Ostrov stability

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Ostrov stability je v jaderné fyzice předpověď skupiny těžkých izotopů s počtem nukleonů blízkým magickým číslům, která dočasně zvrátí trend klesající stability chemických prvků těžších než uran. Předpovědi umístění ostrova stability se poněkud liší, například vědci z institutu Maxe Plancka v Heidelbergu očekávají, že se ostrov stability nachází v blízkosti izotopu Unbinilium-300.[1] Odhady poločasu přeměny prvků v ostrovu stability jsou obvykle minuty či dny, některé optimistické odhady však uvádějí až miliony let.[2]

Ačkoli teorie existuje již od 60. let, existence takovýchto supertěžkých relativně stabilních izotopů dosud nebyla prokázána. Podobně jako další supertěžké izotopy se ani ty, které by se měly nacházet v ostrovu stability nevyskytují v přírodě a proto musí být vytvářeny uměle při jaderných reakcích. Žádná takováto reakce však zatím nebyla úspěšná.

S grafem izotopů protonů a neutronů s třetím rozměrem výšky představujícím vazebnou energii se může region stability zobrazit jako údolí spíše než jako ostrov. [3]

Teorie a původ[editovat | editovat zdroj]

Možnost existence ostrova stability poprvé navrhl Glenn Seaborg na konci 60. let. [4] Hypotéza vychází z jaderného slupkového modelu, což znamená, že atomové jádro je postaveno ve slupkách, podobné struktury jako mnohem větší elektronový obal. V obou případech jsou slupky jen skupiny kvantových energetických hladin, které jsou relativně blízko u sebe. Energetické hladiny kvantových stavů ve dvou různých slupkách jsou odděleny relativně velkou energetickou mezeru. Takže když počet neutronů a protonů zcela vyplňuje energetické hladiny dané slupky v jádře, vazební energie na nukleon dosáhne lokálního maxima a tím bude mít konkrétní konfigurace delší poločas přeměny než sousední izotopy, které nemají zcela zaplněné slupky. [5]

Zaplněné slupky mají "magická čísla" protonů a neutronů. Jedním z možných magických čísel neutronů pro sférické jádro je 184. A některé možná čísla pro protony jsou 114, 120 a 126. To by znamenalo, že nejstabilnější budou izotopy flerovium-298, unbinilium-304 a unbihexium-310. Za zmínku stojí izotop flerovium-298, který je dvojnásobně "magický". Jak jeho protonové číslo 114, tak neutronové číslo 184, jsou považována za magická čísla, tedy tento izotop bude mít s velkou pravděpodobností velmi dlouhý poločas přeměny. Pro zajímavost, nejbližší lehčí dvojnásobně magický izotop je olovo-208, nejtěžší známý stabilní izotop a nejstálejší těžký kov.

Nedávný výzkum ukazuje, že jsou velká atomová jádra deformovaná, což způsobuje posun magických čísel. Hassium-270 by mohlo být dvojnásobně magické deformované jádro s magickými čísly 108 a 162, jeho poločas přeměny je 3,6 sekundy. [6]

Některé izotopy byly vyrobeny s dostatečným počtem protonů na umístění v ostrovu stability, ale nedostatečným počtem neutronů, takže by se měly nacházet na "březích" ostrova. Je možné, že tyto prvky mají neobvyklé chemické vlastnosti a pokud mají izotopy s delšími poločasy přeměny, mohly by posloužit pro některé praktické aplikace jako urychlovače částic nebo neutronové zdroje. Zejména malá kritická množství transplutonických prvků (pravděpodobně gramy)by mohly v případě nalezení dalších stabilních izotopů posloužit k výrobě malých a kompaktních atomových bomb. A to buď přímo a nebo tím, že pomohou zažehnout jaderné štěpení nebo fúzi. Tato možnost motivovala výzkum a pokusy ze strany USA (operace Plowshare) a Sovětského svazu zaměřené na výrobu těchto prvků. [7]

Poločasy přeměny těžkých prvků[editovat | editovat zdroj]

Všechny známé prvky s atomovým číslem nad 82 (olovo) jsou nestabilní a stabilita (poločas přeměny nejstabilnějšího izotopu) se obecně snižuje s rostoucím atomovým číslem. Například uran s atomovým číslem 92 je poměrně stabilní, zatímco těžší prvky s atomový číslem nad 100 mají obvykle poločasy přeměny v řádu minut a kratší.

