és a francia Georges Urbain vitája az itterbiumról mintegy nemzeti alapon szembeállította a két ország kémikus közösségét.
Urbain 1911-ben a lutécium mellett új elemet talált, a 72. rendszámú celtiumot. Úgy gondolta, ez is ritkaföld, de Moseley röntgenspektroszkópiás vizsgálata nem tudta eredményét egyértelműen se igazolni, se cáfolni. Urbain munkatársával, Dauvillier-vel 1922-ben közölte, hogy sikerült a ritkaföldek közül a korábbinál kicsit jobban szeparálnia a celtiumot és a spektroszkópiai azonosítás is sikerre vezetett. Más tudósok azonban a kérdéses spektrumvonalakat túl halványnak tartották ahhoz, hogy végleges ítéletet mordjának. A kísérleti adatokat mindenki elméleti előfeltevései alapján értékelte.
Hevesy ugyanez év januárjában Bohrral sétálgatott a tengerparton és figyelmesen hallgatta, milyen fejtörést okoz Bohrnak a celtium. Éppen azzal foglalkozott ugyanis, hogy az 1973-ban elkészített atommodellje alapján megmagyarázza az összes létező kémiai elem szerkezetét, azaz magát a periódusos rendszert. A ritkaföldfémek ebben – Mengyelejev táblázatában – különleges helyet töltenek be. A III. oszlopba tartozó 57. rendszámú lantán után következnek, de rendszerint nem a IV. oszlopba írják őket, hanem külön sorba, mert kémiailag nagyon közel állnak egymáshoz és a lantánhoz, és ezzel megtörnék a kémiai tulajdonságokra vonatkozó periodicitást. A század elején persze nem lehetett azt sem tudni, hány van belőlük, hányas számú elemmel záródik le a soruk. Bohr úgy gondolta, a periódusos rendszerben vízszintesen haladva az atomok külső elektronhéjára kerül mindig eggyel több elektron, és a sor végén, a nemesgázoknál lezárul egy héj, a következőben pedig új kezd feltöltődni. A lantán után azonban nem a külső 5d héj, hanem a még telítetlen 4f héj épül tovább, amelyen még tizennégy elektron fér el. Ha ez igaz, a 71. elem az utolsó ritkaföld. Ezzel szemben Urbain celtiuma már a 72-ik, mégis ritkaföldnek bizonyult. Ez a tény tökéletesen felborította Bohr számítását, és képtelen volt megmagyarázni a dolgot.
Hevesy, ismerve a ritkaföldfémek kémiájának bizonytalanságát, azt tanácsolta, Bohr ne tekintse készpénznek Urbain eredményeit. Egy rosszul látható spektrumvonal nem elegendő alap. A komoly vegyész számára csak a kipreparált anyagnak van igazi bizonyító ereje. Tökéletesen megbízott Bohr modelljében, és ezért a 72. számú elemet a periódusos táblán nem a ritkaföldfémek közé, hanem ezek után, már a IV. oszlopba helyezte a titán, illetve a cirkónium alá, a tórium fölé. Szokásos magyarországi nyári vakációja idején mélyült el a geokémiában, és azt fontolgatta, hol keresse a 72. számú elemet. Végül is találomra a cirkóniumásvány mellett döntött a tórium helyett. Megbeszélte a dolgot Bécsben Panethtal, aki lelkesen helyeselt. Kapóra jött, hogy éppen ebben az időben érkezett a Bohr-intézetbe a holland Dirk Coster, aki pont akkor doktorált röntgenspektroszkópiai témából Manne Siegbahnnál Svédországban. A Bohr-intézet számára kellett új röntgenspektroszkópot építenie, ami Hevesyt már Moseleyval való együttműködése óta nagyon érdekelte. Azt javasolta tehát Costernak, próbálják ki a készüléket egy cirkóniumtartalmú ásvány vizsgálatával, melyet az egyetem geológiai intézetétől szereztek. Az ásványt meg kellett tisztítani, mert vélhető volt, hogy kevés 72. rendszámú elemet tartalmaz, de amikor készen voltak és az anyagot behelyezték a készülékbe, a már előre kiszámított spektrumvonalak kristálytisztán ott ragyogtak.
