REKLAMA


 

REKLAMA


 

Ciężki, cięższy... najcięższy? Jakub Ostałowski

Ciężki, cięższy... najcięższy?

Najcięższy znany dziś pierwiastek ma liczbę atomową 118. Czy mogą istnieć jeszcze cięższe jądra atomowe? Gdzie leży granica układu okresowego pierwiastków?


Skalski_Janusz

Autorem tekstu jest Janusz Skalski
Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Warszawa
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr hab. Janusz Skalski pracuje w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ. Zajmuje się strukturą jądra atomowego, w tym jąder najcięższych. 

 


Materia wokół nas ma formę atomów: elektrycznie związanych układów złożonych z jądra oraz elektronów. Rodzaje atomów numeruje całkowita liczba atomowa Z równa liczbie protonów w ich jądrach: nr 1 to wodór, 2 – hel, 3 – lit, 4 – beryl, 26 – żelazo, 79 – złoto, 82 – ołów... Wszystko, co istnieje w znaczącej ilości na Ziemi, kończy się na numerze 92 – uranie (U). Nie wszystkie pierwiastki o liczbie atomowej Z

 

Protony, neutrony, izotopy

 

Jądro atomu o liczbie atomowej Z składa się z nukleonów: zawiera Z protonów, czyli cząstek o ładunku przeciwnym do elektronu i ok. 1836 razy większej masie, oraz pewną liczbę N neutronów – cząstek elektrycznie neutralnych, o masie nieco większej od masy protonu. Jądro związane jest przez silne przyciąganie jądrowe między nukleonami, które równoważy elektryczne odpychanie protonów. Jądra atomowe jednego pierwiastka o różnych liczbach neutronów to jego izotopy, oznaczane Z+NX, gdzie X jest symbolem pierwiastka. Na przykład atom wodoru z jednym neutronem to deuter 2H, a z dwoma neutronami – to tryt, 3H. Na Ziemi występuje zwykle po kilka izotopów jednego pierwiastka, np. chlor (Z=17) jest mieszanką35Cl i  37Cl w proporcji 3:1.

 

Masa jądra jest mniejsza od sumy mas protonów i neutronów o tzw. energię wiązania (nieco poniżej 1% masy), z grubsza proporcjonalną do liczby nukleonów (Z+N). Energia wiązania, liczona na 1 nukleon, rośnie z wartością Z dla jąder lekkich, osiąga maksimum dla żelaza i niklu, a następnie zmniejsza się powoli z powodu coraz silniejszego odpychania między protonami. Proporcja N/Z, odpowiadająca izotopowi o największej energii wiązania, wynosi 1 dla jąder lekkich i powoli wzrasta z Z. Izotopy o proporcji N/Z dalekiej od optymalnej ulegają rozpadowi β (zamianie neutronu na proton lub odwrotnie), któremu towarzyszy emisja lekkich cząstek. Wszystkie transuranowce, czyli pierwiastki cięższe od uranu, są nietrwałe; ich β-stabilne izotopy ulegają rozszczepieniu – dzielą się na dwa duże fragmenty, lub rozpadowi α – dzielą się na jądro helu i jądro potomne.

 

Od  neptunu do  Z=118

 

Historia odkrywania pierwiastków cięższych od uranu miała zaskakujące momenty. W 1938 roku Enrico Fermi dostał Nagrodę Nobla z fizyki m.in. za odkrycie pierwiastka 93: wydawało mu się, że bombardując uran neutronami, doprowadził do powstania 239U, a następnie jego rozpadu . Gdy odbierał nagrodę, Otto Hahn i Fritz Strassmann wiedzieli już, że nieoczekiwanym produktem tej reakcji jest dużo lżejszy bar (Z=56) – odkryli rozszczepienie jądrowe (choć nie do końca zdawali sobie z tego sprawę).