Nejstabilnější izotopy těžkých prvků i s poločasem přeměny jsou uvedeny v následující tabulce.

Známé nejstabilnější izotopy prvků 83 až 118[8][9][10]
Atomové číslo Jméno Nejstabilnější
izotop
Poločas přeměny
83 Bismut 209Bi 2 × 1019 let
84 Polonium 209Po 130 let
85 Astat 210At 8 hodin
86 Radon 222Rn 3.824 dne
87 Francium 223Fr 22.0 minut
88 Radium 226Ra 1600 let
89 Aktinium 227Ac 21.77 let
90 Thorium 232Th 1.41 × 1010 let
91 Protaktinium 231Pa 32800 let
92 Uran 238U 4.47 × 109 let
93 Neptunium 237Np 2.14 × 106 let
94 Plutonium 244Pu 8.0 × 107 let
95 Americium 243Am 7400 let
96 Curium 247Cm 1.6 × 107 let
97 Berkelium 247Bk 1000 let
98 Kalifornium 251Cf 900 let
99 Einsteinium 252Es 470 dnů
100 Fermium 257Fm 100.5 dne
101 Mendelevium 258Md 51.5 dne
102 Nobelium 259No 58 minut
103 Lawrencium 266Lr ~11 hodin
104 Rutherfordium 267Rf ~1.3 hodiny
105 Dubnium 268Db 1.3 dne
106 Seaborgium 269Sg ~3.1 minut
107 Bohrium 270Bh 3.8 minut
108 Hassium 277mHs ~130 sekund
109 Meitnerium 278Mt 7.6 sekund
110 Darmstadtium 281mDs ~3.7 minut
111 Roentgenium 282Rg 2.1 minut
112 Kopernicium 285mCn ~8.9 minut
113 Nihonium 286Nh 19.6 sekund
114 Flerovium 289mFl ~1.1 minut
115 Moscovium 289Mc 220 milisekund
116 Livermorium 293Lv 61 milisekund
117 Tennessine 294Ts 78 milisekund
118 Oganesson 294Og 890 mikrosekund

(Poznámka: Pro prvky 108–118 je nejstabilnější známý izotop vždy ten nejtěžší nebo druhý nejtěžší (115) dosud známý. Proto je pravděpodobné, že mezi těžšími neobjevenými izotopy těchto prvků existují ještě stabilnější izotopy.)

Pro srovnání nejméně stabilní izotop s atomovým číslem pod 100 je francium (atomové číslo 87) s poločasem přeměny 22 minut.

Poločasy přeměny jader v ostrově stability jsou neznámé, jelikož dosud nebyl žádný z těchto izotopů vyroben. Mnoho fyziků si myslí, že tyto poločasy budou poměrně krátké, v řádu minut až dnů. [2] Některé teoretické výpočty však ukazují, že tyto poločasy přeměny mohou být dlouhé až v řádu miliard let. [11]

Poločasy přeměny s rozpady alfa 1700 jader z atomovým číslem v rozmezí 100 a 1300 byly provedeny z modelů kvantového tunelování s experimentálními a teoretickými hodnotami. [12][13][14][15][16][17]

Ostrov relativní stability[editovat | editovat zdroj]

Thorium-232, uran-235 a uran-238 jsou jediné přirozeně se vyskytující izotopy mimo bismutu, které jsou relativně stabilní během celé existence našeho vesmíru. V roce 2003 bylo zjištěno, že bismut-209 je mírně nestabilní s poločasem přeměny více než 10 trilionů let. Všechny prvky těžší než bismut mají poměrně nebo velmi nestabilní izotopy. Astat, radon a francium jsou velmi nestabilní. Avšak dokonce i thorium s nejdelším známým poločasem přeměny v tomto regionu (14 miliard let pro thorium-232) má asi miliardkrát kratší poločas přeměny než bismut-209.

