Mapa známých i předpokládaných jader. Na ose x je počet neutronů a na ose y pak počet protonů. Vyznačeny jsou jejich magické počty, u nichž je maximum stability. Cest, jak získávat v laboratoři nové izotopy prvků, je několik. Jde o fragmentaci (Fragmentation) a štěpení (Fission) těžkých jader a slučování (Fusion) lehkých jader. Další možností je záchyt neutronů a následné rozpady beta, které se však dominantně realizuje v supernovách. Přerušovaná čára označuje hranici stability, za kterou už nemohou jádra existovat. (Zdroj G. Adamian et al, Nuclear Physics News, Vol. 30, No. 4, 2020).

Čím je dána stabilita jader?

V přehledovém článku na Oslovi se podrobně popisuje metodika produkce supertěžkých prvků, jejich identifikace, vlastnosti a přehled dosavadních výsledků v této oblasti. Popisuje se v něm i to, čím je dána stabilita jader. Hlavní principy a procesy, které stabilitu ovlivňují si připomeneme i nyní. Základem je souboj mezi přitažlivou silnou jadernou interakcí, která se snaží udržet nukleony v jádře pohromadě, a elektromagnetickou interakcí, která se prostřednictvím elektrického odpuzování protonů snaží jádro rozmetat. Silná jaderná interakce je mnohem intenzivnější než elektromagnetická, má však velmi krátký dosah. Každý nukleon tak pomocí ní může interagovat jen s velmi omezeným počtem nukleonů. Elektrická síla má naopak dosah neomezený. Z nukleonů však působí pouze mezi protony, které nesou elektrický náboj. Výsledkem je, že elektrická odpudivá síla roste daleko rychleji, než je tomu u přitažlivé silné jaderné síly. U jader se to kompenzuje tím, že ta stabilní mají s růstem atomového čísla stále vyšší přebytek neutronů oproti protonům. Pro ta velmi těžká je tento přebytek i více než 50 %.

Mapa známých nuklidů a jejich způsoby rozpadu (zdroj G. Audi et al., Chinese Physics C, Vol. 41, No. 3 (2017) 030001).

Kdyby ovlivňoval stabilitu jader pouze tento souboj mezi silnou jadernou a elektromagnetickou interakcí, který způsobuje, že olovo je poslední jádro se stabilním izotopem, nemohly by supertěžké prvky existovat. Na stabilitu jader má však velký vliv ještě další vlastnost nukleonů. Ty jsou fermiony a platí pro ně Pauliho vylučovací princip a další kvantové zákonitosti. Ty způsobují, že stejné nukleony mají tendenci se párovat a jádra, která mají sudý počet protonů anebo neutronů, jsou stabilnější. Zároveň existují určité počty protonů a neutronů, u kterých jsou jádra daleko stabilnější, jde o hodnoty 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 …

U popisu jader tak, stejně jako u atomů, dostává slupkovou strukturu jejich energetických hladin a jistou periodicitu v průběhu jejich vlastností. Právě magická čísla jsou za předpokládaným ostrovem stability u supertěžkých prvků. Právě tyto vlastnosti způsobují například i to, že technecium je jediný prvek lehčí než olovo, který nemá žádný stabilní izotop. Jeho počet protonů 43 je lichý, jeho sousedi tak mají sudý počet protonů. Počet neutronů, který je u jeho nejstabilnějších izotopů 55 a 56 je poměrně daleko od magických čísel. Neexistence stabilního izotopu zrovna u technecia je pak do jisté míry náhoda vyplývající z přesných vlastností silné jaderné a elektromagnetické interakce.

Mapa prozatím pozorovaných izotopů známých prvků, kterých je již více než 3300. Barevně jsou odlišeny izotopy s různým poločasem rozpadu. Stabilní jsou černě. (Zdroj CERN).

V současné době je tak periodická tabulka prvků zaplněna až do konce sedmé periody. Na jejím konci je prvek s atomovým číslem 118, který dostal v roce 2016 jméno oganesson. Je to podle Jurije Oganesjana. Ten vede skupinu studující supertěžké prvky ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů (SÚJV) v Dubně, která objevila právě i tento prvek. O rozhodnutí o současném uznání objevu posledních čtyřech prvků, které doplnily poslední bílá místa v sedmé periodě, jsme psali na Oslovi před necelými pěti lety.

