Jak se připravují a studují supertěžké prvky
Vladimír Wagner (o autorovi)
Nedávno se japonským fyzikům podařilo vytvořit další jádro supertěžkého prvku s atomovým číslem 113. Tentokrát se rozpadlo takovým způsobem, že jeho identifikace by měla být bezesporná a dostatečná pro jeho uznání. Tento prvek tak byl připraven dvěma různými způsoby, ve kterých vznikají velmi odlišné jeho izotopy. Jde o další významný krok k prozkoumání těch nejtěžších jader, a také velmi dobrá příležitost se podívat, kam se podařilo pokročit a jak by se v této oblasti mohlo postupovat dále.
Výzkum transuranových prvků začal v roce 1940 objevem neptunia a dnes už probíhá více než osmdesát let. Za tu dobu se podařilo uměle vyprodukovat značný počet prvků za uranem a ty nyní tvoří téměř čtvrtinu Mendělejevovy periodické tabulky prvků. Jádra nejtěžších prvků jsou na hranici odolnosti proti coulombovskému odpuzování elektricky nabitých protonů a vděčí za svou existenci zvětšené stabilitě způsobené slupkovými efekty. Tedy tím, že existují přesně dané počty neutronů a protonů, pro které je vyšší vazebná energie a stabilita jádra. Takové počty protonů či neutronů jsou označovány jako magická čísla. Supertěžké prvky jsou tak ideálním prostředkem pro studium tohoto jevu. Další důležitým důsledkem vlastností silné jaderné interakce je, že se nukleony v jádře párují a jádra prvků se sudým počtem protonů, u kterých jsou všechny protony spárovány do dvojic, jsou mnohem stabilnější než jádra prvků s lichým počtem protonů, kde jeden proton přebývá. Proto je produkce prvků se sudým počtem protonů většinou mnohem snazší. V dnešní době je stále otevřená otázka, jaké je právě u těchto supertěžkých prvků následující protonové magické číslo. Dlouho se myslelo, že je 114, ale v současné době se zdá, že bude i vyšší, uvažuje se o počtu protonů 120 nebo 126. Také o přesné hodnotě následujícího neutronového magického čísla panují značné nejistoty.
Velkou neznámou je tak přesná poloha ostrova stability supertěžkých prvků na mapě, jejímiž souřadnicemi jsou počet protonů a počet neutronů. Supertěžká jádra, která se nacházejíí na tomto ostrově, by měla mít dobu života mnohonásobně ( i řádově ) větší, než je doba života jader v jeho okolí. Experimentálně už kontury tohoto ostrova, spíše jen začátky jeho pobřežních mělčin, pozorujeme v nárůstu dob života různých izotopů supertěžkých prvků, které se podařilo vyprodukovat. Z nich však nedokážeme zatím ani odhadnout jeho velikost a hlavně do jakých výšin se bude nakonec vypínat. To znamená, že nelze ani vyloučit, že doba života jeho nejstabilnějších jader bude natolik dlouhá, aby někdy, i když spíše ve velmi vzdálené budoucnosti, našly i praktické využití.
Stejně tak jsou zatím velkou neznámou i chemické vlastnosti těch nejtěžších prvků. Začínají se tam s růstem kinetické energie valenčních elektronů velmi intenzivně projevovat relativistické vlivy. Chemické vlastnosti nově produkovaných supertěžkých prvků se tak mohou značně lišit od svých homologů, které jsou nad nimi v daném sloupci Mendělejevovi tabulky. Jako příklad může sloužit třeba prvek s protonovým číslem 114, který by, na rozdíl od olova, které se nachází nad ním, mohl být za normálních podmínek spíše plynem. I to je důvodem, proč je produkce stále těžších prvků velmi zajímavým oborem, který by mohl přinést nové poznatky jak pro jadernou fyziku, tak pro chemii.