Použijeme-li geografickou analogii, bismut se nachází na břehu kontinentu. Kontinentální šelf pokračuje s mělčinami začínajícími v oblasti radia, které jsou určitou dobu relativně stabilní, ale za kaliforniem rychle klesají. Významné ostrovy se objevují u uranu a thoria a menší také u neptunia, plutonia a curia, s nimiž tvoří souostroví. Tyto ostrovy relativní stability jsou obklopeny mořem nestability. [18] Je velký rozdíl v poločasu přeměny nejstabilnějších izotopů thoria, uranu, neptunia, plutonia a curia ve srovnání s ostatními prvky.

Současné teoretické výzkumy ukazují, že v oblasti protonových čísel 106-108 a neutronových čísel 160-164 může být malý ostrov stability, který může být stabilní s ohledem na beta přeměnu a jehož izotopy mohou podléhat pouze alfa rozpadu. [13][14][15] Dále se ukazuje, že flerovium-298 není centrem "magického" ostrova, jak se dříve předpokládalo, naopak se ukázalo, že jádro z protonovým číslem 110 a neutronovým 183 (darmstadtium-293) by mohlo být v blízkosti centra tohoto případného ostrova. [19] Prvky v okolí neutronového čísla 162 by měly být stabilní vůči beta přeměně, podle teoretických modelů by měl mít izotop seaborgium-268 poločas přeměny asi 3.2 hodiny, který je delší než poločas dvojitě magického deformovaného jádra hassium-270. [20] Jádro seaborgia-268 ovšem k roku 2016 nebylo v laboratoři vyrobeno. Pro superjádro s protonovým číslem 116 a neutronovým 184 by měl být poločas přeměny alfa rozpadem menší než jedna sekunda. Pro ještě těžší jádra ukazují modely počítající s alfa rozpadem a kvantovým tunelováním poločasy přeměny v řádu mikrosekund. [21]

Problémy se syntézou[editovat | editovat zdroj]

Výroba jader z ostrova stability se ukázala být velmi obtížnou, protože výchozí jádra nezajišťují dostatečný počet neutronů. Pro syntézu izotopu flerovium-298 izotopy plutonia a vápníku, které mají dohromady 298 nukleonů, například vápník-50 a plutonium-248. Nicméně tyto a těžší izotopy nejsou k dispozici v měřitelných množstvích., takže výroba tohoto supertěžkého izotopů je s metodami dostupnými v roce 2016 téměř nemožná. Stejný problém existuje pro další možné kombinace izotopů potřebných k výrobě prvků na ostrovu stability při použití metody ostřelování. Může být reálné vygenerovat flerovium-298 v případě, že bude fungovat multi-nukleonový přenos v nízkoenergetických srážkách jader aktinoidů. [22] Jedna z možných reakce curia 248 a uranem 238 za vzniku flerovia 298, wolframu 186 a dvou neutronů:

Hypotetický druhý ostrov[editovat | editovat zdroj]

Myšlenku existence druhého ostrova stability přednesl v roce 2008 Jurij Oganesjan Tento nový ostrov by měl být soustředěn kolem prvku s atomovým číslem 164.[23] Předpokládá se ovšem, že k syntéze těchto prvků by byly potřeba větší, výkonnější urychlovače. [24]

Reference[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Island of Stability na anglické Wikipedii.

