Laboratoř FLNR v SÚJV Dubna, které je dominantní v objevech nových supertěžkých prvků pomocí horké fúze, společně s laboratoří LLNL v Livermoru pojmenují její pracovníci tři nové prvky. (Zdroj SÚJV Dubna).

Předposlední den minulého roku informovala Unie pro čistou a užitnou chemii, že uznala objev čtyř nových supertěžkých prvků s protonovým číslem 113, 115, 117 a 118. Lze tak předpokládat, že jejich objevitelé, kterými jsou mezinárodní ústav SÚJV Dubna v Rusku společně s americkou laboratoří v Livermoru a japonská laboratoř RIKEN, se již chystají k návrhu pojmenování těchto prvků.

Chemické vlastnosti prvků a Mendělejevova tabulka

Víme, že veškerá hmota okolo nás i v nás je tvořena atomy. Ty se skládají z velice malého jádra, ve kterém je soustředěna téměř veškerá jeho hmota a lehkých elektronů, které se nacházejí v prostoru, který je téměř sto tisíckrát větší, než je rozměr jádra. Jádro se pak skládá z protonů a neutronů, které mají zhruba stejnou hmotnost. Tyto dvě částice se označují společným názvem nukleon. Protony mají elektrický náboj a neutrony jsou elektricky neutrální. Proton nese úplně stejný náboj, jako elektron. Jak elektrony, tak protony a neutrony jsou fermiony. Tedy částice, pro které platí Pauliho vylučovací princip a nemohou být dvě ve stejném stavu. Kvantová fyzika nedovoluje v některých případech spojité hodnoty některých veličin. Elektrony tak mohou být v atomu jen ve stavech s danými diskrétními hodnotami energie. Zároveň se hladiny grupují do skupin, které mají blízké hodnoty energií, tzv. energetických slupek. Mezi slupkami je naopak velký rozdíl v energii. Zároveň se opakují slupky s podobnými vlastnostmi. Zmíněné energetické hladiny se obsazují postupně. Poslední slupka, která není plně obsazená, určuje chemické vlastnosti jader.

Periodická tabulka prvků (zdroj Wikipedie – DePiep)

A právě popsané vlastnosti vedou k tomu, že můžeme pozorovat periodicky se opakující změny chemických vlastnosti v závislosti na růstu počtu protonů a tedy i hmotnosti atomů, které popsal pomocí své tabulky Dmitrij Ivanovič Mendělejev. V jeho době, rok 1869, bylo známo pouze 62 prvků a v Mendělejevově tabulce byla řada bílých míst. Nalezení nových prvků, jejichž vlastnosti odpovídaly předpovědím pro prázdná místa, pak potvrdilo správnost Mendělejevovy tabulky. Chemické vlastnosti prvků jsou tak určeny a lze je předpovídat právě na základě jejich polohy v této tabulce. V ní je nyní sedm period a prvky v každé periodě mají podobné vlastnosti těm, které leží v předchozí periodě na stejném místě. Pěkný populární popis Mendělejevovy tabulky je na tomto videu.

Co určuje stabilitu jader a jak se projevuje nestabilita?

Jádro daného prvku má přesně daný počet protonů, ale může mít různý počet neutronů. Mluvíme pak o různých izotopech tohoto prvku. Jádra různých izotopů mohou být stabilní, ale většinou jsou nestabilní a rozpadají se. Čím je dána míra stability jader? Závisí na poměru mezi počtem protonů a neutronů. Nabité částice se stejným nábojem se vzájemně odpuzují. V jádře tak musí působit kromě odpudivé elektrické síly ještě jiná, přitažlivá síla. Tou je silná jaderná síla, která působí jak u protonů, tak i neutronů. Zatímco elektrická síla sice klesá se vzdáleností, ale působí v principu na nekonečnou vzdálenost, silná jaderná interakce působí jen do vzdálenosti srovnatelné s rozměrem nukleonu. Zatímco protony se elektrickou interakcí odpuzují se všemi ostatními protony v jádře, protony a neutrony se mohou jadernou silou přitahovat pouze s velmi omezeným počtem nukleonů. To vede k tomu, že pro udržení stability jádra se musí počet neutronů zvyšovat rychleji než počet protonů. Lehká jádra jsou tak stabilní, pokud mají počet protonů zhruba stejný jako počet neutronů. Těžká jádra pak musí mít počet neutronů větší, u těch supertěžkých až o 70 %. Tyto vlastnosti vedou k tomu, že nejtěžší prvek, který má alespoň jeden stabilní izotop, je olovo. Bismut už stabilní izotop nemá, i když izotop ²⁰⁹Bi má poločas rozpadu 2∙10¹⁹ let, což extrémní hodnota. Izotopy s dlouhým poločasem v řádu miliard let pak mají také thorium a uran, ale to už souvisí s vlastnostmi, na které se podíváme nyní

Jak bylo zmíněno, jsou protony a neutrony fermiony, tedy nesnášenlivé částice, které v jádře obsazuji postupně stále vyšší energetické hladiny. Stejně jako elektronů v atomu nejsou energie jednotlivých hladin rozděleny rovnoměrně, ale dostáváme slupky s hladinami s blízkými hodnotami energie a velkým rozdílem energie mezi slupkami. Protony tvoří jeden systém slupek a neutrony druhý. Dostáváme tak také vysokou stabilitu jader pro určité počty protonů a neutronů, kdy dochází k uzavření konkrétních slupek. Tyto počty neutronů nebo protonů se označují jako magická čísla. Ta jsou 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 … Zároveň mají neutrony i protony tendenci se párovat. Tedy sudý počet neutronů nebo sudý počet protonů zvyšuje stabilitu jádra. Nejstabilnější jsou tak magická sudo-sudá jádra.

