Jak se zkoumají supertěžké prvky Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 1. Úvod 2. Atom a atomové jádro 2.1 Struktura atomu 2.2 Struktura a stabilita atomového jádra 2.3 Magická čísla a stabilita supertěžkých jader 3. Jak se získávala jádra těžší než uran 3.1 Vznik supertěžkých prvků v přírodě 3.2 První transurany 3.3 Zbývající aktinoidy a kousek dál 3.4 Studená fúze 3.5 Horká fúze 3.6 Jak dále k ještě těžším jádrům 4. Chemie s jedním atomem 4.1 Jak a proč se zkoumá chemie supertěžkých jader 4.2 Příklad hassia 5. Závěr Experiment TASCA v GSI Darmstadt

Mendělejevova periodická tabulka prvků (2015) 1) Vlastnosti chemických prvků jsou periodickou vlastností jejich atomových hmotností 2) Vlastnosti těchto prvků se periodicky opakují Skupiny s podobnými vlastnostmi Periody Dmitrij Ivanovič Mendělejev 1869 Známo 62 prvků Bílá místa Doplněna: gallium skandium germánium …. Dnes: 118 prvků

Struktura atomů a vlastnosti jader Atomové jádro se skládá z nukleonů (protonů a neutronů). Počet protonů (atomové číslo) – Z. Celkový počet nukleonů (nukleonové číslo) – A. Počet neutronů – N = A-Z. Protonové číslo udává i náboj jádra: Qj = Z·e Neutrální atomy mají stejný počet elektronů v atomovém obalu jako protonů v jádře. Různá jádra se stejným počtem protonů – izotopy. Existují stabilní jádra, ale mnohem více je nestabilních

Proč periodická závislost na atomové hmotnosti? Atom má stejný počet protonů jako elektronů S počtem protonů roste i počet neutronů (dokonce rychleji). Hmotnost neutronu je zhruba stejná jako hmotnost protonu. Počet elektronů udává chemické vlastnosti. Funguje zde kvantová fyzika – diskrétní hodnoty vazebné energie elektronu v atomu – elektrony jsou fermiony (Pauliho vylučovací princip). Elektrony s blízkými hodnotami vazebných energií tvoří slupku, mezi vazebnou energií elektronů v různých slupkách je rozdíl velký Elektrony v poslední neúplně zaplněné slupce jsou valenční a určují chemické vlastnosti prvku

Co rozhoduje o stabilitě jader? Poměr mezi počtem neutronů a protonů ! Stabilní jádra pro malá A (<40) platí Z = N, pro těžší jádra N  1,7 Z. Aspoň jeden stabilní izotop mají jádra až po Z=83 (Bi). Po (Z=84) stabilní izotop nemá. Th , U a Pu mají T1/2 srovnatelné s věkem Země.

Sudo-sudá jádra jsou stabilnější → existence párování Pro stabilní těžká jádra přebytek neutronů → hustota náboje a destabilizující vliv coulombovského odpuzování menší při větším počtu neutronů. Pokud by nebyly jiné jevy, vliv coulombovského odpuzování by nedovolil existenci stabilnějších supertěžkých prvků N Z  počet stabilních jader sudé sudé 156 sudé liché 48 liché sudé 50 liché liché 5 ALE Sudo-sudá jádra jsou stabilnější → existence párování Magická čísla – pozorované hodnoty N a Z se zvýšenou stabilitou. Proč? Protony a neutrony jsou také fermiony Jejich vazebné energie vytváří také slupky Magická čísla: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 …

Mendělejevova tabulka z hlediska stability Skupina Perioda

Jak se rozpadají nestabilní? Poprvé pozoroval projev nestability jader – radioaktivitu - H. Becquerel v roce 1896 . Nestabilní jádra vyzařují: Rozpad α → přeměna jádra vyzářením 4He Rozpad β → přeměna jádra vyzářením e-, e+ nebo záchytem elektronu z obalu atomu Rozpad γ → jádro se nemění, jen se deexcituje vyzářením kvanta gama nebo konverzního elektronu Samovolné štěpení → štěpení velmi těžkých jader na dvě jádra Velmi těžká jádra – řada rozpadů alfa často zakončená samovolným štěpením

Produkce supertěžkých prvků Kapkový model: 1) s rostoucím protonovým číslem klesá stabilita 2) s rostoucím protonovým číslem roste přebytek neutronů Konkurence objemové energie (vazba silnou interakcí) a coulombovské energie Existence „stabilnějších“ supertěžkých elementů umožněna existencí magických čísel - slupkové struktury ↔ slupkový model Ostrov stability – Z = 114 a N = 184 – závisí na tvaru potenciálu, značná neurčitost Problém: velmi malé pravděpodobnosti reakcí produkce jen jednotlivých jader – nutná bezesporná identifikace Lze jen díky kvantové fyzice !! Tunelování!! Energie: 1) dostatečná na překonání coulombovské bariery 2) co nejmenší, aby složené jádro vydrželo Možnosti produkce: 1) Neutronový záchyt – po Z = 100 (pak dřívější rozpad než záchyt) 2) Reakce lehkého jádra na těžkém terči 3) Slučování těžkých jader „za studena“ – projektil A ~ 40, EEX ~ 10 MeV 4) Slučování těžkých jader „za horka“ – použití 48Ca (Z = 20) EEX ~ 40 MeV Rozpad řadou rozpadů alfa → částice alfa nesou informaci o rozdílu energie jader

Jsou pouze 3 metody produkce velmi těžkých jader Fúzní reakce: → jádra s přebytkem protonů 2. Série záchytů neutronů a beta(-) rozpady: neutronové toky v reaktorech jsou příliš malé, jaderné exploze zakázány 3. Přenos většího počtu nukleonů

Vznik velmi těžkých prvků v přírodě V supernovách ve velmi intenzivním poli neutronů Ve Sluneční soustavě zůstaly jen ty s poločasem rozpadu srovnatelným s dobou její existence Thorium 232 – 14,1 miliard let Uran 238 – 4,5 miliard let Uran 235 – 0,7 miliard let Plutonium 239 – 0,08 miliard let Pozůstatek po supernově 1987A V bastnasitu se našly stopy plutonia

Návrh pro grantovou Grantovou agenturu České republiky Zkoumání supertěžkých prvků v průběhu výbuchu supernovy Základní potřeby: 1) hvězdolet pro dopravu do blízkosti hvězdy těsně před výbuchem jako supernova 2) laboratoř, která vydrží po dobu výbuchu a bude rychle analyzovat vzniklá jádra

Jak získat transurany úměle? První transurany: využití urychlovače (nebyly reaktory) Aktinoidy Transurany Ozařování uranu 238 neutrony – neptunium (93) deuterony – plutonium (94) 1940 Postupně terčíky z plutonia: objev americia (95) a curia (96) terčík z plutonia: objev berkelia (97) terčík z curia: objev kalifornia (98) 1952 – Einsteinium (99), Fermium (100) nalezena v produktech jaderných výbuchů Hlavní osobnosti: Edwin M. McMillan Glennem T. Seaborgem Informace o produkovaném prvku: chemické vlastnosti Edwin M. McMillan při hledání neptunia

Zbývající aktinoidy a další prvky až po Z=106 1952 terč z einsteinia – pomocí částic alfa produkce mendělejevia (101) Zbývající aktinoidy a další prvky až po Z=106 (1957 -1974) Terče z curia, americia a kalifornia + svazky uhlíku, kyslíku a dusíku Produkce nobelium (102), lawrencium (103), ruthefordium (104), dubnium (105) a seaborgium (106) Velmi malá množství a krátká doba života– chemické prokázání se stává velkým problémem Například pro lawrincium – poločas rozpadu objeveného 258Lr je 3,9 s Potvrzení vzniku z detekovaného průběhu rozpadu Dlouhé spory o prvenství a posuzování spolehlivosti prokázání existence daného prvku Objev lawrencia objev seaborgia – Glen T. Seaborg

Studená fúze - detekce supertěžkých prvků v GSI Darmstadt Prvek 107 – 112 zařízení SHIP v GSI Darmstadt: slučovací reakce na jádrech Pb, Bi: využití separace, separace složeného jádra, implantace do aktivního objemu detektoru a identifikace pomocí řady rozpadů alfa Identifikace jednotlivých případů vzniku a rozpadu supertěžkého prvku: Zachycení všech alfa ze sekvence rozpadů a určení jejich energie Identifikace štěpení dipolové magnety elektrické deflektory TOF rotující terč kvadrupólové magnety zastavení svazku svazek Rotující terč (Pb, Bi) nízký bod tání intenzivní svazek – 1012 jader/s Výběr vzniklého složeného jádra: Rychlostní filtr: Elektrické deflektory a dipólové magnety: Fel = q·E Fmag = q·v·B Zařízení SHIP Správný výběr E a B  pro vCM je FTOT = Fel – Fmag = 0

Potlačení zbývajícího pozadí: TOF spektrometr: Start – průchodové detektory, tenké uhlíkové folie (produkce elektronu) a mikrokanálové destičky Efektivita 99,8%, rozlišení 700 ps Stop – 16 křemíkových stripových detektorů ΔE = 14 keV pro alfa z 241Am průchodové detektory Pokrytí: 80% z 2π HPGe detektory – fotony z vybíjení vybuzených jader Účinné průřezy až ~ pb, jedno jádro za desítky dní Velmi intenzivní svazky po dobu měsíců !!! Dlouhé ozařování a jen několik získaných jader !!! stop detektor (křemíkový)

Slučování při nízkých energiích: 107 Bh Bohrium Hs Hassium 109 Mt Meitnerium Dm Darmstadtiumu Rg Roentgenium 112 Cn Kopernicium První identifikované rozpady prvku s Z = 111 (Roentgenium) Výsledky z GSI potvrzeny i v japonské laboratoři RIKEN Urychlovač LINAC GSI Darmstad

Kopernicium (Z= 112) Zatím poslední pojmenované jádro a předposlední připravené studenou fúzí Prvek Z=113 připraven pomocí studené fúze pouze v japonské laboratoři RIKEN Hranicí je nejspíš jádro prvku Z=114, na které se Japonci chystají Rekonstrukce podoby Mikuláše Koperníka Výsledky z GSI potvrdila i japonská laboratoř RIKEN

Jak dále? Horká fúze! Další – slučování za vyšších energií na těžších terčích Terče z plutonia, výlet většího počtu neutronů, větší problém s identifikací Prvek 117 Většina objevů udělána v SÚJV Dubna v Rusku Jurij Oganesjan Prvky z číslem 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118 Problém – nekončí u známých izotopů, dost dlouhé poločasy rozpadu (problém s identifikací pomocí koincidencí) Rok 2006 – navázání –zdá se OK Tým TASCA v GSI Darmstadt potvrdil Výsledky z SÚV Dubna u prvku Z=114 Reakce: 48Ca + 244Pu → Z = 114, A = 292 Excitační funkce pro reakci C+Pu

Mapa supertěžkých prvku Slučování za „studena“ Slučování za „horka“

Oblast supertěžkých prvků Lv F Cn Jádra se sudým Z: 6 reakcí, 3 prvky, 25 izotopů, 121 rozpadových řad Jádra s lichým-Z: 3 reakce, 3 prvky, 29 izotopy, 104 rozpadové řady

Confirmation of the DGFRS results

Oslava pojmenování nových chemických prvků 114 - Flerovium a 116 - Livermorium se uskutečnila 24. října 2012 v Moskvě President IUPAC Prof. Kazuyuki Tatsumi ! Již brzy by mohly následovat další prvky ! William Goldstein (Livermore), Yuri Oganessian (SÚJV) a James Roberto (Oak Ridge)

A jak dále? Nutno najít cestu, jak začít osmou periodu: nejsnadněji prvek Z = 120 Buď využití titanu nebo železa jako projektilu a odpovídajícího terče (kalifornium a plutonium) – nutně vyšší intenzity svazku (nové zařízení „SHE – factory“) Například prvek 120 – 244Pu + 58Fe → 302-x120 + xn Zatím první testy Problém – 1) velmi malé pravděpodobnosti produkce supertěžkých jader 2) vzdalování od ostrova stability Cesta k ostrovu stability: Nemáme dostatečně intenzivní toky neutronů (jako jsou v supernovách) Nutnost použít reakci s přenosem jen části nukleonů, ve větší míře neutronů – vytvořit potřebný přebytek neutronů Hodně možných kombinací → malá pravděpodobnost té správné K ostrovu stability ještě hodně dlouhá a zatím neznámá cesta Předpověď doby života supertěžkých prvků na ostrově stability hodně nejistá

A co chemické vlastnosti supertěžkých prvků? Problém: Nutnost určit chemii jednotlivých atomů – najít odpovídající metody Proč zkoumat? Zjistit, zda se opakují stejné periodické vlastnosti, i když elektrony začínají být relativistické

Chemická analýza jednotlivých atomů Jádro se rozpadne dříve než vznikne další 108 Hassium – poslední prvek zatím zkoumaný chemicky Známé izotopy hassia První produkované jádro hassia Oxid rutheničelý RuO4 Oxid osmičelý OsO4 Oxid hassičelý HsO4 Zkoumání těkavosti → oxidy X–čelé velmi těkavé Produkce stabilnějších izotopů Hs úzký kanálek s klesající teplotou od -20oC do -170oC → čím těkavější tím dále se dostane než adsorbuje Hs s A ~ 288 bude možná velmi stabilní Není chemie prvků až po 112 a začíná se i 114

K čemu je toto studium dobré? Člověk má rád rekordy Poznání struktury velmi těžkých jader a jaderných sil – modely deformovaných jader – fyzika limitních případů Poznání elektronových obalů s elektrony s relativistickými energiemi Atomy z ostrova stability mohou mít i velmi dlouhé doby života a v principu mohou mít i praktické aplikace

Závěr Prvky jsou složeny z protonů a neutronů Neutrální atom má stejný počet elektronů jako protonů – Mendělejevova tabulka je určena strukturou atomu a strukturou vazebných energií elektronů Stabilita jader je dána poměrem mezi počtem protonů a neutronů, a také strukturou jader (magická čísla) – supertěžká právě díky magickým číslům Pro velmi těžká jádra dominuje alfa rozpad a spontánní štěpení Existují tři možnosti produkce supertěžkých jader: a) záchyty neutronů následované beta rozpady b) slučování jader c) přesun nukleonů do těžkého jádra V přírodě vznikají supertěžké prvky při výbuchu supernov Uměle byly první transurany vytvořeny v reaktorech a při výbuších jaderných zbraní. Další slučováním lehčího a co nejtěžšího jádra Bylo nutno vyřešit problém s identifikací jednotlivého atomu – se série alfa rozpadů Zatím vyprodukovány pouze atomy až po Z=118 (je dokončena 7. perioda), poslední se jmény jsou Kopernicium (112), Flerovium (114) a Livermorium (116) Jádro se Z = 120 ještě půjde, těžší a hlavně v oblasti ostrova stability jsou problém Daří se dělat chemii s jedním atomem

Přehled všech umělých prvků - červeně (27 prvků) !!!!!! Takže hurá na osmou periodu !!!!!!

Pokud se nepovede doplout k ostrovu stability na Zemi tak je třeba se vypravit k supernovám Zatím víme, jak by mohly vypadat cesty k nejbližším hvězdám pomocí jaderné energie ale o tom až příště