Ostrov stability - ultimativní chemie

Mohou existovat supertěžké chemické prvky, které by byly navíc stabilní? A na co by takové prvky mohly být dobré? Poslední část seriálu o výrobě supertěžkých prvků. (délka blogu 5 min.) 

Vědci mu říkají romantickým názvem ostrov stability. 

Měla by to být skupina izotopů supertěžkých prvků, které by mohly vykazovat mnohem delší dobu poločasu rozpadu - a mohly by tedy mít mnohem delší životnost, než jak to předpokládá všeobecný trend. Podle něj se totiž jádra supertěžkých prvků potýkají s různými problémy, které z nich dělají velice nestabilní záležitost. 

Existence ostrova stability se dá nejlépe znázornit na následujícím obrázku. 

Do grafu jsou zaneseny různé izotopy. Každý bod odpovídá určitému izotopu nějakého chemického prvku. Na ose vpravo dole jsou naneseny počty protonů v jádrech prvků, druhá osa zachycuje počet neutronů. Jednotlivé chemické prvky jsou definovány právě počtem protonů v jádře, mohou se ale klidně lišit počtem neutronů. Rozdíl pak spočívá jen v tom, jak stabilní budou takoví chemičtí sourozenci, který říkají vědci odborně izotopy. 

Při pohledu na obrázek je zjevný trend. Spíše lehké prvky s malým počtem protonů mají dostatečně vysokou stabilitu - většinou bývá stabilních hned několik izotopových sourozenců (jsou znázorněny v levé části tabulky tmavě červenou barvou). 

Se stoupajícím počtem protonů v jádře se jádra atomů destabilizují. Stabilních izotopů tedy v prostřední části tabulky ubývá. Mohou za to mimo jiné elektromagnetické síly, které nutí jádra k rozpadu, když se jejich protony navzájem odpuzují. 

Vědce ovšem fascinuje kruhová oblast v pravé části grafu. Právě ona znázorňuje kýžený ostrov stability. 

Na obrázku je vidět, že romantický název skutečně trochu odpovídá jevu samému - jako by tu jednotlivé izotopy tvořily pomyslný ostrov v moři nestabilních a jen teoreticky existujících možných izotopů. 

Jiný obrázek ukazuje kompletní izotopovou mapu. Jsou v ní zaneseni všichni známí chemičtí bratři - tedy různé izotopy různých chemických prvků. Barevně jsou znázorněny poločasy jejich rozpadu. Některé z těchto izotopů se dokonce nerozpadají vůbec a jsou stabilní. 

Z obrázku se dají vyčíst různá fakta. Čím menší je počet protonů (které jsou zaneseny na dolní ose) a tím i neutronů (na levé ose) - tím lehčí je daný chemický prvek. Ty nejlehčí se nacházejí v levém dolním rohu. 

V pravém horním rohu jsou modrou barvou znázorněny nedávno objevené exotické supertěžké prvky. Ostrov stability v tomto konkrétním obrázku není - jsou tu zaneseny jen známé a objevené izotopy. 

U lehkých prvků existuje vždy nejméně jeden stabilní nebo hodně dlouho žijící izotop. Situace se mění v oblasti, která odpovídá uranu. Ještě těžší jádra, než jakým disponuje uran, jsou už víceméně nestabilní. V podstatě se dá říci, že vědci mohou být vděční, když se takové prvky rozpadají rychlostí, která dovolí, že si jich alespoň stačí všimnout a detekovat je svými přístroji. 

Když se pozorně zadíváte na izotopovou mapu - zjistíte, že není úplně stejnoměrná. Některá atomová jádra jsou zjevně stabilnější než jiná. To je způsobeno samotnou stavbou jádra. Jednotlivé stavební jednotky (protony a neutrony) v něm jsou zjevně uspořádány do specifických uskupení, zjednodušeně řečeno - slupek. 

Existují tak určité struktury, které dělají jádro odolnější a stabilnější vůči rozpadu. Takovým jádrům se říká “magická”. Vědci znají dokonce i dvojnásobně magická jádra, která obsahují určitý vhodný počet nejen u protonů, ale také neutronů... 

… a právě takové magické struktury by mohly být důvodem existence ostrova stability u izotopů velice těžkých chemických prvků - prvků, které by měly být jinak vlastně nestabilní. 

Nejtěžší známé chemické prvky a ostrov stability

Vědci dosud k ostrovu stability nedorazili. Jinými slovy - izotopy supertěžkých prvků, které se povedlo vygenerovat v pokusech s urychlovači, nemají parametry, které by je umístily do blízkosti tohoto ostrova. 

Vysvětlení je zcela jednoduché: slovy klasika … “záleží jak se do toho třískne”. 

Při ostřelování vzorků v urychlovačích jsou vědci omezeni jak chemickou a fyzikální podstatou terče tak náboje, kterým se do terče trefují. 

Znamená to, že při dnešní výrobě supertěžkých prvků mají vědci k dispozici jen určité množství protonů a neutronů - v závislosti na materiálech terče a náboje, se kterými pracují. 

Jedna velice špatná zpráva

K vytvoření stabilnějších izotopů supertěžkých prvků by bylo potřeba mnohem více neutronů. 

Připomeňme si, že jsou to právě neutrony, které hrají roli univerzálního lepidla v těžkých jádrech. Je jen logické, že tam, kde není při tvorbě nového jádra dostatek lepidla, nebude vznikat ani výjimečně trvanlivý a stabilní izotop. 

To je poměrně demoralizující poznatek. 

Zdá se, že lidstvo při vší důmyslnosti zatím nemá k dispozici podmínky, které by zajistily zároveň přebytek neutronů a interakci jader magických prvků.  V podstatě bychom museli zkombinovat účinky urychlovače a atomové bomby - a ani pak by nebylo jisté, jestli by to pomohlo. 

Nezbývá než doufat, že vědci v budoucnu naleznou technologii, která by podobné pokusy umožnila. Pokud se totiž podaří supertěžké stabilní chemické prvky objevit - mohlo by to mít za následek nejednu technologickou revoluci. 

K čemu to všechno? 

Skutečný význam podobného objevu se dnes zatím nedá odhadnout, stejně jako první experimentátoři s elektřinou neměli potuchy o možnostech, jaké nám později využití elektrické energie přinese. 

To, že mohu psát takovéto blogy a vy si je můžete přečíst, vlastně umožnili dávní experimentátoři, kteří zkoumali co všechno umí nově objevené podivné částice - elektrony. 

Jedno se ovšem dá říci už dnes. V jádrech supertěžkých prvků se bude skrývat velké množství energie. Ta by se mohla využít například v nových, dosud nezkonstruovaných druzích raketového pohonu. 

Takové rakety by nás pak mohly dopravit na jinou planetu daleko rychleji než ty, které známe dnes. 

Znamenalo by to, že padne největší překážka pro průzkum jiných vesmírných těles - dlouhá doba letu. Pokud vás zanese raketa k Marsu za týden, nemusíte si dělat starosti s degradací organismu ve stavu beztíže, ani s intenzitou dávky kosmického  záření, které vás cestou zasáhne. Mnohé by se tak ulehčilo. 

Technologie, která pomůže nalézt a vyrobit supertěžké stabilní prvky, by tak mohla přispět ke kolonizaci Marsu stejně, jako k výzkumům, o kterých se nám dnes zatím ani nezdá. A to je rozhodně důvod, proč bychom měli vědcům v Dubně držet palce. Vše naznačuje, že by nás zanedlouho mohli potěšit novými objevy. 

http://www.jinr.ru/science/