Experimentální zařízení TASCA v GSI Darmstadt je zaměřeno na studium chemie supertěžkých prvků (zdroj GSI Darmstadt).

Bez této vlastnosti by nebyla možná existence supertěžkých prvků. Právě následující magická čísla v počtu neutronů a protonů by měla umožnit existenci ostrova stability na mapě různých jader. Předpověď, kde tento ostrov přesně leží, je však velmi náročné. Supertěžká jádra by nemusela mít kulový tvar, jeho přesný popis není znám a deformace jádra může silně ovlivnit hodnoty magických čísel, polohu ostrova stability a poločasy rozpadu jader, které na něm leží. Nejsou vyloučeny i velmi dlouhé poločasy rozpadu supertěžkých prvků, které by umožnily jejich výskyt v přírodě. Ale je to spíše nepravděpodobné. Každé nové supertěžké jádro a poznání jeho vlastností umožňuje zpřesnit naše modely a předpovědi v této oblasti.

Jak se supertěžké prvky produkují?

Existují tři možnosti, jak produkovat supertěžká jádra. První je ozařování intenzivním tokem neutronů, při nich vznikají izotopy s vyšším počtem neutronů. V nich se přeměnou beta může neutron změnit na proton a vzniká chemický prvek s protonovým číslem o jednotku větším. Klasickým příkladem je vznik plutonia 239 v reaktoru. Tam se izotop uranu 238 záchytem přemění na uran 239 a ten se rozpadem beta přemění na neptunium 239 a dalším rozpadem beta na plutonia 239. V reaktorech takto vznikají i těžší transurany a řada jejich různých izotopů.

Další možností je slučování postupně stále těžšího projektilu s těžkým terčovým jádrem. Zde jsou tři možnosti. První je slučování lehkých urychlených jader s těžkým terčíkovým jádrem. Druhou možností je pak tzv. studená fúze. V tomto případě se velmi stabilní jádro, které má počet neutronů i protonů rovné nebo blízké magickým. Toto jádro má velmi vysokou vazebnou energii. Proto se značná část energie, kterou do složené jádra vnese projektil, spotřebuje na kompenzování této vazebné energie. Vzniklé složené jádro má tak nízký přebytek energie, kterého se musí zbavit. Stačí tak vyzáření několika fotonů případně pár neutronů. Je tak menší pravděpodobnost, že se složené jádro rozpadne nebo z něj vyletí protony.

Zdrojem supertěžkých prvků v přírodě jsou supernovy. Snímek pozůstatku supúernovy pořízený Hubblovým teleskope. (zdroj NASA).

Třetí možností je tzv. horká fúze. V tomto případě se používají ta nejtěžší jádra, která tak mají počty neutronů a protonů vzdálená od magických. V tom případě je přebytek energie větší a vyzářených gama fotonů i neutronů je více. Je také vyšší pravděpodobnost, že se vzniklé složené jádro rozpadne nebo ztratí i nějaké protony.

Poslední možností je reakce velmi těžkých jader, při které si vymění určitý počet nukleonů, protonů a neutronů.

Výskyt supertěžkých prvků v přírodě

V přírodě vznikají supertěžké prvky při výbuchu supernovy. Při něm se produkují velmi intenzivní toky neutronů a předpokládá se, že vznikají i velmi těžké supertěžké prvky, i takové, které se nám zatím v laboratoři vyrobit nepodařilo. Tyto supertěžké prvky se dostaly do prachoplynných mlhovin, ze kterých se později vytvořila i naše Sluneční soustava. Supertěžké prvky tak můžeme hledat v přírodě. Problém je, že můžeme pozorovat pouze ta jádra, která se od doby vzniku Sluneční soustavy nerozpadla. Stáří Sluneční soustavy je zhruba 4,5 miliardy let. To znamená, že na Zemi lze najít pouze izotopy velmi těžkých prvků, které mají poločas rozpadu v řádu stovek milionů let a více. Na zemi tak můžeme najít thorium 232, které má poločas rozpadu 14 miliard let, uran 238 s poločasem rozpadu 4,5 miliard let a uran 235 s poločasem rozpadu 0,7 miliardy let. Poměr mezi zastoupením uranu 238 a uranu 235 je dán právě poločasy rozpadu těchto izotopů a dobou existence Sluneční soustavy. Při výbuchu supernovy vzniklo zhruba stejné množství obou izotopů uranu. Zatímco uranu 238 se do současnosti rozpadla pouze polovina, uranu 235, který má mnohem kratší poločas rozpadu, se už rozpadla většina a jeho zastoupení v uranových rudách je pouze 0,7 %. Nejstabilnější izotop plutonia má 244 nukleonů a jeho poločas rozpadu je pouhých 80 milionů let.

Část zařízení SHIP v GSI Darmstadt umožňujícího identifikovat i jednotlivá jádra supertěžkých prvků. (zdroj GSI).

Objevila se studie, že se stopy tohoto izotopu objevily v přírodních rudách. Protože by však mohlo tvořit pouze okolo 10^-17 ve srovnání s izotopy uranu, zdá se jeho výskyt na zemi jen těžko zjistitelný a výsledky dané studie jsou nejspíše chybné. V přírodě se zatím žádné supertěžké prvky nenašly, takže lze usuzovat na to, že jejich poločasy rozpadu jsou menší než stovky milionů let.

Produkce supertěžkých prvků v laboratoři

Řada transuranů, což jsou prvky těžší než uran, se dá získat pomocí reaktorů. V nich je relativně vysoká intenzita toku neutronů. Jejich záchytem na jádrech různých izotopů uranu a následnými rozpady beta lze získat neptunium, plutonium, americium a další transurany. Ve čtyřicátých letech, kdy začali vědci na produkci prvních transuranů pracovat, ještě potřebné reaktory nebyly. Poprvé se tak transurany vytvořily ozařováním uranu pomocí lehkých jader urychlených na prvních urychlovačích. V roce 1940 ozařovali američtí fyzikové G. T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan a A. C. Wahl v laboratoři v Berkeley uran 238 deuterony a podařilo se jim vytvořit izotop neptunia 238, který se s poločasem rozpadu 2,1 dne měnil na plutonium 238. Tak se získaly první dva transurany, tedy prvek s 93 a 94 protony. Když už byly k dispozici terčíky z plutonia, podařilo se postupně získat prvek 95 americium, 96 curium a 97 berkelium. Pomocí terčíku z curia se podařilo připravit prvek 98 kalifornium. Poslední dva prvky do celkové stovky se v roce 1952 podařilo najít v produktech jaderných výbuchů. Při nich vznikají velmi intenzivní toky neutronů, které ve využívaném uranu 235 nebo plutonium 239 vyprodukují velké množství různých transuranů. Jednalo se o prvek 99 einsteinium a 100 fermium. V roce 1952 se také podařilo ozařováním mikrogramového terče z einsteinia 253 částicemi alfa získat prvek 101 mendělejevium. Na všech těchto objevech měli dominantní podíl G. Seaborg a E. M. McMillan.

Rychlostní filtr zařízení SHIP v GSI Darmstadt, který provádí selekci správného složeného jádra (zdroj GSI )

V padesátých, šedesátých a sedmdesátých letech pak nastalo dlouhé období hledání a sporů okolo prvků s protonovým číslem 102 až 106 hlavně mezi ruskou (SÚJV Dubna) a americkou (LBNL v Berkeley) laboratoří. Nové prvky se získávaly ozařováním terčů z transuranů (curia, americia a kalifornia) pomocí svazků uhlíku, kyslíku a dusíku. Pravděpodobnost produkce byla malá, jejich poločas rozpadu velmi krátký a získat dostatečné množství pro chemickou analýzu byl velký problém. Ohlašované objevy tak nebyly dostatečně průkazné. Spory trvaly nakonec až do roku 1997, kdy teprve IUPAC rozsoudil prioritu objevů a pojmenování těchto prvků. Rozhodnutí bylo umožněno i vyřešením problému, jak postupovat k ještě těžším prvkům.

Identifikace jednotlivých jader

Zlom se podařil skupině v laboratoři GSI Darmstadt pod vedením P. Armbrustera a G. Műzenberga a později S. Hofmanna. Ti se rozhodli využívat studenou fúzi s využitím terče z izotopu olova, který má 82 protonů a 126 neutronů, což jsou obě magická čísla a bismutu 209 s 83 protony a 126 neutrony. Je však třeba zmínit, že využití studené fúze první navrhli vědci s laboratoře SÚJV Dubna. V GSI se vybudovalo zařízení SHIP, které umožňovalo spolehlivě identifikovat jednotlivá jádra supertěžkých prvků. Princip spočíval v tom, že se detekovaly všechny alfa částice vyzářené v kaskádě postupných rozpadů. Na konci kaskády jsou známá jádra, která lze podle průběhu rozpadu spolehlivě identifikovat. Je tak znám konec kaskády a počet vyzářených alfa částic umožňuje bezrozporně identifikovat počáteční jádro kaskády rozpadů.

Tři případy rozpadu prvku 113 získaných metodou studené fúze v laboratoři RIKEN (zdroj stránky laboratoře RIKEN).

Pravděpodobnost produkce stále těžších prvků je velmi malá a bylo potřeba dosáhnout velmi vysoké intenzity svazku a posléze velmi efektivní separaci příslušných jader s přesně definovaným počtem protonů a neutronů a jejich identifikaci popsaným způsobem. Intenzita svazku využívaného urychlovače v GSI Darmstadt byla v řádu 10¹² projektilů za sekundu. Taková intenzita svazku velice intenzivně ohřívá terč. Olovo a bismut mají navíc velmi nízkou teplotu tavení. Proto se používaly rotující terče, kdy se ohřívala postupně různá místa terče a bylo možné zajistit velice efektivní odvod tepla z něj. Vzniklá složená jádra se následně dostala systému, který pomocí elektrických a magnetických polí a detektorů určujících dobu letu vybíral jádra s přesně definovaným počtem neutronů a protonů. Ta se implantovala do fólie obklopené soustavou křemíkových pozičně citlivých detektorů. Ty zaznamenaly všechny částice alfa a určily jejich energii a čas jejich vyzáření. Systém bývá doplněn polovodičovými detektory gama a rentgenovského záření, které umožňují detekovat fotony gama, jejichž emisí se jádra zbavují přebytečné energie a rentgenovského záření z atomového obalu identifikujícího příslušné prvky. V průběhu osmdesátých a devadesátých let se v GSI Darmstadt postupně podařilo pomocí studené fúze vyprodukovat prvky s protonovým číslem 107 až 112 (bohrium, hassium, meitnerium, darmstadtium, roentgenium a kopernicium). Je však třeba připomenout, že hlavně první z těchto prvků byly, a někdy i dříve, produkovány v SÚJV Dubna. Ovšem výsledky z GSI Darmstadt byly označeny za ty rozhodující pro spolehlivou identifikaci. Právě v SÚJV Dubna byla řada jiných izotopů těchto prvků pozorována pomocí horké fúze. Jak si však popíšeme dále, byla u této metody spolehlivá identifikace mnohem složitější. Olovo 208 a bismut 209 jsou poměrně lehká jádra a mají daleko menší přebytek neutronů, než by se hodil pro supertěžká jádra a cestu do blízkosti ostrova stability. Produkovaná jádra jsou tak hodně daleko od něj a mají velmi malou stabilitu a velice krátké poločasy rozpadu. Zároveň se pro produkci stále těžších prvků musí používat projektily se stále větším počtem protonů a odpudivá elektrická síla mezi projektilem a terčem se tak rychle zvětšuje a pravděpodobnost produkce složeného jádra prudce klesá. Za současných podmínek se tak hraničními prvky pro studenou fúzi jeví ty s protonovým číslem 113 a 114. O prvek 113 se v GSI Darmstadt pokoušeli, ale podařilo se to nakonec až v japonské laboratoři RIKEN.

Přehled možných materiálů pro terče z transuranů. Je uvedeno nukleonové číslo daného izotopu (červeně jsou označeny izotopy, které se již využívaly v konkrétních experimentech) a poločas rozpadu.

Podrobněji se k tomu ještě vrátíme. Jestli se někdy touto metodou podaří připravit prvek 114, je otázka otevřená. Obrovskou výhodou studené fúze je, že se produkují takové izotopy supertěžkých prvků, jejichž rozpadové řady končí u známých izotopů lehčích transuranů. Naopak při horké fúzi umožňuje využití terčů z transuranů získat větší přebytek neutronů. Ovšem jejich rozpadové řady končí buď samovolným štěpením, nebo u relativně dlouhodobého izotopu lehčího transuranu. Ovšem takového, který je úplně nový a neznámý. Je tak těžké jej bezrozporně identifikovat.

Horká fúze se dostane dále

Bez využití horké fúze a vyřešení problémů, které jsou s ní spojené, se k prvkům s protonovým číslem větším než 113 nelze dostat. Metodu využití horké fúze nejvíce rozvinuli právě v SÚJV Dubna pod vedením Jurije Oganessiana. Kritické pro ni je získání vhodných terčů ze stále těžších transuranů. Je potřebné, aby tyto transurany měly co nejdelší poločas rozpadu a bylo možné je v dostatečném množství vyprodukovat. Terče z transuranů, které se využívaly v SÚJV Dubna, později v GSI Darmstadt i v dalších laboratořích byly většinou vyrobeny z transuranů poskytnutých americkou laboratoří ORNL v Oak Ridge často prostřednictvím laboratoře LLNL v Livermore. K jejich výrobě je totiž potřeba speciální reaktory a sofistikované technologie umožňující chemickou separaci vysoce radioaktivních materiálů. Dostatečně dlouhý poločas rozpadu je nutný nejen k tomu, aby terč vydržel dostatečně dlouho, ale v případě krátkého poločasu rozpadu má vysokou aktivitu i produkovaný tepelný výkon. Vznikají tak problémy se zajištěním radiační bezpečnosti při manipulaci s ním i dostatečného chlazení.

Materiály pro terče z transuranu jsou připravovány ve výzkumném reaktoru s velmi vysokým tokem neutronů v laboratoři ORNL v Oak Ridge. Zde získané terče se využívají jak SÚJV Dubna tak v GSI Darmstadt (zdroj ORNL).

V této souvislosti lze připomenout, že plutonium 238 s poločasem rozpadu zhruba 80 let se používá jako tepelný zdroj pro radionuklidové termoelektrické generátory pro vesmírné sondy. Velký blok tohoto izotopu má teplotu, která je stovky stupňů. Pro tenké terčíky lze problém chlazení řešit. V každém případě je však potřeba počítat s vysokou radioaktivitou vzorku. Zatím se využívaly terče z plutonia, americia, curia, berkelia a kalifornia, které už má protonové číslo 98 (podrobněji, které izotopy viz tabulka). V principu by se snad v budoucnu mohlo podařit připravit terče i z einsteinia, fermia a možná dokonce i z mendělejevia.

U horké fúze je problém s tím, že excitační energie není snížena vysokou vazebnou energií terčového jádra a je násobně větší. Složené jádro vzniklé splynutím projektilu a terče pak má větší pravděpodobnost, že se rozpadne. Pokud zůstane, má v každém případě větší šanci emitovat více neutronů, než je tomu v případě studené fúze. Avšak díky tomu, že těžké transuranové terče mají větší přebytek neutronů než lehčí olovo nebo bismut, dostaneme v horké fúzi izotopy supertěžkých prvků, které mají více neutronů než izotopy stejného prvku získané fúzi studenou. Tyto izotopy jsou blíže ostrova stability a mají tak delší poločasy rozpadu. To nemusí být výhoda, pokud je tento poločas příliš dlouhý. Supertěžký prvek se identifikuje pomocí sekvence rozpadů alfa, pokud jsou časy mezi detekcemi alfa částic příliš dlouhé, zvyšuje se pravděpodobnost náhodné koincidence a chybné identifikace.

Rozpadové řady izotopů produkované ve studené fúzi (cold fusion) nalevo a v horké fúzi (hot fusion) napravo (zdroj stránky ORNL).

Dalším problémem bylo, že řada rozpadů alfa končila u neznámého jádra, které se rozpadalo spontánním štěpením nebo bylo stabilní. Mělo větší počet neutronů než známé izotopy daného prvku. Nebyla tak spolehlivá identifikace konce řady rozpadů alfa a tím se snižovala i spolehlivost identifikace počátečního supertěžkého jádra. To bránilo uznání objevů supertěžkých prvků učiněných v SÚJV Dubna právě touto metodou, i když se získala řada izotopů několika prvků. První průlom nastal v případě prvků 116 a 114, které jsou v jedné rozpadové řadě prvků se sudým počtem protonů. Zde se podařilo pozorovat řadu izotopů a jejich vlastnosti i průběh rozpadové řady dobře odpovídal extrapolacím ze známé oblasti. Nejdůležitější pro uznání 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. Navíc se podařilo zkoumat chemické a fyzikální vlastnosti pomocí adsorpce na zlaté destičce, které potvrzovaly identitu prvku kopernicia. Zmíněný izotop kopernicia se podařilo pomocí horké fúze připravit i v německé laboratoři GSI Darmstadt a podařilo se produkovat izotop prvku 114, který se rozpadá řadou alfa rozpadů přes již zmíněný izotop kopernicia také v americké laboratoři v Berkeley. To byl důvod, proč byla v roce 2011 uznána existence těchto dvou prvků a jejich objev byl přisouzen spolupráci laboratoří SÚJV Dubna a Livermore. Ty vybraly pro prvek z protonovým číslem 114 flerovium podle význačného jaderného fyzika Georgije N. Fljorova právě z laboratoře v Dubně a prvku 116 livermorium podle druhé ze spolupracujících laboratoří.

Práce při přípravě terče z berkelia 249 v laboratoři ORNL (zdroj ORNL).

Pak už bylo už jen otázkou času, kdy stále podrobnější průzkum vlastností supertěžkých prvků získaných horkou fúzí a jejich rozpadových řad přesvědčí Unii pro čistou a užitnou chemii, aby uznala existenci i dalších produkovaných supertěžkých prvků, tedy těch s protonovým číslem 113, 115, 117 a 118. Všechny byly poprvé získány metodou horké fúze v laboratoři SÚJV Dubna. V této laboratoři se podařilo stejnou metodou získat řadu různých izotopů těchto prvků a existence většiny z nich byla potvrzena i v laboratořích GSI Darmstadt a LBNL v Berkeley. Jak už bylo zmíněno, prvek 113 byl navíc získán i studenou fúzí v japonské laboratoři RIKEN. To, že studená fúze zde dosahuje své limity, ukazuje i následující srovnání. Japoncům se v průběhu deseti let podařilo studenou fúzí získat pouhé čtyři atomy tohoto prvku. Ve stejném období se horkou fúzí podařilo v Dubně vyprodukovat více než sto atomů těžších izotopů stejného prvku.

Celý komplex získaných poznatků přivedl zmiňovanou unii k závěru, že existence těchto čtyř prvků je plně prokázána. Uznání hned všech čtyř zbývajících prvků najednou bylo podle mého názoru do jisté míry politickým rozhodnutím. Pozorování řady rozpadů prvku 113 pomocí studené fúze, která končila u známých koncových jader, bylo sice v dané době průkaznější, ale přisouzení objevu tohoto prvku laboratoři RIKEN a ne spolupráci SÚJV Dubna a Livermoru není až tak nesporné. Na druhé straně jde o jediný objev supertěžkého prvku, který lze přisoudit Japonsku a Asii. Jestliže se tedy najednou u tří prvků ze čtyř přisoudí objev SÚJV Dubna s Livermorem a jeden laboratoři RIKEN, je větší šance, že to bude přijato s pochopení. Naznačuje to i tiskové prohlášení SÚJV Dubna, které sice vyjadřuje své námitky proti rozhodnutí ohledně prvku 113, ale velmi diplomatickým způsobem. V tomto prohlášení je i zajímavá informace, že návrh pro pojmenování prvku 115 bude moscovium podle Moskevské oblasti. Uznáním zmíněné čtveřice prvků se uzavřela sedmá perioda Mendělejevovy tabulky a příštím novým se začíná osmá.