Velmi důležitou vlastností supertěžkých prvků je, že se dominantně rozpadají rozpadem alfa s vyzářením jádra helia 4 a samovolným štěpením. Nově vzniklé supertěžké jádro se tak rozpadá sekvencí alfa rozpadů, které končí u jádra se samovolným štěpením nebo až u nějakého relativně stabilního jádra.
Jak supertěžká jádra produkovat?
Existují dvě metody jak produkovat transuranové prvky. Jednou možností je záchyt jednoho nebo více neutronů a následný rozpad beta, který neutron uvnitř jádra přemění na protony. Pro její využití je potřeba mít velmi intenzivní zdroj neutronů. A tím jsou hlavně reaktory. Ty se také využívají pro produkci těch lehčích transuranů. Druhou možností je reakce lehčího nebo těžšího jádra urychleného na urychlovači na dostatečnou kinetickou energii, aby překonalo barieru vytvářenou intenzivním elektrickým polem těžkého jádra v terči ostřelovaném urychlovanými lehkými jádry a vytvořilo s ním složené supertěžké jádro. A tato druhá metoda je ta, která se v současnosti využívá pro získávání těch nejtěžších jader. Jako terče se v řadě případů využívají právě lehké transurany produkované v reaktorech.
Historie objevu a způsob produkce prvních transuranů je popsána podrobněji v článku pro server Osel. Zde se soustředíme hlavně na současnou produkci těch nejtěžších transuranových jader. V tomto případě je třeba využívat srážky urychlených těžkých iontů. Využívají se reakce, při kterých urychlené jádro svazku a jádro terče splynou do složeného jádra. Pravděpodobnost vytvoření získání supertěžkého jádra je v tomto případě dána pravděpodobností vytvoření složeného jádra a tím, že se vzniklé jádro dokáže zbavit přebytečné energie vyzářením fotonů gama nebo případně jednoho nebo několika neutronů a nedojde k jeho rozpadu či rozštěpení. Reakcemi se vznikem složeného jádra nelze připravit jádra s vyšším přebytkem neutronů, než je tomu u uranu. Čím těžší jádro, tím větší je přebytek neutronů potřebný pro jeho stabilitu. Složením lehčích jader tak nemůžeme získat takový přebytek neutronů v nově vzniklém jádře, který zaručí nejvyšší možnou stabilitu pro jádro daného supertěžkého prvku.
Supertěžká jádra bohatá na neutrony lze vytvořit při srážkách velmi těžkých jader, při kterých se přenese jen vhodná část protonů a hlavně dostatek neutronů z jednoho jádra na druhé. Vzniklé jádro se pak musí zbavit přebytečné energie. Pro hledání cesty, jak využít této metody k produkci těch nejtěžších supertěžkých jader s počtem neutronů odpovídajícím poloze předpokládaného ostrova stability se testují reakce 238U + 238U, 238U + 136Xe, 248Cm + 238U a řada dalších.
Studená a horká fúze
Dosavadní úspěchy jsou však spojeny s reakcemi spíše lehčích urychlených jader s terči z těžkých jader. Zde existují dva možné postupy: studená a horká fúze. Studená fúze využívá jako terč velmi stabilní jádro olova 208Pb nebo bismutu 209Bi. Složené jádro tak vzniká s daleko menším přebytkem energie, které se zbaví emisí většinou jen jednoho neutronu. Horká fúze je založena na ozařování velmi těžkých jader z transuranů relativně lehkými projektily. Terčové jádro je méně stabilní a má nižší vazebnou energii na nukleon. Vzniklé složené jádro tak má mnohem vyšší excitační energii.
Rozdíl mezi excitační energií v případě studené a horké fúze lze demonstrovat na produkci složeného jádra 262Sg. Jestliže použiji jako terčové jádro izotop olova 208Pb a projektil 54Cr, bude excitační energie 18 MeV. Aby se složené jádro zbavilo této energie, stačí mu vyzářit jeden neutron a několik fotonů gama. Pokud se však jako terč použije izotop curia 242Cm a jako projektil 20Ne, bude excitační energie 45 MeV, tedy téměř třikrát větší než v případě studené fúze. V tomto případě se vyzáří čtyři neutrony a fotony gama. Je dobré připomenout, že vazebná energie na jeden nukleon je pro tak těžká jádra zhruba 7 MeV
Jak bylo zmíněno, supertěžké jádro se rozpadá sekvencí několika rozpadů alfa. Nová supertěžká jádra vzniklá při studené fúzi mají takový poměr protonů a neutronů, že po sekvenci rozpadů alfa končí u známých supertěžkých jader. V daném případě studené fúze končí tato řada u známých izotopů a lze její konec díky tomu spolehlivě identifikovat a určit tak přesně i vzniklé mateřské supertěžké jádro, u kterého rozpadová řada začala.
Úspěchy studené fúze
Návrh na využití studené fúze přinesl J. T. Oganessian z laboratoře FLNR (Flerov Laboratory of Nuclear Reactions) v SÚJV Dubna (Rusko) v šedesátých letech. Název této laboratoře připomíná dalšího známého ruského jaderného fyzika G. N. Flerova, který supertěžké prvky studoval. Podle něj je pojmenován i prvek s atomovým číslem 114. Do té doby byla využívána jen horká fúze, protože neexistovaly urychlovače schopné urychlovat dostatečně těžká jádra. V Dubně se také podařilo první úspěšné využití studené fúze – pomocí reakce 40Ar+208Pb se povedlo ve velkém produkovat jádra fermia s atomovým číslem 100. A to byl začátek cesty této metody za úspěšnou produkcí nových supertěžkých prvků. Její nutnou podmínkou byl rozvoj urychlovačů těžkých jader. Jak s rostoucím protonovým číslem nových prvků postupně klesala pravděpodobnost jejich vzniku, bylo nutné zvyšovat intenzita svazku využívaných urychlovačů. Ta v současnosti dosahuje řádově desítky mikroampérů, což reprezentuje 1013 částic za sekundu. To zároveň vede k nutnosti velmi efektivního odvodu tepla v používaných terčích z olova nebo bismutu. Za tímto účelem jsou vyvíjeny rotující terče. Jejich různé oblasti jsou ozařovány jen menší část celkové doby a stíhají se tak chladit.
Intenzivním úsilím už zmíněné laboratoře FLNR v SÚJV Dubna, laboratoře LBNL v Berkeley (USA) a hlavně GSI Darmstadt (SRN) se podařilo chladnou fúzí získat řadu izotopů prvků od protonového čísla 104 až po protonové číslo 112. Důležitý zlom proběhl v letech 1974 až 1975, kdy se právě v laboratoři FLNR v SÚJV Dubna podařilo pomocí ozařování terčů s různých izotopů olova (206, 207 a 208) svazkem iontů 50Ti produkovat nový izotop rutherfordia 256Rf, který má 104 protonů a 152 neutronů. Ten měl poločas rozpadu pouhých 5 ms, zhruba 100 000krát menší než se předpokládalo z vlastností do té doby studovaných supertěžkých jader. Naopak poločas rozpadu izotopu rutherfordia s počtem neutronů 156 se ukázal být také v oblasti milisekund a tedy milionkrát větší, než vycházela z extrapolace dřívějších dat. Tato jádra se dominantně rozpadají samovolným štěpením a důvodem pro tyto dramatické změny v době života byly změny vlastností potenciálové bariéry, kterou musí částice překonat.
