Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 13 (vyšlo 23. dubna, ročník 8 (2010)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Stosedmnáctý prvek objeven

Miroslav Havránek

Periodická tabulka prvků obsahuje 94 prvků vyskytujících se v přírodě (poslední dva v minimálním množství) a 24 prvků vyrobených uměle v částicových laboratořích. Jednotlivé prvky se od sebe liší počtem protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. obsažených v jádře. Atomy jsou elektricky neutrální objekty – obsahují stejný počet protonů v jádře jako elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. v elektronovém obalu. Přestože se protony přímo neuplatňují v chemických vazbách, tak jejich počet v jádře určuje chemické vlastnosti prvku. Výzkumem supertěžkých prvků se zabývají vědci v laboratoři JINRJINR – Joint Institute for Nuclear Research, mezinárodní částicová laboratoř v Dubně v Rusku založená v roce 1956. Mezi 18 členských zemí patří také Česká republika. Laboratoř vlastní několik urychlovačů – Nuklotron, cyklotrony U-400 a U-400M, fázotron a také jaderný reaktor IBR-2 pro produkci neutronových pulzů. Mezi nejvýznamnější objevy patří identifikace prvků s protonovými čísly 113 až 118. v Dubně v Rusku. Zde byly objeveny prvky s protonovými čísly 113 až 116 a 118. Díky experimentům prováděným v minulém roce v JINR se podařilo rusko-americkému týmu vědců připravit chybějící prvek s protonovým číslem 117 a pracovním názvem ununseptium (způsob přiřazování pracovních názvů prvků je vysvětlen v bulletinu AB 44/2004).

JINR – Joint Institute for Nuclear Research, mezinárodní částicová laboratoř v Dubně v Rusku založená v roce 1956. Mezi 18 členských zemí patří také Česká republika. Laboratoř vlastní několik urychlovačů – Nuklotron, cyklotrony U-400 a U-400M, fázotron a také jaderný reaktor IBR-2 pro produkci neutronových pulzů. Mezi nejvýznamnější objevy patří identifikace prvků s protonovými čísly 113 až 118.

Protonové číslo Z – udává počet protonů v atomovém jádře prvku.

Nukleonové číslo A – udává počet nukleonů (neutronů a protonů) v atomovém jádře prvku.

Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).

Cyklotron – slouží k urychlování nabitých částic, které jsou vedeny na kruhové dráze pomocí magnetického pole. Vlastní urychlování probíhá vysokofrekvenčním elektrickým polem v mezeře mezi elektrodami (duanty). Opakovaným průchodem dochází k urychlování. Prvního předchůdce cyklotronu postavil roku 1929 až 1931 americký fyzik Ernest Lawrence z University of California.

Atomové jádro

Atomové jádro je vázaným stavem protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.neutronůNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron., které drží pohromadě zbytková silná interakce. Pro detailnější představu lze využít analogie mezi atomemAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10−10 m, rozměry jádra 10−14 m, hustota atomu je 1011 g·cm−3, hustota jádra 1014 g·cm−3. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. a jádrem (elektromagnetickou a silnou interakcí). Atom se z „velké“ vzdálenosti jeví elektricky neutrální. Pokud se ale podíváme „zblízka“, zjistíme, že elektrické pole v malé vzdálenosti od atomu nemusí být nulové, a to díky rozdílu v poloze elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. a jádra. Tímto způsobem může elektricky neutrální atom navázat jiný atom (jedná se o Van der Waalsovy síly). Podobným způsobem drží pohromadě atomové jádro. Silná interakce pevně váže kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce., nositele barevného náboje, uvnitř „bezbarvých“ protonů a neutronů. Díky nebodové struktuře nukleonůNukleon – společný název pro částice jádra (protony a neutrony). Jde o baryony složené z kvarků „u“ a „d“. vzniká zbytková síla, která přemůže elektrické odpuzování protonů uvnitř jádra. Ve zmíněné analogii lze zajít ještě dále – jádro je možné (podobně jako atom) excitovat. Při deexcitaci dochází k emisi gama záření (o energii typicky několik MeV), zatímco při deexcitaci atomu je energie záření o několik řádů nižší. Díky elektrickému odpuzování protonů není možná existence jádra s libovolným počtem protonů. Těžší jádra jsou nestabilní a rozpadají se. Existují však mimořádně stabilní jádra, kde počet protonů a neutronů je 2, 8, 20, 28, 50, 82 nebo 126. Tato čísla se nazývají magická číslaMagická čísla – 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 udávají počty protonů nebo neutronů, které vytvoří v jádře zaplněnou slupku. , která souvisí s obsazováním energetických hladin nukleony uvnitř jádra. Tyto hladiny jsou organizovány do takzvaných slupek. Každá slupka obsahuje několik blízkých energetických hladin. Jádro je nejstabilnější, pokud jsou slupky plně obsazeny nukleony. Teoreticky očekávaným, ale zatím experimentálně neověřeným pokračováním řady magických čísel je číslo 184. Jádra s počtem neutronů blízkým tomuto číslu by byla výjimečně stabilní, poločasy rozpadu by mohly dosáhnout několika minut, možná i milionů let. Souboru stabilních jader s počtem neutronů blízkým 184 se říká ostrov stability.

