Zvětšit obrázek

Vlajkové lodě pracovišť jadrového výskumu plují od známé pevniny, na které jako nejtěží mezi nejstabilnějšími prvky dominuje olovo ²⁰⁸Pb ₁₂₆ (s 82 protóny a 126 neutróny) přes moře nestability dobývat předpokládaný ostrov stability, na kterém kraluje izotop ²⁹⁸114.
Kredit: Lawrence Livermore National Laboratory

Zjednodušený pohled na stavbu atomu vede k domněnce, že jádra radioaktivních prvků se samovolně rozpadají tím dřív, čím víc nukleonů, tedy protonů a neutronů se v nich tísní. Podle starších modelů by těžká atomová jádra, s počtem protonů nad 100 neměla vůbec existovat, protože by v nich odpudivé coulombovské síly – síly působící mezi elektrickými náboji – okamžitě zapříčinily jeho rozpad. Kvantový pohled do atomu však přinesl i nové modely struktury jádra. Má, podobně jako elektronový obal, svou vnitřní slupkovou vnitřní stavbu, která zvýhodňuje jisté konfigurace nukleonů. Díky nim mají některé izotopy supertěžkých prvků šanci žít mnohem déle, než je v jejich okolí periodického systému zvykem. I jádro se skládá z konkrétních energetických hladin, oddělených energetickou „propastí“, kterou může částice překonat jenom, když si někde půjčí dostatek energie. Protony i neutrony zaplňují své „slupky“ (energetické hladiny) podle kvantovo - mechanických pravidel, například podle Pauliho vylučovacího principu. Jádro s akorát plně obsazenými protonovými i neutronovými vrstvami (slupkami) je stabilnější. Takový „ideální“ počet protonů, nebo neutronů se označuje jako magické číslo a pro oba typy nukleonů má hodnoty 2, 8, 20, 28, 50, 82, pro neutrony pak i 126. Všechna magická čísla jsou sudá. V přírodě neexistuje stabilní prvek těžší než dusík ₇N, který by měl obě hodnoty – počet protonů i počet neutronů liché.

Když jsou obě čísla magická, izotop je výjimečně stabilní. V přírodě je jich známých několik: héliu-4 (⁴He), kyslík-16 (¹⁶O), vápník-40 (⁴⁰Ca), vápník-48 (⁴⁸Ca), nikl-48 (⁴⁸Ni) a olovo-208 (²⁰⁸Pb). S 82 protony a 126 neutrony je poslední člen vyjmenované řady, „věčný“ izotop olova (²⁰⁸Pb) nejtěžším známým prvkem s dvojitým magickým číslem.

Američtí a v zápětí i ruští vědci v polovině šedesátých let minulého století překročili bariéru v přírodě se vyskytujících prvků a předpověděli, že další dvojitě magické jádro v pořadí má izotop radioaktivního, supertěžkého prvku se 114 protony a 184 neutrony. Měl by být králem panujícím v centru takzvaného ostrova stability, omývaného mořem nestability. Obyvatelé ostrova stability – prvky kolem izotopu ²⁹⁸114₁₈₄ (184 neutronů) by měly být výjimečně „dlouhověké“. Konkrétní informace o nich však chybí, původní teorie odhadovaly hodnoty jejich poločasů rozpadu v milionech, dokonce i v miliardách let. Pozdější výpočty a modely tyto velkorysé doby radikálně snížily na sekundy až minuty.

Zvětšit obrázek

3D stvárnění ostrova stabiliy.
Kredit Wikimedia

Doteď však neznáme jejich jednoznačné hodnoty – pro „krále“ – izotop ²⁹⁸114₁₈₄ se uvádí poločas rozpadu kolem 10 minut.
Označit takové prvky za stabilní se asi zdá být nadnesené. Ostrov stability je však omýván mořem nestability, které obývají izotopy s mnohem kratšími poločasy rozpadu v mikro- a milisekundách.

Jaderní fyzici se snaží v urychlovačích doslova stvořit izotopy z ostrova stability a to pomocí srážek jader lehčích atomů. Dvojnásobně magický izotop se ²⁹⁸114₁₈₄ jim zatím uniká, protože nejsou vhodné izotopy lehčích prvků pro fúzní reakci, ale jeho „příbuzní“ – izotopy prvku 114, ale s menším počtem neutronů již odhaleny a opakovanými experimentaci potvrzeny byly.

