Uznána existence dalších dvou supertěžkých prvků.
Vladimír Wagner
Existence dvou nových supertěžkých prvků těžších než nedávno
pojmenované kopernicium, byla uznána za definitivně prokázanou. Mezinárodní
skupina vědců z Ruska a USA v čele s Jurijem Oganesjanem se tak
může těšit z potvrzené priority a přikročit k pojmenování těchto
nových chemických prvků.
Téměř tři roky trvala velmi
podrobná analýza evidencí existence supertěžkých prvků jejichž počet
protonů je větší než 112, který prováděla společná komise organizací IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) a IUPAP (International
Union of Pure and Applied Physics). Stejné těleso v minulém roce rozhodlo
o názvu kopernicium (Copernicium) pro prvek s protonovým čísle 112. Jen je
třeba upřesnit, že oproti dřívějším
informacím na Oslovi se komise nakonec rozhodla pro značku tohoto prvku Cn
a ne Cp. Po intenzivním zkoumání komise došla k závěru, že existence dvou
z analyzovaných prvků, těch s počtem protonů
Použitá kriteria
Podle pravidel vypracovaných před necelými dvaceti lety je existence nového prvku uznána v případě, že jeho produkce byla prokázána nade vší pochybnost. To je ovšem poměrně vágní formulace. V praxi to znamená, že existence daného prvku musí být postavena na spolehlivě prokázaných fyzikálních, případně i chemických vlastnostech. Důležité je spolehlivé určení náboje, sekvence následných rozpadů končících u správného izotopu, vzájemnou vnitřní reprodukovatelnost a nízké pozadí. Zároveň by měla jeho produkce proběhnout ne pouze v jednom experimentu, ale v několika. Přičemž by se mělo jednat o produkci různými metodami (v různých reakcích) a nejlépe i v různých laboratořích. Pochopitelně by pak měly pozorované vlastnosti prvku při různých pozorováních vzájemně souhlasit.
Tým Jurije Oganesjana (čtvrtý zleva) a jeho experimentální aparatura
(zdroj SÚJV Dubna)
Průlomové rozhodnutí
Uznání prokázání existence nových supertěžkých prvků je průlomovou událostí, protože se jedná o první, které se dají produkovat pouze tzv. „horkou fúzí“. Při ní se používá těžších terčů a lehčích projektilů než při „studené fúzi“. Zároveň je však potřeba větší energie reakce a vzniklé složené jádro má větší přebytek energie, takže je větší pravděpodobnost vypaření i několika neutronů. Vzhledem k tomu, že v tomto případě je terčové jádro velmi těžké, má i velký přebytek neutronů oproti protonům. U supertěžkých prvků se tak pomocí horké fúze dostaneme k izotopům s mnohem větším počtem neutronů než u fúze studené. Tyto izotopy jsou blíže ostrovu stability a jsou tak stabilnější než ty připravené studenou fúzí. Stejně jako jiná jádra transuranů se pomocí několika rozpadů alfa přemění na jádro, které se rozpadá samovolným štěpením. Připomeňme, že při každém rozpadu alfa se vyzáří jedno jádro helia a jádro po rozpadu má o dva protony a dva neutrony méně. Zatímco v případě studené fúze je poměr neutronů a protonů takový, že konečné jádro v řetězci je známé jádro, které se na urychlovačích běžně produkuje a jeho vlastnosti jsou dobře prozkoumané, v případě horké fúze je konec řady postupných alfa rozpadů úplně neznámý samovolně se štěpící izotop. Podrobněji je rozdíl mezi studenou a horkou fúzí popsán zde.
