Kredit: Lawrence Livermore National Laboratory
Zjednodušený pohled na stavbu atomu vede k domněnce, že jádra radioaktivních prvků se samovolně rozpadají tím dřív, čím víc nukleonů, tedy protonů a neutronů se v nich tísní. Podle starších modelů by těžká atomová jádra, s počtem protonů nad 100 neměla vůbec existovat, protože by v nich odpudivé coulombovské síly – síly působící mezi elektrickými náboji – okamžitě zapříčinily jeho rozpad. Kvantový pohled do atomu však přinesl i nové modely struktury jádra. Má, podobně jako elektronový obal, svou vnitřní slupkovou vnitřní stavbu, která zvýhodňuje jisté konfigurace nukleonů. Díky nim mají některé izotopy supertěžkých prvků šanci žít mnohem déle, než je v jejich okolí periodického systému zvykem. I jádro se skládá z konkrétních energetických hladin, oddělených energetickou „propastí“, kterou může částice překonat jenom, když si někde půjčí dostatek energie. Protony i neutrony zaplňují své „slupky“ (energetické hladiny) podle kvantovo - mechanických pravidel, například podle Pauliho vylučovacího principu. Jádro s akorát plně obsazenými protonovými i neutronovými vrstvami (slupkami) je stabilnější. Takový „ideální“ počet protonů, nebo neutronů se označuje jako magické číslo a pro oba typy nukleonů má hodnoty 2, 8, 20, 28, 50, 82, pro neutrony pak i 126. Všechna magická čísla jsou sudá. V přírodě neexistuje stabilní prvek těžší než dusík 7N, který by měl obě hodnoty – počet protonů i počet neutronů liché.
Když jsou obě čísla magická, izotop je výjimečně stabilní. V přírodě je jich známých několik: héliu-4 (4He), kyslík-16 (16O), vápník-40 (40Ca), vápník-48 (48Ca), nikl-48 (48Ni) a olovo-208 (208Pb). S 82 protony a 126 neutrony je poslední člen vyjmenované řady, „věčný“ izotop olova (208Pb) nejtěžším známým prvkem s dvojitým magickým číslem.
Američtí a v zápětí i ruští vědci v polovině šedesátých let minulého století překročili bariéru v přírodě se vyskytujících prvků a předpověděli, že další dvojitě magické jádro v pořadí má izotop radioaktivního, supertěžkého prvku se 114 protony a 184 neutrony. Měl by být králem panujícím v centru takzvaného ostrova stability, omývaného mořem nestability. Obyvatelé ostrova stability – prvky kolem izotopu 298114184 (184 neutronů) by měly být výjimečně „dlouhověké“. Konkrétní informace o nich však chybí, původní teorie odhadovaly hodnoty jejich poločasů rozpadu v milionech, dokonce i v miliardách let. Pozdější výpočty a modely tyto velkorysé doby radikálně snížily na sekundy až minuty.
Doteď však neznáme jejich jednoznačné hodnoty – pro „krále“ – izotop 298114184 se uvádí poločas rozpadu kolem 10 minut.
Označit takové prvky za stabilní se asi zdá být nadnesené. Ostrov stability je však omýván mořem nestability, které obývají izotopy s mnohem kratšími poločasy rozpadu v mikro- a milisekundách.
Jaderní fyzici se snaží v urychlovačích doslova stvořit izotopy z ostrova stability a to pomocí srážek jader lehčích atomů. Dvojnásobně magický izotop se 298114184 jim zatím uniká, protože nejsou vhodné izotopy lehčích prvků pro fúzní reakci, ale jeho „příbuzní“ – izotopy prvku 114, ale s menším počtem neutronů již odhaleny a opakovanými experimentaci potvrzeny byly.
V listopadu 1998, ve Spojeném institutu jaderního výzkumu v ruské Dubně (Объединённый институт ядерных исследований) prováděl mezinárodní rusko – německo – slovensko (prof. Štefan Šáro) – italsko – japonský tým experiment, při kterém vědci po 40 dnů ostřelovali terčík s izotopem plutonia 244Pu (94 protonů, 150 neutronů) ionty dvojitě magického vápníku 48C (20 protonů a 28 neutronů). Ve fúzních produktech objevili pouze jedno jádro prvku 114, které identifikovali jako izotop 289114, se 175 neutrony (o 9 neutronů méně, než je magické neutronové číslo). Na stanovení poločasu rozpadu by bylo nevyhnutné vyprodukovat mnohem více jader prvku, experiment odhalil jenom délku života toho jediného vzniknutého jádra – 30,4 sekundy, po kterých vyzářilo alfa částici a proměnilo se na jádro vysoce radioaktivního izotopu 112.
Tentýž tým pak urychlenými vápníkovými ionty ostřeloval i lehčí izotop plutonia - 242Pu. Výsledkem fúze byly i dvě jádra 287114 s 173 neutrony, což je o 11 méně, než magické číslo. Jejich poločas rozpadu byl 5,5 sekundy. Vědecký článek s výsledky publikoval v roce 1999 časopis Nature.
Kredit: GSI Darmstadt
Po deseti letech byly oba experimenty zopakovány v jiných laboratořích. Nejen verifikují původní závěry, ale i přinášejí nové poznatky. Ten první z experimentů – reakci 244Pu + 48Ca zopakoval mezinárodní německo – americko – britsko – finsko – švédsko – norsko – indický tým v německém Darmstadtu, v Helmholtzově centru pro výzkum těžkých iontů (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH). Jako týmu v Dubně před deseti lety, taky i jim se podařilo vytvořit izotop prvku 114 se 175 neutrony (289114), ale i izotop se 174 neutrony (288114). Protože čísla 289 a 298 opticky klamou, připomínáme, že dvojnásobně magické číslo je 298114, se 184 neutrony).
Kredit: Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Creative Services Office
V časopisu Physical Review Letters právě vychází článek o úspěšném opakování druhého ruského experimentu – jaderné fúzi plutonia 242Pu a vápníku 48Ca. Výsledkem 8denního, téměř nepřetržitě probíhajícího pokusu byla detekce jenom dvou atomů izotopů prvku s protonovým číslem 114 : 286114 a 287114, tedy se 172 a 173 neutrony (12 a 11 neutronů pod magickou hodnotou). Experiment uskutečnili vědci známé Laboratoře Lawrence Berkeleyho v Kalifornii (i když jména některých mladších členů týmu, například Jan Dvořák, Zuzana Dvořáková, Irena Dragojevič, Mitch Andre Garcia, napovídají, z které země pocházejí). „Jejich“ lehčí jádro 286114 vyzářilo za pouhou desetinu sekundy alfa částici, tedy jádro helia a změnilo se na jádro izotopu 112. Těžší jádro 287114 „přežilo“ pětkrát déle a alfa částici uvolnilo až za asi půl sekundy.
Erudovanější, obšírnější a podrobnější článek od Vladimíra Wagnera na téma jak se získávají a zkoumají supertěžké prvky uveřejnil Osel pod názvem Pojmenování nového supertěžkého prvku na obzoru.
Zdroje: ScienceDaily , materiál z Lawrence Livermore National Laboratory , Physical Review Letters , Nature , GSI Darmstadt , Wikipedia
Diskuze:
