Vědci z GSI Darmstadt zveřejnili 11. června 2009, že byli osloveni komisí, která rozhoduje o oficiálním uznání objevu a pojmenování nových chemických prvků. A to v souvislosti s jejich objevem prvku s protonovým číslem 112. Potvrzuje se tak, že v nejbližší době se snad už konečně rozhodne o oficiálním uznání objevu a pojmenování alespoň některých dalších supertěžkých prvků, tedy těch s počtem protonů větším než 111. Kandidátů na uznání je řada až po protonové číslo 118. Je stále otevřenou otázkou, o kterých prvcích zřízená komise rozhodne, že jejich syntéza je spolehlivě prokázaná. A to tak průkazně, že jejich objev může být oficiálně uznán a objevitelé mohou navrhnout jejich pojmenování, které bude oficiálně používáno. Dovolil bych si využít tuto dobu k analýze situace, která ve zkoumání supertěžkých prvků v současnosti je. Než se budeme podrobně věnovat supertěžkým atomům a jejich jádrům, shrňme si základní vlastnosti atomových jader.
Jak vypadá atom a jeho jádro
Dnes víme, že se atom skládá z atomového jádra a elektronového obalu. Atomové jádro má rozměr zhruba desettisíckrát menší než je rozměr celého atomu. Jestliže rozměr atomu je zhruba desetina nanometru, tak u jádra se jedná o jednotky až desítky femtometrů (10-15 m). Je tvořeno dvěma typy nukleonů, kladně nabitými protony a neutrálními neutrony. Elektrony jsou v atomu vázány elektromagnetickou interakcí, tedy konkrétně elektrickým polem, které vytváří protony v atomovém jádře. Na rozdíl od nich protony a neutrony jsou v jádře vázány silnou jadernou interakcí. Ta je mnohem silnější než elektromagnetická interakce a tak dokáže překonat odpudivou elektrickou sílu, kterou mezi sebou působí protony v jádře. Vlastnosti jaderné síly a síly elektromagnetické jsou jedním z klíčových parametrů, který určuje možnost vzniku jádra a jeho stabilitu. Slabá interakce, která v jádře také působí, je tak slabá, že neumožňuje žádnou vazbu. Dovoluje však přeměny, které jiné interakce neumožňují. Je tak zodpovědná například za rozpad beta a tento typ radioaktivity.
Jaderné modely
Jak již bylo zmíněno, je rozměr jádra opravdu mikroskopický. Velmi výrazné jsou tedy jeho i velmi exotické kvantové vlastnosti a bez kvantové fyziky se při popisu jader neobejdeme. Mezi důležitou kvantovou vlastnost, která udává chování jádra je to, že nukleony jsou stejně jako elektrony fermiony. Platí pro ně známý Pauliho vylučovací princip. V jednom stavu tak nemohou být dvě totožné částice. Vázané stavy nukleonů v jádře mohou mít také jen přesně dané hodnoty energie, stejně jako tomu je u elektronů v elektronovém obalu atomu.
Kvantovými vlastnostmi, a právě hlavně Pauliho vylučovacím principem, lze vysvětlit z makroskopického „selského“ pohledu nepochopitelné chování nukleonů v jádře. Poloměr nukleonu je zhruba stejného řádu jako poloměr jádra, objem nukleonů tak zaujímá desítky procent celkového objemu jádra. Představte si, že máte kulečníkové koule vyplňující téměř celý objem, ve kterém se obrovskou rychlostí pohybují. A přesto se nesrážejí tak, aby si předávaly energii a každá z nich se pohybuje nezávisle na jiné. Jádro se však chová přesně tak, že řadu jeho vlastností se dá vysvětlit jenom tím, že se nukleony v jádře pohybují jako nezávislé částice. Důvodem tohoto chování jsou právě jeho kvantové vlastnosti spojené i s Pauliho vylučovacím principem. V jádře nukleony obsazují postupně všechny stavy od toho s nejmenší možnou energií až po nejvyšší, pro který nám počet nukleonů v daném jádře vystačí. Energie a hybnost jednotlivých nukleonu se nemůže změnit, protože všechny energeticky blízké stavy jsou obsazeny. A tím lze s jistou mírou zjednodušení vysvětlit, že se každý nukleon pohybuje jako nezávislá částice. Je řada dalších vlastností a jevů, které se v kvantovém světě jader vyskytují a v našem makroskopickém světě chybí nebo našim „normálním“ zkušenostem přímo odporují.