Postupně se pak podařilo pomocí studené fúze vyprodukovat v SÚJV Dubna izotop dubnia 258Db s počtem protonů 105, izotop seaborgia 260Sg s počtem protonů 106 a bohria 261Bh s počtem protonů 107. Je třeba připomenout, že jiné izotopy těchto prvků byly získány a většinou i dříve pomocí horké fúze. Na těchto studiích se podílely laboratoře v Berkeley a Dubně. Zároveň je však bylo většinou potřeba potvrdit dalšími nezávislými experimenty, které proběhly například v laboratoři GSI Darmstadt. Značně problematické bylo chemické a radiochemické potvrzení vzniku příslušného prvku. I to bylo důvodem velmi těžkého rozhodování, které laboratoři přisoudit prvenství či dominanci v objevu zmíněných prvků a tím i čest mu dát jméno.
Pro přechod k ještě těžším prvkům bylo potřeba řešit problém velmi malé pravděpodobnosti jejich produkce a velmi krátké doby jejich života. Další postup tak byl v režii německé laboratoře GSI Darmstadt a to hlavně díky vybudování zařízení SHIP (Separator for Heavy-Ion reaction Products). Toto zařízení umožnilo velice efektivní separaci a zachycení nově vzniklých jader i jejich radiochemickou identifikaci. Ta byla založena na zachycení všech alfa částic, které vznikly v kaskádě rozpadů alfa, a určení jejich energie. Hlavní částí bylo zařízení, které fungovalo jako rychlostní filtr a umožnilo odseparovat přesně daná složená jádra vzniklá v reakci. Ta se po implantaci ve fólii rozpadala sekvencí alfa rozpadů. Místo, kde se jádra rozpadala, bylo obklopeno systémem polohově citlivých detektorů, které dokázaly zachytit všechny částice alfa vzniklé v kaskádě rozpadů. Vzhledem k tomu, že poslední rozpady končily u známých radioaktivních jader, bylo možné je identifikovat a díky zachycené řadě rozpadů alfa bylo možné identifikovat i mateřské supertěžké jádro. V tomto případě krátkodobost existence radioaktivních jader v řadě nebyla na škodu, právě naopak, protože se snižovalo riziko vzniku náhodné koincidence nesouvisejících rozpadů. Pro spolehlivou identifikaci stačí v tomto případě i jediné vyprodukované jádro. Náročné je nalezení nejvhodnější energie urychlených projektilových jader, při které je vznik složeného jádra nejpravděpodobnější.
A právě to způsobilo, že kromě potvrzování existence předchozích prvků se objevy prvků mezi protonovým číslem 108 až 112 staly doménou německých fyziků z laboratoře GSI Darmstadt pod vedením S. Hofmanna. Jednalo se o prvky hassium (Hs), meitnerium (Mt), darmstadtium (Ds), roentgenium (Rg) a kopernicium (Cn). Zařízení s podobnými vlastnostmi jako SHIP v laboratoři GSI Darmstadt začala pracovat i na dalších pracovištích a ta se zapojila do studia dalších izotopů už zmíněných supertěžkých prvků a pokusů produkovat i těžší prvky. Čtyři jádra izotopu s nukleonovým číslem 278 prvku s protonovým číslem 113 se podařilo vytvořit v japonské laboratoři RIKEN. Bohužel pozorovaná řada alfa rozpadů tohoto izotopu končila samovolným štěpením izotopu dubnia 262Db. Rozpady alfa nad ním nebyly dostatečně dobře známy, takže identifikace prvku 113 produkovaného pomocí chladné fúze nebyla bezrozporná. Proto je takovým úspěchem již zmíněné pozorování produkce a rozpadu tohoto prvku v srpnu 2012, kdy rozpadová řada nekončila dubniem 262Db, ale to se rozpadalo rozpadem alfa na 258Lr a to dalším rozpadem alfa na 254Md (více zde). Tyto rozpady jsou velmi dobře známy a identifikace prvku 113 je tak mimo jakoukoliv pochybnost. Je tak téměř jisté, že brzy bude rozhodnuto o definitivním uznání tohoto prvku. Trochu méně jisté je, kdo bude moci mu vybrat jméno. Jiný izotop prvku 113 už před Japonci vyprodukovali ruští fyzikové v laboratoři SÚJV Dubna pomocí horké fúze. Ovšem jejich rozpadové řady končily u neznámých jader.
