Jak bude vypadat skutečně nejtěžší chemický prvek vesmíru?

Třetí díl seriálu o výrobě nových těžkých chemických prvků, kterými vědci rozšiřují mendělejevovu periodickou soustavu. (délka blogu 5 min.)

Problém supertěžkých atomových jader

Dnešní fyzika má v rukou mocné zbraně. Existují teorie a simulace, s jejichž pomocí se dnes dají vlastnosti prvků periodické tabulky více či méně jednoduše vypočítat. 

U lehčích prvků je takový výpočet poměrně jednoduchý, u těch těžkých a supertěžkých ovšem začíná mít vliv teorie relativity a s ní spojené relativistické jevy, což celou věc značně komplikuje. Jsou to právě podobné vlivy, kterým vděčíme na tekutost rtuti (která by měla být teoreticky pevným kovem) nebo specifickou zlatou barvu zlata. 

V jádrech atomů se koncentrují na poměrně malém prostoru protony a neutrony. Není to zase až tak samozřejmé, protony jsou totiž kladně nabité částice a kvůli elektromagnetismu se musí navzájem odpuzovat. Za to, že jádra prvků vůbec mohou existovat, může silná jaderná síla, která je drží pohromadě navzdory vzájemnému odpuzování. Svou roli tu hrají také neutrony, které fungují jako nárazníky nebo lepidlo mezi jednotlivými protony. 

Tak to ovšem samozřejmě nemůže fungovat do nekonečna. U velice těžkých prvků se může stát, že je odpudivá síla tak velká, že se jádro stává nestabilní  - a nezachrání to ani větší množství neutronů. 

Rozpad

Jádra těžkých prvků se rozpadají dvěma různými způsoby. Při jednom z nich se z těžkého jádra oddělí  jádro helia (alfa-záření) a samo těžké jádro pak “poskočí” v tabulce chemických prvků o dvě místa směrem k lehčím prvkům. 

Má ovšem ještě druhou možnost. Může se spontánně rozdělit na dva podobně těžké fragmenty. Tím vzniknou dva daleko lehčí chemické prvky. 

Čím těžší je původní (rozpadající se) prvek, tím kratší doba života ho čeká. Nejstabilnější izotop plutonia má například poločas rozpadu 80 milionů roků, u následujících prvků je to už jen pouhých několik tisíc let. Einsteinium s atomovým číslem 99 má poločas rozpadu více než jeden rok a u fermia (prvek č. 100) se poločas rozpadu měří už jen v sekundách a milisekundách. Supertěžké prvky se proto rozpadají tak rychle, že některé z nich lze detekovat pouze nepřímo díky rozpadu jejich dceřiných produktů - viz objev oganessonu. 

Hranice, za kterou nelze jít

Na hranice platné fyziky tu narazí prvek, který se rozpadá tak rychle, že se jeho jádro po vzniku už ani nestihne spojit s potřebným množstvím elektronů - nevytvoří tedy skutečnou atomovou strukturu. 

Chemické prvky na to mají jen přibližně za 10^-14 s. Pokud tedy těžké jádro existuje kratší dobu, atom s elektronovým obalem se z něj fyzikálně ani vytvořit nemůže. V takovém případě nemá smysl mluvit o chemickém prvku. Jsou to totiž právě elektrony, kdo způsobují svou existencí a chováním chemické vlastnosti. 

Ani to ale není ještě všechno. Další omezení vyplývá z výše zmiňovaných relativistických efektů. 

Einsteinův limit

Pokud přirovnáme elektrony, obíhající kolem jádra, k planetám a měsícům, je problém zjevný. Čím blíže se nacházejí a čím těžší je hmotné centrum (zde jádro atomu), tím rychleji se musí pohybovat, aby zůstaly na stabilní dráze. I když je u elektronů situace poněkud komplikovanější, dá se na takovém příkladu jednoduše ukázat, že hmotnost jádra se nedá stupňovat donekonečna. Elektrony totiž nesmí překročit známý fyzikální limit - rychlost světla. 

A té se některé z elektronů skutečně blíží - například v atomu zlata mají některé z nich poloviční rychlost světla. 

Velice rychlé elektrony v supertěžkých chemických prvcích tak pociťují to, čemu vědci říkají relativistické efekty. Patří mezi ně například ztěžknutí elektronů. Výsledkem jsou pak orbitaly (místa výskytu elektronů), které mají jiný tvar než by teoreticky měly mít. 

Odlišnosti pak způsobují různé “divoké” vlastnosti daných chemických prvků - u zlata je to například jeho zvláštní barva. 

Tohoto limitu - vědci mu říkají einsteinův - by měly z principu věci dosáhnout chemické prvky č. 170 - 172, tedy ty, které by měly v jádru 170 nebo možná 172 protonů. 

Jejich elektrony nebudou moci vyvinout dostatečnou rychlost, aby se udržely na “oběžné dráze” kolem atomového jádra - potřebovaly by na to totiž nadsvětelnou rychlost. 

Logicky pak musí takový atom zkolabovat, když se některé jádru blízké elektrony do jádra zřítí, místo aby ho obíhaly.

Interakcí elektronu s protonem v jádře vznikne neutron. Tím se logicky sníží počet protonů a chemický prvek “poskočí” v mendělejevově tabulce směrem dolů k lehčím prvkům. Nově vzniklý neutron pak navíc může hrát roli lepidla a pozměněné jádro se díky němu stabilizuje. Takovýmto způsobem by se fyzika mohla postarat o skutečnou a neoddiskutovatelnou hranici periodické tabulky chemických prvků… 

Příště: Nejtěžší známý chemický prvek - proč má jiné vlastnosti než ostatní prvky?