Popis chování silné jaderné interakce je velmi náročný a velmi náročný je i popis systému nukleonů, které díky této síle vytvářejí atomové jádro. Proto se jádro popisuje pomocí modelů, které představují značné zjednodušení velmi komplikované reality. Každý z nich popisuje jen určitou třídu vlastností jader. Pro vysvětlení stability velmi těžkých jader v závislosti na počtu protonů a neutronů využijeme dva známé modely jader.
Kapkový model
Již velmi brzy po objevu atomového jádra se zjistilo, že jednou z charakteristických vlastností jaderné hmoty, která je tvoří, je její malá stlačitelnost. Ta způsobuje, že se hustota jádra směrem ke středu nemění a objem jádra roste lineárně s růstem počtu nukleonů, které se v něm vyskytují. Důležitá je i tzv. nasycenost jaderných sil. Jednotlivý nukleon interaguje pouze s určitým, velmi omezeným počtem ostatních nukleonů. Každý další nukleon tak vnáší zhruba stejnou vazebnou energii a zaujímá zhruba stejně velký prostor bez ohledu na to, jaký je celkový počet nukleonů v jádře. Tyto vlastnosti jsou velmi podobné chování molekul vody v kapce a odtud pochází i název modelu vycházejícího z těchto faktů.
Pomocí tohoto modelu lze ocenit vazebnou energii, která drží nukleony v jádře pohromadě. V modelu se sčítají různé příspěvky vazebné energie. Objemová část bere v úvahu, že každý nukleon interaguje jen s omezeným počtem nukleonů, přináší tak konstantní příspěvek k vazebné energii. Objemová vazebná energie tak roste lineárně s počtem nukleonů. Je kladná a velikost celkové vazebné energie zvyšuje. Další příspěvky jsou záporné a vazebnou energii zmenšují. Povrchová energie bere v úvahu, že nukleony na povrchu mohou interagovat (sousedí) s menším počtem nukleonů než ty uvnitř objemu. Její vliv roste se zvětšováním velikostí povrchu jádra. Coulombovský člen započítává vliv elektrického odpuzování protonů a lehce se spočítá stejným způsobem jako u elektricky nabité koule. Další příspěvek je dán tím, že pokud je některého z typů nukleonů více než druhého, musí být tyto nukleony ve stavu s vyšší energií a nižší energií vazby. Proto je tendence mít stejný počet protonů a neutronů. A asymetrie v počtu protonů a neutronů tak přispívá ke snížení celkové vazebné energie. Tento příspěvek nemá obdobu v klasické kapce a při určení závislosti tohoto příspěvku na rozdílu mezi počtem protonů a neutronů už musíme vzít v úvahu kvantové vlastnosti jádra. Stejně tak je tomu u členu, který započítává pozorovanou skutečnost, že se v jádře protony i neutrony sdružují do párů a jádra se sudým počtem protonů i neutronů jsou nejstabilnější, jádra s lichým počtem neutronů nebo protonů jsou stabilní méně a nejméně stabilní jsou jádra s lichým počtem neutronů i protonů.
Kapkový model umožňuje určit, při jakém poměru mezi počtem protonů a neutronů je pro daný celkový počet nukleonů v něm je jádro nejstabilnější. Vyplývá z něj, že s rostoucím počtem nukleonů dochází pro těžká jádra rostoucím vlivem odpudivé elektrické síly k poklesu stability jader vůči rozpadu alfa a samovolnému štěpení. Tento vliv je částečně vyrovnáván rychlejším zvyšováním počtu neutrálních neutronů, které působí pouze silnou jadernou interakcí. Tím se ale zvětšuje příspěvek ke snižování celkové vazebné energie vlivem asymetrie v počtu protonů a neutronů.
Od jistého počtu protonů a tedy i nukleonů tak neexistuje stabilní jádro a s růstem počtu protonů klesá u těchto jader doba života i nejstabilnějšího izotopu příslušného prvku. Extrapolace na základě kapkového modelu tak existenci supertěžkých prvků nedovoluje.
Slupkový model
V minulé části jsme si řekli, že kdyby jádro mělo pouze vlastnosti předpovídané kapkovým modelem, byla by jádra se stále vyšším počtem protonů postupně méně a méně stabilní. Již pro jádra prvků s počtem protonů větším než 104 by poločasy rozpadu klesly pod nanosekundy. Jejich produkce by tak nebyla reálná a neměla by ani příliš smysl. Ovšem kapkový model nepostihuje všechny vlastnosti jader. Zjistilo se, že jádra s určitým počtem neutronů a protonů jsou mnohem stabilnější než ostatní. Tyto počty se označují jako magická čísla (jedná se o hodnoty počtu protonů nebo neutronů 2, 8, 20, 28, 50, 82 a 126).
