Budova továrny na supertěžké prvky SHE factory (zdroj SÚJV Dubna).

Příští rok bude výročí spojené s Mendělejevovou tabulkou prvků. Jednou z událostí, kterou můžeme chápat jako oslavu tohoto výročí, je zahájení provozu nové laboratoře pro studium těch nejtěžších prvků na hranici této tabulky. Její akronym je SHE factory (SuperHeavy Element factory) a je součástí Laboratoře jaderných reakcí Spojeného ústavu jaderných výzkumů (SÚJV) Dubna, který je nedaleko Moskvy. Zde probíhá úspěšný výzkum supertěžkých prvků za uranem již déle než půl století. Pět nejtěžších prvků z těch do dneška známých bylo objeveno právě v této instituci. Bylo to ve spolupráci s americkými ústavy, které dodaly potřebné terče z transuranů (aktinidů). Tyto terče byly ozařovány svazkem vápníku ⁴⁸Ca.

Podařilo se dosáhnout protonového čísla 118 a neutronového až 177. U toho neutronového jsme zatím pořád poměrně daleko od předpokládaného magického čísla 184. Celkově se za tu dobu v Dubně poprvé studovalo více než 50 nových izotopů prvků 104 až 118. Pomocí studia jejich vlastností se podařilo experimentálně potvrdit existenci očekávaného ostrova stability okolo protonového čísla 114 a neutronového 184. U prvků až po flerovium s počtem protonů 114 se podařilo zkoumat i jejich chemické vlastnosti. Podrobný popis historie a způsobů produkce supertěžkých prvků je v přehledovém článku na Oslovi. Teoretická analýza možných chemických vlastností prvku oganessonu, který uzavírá sedmou periodu a měl by být blízký vzácným plynům, je zde.

Zároveň se tak vynořila celá řada nových otázek. Existují ještě těžší prvky než ty, které se podařilo zatím produkovat? Existuje za objeveným ostrovem stability ještě nějaký další? Jaká mohou být ta nejtěžší jádra? Formují se supertěžké prvky během hvězdné nukleosyntézy, tedy v supernovách a při splynutí neutronových hvězd? A v jakém množství? Jaká je struktura elektronového obalu ve stále intenzivnějším elektrickém poli jádra? Jsou chemické vlastnosti supertěžkých prvků podobné těm, které mají jejich lehčí homology? Kde je limita Mendělejevovy periodické tabulky prvků?

Magnet, který v SHE factory distribuuje svazek k jednotlivým experimentálním zařízením před instalací (zdroj JINR Dubna).

Pro odpovědi na tyto otázky je potřeba významné vylepšení stávajících zařízení nebo vybudování úplně nových. A právě nová laboratoř SHE factory patří k těm, které by mohly znamenat nový posun v této oblasti. Nová jádra se získávají splynutí iontu urychleného na urychlovači a jádra terče. Energie iontů svazku musí být dostatečná, aby překonala odpudivé síly mezi oběma jádry. Zároveň však nesmí být příliš vysoká, aby velký přebytek energie nevedl k rozbití vzniklého složeného jádra.

Nový urychlovač DC-280

Jeho klíčovým zařízením je cyklotron s velmi vysokou intenzitou svazku DC-280, který má umožnit urychlovat ionty až po nukleonové číslo 238, energie 10 MeV na nukleon a proudy až 20 mikroampérů. U vápníku ⁴⁸Ca by se mělo dosáhnout až 10¹⁴ iontů za sekundu. Předpokládají se velmi kvalitní svazky s intenzitou o řád i dva vyšší, než bylo možné doposud. Srdcem cyklotronu je magnet o hmotnosti 1000 tun, který umožňuje vytvořit magnetické pole s intenzitou mezi 0,6 až 1,35 T. Spotřeba magnetu je 300 kW. Zdroj vysokofrekvenčního pole má spotřebu 2x30 kW.

Další magnet pak umožňuje nasměrovat urychlené ionty do jedné z pěti tras svazku, na kterých budou vybudována příslušná experimentální zařízení. Půjde o různé separátory, které umožní oddělit a identifikovat hledané supertěžké prvky. Jednou z nově využívaných metod bude laserová ionizace a spektrometrie, která umožňuje identifikovat daný atom a studovat jeho elektronový obal. Na jiné trase budou zařízení pro rychlou chemickou analýzou s využitím jednotlivých atomů. Ke zvýšení potenciálu produkce supertěžkých jader tak přispěje nejen výkonnější urychlovač, ale také efektivnější metody separace a analýzy. Další zlepšení přinese i příprava lepších transuranových terčů, na které se pracuje v USA.

Schéma nové továrny na supertěžké prvky SHE factory (zdroj JINR Dubna).

Zajímavostí pro nás určitě je, že jednou z důležitých dodavatelských firem je podnik Vakuum Praha, který vyrobil velmi důležité části vakuových systémů. Tato česká firma je v SÚJV Dubna již velice dobře etablovaná.

Co a jak se bude zkoumat?

Pro produkci ještě těžších prvků, než je oganesson s protonovým číslem 118, potřebujeme využívat ty nejtěžší terče. V současné době je tím maximem izotop transuranu kalifornia ²⁴⁹Cf s protonovým číslem 98. Tento prvek má izotopy s poločasem rozpadu v řádu stovek let. Další prvek einsteinium a prvky ještě těžší už mají pouze izotopy s poločasem rozpadu v řádu jednoho roku a méně. Možnost vytvoření a využívání terče z takového materiálu je tak velmi problematická. U terče je tak počet protonů 98 nejspíše hranicí.

Pro získání atomu těžších než oganesson se tak musí přejít k těžším iontům svazku, než je doposud využívaný izotop vápníku ⁴⁸Ca, například k izotopům ⁵⁰Ti, ⁵⁴Cr, ⁵⁸Fe a ⁶⁴Ni. Jde o jádra, která mají sudé počty protonů a neutronů a blízké magickým Zajistí se tak snížení excitační energie vzniklého složeného jádra a potlačení pravděpodobnosti jeho rozštěpení. Je třeba zároveň dosáhnout co nejvyšší intenzity svazků těžkých iontů, protože pravděpodobnost produkce takto těžkých složených jader je velmi malá. Už se zkoušela produkce prvku 120 v reakci ⁵⁴Cr+²⁴⁸Cm a 119 v reakci ⁵⁰Ti+²⁴⁹Bk. I proběhlé experimenty ukazují, že pravděpodobnost jejich produkce je nejméně dvacetkrát nižší než produkce prvků 114 (flerovium) a 115 (moscovium) pomocí svazku ⁴⁸Ca.

Kombinace zmíněných transuranových terčů a popsaných svazků umožňuje využít metodu slučování takzvanou horkou fúzí. V tomto případě jde o pokračování cesty, která umožnila produkovat prvky předchozí. Tedy ty, které mají počet neutronů mnohem nižší, než je zmíněné magické číslo 184. Abychom se k němu dostali blíže, bylo by potřeba využít svazky s velkým přebytkem neutronů. Ty jsou ovšem radioaktivní a bohužel je dokážeme produkovat jen s o mnoho řádů nižší intenzitou, než by bylo potřeba. Tato cesta tak nebude možná ani na SHE factory.

Jedno z nových zařízení – rychlostní filtr SHELS (Separator for Heavy ELemental Spectroscopy) (zdroj JINR Dubna).

Další připravované experimenty by tak měly využívat nové metody založené na přenosu nukleonů mezi velmi těžkými svazky a terči. V tomto případě by se mohla využít například kombinace ¹³⁶Xe+²⁰⁸Pb nebo ²³⁸U+²⁴⁸Cm. Problém je, že je možný velký počet kombinací výsledných jader a pravděpodobnost vzniku toho cílového supertěžkého jádra je tak velmi malá. Jsou tak třeba velmi intenzivní svazky. Navíc se vytváří velmi vysoké pozadí široké škály ostatních vznikajících jader a jsou třeba velmi účinné metody separace a identifikace
toho hledaného.

