Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 44 – vyšlo 1. listopadu, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

44/2004

Honba za supertěžkými prvky

Filip Křížek

Jako transurany označujeme prvky následující v Mendělejevově periodické soustavě za uranem. V přírodě se běžně nevyskytují, a proto máme-li zkoumat jejich vlastnosti, musíme si je připravit uměle. Lehčí transurany, jako je neptunium, plutonium, americium a curium, jsou dnes běžně produkovány v lehkovodních jaderných reaktorech. Mají poměrně dlouhé poločasy rozpadu a můžeme je tedy extrahovat z vyhořelého jaderného paliva chemickou cestou.

Výroba supertěžkých prvků (Z > 100) je naproti tomu technologicky velice náročná. Vyžaduje použití urychlovačové techniky a složité elektroniky. Supertěžké prvky vyrábíme jadernými reakcemi, při kterých ostřelujeme terč z těžkého kovu (například olova nebo bismutu) mnohonásobně nabitými ionty lehkých a středně těžkých prvků. Jádra supertěžkých prvků vzniknou pouze na velmi krátkou dobu. Pro ilustraci uveďme, že nejdéle žijící známý izotop seaborgia (Z = 106), ²⁶⁶Sg, má poločas rozpadu zhruba 21 sekund. Transurany s vyšším protonovým číslem, které se podařilo připravit, se rozpadaly většinou ještě rychleji. Jejich poločasy rozpadu se pohybují nejčastěji v rozmezí několika sekund až mikrosekund. Poté se samovolně rozštěpí, anebo přejdou sérií alfa přeměn na prvky s nižším protonovým číslem. Díky vzájemnému coulombickému odpuzování mezi protony v jádře klesá s rostoucím protonovým číslem vyráběného prvku výtěžnost produkčního procesu. Současná technika je proto schopna produkovat supertěžké prvky jen po jednotlivých atomech.

Protonové číslo Z – udává počet protonů v jádře prvku. Nukleonové číslo A – udává počet nukleonů (protonů a neutronů) v jádře.  Poločas rozpadu – doba, za kterou se jádro radioaktivního izotopu rozpadne s pravděpodobností 1/2. Alfa rozpad – proces, při kterém se radioaktivní jádro posouvá ke stabilnější energetické konfiguraci emisí jádra 4He, tzv. alfa částice. Izotopy – jádra se stejným počtem protonů, ale různým počtem neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například poločasem rozpadu, hmotností, atd. Kapkový model jádra – jádro je popisováno na základě analogie s kapkou kapaliny o poloměru přibližně R = 1,2×A1/3 fm. V rámci tohoto jednoduchého modelu dokážeme přibližně určit střední vazbovou energii na jeden nukleon pomocí semiempirické Weizsaeckerovy formule. Slupkový model jádra – popisuje nukleony jako navzájem spolu neinteragující částice, které se pohybují volně v potenciálové jámě. Povolené stavy, ve kterých se mohou nukleony nacházet získáme na základě řešení Schrödingerovy rovnice. Skupina stavů s blízkou energií tvoří slupku. Magická čísla – 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126  udávají počty protonů nebo neutronů, které vytvoří v jádře zaplněnou slupku. r-proces – proces ve hvězdách, při kterém dochází k rychlému záchytu neutronů a vzniku prvků s protonovým číslem vyšším než má bismut. Písmeno r v názvu procesu vzniklo z anglického „rapid neutron capture“ – rychlý záchyt neutronů.

Počátky syntézy transuranů

Do oblasti transuranů pronikli badatelé poprvé zhruba před šedesáti lety. Ve čtyřicátých letech 20. století připravili američtí vědci pomocí cyklotronu neptunium. Terč z uranu 238 ostřelovali jádry těžkého vodíku, tzv. deuterony

²³⁸U + ²H  →  ²³⁸Np + 2n.

Neptunium má v jádře 93 protonů. Vyprodukovaný izotop ²³⁸Np je nestabilní. Rozpadem beta se přeměňuje na plutonium ²³⁸Pu (Z = 94). Objevitelem dalšího nového prvku byl Glenn Seaborg. Curium (Z = 96) vzniklo reakcí

²³⁹Pu + ⁴He  →  ²⁴²Cm + n.

Glenn Seaborg byl velmi důležitou osobností v oblasti výzkumu transuranů. Stál u objevu pěti z nich. Za syntézu prvních transuranů dostal spolu s Edwinem McMillanem v roce 1951 Nobelovu cenu za chemii. Vědecká veřejnost ocenila jeho zásluhy i tím, že ještě za jeho života po něm pojmenovala 106. prvek Mendělejevovy periodické soustavy.

Americium (Z = 95) vzniklo poprvé po beta rozpadu uměle vyrobeného izotopu ²⁴¹Pu. Aby Glenn Seaborg vyrobil z americia prvek s protonovým číslem 97, ostřeloval je částicemi alfa. Podle místa objevu (Lawrence Berkeley National Laboratory) dostal nový prvek název berkelium.

V padesátých letech bylo z curia pomocí alfa částic vyrobeno kalifornium (Z = 98). Opravdu kuriózně přišly na svět prvky s protonovými čísly 99 a 100. Poprvé byly zaznamenány ve vzorcích, které byly vystaveny účinkům výbuchu první vodíkové bomby Mike v jižním Pacifiku. To, co se snažili vědci dosáhnout po mnoho měsíců na cyklotronu v laboratoři, zvládl obrovský tok neutronů vznikající při termojaderné fúzi během okamžiku. Nové prvky byly pokřtěny einsteinium a fermium. Podobným způsobem jako tyto dva transurany vznikají ve hvězdách prvky těžší než bismut, jedná se o tzv. r-proces.

Na vzniku dalších transuranů usilovně pracovala cyklotronová pracoviště celého světa. Vědci z Berkeley získali ostřelováním einsteinia částicemi alfa sedmnáct atomů prvku s pořadovým číslem 101. Nový transuran dostal název mendelevium. Zprávu o syntéze prvku s protonovým číslem 102 oznámili jako první fyzikové z Nobelova ústavu ve Švédsku v roce 1957. Pojmenovali jej na počest vynálezce dynamitu nobelium. Vědci z dalších světových laboratoří se pokoušeli jejich experiment zopakovat. Výsledky pokusů však byly negativní. Proto je objev nobelia připisován až skupině vědců z Berkeley, kterým se podařilo existenci nobelia jednoznačně prokázat o rok později při ostřelování curiového terče ionty uhlíku

²⁴⁴Cm +¹²C  →  ²⁵⁴No + 2n.

Bombardováním terče z kalifornia jádry bóru získali vědci v Berkeley lawrencium (Z = 103). Prvek byl pojmenován po významném americkém nositeli Nobelovy ceny Ernestu Lawrencovi, který zkonstruoval cyklotron. O syntéze prvních transuranů se lze více dozvědět například v [1].

Putování za vyššími transurany

Mnoho vlastností atomových jader můžeme vysvětlit pomocí analogie s kapkou kapaliny. Kapkový model dává spolehlivé předpovědi hmotností jader a středních vazbových energií. Neříká však nic o tom, jak jsou protony a neutrony uspořádány. Přitom uspořádání nukleonů v jádře významně ovlivňuje fyzikální vlastnosti jádra – třeba přesnou hodnotu jeho vazbové energie, poločas rozpadu, spin atd. Stejně jako elektronový obal i jádro atomu vykazuje slupkovou strukturu. Pro určité počty protonů a neutronů (2, 8, 20, 28, 50, 82 a 126) jsou jejich konfigurace obzvláště stabilní. Tato čísla se v literatuře často označují jako tzv. „magická čísla“, viz například [2]. Jádra se zaplněnou protonovou nebo neutronovou slupkou mají vzhledem k okolním izotopům větší vazbovou energii vztaženou na jeden nukleon. Tvoří tedy lépe vázané systémy a jsou tudíž stabilnější. Jenom pro zajímavost uveďme, že prvkem s největším počtem stabilních izotopů (celkem 10) je cín. Izotopy cínu obsahují v jádře padesát protonů, což je zaplněná slupka. Dalšími důležitými příklady slupkových jevů v jádrech jsou dvojnásobně magická jádra ⁴He, ¹⁶O, ⁴⁰Ca, ⁴⁸Ca a ²⁰⁸Pb. Jak protony tak neutrony v nich tvoří zaplněné slupky, viz Obr. 1.

Obr. 1: Údolí stability – jsou v něm vyznačena všechna známá jádra. Středem údolí vede linie stabilních izotopů (černá pole). Izotopy napravo od této linie mají přebytek neutronů a podléhají β⁻ přeměně. Při ní se v jádře rozpadne jeden neutron na proton, elektron a elektronové antineutrino. Izotopy nalevo od linie stability mají přebytek protonů. Ke stabilnějším jádrům proto přecházejí buď elektronovým záchytem nebo β⁺ přeměnou. Při elektronovém záchytu pohltí proton z jádra elektron z atomového obalu, přičemž z něj vznikne neutron a uvolní se elektronové neutrino. Při β⁺ přeměně vyšle proton pozitron a elektronové neutrino a sám se změní na neutron. Po rozpadu vzniká vždy lépe vázané jádro. Supertěžké prvky tvoří pravý horní okraj údolí stability.

V šedesátých letech se naskytla otázka, zda by podobné slupkové efekty u jader o mnoho těžších, než je uran, nevedly k jejich relativně dlouhým poločasům rozpadu. Dokonce se u nich očekávala doba života srovnatelná s dobou života uranu nebo thoria. To by znamenalo, že by tato jádra mohla být syntetizována a nebo by se mohla vyskytnout v přírodě alespoň ve stopových množstvích. Extrapolací magických čísel lze dojít k závěru, že prvek se 114 protony a 184 neutrony v jádře by měl tvořit střed jakéhosi ostrova stability. Zdůrazněme ale, že se jedná pouze o stabilitu relativní vůči okolním izotopům. Tento výsledek podnítil badatele k dalšímu hledání nových prvků.

Šedesátá a sedmdesátá léta přinesla objevy transuranů s protonovými čísly 104 až 106. Pokaždé byla zpráva o úspěšné syntéze nového prvku ohlášena nejdříve skupinou vědců ze Spojených ústavů jaderných výzkumů v Dubně (Rusko). Za nějakou dobu poté byla jeho produkce pozorována také v laboratořích v Berkeley. Obě skupiny, americká i ruská, se snažily prosadit u těchto transuranů jimi navržená jména. Tím vznikl na dlouhou dobu zmatek v jejich názvosloví. Diskuse týkající se jmen skončily až v roce 1997, kdy organizace IUPAC (International Union of Applied Chemists), která dohlíží nad nomenklaturou nově objevených prvků, pojmenovala tyto transurany rutherfordium, dubnium a seaborgium.

Prvky jsou často pojmenovávány po významných vědcích, kteří se svými objevy zasloužili o rozvoj jaderné fyziky, anebo podle místa, kde se je podařilo poprvé syntetizovat. Platí nepsané pravidlo, že jméno prvku si může navrhnout jeho objevitel. Organizace IUPAC pak musí prověřit zda byl prvek skutečně vyprodukován a schválit hlasy svých členů navržené jméno. Dokud není existence nového prvku spolehlivě doložena anebo ještě nemá schválené jméno, tvoří se jméno prvku podle následujících pravidel:

1. Cifry protonového čísla jednoduše zaměníme slabikami:

   0 nil	5 pent
   1 un	6 hex
   2 bi	7 sept
   3 tri	8 oct
   4 quad	9 enn

2. a na konec přidáme příponu -ium.

Například prvek s protonovým číslem 125 se do doby, než bude syntetizován a než se pro něj nalezne vhodnější název, jmenuje unbipentium a jeho chemická značka je Ubp.

Np 93	Pu 94	Am 95	Cm 96	Bk 97	Cf 98	Es 99	Fm 100	Md 101	No 102	Lr 103
Rf 104	Db 105	Sg 106	Bh 107	Hs 108	Mt 109	Ds 110	Uuu 111	Uub 112	Uut 113	Uuq 114

Chemické značky transuranů schválené organizací IUPAC.