Testovala se i možnost pomocí studené fúze produkovat prvky s atomovým číslem 116 a 118 v reakcích urychlených jader 82Se a 86Kr s jádrem 208Pb. Žádné z těchto jader se pozorovat nepodařilo. Povedlo se jen stanovit horní hranice na pravděpodobnost jejich produkce. Z extrapolace předchozích produkcí lehčích prvků plyne, že možnost jejich produkce bude možná jen po dost velkém zlepšení experimentálních podmínek. I když produkce prvku s atomovým číslem 114 v reakci 76Ge a 208Pb chladnou fúzí by mohla mít srovnatelnou pravděpodobnost s produkcí prvku 113. To je také první možný následující krok v cestě využívání chladné fúze.
Horká fúze a ještě těžší prvky
Jádra s daleko větším přebytkem neutronů, než je tomu u studené fúze, lze získat produkcí složených jader horkou fúzí. Při ní se svazkem urychlených jader 48Ca ostřelují velmi těžká jádra 226Ra, 233U, 238U, 237Np, 242Pu, 244Pu, 243Am, 245Cm, 248Cm, 249Bk (poločas rozpadu 330 dní) a 249Cf (poločas rozpadu 351 let) v terči, která nejsou tak stabilní jako velmi stabilní izotopy olova či bismutu. Jak už bylo zmíněno, složené jádro tak vzniká s velkým přebytkem energie, kterého se zbavuje vyzářením jednoho nebo více neutronů. Pro prvky těžší než 112 začínají být pravděpodobnosti vzniku při studené fúzi extrémně malé a pro jejich produkci se tak musíme obrátit k fúzi horké.
I v této oblasti je dominantní laboratoří opět FLNR v SÚJV Dubna. Zde se podařilo pomocí zmiňovaných reakcí získat prvky až po atomové číslo 118 a dokončit tak úplně sedmou periodu. Horkou fúzí se podařilo vyprodukovat celkově 47 nových izotopů. Pouze u jedenácti z nich dominoval rozpad pomocí samovolného štěpení a u tří byl rovnocenný vůči rozpadu alfa. Zbývající nová jádra se dominantně rozpadala alfa rozpadem. Většinou byla pro jádra se sudým počtem neutronů pravděpodobnost rozpadu samovolným štěpením a tím i řady jejich rozpadů alfa byly delší.
Produkce jader s atomovým číslem 112, 114 a 116 horkou fúzí byla potvrzena i v dalších laboratořích. U těchto jader bylo navíc možné pozorovat vznik a rozpad řady izotopů a jejich vlastnosti odpovídaly systematice navazující na známá a potvrzená jádra. To se projevilo i tím, že existence prvků 114 a 116 byla oficiálně vyhlášena a vědci s SÚJV Dubna jim mohli přidělit jméno (viz zde). Tak velké úspěchy, kterých se podařilo laboratoři FLNR v SÚJV Dubna dosáhnout by nebyly možné bez široké mezinárodní spolupráce. Například terče s relativně krátce žijících transuranů, které se použily, byly dodány z laboratoře LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) v Livermoru (USA). Oceněno to bylo i tím, že název prvku s atomovým číslem 116 je livermorium. Je třeba doplnit, že u některých izotopů byly pozorovány i různé izomery, tedy excitované stavy těchto jader s dlouhou dobou života.
Podrobná zkoumání vlastností pozorovaných jader, hlavně jejich poločasů a energií rozpadů potvrzuje existenci ostrova stability a přibližování k jeho hranicím. Umožňuje také upřesňovat modely, které strukturu supertěžkých jader předpovídají.
