Thursday, 13 September 2012

Einstein ja kullankaivuu



Isojytky löytäjänsä Vesa Luhdan kädessä. Nimitys ei ole Kullankaivajien veljesliiton virallisesti hyväksymä, mutta eipä Jytky muutenkaan ole aito, vaan lyijyyn valettu ja kullalla päällystetty replika.

Legendan mukaan Albert Einstein liuotti fysiikan nobelistaan saamansa kultaisen mitalin kuningasveteen, jotta saisi salakuljettua sen Natsi-Saksasta muutettuaan Yhdysvaltoihin. Tarina pitää paikkaansa, mutta eri henkilöiden suhteen. Oikeat henkilöt olivat saksalaisen fyysikot  Max von Laue ja  James Franck.

 Tarinan sivuhenkilöistä Einstein toinen vasemmalta ja Max von Laue ensimmäinen oikealta.

 Einsteinkin liittyy kultaan, mutta mutkan kautta. Tosin tässä tarinassa fysikaalisia mutkia tullaan oikomaan niin, että tavallisiakin fyysikkoja hirvittää ja atomifyysikot sulkeutuvat varmaan pimeään huoneeseen pelkästä myötähäpeästä poikkitieteilijää kohtaan. Ei se mitään. Näitä on sattunut ennenkin.

Kävin juuri Lapissa Suomen Tiedetoimittajien järjestämällä matkalla tutustumassa mm. kullankaivuuseen. Isossa ja pienessä mittakaavassa. Suurikuusikon kultakaivoksella Kittilässä ja Vesa Luhdan valtauksella Inarissa. Edellinen tuottaa 100 kg kultaa viikossa, jälkimmäisen lukuja ei perinteisesti ole tapana kysellä, ei ainakaan kertoa. Tässä jutussa keskityn perinteisen kullanhuuhtomisen fysikaalisten perusteiden selvittelyyn.

Perinteisellä menetelmällä kultaa kaivettaessa kulta lopulta erotetaan sitä ympäröivästä maa-aineksesta vaskoolilla huuhtelemalla. Menetelmä on käyttökelpoinen seuraavien neljän kullan ominaisuuden tähden.
1. Kulta esiintyy pääosin puhtaana alkuaineena, koska se ei reagoi kemiallisesti juuri minkään aineen kanssa.
2. Kulta on selvästi muuta maa-ainesta raskaampaa. Se jää lopulta vaskoolin pohjalle, kun muu maa-aines on vaskoolattu veden avulla pois.
3. Vaikka suurin osan kullasta on vain muutaman  milligramman painoisina palasina, niin ne erottuvat pinta-alaltaan aika suurina, mutta hyvin ohuina hippuina.
4. Kullan keltainen väri tekee siitä helposti silmällä havaittavan.

Kullan elektronikuorten rakenne on hyvin saman kaltainen kuin cesiumin. Molemmilla on uloimmalla elektronikuorella yksi elektroni ja sitä edellisellä neljän elektronin vajaus jalokaasurakenteesta. Cesium on yksi voimakkaimmin reagoivista alkuaineista, joka veteen heitettynä hajottaa veden kiivaasti sähisten vedyksi ja hapeksi, jotka puolestaan palavat syntyneessä lämmössä takaisin vedeksi. Kulta ei reagoi käytännössä juuri minkään aineen kanssa. Siksi ohutta lehtikultaa on laitettu joskus jopa rikkaiden kakaroiden karkkeihin. Kulta kun menee ruoansulatuksen lävitse ja tulee aikoinaan peräpäästä samanlaisena ulos. Huvit ne on rikkaillakin, mutta ei välttämättä halvat.

Mistä ero? Tässä kohtaa tulee ensimmäinen oikaisu.  Kunnon fyysikot laittavat nyt silmänsä kiinni tai menevät vaikka katsomaan Pikku Kakkosta.

Kulta-atomissa elektronit liikkuvat niin nopeasti, että elektronirakenteesta johtuvissa seikoissa pitää ottaa Einsteinin suhteellisuusteoria huomioon. Nopeasti liikkuvan kappaleen massa kasvaa. Kullassa elektronien massan kasvu suhteellisuusteorian mukaisesti on noin 20%. Tästä seuraa monen moisia asioita.

Kun elektronien massa kasvaa, niin ne "kiertävät" atomin ydintä lähempänä atomia. Tämä johtuu siitä, että elektronien pyörimismäärä on kvantittunut. Se voi saada vain tiettyjä arvoja. Suurempi massa ja nopeus, pienempi säde. Tästä syystä kulta-atomin fyysinen koko, joka on sen elektronien viemä tila, on pienempi. Painava ydin, pieni koko, suuri tiheys.

 Alkuaineen tiheyttä ei voi päätellä suoraan sen atomien koosta, mutta jonkinlaista osviittaa ne antavat. Kullan (Au) atomipaino on 197 ja elohopean (Hg) 201. Siitä huolimatta kullan tiheys (19,3 g/cm3) on suurempi kuin elohopean (13,6 g/cm3). Suhde on aika lähellä kummankin atomin "tiheyksien" välistä suhdetta, eli atomipainoa jaettuna "atomipallon" tilavuudella.

Tiukka elektroniverho tekee kullasta myös huonon reagoijan. Muiden aineiden on kerta kaikkiaan vaikea saada otetta kullan uloimman kuoren yksinäisestä elektronista. Muut yhden ulkokuorielektronin omaavat metallit, kuten alkalimetallit, ovat hyvinkin hanakoita reagoimaan suunnilleen minkä tahansa vastaan tulevan eletronien puutteessa olevan atomin kanssa.