Zásadní pokrok při honbě za supertěžkými prvky nastal, když se skupině vědců z Dubny podařilo ukázat, že sloučením olova 208 (dvojnásobně magické jádro) a argonu 40 vzniká složené jádro s velmi nízkou excitací. Přebytečné energie se zbavuje vysláním pouze malého počtu lehkých částic: neutronů, protonů, alfa apod. Tento proces se označuje jako tzv. „soft fusion“. Dnes již víme, že úspěšná syntéza nejtěžších transuranů závisí podstatnou měrou na nízké excitaci složeného jádra. To se jinak velmi ochotně rozštěpí na dva lehčí fragmenty. Ve druhé polovině sedmdesátých let to umožnilo ruským badatelům vytvořit 107. prvek. Jeho objev byl následně potvrzen německou skupinou v GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) v Darmstadtu. Jméno prvku schválené organizací IUPAC v roce 1997 zní bohrium, na počest dánského fyzika Nielse Bohra.

Procesem „soft fusion“ se také podařilo v osmdesátých a devadesátých létech v laboratořích GSI poprvé vytvořit transurany s protonovými čísly 108 až 112. U prvních tří z nich už schválil IUPAC jejich názvy. Jmenují se hassium (název hassium pochází z latinského jména spolkového státu Hesensko, na jehož území se GSI nachází), meitnerium a darmstadtium. Pro transuran s protonovým číslem Z = 111 je navržen název roentgenium a chemická značka Rg. Všechny izotopy prvků od 107 do 111, které se podařilo vyrobit v GSI (viz [4]) podléhají s jedinou výjimkou alfa přeměně, tzn. emitují jádra ⁴He. Pozorované rozpadové řetězce jsou pro nejtěžší transurany charakteristické. V důsledku stabilizace slupek je u supertěžkých prvků značně snížena pravděpodobnost rozštěpení na dva lehčí fragmenty. Jádro tak prakticky může konat posun ke stabilnějším konfiguracím jen alfa rozpadem. Poločasy rozpadu většiny supertěžkých prvků jsou velmi krátké (od tisíciny sekundy do několika minut). Metody dnešní moderní chemie umožňují zkoumat vlastnosti izotopů s dobou života větší než cca jedna sekunda. U prvků od neptunia po bohrium bylo ověřeno, že mají chemické vlastnosti, které odpovídají jejich zařazení do Mendělejevovy periodické soustavy.

V roce 1999 oznámila skupina z Dubny, že se jí podařilo v reakci ⁴⁸Ca s terčem z ²⁴⁴Pu syntetizovat ²⁸⁹Uuq (Z = 114). Ze složeného jádra byly přitom emitovány pouze tři neutrony. Izotop se rozpadal třemi po sobě následujícími alfa přeměnami zakončenými spontánním rozštěpením. Z naměřených časových prodlev mezi nimi byly odhadnuty poločasy rozpadu u ²⁸⁹Uuq a jeho dceřiných jader. Ty byly poměrně dlouhé – desítky sekund až minuty. Že bychom se už dostali na dohled k předpověděnému ostrovu stability? V roce 2000 chtěla skupina vědců z Dubny ověřit, zda správně interpretuje výsledky svého předešlého pokusu, a nahradila terč z plutonia 244 terčem z curia 248. Všechny ostatní podmínky experimentu zůstaly nezměněny. Při ostřelování ionty vápníku 48 byl zaznamenán případ, který lze vyložit jako vznik prvku s protonovým číslem 116, viz [5] a [7],

²⁴⁸Cm + ⁴⁸Ca  →  ²⁹²Uuh + 4n.

Poslední zpráva, ve které se hovoří o objevu nových prvků, pochází z roku 2004. V Dubně byl při bombardování terče z americia 243 ionty vápníku 48 syntetizován prvek Uup (Z = 115) a jeho rozpadový produkt Uut (Z = 113), viz [6] a [7] . Nyní je na organizaci IUPAC, aby pečlivě přezkoumala, zda se v sérii těchto experimentů skutečně podařilo prvky 113 až 116 syntetizovat. O tom, že se u objevů nových transuranů musí věrohodnost důkladně prověřovat, svědčí případ, který se stal v nedávné době v USA. V roce 1999 ohlásila laboratoř v Berkeley, že se jí podařila syntéza prvku s protonovým číslem 118. Při následném ověřování a kontrole dat se však zjistilo, že se jedná o podvrh. Naměřená data totiž zmanipuloval jeden z pracovníků laboratoře. Podrobnosti o této nepříjemné aféře lze nalézt například v článku [3].