Zároveň je obrovská snaha produkovat stále exotičtější izotopy prvků vzdalující se od linie stability. V současné době je známo více než 3300 nuklidů zmíněných 118 experimentálně potvrzených prvků. Na základě modelových výpočtů se předpokládá, že by mohlo existovat ještě 4000 dalších, u kterých je ještě potřeba najít způsob, jak je vyprodukovat a experimentálně potvrdit.

Mapa známých prvků s barevným vyznačením doby jejich objevů. Pěkně je vidět, že se postupně dostáváme ke stále exotičtějším jádrům stále dále od linie stability (zdroj G. Audi et al., Chinese Physics C, Vol. 41, No. 3 (2017) 030001).

Jak se supertěžké prvky produkují?

Existuje několik možností, jak se k těm zatím nepotvrzeným dobrat. Jedním z nich je fragmentace velmi těžkých jader ostřelováním urychlenými lehčími jadry. V daném případě třeba olovo, které je nejtěžší prvek se stabilním izotopem, nebo bismut, který sice stabilní izotop nemá, ale ten jeho nejstabilnější má poločas rozpadu o mnoho řádů delší, než je stáří Země. Stejně tak lze využít jádra thoria a uranu. Druhé možností je indukované štěpení velmi těžkých jader. Další pak slučování jader.

K fragmentaci, štěpení a slučování se využívají jádra na linii stability, kde leží ta stabilní. Vede to k tomu, že se snadněji produkují izotopy s nedostatkem neutronů. Jádra s větším přebytkem neutronů, hlavně ta stále těžší, jsou tak těmito metodami nedostupná.

Izotopy s vysokým přebytkem neutronů se dají získat rychlým záchytem většího počtu neutronů. Záchyty musí za sebou následovat dostatečně rychle, aby se nestihl realizovat jejich rozpad beta. K tomu je potřeba velmi intenzivní tok neutronů, který naše reaktory nebo jiná zařízení dostupná v našich laboratořích nedosáhnou. Takové toky neutronů by měly vznikat při výbuchu supernovy nebo při splynutí neutronových hvězd, a právě by zde mohla probíhat tvorba prvků rychlým záchytem velkého počtu neutronů, označovaným jako r-proces. V laboratoři jsou nám zatím tyto možnosti nedostupné, To je i důvodem, proč většina dosud neznámých izotopů prvků je právě v oblasti s vysokým neutronovým přebytkem.

Zatímco v oblasti izotopů s přebytkem protonů jsme se už nyní často dostali na hranice stability, kde se vazebná energie jádra dostává k nule a za níž už jádro nemůže existovat, v oblasti izotopů s přebytkem neutronů máme stále hodně velké rezervy.

Rozpady nových nuklidů s velkým přebytkem protnů, které se podařilo vytvořit v laboratoři GSI Darmstadt (zdroj H. M. Devaraja et al., Physics Letters B 748 (2015) 199.

Velmi zajímavé a užitečné pro pochopení interakcí v jádře je právě studiem izotopů při hranici stability. Ta hranice může být právě vlivem působení slupek a magických čísel velice členitá. A může docházet i k tomu, že jádra se sudým počtem protonů a neutronů jsou stabilní a s lichým počtem pak nestabilní. Příkladem postupu k hranici stability a vlivu párování na chování izotopů v její blízkosti může být i nejnovější doplnění dosud neznámých nejlehčích izotopů uranu. Již před více než pěti lety se podařilo vyprodukovat a pozorovat izotop uranu ²¹⁶U. Podařilo se to mezinárodní skupině fyziků, která využívala lineární urychlovač v německé laboratoři GSI Darmstadt. S pomocí transferu nukleonů mezi jádry v reakci projektilu ⁴⁸Ca s jádrem terče curia ²⁴⁸Cm se podařilo vytvořit několik dosud neznámých izotopů uranu, a ještě těžších prvků s nedostatkem neutronů. Byly to zmíněný uran 216, dále neptunium 219, americium 223 a 229 a berkelium 233.

