Ostrov stability na obzore

Periodickú tabuľka chemických prvkov si mnohí z nás pamätáme zo školských čias. Vieme, že končí ťažkými a nestabilnými prvkami. Čo však ak existujú ešte ťažšie, dodnes neobjavené stabilné prvky? A prečo je táto možnosť zaujímavá?

Stabilita a nestabilita

Len pre zopakovanie, periodickú tabuľku chemických prvkov prvý krát zostavil ruský vedec Dmitrij Ivanovič Mendelejev, ktorý zistil, že prvky sú zoradené v tabuľke podľa istého vzoru a tak sa mu podarilo ešte v dobe, keď ľudia poznali len 64 chemických prvkov, predpovedať objav a vlastnosti ďalších. Chcelo to len čas a nové prvky v tabuľke utešene pribúdali. Dnes ich už poznáme oveľa viac, presne 112. Tieto prvky sa delia na tri hlavné skupiny, kovy (napr. železo), polokovy (napr. kremík) a nekovy (napr. vodík).
 

Otec periodickej tabuľky prvkov.

Prvky sú v tabuľke zoradené podľa viacerých parametrov, nám pre vysvetlenie toho o čo nám ide budú stačiť tzv. protónové a nukleónové číslo niekedy nazývané aj hmotnostné číslo. Číselná hodnota protónového čísla vyjadruje počet Protónov v jadre atómu. Pre ilustráciu takéhoto označenia si predstavme napríklad Urán 238. Je to rádioaktívny prvok, používaný v jadrovom priemysle pri výrobe energie štiepnou reakciou. Má 92 Protónov (Protónové číslo) a 146 Neutrónov. Protóny a Neutróny označujeme jednotným názvom Nukleóny. Ak spočítame Protóny a Neutróny v jadre Uránu dostaneme 238 Nukleónov a teda nukleónové číslo. Urán je ťažkým prvkom, pričom skoro všetky ťažké prvky sa rozpadajú na stabilnejšie prvky a tie opätovne na ešte stabilnejšie až pokiaľ sa nerozpadnú na stabilné prvky. Je ťažké v prírode nájsť prirodzene sa vyskytujúce prvky, ktoré sú ťažké a zároveň stabilné. Takéto prvky by boli zaujímavé zo štúdijných, ale najmä praktických dôvodov.

Stabilita

Dnes vieme, že do protónového čísla 83 sú všetky prvky stabilné (presnejšie majú aspoň jeden stabilný izotop) a nepodliehajú žiadnemu druhu rádioaktívneho rozpadu. Prvky s protónovým číslom nad 83 sú už rádioaktívne. Niektoré majú polčas rozpadu niekoľko milión rokov, iné s protónovými číslami nad 108 sú extrémne nestabilné a vydržia len pár mikro či nanosekúnd v lepšom prípade sekúnd. Práve tieto prvky môžu mať unikátne vlastnosti a vedci ich usilovne študujú, žiaľ to je tým ťažšie, čím je prvok nestabilnejší. Predpokladá sa, že nad protónovým číslom 111 (tj. pre čísla 112 až 126) by mohol existovať Ostrov Stability s veľmi ťažkými prvkami, ktoré by boli stabilné „v mori“ nestabilných susedov. Niektoré pár sekúnd, iné pár minút a niektoré dokonca tak stabilné ako napríklad Kyslík, čo by umožnilo ich použitie na ďalšie experimentovanie a pozorovanie. Neskôr využitie ich unikátnych vlastností v elektrotechnike, medicíne a ďalších oblastiach vedy a techniky.

Nestabilita

Polčas premeny alebo polčas rozpadu je charakteristický parameter popisujúci nestabilitu každého prvku vo vesmíre.