Ještě důležitějším úkolem nové továrny na supertěžké prvky než produkce nových je podrobné studium vlastností těch již známých. Je nutné připravit jejich další izotopy a prozkoumat podrobně jejich vlastnosti, způsoby rozpadu, doby života a jejich strukturu. Porovnáním a extrapolací jejich vlastností lze usuzovat na to, jak vypadá ostrov stability, ke kterému se blížíme. Dalším cílem je detailní analýza jejich chemických vlastností. Zajistí to vysoká intenzita svazku, která umožní produkovat prvky a jejich izotopy v o řád až dva vyšším množství. Tedy těch, u kterých máme nyní jeden až deset kousků, budou stovky až tisíce.

Hmotový separátor MASHA umožňuje separaci a analýzu supertěžkých prvků (zdroj SÚJV Dubna).

Již v letošním roce by měly být zahájeny v továrně na supertěžké prvky SHE factory první experimenty syntézy supertěžkých prvků s využitím svazku ⁵⁰Ti. Bude se ozařovat terč z plutonia ²⁴⁴Pu. V tomto případě se budou studovat izotopy prvku livermoria s protonovým číslem 116. V dalších letech se přejde k výzkumu dalších prvků a jejich izotopů.

Modernizace dalších zařízení

V SÚJV Dubna dochází ve stejné době i k modernizaci stávajících zařízení. I doposud využívaný urychlovač U400 tak bude mít vyšší intenzitu a kvalitu svazku. Zlepšují se i sestavy detektorů, které jeho svazky využívají. Obě zařízení se tak budou nejméně po jistou dobu vzájemně doplňovat. Cestou vylepšení se vydalo i japonské zařízení v laboratoři Riken. To má na svém kontě prvek 113 nihonium. Parametry jeho urychlovače se zlepšily pětkrát a nyní se zde začalo pracovat na produkci prvku 119. Zlepšují se i parametry zařízení v německé laboratoři GSI Darmstadt a americkém Berkeley. Je třeba také zdůraznit, že zařízení i fyzikové, kteří na nich pracují, spolu intenzivně spolupracují. Můžeme se tak určitě těšit na nové objevy a zajímavosti v tomto oboru, které se určitě budou objevovat i na Oslovi.

Pamětní tabule prvku 113 nihonium na cestě do japonské laboratoře Riken (zdroj Royal Society of Chemistry).

Závěr

Spuštění továrny na supertěžké prvky SHE faktory na konci tohoto roku a její rozběh v roce příštím je nejvhodnější oslavou stopadesátého výročí publikace Mendělejevovy periodické tabulky prvků. Dá se předpokládat, že v následujících pěti letech se podaří syntetizovat prvky 119 a 120. Zároveň se prozkoumají chemické vlastnosti již známých prvků. Toto výročí jsme se s kolegy rozhodli oslavit i v rámci současného výročního 60. ročníku Fyzikální olympiády. Vytvořili jsme pro středoškoláky návod pro kategorii A této olympiády, který se zaměřuje na fyziku související právě se získáváním a zkoumání supertěžkých prvků. Po přehledu zkoumání supertěžkých prvků se v návodu na konkrétních řešených příkladech ukazuje fyzika související se základními vlastnostmi mikrosvěta, jader, urychlovačů, rozpadů jader a elektronového obalu v závislosti na protonovém čísle. V každém kole kategorie A budou navíc jeden nebo dva příklady na toto téma. Kdo bude mít zájem, může do návodu nahlédnout a zkusit si, jak se mu bude dařit rozebírané příklady řešit.

Čeští a slovenští fyzikové, chemici i studenti jsou zapojení do výzkumu v SÚJV Dubna, ale také třeba v GSI Darmstadt. Takže je možné, že současní řešitelé fyzikální olympiády se budou v budoucnu podílet i na objevech pomocí továrny na supertěžké prvky SHE factory.

Video: Prohlídka SHE factory

Video: Populární přednáška o zkoumání supertěžkých prvků