Skupině čínských fyziků se nedávno podařilo vytvořit ještě lehčí izotop uranu ²¹⁴U. Získali jej v reakci svazku argonu ³⁶Ar s terčem wolframu ¹⁸²W za vzniku uranu ²¹⁴U a výletu čtyř neutronů. Uran má sudý počet 92 protonů, pro sudý počet neutronů tak máme velmi stabilní jádro se sudo-sudým počtem nukleonů. Na hranicích stability se tak daří snadněji produkovat právě je.

Ve zmíněných experimentech v GSI Darmstadt se využívaly reakce transferu nukleonů mezi dostatečně těžkými jádry, který by v principu mohl umožnit produkovat i jádra s velkým přebytkem neutronů. Ovšem byl by to vždy jen velmi malý podíl všech vznikajících jader. Malá pravděpodobnost jejich vzniku tak vyžaduje velké intenzity svazku a velmi přesné metody jejich identifikace.

Význam produkce velmi těžkých a supertěžkých prvků je důležité i pro studium chemických prvků na hranici Mendělejevovy tabulky prvků. Ty nejtěžší prvky obsahují relativistické elektrony, což může velmi silně ovlivnit jejich chemické a fyzikální vlastnosti. Zatím nejtěžším prvkem, u kterého se podařilo nashromáždit makroskopické množství a provést klasickými makroskopickými metodami analýzu strukturních a chemických vlastností, je od nedávné doby einsteinium s protonovým číslem 99.

Současná Mendělejevova periodická tabulka prvků má nyní zaplněnu celou sedmou periodu, která končí prvkem oganessonem.

Zkoumání makroskopického množství einsteinia

Nedávno byly publikovány výsledky studia chemických a strukturních vlastností v makroskopickém množství zmíněného prvku einsteinia. Cesta k přípravě takového experimentu trvala téměř šest let a samotný průběh analýz byl poznamenán pandemií COVID-19. Realizoval se totiž v několika laboratořích a jeho organizace tak byla v této pro cestování náročné době značně složitá.

Einsteinium je prvek s velmi zajímavou historií. Jeho jádro má 99 protonů, což je o sedm více, než má uran, tedy nejtěžší prvek, který se v přírodě vyskytuje. Bylo tak třeba jej vyrobit uměle. To se podařilo v roce 1952 zkoumáním produktů vznikajících při explozi termojaderné bomby. Vědci se v té době po explozi vydávali v ochranných prostředcích do místa výbuchu, kde odebírali vzorky a ty pak zkoumali v laboratořích.

V tomto případě dochází ke vzniku einsteinia v procesu, kdy uran 238 zachytí patnáct neutronů a sedmi následnými rozpady beta vzniká einsteinium 253. Konkrétní analýzu vzorků z prvního výbuchu termojaderné bomby Ivy Mike provedl Albert Ghiorso z Kalifornské univerzity v Berkeley se spolupracovníky.

Nejčastějším izotopem je einsteinium 253, které má poločas rozpadu 20,5 dne. To se dá produkovat z rozpadu kalifornia 253, které se produkuje na speciálních reaktorech. Vzhledem ke svému velmi krátkému poločasu rozpadu se tento izotop nedá využít pro produkci většího množství a dlouhodobější experimentování.

Proto se pro získání vzorku pro zmiňovaný chemický a strukturní výzkum využil izotop einsteinia 254, jehož poločas rozpadu je 276 dní, tedy okolo 0,76 roku. Rozpadá se několika typy rozpadů, s velkou převahou však dominuje rozpad alfa. Právě kvůli krátkému poločasu rozpadu a vysoké radioaktivitě je vysoký i výkon uvolňované energie.

Izotop einsteinia 252 má ještě delší poločas rozpadu, je nejdelší u tohoto prvku a jeho hodnota je 1,3 roku. Ovšem příprava tohoto izotopu ve větším množství je náročnější. Zároveň je například einsteinium 254 s větším počtem neutronů vhodnější kandidátem pro terč pro produkci supertěžkých prvků.

Snaha o využití einsteinia pro produkci dalších prvků byla už na počátku, kdy je v roce 1955 Glenn T. Seaborg s kolegy využil pro produkci mendelevia. Využili terč, kterým byla tenká zlatá fólie, na kterou rozprostřeli zhruba miliardu atomů einsteinia 253. Ten ozařovali svazkem částic alfa urychlených na cyklotronu. V reakci ²⁵³Es + ⁴He → ²⁵⁶Md + n se vytvořil izotop mendelevia 256, který má poločas rozpadu 77 minut. Ta miliarda atomů einsteinia reprezentuje jen necelých půl pikogramů, což je množství pořád daleko od hodnot makroskopických.

Pro studium strukturních a chemických vlastností se podařilo nashromáždit necelých 200 ng einsteinia 254. Toto množství se uchovávalo ve vodném roztoku. Šlo již o makroskopické vážitelné množství, které umožňuje realizovat klasickou makroskopickou strukturální a spektroskopickou charakterizaci. S takto připraveným vzorkem se pak postupně v několika laboratořích prováděly sofistikované výzkumy.

Vědci v laboratoři LBNL pracují s einsteiniem (zdroj Marilyn Sargent/LBNL).

Einsteinium patří k transplutoniovým prvků, jak se označují prvky s atomovým číslem od 95 do 103. Jde o kovy, které leží na konci periodické tabulky prvků. Na základě jejich polohy v ní se dají předpovídat jejich chemické a fyzikální vlastnosti. Ty by měly odpovídat vlastnostem přechodových kovů, jak je známe z hlavní části tabulky i z chování lanthanoidů. Ovšem právě kvůli zmiňovaným relativistickým vlastnostem elektronů přibývajícím s rostoucím nábojem jádra atomu by se tyto vlastnosti mohly odlišovat.

Řada vlastností einsteinia se podařila prokázat už dříve. Podařilo se připravit čisté einsteinium ze směsi blízkých aktinoidů a studovat oxidy i halidy einsteinia, získaly se i první hodnoty ionizačních potenciálů i termodynamické vlastnosti.

Nová měření potvrdila, že einsteinium má opravdu kovové vlastnosti s převažujícím oxidačním číslem III+, vytvářejí tak oxid einsteinitý. V tomto směru tedy stále vidíme tendenci, která se projevuje i u prvku ve stejné skupině u lanthanoidů, kterým je holmium. Právě pozorování rozdílu průběhu v přechodu od oxidačního čísla III+ k II+ u aktinoidů oproti lanthanoidům by mohla reflektovat vliv relativistických příspěvků v jejich elektronových obalech.

V průběhu experimentů se realizovala spektrometrie rentgenová i ve viditelné oblasti elektromagnetického záření v situaci, kdy bylo einsteinium součástí organického chelátu. Vědci se zaměřili také na studium luminiscence, tento jev je velmi citlivý právě ke změnám v elektronovém obalu atomu. Pomocí luminiscence tak lze získat informace o rozdílném chování oproti odpovídajícím lanthanoidům i předchozím aktinoidům, a tím i o vlivu zmíněných relativistických efektů.

Kromě získání informací o fyzikálních a chemických vlastnostech einsteinia přispěl popsaný výzkum k průlomu v metodologii přípravy dostatečného množství a studia velmi vzácných silně radioaktivních materiálů. To slibuje posun ve studiu vlastností těžkých aktinoidů i v přípravě terčů pro produkci supertěžkých prvků.

U těžších prvků zatím musíme vystačit s chemii a strukturními studiemi s mikroskopickým množstvím, často dokonce i s jednotlivými atomy. Pokrok v cestě k těm nejtěžším prvkům se otevírá dokončením továrny na supertěžké prvky SHE (SuperHeavy Element factory) v mezinárodním Spojeném ústavu jaderných výzkumu v SÚJV Dubna.

Stejně jako má Peter Higgs svého higgse, má Jurij Oganesjan svůj oganesson. Známý ruský odborník na téma supertěžkých prvků referuje v SÚJV Dubna o továrně na ně SHE při příležitosti výročí Mendělejevovy tabulky prvků (zdroj SÚJV Dubna).