Mapa v současnosti známých izotopů supertěžkých prvků a reakce, ve kterých se produkují v horké fúzi. Izotopy produkované ve studené fúzi jsou úplně nalevo. Napravo jsou vyznačena pravděpodobná magická čísla. Čím tmavší je pozadí, tím jsou stabilnější jádra v tomto místě. (Zdroj prezentace S. Dmitrieva na loňské konferenci ve Varně)

Jak postupovat ještě dále?

Horká fúze při využití vhodných transuranových terčů a projektilů může umožnit získat i transurany s vyšším počtem protonů. Vzhledem k tomu, že prvky se sudým počtem protonů jsou stabilnější, je nyní na řadě prvek 120. Krokem k tomu, aby se otestovaly potřebné metody, je i produkce dalších izotopů prvku 118. Ten byl zatím produkován pouze v reakci vápníku s protonovým číslem 20 s kaliforniem (prvek 98) ⁴⁸Ca + ²⁴⁹Cf → ²⁹⁴118. V reakcích s využitím stejného nebo těžšího terče ²⁵¹Cf a výletem různého počtu neutronů můžeme v principu získat izotopy prvku 118 v rozmezí nukleonových čísel 293 až 297. Nové terče z kalifornia byly vyrobeny v laboratoři ORNL v Oak Ridge a byly dopraveny do Dubny.

Další izotopy lze získat reakcemi těžších velmi stabilních projektilů ⁵⁸Ti (Z=22), ⁵⁴Cr (Z=24), ⁵⁸Fe (Z=26) a ⁶⁴Ni(Z=28). V tomto případě by se využívaly lehčí transuranové terče a šlo by hlavně o přípravu cesty k prvkům s protonovým číslem větším než 118, kde už se bez těžších terčů těžko obejdeme. Získat vhodné terče z einsteinia (Z=99) či dokonce fermia (Z=100) bude totiž extrémně náročné. Pro přípravu prvku 120 se předpokládají reakce ⁵⁴Cr + ²⁴⁸Cm, ⁵⁸Fe + ²⁴⁴Pu a ⁶⁴Ni + ²³⁸U. Zatím se s nimi prováděly první testy.

Schéma budovaného zařízení SHE-factory v SÚJV Dubna (zdroj SÚJV Dubna).

Základní nutností je zvýšení kvality svazku i systému pro identifikaci jádra. Proto se v SÚJV Dubna staví nové zařízení SHE - factory (SuperHeavy Elements factory), tedy továrna na supertěžké prvky. To by mělo zlepšit podmínky pro jejich produkci a zkoumání jejich chemických a fyzikálních vlastností i struktury jejich jader. Urychlovač DC280 bude urychlovat širokou škálu i velmi těžkých iontů a jeho svazek bude mít intenzitu až 10¹⁴ iontů za sekundu.

Pro stále těžší prvky se však při využívání horké fúze budeme stále více vzdalovat od ostrova stability. Produkovaná jádra budou stále méně stabilní. Cestu k ostrovu stability musí zajistit jiná metoda jejich produkce. Mohlo by jít o srážku velmi těžkých jader, při které si vymění příslušný počet neutronů a protonů, například reakce ¹³⁶Xe+²⁰⁸Pb, ²³⁸U+²⁴⁸Cm. Problémem je, že pro tyto reakce existuje velké množství variant konečných produktů a vznik požadovaného supertěžkého izotopu prvku má jen extrémně malou pravděpodobnost. Zatím tedy není jasné, kdy a jak se podaří tuto metodu uplatnit. V každém případě bude potřeba mít velmi vysoké intenzity svazku a k tomu nám může posloužit právě i SHE – factory. I proto se zde budou urychlovat ionty xenonu 136 se zmíněnou intenzitou svazku. Další možností jsou pak extrémně intenzivní toky neutronů, ale ty jsou zatím dostupné pouze při výbuších supernov nebo jaderných bomb.

Pravděpodobná poloha a rozložení ostrova stability, kde by se v nejtmavší oblasti mohly vyskytovat izotopy s poločasem rozpadu až v řádu desítek let (zdroj GSI Darmstadt – TASCA)

Zkoumání vlastností supertěžkých jader?

