Téměř tři roky komise zástupců organizací IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) a IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics) analyzovala existenci supertěžkých prvků s počtem protonů větším než 112. Tatáž komise v loňském roce rozhodla o názvu kopernicium (Copernicium) pro prvek s protonovým číslem 112. Je třeba ale upřesnit, že proti dřívějším informacím nakonec přidělila tomuto prvku značku Cn a ne Cp. Zatímco dva z analyzovaných prvků s počtem protonů 114 a 116 byly uznány za bezrozporně prokázané, další z posuzovaných prvků s protonovým číslem 113, 115 a 118 si na definitivní potvrzení ještě musí počkat.

Použitá kriteria

Zvětšit obrázek

Tým Jurije Oganesjana (čtvrtý zleva) a jeho experimentální aparatura (zdroj SÚJV Dubna)

Podle pravidel vypracovaných před necelými dvaceti lety je existence nového prvku uznána v případě, že jeho produkce byla prokázána nade vší pochybnost. To je ovšem poměrně vágní formulace. V praxi to znamená, že existence daného prvku musí být postavena na spolehlivě prokázaných fyzikálních, případně i chemických vlastnostech. Důležité je určení náboje, sekvence následných rozpadů končících u správného izotopu, vzájemná vnitřní reprodukovatelnost a nízké pozadí. Zároveň by měla jeho produkce proběhnout ne pouze v jednom experimentu, ale v několika. Přičemž by se mělo jednat o produkci různými metodami (v různých reakcích) a nejlépe i v různých laboratořích. Pochopitelně by pak měly pozorované vlastnosti prvku při různých pozorováních vzájemně souhlasit.

Průlomové rozhodnutí

Prokázání existence nových supertěžkých prvků je průlomovou událostí, protože se jedná o první, které se dají produkovat pouze tzv. „horkou fúzí“. Při ní se používá těžších terčů a lehčích projektilů než při „studené fúzi“. K tomu je potřeba větší energie reakce a vzniklé složené jádro má tudíž větší přebytek energie, takže je větší pravděpodobnost vypaření i několika neutronů. Vzhledem k tomu, že je terčové jádro velmi těžké, má i velký přebytek neutronů oproti protonům. U supertěžkých prvků se tak pomocí horké fúze dostaneme k izotopům s mnohem větším počtem neutronů než u fúze studené. Tyto izotopy jsou blíže ostrovu stability a jsou tak stabilnější než ty připravené studenou fúzí. Stejně jako jiná jádra transuranů se pomocí několika rozpadů alfa přemění na jádro, které se rozpadá samovolným štěpením. Připomeňme, že při každém rozpadu alfa se vyzáří jedno jádro helia a jádro po rozpadu má o dva protony a dva neutrony méně. Zatímco v případě studené fúze je poměr neutronů a protonů takový, že konečné jádro v řetězci je známé jádro, které se na urychlovačích běžně produkuje a jeho vlastnosti jsou dobře prozkoumané, v případě horké fúze je konec řady postupných alfa rozpadů úplně neznámý samovolně se štěpící izotop. Podrobněji je rozdíl mezi studenou a horkou fúzí popsán zde.
Pro větší názornost můžeme porovnat produkci kopernicia ve studené fúzi, která se podařila v GSI Darmstadt skupinou Sigurda Hofmanna, a produkci jiného izotopu stejného prvku horkou fúzí, která byla uskutečněna skupinou Jurije Oganesjana. V prvním případě bylo terčovým jádrem olovo ²⁰⁸Pb (počet protonů 82) a projektilem izotop zinku ⁷⁰Zn (počet protonů 30). Při fúzi se produkoval izotop kopernicia ²⁷⁷Cn (počet protonů 112). Vzniklé složené jádro tak opustil pouze jeden neutron. V případě horké fúze se využil terč z izotopu uranu ²³⁸U (počet protonů 92) a terč z izotopu vápníku ⁴⁸Ca (počet protonů 20), který má extrémní přebytek neutronů. Fúzí vznikl izotop kopernicia ²⁸³Cn (počet protonů 112). Tedy izotop, který má o pět neutronů více než ten získaný studenou fúzí. A to se ještě vznikající složené jádro zbavilo přebytečné energie vypařením tří neutronů. Zatímco doba života izotopu ²⁷⁷Cn ze studené fúze byla pouhých zhruba 0,27 ms a vyzářená částice alfa měla energii téměř 11,5 MeV, tak u izotopu ²⁸³Cn z horké fúze byla doba života okolo 7,5 s a energie vyzářené částice alfa okolo 9,5 MeV. I tak se projevila jeho větší blízkost k ostrovu stability. Zatímco při horké fúzi končila rozpadová řada u neznámého izotopu ruthefordia ²⁶⁷Rf (počet protonů 104), ve studené fúzi probíhala řada alfa rozpadů přes velice dobře známý izotop ²⁶¹Rf až ke známému izotopu fermia ²⁵³Fm (počet protonů 100).

To, že v případě studené fúze jde velká část rozpadové řady přes známé izotopy a hlavně u známého izotopu končí, bylo hlavním důvodem, proč až do současnosti byly „nade vší pochybnost“ přijaty pouze objevy supertěžkých prvků produkovaných pomocí studené fúze. V tomto případě máme totiž bezpečně fixovaný začátek rozpadové řady, jádro vzniklé v reakci, i její konec. Nedávné rozhodnutí komise o prokázání produkce prvků s protonovými čísly 114 a 116, které se dají produkovat pouze pomocí horké fúze, je tak průlomovým verdiktem.

Zvětšit obrázek

Důležité rozpadové řady, které vznikají v různých reakcích a začínají u různých prvků. Všechny však procházejí přes izotop kopernicia 283Cn a jsou jasným důkazem správné identifikace počátku rozpadové řady, která prochází známým potvrzeným izotopem prvku (zdroj E.C. Barber et al: Discovery of the elements with atomic numbers greater than or equal to 113 (IUPAC Technical Report) doi:10.1351/PAC-REP-10-05-01)

Produkce prvků 114 a 116

Základní předpoklad o produkci daného chemického prvku je, že spojením projektilu a terče vzniká složené jádro s počtem protonů daným celkovým jejich součtem. Zatímco neutrony se mohou lehce z tohoto jádra, které má přebytek energie, uvolňovat, protony jsou nabité a je velice nepravděpodobné, že proniknou přes coulombovskou barieru vytvořenou nábojem vzniklého složeného jádra. Proton by mohl být stržen z terčového nebo projektilového jádra pouze v počáteční fázi fúze. Takový proces je velice nepravděpodobný v případě studené fúze. O něco pravděpodobnější je v případě horké fúze, kdy má projektil vyšší kinetickou energii a je lehčí. Má tak větší rychlost, tím je vyšší rychlost i jednotlivých jeho nukleonů a větší je i pravděpodobnost, že některý z protonů bude pokračovat v létu i po zachycení projektilového jádra terčovým jádrem. Dalším faktorem je i menší náboj projektilového jádra a menší coulombovská bariéra, kterou musí proton při jeho opuštění překonávat. I to je důvod, proč se k výsledkům produkce supertěžkých prvků pomocí horké fúze přistupuje opatrněji.

Průkopníkem využití horké fúze je už zmíněný Jurij Oganesjan, jehož skupina také ve spolupráci s kolegy z Livermore provedla na urychlovači v SÚJV Dubna většinu experimentů v této oblasti. Téměř všechny práce, které se týkají studia prvků s protonovým číslem 112, 114 a 116 jsou spojeny s touto skupinou. První z nich se objevily už na konci minulého století. Nejdůležitější pro uznání prvků se sudým počtem protonů bylo velmi pečlivé a konzistentní potvrzení identifikace izotopu kopernicia ²⁸³Cn, který se objevoval v řadě rozpadových řad a jeho vlastnosti (energie alfa částice uvolňované při rozpadu a doba života) spolu velice dobře souhlasily (viz obrázek). Navíc se podařilo zkoumat chemickofyzikální vlastnosti pomocí absorpce na zlaté destičce, které potvrzovaly identitu prvku kopernicia. Zmíněný izotop kopernicia se podařilo pomocí horké fúze připravit i v německé laboratoři GSI Darmstadt a v předminulém roce se podařilo produkovat izotop prvku 114, který se rozpadá řadou alfa rozpadů přes již zmíněný izotop kopernicia také v americké laboratoři v Berkeley. I o tom už se zde psalo. Všechny experimenty v dalších laboratořích potvrzují předchozí měření skupiny Jurije Oganesjana v SÚJV Dubna.

