Otok stabilnosti v jedrski fiziki: magična števila in supertežki izotopi

Kemijski elementi, ki niso svinec, so radioaktivni in nimajo stabilnih izotopov. To pomeni, da se bodo sčasoma razpadli v druge elemente. Razen plutonija je njihova razpolovna doba od nekaj minut do nekaj sekund, vendar se v jedrski teoriji pojavlja možnost, da bodo na določenih "otokih stabilnosti" nekateri supertežki izotopi veliko bolj obstojni. Takšni izotopi bi lahko imeli razpolovne dobe, primerne za eksperimentalne in celo praktične uporabe.

Kaj so magična števila in zakaj pomembna?

Osnovna hipoteza je, da je atomskojedro zgrajeno v lupinah, podobno kot elektronske lupine okoli jedra. V obeh primerih so lupine skupine kvantnih energijskih nivojev, ki so relativno blizu drug drugemu, med katerimi so velike energijske vrzeli. Ko so energijski nivoji v določeni lupini popolnoma zapolnjeni, doseže vezavna energija na nukleon lokalni maksimum in jedro je relativno bolj stabilno.

Število protonov ali nevtronov, pri katerem je lupina zapolnjena, imenujemo magično število. Za sferična jedra so v jedrskem modelu predlagana med drugim magična števila, kjer bi za nevtrone eno od možnosti bilo 184. Nekatera predlagana ustrezna magična števila protonov so 114, 120 in 126. To pomeni, da bi bila med najbolj stabilnimi sferičnimi supertežkimi izotopi npr. flerovij-298, unbinilij-304 in unbiheksij-310. Posebej zanimiv je Ubh-310 (unbiheksij-310), ki bi bil po modelih lahko dvojno magičen (protonsko število 126 in nevtronsko 184), zato bi lahko imel bistveno daljšo razpolovno dobo kot sosednja jedra.

Deformacije jedra in vpliv na magična števila

Jedra niso vedno popolnoma sferična. V mnogih primerih se velika jedra deformirajo, kar spremeni prostorsko porazdelitev nukleonov in s tem tudi energijske nivoje. Zaradi tega se lahko pričakovana magična števila premaknejo ali pojavijo nova, povezana z deformiranim potencialom. Primer takšne situacije predstavlja Hassium-270, ki velja za dvojno magično, vendar ne s sferičnima magičnima številoma, temveč z deformiranima magičnima številoma 108 in 162. Kljub temu je njegova razpolovna doba le nekaj sekund (okoli 3,6 s), kar kaže, da tudi "magičnost" ne zagotavlja vedno dolgega obstoja.

Kako proizvajamo in zaznamo supertežke izotope?

Proizvodnja supertežkih elementov poteka predvsem s trčnimi reakcijami v pospeševalnikih delcev — običajno z združevanjem težjih ionov (fuzija-evaporacija). Obstajata dve osnovni strategiji:

• »Cold fusion« (hladna fuzija): reagenti so izbrani tako, da nastane zmeren presežek energije, zato so izpuščeni le malo nevtronov — metoda, ki je bila uspešna pri sinteti so elementov okoli Z ≈ 107–113.
• »Hot fusion« (vroča fuzija): uporabljajo se bolj energični trki in lažji napravljeni cilji, kar omogoča večje število izpuščenih nevtronov in proizvodnjo bolj nevtronsko bogatih izotopov; ta metoda je bila ključna pri sintezi nekaterih težjih elementov do Z = 118.

Glavni izzivi so izredno nizke verjetnosti sinteze (majhni presečni preseki), zelo majhno število ustvarjenih jeder (včasih le nekaj atomov) in hitri razpadi. Zaznavanje temelji na sledenju razpadnih verig (npr. alfa-razpadi ali spontani cepitvi) in povezovanju z znanimi jedri, kar omogoča identifikacijo novega elementa ali izotopa.

Dosedanji rezultati in omejitve

Do danes so bili sintetizirani in potrjeni elementi do Z = 118 (oganesson). Pri iskanju otoka stabilnosti so raziskovalci že ustvarili izotope, ki imajo dovolj protonov, da bi po številu protonov ležali v območju, predvidenem za otok stabilnosti, vendar nimajo dovolj nevtronov, da bi dosegli idealno zapolnjeno nevtronsko lupino. Ti "ne dovolj nevtronsko bogati" izotopi pogosto razpadejo zelo hitro, a so pomembni koraki proti pridobitvi bolj nevtronsko bogatih jedrov.

Možne aplikacije in znanstvena vrednost

Če bi se izkazalo, da ima kakšen supertežek izotop na otoku stabilnosti razpolovno dobo v razponu sekund, minut ali daljše, bi to odprlo možnosti za:

• kemijske raziskave lastnosti novih elementov (študije kemične vezi, oksidacijskih stanj itd.),
• uporabo kot tarče v pospeševalnikih za proizvodnjo še težjih izotopov ali za preučevanje jedrskih reakcij,
• mogočo uporabo kot viri nevtronov ali v specializiranih raziskovalnih aplikacijah, če bi bila proizvodnja ekonomsko izvedljiva.

Vendar so praktične uporabe danes omejene zaradi izjemno težke proizvodnje, nizkih donosov in kratkih razpolovnih dob.

Perspektiva in prihodnji koraki

Napredek pričakujemo z razvojem novih eksperimentalnih naprav in metod, kot so zmogljivejši pospeševalniki, tarče in tehnike za pridobivanje bolj nevtronsko bogatih izotopov (npr. izjemno intenzivni mehanski žarki, izvorni nevtronski zajeti postopki ali prihodnje zmogljivosti za sintezo z reaktivnimi žarki). Napovedovanje natančnih lastnosti supertežkih jeder ostaja izziv za jedrske modele, zato so kombinirane teoretično-eksperimentalne študije ključne.

Skupaj: koncept otoka stabilnosti temelji na lupinskem modelu in magičnih številih, vendar realna stabilnost supertežkih jeder močno vpliva tudi na deformacije in jedrske interakcije. Nadaljnje raziskave bodo poizkusile premakniti eksperimentalne meje bližje temu hipotetičnemu območju in poiskati jedra, ki so dovolj obstojna za podrobnejše preučevanje in morebitne aplikacije.

Vprašanja in odgovori

V: Kateri elementi so izven svinca?

V: Katera fizikalna teorija pojasnjuje, zakaj imajo nekateri elementi daljšo razpolovno dobo?

V: Kakšna so magična števila za sferična jedra?

V: Ali je hassij-270 dvojno magičen?

V: Kako dolga je njegova razpolovna doba?

V: Ali so ti elementi uporabni v praksi?

Išči po črki