K čemu se hodí … krypton?

Září, měří a … hodí se ke špionáži. Odkud se v našem vesmíru bere a na co se dá použít krypton? (délka blogu 7 min.)

Odkud vlastně pochází krypton?

Krypton, stejně jako ostatní prvky těžší než železo, vzniká tzv. „pomalou“ nebo „rychlou“ syntézou ve hvězdách, kterým říkáme rudí obři nebo při výbuších supernov. Jeden z izotopů vzniká fotodesintegrací selenu. Známo je šest stabilních, případně velice málo radioaktivních izotopů. Nejčetnější je Kr-84 (57 %), po něm následují Kr-86 (17,3 %), Kr-82 (11,6 %), Kr-83 (11,5 %), Kr-80 (0,23 %) a Kr-78 (0,03 %).

Rozklad zářením (tzv. gama-proces) probíhá podle rovnice 78Se + 2,85 MeV › 78Kr + 2ß­ a uvolňuje se při něm záření beta (elektrony). Tento izotop je také lehce radioaktivní, i když má enormně dlouhý poločas rozpadu, takže se jeho aktivita prakticky neprojevuje. Jeden kilogram Kryptonu má minimální aktivitu 2,6 mikro becquerelu, tedy 2,6 milióntin rozpadu za vteřinu. Pro srovnání – draslík, který obsahují živé organismy, a který má také jeden radioaktivní izotop, propůjčuje našim tělům průměrnou aktivitu 4000 rozpadů za vteřinu.

Izotop Kr-80 vzniká převážně pomalými procesy, tedy záchytem jednotlivých neutronů v jádrech atomů bromu. 79Br + n › 80Kr + ß­ + 9,90 MeV

Izotop Kr-82 je na tom podobně, na jeho vzniku se ale podílí jiný izotop bromu 81Br + n › 82Kr + ß­ + 10,69 MeV.

Izotop Kr-83 vzniká jak rychlými, tak pomalými procesy. Pomalým záchytem neutronů jádrem jiného izotopu kryptonu 82Kr + n › 83Kr + 7,46 MeV a rychlým, mnohonásobným záchytem neutronů jádry železa, materiálu, který je výsledkem fúze v centru hvězdy krátce předtím, než vybuchne jako supernova (poslední reakce, při které se slučují lehčí jádra na jádra železa, trvá jen zhruba jeden den) 56Fe + 27n › 83Kr + 10ß­ + 237 MeV.

Izotop Kr-84, kterého je ve vesmíru nejvíce, se tvoří podobně – buď z Kr-83 pomalým procesem podle rovnice 83Kr + n › 84Kr + 10,52 MeV, nebo rychlým procesem 56Fe + 28n › 84Kr + 10ß­ + 248 MeV.

Nejtěžší izotop, Kr-86 pak vzniká analogicky pomalým procesem 84Kr + 2n › 86Kr + 16,98 MeV nebo rychlým procesem, záchytem neutronů jádry železa 56Fe + 30n › 86Kr + 10ß­ + 265 MeV.

Výskyt kryptonu

Ve vesmíru je kryptonu velice málo. V jenom kilogramu hmoty se nalézá průměrně jen 40 mikrogramů tohoto vzácného plynu.

V naší atmosféře ho také není mnoho. Průměrně ho obsahuje 3,3  miligramu na kilogram. Vzhledem k tomu, že krypton patří k tzv. inertním plynům a za normálních okolností se nepojí s žádným z jiných prvků, se krypton v zemské kůře prakticky nevyskytuje.

Objev kryptonu

Poté, co byl v roce 1894 objeven argon, inertní plyn s podobnými vlastnostmi jako podobně inertní helium, bylo jeho objevitelům jasné, že musí existovat ještě další plyny s podobnými vlastnostmi.