Tato vlastnost je podobná vlastnostem při zaplňování elektronového obalu atomu elektrony. Zde také máme prvky, které mají vnější elektrony vázány jen lehce a snadno vstupují do chemické vazby a naopak inertní plyny jako je třeba argon či neon, které mají vnější elektrony vázány velice silně. Jak v jádře, tak i v atomovém obalu se u energetických stavů nukleonů v jádře či elektronů v atomu vytvářejí skupiny s velmi blízkými energiemi jednotlivých nukleonů či elektronů. Tyto skupiny se označují jako slupky. Mezi slupkami pak jsou velké energetické rozdíly.
U atomu jev vzniká tak, že přitažlivá elektrická síla kladně nabitého jádra vytváří potenciálovou jámu, kterou si můžeme představit jako „důlek“, ve kterém jsou uvězněny záporně nabité elektrony. Díky kvantovým vlastnostem v mikrosvětě existují v této potenciálové jámě přesně definované stavy s přesně danou hodnotou energie, ve kterých se mohou elektrony nacházet. Zmínili jsme si, že v případě fermionů může být v jednom stavu jen jedna stejná částice. Pro atom v základním stavu jsou tak postupně obsazeny stavy od toho s nejnižší energií postupně k těm s energií stále vyšší. Rozdíly mezi energiemi stavů nejsou stejné, ale stavy se sdružují do skupin s velmi podobnou energií, mezi kterými jsou velké energetické rozdíly. Tak vznikají zmíněné slupky.
Podobně to funguje i pro atomové jádro. V tom případě však potenciálovou jámu vytváří ne elektrická přitažlivá síla, ale přitažlivá silná jaderná síla. Vytváří ji všechny nukleony dohromady. Nukleony jsou navíc dvojího druhu, takže ty vzniklé důlky jsou vlastně dva. Kladně nabité protony se vzájemně odpuzují a protonový „důlek“ je tak mělčí. Zároveň existuje tendence k tomu, aby energetická výška, po kterou jsou zaplněny stavy v neutronovém a protonovém „důlku“, byla stejná. Tak lze vysvětlit to, že je ve stabilním těžším jádře více neutronů než protonů. Stejně jako u atomového obalu, pozorujeme sdružování stavů s blízkými energiemi do skupin mezi kterými jsou výrazné energetické rozdíly. Máme tak slupky při jejichž zaplnění docílíme magického čísla počtu protonů nebo neutronů a dosahujeme maxima ve stabilitě jádra.
Může však dojít k tomu, že když se protonové číslo blíží magickému, počet neutronů může být od magického vzdálen. Jádro pak nemusí být kulového tvaru, přebytečné neutrony symetrický tvar narušují. V tom případě ani potenciál, který nukleony vytváří není sférický, ale deformovaný. A v něm pak mohou být magické počty protonů jiné než ve sférickém. Určení deformace jádra a předpověď velikosti dalšího magického čísla i nejstabilnějšího poměru mezi počtem protonů a neutronů jsou tak náročné a jednotlivé slupkové modely docházejí k různým hodnotám. I když nejpravděpodobnější další magická čísla pro protony jsou 114, 120 a případně i 126 a pro neutrony 184, naše znalost polohy „ostrova stability“ (oblasti výrazně stabilnějších jader) na mapě v oblasti supertěžkých jader není zatím vůbec jistá. Ještě větší nejistota vládne v předpovědích doby života obyvatel tohoto ostrova. Ty se liší o mnoho řádů. Je tak sice spíše nepravděpodobné, ale ne vyloučené, že je jejich doba života srovnatelná s dobou existence Země. Hledaly se tak i na různých i velmi exotických místech na Zemi v různých i velice starých geologických vrstvách. Než se zaměříme na možnosti umělé produkce supertěžkých prvků, podívejme se, jak těžké prvky v přírodě vznikají a jaké nejtěžší se zde našly.
Produkce supertěžkých prvků v přírodě
Všechny těžší prvky vznikly ve hvězdách. Ty nejtěžší během smrtelné křečí těch nejhmotnějších – výbuchu supernovy. Postupnými záchyty neutronů se produkují i ty nejtěžší. Během výbuchu supernovy vzniká obrovské množství neutronů. Stále těžší a těžší prvky jsou vystaveny velké intenzitě neutronového toku a produkují se tak i ty supertěžké. Většina z nich se díky svému krátkému poločasu rozpadu velmi rychle rozpadnou. Nejtěžší prvek, který má ještě stabilní izotop je bismut (209Bi).
