Stabiilsuse saared tuumafüüsikas: superrasked elemendid ja maagilised arvud

Avasta stabiilsuse saared tuumafüüsikas — superrasked elemendid, maagilised arvud ja võimalikud topeltmaagilised tuumad nagu Ubh‑310 ja Flerovium‑298.

Stabiilsuse saared on tuumafüüsikas ennustatud piirkonnad aatomituumade massi- ja laengu­ruumis, kus tuumade sidumisenergia ühe nukleoni kohta saavutab lokaalse maksimumi ja seega on nende isotoopide eluiga tunduvalt pikem kui lähedastel tuumadel. Tänaseks on teada, et paljud väga rasked elemendid on radioaktiivsed — välja arvatud mõned kergemad raskemetallid nagu plii — ja neil ei ole stabiilseid isotoope. See tähendab, et nad lagunevad teisteks elementideks ning nende poolväärtusaeg võib olla ülitundlikult lühike (sekunditest minutiteni). Samas teooriad ennustavad, et kaugemal raskemate tuumade reas võivad esineda erandid: isotoobid, mille poolväärtusaeg on oluliselt pikem — need moodustavadki stabiilsuse saari.

Idee põhineb tuumade kvantmehhaanilisele kesta-mudelile: nii nagu aatomite elektronid järjestuvad energiatsoonidesse, korralduvad ka neutronid ja prootonid tuuma sees kvantenergiatasetesse. Kui konkreetne energiakiht (kest) täitub täielikult, tekib mahukam energiairežiim ja sidumisenergia ühe nukleoni kohta tõuseb — see annab tuumale suurema stabiilsuse. Täidetud kestadega seotud „maagilised arvud“ on tuumastruktuuri olulised tunnusmärgid.

Maagilised arvud on tuntud tuumafüüsikas (näiteks 2, 8, 20, 28, 50, 82 ja 126 prootonite või neutronite puhul). Üks enamlevinud prognoose superraskete tuumade kohta on neutronite maagiline arv N = 184. Selle neutroniarvuga ja teatud prootoniarvudega (eriti Z = 114, 120 või 126 sõltuvalt mudelist) ennustatakse eriti stabiilseid isotoope. Näiteks lähevad mudelid välja võimalusega, et sfäärilised „saare“ tuumad võiksid olla:

• Flerovium-298 (Z = 114, N = 184)
• unbinilium-304 (Z = 120, N = 184)
• unbihexium-310 (Z = 126, N = 184)

Eriti huvitav on Ubh-310, mis oleks teoreetiliselt «kahekordselt maagiline» — nii prootonite (Z = 126) kui ka neutronite (N = 184) arvud osutuvad maagilisteks — ning sellepärast ennustatakse talle võrreldeliselt pikka poolväärtusaega. Lähim kergem analoog on aga plii-208 (Z = 82, N = 126), mis on tuntud kui üks kõige stabiilsemaid raskeid tuumasid ning on ka kõige raskem stabiilne tuum.

Kuid reaalsus ei ole nii lihtne: tuumade struktuurid võivad olla kas sfäärilised või deformeerunud ning suurel massil võib deformatsioon muuta maagiliste arvude paiknemist. Näiteks on näidatud, et mõned väga rasked tuumad deformeeruvad — sellisel juhul nihkuvad või tekivad uued deformeeritud „maagilised“ arvud. Üheks näiteks on Hassium-270 (Z = 108, N = 162), mida peetakse nüüd kahekordselt deformeeritult maagiliseks tuumaks (Z = 108 ja N = 162 vastavad deformeerunud kestadele). Siiski on Hs-270 poolväärtusaeg ainult umbes 3,6 sekundit, mis näitab, et isegi „maagiliste“ konfiguratsioonide stabiilsus võib jääda lühiajaliseks.

Superraskete isotoopide valmistamine ja uurimine on tehniliselt keeruline. Isotoope toodetakse peamiselt tuumade kokkupõrke­tehnikatega (fusion‑evaporation), kus kiirendatud ioonid löövad rasket sihtmärki ja mõnikord moodustub soovitud superraske tuum, mis seejärel kiiresti deformeerub ja laguneb. Tõhusus ehk tekkivus­tõenäosus (produktsioonikross‑sektsiooni) on äärmiselt väike — tihti vaid mõni isotoop iga miljoni või isegi miljardi implanteeritud osakese kohta — ning tekkinud isotoopid on tavaliselt neutronivaesed võrreldes stabiilsuse saare ennustustega. Seetõttu on suur tehniline väljakutse toota piisavalt neutronirikkaid tuumi, et „päris“ saarele jõuda.

Lisaks fusion‑evaporation‑meetodile uuritakse alternatiivseid lähenemisi:

• massiivsete ioonide vahetusreaktsioonid (multi‑nucleon transfer), mis võivad anda neutronirikkamaid tuumasid;
• radioaktiivsete ioonikiirgeste kasutuselevõtt, mis võimaldaks sihtida neutronirikkamaid kombinatsioone;
• täiustatud sihtmärkide ja kiirendite tehnika, mis suurendab tootlikkust ja võimaldaks sügavamalt uurida lagunemis­kettaid.

Superrasked tuumad lagunevad peamiselt alfa‑lagunemise ja spontaanset fissiiooni kaudu; beeta‑lagunemine on nende puhul harvem, sest energianihked on sageli suunatud alfa‑või fissiooniteele. Just tugev konkurents fissiiooni ja vähene neutroniarv muudavad paljud potentsiaalsed saare isotoopid lühiajalisteks.

Kui kunagi õnnestub toota stabiilsema elueaga isotoope saare piirkonnast, oleks nende uurimine ülimalt väärtuslik nii tuumateooria kontrolliks kui ka võimalike rakenduste jaoks. Praegusel hetkel on praktilised kasutusvõimalused piiratud lühikese eluiga tõttu, kuid teoreetilised ja eksperimentaalsed huvid hõlmavad:

• tuumastruktuuri ja tuumareaktsioonide uurimist;
• uute keemiliste omaduste avastamist äärmuslikel aatomarvudel (näiteks Fleroviumi ja lähedaste elementide keemia);
• mõningates laboritingimustes kasutatavus osakeste kiirendite sihtmärkide ja spetsiifiliste neutroniallikatena, kui selleks leitakse sobiva elueaga isotoope.

Peamised piirangud on selged: tootmiskiirused on väga madalad, isotoopide poolväärtusajad on tavaliselt lühikesed ning ained on tugevalt radioaktiivsed — seega on rakendused seni piiratud teadusuuringute ja spetsiifiliste eksperimentidega. Samas toovad edusammud kiirendite, sihtmärkide ja detektorite vallas kaasa võimaluse otsida ja ehk ühel päeval leida „päris“ stabiilsuse saar, kus superrasked tuumad elaksid piisavalt kaua, et uurida nende keemiat ja potentsiaalseid tehnoloogilisi rakendusi.

Küsimused ja vastused

K: Millised elemendid on väljaspool pliiatsit?

K: Milline teooria füüsikas seletab, miks mõnel elemendil on pikem poolväärtusaeg?

K: Millised on sfääriliste tuumade maagilised arvud?

K: Kas hassium-270 on arvatavasti kahekordselt maagiline?

K: Kui pikk on selle poolväärtusaeg?

K: Kas neil elementidel on praktilisi rakendusi?

Otsing