Polčas premeny úzko súvisí s kvantovou mechanikou, riadi sa podľa jej zákonov. Pri určovaní polčasu rozpadu prvku sa zisťuje čas za ktorý sa rozpadne polovica jeho atómov. Napríklad za aký čas sa nám rozpadne polovica atómov Uránu 210. Konkrétne pri tomto izotope Uránu je to 22.3 roku. Ak teda položíte na poličku kilo Uránu 210 a vrátite sa ho skontrolovať o 22 rokov, zistíte, že máte už len pol kilogramu Uránu, druhá polovička sa rozpadla na ľahšie prvky. Pri inom izotope Uránu si počkáte iný čas, napríklad pri izotope 205 to bude 15 miliónov rokov. Rozpad konkrétneho jedného jadra však nevieme presne predpovedať. Vieme povedať len pravdepodobnosť s ktorou sa rozpadne. Rôzne jadrá toho istého prvku sa nám rozpadnúť zakaždým v inom čase. To čo vieme je za aký čas sa nám rozpadne veľký počet jadier.

Čím je jadro atómu zložené z viacerých Neutrónov, resp. pomer medzi Protónmi a Neutrónmi je väčší v prospech Neutrónov, ako napríklad u Uránu 238, ktorý má 92 Protónov a 146 Neutrónov, tým viac rastie pravdepodobnosť, že sa jadro rozpadne.

Nestabilnosť prvkov má svoje využitie. Napríklad céziové atómové hodiny fungujú na princípe rozpadu jadra Cézia. Ďalšie využitie nájdeme v jadrových elektrárňach, kde využívame nestabilné jadrá na výrobu energie.
 

Ostrov stability

Prvý krát s myšlienkou, že by mohli existovať super ťažké stabilné prvky prišiel americký jadrový chemik Glenn T. Seaborg. Zrodila sa myšlienka existencie takzvaného Ostrovu stability. Seaborg získal v roku 1951 nobelovú cenu za objav všetkých Transuránových prvkov až po protónové číslo 102. Sú to prvky nasledujúce v periodickej tabuľke za Uránom, v prírode sa nevyskytujúce, ktoré sa vyrábajú len umelo (napr. Neptúnium, Plutónium, Americium). Je po ňom pomenovaný aj prvok Seaborgium.
 

Glenn T. Seaborg

Seaborg predpokladal, že prvky s takzvaným „magickým“ rozmiestnením Protónov a Neutrónov v jadre by mali byť stabilnejšie ako ich susedia, ktoré takéto magické usporiadanie nemajú. Predpoklad, že takýto Ostrov stability môže existovať plynie z pozorovaní, že prvky s magickým číslom sa v našom vesmíre nachádzajú relatívne častejšie než ostatné prvky (Kozmický výskyt prvkov).

Medzi najvyššie magické čísla patrí číslo 126 a hypotéza Ostrova stability predpovedá možnosť, že okolo tohto čísla existujú rovnako stabilné prvky, ako okolo doteraz zistených magických prvkov. Predpokladá sa, že nad protónovým číslom 112 nás čakajú ďalšie zaujímavé prvky s unikátnymi vlastnosťami.
 

Grafické znázornenie ostrova stability
 

Magické čísla

Magické čísla, to je elegantný názov pre tzv. magické usporiadanie Protónov a Neutrónov v jadre atómu. Ich existencia je odvodená hlavne z pozorovaní. Izotopy prvkov s magickými počtom Protónov či Neutrónov sú stabilnejšie než okolité prvky v periodickej tabuľke. Vysvetlenie pozorovaní je založené na zaplnenosti energetických hladín v jadre atómu. Zjednodušene povedané, Protóny či Neutróny v jadre atómov sa môžu nachádzať len na určitých energetických hladinách. Každá takáto energetická hladina môže obsahovať len určitý počet Protónov či Neutrónov. Ak je energetická hladina zaplnená, teda obsadená maximálnym počtom Protónov či Neutrónov, tak je prvok s takýmto maximálnym počtom nukleónov stabilnejší. Ak spočítate Protóny či Neutróny na plne obsadenej prvej vrstve dostanete prvé magické číslo. Ak spočítame plne obsadenú prvú a druhú vrstvu tak dostaneme druhé magické číslo a tak ďalej. Medzi pvky s takto plne obsadenými energetickými hladinami v jadre patria napríklad aj Kyslík či Olovo.