Doba existence Země je v řádu miliard let. Prvky, které se vyskytují na Zemi musely vzniknout před vznikem Sluneční soustavy a do naší doby přežily jen ty, které mají poločas rozpadu řádově stovky milionů let. Jako příklad mohou sloužit třeba izotopy uranu, které mají poločas rozpadu 4,5 miliardy let (238U) a 0,7 miliardy let (236U). Uran je také chemický prvek s největším počtem protonů Z = 92, který se vyskytuje v přírodě na Zemi. Těžší prvky už mají všechny izotopy s poločasy rozpadu kratšími než stovky milionů let a musíme je připravovat uměle. I když v extrémně malém množství se v přírodě vyskytuje ještě izotop plutonia 244Pu (Z = 94), který má poločas rozpadu 0,08 miliardy let. Bylo nalezeno ve fluor-uhlíkovém minerálu vzácných zemin, který se označuje jako bastnasit. Čtyřmocné plutonium by se mělo nacházet spolu s cerem. V jednom gramu bastnasitu byl prokázán jeden attogram (10-18 g) plutonia. Otázka jeho původu je otevřená. Uvažovalo se i o tom, že nemusí pocházet z doby vzniku Sluneční soustavy, ale bylo do ní vneseno později při průchodu Sluneční soustavy mladším oblakem mezihvězdného prachu. Další možností by mohl být jeho vznik z uranu záchytem neutronů.
Umělá produkce supertěžkých prvků
Umělá produkce supertěžkých elementů by se mohla inspirovat u přírody a využít také neutrony. Prvními umělými zdroji neutronů byly jaderné reaktory a jaderné bomby a ty také produkovaly těžší prvky než uran jako je třeba neptunium, plutonium či kalifornium ve větším množství. První reaktor zprovoznil Enrico Fermi v roce 1942 a první testy jaderných bomb proběhly ještě později. Objevy prvků těžších než uran se však podařily již dříve pomocí urychlovače a jiných typů jaderných reakcí. I tuto metodu navrhl Enrico Fermi a uskutečnil ji pomocí urychlovače (jednalo se o cyklotron) v Berkeley Edwin M. McMillan a Philip H. Abelson. Ti pomocí protonů či deuteronů urychlených na cyklotronu a dopadajících na terč z berylia získal neutrony, kterými ozařovali uran. Reakcemi neutronů s izotopem 238U vznikal izotop 239U, který se pak rozpadem beta přeměňoval na izotop neptunia 239Np. Za tento objev dostal Edwin M. McMillan spolu s Glennem T. Seaborgem Nobelovu cenu za chemii v roce 1951. Plutonium bylo o rok později získáno ozařováním izotopu 238U deuterony urychlenými na cyklotronu. Při této reakci napřed vznikl izotop neptunia 238Np a dva neutrony. Neptunium se pak s poločasem rozpadu okolo dvou dní přeměnilo rozpadem beta na izotop plutonia 238Pu.
Na přípravě dalších těžších chemických prvků měl velký podíl již zmíněný Glenn T. Seaborg. Byly postupně poprvé připraveny mezi rokem 1944 až 1950 tak, že se napřed podařilo připravit terčík z plutonia 239 a jeho ozářením pomocí vhodných částic bylo připraveno americium a curium. Pomocí terče z izotopu americia 241Am a curia 242Cm pak byly jejich ozařováním alfa částicemi připraveny prvky berkelium a kalifornium, takže v roce 1950 už byly známy prvky až po protonové číslo 98. K rovné stovce se podařilo dospět v roce 1952 identifikací einsteinia a fermia, které byly poprvé nalezeny v produktech vzniklých při výbuších jaderných bomb složených z plutonia 239Pu záchytem čtrnácti a patnácti neutronů a následnou sekvencí rozpadů beta. V roce 1955 se podařilo získat terč z einsteinia a jeho ozářením částicemi alfa vytvořit mendělejevium.
Další pokrok umožnila konstrukce urychlovačů urychlujících těžší ionty. Vhodné terče z těžkých transuranů (curia, americia a kalifornia) se ozařovaly uhlíkem, kyslíkem a dusíkem. Podařilo se tak mezi léty 1957 až 1974 získat prvky s protonovým číslem 102 až 106 (nobelium, lawrencium, ruthefordium, dubnium a seaborgium). V tomto případě byly velké problémy s identifikací nového jádra a jejím prokázáním. To se projevilo i v tom, že velmi dlouho probíhala diskuze a rozhodování o uznání objevů zmíněných prvků. Překážkou v další cestě byla nemožnost připravit terč z vhodného ještě těžšího transuranu. Musel se tedy hledat nový postup.
„Studená“ fúze (supertěžké prvky až po Z = 113)
Tím novým přístupem se stala fúze (slučování jader) za studena. V tomto případě se velmi stabilní jádro olova nebo bismutu (olovo 208 je dvakrát magické Z = 82 a N = 126) ostřeluje jádrem s potřebným počtem protonů urychleným na relativně malou energii. Energie projektilu stačí k proniknutí odpudivou coulombovskou bariérou vytvářenou elektrickým polem terčového jádra, ale vzniklé složené jádro má velmi malou energii, které se zbaví vyzářením jediného nebo jen velmi malého počtu neutronů. Touto cestou se dala skupina pod vedením Sigurda Hofmanna v německém ústavu GSI v Darmstadtu, která využívala lineární urychlovač LINAC. Musela se vypořádat s tím, že pravděpodobnost produkce takto těžkých jader je malá a rychle klesá se zvětšujícím se protonovým číslem. Navíc doba života těchto jader je menší než desetina sekundy a klesá. Proto bylo postaveno zařízení označované jako SHIP, které umožňuje hledané jádro vzniklé jako produkt reakce oddělit od zbývajících jader svazku. Zároveň dovolilo pozorovat celou sekvenci rozpadů alfa, kterými se vzniklé supertěžké jádro rozpadalo až ke konečnému jádru, které se samovolně rozštěpilo. Přesná znalost sekvence rozpadů, které probíhaly a končily u známých jader, jehož průběh samovolného štěpení je znám, umožnila bezrozpornou identifikaci každého jednotlivého mateřského jádra. Takže ke spolehlivému prokázání stačila produkce i jediného jádra daného prvku.
Popišme si, jak zařízení SHIP pracuje. Jedná se o rychlostní separátor, tedy zařízení, které umožňuje vybrat pomocí rychlosti jádro o přesně definované hmotnosti. Na začátku máme terč, kde dochází k reakcím urychlených iontů s jádry olova nebo bismutu. Bismut i olovo mají velice nízkou teplotu tání. Svazek iontů musí být velice intenzivní, okolo 1012 iontů za sekundu, takže dochází k jeho velmi intenzivnímu ohřevu. Uchladit takto intenzivně ozařovaný terč lze jen díky tomu, že rychle rotuje a zasažená svazkem je vždy jen jeho část. Ionty svazku mají přesně danou hybnost (tedy i rychlost). Hybnost se předá vzniklému složenému jádru, které se produkuje sloučením jádra terče a jádra svazku. Tím je přesně definována i jeho rychlost, která se výrazně liší od rychlosti jader svazku, které proletěly bez reakce, nebo produktů jiných reakcí než fúze. Za terčem jsou kvadrupólové magnety, které fokusují svazek jader. Takto vzniklý proud různorodých jader, ve kterém převládají nezměněná jádra původního svazku iontů, se dostane do nastavené kombinace elektrických a magnetických polí, které docílí odchýlení jader, které se nábojem, hmotností a rychlostí liší od hledaných složených supertěžkých jader. Tato jádra se tak odchýlí a narazí do materiálu, který je pohltí. Do další části se tak dostává jen malá část jader. Ty, které mají vlastnosti blízké hledaným. Zbývající pozadí odlišných jader se potlačuje ve spektrometru určujícího přesně dobu letu (rychlost) jádra. Startující signál z prvního detektoru informuje o průletu nabitého jádra. V přesně definované vzdálenosti za ním je druhý stopující detektor, který nabité jádro zachytí a informuje o čase jeho příletu. Rozdíl v časech signálu ze startovacího a stopovacího detektoru nás informuje, za jak dlouho proletělo jádro vzdálenost mezi těmito dvěma detektory a tedy i jakou rychlost mělo. Místo, kde se jádra zastavují, je obklopeno detektory nabitých částic a záření gama s velmi vysokou účinností a pokrytím. Ty jsou schopny zachytit všechny částice alfa vznikající v sekvenci rozpadů supertěžkého jádra i fotony gama, kterými se excitovaná jádra vznikající v jednotlivých rozpadech zbavují přebytečné energie. Soustava detektorů umožňuje zachytit i produkty samovolně se štěpícího jádra, které je na konci řetězce rozpadů alfa.