  1. Superheavy, and yet stable [online]. 23 August 2012 [cit. 2013-06-23]. Dostupné online. (anglicky) 
    Quoting: “We expect [the island of stability] at around element 120,” says Blaum, “and to be more precise, in a nucleus with around 180 neutrons.”
  2. a b Superheavy Element 114 Confirmed: A Stepping Stone to the Island of Stability [online]. [cit. 2009-10-11]. Dostupné online. (anglicky) 
  3. The Valley of Stability (video) - a virtual "flight" through 3D representation of the nuclide chart, by CEA (France)
  4. The Island of Stability? [online]. [cit. 2012-07-24]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. Shell Model of Nucleus [online]. Department of Physics and Astronomy, Georgia State University [cit. 2007-01-22]. Dostupné online. (anglicky) 
  6. DVOŘÁK, Jan. PhD. Thesis: Decay properties of nuclei close to Z = 108 and N = 162 [online]. Technische Universität München, 2007-07-12. Dostupné online. (anglicky) 
  7. pp. 129–133, The physical principles of thermonuclear explosives, inertial confinement fusion, and the quest for fourth generation nuclear weapons (Andre Gsponer and Jean-Pierre Hurni 2009)
  8. Emsley, John(2001). Nature's Building Blocks, (Hardcover, First Edition), Oxford University Press, (pages 143, 144,458). ISBN 0-19-850340-7. 
  9. Khuyagbaatar, J. (2014).  "Ca48+Bk249 Fusion Reaction Leading to Element Z=117: Long-Lived α-Decaying Db270 and Discovery of Lr266". Phys. Rev. Lett. 112: 172501. doi:10.1103/PhysRevLett.112.022501. Bibcode2014PhRvL.112b2501S. 
  10. Alexandra Witze. Superheavy element 117 makes debut [online]. April 6, 2010 [cit. 2010-04-06]. Dostupné online. (anglicky) 
  11. Oganessian, Yuri. "Nuclei in the "Island of Stability" of Superheavy Elements". Journal of Physics: Conference Series 337 (1). doi:10.1088/1742-6596/337/1/012005. Bibcode2012JPhCS.337a2005O. 
  12.  "α decay half-lives of new superheavy elements"(January 26, 2006). Phys. Rev. C 73. doi:10.1103/PhysRevC.73.014612. Bibcode2006PhRvC..73a4612C. 
  13. a b  "Predictions of alpha decay half lives of heavy and superheavy elements"(2007). Nucl. Phys. A 789: 142–154. doi:10.1016/j.nuclphysa.2007.04.001. Bibcode2007NuPhA.789..142S. 
  14. a b  "Search for long lived heaviest nuclei beyond the valley of stability"(2008). Phys. Rev. C 77 (4). doi:10.1103/PhysRevC.77.044603. Bibcode2008PhRvC..77d4603C. 
  15. a b  "Nuclear half-lives for α-radioactivity of elements with 100 < Z < 130"(2008). Atomic Data and Nuclear Data Tables 94 (6): 781–806. doi:10.1016/j.adt.2008.01.003. Bibcode2008ADNDT..94..781C. 
  16.  "α decay chains from element 113"(January 26, 2007). Phys. Rev. C 75 (4). doi:10.1103/PhysRevC.75.047306. Bibcode2007PhRvC..75d7306C. 
  17.  "Quantum tunneling in 277112 and its alpha-decay chain"(2007). Journal of the Physical Society of Japan 76 (12): 124201–124204. doi:10.1143/JPSJ.76.124201. Bibcode2007JPSJ...76l4201S. 
  18. Note graphic: Known and predicted regions of nuclear stability, surrounded by a "sea" of instability. cf. the Chart of Nuclides by half-life.
  19.  "On the nuclear structure and stability of heavy and superheavy elements"(February 14, 1969). Nuclear Physics A 131 (1): 1–66. doi:10.1016/0375-9474(69)90809-4. Bibcode1969NuPhA.131....1N. 
  20. J. Dvorak, W. Brüchle, M. Chelnokov, R. Dressler, Ch. E. Düllmann, K. Eberhardt, V. Gorshkov, E. Jäger, R. Krücken, A. Kuznetsov, Y. Nagame, F. Nebel,1 Z. Novackova, Z. Qin, M. Schädel, B. Schausten, E. Schimpf, A. Semchenkov, P. Thörle, A. Türler, M. Wegrzecki, B. Wierczinski, A. Yakushev, and A. Yeremin (2006).  "Doubly Magic Nucleus 270108 Hs-162". Physical Review Letters 97 (24). doi:10.1103/PhysRevLett.97.242501. PMID 17280272. Bibcode2006PhRvL..97x2501D. 
  21.  "Shape coexistence and triaxiality in the superheavy nuclei"(PDF)(2005). Nature 433 (7027): 705–9. doi:10.1038/nature03336. PMID 15716943. Bibcode2005Natur.433..705C. 
  22.  "Synthesis of superheavy nuclei: A search for new production reactions"(2008). Physical Review C 78 (3). doi:10.1103/PhysRevC.78.034610. Bibcode2008PhRvC..78c4610Z. 
  23. "Investigation of the stability of superheavy nuclei around Z=114 and Z=164". Zeitschrift für Physik 228: 371–386. doi:10.1007/BF01406719. 
  24. Nuclear scientists eye future landfall on a second 'island of stability' [online]. Eurekalert.org, 2008-04-06 [cit. 2014-05-02]. Dostupné online. (anglicky)