Medzi magické čísla patria 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82 a 126.


Výskum pokračuje

Vedcom sa darí postupne umelo vytvárať čoraz ťažšie prvky.

Prvok s protónovým číslom 112 s názvom Copernicium po prvý krát objavil v roku 1996, ale jeho polčas rozpadu bol extrémne krátky, prvok ostal stabilný len na zlomky sekundy (0,69 ms). Atómové číslo prvku je 285, čiže ide o veľmi ťažký prvok. V experimente sa olovená fólia ostreľovala iónmi zinku v darmstadskom lineárnom urýchľovači. IUPAC tento prvok oficiálna uznala 14. Júla 2009 a pomenovala ho po návrhu 21-členného objaviteľského tímu z Ruska, Nemecka, Fínska ale aj zo Slovenska. K objavu nemalou mierou prispel Prof. Štefan Šáro z FMFI Univerzity Komenského v Bratislave. Prvok nesie meno po slávnom poľskom astronómovi Mikulášovi Kopernikovi, ktorého všetci poznáme ako tvorcu modelu heliocentrickej sústavy.

Doteraz najťažším umelo vytvoreným prvkom je Ununoctium s protónovým číslom 118 a atómovým číslom 294. Prvok po prvý krát vytvorili v roku 1999 v Lawrence Berkeley National Laboratory, ale nepodarilo sa ho znovu vytvoriť. Až v roku 2006 skupina SÚJV Dubna (Rusko) a americký tím vedcov potvrdili existenciu tohto prvku. Prvok sa podarilo syntetizovať pomocou odlišnej metódy (reakcie) ako použili ich kolegovia v roku 1999. Prvok má pol čas rozpadu 0,89 ms. Je to druhý rádioaktívny vzácny plyn. Reaktívnejší ako Radón a Xenón, môže tvoriť stabilné oxidy, vo väčšom množstve v prírode sa môže vyskytovať len ako oxidický minerál.
 

Simulácia ostreľovania prvku americium-243 vystreleným prvkom calcium-48

Využitie superťažkých stabilných prvkov?

Novoobjavené ťažké prvky ešte len čakajú na podrobné chemické a fyzikálne testy a rozbor ich vlastností. Pravdou je, že už len ich podrobné študovanie prináša neoceniteľné informácie o tom, ako sa chovajú takto ťažké častice na kvantovej úrovni, či súhlasia s predpoveďou v teórii alebo objavíme nejaký nový mechanizmus, vlastnosti, ktoré súčasná teória nepredpovedá. Podľa periodického zákona vieme určiť, aké vlastnosti by mali mať tieto umelo vytvorené prvky. Ale vždy to tak nemusí byť, niekedy je realita iná ako predpokladáme a napr. z predpokladaného tekutého kovu máme vzácny plyn. Na rozbor vlastností týchto anomálií si musíme bohužiaľ ešte počkať. Vieme však, že nám to skôr či neskôr bude užitočné a budeme ťažiť z ich vlastností v rôznych odvetviach ľudskej činnosti.

Záver

Príklad grafénu, ukazuje aké neočakávané vlastnosti môžu mať novoobjavené prvky či štruktúry nimi tvorené. Možno nás podobné prekvapenie čaká aj v magickom usporiadaní častíc na úrovni atómových jadier. Olovo, s magickým usporiadaním, doteraz najstabilnejší ťažký prvok napríklad dobre tieni Gama žiarenie, jeho unikátne chemické vlastnosti sa používajú v mnohých vedných a priemyselných oboroch, necháme sa prekvapiť tým čo prinesie prvok s protónovým číslom 126.