Jaké budou názvy nových chemických prvků?

5. červenec 2009 | 06.00 |

IUPAClogoTak studentům přibude více učiva v chemii a ve fyzice. Budou se muset naučit názvy nových chemických prvků. Komise, která rozhoduje o oficiálním uznání objevu nových chemických prvků a jejich pojmenování, oslovila vědce z GSI Darmstadt v souvislosti s jejich objevem prvku s protonovým číslem 112. Vypadá to tak, že v nejbližší době se snad už konečně rozhodne o oficiálním uznání jejich objevu a pojmenování alespoň některých dalších supertěžkých prvků s počtem protonů větším než 111 až po protonové číslo 118. Zatím se přesně netuší, o kterých prvcích zřízená komise rozhodne, že jejich syntéza je spolehlivě prokázaná. Pak může být objev oficiálně uznán a objevitelé mohou navrhnout jejich pojmenování, které bude oficiálně používáno. Doufejme, že nové názvy budou nejenom pro studenty snadno zapamatovatelné.

Rozhodování o názvosloví v chemii se provádí v rámci organizace IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Posouzení objevu a schválení názvu nového chemického prvku se provádí společně s organizací IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics).  Na základě výzvy zaslalo několik vědců zastupujících skupiny, zabývající se zkoumáním supertěžkých prvků, prohlášení o svém objevu prvků s protonovým číslem větším než 111. Amnon Marinov z Hebrejské University v Jeruzalému v Izraeli ohlásil objev prvku s protonovým číslem 112. Kosuke Morita z výzkumného centra RIKEN v Japonsku ohlásil objev prvku 112 a prvku 113. Sergej Dimitriev z SÚJV Dubna v Rusku objev prvků s protonovým číslem 112, 113, 114, 115, 116, a 118. Sigurd Hofmann z GSI Darmstadtu v Německu pak objev prvku 112. Stále ještě nebyl vyhlášen výsledek posuzování jednotlivých experimentů, určování průkaznosti jejich výsledků a stanovení pořadí jednotlivých vědeckých týmů v případě objevu stejného prvku. U prvku s protonovým číslem 112 je už však rozhodnuto a můžeme se těšit na jeho uvedení do oficiální Mendělejevovy tabulky. Lze tedy očekávat, že i rozhodnutí o dalších prvcích bude následovat v blízké době. Po oslovení jednotlivých experimentálních skupin a posouzení jimi navržených jmen se můžeme těšit na vyhlášení oficiálních jmen nových prvků.

A jaká je momentální situace v přípravě supertěžkých prvků?

V laboratoři GSI Darmstadt se podařilo za posledních 20 let minulého století připravit prvky až po protonové číslo 112. Přidělené jméno mají prvky s protonovým číslem až po 111. Jde o bohrium, hassium, meitnerium, darmstadtium a roentgenium. V laboratoři GSI Darmstadt se u prvku s protonovým číslem 112 se podařilo vytvořit 2 jádra izotopu s 277 nukleony. Další dvě jádra stejného izotopu se později podařilo vyrobit ve výzkumném centru RIKEN v Japonsku. Rozpadaly se v čase menším než milisekunda vyzářením alfa částice na izotop darmstadtia s 273 nukleony. Pravděpodobnost produkce stále těžších prvků s nárůstem počtu protonů prudce klesala. Prvek s protonovým číslem 113 se však už i při dlouhodobé snaze v laboratoři GSI Darmstadt připravit nepodařilo. Povedlo se to až v roce 2004 opět ve výzkumném centru RIKEN, kde vytvořili 2 jádra prvku s protonovým číslem 113 s celkovým počtem 278 nukleonů. Pro tuto produkci bylo potřeba ozařovat několik měsíců terč z bismutu pomocí proudu 1012 jader zinku za sekundu. Prvek s protonovým číslem 113 se stal hranicí pro studenou fúzi.

Pro produkci dalších bylo třeba najít nový způsob, kterým se stala "horká" fúze. Dostupné transuranové elementy se ozařovaly velmi stabilními těžkými ionty (s magickým počtem neutronů i protonů). Velmi stabilní byl tak projektil a méně stabilní terčové jádro. Excitační energie složeného jádra je v tomto případě několikanásobkem této energie v případě studené fúze a je natolik veliká, že jej opouští větší počet neutronů. S takovými experimenty začal Jurij T. Oganesjan ze SÚJV v Dubně v Rusku a doufal, že i v tomto případě bude nezanedbatelná pravděpodobnost, že vytvořené jádro se úplně nerozpadne a přežije vcelku. Ukázalo se, že jeho naděje byla oprávněná a můžeme takto supertěžké prvky připravit. Hlavní rozdíl je, že se v tomto případě dostáváme k úplně jinému poměru mezi neutrony a protony než tomu bylo u studené fúze. Přebytek neutronů je v tomto případě větší. To se stává problémem při identifikaci vzniklého jádra. Rozpadá se opět sérií rozpadů alfa, končí však samovolným štěpením u úplně neznámého jádra. To stěžuje identifikaci tohoto konečného a tím i počátečního jádra. Druhým problémem je i to, že je také nejistý počet vyzářených neutronů a tím i celkový počet nukleonů vzniklého supertěžkého jádra. Třetím problémem se ukázal i pozitivní vliv toho, že se blížíme k ostrovu stability a i větší počet neutronů zajišťuje větší stabilitu jádra.

V ruském Dubně se při experimentech používal svazek iontů izotopu vápníku Ca48 a postupně terče z uranu, plutonia, americia, curia a kalifornia. Podařilo se tak získat jádra s protonovým číslem 112, 114, 115, 116 a 118. Prvkem s počtem protonů 118 se téměř dosáhlo hranice pro tento druh horké fúze, protože už nedokážeme připravit terčík s natolik těžkým transuranem, který by s pomocí svazků iontů vápníku umožnil připravit jádra těžší. Dost dlouho trvalo, než se podařilo v tomto případě shromáždit dostatek důkazů pro to, aby mohla být produkce těchto prvků uznána. Důležitý byl objev i více izotopů některých z těchto prvků a hlavně opakování a potvrzování produkce supertěžkých prvků metodou horké fúze v jiných laboratořích. Také v GSI Darmstadt pomocí horké fúze byly výsledky publikovány v roce 2007 a týkají se izotopu 112 s počtem nukleonů 283. Tedy jádra, které bylo produkováno i v laboratoři SÚJV v Dubně. Pozorované vlastnosti tohoto jádra jsou v dobré shodě s vlastnostmi zjištěnými u tohoto jádra ve dvou experimentech v Dubně, ať už se to týká doby života, energie rozpadu alfa nebo pravděpodobnosti produkce tohoto jádra v příslušné reakci. To je velice důležité, protože tak byla nezávisle potvrzena část velice důležitých dat z SÚJV Dubna. Zdá se tedy, že prvky 114, 115, 116 a 118, získané horkou fúzi jsou v pořádku.

Na jádře s protonovým číslem 112 je patrný rozdíl mezi jádry produkovanými pomocí horké a studené fúze. Pomocí horké fúze vzniká izotop s počtem neutronu o 6 větším než je tomu u studené fúze. Je to dáno tím, že máme daleko těžší terčové jádro, u kterého je daleko významnější přebytek neutronů nad protony. Výhodou je, že se díky tomu nacházíme blíže předpokládanému ostrovu stability a izotop je opravdu daleko stabilnější. Jeho doba života je v řádu minut. Nevýhodou je, že jeho sekvence rozpadů alfa nemůže končit u známého jádra, což je právě jeden z problémů při jejich identifikaci.

Prvkem 118 se dostáváme i k hranicím možností horké fúze. Příprava terče z einsteinia, které následuje za kaliforniem, už je velmi problematická. Další prvky za ním fermium a mendělejevium už mají u nejvhodnějších izotopů poločasy rozpadu 100 a 50 dní. Díky tomu už je příprava a manipulace s takovým terčem, který by měl být využíván pro měsíce probíhající experiment jen velice těžko představitelná. Reálně se tak ještě uvažuje o produkci prvku 120, kde se ještě vhodná kombinace transuranu a relativně stabilního projektilu dá najít. Při dostatečně dlouhém ozařování (měsíce) se tak dá alespoň jedno takové jádro vytvořit a identifikovat.

V případě supertěžkých prvků není předpověď jejich chemických vlastností z počtu elektronů v neuzavřené slupce jednoduchá. Velice silně se u nich totiž projevují relativistické korekce. Ty jsou dány tím, že elektrony mají velmi vysokou kinetickou energii a tím i rychlost blížící se rychlosti světla. Problémem pro experimentální studium chemie supertěžkých prvků je, že se produkují jen jednotlivé atomy a jejich rozpad je velmi rychlý. Proto je třeba využívat metody, které dokáží určovat chemii těchto prvků velmi jednoduše a rychle. V tomto případě se supertěžké jádro nezastavuje ve stopovacím detektoru ale například se proudem hélia vyfukuje k další analýze.

Nejtěžší prvky, jejichž chemické vlastnosti se zatím podařilo podrobněji studovat, jsou prvky seaborgium (Z=106), bohrium (Z=107) a hassium (Z=108). Jsou to prvky, které je pomocí studené fúze možno produkovat v ještě relativně slušném počtu jeden a více denně, takže měsíční experiment umožní produkci desítek atomů. Ukázalo se, že všechny tři se chovají podle své polohy v Mendělejevově tabulce prvků.
 Význačné postavení v chemii produkovaných supertěžkých prvků má prvek s protonovým číslem 108 hassium, který by měl být podobný osmiu a rutheniu. Tato podobnost se potvrdila, prokázáním toho, že vytváří oxid hassičelý.

Zatím nejtěžší prvky, u kterých se studovaly chemické vlastnosti, jsou prvky se 112 a 114 elektrony. Zde se už musíme obrátit na horkou fúzi, která nám umožní vyprodukovat izotopy prvků s dostatečně dlouhou dobou života. Experimenty se prováděly hlavně v SÚJV Dubna ale také v GSI Darmstadt. Experimenty jsou opravdu náročné, neboť se produkují a studují opravdu jen jednotlivé atomy. Zkoumaný izotop prvku 112 má dohromady 283 nukleonů a dobu života okolo tří minut. Prvek s počtem elektronů 112 by měl být podobný rtuti, tedy měl by mít kovové vlastnosti. Relativistické korekce u vnějších elektronů by však mohly způsobit, že by se spíše jeho vlastnosti blížily chování vzácných plynů. To, jestli se tento prvek chová jako kov nebo vzácný plyn se testovalo pomocí jeho schopnosti se vázat na povrch zlata pro různé teploty povrchu. I když jsou tato studia zatím v počátcích a objevují se i rozpory, přece jen se zdá být potvrzeno, že u prvku 112 je jeho chování blízké chování rtuti. Naopak chování prvku 114 se liší od chování olova a mohlo by tak jít o první pozorovaný případ změny chemických vlastností supertěžkého prvku vlivem relativistických korekcí. 

Na tvorbu dalších supertěžkých prvků, je potřeba najít nějakou úplně novou cestu. Čeká se na pokrok v technice produkce i detekce ale hlavně na nové nápady, které se na počátku mohou jevit i jako velmi ztřeštěné. Na závěr může vzniknout otázka, proč takové extrémní úsilí pro produkci supertěžkých jader podstupovat. Hlavním důvodem je skutečnost, že poznání vlastností těchto jader, hlavně změn jejich stability, je důležité pro pochopení vlastností slupkového modelu a jaderných sil, které drží nukleony v jádře. Důležitá je i znalost chemie prvků s velmi vysokým počtem elektronů, z nichž některé mají extrémní kinetické energie. A nakonec není také úplně vyloučeno, že izotopy nacházející se na ostrově stability budou mít tak dlouhé doby života, že najdou i praktické uplatnění.

Podle Vladimíra Wagnera

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.33 (6x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře

RE: Jaké budou názvy nových chemických prvků? fyzmatik 18. 07. 2009 - 10:22