Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 15 – vyšlo 12. dubna, ročník 22 (2024) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

15/2024

Nový supertěžký izotop uranu objeven

Adam Prášek

V přírodě se vyskytuje přibližně 300 izotopůIzotopy – prvky, jejichž jádra mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například hmotností, poločasem rozpadu atd., přičemž dalších 3 000 lze vyrobit uměle. Teoretické modely předpovídají existenci více než 4 000 nuklidůNuklidy – druhy atomových jader, určené počtem protonů a neutronů. Významem odpovídají izotopům chemických prvků., mnoho z nich je natolik nestabilních, že je velice obtížné je vyrobit. Výroba prvků na samotné hranici stability je zajímavá i proto, že nám umožňuje testovat naše teorie jaderné struktury v extrémních podmínkách, jaké jsou například při explozích supernov, kde vznikají exotické nuklidy přirozenou cestou.

Diagram izotopů, které byly zkoumány skupinou vědců v japonské Národní labo­ra­to­ři pro fyziku vysokých energií KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačem je KEKB (KEK B factory, továrna na B mezony obsahující b nebo anti-b kvarky). Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Obvod obou prstenců je 3 016 m.. Barva pozadí odpovídá vypočtené korekci energie v rámci slupkového modelu. Zdroj: [1].

RIKEN – japonský národní institut pro výzkum a vývoj, obdoba naší Akademie věd. Název je odvozen ze zkratky původního jména „Rikagaku Kenkyūsho“. Výzkum je orientován zejména na fyziku, chemii, biologii a medicínu. Organizace byla založena v roce 1917 a má nyní přes 3 000 vědců v sedmi kampusech napříč celým Japonskem. RNC – RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Nishinovo vědecké centrum, jedna ze součástí japonské národní vědecké organizace RIKEN. Provozuje nejvýkonnější urychlovač pro těžké ionty na světě RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory). IPNS – Institute of Particle and Nuclear Studies, japonský Institut částicového a jaderného výzkumu. Tento vědecký institut provozuje komplex urychlovačů KEK. Má tři výzkumná centra: Tsukubský kampus, Tokaiský kampus a Jaderné vědecké středisko ve Wako WNSC (Wako Nuclear Science Center). KEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačem je KEKB (KEK B factory, továrna na B mezony obsahující b nebo anti-b kvarky). Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 1034 cm−2s−1. Obvod obou prstenců je 3 016 m. KISS – KEK Isotope Separation System, hmotový spektrometr pro separaci izotopů těžkých prvků umístěný v japonské laboratoři KEK. Slouží k výzkumu podmínek, za nichž těžké prvky, jako je například zlato a platina, vznikají, zejména v procesech explozí supernov nebo při splynutí dvou neutronových hvězd.

Skupina japonských vědců z Nishinova vědeckého centra RNCRNC – RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Nishinovo vědecké centrum, jedna ze součástí japonské národní vědecké organizace RIKEN. Provozuje nejvýkonnější urychlovač pro těžké ionty na světě RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory)., z Institutu částicového a jaderného výzkumu IPNSIPNS – Institute of Particle and Nuclear Studies, japonský Institut částicového a jaderného výzkumu. Tento vědecký institut provozuje komplex urychlovačů KEK. Má tři výzkumná centra: Tsukubský kampus, Tokaiský kampus a Jaderné vědecké středisko ve Wako WNSC (Wako Nuclear Science Center)., laboratoře KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačem je KEKB (KEK B factory, továrna na B mezony obsahující b nebo anti-b kvarky). Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Obvod obou prstenců je 3 016 m. a dalších vědeckých subjektů publikovala v roce 2023 v prestižním časopise Physical Review Letters článek [1], v němž referuje o proměření hmotnosti řady izotopůIzotopy – prvky, jejichž jádra mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například hmotností, poločasem rozpadu atd. mezi protaktiniemProtaktinium – třetí z řady aktinoidů, radioaktivní kovový prvek. Jako první identifikovali izotop 234 Kasimir Fajans a O. H. Göhring jako produkt rozpadu uranu 238. Za objevitele jsou ale označováni Otto Hahn a Lise Meitner z Německa a Frederick Soddy a John Cranston z Velké Británie, kteří roku 1918 nezávisle na sobě oznámili objev izotopu 231 s mnohem delším poločasem rozpadu. a plutoniemPlutonium – šestý člen z řady aktinoidů, druhý transuran, silně radioaktivní toxický kovový prvek, připravovaný uměle v jaderných reaktorech především pro výrobu atomových bomb. Plutonium má poločas rozpadu přibližně 88 roků. Je využitelné rovněž jako palivo pro jaderné reaktory a jako zdroj energie pro radioizotopový termoelektrický generátor. Plutonium bylo poprvé připraveno roku 1940 dvěma vědeckými týmy bombardováním uranu 238 neutrony. V Berkeley jej připravili Edwin M. McMillan a Philip Abelson a v britské Cambridgi Norman Feather a Egon Bretscher. Plutonium je pojmenováno po trpasličí planetě Pluto.. Hmotnost nuklidůNuklidy – druhy atomových jader, určené počtem protonů a neutronů. Významem odpovídají izotopům chemických prvků. byla zjišťována hmotnostním spektrometrem KISSKISS – KEK Isotope Separation System, hmotový spektrometr pro separaci izotopů těžkých prvků umístěný v japonské laboratoři KEK. Slouží k výzkumu podmínek, za nichž těžké prvky, jako je například zlato a platina, vznikají, zejména v procesech explozí supernov nebo při splynutí dvou neutronových hvězd. v Národní laboratoři pro fyziku vysokých energií KEK. Skupině, v jejímž čele stojí Toshitaka Niwase, se podařilo objevit i zcela nový, velmi těžký izotop uranuUran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran. s hmotnostním číslem 241.