První experimenty v továrně na supertěžké prvky SHE

Připomeňme, že u supertěžkých prvků potřebujeme bezrozporně identifikovat jednotlivá vzniklá jádra. To se realizuje pomocí jejich kaskády rozpadů alfa. Snažíme se detekcí a analýzou všech emitovaných částic alfa identifikovat posloupnost rozpadů a z koncových rozpadů známých jader je identifikovat a určit, které jádro bylo na počátku. Jistý problém s touto metodou nastává v případě, jestliže nedochází k rozpadu alfa, ale pouze k rozpadu beta. V tomto případě může být identifikace problémem, který může ztížit detekci právě izotopů s velkým přebytkem neutronů.

V článku z konce roku 2018 jsem psal o dokončení továrny na supertěžké prvky SHE a přípravě k jejímu spuštění. Testy všech systémů a uvádění zařízení do provozu se protáhlo i kvůli epidemii koronaviru. Bylo potřeba také připravit podmínky pro konkrétní budoucí experimenty. V spolupracujících laboratořích se intenzivně připravují transuranové terče, hlavně ²⁴⁸Cm (T_1/2 = 3ˑ10⁵ let), ²⁴⁹Bk (T_1/2 = 320 dní) a ²⁵¹Cf (T_1/2 = 898 let). Stejně tak se připravují velmi čisté monoizotopické vzorky materiálů s velkým přebytkem neutronů, například ⁵⁰Ti (Z=22) a ⁶⁰Ni (Z=28), které se využijí v iontových zdrojích a umožní získat velmi intenzivní svazky těchto iontů.

Na konci roku 2020 tak konečně proběhl první experiment využívající zařízení SHE. K prvnímu testování se zvolil svaze vápníku ⁴⁸Ca. Test svazku a kvality všech systémů probíhal s využitím produkce několika známých prvků s atomovým číslem nad 87. Využily se k tomu terče z ¹⁷⁰Er, ¹⁷⁴Yb a ²⁰⁶Pb. V následujících reakcích se tak produkovaly radionuklidy ¹⁷⁰Er + ⁴⁸Ca → ²¹⁴Ra a ²¹⁵Ra, ¹⁷⁴Yb + ⁴⁸Ca → ²¹⁷Th a ²⁰⁶Pb + ⁴⁸Ca → ²⁵²No. Pomocí zmíněných testů se podařilo celou experimentální sestavu vyladit a kalibrovat.

Produkce moskovia 288 a jeho rozpadové řady (zdroj SÚJV Dubna, prezentace V. K. Utyonkova).

Ozařování při reálném experimentu probíhala od 26. listopadu do 20. prosince 2021 a celkový akumulovaný integrál svazku iontu vápníku ⁴⁸Ca s energií 245 MeV byl 8,5ˑ10¹⁸. Cílem první produkce byl prvek moscovium, který má 115 protonů. Získával se ozařováním terče z americia ²⁴³Am zmiňovaným svazkem vápníku. Podařilo se produkovat dva izotopy moscovia ²⁸⁸Mc a ²⁸⁹Mc. Izotop ²⁸⁸Mc vznikal při výletu tří neutronů a měl dlouhou kaskádu rozpadů alfa, které končily samovolným štěpením u jádra dubnia ²⁶⁸Du nebo dokonce až u lawrencia ²⁶⁴Lr. Celkově se podařilo identifikovat 30 rozpadových řad tohoto jádra. Ve všech předchozích experimentech se podařilo identifikovat 31 rozpadů. Izotop ²⁸⁹Mc pak vznikal při výletu dvou nukleonů a končil samovolným štěpením rentgenia ²⁸¹Rg. V tomto případě se ke čtyřem předchozím podařilo přidat pět nových rozpadů tohoto jádra. Celkově se tak podařilo počet pozorování produkce těchto izotopů moscovia za relativně krátkou dobu ozařování zdvojnásobit.