Stabilita jader

Závislost stability jader na počtu protonů a neutronů. V pravé části obrázku
je patrný ostrov stability. Zdroj: Wikipedia.

Objev nového prvku

Týmu vědců v laboratoři JINRJINR – Joint Institute for Nuclear Research, mezinárodní částicová laboratoř v Dubně v Rusku založená v roce 1956. Mezi 18 členských zemí patří také Česká republika. Laboratoř vlastní několik urychlovačů – Nuklotron, cyklotrony U-400 a U-400M, fázotron a také jaderný reaktor IBR-2 pro produkci neutronových pulzů. Mezi nejvýznamnější objevy patří identifikace prvků s protonovými čísly 113 až 118. se podařilo připravit doposud nepozorovaný prvek s protonovým číslem 117, a to hned dva jeho izotopyIzotopy – 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.nukleonovými číslyNukleonové číslo A – udává počet nukleonů (neutronů a protonů) v atomovém jádře prvku. 293 a 294. Nový prvek vznikl jadernou syntézou při ostřelování terčíku z berkeliaBerkelium – devátý člen řady aktinoidů, pátý transuran, silně radioaktivní kovový prvek, připravovaný uměle ozařováním jader americia. Berkelium bylo poprvé připraveno v roce 1949 bombardováním Am 241 částicemi α v cyklotronu jaderné laboratoře kalifornské univerzity v Berkeley. Vznikl izotop Bk 243 s poločasem rozpadu 4,5 hodiny. Za jeho objevitele jsou označováni Glenn T. Seaborg, Stanley G. Thompson a Albert Ghiorso. 249Bk jádry vápníkuVápník – Calcium, nejvýznamnější prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, lehký, velmi reaktivní kov. Vápenaté sloučeniny jsou lidstvu známy již od starověku - pálením vápence nebo mramoru lze získat pálené vápno. Vápník poprvé připravil sir Humphry Davy roku 1808 elektrolýzou vápenatého amalgámu. 48Ca. Berkelium bylo připraveno v Oak Ridge National Laboratory v americkém státě Tennessee. Za 250 dní ozařování americiaAmericium – sedmý člen řady aktinoidů, třetí transuran, silně radioaktivní kovový prvek, připravovaný uměle v jaderných reaktorech především z plutonia. Americium bylo poprvé připraveno roku 1944 bombardováním Pu 239 neutrony v jaderné laboratoři chicagské university. Za jeho objevitele jsou označováni Glenn T. Seaborg, Leon O. Morgan, Ralph A. James a Albert Ghiorso.kaliforniaKalifornium – Californium, desátý člen řady aktinoidů, šestý transuran, silně radioaktivní kovový prvek, připravovaný uměle ozařováním jader curia. Kalifornium bylo poprvé připraveno v roce 1950 bombardováním izotopu curia Cm 242 částicemi α v cyklotronu jaderné laboratoře kalifornské univerzity v Berkeley. Vznikl tak izotop Cf 245 s poločasem rozpadu 44 minut. Za jeho objevitele jsou označováni Glenn T. Seaborg, Stanley G. Thompson a Albert Ghiorso. silnými dávkami neutronů z jaderného reaktoru vědci získali pouhých 22,2 mg berkelia. Tento materiál byl nanesen ve formě oxidu na velmi tenkou titanovouTitan (prvek) – Titanium, šedý až stříbřitě bílý lehký kov, poměrně hojně zastoupený v zemské kůře. Je poměrně tvrdý a mimořádně odolný proti korozi. Jeho výrazně většímu technologickému uplatnění brání doposud vysoká cena výroby čistého kovu. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin a protikorozních ochranných vrstev, ve formě chemických sloučenin slouží často jako složka barevných pigmentů. Titan byl objeven roku 1791 anglickým chemikem Williamem Gregorem. fólii. Terčík se otáčel s frekvencí 1 600 otáček za minutu v rovině kolmé na svazek jader vápníku 48Ca urychlených na energie 247 a 252 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) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Vápník 48Ca je bohatý na neutronyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. a současně velmi stabilní, protože počet protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. (20) i počet neutronů (28) odpovídá magickým číslům, což z něho dělá ideální projektil pro výrobu těžkých jader. Terčík byl takto ozařován přibližně 150 dní. Za tuto dobu bylo pozorováno pět izotopů 293Uus a jeden izotop 294Uus.

