Zdá sa, že pokroky v jadrovej fyzike môžu čoskoro umožniť vytvorenie stabilných superťažkých jadier, čím by bolo možné v budúcnosti získať nové jadrové materiály.
Vedecký časopis “Nuclear Science and Techniques (NST)” pravidelne informuje o vedeckých zisteniach, technickom pokroku a dôležitých výsledkoch v oblasti jadrovej vedy a techniky. Cieľom tohto periodika je stimulovať vzájomné obohacovanie poznatkov medzi vedcami a inžiniermi pracujúcimi v oblasti jadrového výskumu.
Rozsah výskumov pokrýva aplikácie synchrotrónového žiarenia, technológiu žiarenia; urýchľovače, technológia žiarenia a jej aplikácie; jadrová chémiu, rádiochémiu, rádiofarmaká, nukleárnu medicínu; jadrovú elektroniku a prístrojové vybavenie; vedu o jadrovej energii a inžinierstvo a a interdisciplinárny výskum jadrovú fyziku.
Nedávno vo svojom Zväzku 35(2024), publikovali článok číslo 161, pod názvom:
“ Možnosť dosiahnutia predpovedaného stredu „ostrova stability“ prostredníctvom fúznych reakcií vyvolaných rádioaktívnym lúčom”
V ňom informujú, že tím čínskych vedcov urobil významný pokrok v snahe vytvoriť nové, dlhotrvajúce superťažké jadrá. Tieto dvojité magické jadrá, ktoré majú presný počet protónov a neutrónov, ktoré tvoria vysoko stabilnú konfiguráciu, sú výnimočne odolné voči rozpadu. Ich úspešný výskum by mohol prehĺbiť naše chápanie tých síl, ktoré viažu atómy a pripraviť cestu pre vývoj nových materiálov s jedinečnými vlastnosťami.
Uverejnená vedecká práca nás privádza o krok bližšie k takzvanému „ostrovu stability“, teoretickej oblasti na mape jadier, kde sa verí, že niektoré jadrá môžu existovať oveľa dlhšie ako tie, ktoré boli doteraz vytvorené.
Čo je to “Ostrov Stability”?
Ostrovy stability sú skupiny super ťažkých prvkov s potenciálom mať dlhší polčas rozpadu, rádovo niekoľko minút, než by naznačovalo ich umiestnenie v periodickej tabuľke. Je to spôsobené tým, že tieto prvky majú „magické čísla“ protónov a neutrónov.
V jadrovej fyzike je ostrov stability predpovedaný súbor izotopov superťažkých prvkov, ktoré môžu mať podstatne dlhší polčas rozpadu ako známe izotopy týchto prvkov. Predpokladá sa, že sa v tabuľke nuklidov objaví ako "ostrov", oddelený od známych stabilných a dlho žijúcich primordiálnych rádionuklidov. Jeho teoretická existencia sa pripisuje stabilizačným účinkom predpovedaných „magických čísel“ protónov a neutrónov v oblasti superťažkej hmoty.
Ako sa dá predpovedať jadrová stabilita?
Jadrová stabilita je koncept, ktorý pomáha identifikovať stabilitu izotopu.
Izotop je prvok, ktorý má rovnaké atómové číslo, ale odlišnú atómovú hmotnosť v porovnaní s periodickou tabuľkou. Fakticky má každý prvok protón, neutrón a elektrón. Počet protónov sa rovná atómovému číslu a počet elektrónov sa rovná protónom, pokiaľ nejde o ión. Ak chcete určiť počet neutrónov v prvku, odčítajte atómové číslo od atómovej hmotnosti prvku. Atómová hmotnosť je reprezentovaná ako (A) a atómové číslo je reprezentované ako (Z) a neutróny sú reprezentované ako (N).
A=N+Z(1)
Dva hlavné faktory, ktoré určujú jadrovú stabilitu, sú pomer neutrónov/protónov a celkový počet nukleónov v jadre.
Prvým hlavným faktorom na určenie, či je jadro stabilné, je pomer neutrónov k protónom. Prvky s ( Z<20 ) sú ľahšie a jadrá týchto prvkov majú pomer 1:1 a preferujú rovnaké množstvo protónov a neutrónov. Pomer neutrónov k protónom (n/p) je teda úspešný spôsob predpovedania jadrovej stability. Tento pomer je blízky 1 pre atómy prvkov s nízkymi atómovými číslami (menej ako 20 protónov). Pomer n/p sa neustále zvyšuje, keď sa atómové číslo zvyšuje za prvok 20 (vápnik) na prvok 84 (polónium).
Graf stabilných prvkov sa bežne označuje ako tzv “pás stability”. Graf pozostáva z neutrónov označených na osi y, protónov označených na osi x a jadier. Na hornom konci (vpravo hore) pásma stability ležia rádionuklidy, ktoré sa rozpadajú prostredníctvom alfa rozpadu, nižšie je emisia pozitrónov alebo záchyt elektrónov, vyššie sú emisie beta a prvky nad atómovým číslom 83 sú len nestabilné rádioaktívne prvky. Stabilné jadrá s atómovými číslami do približne 20 majú pomer neutrónov:protónov približne 1:1 (plná čiara).
Pás stability umožňuje ľahko určiť, kde dochádza k rozpadu alfa, beta rozpadu a emisii pozitrónov alebo záchytu elektrónov.
Rozpad alfa α:
Rozpad alfa sa nachádza v hornej časti vynesenej čiary, pretože rozpad alfa znižuje hmotnostné číslo prvku, aby sa izotop udržal stabilný. To sa dosiahne vyžarovaním častice alfa, ktorá je len jadrom hélia (He). V tejto dráhe rozpadu sa protónové číslo nestabilného izotopu P zníži o 2 a jeho neutrónové číslo (N) o 2. Znamená to, že nukleónové číslo A sa zníži o 4 (Rovnica 1).
Beta β− rozpad:
Beta β− rozpad prijíma protóny, takže mení množstvo protónov a neutrónov. počet protónov sa zvýši o 1 a počet neutrónov sa zníži o 1. Táto dráha sa vyskytuje v nestabilných nuklidoch, ktoré majú príliš veľa neutrónov ležiacich nad pásmom stability (modré izotopy na obrázku).
Rozpad pozitrónu β+:
Emisia pozitrónu β+ a zachytávanie elektrónov je, keď izotop získa viac neutrónov. Pozitrónová emisia a záchyt elektrónov sú pod pásmom stability, pretože pomer izotopu má viac protónov ako neutrónov, predstavte si to tak, že na množstvo neutrónov je príliš málo protónov, a preto je pod pásmom stability (žlté izotopy na obrázku).
Ako pri všetkých dráhach rozpadu, ak dcérske nuklidy nie sú na páse, potom sa budú vyskytovať následné dráhy rozpadu, až kým dcérske jadrá nebudú na páse.
Ktoré typy jadier sú stabilnejšie?
Stabilné jadrá majú vo všeobecnosti párne počty protónov aj neutrónov a pomer neutrónov k protónom najmenej 1. Jadrá, ktoré obsahujú magické počty protónov a neutrónov, sú často obzvlášť stabilné. Superťažké prvky s atómovými číslami blízko 126 môžu byť dokonca dostatočne stabilné na to, aby existovali v prírode.
Aké sú jadrá s dvojitými magickými číslami?
Ak počet protónov aj neutrónov patrí do zoznamu magických čísel, potom sú jadrá dvojnásobne magické. Kompletná odpoveď krok za krokom: Vieme, že jadrá, ktoré obsahujú magický počet protónov a neutrónov, sú známe ako dvojité magické jadrá. Zoznam magických čísel je 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 a 184.
Keď sa neutrónové a protónové obaly naplnia 2, 8, 20, 28, 50 a 82 126 nukleónmi, sú známe ako mágia s jadrami v guľovom tvare. Ale keď počet nukleónov netvorí magické číslo, jadrá stratia svoj sférický tvar a deformujú sa.
Prečo sa napríklad 114 považuje za magické číslo?
Teória jadrového obalu predpovedala, že superťažké prvky s „magickým číslom“ protónov alebo neutrónov, ktoré sú potrebné na vyplnenie príslušných obalov, budú mať dlhšiu životnosť. Pre neutróny bolo magické číslo 184; pre protóny vyzerali sľubne čísla 114, 120 a 126.
Magické čísla
Oktetové pravidlo bolo formulované na základe pozorovania, že atómy s ôsmimi valenčnými elektrónmi boli obzvlášť stabilné (a bežné).
Technická poznámka: - Oktetové pravidlo odkazuje na tendenciu atómov uprednostňovať osem elektrónov vo valenčnom obale. Keď majú atómy menej ako osem elektrónov, majú tendenciu reagovať a vytvárať stabilnejšie zlúčeniny. Pri oktetovom pravidle neuvažujeme d alebo f elektróny. V oktetovom pravidle sú zahrnuté iba elektróny s a p, čo je užitočné pre prvky hlavnej skupiny (prvky, ktoré nie sú v prechodnom kove alebo v blokoch s vnútorným prechodom); oktet v týchto atómoch zodpovedá elektrónovým konfiguráciám končiacim na s2p6.
Ale naspať k magickým číslam.
Podobná situácia platí pre jadrá, pokiaľ ide o počet neutrónových a protónových čísel, ktoré generujú stabilné (nerádioaktívne) izotopy. Tieto „magické čísla“ sú prirodzenými javmi v izotopoch, ktoré sú obzvlášť stabilné. Tabuľka 1 zoznam počtov protónov a neutrónov; izotopy, ktoré majú tieto čísla vyskytujúce sa buď v protóne alebo neutróne, sú stabilné. V niektorých prípadoch môžu izotopy pozostávať z magických čísel pre protóny aj neutróny; nazývali by sa dvojité magické čísla. Dvojité čísla sa vyskytujú iba pre izotopy, ktoré sú ťažšie, pretože sily medzi protónmi sú odpudzované. Magické čísla sú:
- protón: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
- neutrón: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184
Existuje tiež koncept, že izotopy pozostávajúce z kombinácie párny-párny, párny-nepárny, nepárny-párny a nepárny-nepárny sú všetky stabilné. Existuje viac nuklidov, ktoré majú kombináciu párne-párne ako nepárne-nepárne. Rovnako ako existujú porušenia oktetového pravidla, mnoho izotopov bez magického počtu nukleónov je stabilných.
Kľúčové zistenia pri hľadaní „ostrova stability“
Štúdia vedená profesorom Feng-Shou Zhangom predpovedala sľubné reakcie medzi rôznymi prvkami, ktoré by mohli byť použité pri experimentoch na vytvorenie dvojitých magických jadier. Jeden kľúčový objav zahŕňa reakciu medzi špeciálnym typom rádioaktívneho izotopu vápnika a plutóniovým cieľom, ktorý by mohol produkovať predpovedané dvojité magické jadrá 298-Fl. Ďalšie potenciálne dvojité magické jadrá, 304-120, by mohli vzniknúť spojením vanádu a berkélia, aj keď je v súčasnosti menej pravdepodobné, že táto reakcia bude úspešná.
Skúmanie nových ciest v jadrovej vede
Myšlienka vytvorenia týchto superťažkých jadier je vzrušujúca, pretože by mohli ponúknuť nový pohľad na štruktúru atómu a možno viesť k vývoju pokročilých materiálov. Ak je možné tieto prvky vyrobiť a zostať stabilné, môžu mať jedinečné vlastnosti, ktoré by mohli byť užitočné v rôznych vedeckých oblastiach.
Cestu dopredu určujú inovatívne techniky.
Na uskutočnenie týchto objavov výskumný tím použil pokročilé teoretické modely určené na štúdium zrážok ťažkých iónov. Starostlivým výberom správnych kombinácií projektilov a terčov vytýčili vedci jasnú cestu pre budúce experimenty, ktoré by nás mohli priblížiť k dosiahnutiu týchto cieľov.
Výzvy a budúce smery
Napriek pokroku sú pred nami stále výzvy, ako napríklad zlepšenie účinnosti týchto reakcií. Tento výskum nás však približuje k pochopeniu „ostrova stability“ a zaujímavým možnostiam, ktoré ponúka. Práca nielenže posúva dopredu oblasť jadrovej fyziky, ale tiež pripravuje pôdu pre budúce objavy, ktoré by mohli mať široký dosah na vedu a techniku.
Daný výskum sa uskutočnil v spolupráci s Pekinskou univerzitou, Pekinskou akadémiou vied a techniky, Univerzitou Guangxi a Národným laboratóriom urýchľovača ťažkých iónov v Lanzhou.
Prvotný vedecký informačný zdroj výskumu:
„Možnosť dosiahnutia predpovedaného stredu „ostrova stability“ prostredníctvom fúznych reakcií vyvolaných rádioaktívnym lúčom“ od Ming-Hao Zhang, Ying Zou, Mei-Chen Wang, Gen Zhang, Qing-Lin Niu a Feng-Shou Zhang, 4. septembra 2024, Jadrová veda a technika.
DOI: 10.1007/s41365-024-01542-x
