Periodická tabulka prvků obsahuje 94 prvků vyskytujících se v přírodě (poslední dva v minimálním množství) a 24 prvků vyrobených uměle v částicových laboratořích. Jednotlivé prvky se od sebe liší počtem protonů obsažených v jádře. Atomy jsou elektricky neutrální objekty – obsahují stejný počet protonů v jádře jako elektronů v elektronovém obalu. Přestože se protony přímo neuplatňují v chemických vazbách, tak jejich počet v jádře určuje chemické vlastnosti prvku. Výzkumem supertěžkých prvků se zabývají vědci v laboratoři JINR v Dubně v Rusku. Zde byly objeveny prvky s protonovými čísly 113 až 116 a 118. Díky experimentům prováděným v minulém roce v JINR se podařilo rusko-americkému týmu vědců připravit chybějící prvek s protonovým číslem 117 a pracovním názvem ununseptium.
|
JINR – Joint Institute for Nuclear Research, mezinárodní částicová laboratoř v Dubně v Rusku založená v roce 1956. Mezi 18 členských zemí patří také Česká republika. Laboratoř vlastní několik urychlovačů – Nuklotron, cyklotrony U-400 a U-400M, fázotron a také jaderný reaktor IBR-2 pro produkci neutronových pulzů. Mezi nejvýznamnější objevy patří identifikace prvků s protonovými čísly 113 až 118. Protonové číslo Z – udává počet protonů v atomovém jádře prvku. Nukleonové číslo A – udává počet nukleonů (neutronů a protonů) v atomovém jádře prvku. Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Cyklotron – slouží k urychlování nabitých částic, které jsou vedeny na kruhové dráze pomocí magnetického pole. Vlastní urychlování probíhá vysokofrekvenčním elektrickým polem v mezeře mezi elektrodami (duanty). Opakovaným průchodem dochází k urychlování. Prvního předchůdce cyklotronu postavil roku 1929 až 1931 americký fyzik Ernest Lawrence z University of California. |
Atomové jádro
Atomové jádro je vázaným stavem protonů a neutronů , které drží pohromadě zbytková silná interakce. Pro detailnější představu lze využít analogie mezi atomem a jádrem (elektromagnetickou a silnou interakcí). Atom se z „velké“ vzdálenosti jeví elektricky neutrální. Pokud se ale podíváme „zblízka“, zjistíme, že elektrické pole v malé vzdálenosti od atomu nemusí být nulové, a to díky rozdílu v poloze elektronů a jádra. Tímto způsobem může elektricky neutrální atom navázat jiný atom (jedná se o Van der Waalsovy síly). Podobným způsobem drží pohromadě atomové jádro. Silná interakce pevně váže kvarky , nositele barevného náboje, uvnitř „bezbarvých“ protonů a neutronů. Díky nebodové struktuře nukleonů vzniká zbytková síla, která přemůže elektrické odpuzování protonů uvnitř jádra. Ve zmíněné analogii lze zajít ještě dále – jádro je možné (podobně jako atom) excitovat. Při deexcitaci dochází k emisi gama záření (o energii typicky několik MeV), zatímco při deexcitaci atomu je energie záření o několik řádů nižší. Díky elektrickému odpuzování protonů není možná existence jádra s libovolným počtem protonů. Těžší jádra jsou nestabilní a rozpadají se. Existují však mimořádně stabilní jádra, kde počet protonů a neutronů je 2, 8, 20, 28, 50, 82 nebo 126. Tato čísla se nazývají magická čísla , která souvisí s obsazováním energetických hladin nukleony uvnitř jádra. Tyto hladiny jsou organizovány do takzvaných slupek. Každá slupka obsahuje několik blízkých energetických hladin. Jádro je nejstabilnější, pokud jsou slupky plně obsazeny nukleony. Teoreticky očekávaným, ale zatím experimentálně neověřeným pokračováním řady magických čísel je číslo 184. Jádra s počtem neutronů blízkým tomuto číslu by byla výjimečně stabilní, poločasy rozpadu by mohly dosáhnout několika minut, možná i milionů let. Souboru stabilních jader s počtem neutronů blízkým 184 se říká ostrov stability.