V laboratoři GSI Darmstadt se podařilo v posledních dvou desetiletích minulého století připravit prvky až po protonové číslo 112. Z těchto prvků mají ty s protonovým číslem až po 111 již přiděleno jméno. Jedná se o bohrium, hassium, meitnerium, darmstadtium a roentgenium. Skupině v GSI Darmstadt se u prvku 112 podařilo vytvořit dvě jádra izotopu s počtem nukleonů 277 a další dvě jádra stejného izotopu se později podařila vyprodukovat ve výzkumném centru RIKEN v Japonsku. Rozpadaly se v čase trvajícím zlomek až jednotku milisekundy vyzářením částice alfa na izotop darmstadtia s 273 nukleony. Pravděpodobnost produkce stále těžších prvků s nárůstem počtu protonů prudce klesala (u zmíněných sedmi jader postupně zhruba o sedm řádů). Pravděpodobnost vytvoření hledaného jádra je navíc velmi citlivá na energii svazku. Proto se před produkcí každého nového prvku prováděly rozsáhlé studie produkce toho předchozího při různých energiích a určení nejvhodnější energie pro následující hledání těžšího prvku. Tato práce sice prodlužovala dobu experimentování, ale jako vedlejší produkt často přispěla k nalezení dalších izotopů již známého prvku. Prvek s protonovým číslem 113 se však už i při dlouhodobé snaze v laboratoři GSI Darmstadt připravit nepodařilo. Povedlo se to až v roce 2004 ve zmíněném výzkumném centru RIKEN, kde vytvořili dvě jádra izotopu 278113. Pro tuto produkci bylo potřeba ozařovat několik měsíců terč z bismutu pomocí proudu 1012 jader zinku za sekundu. Prvek s protonovým číslem 113 se stal hranicí pro studenou fúzi. Pro produkci dalších bylo třeba najít nový způsob.
Horká fúze (supertěžké elementy těžší než Z = 112)
Tím se stala „horká“ fúze. V tomto případě se znovu začaly využívat dostupné transuranové elementy, které se ozařovaly velmi stabilními těžkými ionty (s magickým počtem neutronů i protonů). Velmi stabilní byl tak projektil a méně stabilní terčové jádro. Excitační energie složeného jádra je v tomto případě několikanásobkem této energie v případě studené fúze a je natolik veliká, že jej opouští větší počet neutronů. S takovými experimenty začal Jurij T. Oganesjan ze Spojeného ústavu jaderných výzkumů (SÚJV) Dubna v Rusku a doufal, že i v tomto případě bude nezanedbatelná pravděpodobnost, že vytvořené jádro se úplně nerozpadne a přežije vcelku. Ukázalo se, že jeho naděje byla oprávněná a opravdu takto můžeme supertěžké prvky připravit. Hlavní rozdíl je, že se v tomto případě dostáváme k úplně jinému poměru mezi neutrony a protony než tomu bylo u studené fúze. Přebytek neutronů je v tomto případě větší. To se stává problémem při identifikaci vzniklého jádra. Rozpadá se opět sérií rozpadů alfa, končí však samovolným štěpením u úplně neznámého jádra. To stěžuje identifikaci tohoto konečného a tím i počátečního jádra. Druhým problémem je i to, že je také nejistý počet vyzářených neutronů a tím i celkový počet nukleonů vzniklého supertěžkého jádra. Třetím problémem se ukázal i pozitivní vliv toho, že se blížíme k ostrovu stability a i větší počet neutronů zajišťuje větší stabilitu jádra. Doba života jader v řadě rozpadů alfa, které nastanou po vzniku supertěžkého jádra jsou tak delší než v případě jader získaných studenou fúzí. Těžko se pak rozliší náhodný souběh nezávislých rozpadů různých jader a opravdová řada za sebou následujících rozpadů začínajících u jednoho jádra.
Při experimentech v Dubně se používal svazek iontů izotopu vápníku 48Ca a postupně terče z uranu, plutonia, americia, curia a kalifornia. Podařilo se tak získat jádra s protonovým číslem Z = 112, 114, 115, 116 a 118. Prvkem s počtem protonů 118 se téměř dosáhlo hranice pro tento druh horké fúze, protože už nedokážeme připravit terčík s natolik těžkým transuranem, který by s pomocí svazků iontů vápníku umožnil připravit jádra těžší. Dost dlouho trvalo, než se podařilo v tomto případě shromáždit dostatek důkazů pro to, aby mohla být produkce těchto prvků uznána. Důležitý byl objev i více izotopů některých z těchto prvků a hlavně opakování a potvrzování produkce supertěžkých prvků metodou horké fúze v jiných laboratořích. Také v GSI Darmstadt se přesouvají do této oblasti. První výsledky z této laboratoře získané pomocí horké fúze byly publikovány v roce 2007 a týkají se izotopu 283112. Tedy jádra, které bylo produkováno i v laboratoři SÚJV Dubna. Pozorované vlastnosti tohoto jádra jsou v dobré shodě s vlastnostmi zjištěnými u tohoto jádra ve dvou experimentech v Dubně, ať už se to týká doby života, energie rozpadu alfa nebo pravděpodobnosti produkce tohoto jádra v příslušné reakci. To je velice důležité, protože tak byla nezávisle potvrzena část velice důležitých dat z SÚJV Dubna. Zdá se tedy, že prvky 114, 115, 116 a 118, získané horkou fúzi jsou v pořádku. I když stále nemáme tato data navázána na známou část mapy izotopů v prostoru počtů neutronů a protonů.