Pro větší názornost můžeme srovnat produkci kopernicia ve studené fúzi, která se podařila v GSI Darmstadt skupinou Sigurda Hofmanna, a produkci jiného izotopu stejného prvku horkou fúzí, která byla uskutečněna skupinou Jurije Oganesjana. V prvním případě bylo terčovým jádrem olovo 208Pb (počet protonů 82) a projektilem izotop zinku 70Zn (počet protonů 30). Při fúzi se produkoval izotop kopernicia 277Cn (počet protonů 112). Vzniklé složené jádro tak opustil pouze jeden neutron. V případě horké fúze se využil terč z izotopu uranu 238U (počet protonů 92) a terč z izotopu vápníku 48Ca (počet protonů 20), který má extrémní přebytek neutronů. Fúzí vznikl izotop kopernicia 283Cn (počet protonů 112). Tedy izotop, který má o pět neutronů více než ten získaný studenou fúzí. A to se ještě vznikající složené jádro zbavilo přebytečné energie vypařením tří neutronů. Zatímco doba života izotopu 277Cn ze studené fúze byla pouhých zhruba 0,27 ms a vyzářená částice alfa měla energii téměř 11,5 MeV, tak u izotopu 283Cn z horké fúze byla doba života okolo 7,5 s a energie vyzářené částice alfa okolo 9,5 MeV. I tak se projevila jeho větší blízkost k ostrovu stability. Zatímco při horké fúzi končila rozpadová řada u neznámého izotopu ruthefordia 267Rf (počet protonů 104), ve studené fúzi probíhala řada alfa rozpadů přes velice dobře známý izotop 261Rf až ke známému izotopu fermia 253Fm (počet protonů 100).
To, že
v případě studené fúze jde velká část rozpadové řady přes známé izotopy a
hlavně u známého izotopu končí, bylo hlavním důvodem, proč až do současnosti byly
„nade vší pochybnost“ přijaty pouze objevy supertěžkých prvků produkovaných
pomocí studené fúze. V tomto případě máme totiž bezpečně fixovaný začátek
rozpadové řady, jádro vzniklé v reakci, i její konec. Nedávné rozhodnutí
komise o prokázání produkce prvků s protonovými čísly
Důležité rozpadové řady, které vznikají v různých reakcích a
začínají u různých prvků. Všechny však procházejí přes izotop kopernicia 283Cn
a jsou jasným důkazem správné identifikace počátku rozpadové řady, která
prochází známým potvrzeným izotopem prvku (zdroj E.C. Barber et al: Discovery of the elements
with atomic numbers greater than or equal to 113 (IUPAC Technical Report)
doi:10.1351/PAC-REP-10-05-01)
Produkce prvků
Základní předpoklad o produkci daného chemického prvku je, že spojením projektilu a terče vzniká složené jádro s počtem protonů daným celkovým jejich součtem. Zatímco neutrony se mohou lehce z tohoto jádra, které má přebytek energie, uvolňovat, protony jsou nabité a je velice nepravděpodobné, že proniknou přes coulombovskou barieru vytvořenou nábojem vzniklého složeného jádra. Proton by mohl být stržen z terčového nebo projektilového jádra pouze v počáteční fázi fúze. Takový proces je velice nepravděpodobný v případě studené fúze. O něco pravděpodobnější je v případě horké fúze, kdy má projektil vyšší kinetickou energii a je lehčí. Má tak větší rychlost, tím je vyšší rychlost i jednotlivých jeho nukleonů a větší je i pravděpodobnost, že některý z protonů bude pokračovat v létu i po zachycení projektilového jádra terčovým jádrem. Dalším faktorem je i menší náboj projektilového jádra a menší coulombovská bariéra, kterou musí proton při jeho opuštění překonávat. I to je důvod, proč se k výsledkům produkce supertěžkých prvků pomocí horké fúze přistupuje opatrněji.
Průkopníkem
využití horké fúze je už zmíněný Jurij Oganesjan, jehož skupina také ve
spolupráci s kolegy z Livermore provedla na urychlovači v SÚJV
Dubna většinu experimentů v této oblasti. Téměř všechny práce, které se
týkají studia prvků s protonovým číslem 112,
Je třeba
říci, že v současné době bylo pozorováno několik dalších izotopů prvku 114
v různých laboratořích s pomocí terčů z izotopů plutonia 242Pu
a 244Pu. Objevily se i první pokusy určit jeho chemii. Velmi slibná
je zvláště produkce tohoto prvku na zařízení TASCA
(TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) v laboratoři GSI
Darmstadt. Tam se podařilo během pouhých čtyř týdnů vyprodukovat třináct jader
tohoto prvku. Jednalo se o izotopy s nukleonovým číslem
Skupina Jurije Oganesjana pozorovala také několik izotopů
prvku s protonovým číslem 116. Jedním z nich byl izotop
s nukleonovým číslem 291, který byl produkován pomocí reakcí vápníku 48
s jádrem curia 245Cm. Ten se rozpadá přes již několikrát
zmíněný a dobře známý izotop kopernicia 283. Jeho identifikace je tak nesporná.