 

Prawdziwym odkrywcą pierwiastków transuranowych został Edwin McMillan, który wytworzył neptun, a przy tym dokładnie zidentyfikował produkty reakcji. Reakcje z neutronem, deuterem i helem pozwoliły Glennowi Seaborgowi i jego grupie w Berkeley wytworzyć kolejne aktynowce. Einstein (Es, Z=99) i ferm (Fm, Z=100) odkryto w powietrzu nad atolem Eniwetok po wybuchu bomby wodorowej w słynnej próbie w 1952 roku. Oznacza to, że podczas wybuchu niektóre jądra uranu (ładunek rozszczepialny był pierwotnym, a pewnie i wtórnym zapalnikiem syntezy wodoru) musiały przyłączyć przynajmniej po 15 i 17 neutronów, czego nikt przedtem nie przewidywał.

 

Najcięższe wytworzone pierwiastki. Nazwy pochodzą od nazwisk naukowców i wynalazców (np. 112 – od Mikołaja Kopernika) albo miejscowości lub kraju położenia laboratoriów (105 – Dubna,  110 – Darmstadt, 108 – Hesja, 116 – Livermore). Pierwiastki nienazwane oznaczane są liczebnikami łacińskimi np. Uut – Ununtrium. Wśród najdłużej żyjących izotopów nie umieszczamy danych niepotwierdzonych, jak np. stany izomeryczne:  281Ds – żyjący 3,7 m czy 289Fl –  1,1 m. Przykładowe liczby obecnie znanych izotopów:  Hs – 12, Mt – 8,  Cn – 6, Uut – 6,  Lv – 4 ,  Uuo – 1.

 

Rywalizacja USA (Berkeley) i ZSRR (Dubna) przejawiła się w kłótniach o pierwszeństwo w odkryciu pierwiastków 104, 105 i 106 – pierwszych tzw. superciężkich (Z=103 – lorens – jest ostatnim z aktynowców; superciężkimi nazywa się zwykle pierwiastki Z≥104). Pierwiastki 107-112 wytworzono w GSI Darmstadt w Niemczech w reakcjach 208Pb lub 209Bi z jonami chromu, żelaza, niklu i cynku, w których prawdopodobieństwo syntezy maleje 100 tysięcy razy między Z=102 a Z=112. Przełomowe okazało się użycie przez grupę Jurija Oganesjana z Dubnej reakcji wapnia, głównie 48Ca, z jądrami aktynowców. W tych reakcjach prawdopodobieństwo syntezy o wiele słabiej zmienia się z Z, co doprowadziło do dalszych odkryć i dzisiejszej granicy układu pierwiastków – Z=118.

 

O ile dalej można tę granicę przesunąć? To zależeć będzie od czasu życia nowych izotopów i możliwości ich syntezy. Czas, który musi upłynąć pomiędzy wytworzeniem w reakcji nowego jądra a jego rejestracją, wynosi przy dzisiejszej technice co najmniej 10 μs. Nowe jądro musi więc żyć przynajmniej tak długo. Synteza staje się procesem coraz rzadszym ze wzrostem Z – trzeba czekać miesiącami na zarejestrowanie kilku łańcuchów rozpadów (głównie α) wytworzonego jądra i jego potomnych. Ponieważ z eksperymentu poznajemy tylko energie rozpadów i czasy życia, nasza wiedza o jądrach superciężkich opiera się w wielkim stopniu na teoretycznych przewidywaniach ich struktury oraz rozpadów. Takimi właśnie przewidywaniami zajmujemy się w naszym zespole w NCBJ.

 

Magiczne jądra

 

Ze względu na złożoność oddziaływań jądrowych oraz dużą liczbę nukleonów przewidywania opierają się na modelach uproszczonych. Istotną cechą wszystkich modeli jest występowanie deformacji kształtu jąder. Zależność energii wiązania od deformacji jest kluczowa dla badania stabilności, szczególnie ze względu na rozszczepienie.Analiza wymaga rozważenia wszystkich istotnych deformacji. Pominięcie którejś prowadzi do dramatycznego przecenienia czasów życia, co, jak pokazują nasze wyniki, stanowi główną przyczynę przeszacowań stabilności dawniej i dziś.

