Jak se vyrobí nový chemický prvek?

V průběhu dvacátého století byla zaplněna poslední bílá místa na mapě chemických prvků. Když dnes chceme obdivovat nový prvek - musíme ho vyrobit uměle. První ze seriálu pěti blogů (délka 5 min).

Když v roce 1869 zveřejnil Dmitrij Ivanovič Mendělejev svůj periodický systém chemických prvků, vypadal ještě trochu jinak, než jej známe dnes. 

Chyběla v ní spousta prvků, které dnes považujeme za samozřejmé. 

Mendělejevova zásluha spočívá také v tom, že kdysi tyhle tehdy ještě neznámé prvky… předpověděl. 

Slavný vědec měl dokonce to štěstí, že byla ještě za jeho života teorie potvrzena. Byly totiž objeveny jím předvídané prvky scandium a germanium. Po jeho smrti pak následovalo rhenium - a nakonec se v roce 1937 povedlo syntetizovat poslední chybějící prvek, který se na zemi prakticky nevyskytuje. Dostal jméno technecium - na počest jeho umělé (technické) výroby. 

Transurany

Dlouhou dobu byl posledním (nejtěžším) prvkem tabulky uran s protonovým číslem 92. Vědci byli samozřejmě zvědaví, jestli mohou existovat ještě těžší prvky. Bylo by to bývalo jen logické. Jako první z transuranů bylo objeveno plutonium a neptunium. Stalo se tak v jaderné laboratoři Berkeley, v USA, při experimentech, ve kterých byl uran ostřelován neutrony. 

Do jádra nejběžnějšího izotopu uranu byl implantován neutron, vzniklo tak nestabilní jádro uranu s přebytkem neutronů. 

Poté v něm proběhla přeměna atomů uranu (s poločasem rozpadu několik desítek minut) na neptunium (pomocí beta rozpadu, kdy se jeden neutron rozpadá na elektron a proton, výsledné jádro má o proton víc a mění svůj chemický charakter - stává se jiným chemickým prvkem, zatímco elektron se vyzáří ve formě beta záření). 

Další proměna, kdy se opět jeden neutron změní na proton a elektron, potřebuje více času. Poločas rozpadu je zde přes dva dny. Vznikne pak atom plutonia. 

Američané ve výzkumu supertěžkých prvků samozřejmě pokračovali i po nálezu neptunia a plutonia. Vedoucí tamního výzkumného týmu, Glen Seaborg dostal v roce 1951 Nobelovu cenu za objev hned devíti transuranů: plutonia, americia, curia, berkelia, kalifornia, einsteinia, fermia, mendělevia, nobelia a seaborgia, které po něm dokonce pojmenovali. 

Mistrovským kouskem byl objev prvku, který byl později na počest Mendělejeva pojmenován mendělevium. Vyrobili ho ostřelováním einsteinia heliovými jádry. Problém spočíval v tom, že tehdejší zásoby einsteinia se pohybovaly v řádu (10)-12 gramu. To je množství, které byste neviděli nejen pouhým okem, ale ani pod běžným mikroskopem. 

Mendelevium bylo mimochodem posledním prvkem, k jehož výrobě se použily protony, neutrony nebo heliová jádra - tedy poměrně lehké “náboje”, kterými vědci ostřelovali terče z už existujících těžkých prvků. 

Na výrobu ještě těžších chemických prvků se tento mechanismus už nehodil. Bylo potřeba vymyslet jinou techniku výroby. Nejen že bylo nutné použít těžší jádra coby náboje (využila se pak jádra dusíku, kyslíku, apod.) ale hlavně také větší a silnější urychlovače. 

Už v roce 1957 byl uveden do provozu silný lineární urychlovač v Berkeley (dostal název HILAC - heavy ion linear accelerator). Na opačné straně zeměkoule ale vědci také nezaháleli. O tři roky později, v roce 1960 byl zprovozněn tzv. cyklotron U-300 v ruské Dubně. 

Obě laboratoře pak spolu dlouhé roky soupeřily i spolupracovaly - a zasloužily se o výrobu dalších těžších prvků. Nejtěžším z nich je prvek, který má v jádře 106 protonů, má tedy v tabulce 106. pozici.  

Přitom dostal prvek č. 105 (vyrobený v Dubně z americia a neonu na počest slavné laboratoře jméno dubnium a prvek č. 106 (vyrobený v Berkeley z kalifornia a kyslíkových atomů) saeborgium na počest výše zmiňovaného Glena Seaborga. 

Když se pak vědci chystali syntetizovat 107. a další prvky, objevily se před nimi nečekané problémy. Osvědčená metoda přestala pro tyto těžká jádra fungovat. Ukázalo se, že na vině byla fyzika a samotná podstata výroby supertěžkých atomů.

Horká fúze

Tyto první pokusy, které prováděli vědci v USA a SSSR v polovině dvacátého století, spočívaly v tom, že se proti terči z těžkého prvku vystřelí náboj lehčího jádra. Při některých z těchto zásahu se lehčí jádra spojí s těžkými - a vznikají ještě těžší prvky. 

Tak to funguje až do chvíle, kdy chcete syntetizovat prvek, který by byl těžší než seaborgium (prvek č. 106). Ještě těžší produkty horké fúze se totiž okamžitě rozpadají, takže není co detekovat. 

Poté, co narazilo jádro lehkého prvku (náboj) do jádra těžšího prvku v terči, totiž vzniká nejprve přechodná fáze, slitina obou jader, která je rozžhavená na miliardy stupňů (pokud tu vůbec můžeme mluvit o ekvivalentu teploty). Ta se pak s největší pravděpodobností rozpadne na dva kusy s podobnou hmotností - nevytvoří tedy supertěžký prvek. 

Aby se tak stalo, musela by jaderná slitina nejprve trošku “ochladnout” - tedy zbavit se části energie. To se děje v praxi vyzařováním hned několika neutronů za sebou. 

Je tedy logické, že je pro slitinu jader jednodušší se rozpadnout na dvě přibližně stejně hmotné části, než pomalu chladnout speciálním způsobem, aby se vytvořil kýžený supertěžký prvek. Pravděpodobnost vzniku supertěžkého jádra je při podobných experimentech jen zhruba 1: 100 000 až 1: 1 000 000. U velice těžkých jader (těžších než 106 protonů v jádře) to pak nefunguje vůbec. 

Vědci se tedy museli poohlédnout po jiné technologii výroby. Řešením problému bylo využití “magických” jader. 

Nejednalo se ani o magii ani temné síly - řešení nabídla sama fyzika. 

Pokračování v příštím (čtvrtečním) blogu: Magická jádra a jejich využití k výrobě nových chemických prvků.