Dosud bylo pozorováno několik dalších izotopů prvku 114 v různých laboratořích s pomocí terčů z izotopů plutonia ²⁴²Pu a ²⁴⁴Pu. Objevily se i první pokusy určit jeho chemii. Velmi slibná je zvláště produkce tohoto prvku na zařízení TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) v laboratoři GSI Darmstadt. Tam se podařilo během pouhých čtyř týdnů vyprodukovat třináct jader tohoto prvku. Jednalo se o izotopy s nukleonovým číslem 288 a 289. Takové počty by mohly postupně dovolit zkoumání jeho chemických vlastností.

Skupina Jurije Oganesjana pozorovala také několik izotopů prvku s protonovým číslem 116. Jedním z nich byl izotop s nukleonovým číslem 291, který byl připraven pomocí reakcí vápníku 48 s jádrem curia ²⁴⁵Cm. Ten se rozpadá přes již několikrát zmíněný a dobře známý izotop kopernicia 283. Jeho identifikace je tak nesporná. To byl také důvod, proč byl tento prvek komisí potvrzen
Návrhy jmen tak v obou případech bude podávat objevitelská dubněnská skupina Jurije Oganesjana. Ta navrhuje název flerovium pro prvek 114 podle významného ruského jaderného fyzika Jurije Flerova a moscovium pro prvek 116 podle Moskevské oblasti, kde leží Dubna.

Zvětšit obrázek

Ostrovu stability jsme stále blíž.

Další supertěžké prvky

Rozpadová řada obsahující prvky s lichým počtem protonů nemá při produkci pomocí horké fúze takové štěstí na dobře definovaný izotop, který by pro ni splnil roli kopernicia 283. I zde jsou hlavní experimentální práce spojeny se skupinou Jurije Oganesjana, která pomocí horké fúze vyprodukovala několik různých izotopů prvků 113 a 115. V japonské laboratoři RIKEN se podařilo vyprodukovat jiný izotop prvku 113 pomocí studené fúze. Problémem je, že konec rozpadových řad nebyl v těchto případech bezesporně spojen se známými izotopy. Také zkoumání chemických vlastností prvků v pozorovaných rozpadových řadách nebylo jednoznačné. Komise tak označila dosavadní výsledky za velmi povzbudivé ale nesplňující kriterium potvrzení „nade vší pochybnost“. Problém je, že některá pozorování hlavně v dobách života vzniklých jader a jejich rozpadech jsou rozporuplná. To ovšem nemusí být nutně známkou chybných měření. Mohou totiž vznikat různé excitované stavy příslušných jader. V každém případě však jsou potřeba nová měření a důkladnější analýza k objasnění situace.

Stejný problém je i s prvkem 118, který se podařilo vyprodukovat skupině Jurije Oganesjana pomocí terče z kalifornia 249 ozařovaného plné čtyři měsíce svazkem vápníku 48. Podařilo se sice získat tři případy vzniku prvku 118, který se rozpadal velice krátkou řadou rozpadů alfa končící spontánním štěpením (viz obrázek). Nejdelší z nich skončila u izotopu kopernicia ²⁸²Cn. Všechny tak u neznámých izotopů. Komise posuzovala povětšinou práce publikované do roku 2008. Od té doby se podařilo získat řadu nových informací o zatím neschválených či vůbec do té doby nepozorovaných prvcích. Poprvé byla získána experimentální evidence chybějícího prvku mezi moskoviem z protonovým číslem 116 a prvkem se 118 protony. O objevu tohoto prvku s protonovým číslem 117 se psalo před více než rokem. Ten byl produkován opět skupinou Jurije Oganesjana v SÚJV Dubna. I tehdy s významnou pomocí hlavně amerických fyziků. Ti dodali terč z izotopu berkelia ²⁴⁹Bk. Bez něj totiž nebylo možné daný izotop produkovat. Pokud totiž chceme používat izotop vápníku 48 jako velice stabilní projektil, musíme pro produkci stále těžších prvků používat i těžší terče. Tedy transurany se stále náročnější produkcí a kratší dobou života. Izotop ²⁴⁹Bk má poločas rozpadu 320 dnů a jeho produkce pomocí reaktoru potřebuje i velice náročnou radiochemickou technologii. Díky široké mezinárodní spolupráci se tak významně rozšiřují naše znalosti o nových supertěžkých prvcích. Je tak velice pravděpodobné, že analýza prací publikovaných v posledních čtyřech letech a v současnosti prováděných či plánovaných experimentů povede k uznání existence i dalších prvků.