Na jádře s protonovým číslem 112 si můžeme dokumentovat rozdíl mezi jádry produkovanými pomocí horké a studené fúze. Pomocí horké fúze se produkuje izotop s počtem neutronu o šest větším než je tomu u studené fúze. Je to dáno tím, že máme daleko těžší terčové jádro, u kterého je daleko významnější přebytek neutronů nad protony. Výhodou je, že se díky tomu nacházíme blíže předpokládanému ostrovu stability a izotop je opravdu daleko stabilnější. Jeho doba života je v řádu minut. Nevýhodou je, že jeho sekvence rozpadů alfa nemůže končit u známého jádra, což je právě jeden z problémů při jejich identifikaci.
Už bylo zmíněno, že se prvkem 118 dostáváme i k hranicím možností horké fúze. Příprava terče z einsteinia, které následuje za kaliforniem, už je velmi problematická. Další prvky za ním fermium a mendělejevium už mají u nejvhodnějších izotopů poločasy rozpadu 100 a 50 dní. Díky tomu už je příprava a manipulace s takovým terčem, který by měl být využíván pro měsíce probíhající experiment jen velice těžko představitelná. Reálně se tak ještě uvažuje o produkci prvku 120, kde se ještě vhodná kombinace transuranu a relativně stabilního projektilu dá najít. Při dostatečně dlouhém ozařování (měsíce) se tak dá alespoň jedno takové jádro vytvořit a identifikovat. Při použití jiných projektilů, které nejsou tak silně vázány bude mít vzniklé složené jádro ještě vyšší excitační energii a pravděpodobnost, že se energie zbaví vypařením neutronů a zůstane pohromadě, je ještě daleko menší.
V jakém stavu je proces uznání objevů a pojmenování?
Rozhodování o názvosloví v chemii se provádí v rámci organizace IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Posouzení objevu a schválení názvu nového chemického prvku se provádí společně s organizací IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics) . V současnosti je řešen společný projekt těchto dvou organizací: „Priority claims for the discovery of elements with atomic number greater than 111”. Na základě výzvy zaslalo několik vědců zastupujících skupiny, zabývající se zkoumáním supertěžkých prvků, prohlášení o svém objevu prvků s protonovým číslem větším než 111. Amnon Marinov z Hebrejské University v Jeruzalému v Izraeli ohlásil objev prvku s protonovým číslem 112. Kosuke Morita z již zmíněného Výzkumného centra RIKEN v Japonsku ohlásil objev prvku 112 a prvku 113. Sergej Dimitriev z SÚJV Dubna v Rusku objev prvků s protonovým číslem 112, 113, 114, 115, 116, a 118. Sigurd Hofmann z GSI Darmstadtu v Německu pak objev prvku 112. Stále ještě nebyl vyhlášen výsledek posuzování jednotlivých experimentů, určování průkaznosti jejich výsledků a stanovení pořadí jednotlivých vědeckých týmů v případě objevu stejného prvku. Oznámení německých vědců na začátku tohoto příspěvku ukazuje, že alespoň v případě prvku s protonovým číslem 112 je už však rozhodnuto a můžeme se těšit na jeho uvedení do oficiální Mendělejevovy tabulky. Lze tedy očekávat, že i rozhodnutí o dalších prvcích bude následovat v blízké době. Po oslovení jednotlivých experimentálních skupin a posouzení jimi navržených jmen se můžeme těšit na vyhlášení oficiálních jmen nových prvků.
Chemie supertěžkých prvků
Zajímavou otázkou jsou chemické vlastnosti atomů supertěžkých prvků. Tedy také otázka, zda jejich vlastnosti odpovídají jejich postavení v Mendělejevově periodické tabulce prvků. V případě supertěžkých prvků totiž není předpověď jejich chemických vlastností z počtu elektronů v neuzavřené slupce jednoduchá. Velice silně se u nich totiž projevují relativistické korekce. Ty jsou dány tím, že elektrony mají velmi vysokou kinetickou energii a tím i rychlost ne tak vzdálenou od rychlosti světla. Problémem pro experimentální studium chemie supertěžkých prvků je, že se produkují jen jednotlivé atomy a jejich rozpad je velmi rychlý. Proto je třeba využívat metody, které dokáží určovat chemii těchto prvků velmi jednoduše a rychle. V tomto případě se supertěžké jádro nezastavuje ve stopovacím detektoru ale například se proudem hélia vyfukuje k další analýze.