Po vyřešení produkce supertěžkých prvků a jejich různých izotopů je důležité prozkoumat podrobně jejich vlastnosti. Nutné je zjištění poločasu rozpadu jednotlivých izotopů supertěžkých prvků a přesné určení energie alfa částic produkovaných v rozpadových řadách. Pomocí studia těchto fyzikálních parametrů se u supertěžkých jader podařilo identifikovat řadu izomerních stavů, kdy v rozpadu alfa vznikají jádra v excitovaném dlouho žijícím stavu. Pro studium struktury supertěžkých jader se využívají také polovodičové detektory gama. Umožňují zjistit energii záření gama emitovaného jádrem, které není po rozpadu alfa v základním stavu a má přebytek energie. Poznání struktury těchto jader nám umožňuje pochopit, jak za těchto extrémních podmínek funguje silná jaderná interakce a zlepšuje naše možnosti provádět extrapolace a předpovědi stability ještě těžších jader. Velice důležitým poznatkem, který se podařilo získat, je pozorování růstu poločasu rozpadu s růstem počtu neutronů a přibližováním k ostrovu stability pro izotopy jednotlivých supertěžkých prvků. Pozorovaný průběh změn stability v závislosti na změně počtu protonů a neutronů plně potvrdil existenci tohoto ostrova, i když jeho přesná poloha je stále záležitostí otevřenou. Zatím také nelze předpovědět, jaké na něm budou poločasy rozpadu různých izotopů.

Detekce fotonů pomocí polovodičových detektorů umožňuje také studovat rentgenovské záření, které vzniká v atomovém obalu a je charakteristické pro daný prvek. To pak pomáhá při identifikaci prvků, které v rozpadové řadě vznikají.

Poločasy rozpadu známých izotopů supertěžkých prvků. Na ose X je neutronové číslo a na ose Y pak protonové číslo. Poločas rozpadu je v sekundách a roste s přibližováním k ostrovu stability, který je v oblasti vyšších neutronových čísel.

Chemické vlastnosti supertěžkých prvků

Teď se dostáváme k velice zajímavé oblastí, kterou je studium chemických vlastností supertěžkých prvků. Je totiž otázkou, zda se periodické opakování chemických a fyzikálních vlastností prvků známé s předchozích period Mendělejevovy tabulky zachová i pro extrémně supertěžké prvky. Zda od jistého protonového čísla nedojde ke ztrátě její prediktivní síly. Pro stále těžší prvky totiž roste intenzita elektrického pole a tím i kinetická energie a rychlost elektronů v jejich atomových obalech. K tomu, abychom si udělali kvalitativní obrázek, stačí využít jednoduchý Bohrův model atomu s tím, že použijeme relativistický popis pohybu elektronů. Zjistíme, že kinetická energie elektronu na nejvnitřnější slupce atomu prvku 118 bude 0,97 % jeho klidové energie a bude mít tedy skoro dvakrát větší hmotnost než elektron v klidu. Poloměr jeho dráhy v Bohrově modelu je v tomto případě více než dvěstěkrát menší než je tomu u vodíku. Jeho rychlost pak bude už 86 % rychlosti světla. Problémy s popisem systému s velkým počtem silně relativistických elektronů nacházejících se v intenzivním elektrickém poli popsal už Pavel Brož v diskuzi pod minulým článkem.

Práce na zařízení TASCA, které zkoumá chemii supertěžkých prvků v GSI Darmstadt (zdroj GSI Darmstadt – G. Otto)

Pro odborníky jsou takové systémy velice zajímavé a pomocí počítačů si hrají se systémy s až 173 elektrony, kdy vazebná energie dosahuje hodnoty až dvojnásobku klidové energie elektronů. Relativistické jsou hlavně elektrony na vnitřních slupkách a chemické vlastnosti ovlivňují hlavně valenční elektrony ve vnější nezaplněné slupce. Relativistická vazebná energie u prvku 112 je i pro nejvzdálenější slupku 7s dvojnásobná oproti nerelativistické. A tato slupka, která je středově symetrická, je komprimovaná o čtvrtinu. Rozdělení pravděpodobnosti výskytu elektronů ve slupkách p, d a f je význačně asymetrické a zasahuje i do značné blízkosti jádra. Tyto slupky jsou pak díky stínění náboje jádra komprimovanou slupkou s expandovány do větší vzdálenosti od jádra a může se tak měnit i pořadí slupek, valenčních elektronů a tedy i chemických vlastností. Roste také tzv. spin-orbitální interakce, která také může pořadí a strukturu slupek změnit. Je tak možné, že chemické vlastnosti prvků v osmé periodě se už nebudou opakovat jako v předchozích periodách. Zajímavou otázkou je také, jaký nejtěžší prvek může existovat. Z hlediska stability jader je hranicí poločas rozpadu v řádu 10^-14 s. V kratší době se už nestihne konstituovat elektronový obal atomu kolem jádra. Pokud tedy neexistuje pro daný prvek izotop s delší dobou života, než je zmíněna, tak už daný prvek nemůže existovat. Jestli je nějaká limita z pohledu maximálního počtu elektronů, zatím není známo.