Závislost stability jader na počtu protonů a neutronů. V pravé části obrázku
je patrný ostrov stability. Zdroj: Wikipedia.
Objev nového prvku
Týmu vědců v laboratoři JINR se podařilo připravit doposud nepozorovaný prvek s protonovým číslem 117, a to hned dva jeho izotopy s nukleonovými čísly 293 a 294. Nový prvek vznikl jadernou syntézou při ostřelování terčíku z berkelia 249Bk jádry vápníku 48Ca. Berkelium bylo připraveno v Oak Ridge National Laboratory v americkém státě Tennessee. Za 250 dní ozařování americia a kalifornia silnými dávkami neutronů z jaderného reaktoru vědci získali pouhých 22,2 mg berkelia. Tento materiál byl nanesen ve formě oxidu na velmi tenkou titanovou fólii. Terčík se otáčel s frekvencí 1 600 otáček za minutu v rovině kolmé na svazek jader vápníku 48Ca urychlených na energie 247 a 252 MeV. Vápník 48Ca je bohatý na neutrony a současně velmi stabilní, protože počet protonů (20) i počet neutronů (28) odpovídá magickým číslům, což z něho dělá ideální projektil pro výrobu těžkých jader. Terčík byl takto ozařován přibližně 150 dní. Za tuto dobu bylo pozorováno pět izotopů 293Uus a jeden izotop 294Uus.
Pohled na cyklotron U-400, který urychloval jádra vápníku 48Ca. Hlavní součástí
cyklotronu je mohutný magnet o průměru 4 m a indukci 2,1 T. Zdroj: JINR
Přítomnost nového prvku se prokázala zkoumáním srážkových produktů. Celý experiment proběhl na zařízení DGFRS (Dubna Gass Filled Recoil Separator), kam se přiváděl svazek urychlených jader 48Ca z cyklotronu U-400. Následkem srážek těchto částic s terčíkem vznikala celá řada těžkých jader. Těžká jádra byla separována v magnetickém poli, úhel zakřivení jejich dráhy byl mnohem menší než v případě 48Ca. Těžká jádra byla pak dále vedena k detektorům, kde se přesně změřil čas průletu částice a dále ke křemíkovým detektorům, kde se jádra díky své enormní hmotnosti pohltila a změřila se tak jejich poloha s přesností 1,2 mm. Jádro uvězněné v detektoru časem projde sérií rozpadů. Vědci pozorovali rozpadové řady odpovídající dvěma izotopům nového prvku s protonovým číslem 117. Tato jádra se rozpadají emitováním alfa částic (alfa rozpad ). Při každém rozpadu jádro ztratí dva protony a dva neutrony – tedy alfa částici o charakteristické energii pro dané jádro. Měřením energie alfa částic byly zjištěny rozpadové řady odpovídající novému prvku.
Rozpadové řady dvou izotopů Uus. Jádra se rozpadají alfa rozpadem. Modré hodnoty odpovídají teoreticky předpovězeným energiím alfa částic a poločasům rozpadu, zatímco černé hodnoty odpovídají naměřeným údajům. Zdroj: Physical Review Letters
Izotopy prvků 111, 113, 115, 117 vykazují neobvyklý růst poločasu rozpadu s rostoucím počtem neutronů v jádře. Zdá se tedy, že se tato jádra nacházejí na dohled ostrova stability.
Závěr
Budoucí výzkum supertěžkých jader bude směřovat k prokázání existence ostrova stability. Těžké prvky s dlouhým poločasem rozpadu umožní zkoumání jejich chemických vlastností, mohou se také stát novými zdroji záření používanými nejen v experimentální jaderné fyzice. Pokud jádra z oblasti ostrova stability mají extrémně dlouhý poločas rozpadu (miliony let) bude skutečnou výzvou prokázat existenci takových prvků v přírodě. Jádra s dlouhým poločasem rozpadu bude možné využít ke zpřesnění současných metod datace. Přítomnost stabilních supertěžkých jader v přírodě by také mohla mnohé napovědět o historii hmoty, ze které je složena Země.
Zdroje:
2. E. Cartlidge: New Element 117 discovered, Physicsworld
3. Wikipedia: Island of stability
5. Filip Křížek: Honba za supertěžkými prvky; AB 44/2004