Nejtěžší prvky, jejichž chemické vlastnosti se zatím podařilo podrobněji studovat, jsou prvky seaborgium (Z=106), bohrium (Z=107) a hassium (Z=108). Jsou to prvky, které je pomocí studené fúze možno produkovat v ještě relativně slušném počtu jeden a více denně, takže měsíční experiment umožní produkci desítek atomů. Ukázalo se, že všechny tři se chovají podle své polohy v Mendělejevově tabulce prvků.
Význačné postavení v chemii produkovaných supertěžkých prvků má prvek s protonovým číslem 108 hassium, který by měl být podobný osmiu a rutheniu. Tato podobnost se potvrdila, prokázáním toho, že vytváří oxid hassičelý. Podrobněji jsem o důkazu produkce tohoto exotického oxidu a chemické analýze hassia psal již dříve pro časopis Vesmír (http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/Hassium.pdf).
Zatím nejtěžší prvky, u kterých se studovaly chemické vlastnosti, jsou prvky se 112 a 114 elektrony. Zde se už musíme obrátit na horkou fúzi, která nám umožní vyprodukovat izotopy prvků s dostatečně dlouhou dobou života. Experimenty se prováděly hlavně v SÚJV Dubna ale také v GSI Darmstadt. Experimenty jsou opravdu náročné, neboť se produkují a studují opravdu jen jednotlivé atomy. Zkoumaný izotop prvku 112 má dohromady 283 nukleonů a dobu života okolo tří minut. Prvek s počtem elektronů 112 by měl být podobný rtuti, tedy měl by mít kovové vlastnosti. Relativistické korekce u vnějších elektronů by však mohly způsobit, že by se spíše jeho vlastnosti blížily chování vzácných plynů. To, jestli se tento prvek chová jako kov nebo vzácný plyn se testovalo pomocí jeho schopnosti se vázat na povrch zlata pro různé teploty povrchu. I když jsou tato studia zatím v počátcích a objevují se i rozpory, přece jen se zdá být potvrzeno, že u prvku 112 je jeho chování blízké chování rtuti. Naopak chování prvku 114 se liší od chování olova a mohlo by tak jít o první pozorovaný případ změny chemických vlastností supertěžkého prvku vlivem relativistických korekcí.
Jak se lze dostat k ostrovu stability?
Už jsme se zmínili, že v horké fúzi jsme se dostali k hranici možností pro produkci co nejtěžších prvků. Ovšem předpokládané magické číslo pro protony je 114, takže při cestě k ostrovu stability nemusíme mířit k těžším prvkům než dosud známe. Problémem však je, že izotopy prvků na ostrově stability mají výrazně víc neutronů než jádra připravená pomocí studené i horké fúze.
Zatím neexistuje představa, jak bychom mohli reálně takové prvky připravit. Nemůžeme je dostat slučováním žádných existujících jader, složené jádro nebude mít potřebný poměr mezi neutrony a protony. V nastávajícím období se tak dá hlavně očekávat stále podrobnější studium již známých prvků s produkcí dalších jejich izotopů. Přesnější znalosti jejich jaderných i chemických vlastností by nám mělo pomoci lépe předpovídat vlastnosti ještě těžších prvků nebo izotopů známých prvků nacházejících se na ostrově stability.
Ovšem než se k ostrovu dostaneme, je potřeba najít nějakou úplně novou cestu pro produkci supertěžkých prvků. Půjde o ještě větší kvalitativní zlom, než přinesla studená fúze v GSI Darmstadt nebo později horká fúze v SÚJV Dubna. Čeká se na pokrok v technice produkce i detekce ale hlavně na nové nápady, které se na počátku mohou jevit i jako velmi ztřeštěné. Na závěr může vzniknout otázka, proč takové extrémní úsilí pro produkci supertěžkých jader podstupovat. Hlavním důvodem je skutečnost, že poznání vlastností těchto jader, hlavně změn jejich stability, je důležité pro pochopení vlastností slupkového modelu a jaderných sil, které drží nukleony v jádře. Důležitá je i znalost chemie prvků s velmi vysokým počtem elektronů, z nichž některé mají extrémní kinetické energie. A nakonec není také úplně vyloučeno, že izotopy nacházející se na ostrově stability budou mít tak dlouhé doby života, že najdou i praktické uplatnění.
Diskuze:
VĚDECKÁ UDÁLOST ROKU
Marcel Steiner,2009-06-22 19:36:01
Dovoluji si upozornit na významnou výroční konferenci, která dnes začíná, a na niž se sjelo mnoho z nejvýznamnějších osobností z teoretické fyziky a matematiky: STRINGS 2009.
Program naleznete zde:
http://arxiv.bloguje.cz/794524-strings-2009.php
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