 

Choć używane modele są dopasowane do właściwości znanych jąder, ich wyniki dla Z>110 różnią się; ekstrapolacja nie jest jednoznaczna. Głównym powodem są różne przewidywane liczby magiczne poza ołowiem, szczególnie ta dla protonów. Liczby magiczne to takie liczby nukleonów, dla których energia wiązania na nukleon jest większa niż dla liczb sąsiednich; są to 2, 8, 20, 50, 82 oraz 126 dla neutronów. Np. 208Pb (Z=82, N=126) jest szczególnie stabilnym jądrem podwójnie magicznym.

 

Dziś nie jesteśmy pewni, które Z, 114 czy 126, odpowiada większej stabilności ze względu na rozszczepienie. Wiemy jednak, że czasy życia jąder superciężkich są istotnie skrócone przez rozpad α. Decyduje on o stabilności jąder wokół 300120, na których syntezie skupione są obecne wysiłki.

 

Spowolnić rozpad?

 

Czy mogą istnieć jakieś superciężkie izotopy, których rozszczepienie i rozpad byłyby spowolnione ze względu na ich szczególną strukturę? Szczególnie ciekawe byłyby czasy życia rzędu sekund lub minut, gdyż umożliwiają analizę właściwości chemicznych pojedynczych atomów radioaktywnych, np. pierwsze takie eksperymenty z flerowem (2007-2012 r.) wskazują na jego własności pośrednie między metalami a gazami szlachetnymi. Wiemy, że rozszczepienie jest spowolnione dla nieparzystej liczby nukleonów. Z kolei rozpad jest spowalniany przez różnicę struktury stanów początkowego i końcowego (tzn. jądra Z-2, N-2), która może wynikać z ich bardzo różnych deformacji lub różnego sprzężenia momentów pędu nukleonów. Okazało się, że wiele modeli przewiduje obie różnice dla izotopów Z=119, 120 o N=165, 166 (kształty spłaszczonej sferoidy o stosunku osi 3:2 oraz lekko wydłużone dla jąder -potomnych) oraz różnice w sprzężeniach momentów pędu w okolicach Z=109, N=163. Synteza tych pierwszych izotopów jest obecnie nieosiągalna. Czasy życia drugich zostaną być może sprawdzone doświadczalnie. Sprawdzaliśmy również, czy mogą istnieć jakieś bardziej stabilne jądra o Z>126. Okazało się, że wyniki istotnie zależą od modelu. W takim, w którym 126 jest liczbą magiczną dla protonów, szansę na mierzalne czasy życia miałyby jądra nieparzyste wokół Z=134, N=228, o kształtach spłaszczonej sferoidy. Niestety, nikt nie ma pojęcia, jak stworzyć tak ciężkie obiekty. Podobnie niesprawdzalne wydają się dziś wcześniejsze sugestie stabilności układów o nietypowych rozkładach gęstości, o Z≈500 i więcej.

 

Paweł Adamów wg. wg. GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, S.Heinz.

 

Możliwe, że najcięższy pierwiastek, jaki da się wyprodukować i zidentyfikować, zostanie określony przez granice możliwości syntezy. Już synteza pierwiastka Z=120 wymaga pocisku cięższego od 48Ca (nie da się zrobić tarczy z fermu), co dotychczas nie dało rezultatów. Możliwe jednak, że Przyroda przygotowała dla nas kolejną niespodziankę.

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Mizerski S., Polityka (25 VIII 2005). Wywiad z prof. A. Sobiczewskim.
Sobiczewski A. (2001). Postępy Fizyki, 58, 52.
Jachimowicz P., Kowal M., Skalski J. (2011). Phys. Rev. C 83, 054302.
Brodziński W., Skalski J. (2013). Phys. Rev. C 88, 044307.


© Academia nr 1 (41) 2015

 

 

Oceń artykuł
(3 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia jedzenia antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finanse finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa inżynieria żywności język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kooperatyzm kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleogeografia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl