Stabilitātes sala: supersmagie izotopi, maģiskie skaitļi un pussabrukšana

Ķīmiskie elementi, kas nav svins, ir radioaktīvi, un tiem nav stabilu izotopu. Tas nozīmē, ka tie sadalās par citiem elementiem. Izņemot plutoniju, to pussabrukšanas periods ir no dažām minūtēm līdz sekundēm. Fizikā pastāv teorija, kas paredz, ka aiz smagākajiem elementiem ar ļoti īsiem pussabrukšanas periodiem var atrasties reģions — tā saucamā stabilitātes sala — kur daži supersmagie izotopi būs relatīvi ilgtspējīgāki. Šie izotopi varētu būt pietiekami „stabilizēti”, lai to pussabrukšanas periodi būtu krietni garāki nekā apkārtējiem kodoliem — iespējams no minūtēm un stundām līdz dienām vai pat ilgāk, atkarībā no teorijas un konkrētā izotopa.

Maģiskie skaitļi un kodola čaulas

Hipotēze par stabilitātes salu balstās uz kodola čaulu modeli, kas atomkodolus attēlo kā sistēmu ar kvantu enerģijas līmeņiem (čaulām). Līdzīgi kā elektronu čaulās, arī nukleonu (protonu un neitronu) stāvokļi grupējas enerģijas līmeņu kopās, un starp divām čaulām parasti ir salīdzinoši liela enerģijas plaisa. Kad noteiktā čaulā gan protonu, gan neitronu skaits ir pilnāks, saistīšanas enerģija uz vienu nukleonu var sasniegt lokālu maksimumu, padarot šo konfigurāciju salīdzinoši stabilu. Aizpildītai čaulai atbilst tā dēvētie maģiskie skaitļi.

Piemēram, viena no populārajām hipotēzēm par supersmagiem kodoliem norāda uz neitronu maģisko skaitli 184. Atkarībā no modeļa iespējamie protonu „maģiskie skaitļi” šajā reģionā varētu būt 114, 120 vai 126. Tas nozīmē, ka visstabilākie sfēriskie izotopi varētu būt flerovijs-298, nebinilijs-304 un nebiheksijs-310. Īpaša loma tiek piedēvēta tā dēvētajam „divkārši maģiskajam” kodolam — kad gan protonu, gan neitronu čaulas ir pilnas — piemēram, hipotētiskajam Ubh-310, kur tiek pieņemts, ka gan Z=126, gan N=184 ir maģiski skaitļi; šajā gadījumā kodols varētu būt īpaši stabils. (Nākamais labi zināmais divkārši maģiskais sfēriskais kodols ir svins-208, kas ir vissmagākais stabilais kodols un visstabilākais smagais metāls.)

Deformācijas un maģisko skaitļu maiņa

Tomēr kodolu struktūra supersmagajā reģionā nav vienkārša. Jaunākie teorētiskie aprēķini un eksperimentāli dati rāda, ka ļoti smagi kodoli var būt deformēti (piemēram, eliptiski), un deformācijas var mainīt maģisko skaitļu izvietojumu. Tas nozīmē, ka modelī paredzētie „maģiskie” skaitļi sfēriskam kodolam var neatbilst reālām, deformētām konfigurācijām.

Piemēram, Hassium-270 tiek uzskatīts par divkārši deformētu „maģisku” kodolu ar deformētiem maģiskajiem skaitļiem 108 un 162. Tomēr, lai gan tas ir relatīvi „stabilāks” savā apkārtnē, tā pussabrukšanas periods ir tikai 3,6 sekundes — liecina, ka deformētas maģiskās konfigurācijas nenodrošina tik krasu ilglaicīgu stabilitāti kā ideālais divkārši sfēriskais gadījums.

Kā tiek sintezēti supersmagie elementi un kāpēc tas ir sarežģīti

Sintēze notiek, galvenokārt, ar smago jonu sadursmēm (fusion–evaporation reakcijas), kur vieglāks jonrezultāts (piemēram, 48Ca vai cits smags ions) tiek paātrināts un ietriecas smagā mērķa atoma jadā (piemēram, 249Cf, 248Cm u. c.). Veiksmīgas sintēzes var radīt tikai dažas vai pat vienu atomu, jo ražošanas iznākums (rādiostaiblums) ir ārkārtīgi neliels. Galvenie izaicinājumi:

• Ļoti zemas produkcijas ražības (bieži vien tikai dažas atomas vai to desmiti),
• īsi pussabrukšanas periodi — ātra iznīcināšana ar alfa-izmešanu vai spontānu fisiju,
• neitronu trūkums — ražotie izotopi parasti ir „pārlieku protonu bagāti” salīdzinājumā ar paredzēto stabilitātes salu,
• eksperimentālā sarežģītība un resursu prasības (retas mērķmateriālas, dārgas iekārtas, ilgi eksperimentu laiki).

Priekšplāns: cik tuvu esam salas atrastnei?

Līdz šim sintētiskie elementi ir sasnieguši Z=118 (oganessons) un vairākas to izotopu līnijas ir izpētītas. Daži no atklātajiem supersmagajiem kodoliem dzīvo sekundes vai vairākas sekundes, bet nav atrasts kodols ar tādu ilgmūžību, kādu agrāk cerēja daži prognozētāji. Teorijas par stabilitātes salu atšķiras — dažas paredz maksimālu stabilitāti pie Z≈114 vai 120 vai 126 un N≈184, citas prognozes mainās, ņemot vērā spēcīgākas kodolu deformācijas un kvantu efektiem. Tādēļ ir iespējams, ka īstā „sala” atradīsies citur vai būs plašāks reģions ar dažādu stabiļu izotopu lokālām maksimumiem.

Praktiskās sekas un potenciālās pielietojuma iespējas

Ja kādi supermasīvi izotopi ar salīdzinoši ilgu pussabrukšanas periodu tiktu izveidoti vai atrasti, tie dotu iespēju:

• dziļākiem pētījumiem kodolu fizikā un atommasu ķīmijā (kā kodolu struktūras, galaktikas procesu un modeļu testēšanai),
• īslaicīgai praktiskai izmantošanai kā daļiņu paātrinātāju mērķmateriāli vai neitronu avoti, ja to ražošana būtu pietiekama un izotopi atbilstoši dzīvo ilgumu,
• jaunām ķīmijas eksperimentu iespējām — supersmagie elementi var uzrādīt neparastas ķīmiskās īpašības saistībā ar relatīvistiskiem efektiem.

Tajā pašā laikā jāuzsver, ka pat ja tiktu radīti „garākdzīvotāji” supersmagie izotopi, to ierobežotā pieejamība (ļoti maz atomu) un drošības aspekti ierobežotu tiešas, plašas komerciālas lietojamības iespējas.

Kopsavilkums

Ideja par stabilitātes salu atbilst domai, ka eksistē kodoli, kuros aizpildītas nukleonu čaulas nodrošina relatīvu stabilitāti. Maģiskie skaitļi (piemēram, N=184 un dažādi iespējamie Z = 114, 120, 126) norāda uz potenciāli ilgdzīvotājiem izotopiem, piemēram, flerovijs-298, nebinilijs-304 vai nebiheksijs-310. Tomēr eksperimentāli radītie supersmagie elementi līdz šim rāda gan deformāciju ietekmi, gan ļoti īsus pussabrukšanas periodus (piem., Hassium-270 ar 3,6 s). Turpmākie pētījumi, spēcīgāki aprēķinu modeļi un jaunāka tehnika būs vajadzīga, lai precīzāk noteiktu, vai un kur atrodas reāla stabilitātes sala, kā arī vai tā sniegs praktiskas iespējas nākotnē.

Jautājumi un atbildes

J: Kādi elementi ir ārpus svina?

J: Kāda ir fizikas teorija, kas izskaidro, kāpēc dažiem elementiem ir ilgāks pussabrukšanas periods?

J: Kādi ir maģiskie skaitļi sfēriskiem kodoliem?

Vai tiek uzskatīts, ka hassijs-270 ir divkārši maģisks?

J: Cik ilgs ir tā pussabrukšanas periods?

J: Vai šiem elementiem ir kādi praktiski pielietojumi?

Meklēt pēc burta