Mindez már 1922 decemberében történt. Bohr kapta meg a fizikai Nobel-díjat, és már Stockholmban tartózkodott. A díj átvétele utáni napon Nobel-előadás, tervei szerint a periódusos rendszer magyarázatáról. De mi lesz a 72. számú elemmel? Elképzelhető, mennyire siettek Hevesyék Koppenhágában. Amint megkapták a vonalakat, Hevesy rohant az állomásra, irány Stockholm, Coster pedig a telefonhoz, hadd könnyebbüljön meg Bohr a hír hallatán mihamarabb. Így történt tehát, hogy Hevesyék fölfedezését Bohr hozta nyilvánosságra, élete talán legemelkedettebb pillanatában.
A drámai bejelentés valódi szenzációt, prioritási harcot és komoly ellenségeskedést hozott. Hevesy 1925 őszéig írt egy könyvet és több mint 30 cikket az új elemről, melyet hafniumnak nevezett el Koppenhága latin neve után. Ekkorra már sikerült fémállapotban is előállítania. A hexafluorid komplexek oldékonysági különbsége révén ismételt frakcionált kristályosítással elválasztotta a cirkóniumot és a hafniumot, majd utóbbit fémnátriummal redukálta. Ezzel végleg kezébe került az új elem. Ámde addig meg kellett küzdenie az elkeseredett támadókkal.
A francia tudósközösség szinte egyöntetűen megsértődött a bejelentés hírére, mert Urbain és csoportja állítását vonták kétségbe, kezdetben szintén csak holmi spektrumvonalak alapján. Közben ugyanis Hevenyék megvizsgálták a hafnium optikai spektrumát és az Urbain által felfedezett anyagét is, és kimutatták, hogy az Urbain által látott vonal egyszerűen nem létezik ott, ahol állították. Ámde némi elméleti spekuláció meg a halvány vagy fényes fénycsíkok hogyan is adhatnának alapot egy nagy nemzet tudósának elmarasztalására? Urbain kitartott amellett, hogy valójában ő fedezte fel a 72. számú elemet.
A politikai éltől sem mentes szakmai vita ráadásul átterjedt Angliára. A British Museum fővegyésze, Alexander Scott éppen nem tudta azonosítani az Ausztráliából származó homokminta egyik frakcióját, ezért, amint meghallotta Bohr bejelentését, rájött, hogy ez csak hafnium lehetett, és a polcán lévő homokban ő már Hevesyék előtt régen felfedezte a kérdéses elemet. A Times 1923 februárjában, majd az Observer is, elégedetten az angol tudomány diadalaként prezentálta Scott felfedezését. Amikor aztán Scott elküldött egy mintát a homokból Hevenyéknek, csak alumíniumot, titánt és vasat találtak benne, hafniumból vagy akár cirkóniumból még nyomokat sem. Erre Scott elismerte tévedését. Mégis, amikor Hevesyék a tekintélyes angol Chemical Newsban is közölni akarták eredményüket, a laphoz közel álló régi bécsi kolléga, Lawson megírta Hevenynek, hogy az egyik bíráló szerint a lapnak ragaszkodnia kellene a celtium névhez, mert ezt „Urbain adta, a nagy francia nemzet képviselője, mely nemzet lojális volt hozzánk a háborúban. Nem fogadhatjuk el a dánok által adott nevet, mert a dánok csak a hadizsákmányt vágták zsebre.” A háború okozta érzelmek még ebben az időben is ott lappangtak a tudomány világában, fűzte az esethez a Bohr-intézet történetírója.