Pomocí experimentu se podařilo upřesnit pravděpodobnosti produkce obou izotopů moscovia při dané energii, poločasy rozpadu jader moscovia i jader v kaskádě rozpadů. Stejně tak se upřesnily energie alfa částic emitovaných při rozpadech alfa všech jader v kaskádě rozpadů. Důležitá je informace, že se nepodařilo pozorovat žádný rozpad alfa rentgenia 281, což zpřesňuje poměr mezi pravděpodobností samovolného štěpení a rozpadu alfa u tohoto jádra. Nepodařilo se pozorovat druhý poločas rozpadu meitneria 276, který by měl způsobovat jeho izomerní stav předpovídaný teorií. Jádra moscovia 288 a nihonia 284 by se mohla rozpadat i pomoci elektronového záchytu, což je typ rozpadu beta, kdy si jádro vezme elektron z elektronového obalu atomu a jeden proton změní na neutron. Takový typ rozpadu však pozorován nebyl. Jak už bylo zmíněno, podařilo se pozorovat rozpad alfa dubnia 268 a upřesnilo se tak větvení mezi kanály samovolného štěpení a rozpadu alfa tohoto jádra. Hledala se i kaskáda rozpadu moscovia 286, které by mohlo vzniknout při výletu 5 neutronů

Produkce izotopu moskovia 289 a jeho rozpadová řada (zdroj SÚJV Dubna, prezentace V. K. Utyonkova).

Pozorování vysokého počtu produkovaných jader moskovia je příslibem pro jeho budoucí chemické studie. Příprava prvních experimentů s chemickou analýzou se realizuje u prvku flerovium se Z =114. Při tomto experimentu by se měl studovat i prvek kopernicium se Z=112, na který se rozpadem alfa flerovium přeměňuje. Izotopy flerovia 286 a 287 se produkují v reakci ²⁴²Pu + ⁴⁸Ca. O chemických vlastnostech kopernicia už něco víme. Například, že se u něj zachovávají vlastnosti přechodových kovů a následuje tak vlastnosti zinku, kadmia a rtuti, které jsou ve stejné skupině. Psalo se o tom už ve zmíněném přehledovém článku o supertěžkých prvcích na Oslovi. Stejně tak se tam psalo, že flerovium je zatím nejtěžší prvek, u kterého se nějaká chemie s jedním atomem dělala. Ovšem výsledky z různých laboratoří jsou u něj zatím v rozporu.

Továrna na supertěžké prvky SHE se rozbíhá (zdroj SÚJV Dubna).

Nová měření by měla rozpory vyřešit a zjistit, zda je flerovium více kov nebo inertní plyn. Předpokládá se opět měření volatility (těkavosti) metodou, kdy se vzniklý atom vyfoukne proudem plynu do kapilárky. Ta je po své délce stále chladnější a v místě, kde je teplota tak nízká, že atom vymrzne na povrchu její stěny, pak pozorujeme jeho rozpad pomocí detekce částic alfa z rozpadové kaskády. Bude tak možné pozorovat podobnost mezi vlastnostmi flerovia a jeho homologu olova, stejně jako se porovnávají vlastnosti kopernicia a jeho homologu rtuti.

Vysoké intenzity dosažitelné v továrně na supertěžké prvky dramaticky zvýší statistiku a přesnost chemických analýz. Postupně bude možné přejít k ještě těžším prvkům. Předpokládá se intenzivní produkce zmíněných jader flerovia i v reakci titanu 50 s uranem 238. A nově by se mohla zkoumat chemie livermoria, které má protonové číslo 116. získávalo by se pomocí svazku vápníku 48 při reakci s terčem z kalifornia nebo svazku titanu 50 s terčem z plutonia.

Poslední směr, který se zde nyní intenzivně připravuje, je příprava na produkci nových ještě těžších prvků. Dosažitelné by mohly být prvky s protonovým číslem 119, 120 a 121. Prvek 119 by se měl připravit pomocí svazku titanu 50 a terče z berkelia 249, prvek 120 pak pomocí stejného svazku, ale s využitím terče ze směsi kalifornia 249 až 251. Otázka úspěšnosti je velmi otevřená, protože teoretické předpovědi pravděpodobnosti zmíněných reakcí, reprezentované účinným průřezem, se liší o dva až tři řády. V každém případě se dá čekat, že na úspěch bude potřeba čekat i několik let. Pokud se to však podaří, tak se začne zaplňovat osmá perioda Mendělejevovi tabulky prvků. Můžeme se tak těšit na další zlom.