Zvětšit obrázek

Rozpadová řada prvku s protonovým číslem 118 pozorovaná skupinou okolo Jurije Oganesjana v SÚJV Dubna (Wikipedia).

Je dost pravděpodobné, že se již v brzké době podaří nashromáždit dostatek materiálu, aby i existence všech ostatních prvků až po protonové číslo 118 byla prokázána „nade vší pochybnost“ a komise byla spokojena. Již teď však je jasné, že vavříny prvoobjevitele si většinou odnese skupina kolem Jurije Oganesjana.

A co dál?

Nejatraktivnější je pochopitelně cesta k novým chemickým prvkům s protonovým číslem větším než 120. Ovšem velice důležité je produkovat co největší počet izotopů již známých supertěžkých prvků. Tímto způsobem je možné velmi intenzivně osahat ostrov stability, který je stále lépe v „dálce“ viditelný. Z tohoto hlediska jsou velice důležité izotopy flerovia. Protonové číslo tohoto prvku 114 je tím magickým, který vede ke zvýšené stabilitě. Dosud byly produkovány jeho izotopy s počtem neutronů 171 až 175. Zatímco nejlehčí izotop má dobu života zlomek milisekundy, nejtěžší už přežívá dobu v řádu desítek sekund. A to se pro magický počet neutronů předpokládá hodnota 184. Takže je možné očekávat doby života velice pravděpodobně v řádu minut a hodin, či dokonce více.

Zvětšit obrázek

Průlom v chemii supertěžkých prvků by mohlo přinést zařízení TASCA v GSI Darmstadt (zdroj G. Otto GSI Darmstadt).

Velice významným pokrokem, který umožňuje efektivnější produkce izotopů daného prvku s delší dobou života, je intenzivní studium jeho chemie. O tom, jak chemie s využitím jednotlivých atomů vypadá, si lze přečíst v článku o studiu oxidace hassia. Jde o prvek s protonovým číslem 108, který vytváří osmimocné oxidy s příponou ičelý. Ale v současné době se chemie dělá i s koperniciem a postupuje se ke stále těžším prvkům. Obrovský pokrok by mělo přinést v této oblasti právě už zmiňované zařízení TASCA v GSI Darmstadt.

Zvětšit obrázek

V posledních dvaceti letech se podařilo doplnit velký kus Mendělejevovy tabulky.

Pro cestu k těžším prvkům je nutný pokrok v produkci terčů z radioaktivních transuranů (curia, kalifornia, berkelia a fermia) a zacházení s nimi. Další nutností je studium využití reakcí těžších projektilů s těmito transurany. Mezi perspektivní nové těžší projektily patří například izotop ⁵⁸Fe. Ten má o šest protonů a deset neutronů více než vápník 48. Plánují se experimenty i s izotopy ⁵⁰Ti, ⁵⁴Cr a ⁶⁴Ni, ale možností je daleko více. V současnosti je hlavní úsilí zaměřeno na chemický prvek s protonovým číslem 120 a další těžší prvky se sudým počtem protonů. Ty jsou totiž stabilnější. Předpokládané pravděpodobnosti různých plánovaných reakcí jsou sice velice malé, ale nemusely by být nedosažitelné. Proto se na ně zaměřuje hned několik skupin, z nichž většina zde již byla jmenována. Lze tak očekávat, že se v následujícím desetiletí můžeme těšit na řadu nových objevů a poznání přesných kontur a vlastností ostrova stability.