Urychlená jádra uranu byla nastřelována na terčík z platiny. Při srážce jádra uranu ²³⁸U s jádrem platiny ¹⁹⁸Pt dochází mezi jádry k odebrání či přidání většího množství nukleonů. Takové reakce se označují zkratkou MNT (MultiNucleon Transfer). Spektrometr KISS, viz [2], je navržen pro měření hmotností izotopůIzotopy – prvky, jejichž jádra mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například hmotností, poločasem rozpadu atd. vznikajících při těchto MNT reakcích. Nastřelení jádra uranu 238 na platinový terčík umožnilo změřit hmotnosti devatenácti nuklidůNuklidy – druhy atomových jader, určené počtem protonů a neutronů. Významem odpovídají izotopům chemických prvků.. Hmotnostní spektrometrie je založena na sledování pohybu jádra v magnetickém poli. Trajektorie je dána hmotností a nábojem, a protože náboje známe, je možné z pozorované trajektorie určit hmotnost izotopu. Bližší detaily k návrhu a realizaci experimentu nalezne čtenář v původním článku [1].

Spektra z hmotnostního spektrografu KISS. Jádra s různou hmotností proletí sledovaný úsek za různou dobu, z čehož lze určit jejich hmotnost. Černá křivka je měření a červená je regrese v rámci analýzy dat a odstraňování chyb. Zdroj: [1].

Výsledné hodnoty hmotnostního schodkuHmotnostní schodek – Úbytek klidové hmotnosti soustavy odpovídající vazebné energii. Pro jádro jde o rozdíl hmotnosti volných nukleonů a nukleonů vázaných v jádře.. Šedé oblasti jsou ze staršího experimentu AME2020. Některé hmotnosti byly odhadovány dle AME hodnot okolních nuklidů. Aktuální měření je značeno černými kroužky. Vidíme, že pro lehčí izotopy je nové měření horší, pro těžší naopak dosahuje mnohdy lepších hodnot. Zdroj: [1].

Naměřený hmotnostní schodek (tedy rozdíl hmotnosti jádra a samotných nukleonů) je 56,18 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. pro jádro ²⁴¹U a 58,64 MeV pro jádro ²⁴²U. V rámci experimentu se také podařilo změřit hmotnostní schodek jádra ²⁴¹Np, který činí 54,35 MeV a jádra ²⁴²Np, u něhož vyšlo 57,5 MeV. Hodnoty pro ostatní izotopy, včetně nejistot měření, lze najít v původní práci [1]. Pro navazující výzkum se nabízí využít reakce jako ²³⁸U+²³⁸U nebo ²³⁸U+²⁴⁸Cm. Uvidíme, zda se podaří v blízké budoucnosti opět posunout hranici známých izotopů a lépe pochopit procesy jejich vzniku ve vesmíru.

Odkazy