William Ramsay proto od roku 1896 zkoumal různé minerály a snažil se izolovat krypton například z meteoritů. Neměl úspěch až do doby, kdy se začal věnovat vzorku většího množství (15 litrů) argonu. Po zkapalnění argonu ve vzorku zůstalo malé množství plynu, který typickou a zatím neznámou konfigurací žlutých a zelených emisních čar potvrdil nález nového prvku.

Prvek je pojmenován podle řeckého slova „kryptós“ – schovaný.

Krypton – spokojený plyn

Pokud se dá u chemického prvku mluvit o spokojenosti, vyzařuje ji právě krypton a jeho inertní (neteční) kolegové helium, neon, argon a xenon. Jejich atomy mají ve své vnější části (která obsahuje aktivní, tzv. vazebné elektrony) dokonale uklizeno. Všechny pozice, které mohou elektrony zaujmout, jsou už zaplněny. Nezbývá proto místo na další (cizí) elektrony, prvek tedy nemá žádný důvod k jejich zapůjčování od jiných prvků. Nevytváří tedy žádné chemické sloučeniny, je spokojený v takovém stavu, v jakém se nachází.

S určitým úsilím se zatím podařilo uměle vytvořit jen sloučeninu s fluorem – kryptonfluorid. I ten se ale rozpadá při teplotách, vyšších než -­77°C.  

K čemu se hodí krypton?

Nejspíš nejznámější je využití kryptonu v žárovkách a zářivkách.

Obyčejné žárovky jsou plněny směsí dusíku a argonu. Když se k těmto dvěma plynům přidá příměs kryptonu, sníží se (díky jeho vyšší hustotě) difuze wolframu ze žhavícího drátu žárovky do plnícího plynu. Kryptonem (nebo také Xenonem) dotované žárovky tedy mohou být žhaveny na vyšší teplotu. Tím se zvyšuje jejich účinnost, vyšší teplota totiž znamená vyšší zářivost a jasnost. V praxi se přídavkem kryptonu zvyšuje účinnost využití elektrické energie žárovkou o 10 až 25 %.

Kryptonem nebo jinými vzácnými plyny se plní také zářivky.

Krypton nám několik desetiletí pomáhal měřit délku. Mezi roky 1960 a 1983 se definice metru opírala o vlnovou délku, kterou emituje izotop Kr-86, ve kterém se jeho nabuzený elektron vrací do své základní energetické polohy. Metr byl 1.650.763,73 násobkem této vlnové délky. Později byla kryptonová definice metru nahrazena jinou. Dnes je klasický metr vzdálenost, kterou urazí světlo za určitý zlomek vteřiny.

 Kromě toho se krypton využívá v některých Geiger-Müllerových přístrojích a scintilačních detektorech.  Scintilační detektor je zařízení pro detekci ionizujícího záření založené na principu excitace elektronu do vyššího energetického stavu zářením, přičemž návrat elektronu do základního stavu se projeví jako světelný záblesk.

Díky své chemické netečnosti se krypton hodí k použití jako plnící plyn některých elektronických přístrojů. Tvoří také náplně dražších dvojskel, které pak mají daleko lepší izolační vlastnosti, než v případě, kdy se plní argonem.

Společně s fluorem nalezneme krypton v krypton fluorových laserech nebo samostatně v laserech s náplní pouze tohoto inertního plynu.

Tekutý krypton používá částicová fyzika pro své kalorimetry (k velice přesnému určení výskytu a energie částice). Aktuálně ho využívá například experiment NA-48 v CERNu. Věnuje se výzkumu fyzikálních vlastností částic, kterým se říká „kaony“.

Špión 00Krypton

Jeden z kryptonových izotopů hraje roli špióna. Je jím Kr-85, který vzniká při jaderných reakcích. Tento izotop má poločas rozpadu 10,6 roků s aktivitou 14,5 x 10^9 rozpadů za vteřinu. Je dostatečně vysoká na to, aby se dala podchytit. Protože se krypton prakticky nedá odstranit chemickou cestou, koncentruje se Kr-85 v atmosféře. Prozrazuje tak například nelegální projekty, které se zabývají obohacováním uranu nebo plutonia.