Exotická ... chemie

V souvislosti s temnou hmotou a temnou energií se často mluví o “nové” nebo exotické fyzice, kterou budou vědci potřebovat, aby objasnili jejich podstatu. Málokdo ale ví, že existuje také exotická chemie. (délka blogu 5 min.)

Ta ovšem nemá nic společného ani s jedním ze zmiňovaných jevů. Týká se látky, ze které se skládá běžná hmota a všechny (nám už známé) chemické prvky. 

Chemické prvky se liší jeden od druhého svými chemickými vlastnostmi. A ty určuje hlavně jejich stavba - přesněji počet elektronů a jejich rozmístění v obálce atomu. 

Jsou to právě elektrony, které se účastní interakce s jinými prvky. Na jejich počtu a chování tedy záleží chemické vlastnosti prvků. 

Aby byla celá věc ještě trochu komplikovanější, má téměř každý prvek blízkého příbuzného. Ten má sice úplně stejné chemické vlastnosti (disponuje stejnými elektrony) ale také různé složení jádra a tedy trochu odlišnou hmotnost. Těmto blízkým příbuzným se říká izotopy. 

Všechny chemické prvky včetně všech jejich izotopů jsou zaneseny do tzv. nuklidové mapy, viz dolní obrázek. 

Zdaleka ne všechny nuklidy jsou stabilní. 

Těch stabilních je dokonce jen minimum, jak je vidět z horního obrázku. Jsou tu označeny černou barvou. 

Žlutě jsou zaneseny nuklidy, rozpadající se alfa rozpadem (uvolňující jádro helia a rozpadající se na menší zbytky původního jádra), beta rozpady jsou růžové a modré (beta plus - růžový a beta minus - modrý). Nuklidy, které spontánně emitují protony jsou oranžové a ty, které se rozpadají za vzniku neutronů fialové. Zelené podléhají spontánní fuzi. 

Vědci znají mnoho různých izotopů už delší dobu. Pomocí nových teoretických metod se  nyní ale podařilo předpovědět vlastnosti téměř několika set dalších různých nuklidů - včetně kontroly toho, zda mohou vůbec existovat. 

Čím se liší nestabilní a stabilní atomová jádra?

V případě stabilních atomových jader je počet protonů k neutronům v jejich jádře zhruba stejný. Pokud se v jádře nacházejí nadbytečné protony nebo neutrony, stává se jádro nestabilní. 

Protože vědci vědí, jaké zákony v jádrech prvků působí, dají se jejich vlastnosti vypočítat. To je ovšem velice pracné, jakmile se do hry vloží opravdu hodně protonů a neutronů. 

Ještě před deseti lety byly takové výpočty možné pouze pro nejlehčí prvky. Od té doby ale pokročila jak věda tak technika mílovými kroky. 

Dnes se dá popsat silná interakce, která funguje mezi protony a neutrony, mnohem lépe než dříve. A nejen to, výpočty jsou dnes rychlejší díky výkonným počítačům. A tak se dnes dá spočítat stabilita atomového jádra, složeného dokonce i z několika desítek protonů a neutronů. 

K čemu je to dobré?

V přírodě se samozřejmě takové exotické izotopy s tak vysokým podílem protonů nebo neutronů prakticky nevyskytují. Je také těžké je vyrobit uměle, například přímým záchytem neutronů v laboratorních podmínkách. Dají se ale vytvořit jen bombardováním těžkých jader s mnoha neutrony vysoce energetickými částicemi - což umí vědci provést v moderních urychlovačích.

Porovnáním výpočtů a praktických dat se ukázalo, že alespoń co se týká prvků lehčích než železo, je přesnost metody vynikající. 

Vědci se chtějí samozřejmě věnovat i prvkům těžším než železo. Zajímavé to bude například kvůli pochopení jevů, které se odehrávají v exotických neutronových hvězdách nebo při výbuchu supernovy. Všude tam, je dostatek neutronů a nuklidy tak mohou vznikat daleko rychleji než se stihnou rozpadnout. 

Čekají nás nejspíše další zajímavé objevy. Zpřesní se například naše znalosti o neutronových hvězdách a chování hmoty za extrémních podmínek.