Jak se vyrábějí nejtěžší prvky

Výzkum nejtěžších transuranů se provádí hlavně v laboratořích v Berkeley, GSI a v Dubně. Hledání nových prvků má odpovědět na otázky zásadního významu, například jak vypadají jádra na hranici stability, ověřit naše představy týkající se slupkového modelu jádra apod.

Chceme-li vytvářet nové prvky, musíme mít velmi citlivé experimentální zařízení. Potřebujeme totiž zkoumat jaderné reakce, jejichž produkční rychlost může být menší než jeden atom za týden. Procesy, při nichž dochází ke vzniku supertěžkých prvků, mají veliké pozadí. Identifikace vzniku nejtěžších transuranů tak připomíná spíše pověstné hledání jehly v kupce sena. V GSI se od sedmdesátých let pracuje s urychlovačem UNILAC (Universal Heavy Ion Accelerator), viz [4]. Identifikace prvků 107 až 112 se podařila hlavně díky rychlostnímu filtru SHIP (Separator for Heavy Ion Reaction Products). Jeho schéma je na Obr. 2.

Obr. 2: Detektor SHIP (Separator for Heavy Ion Reaction Products).

Svazek vysokoenergetických iontů z urychlovače naráží na terčový kotouč. Ten je vyroben z těžkého kovu (bismutu nebo olova) a musí velmi rychle rotovat, aby se neroztavil. Značná část energie přinášené svazkem se v něm totiž mění na teplo. V materiálu terče dochází k různým jaderným reakcím. Pokud se tedy podaří vyrobit supertěžký prvek, což je velice řídký jev, je nutné jej odlišit od ostatních produktů. Z kinematiky procesu lze spočítat rychlost, s jakou se budou jádra transuranů po svém vzniku pohybovat. Necháme-li následně procházet částice z terče rychlostním separátorem, který propouští jen částice, jež mají stejnou rychlost jako hledaný supertěžký prvek, dosáhneme toho, že nám v experimentu výrazně poklesne pozadí (šum). Rychlostní separátor pracuje na principu, který vymyslel německý fyzik Wilhelm Wien (1864-1928). Využívá kombinace elektrického a magnetického pole. Jejich směry a velikosti jsou voleny tak, aby se elektrické a magnetické síly navzájem vyrušily při určité rychlosti vstupujících iontů. Ostatní částice jsou Lorentzovou silou odkloněny do absorbátoru, kde dojde k jejich pohlcení. Svazek vybraný separátorem je za ním zfokusován a opět se zjišťují rychlosti iontů (tentokrát se přeměřuje doba, za kterou uletí určitou vzdálenost). Vybrané částice následně dopadají do křemíkových detektorů, kde se zaznamená jejich pozice, energie a rozpadové řetězce. Při radioaktivním rozpadu mateřského jádra nevzniká jádro dceřiné zpravidla v základním stavu. Většinou je excitováno na vyšší energetické hladiny. Přebytečné energie se zbavuje vyzářením několika kvant elektromagnetického záření. SHIP je proto vybaven ještě detektory záření gama, ve kterých jsou registrovány fotony vzniklé při rozpadu supertěžkých prvků a jejich dceřinných jader.

Na obr. 1. si můžeme povšimnout, že se údolí stability s rostoucím protonovým číslem ohýbá. Stále více jsou preferovány izotopy, které mají v jádře více neutronů nežli protonů. Pokud tedy chceme vytvořit co možná nejstabilnější supertěžký prvek, musíme spolu srážet izotopy bohaté na neutrony. V současné době se zkoumá, zda by při vytváření nejtěžších transuranů nešlo využít sekundární svazky radioaktivních iontů s přebytkem neutronů v jádře.

Odkazy