V listopadu 1998, ve Spojeném institutu jaderního výzkumu v ruské Dubně (Объединённый институт ядерных исследований) prováděl mezinárodní rusko – německo – slovensko (prof. Štefan Šáro) – italsko – japonský tým experiment, při kterém vědci po 40 dnů ostřelovali terčík s izotopem plutonia ²⁴⁴Pu (94 protonů, 150 neutronů) ionty dvojitě magického vápníku ⁴⁸C (20 protonů a 28 neutronů). Ve fúzních produktech objevili pouze jedno jádro prvku 114, které identifikovali jako izotop ²⁸⁹114, se 175 neutrony (o 9 neutronů méně, než je magické neutronové číslo). Na stanovení poločasu rozpadu by bylo nevyhnutné vyprodukovat mnohem více jader prvku, experiment odhalil jenom délku života toho jediného vzniknutého jádra – 30,4 sekundy, po kterých vyzářilo alfa částici a proměnilo se na jádro vysoce radioaktivního izotopu 112.

Tentýž tým pak urychlenými vápníkovými ionty ostřeloval i lehčí izotop plutonia - ²⁴²Pu. Výsledkem fúze byly i dvě jádra ²⁸⁷114 s 173 neutrony, což je o 11 méně, než magické číslo. Jejich poločas rozpadu byl 5,5 sekundy. Vědecký článek s výsledky publikoval v roce 1999 časopis Nature.

Zvětšit obrázek

Mezinárodní tým vědců seskupených nejen na fotce, ale i kolem experimentu v Helmholtzově centru pro výzkum těžkých iontů v Darmstadtu. Potvrdili vznik izotopů ²⁸⁹114 a ²⁸⁸114 ve fúzní reakci ²⁴⁴Pu + ⁴⁸Ca. Větší foto.
Kredit: GSI Darmstadt

Po deseti letech byly oba experimenty zopakovány v jiných laboratořích. Nejen verifikují původní závěry, ale i přinášejí nové poznatky. Ten první z experimentů – reakci ²⁴⁴Pu + ⁴⁸Ca zopakoval mezinárodní německo – americko – britsko – finsko – švédsko – norsko – indický tým v německém Darmstadtu, v Helmholtzově centru pro výzkum těžkých iontů (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH). Jako týmu v Dubně před deseti lety, taky i jim se podařilo vytvořit izotop prvku 114 se 175 neutrony (²⁸⁹114), ale i izotop se 174 neutrony (²⁸⁸114). Protože čísla 289 a 298 opticky klamou, připomínáme, že dvojnásobně magické číslo je ²⁹⁸114, se 184 neutrony).

Zvětšit obrázek

Tým, který v kalifornské Berkeleyho laboratoři zopakoval jadernou syntézu ²⁴²Pu + ⁴⁸Ca a vznik izotopů ²⁸⁶114 a ²⁸⁷114, zleva: Jan Dvořák, Zuzana Dvořáková, Paul Ellison, Irena Dragojevič, Heino Nitsche, Mitch Andre Garcia a Ken Gregorich. Na obrázku chybí Liv Stavestra.
Kredit: Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Creative Services Office

V časopisu Physical Review Letters právě vychází článek o úspěšném opakování druhého ruského experimentu – jaderné fúzi plutonia ²⁴²Pu a vápníku ⁴⁸Ca. Výsledkem 8denního, téměř nepřetržitě probíhajícího pokusu byla detekce jenom dvou atomů izotopů prvku s protonovým číslem 114 : ²⁸⁶114 a ²⁸⁷114, tedy se 172 a 173 neutrony (12 a 11 neutronů pod magickou hodnotou). Experiment uskutečnili vědci známé Laboratoře Lawrence Berkeleyho v Kalifornii (i když jména některých mladších členů týmu, například Jan Dvořák, Zuzana Dvořáková, Irena Dragojevič, Mitch Andre Garcia, napovídají, z které země pocházejí). „Jejich“ lehčí jádro ²⁸⁶114 vyzářilo za pouhou desetinu sekundy alfa částici, tedy jádro helia a změnilo se na jádro izotopu 112. Těžší jádro ²⁸⁷114 „přežilo“ pětkrát déle a alfa částici uvolnilo až za asi půl sekundy.

Zdroje:  ScienceDaily , materiál z Lawrence Livermore National Laboratory , Physical Review Letters , Nature , GSI Darmstadt  , Wikipedia