Hátha még azt is tekintetbe vesszük, hogy Hevesy a Monarchia oldalán „harcolt”, és szövetségesévé, sőt barátjává vált az osztrák Auer von Welsbach, Urbainék másik nagy ellenfele a ritkaföldfémek kutatása terén. Auer rendelkezett a ritkaföldfémeket tartalmazó ásványok legnagyobb gyűjteményével a világon. Amikor Hevesynek átadott néhány mintát, elbeszélgettek arról, hogy Auer rendszerint a ritkaföldfémek kettős szulfátjait használta elválasztásra, Hevesy viszont a fluoridokat, amelyek a hafnium esetében valóban lényegesen jobb eredményt adnak. Mint kiderült, Hevesy egyszerűen ráhibázott a hatékony eljárásra, nem vezette elméleti megfontolás.
A nagy csatározás ellenére vagy éppen ezért Hevesy a háború után először végre ellátogathatott Angliába, ahol Rutherford kimutatta a régi időkből származó kitüntető barátságát. Ortvay Rudolfnak, a budapesti egyetem fizikaprofesszorának azt írta Hevesy, hogy a hafniummal kapcsolatos munka „rengeteg energiát és időt emészt. A redakcióban igen nagy része van Bohrnak és a kefelevonatokat Rutherford javítja át. A levelezés így a jelenleg két legnagyobb természettudós kezén megy át, ami igen megnyugtató.” Az, hogy Rutherford visszafogadta, nagyon fontos volt, és talán azt is befolyásolta, hogy Hevesyt meghívták a Solvay-konferenciára, a legnagyobb tudósok körébe.
A Nobel-díj is elérhető távolságba került 1923-ban. Egykori munkatársa és egyik életrajzírója, Levi szerint sokan tartották biztosnak, hogy Hevesy és Coster kapja majd meg. Ám Coster ezen a nyáron Stockholmban azt tapasztalta, hogy egészen nyíltan beszélnek a svéd akadémikusok arról, hogy korábban Urbain abszolút biztos befutónak látszott, de az ő celtiumcáfolatuk meghiúsította a kitüntetést. Éppen ezért a francia tudósok még sok évig nagyon rossz néven vették volna, ha a hafniumért Nobel-díjat adnak. És a Nobel Alapítvány semmiképpen nem akarta megsérteni az egyik legtekintélyesebb nemzeti tudósközösségek. Hevesy annyira a szívére vette a méltatlanságot, hogy ezután a Nobel-díjat nem is tekintette igazi megbecsülésnek: a Royal Societytól 1949-ben kapott Copley-díjat többre tartotta saját Nobel-díjánál.
A neheztelést próbálta oldani és jelentős mértékben csakugyan enyhítette is F. Joliot, I. Curie és J. Perűn 1936-os ajánlása, mely azonban, kompromisszumként, Hevesyt még mindig Urbainnel együtt javasolta kitüntetésre. A politika és a nacionalizmus tehát nemcsak a tudományos viták hőfokát növelte, hanem behatolt a Nobel-bizottság vastag falú, hűvös termeibe is, és átszínezte Bohr elméletének ragyogó kémiai megerősítését, mely felsorakozott a fizikai és spektroszkópiai evidenciák mellé széles ösvényt vágva a fizika és a kémia közötti amúgy sem nagyon átjárhatatlan határon.
Hevesy György 1927-ben könyvet publikált mind a hafniumról (Das Elemem Hafnium, Springer) mind a ritkaföldekről (Die seltenen Erden vom Standpunkte des Atombaus, Springer). A sok küzdelem, pletyka, veszekedés, elméleti újdonság, kísérleti technika, a híres emberek részvétele és még ki tudja mi minden Hevesyt egyértelműen beemelte a nemzetközi tudomány vezető személyiségei közé. Győzött a vitában, híres tudós lett, majd egyre inkább a biológia felé fordította kutatásai irányát.