Kulta-atomit ovat toisissaan hyvin löyhästi kiinni myös samasta syystä. Siksi  kultaa voidaan valssata vain muutamien atomien paksuisiksi levyiksi.  Kuten kultaesiintymien kullalle on käynyt miljardien vuosien aikana. Soran välissä pienet kultamuruset ovat valssautuneet ohuen ohuiksi muutaman millin levyisiksi hipuiksi.

Myös kullan väri johtuu tästä. Raskaampien elektronien johdosta elektronikuorien väliset energiatasot supistuvat. Silloin elektronien energiatasojen väliset siirtymät luovuttavat ja vaativat vähemmän energiaa. Kun nämä siirtymät tapahtuvat useimmissa metalleissa energiatasoilla, jotka vastaavat UV-säteilyn aallonpituuksia, niin kullalla ne tapahtuvatkin energiatasoilla, jotka vastaavat näkyvän valon pisimpiä aallonpituuksia. Siitä syystä suurin osa metalleista on harmaita, koska ne heijastavat kaiken siihen tulevan valon samoina aallonpituuksina kuin metallin pintaan osuukin. Kulta on keltaista ja kupari punaruskeaa, koska niillä osa valosta absorboituu metalliin.

Lasilevyllä oleva lehtikulta edestä valaistuna. Osa valosta absorboituu kultaan, mutta pitkät aallopituudet heijastuvat. Siksi kulta näyttää valaistulta puolelta keltaiselta.

Lehtikulta takaa valaistuna. Suurin osa absorpoituneesta valosta jatkaa pienellä viiveellä matkaansa. Säteily tapahtuu kaikkiin suuntiin. Kullan läpi pääsee vain lyhyet aallonpituudet. Myös valaisun puolelle heijastuva samat värit, mutta ne peittyvät keltaisten ja punaisten aallonpituuksien alle.

Vaskoolaukseni tulos. Tällä hippumäärällä ei vielä pääse edes lasillista skoolaamaan, vaikka Tankavaaran pubissa kultahiput ovatkin käypää valuuttaa. Kuin Lännen kultamailla aikoinaan.

Kullankaivuun takana on siis kvanttifysiikkaa ja suhteellisuusteoriaa. Toki tämän taustateorian tunteminen  – ymmärtämisestä nyt puhumattakaan ei paljoa auta, kun ollaan montun pohjalla lapion kanssa kaksistaan. Kullankaivuu käsin on aika raakaa peliä. Siitä ovat romantiikka ja atomifysiikka molemmat aivan yhtä  kaukana.

Tehokasta kaivuuaikaa Lapissa on korkeintaan neljä kuukautta, osa siitä räkän kanssa kestämistä. Kullankaivajat yleensä joko vähättelevät tai liioittelevat löytämänsä kullan määrää. Viimeksi mainitut mainarit ovat kuulemma tavattavissa useimmin Saariselän kuppiloissa kuin valtauksensa montussa. Kesän kuvitteellisella tuloksella on vähintäänkin  lineaarinen suhde nautittujen tuoppien ja ympärillä pyörivien Kemijärven Huldien määrään.

Kullan hinta tätä kirjoitettaessa on noin 40 €/g.  Suurimpien hippujen grammahinta on tosin moninkertainen. Lapin kultaa kun käytetään sellaisenaan korujen valmistukseen. Hipuilla on omat hauskat nimensäkin koon mukaan: hengetön alle 0,5 grammaa, saivare alle gramman, penikkatäi 1-2 g, täi 2-4 g, lutikka 5-9 g, russakka 10-14 g ja isomus yli 15 grammaa.

 "Seassa kirppuja, luteita, täitä..." Muurahainen ei kuulu sarjaan. Se on tässä vain mittakaavamallina. Yhden kesän antia, paitsi alinna oleva isomus, joka tosin ei ole aito, vaan lyijystä valettu ja kullattu replika  kaivajan löytämästä hipusta.

Kullankaivaja vuotuinen saalis on aika suoraan verrannollinen hänen ahkeruuteensa ja kun se vaihtelee melkoisesti, niin kultamäärätkin vaihtelevat. Sadan gramman tulosta kesältä voidaan pitää kuitenkin jo varsin hyvänä, mikä antaa kertolaskutaitoisille tuntuman kullankaivuun merkityksestä ansiotulon lähteenä. Koneellisessa kaivuussa määrät ovat jo kilogrammoissa, mutta niin ovat kustannuksetkin kymmenissä kiloeuroissa. Yhteensä vuotuisen huuhtomalla saadun kullan määräksi arvioidaan noin 20 kg, josta suurin osa koneellisesti kaivettua. Uusi kaivoslaki kieltää konekaivuun, joka loppuu vuoteen 2019 mennessä.

"Lapio ja kanki, niillä ei hanki. Osta kirves ja saha, niillä tulee raha!" Vanha sanonta pätee ainakin alkuosansa suhteen kullankaivuuseen.


Tankavaaran kultamuseon pihalla olevan kullanhuuhtoja pyllähtäisi todellisuudessa pyllylleen. Sen verran pahasti on painopiste tukipinnan ulkopuolella. Ellei sitten vaskoolissa ole todella iso jytky tasapainottamassa. Tai sitten penkki on vain jäänyt tekemättä patsaalle. Onneksi sellainen on alla vaskoolaavan Poikkititeilijän alla. 

Kuva: Virve Mertanen
Poikkitieteellistä vaskoolausta. Vesa Luhta assisteeraa.

ps. 8.11.2013

Vesan tosi hauska ja päiväyksen aikaan ajankohtainen pakina täällä

No comments:

Post a Comment