Parametry současných zařízení – intenzitu svazku urychlovače, efektivitu separace příslušných složených jader a další – lze vylepší až řádově. To by umožnilo produkovat místo jednotlivých atomů těch nejtěžších supertěžkých prvků i desítky či dokonce stovky. Kromě velmi přesného určování jejich hmotností, průběhu rozpadu i vybuzených stavů by se tak daly podrobně studovat i jejich chemické vlastnosti.
Jak na prvek s atomovým číslem 120 a pak dále
Není přesně známo, kde je následující uzavřená slupka a magické číslo u protonů, jestli 114, 120 a 126. Proto je důležitá produkce ještě těžších jader. V tomto případě má horká fúze značný potenciál ve využití těžších iontů než je 48Ca. Další postupným cílem je prvek s atomovým číslem 120, protože jádra se sudým počtem neutronů jsou mnohem stabilnější a mají daleko vyšší pravděpodobnosti produkce. Na jeho vytvoření si brousí zuby řada laboratoří, které jsme zde zmínili. A je třeba říci, že šance na jeho vytvoření, případně i na vytvoření těžších prvků, jsou nadějné.
Daleko větší výzvu představuje přesun k izotopům těchto prvků s větším počtem neutronů a tím i dosažení vytouženého ostrova stability. V tomto případě je možnou cestou reakce urychleného velmi těžkého jádra, například uranu, s velmi těžkým jádrem terče, třeba zase uranu, při které nevznikne složené jádro, ale přenese se jen odpovídající část protonů a neutronů mezi projektilem a terčem. Takové reakce už byly vyzkoušeny, ale možnost produkce supertěžkých prvků a hlavně pravděpodobnosti vhodných reakcí jsou zatím velice těžko odhadnutelné. Problémem bude také nalezení vhodných energií příslušného svazku, při kterých je pravděpodobnost vzniku daného supertěžkého jádra největší.
Chemická analýza
Nejtěžším prvkem, jehož chemické vlastnosti byly podrobně prozkoumány , je flerovium (Z=114). Má vysokou volatilitu (těkavost a vlastnosti má blízké inertním plynům). To je podstatný rozdíl oproti jeho homologu ve stejném sloupci Mendělejevovy tabulky nad ním, kterým je olovo. V tomto případě je však třeba studie potvrdit. Předpokládá se, že je to způsobeno relativistickými efekty, které vznikají tím, že valenční elektrony mají velmi vysokou kinetickou energii a rychlost se blíží rychlosti světla. Například u prvku s atomovým číslem 118 mají tyto elektrony skoro dvakrát větší hmotnost díky relativistickému nárůstu.
Studium chemických vlastností jednotlivých atomů je značná výzva. Jedním ze standardních postupů je stržení atomu nebo sloučeniny (oxidu) proudem helia do tenké trubičky, jejíž teplota postupně od jednoho jejího konce k druhému klesá a podle teploty, při které dojde k vymrznutí, lze určit těkavost. Takto se třeba zjistilo, že hassium vytváří oxid hassičelý, podobně jako jeho homology osmium a ruthenium (podrobný popis je zde). Právě až po hassium (Z=108) byly intenzivně studovány chemické vlastnosti všech prvků. Jediným dalším podrobněji studovaným prvkem pak je kopernicium a první studie se podařily u zmíněného flerovia.
Závěr
Jak je vidět, podařilo se při produkci, studiu a pochopení struktury supertěžkých jader dosáhnout v minulých třiceti letech značného pokroku. Zároveň je však řada idejí, které by pomohly produkovat jádra ještě těžší a blíže ostrovu stability. V řadě zmíněných laboratoří se dobudovala nová zařízení, v jiných, jako je třeba laboratoř FLNR v SÚJV Dubna, se plánuje či probíhá modernizace. I z těchto důvodů se dá očekávat významný pokrok i v letech následujících a je možné se těšit na řadu velmi zajímavých objevů.
24. 12. 2012, Řež
Psáno pro Atominfo.cz