Zařízení GARIS (Gas-filled Recoil Ion Separator) pomocí magnetů separuje získaná složená supertěžká jádra. Pomocí něj bylo možné získat jádra seaborgia a studovat molekuly hexakarbonylu seaborgia (zdroj RIKEN)

Pro studium chemických vlastností supertěžkých prvků je třeba využívat metody, které vystačí s extrémně malým počtem atomů. Často je třeba pracovat s jednotlivými atomy. Zatím nejpoužívanější metodou je zkoumání těkavosti látky pomocí úzkého stále chladnějšího tenkého kanálku. Vzniklý supertěžký atom, který se případně stane sloučeninou, se proudem heliového plynu foukne do tenké kapiláry. Ta má na začátku pokojovou teplotu, která se postupně po její délce snižuje až na hodnoty více než dvě stě stupňů pod nulou. Zjišťuje se, při jaké teplotě, tedy v jaké vzdálenosti od začátku kapilárky, se atom či sloučenina adsorbuje na stěně. Kapilárka je obklopena detektory částic alfa, které umožňují zjistit, kde byl atom nebo sloučenina na stěně zachyceny a také o jaké supertěžké jádro šlo. Takovým způsobem se například prokázalo, že hassium v sedmé periodě má stejné chemické vlastnosti jako osmium, které je v šesté periodě nad ním ve stejné skupině. A tedy, že může vzniknout oxid hassičelý. Ten má velmi vysokou těkavost a proto se na stěnách kapilárky usazuje až při velmi nízkých teplotách. Podrobněji je zkoumání oxidu hassičelého popsánu zde.

Výsledky studia chemických a fyzikálních vlastností kopernicia a jejich srovnání s vlastnostmi prvků ve stejné skupině přechodových kovů (zdroj přednáška S. Dmitrieva na konferenci Varna 2015)

Podobným způsobem se zjišťovalo také, jestli je kopernicium (Z=112) přechodový kov s vlastnostmi podobnými rtuti, tedy patří k platinovým kovům, nebo přechází spíše k vlastnostem vzácných plynů. Ukázalo se, že i v této periodě zůstávají zachovány trendy, které lze pozorovat u prvků (zinek, kadmium a rtuť) ve stejné skupině nad ním v Mendělejevově tabulce. Pokračuje tendence ve snižování teploty tání a měrné sublimační entalpie. Zatím nejtěžší prvek, který se chemicky zkoumal je flerovium (Z=114). Nejtěžší prvky, které se zkoumaly v kapalném stavu, jsou ruthefordium, dubnium a seaborgium (Z=106). Nejtěžší prvek, který se zkoumal ve sloučenině, je už zmíněné hassium. Velice zajímavá sloučenina, kterou se podařilo připravit je hexakarnobyl seaborgia Sg(CO)₆. Velmi intenzivně se chemií supertěžkých prvků věnuje zařízení TASCA v GSI Darmstadt a lze předpokládat, že velký skok nastane po spuštění SHE-factory v SÚJV Dubna.

V GSI Darmstadt se vyprodukovalo osmnáct molekul hexakarbonyl seaborgia (zdroj Alexander Yakushev (GSI) / Christoph E. Düllmann)

V obou těchto zařízeních by se měla využívat i další metoda. Tou je laserová spektroskopie, při které se využívá excitace stavů v atomovém obalu. Přechody mezi těmito stavy pak můžeme identifikovat pomocí jejich excitace laserem a deexcitace. V tomto případě opět pracujeme s jednotlivými atomy či molekulami. Výhodou je, že zároveň lze atomy identifikovat i v případě, kdy nezaznamenáme rozpad alfa. To je důležité hlavně u dlouhodobých izotopů blízkých ostrovu stability. Rozvoj laserové spektrometrie v oblasti supertěžkých prvků je tak velmi důležité.

Závěr – proč se tato studia dělají?

Je vidět, že se v oblasti supertěžkých prvků podařilo díky několika špičkovým laboratořím v posledních desetiletích dosáhnout obrovského pokroku. Je možné zmínit, že na pracích v laboratoři SÚJV Dubna a v GSI Darmstadt se podíleli i naši vědci a studenti. Podařilo se dokončit sedmou periodu a daří se studovat chemii téměř i u těch nejtěžších prvků. Je jasné, jak se dostat k prvním prvkům osmé periody. Jak se však dostat k těm těžším a hlavně jak dosáhnout ostrova stability je otázka zatím úplně otevřená. Není jasné, jak dosáhnout intenzit a podmínek, které by umožnily při reakcích těžkých jader s výměnou nukleonů získat konkrétní supertěžká jádra i při velmi nízkých pravděpodobnostech daných reakcí.

Pokud se nám nepodaří získat supertěžké prvky v laboratoři, budeme si muset pro ně zaletět k nejbližší supernově. (Kredit: Star Trek – Horizon - Trailer)

Jinou možností je prozkoumání materiálu vyvrženého v průběhu výbuchu supernovy. Musí to být dostatečně brzo, aby se supertěžké prvky nestihly rozpadnout. Proto by se musel použít velmi odolný hvězdolet. A finanční prostředky na takový projekt nám alespoň v současné době těžko nějaká grantová agentura poskytne. Takže nejspíše opravdu zůstává ta zmíněná cesta přes laboratoř na Zemi.

Hlavním účelem produkce a zkoumání supertěžkých prvků je poznání vlastností jaderných sil a struktury jader. Dalším pak bylo poznání chování elektronového obalu složeného z relativistických elektronů. Pokud se však ukáže, že izotopy na ostrově stability mají dlouhé poločasy rozpadu a bude možné je vyrábět v dostatečném množství, tak se v principu mohou vyskytnout i možnosti jejich praktického využití.