Magická jádra

Co je to magické jádro? Druhý díl seriálu o výrobě supertěžkých chemických prvků a rozšiřování Mendělejevovy periodické tabulky. (délka blogu 5 min.) 

Těžké prvky, které se nevyskytují ve volné přírodě, vyráběli vědci nejprve pomocí horké fúze. Při ní se využívá poměrně těžkých chemických prvků k ostřelování lehčími jádry s vysokou energií. Vytváří se tak nejprve přechodná jaderná slitina, která se později s trochou štěstí rozpadá na supertěžké jádro a neutrony. To se ovšem dařilo jen do určité hmotnosti supertěžkých jader. 

Nová metoda, která slibovala syntézu ještě těžších prvků, byla nazvána chladnou fúzí. Využívala se k ní tzv. magická jádra. 

Co je to magické jádro?

Elektrony nejsou kolem jader atomů rozmístěny náhodně ale uspořádaně. Každý z nich má fyzikálními zákony přidělenou oblast, kde se smí nacházet. Některé z těchto tzv. orbitalů jsou kulovité, jiné protáhlé nebo mají (u těžkých prvků) komplikovaný tvar. 

Vědci zjistili, že nejen elektrony mají určité uspořádání - podobně to platí také pro jádra atomů. 

Nukleony (tedy protony a neutrony v jádře) se rozmísťují do nukleonových “slupek”. Chemické prvky (respektive ty jejich izotopy), které mají naprosto zaplněné některé (nebo všechny) z těchto slupek, mají speciální vlastnosti - alespoň co se týká jaderných reakcí. Tyto izotopy chemických prvků jsou extrémně stabilní. 

Konkrétně se jedná o prvky, které mají 2, 8, 20, 28, 50, 82, 110, 114 protonů nebo také 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 a 184 nukleonů (protonů a neutronů počítaných dohromady). 

Patří mezi ně helium, běžný kyslík, hned dva izotopy vápníku (Ca-40 a Ca-48) a také třeba atom olova Pb-208. 

A tak se pro výrobu supertěžkých prvků (těžších než č. 106) začaly používat terče z olova-208 nebo vismutu-209, ostřelované lehčími prvky (č. 22-30, tedy s 22 - 30 protony v jádře). 

Vyplatilo se to. Nově vznikající jaderné slitiny už nebyly tak vysoce energetické a mohly se ochladit už vypouštěním pouhého jednoho neutronu. Pravděpodobnost vzniku supertěžkého jádra je tu zhruba 1000x vyšší než při horké fúzi. 

Jako první tuto metodu využilo Helmholtzovo centrum v německém Darmstadtu. Vyrobily se tu tímto způsobem prvky č. 107 (bohrium) - 112 (copernicium). Jeden z nich dostal na počest německé laboratoře jméno darmstadtium. 

Vědci si ale u prvků těžších než je č. 112 všimli nového problému. Další supertěžké prvky existovaly příliš krátce na to, aby mohly být detekovány. 

Příliš málo neutronů

Chemické prvky mohou existovat v několika různých variantách. Stejné chemické prvky mají vždy stejný počet protonů v jádře, liší se ale počtem neutronů. Neutrony hrají v jádrech roli lepidla. Protony jsou totiž kladně nabité - a tak se díky působení elektromagnetické síly vzájemně odpuzují. Aby bylo jádro vůbec schopné existovat a okamžitě se nerozpadlo, potřebuje tedy určité vhodné množství “lepidla” - neutronů. Nově vyrobené supertěžké prvky měly lepidla příliš málo. 

Vědci si tedy museli opět vymyslet další důmyslnou metodu. 

Dvojitě magický vápník

Tentokrát přišly na řadu terče z dříve vyrobených supertěžkých prvků, které byly ostřelovány jedním z velice zajímavých magických chemických prvků - vápníkem-48. Jeho jádro obsahuje výše zmiňované magické číslo hned ve dvou variantách: je v něm přítomno 20 protonů a 28 neutronů. 

Dvojitě magický vápník se v přírodě téměř nevyskytuje. Nejčastějším vápníkovým izotopem je Ca-40, jeho těžší kolega Ca-48 je v naší přírodě přítomen jen ve zlomcích procent. Co se ale týká jeho jaderných vlastností, vyhrává nad svým lehčím izotopovým kolegou o několik koňských délek. Díky tomu, že má o osm neutronů více, stal se zdrojem chybějících neutronů. 

Novou metodou se podařilo v roce 2003 v Dubně vyrobit další těžký prvek. Z americia se ostřelováním dvojitě magickým vápníkem stal prvek č. 115. 

Vědci tehdy vyrobili… celé čtyři atomy. A aby byl úspěch ještě markantnější, zjistilo se, že se tyto atomy později alfa rozpadem (vyzářením jádra helia) rozpadly na prvek č. 113. Naráz se tak podařilo vyrobit hned dva nové supertěžké chemické prvky. 

Nebyl to jen ruský úspěch. Při pokusech v Dubně se totiž využil terč z americia - který dodala americká partnerská organizace. Dnešní věda si už nehraje na konkurenci … ale využívá vzájemné spolupráce. 

Jako další byl vyroben podobným způsobem prvek č. 118 - a jako poslední vznikl v roce 2009 prvek č. 117. Na tom se podílel americký partner terčem z berkelia, který v Rusku ostřelovali jádry dvojitě magického vápníku. Vzniklo šest jader prvku 117. Tím se uzavřely pokusy o výrobu chemických prvků sedmé periody. Mendělejevova tabulka teď byla až do sedmé periody kompletní. 

Osmá perioda

Vědci se samozřejmě rozhodli pokračovat a syntetizovat prvky osmé periody - neměli ale úspěch. Ukázalo se, že ani dvojitě magický vápník už na výrobu těchto prvků nestačí a musí ho nahradit atomy titanu. K tomu budou potřeba ještě větší cyklotrony a urychlovače, nová technologie se už v Dubně staví a testuje.  

Příště: Jak bude vypadat skutečně nejtěžší chemický prvek vesmíru?