To byl také důvod, proč byl tento prvek komisí potvrzen
Návrhy jmen tak v obou případech bude podávat objevitelská dubněnská skupina Jurije Oganesjana. Ta navrhuje název flerovium pro prvek 114 podle významného ruského jaderného fyzika Jurije Flerova a moscovium pro prvek 116 podle Moskevské oblasti, kde leží Dubna.
V současnosti se stále více přibližujeme
k ostrovu stability
Další supertěžké prvky
Rozpadová řada obsahující prvky
s lichým počtem protonů nemá při produkci pomocí horké fúze takové štěstí
na dobře definovaný izotop, který by pro ni splnil roli kopernicia 283. I zde
jsou hlavní experimentální práce spojeny se skupinou Jurije Oganesjana, která
pomocí horké fúze vyprodukovala několik různých izotopů prvků
Stejný problém je i s prvkem 118, který se podařilo vyprodukovat skupině Jurije Oganesjana pomocí terče z kalifornia 249 ozařovaného plné čtyři měsíce svazkem vápníku 48. Podařilo se sice získat tři případy vzniku prvku 118, který se rozpadal velice krátkou řadou rozpadů alfa končící spontánním štěpením (viz obrázek). Nejdelší z nich skončila u izotopu kopernicia 282Cn. Všechny tak u neznámých izotopů.
Je třeba
připomenout, že komise posuzovala povětšinou práce publikované do roku 2008. Od
té doby se podařilo získat řadu nových informací o zatím neschválených či vůbec
do té doby nepozorovaných prvcích. Poprvé byla získána experimentální evidence
chybějícího prvku mezi moskoviem z protonovým číslem
Rozpadová řada prvku s protonovým číslem 118 pozorovaná skupinou
okolo Jurije Oganesjana v SÚJV Dubna (Wikipedia).
Závěr – jak dále
Nejatraktivnější je pochopitelně cesta k novým chemickým prvků s protonovým číslem větším než 120. Ovšem velice důležité je produkovat co největší počet izotopů již známých supertěžkých prvků. Tímto způsobem je možné velmi intenzivně osahat ostrov stability, který je stále lépe v dálce viditelný. Z tohoto hlediska jsou velice důležité izotopy flerovia. Protonové číslo tohoto prvku 114 je tím magickým, který vede ke zvýšené stabilitě. Zatím byly produkovány jeho izotopy s počtem neutronů 171 až 175. Zatímco nejlehčí izotop má dobu života zlomek milisekundy, nejtěžší už přežívá dobu v řádu desítek sekund. A to se pro magický počet neutronů předpokládá hodnota 184. Takže je možné očekávat doby života velice pravděpodobně v řádu minut a hodin, či dokonce více.
Průlom v chemii supertěžkých prvků by mohlo přinést zařízení TASCA
v GSI Darmstadt (zdroj G. Otto GSI Darmstadt).
Velice významným pokrokem, který umožňuje efektivnější produkce izotopů daného prvku s delší dobou života, je intenzivní studium jeho chemie. O tom, jak chemie s využitím jednotlivých atomů vypadá, si lze přečíst v článku o studiu oxidace hassia. Jde o prvek s protonovým číslem 108, který vytváří osmimocné oxidy s příponou ičelý. Ale v současné době se chemie dělá i s koperniciem a postupuje se ke stále těžším prvkům. Obrovský pokrok by mělo přinést v této oblasti právě už zmiňované zařízení TASCA v GSI Darmstadt.
Pro cestu
k těžším prvkům je nutný pokrok v produkci terčů
z radioaktivních transuranů (curia, kalifornia, berkelia a fermia) a
zacházení s nimi. Další nutností je studium využití reakcí těžších
projektilů s těmito transurany. Mezi perspektivní nové těžší projektily
patří například izotop 58Fe. Ten má o šest protonů a deset neutronů
více než vápník 48. Plánují se experimenty i s izotopy 50Ti, 54Cr
a 64Ni, ale možností je daleko více. V současnosti je hlavní
úsilí zaměřeno na chemický prvek s protonovým číslem
V posledních dvaceti letech se podařilo doplnit velký kus
Mendělejevovi tabulky
V Řeži 21. 6. 2011