U 400

Pohled na cyklotron U-400, který urychloval jádra vápníku 48Ca. Hlavní součástí
cyklotronu je mohutný magnet o průměru 4 m a indukci 2,1 T. Zdroj: JINR

Přítomnost nového prvku se prokázala zkoumáním srážkových produktů. Celý experiment proběhl na zařízení DGFRS (Dubna Gass Filled Recoil Separator), kam se přiváděl svazek urychlených jader 48Ca z cyklotronu U-400. Následkem srážek těchto částic s terčíkem vznikala celá řada těžkých jader. Těžká jádra byla separována v magnetickém poli, úhel zakřivení jejich dráhy byl mnohem menší než v případě 48Ca. Těžká jádra byla pak dále vedena k detektorům, kde se přesně změřil čas průletu částice a dále ke křemíkovým detektorům, kde se jádra díky své enormní hmotnosti pohltila a změřila se tak jejich poloha s přesností 1,2 mm. Jádro uvězněné v detektoru časem projde sérií rozpadů. Vědci pozorovali rozpadové řady odpovídající dvěma izotopům nového prvku s protonovým číslem 117. Tato jádra se rozpadají emitováním alfa částic (alfa rozpadAlfa rozpad – proces, při kterém se radioaktivní jádro posouvá ke stabilnější energetické konfiguraci emisí jádra 4He, tzv. alfa částice.). Při každém rozpadu jádro ztratí dva protony a dva neutrony – tedy alfa částici o charakteristické energii pro dané jádro. Měřením energie alfa částic byly zjištěny rozpadové řady odpovídající novému prvku.

Rozpady

Rozpadové řady dvou izotopů Uus. Jádra se rozpadají alfa rozpadem. Modré hodnoty odpovídají teoreticky předpovězeným energiím alfa částic a poločasům rozpadu, zatímco černé hodnoty odpovídají naměřeným údajům. Zdroj: Physical Review Letters

Izotopy prvků 111, 113, 115, 117 vykazují neobvyklý růst poločasu rozpadu s rostoucím počtem neutronů v jádře. Zdá se tedy, že se tato jádra nacházejí na dohled ostrova stability.

Závěr

Budoucí výzkum supertěžkých jader bude směřovat k prokázání existence ostrova stability. Těžké prvky s dlouhým poločasem rozpadu umožní zkoumání jejich chemických vlastností, mohou se také stát novými zdroji záření používanými nejen v experimentální jaderné fyzice. Pokud jádra z oblasti ostrova stability mají extrémně dlouhý poločas rozpadu (miliony let) bude skutečnou výzvou prokázat existenci takových prvků v přírodě. Jádra s dlouhým poločasem rozpadu bude možné využít ke zpřesnění současných metod datace. Přítomnost stabilních supertěžkých jader v přírodě by také mohla mnohé napovědět o historii hmoty, ze které je složena ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičićovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru..

Literatura

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage