Stabilitetsø: teorien om langlivede supertunge atomkerner
Opdag teorien om stabilitetsøen: hvordan magiske tal og nukleare skaller kan skabe langlivede supertunge atomkerner og mulige dobbelt-magiske isotoper.
De kemiske grundstoffer ud over bly er radioaktive, og de har ikke stabile isotoper. Det betyder, at de vil henfalde til andre grundstoffer. Bortset fra plutonium er deres halveringstid i størrelsesordenen fra flere minutter til sekunder. Der findes en teori i fysikken, som siger, at efter et antal grundstoffer med kort halveringstid vil der kunne fremkomme andre grundstoffer med længere halveringstid. Disse områder i nuklidkartet omtales generelt som stabilitetsøer eller islands of stability. Ifølge teorien forventes isotoper i sådanne øer at have halveringstider, der er betydeligt længere end hos nærliggende isotoper — typisk i størrelsesordenen fra sekunder og op til langt længere tid i nogle modeller.
Kernens "skalmodel" og magiske tal
Hypotesen bygger på, at atomkernen er opbygget i skaller på en måde, der minder om atomernes elektronskaller. I begge tilfælde er skaller grupper af kvanteenerginiveauer, der ligger relativt tæt på hinanden. Overgangene mellem to forskellige skaller er karakteriseret ved et energigab. Når antallet af neutroner og protoner fylder energiniveauerne i en given skal i kernen fuldstændigt op, får man en særlig stabil konfiguration, fordi bindingsenergien pr. nukleon når et lokalt maksimum. Sådanne fyldte skaller svarer til bestemte "magiske tal" af neutroner eller protoner, hvor kernen får øget modstand mod henfald.
Et muligt magisk neutronantal for sfæriske kerner er N = 184, og nogle teoretiske beregninger peger på protontal Z = 114, 120 eller 126 som særligt gunstige match. Det betyder, at isotoper som Flerovium-298 (Z=114, N=184), unbinilium-304 (Z=120, N=184) og unbihexium-310 (Z=126, N=184) ofte nævnes som kandidater til at ligge nær eller i en stabilitetsø. Især Ubh-310 ville være "dobbelt magisk" (både Z=126 og N=184), hvilket i mange modeller gør den ekstra stabil i forhold til nærliggende isotoper. Den næste langt lettere og velkendte dobbelt-magiske sfæriske kerne er bly-208, som er den tungeste stabile kerne.
Deformation og skift i magiske tal
Nyere forskning viser imidlertid, at meget tunge kerner ofte er deformerede frem for perfekte kugler. Deformation kan ændre energiniveauernes struktur, så de magiske tal forskydes eller at nye "deformerede magiske tal" optræder. Et eksempel, som ofte fremhæves i litteraturen, er Hassium-270, der menes at være en dobbelt-magisk, men deformeret, kerne med deformerede magiske tal omkring Z = 108 og N = 162. Selv om sådanne lukninger kan give relativt øget stabilitet, kan halveringstiderne stadig være korte; Hs-270 har f.eks. en halveringstid på kun få sekunder (omkring 3,6 s i nogle målinger).
Henfaldsprocesser og hvad "stabilitet" betyder
Når man taler om øget stabilitet i supertunge kerner, refererer man primært til modstand mod de væsentligste henfaldsprocesser: alfa-henfald og spontan fission. Skallukninger kan hæve fissionsbarrieren, altså den energi som kræves for at kernen spaltes, og dermed reducere sandsynligheden for spontan fission. Samtidig kan stærkere bindingsenergi i fyldte skaller nedsætte sandsynligheden for hurtig alfa-henfald. Hvor meget halveringstiden øges, afhænger af den konkrete nuklide og de konkurrerende henfaldskanaler, og teoretiske forudsigelser varierer betydeligt mellem forskellige modeller.
Syntese og eksperimentelle udfordringer
At nå frem til isotoper midt i en forudsagt stabilitetsø er svært, fordi man typisk må lave meget neutronrige isotoper. Eksperimentelt fremstilles supertunge kerner i dag primært ved fusion mellem tunge ioner eller ved multi-nucleon transfer-reaktioner. Produktionen er karakteriseret ved ekstremt lave tværsnit (meget få atomkerner produceres) og korte leve- og opholdstider. Derudover er de nødvendige målemetoder og targetmaterialer krævende: man bruger ofte tunge aktinidmål (f.eks. curium eller californium) og acceleratorstråler fra store faciliteter som GSI, JINR (Dubna), RIKEN m.fl.
Mange forsøg har produceret isotoper, som ligger nær det forudsagte område, men ofte med for få neutroner til virkelig at nå øens "centrum" — de lander i praksis på øens ydre "kyster". Det er dog muligt, at endnu mere neutronrige reaktioner (f.eks. med radioaktive ionstråler eller nye multi-nucleon-teknikker) kan nå tættere på eller ind i selve øen i fremtiden.
Kemiske egenskaber og anvendelser
De syntetiserede supertunge elementer kan udvise usædvanlige kemiske egenskaber på grund af relativistiske effekter for elektroner i sådanne tunge atomkerner. Hvis man i fremtiden fremstiller isotoper med væsentligt længere halveringstid, åbner det sig muligheder for at undersøge deres kemi mere detaljeret. Potentielle praktiske anvendelser er dog i øjeblikket begrænsede på grund af ekstremt lave mængder og korte halveringstider; på nuværende tidspunkt er realistiske anvendelser primært som mål i kernforsøg, til kalibrering i acceleratoreksperimenter, eller i meget specifikke situationer som neutrongeneratorer, hvis passende isotoper kan fremstilles i tilstrækkelige mængder og med tilstrækkelig lang levetid.
Fremtiden for stabilitetsøen
Forskningen i supertunge kerner er et aktivt felt, hvor både teoretiske modeller og eksperimentelle teknikker hele tiden udvikles. Teorier om stabilitetsøen forudsiger, at der findes regioner med relativt forøgede halveringstider, men præcis hvilke neutron- og protonkombinationer der giver de længste levetider, og hvor store disse halveringstider kan blive, er stadig usikkert. Fortsat arbejde på nye reaktionstyper, kraftigere eller mere specialiserede acceleratore og forbedrede detektionsteknikker er nødvendigt for at afklare om og hvornår man kan nå ind i øens centrum og observere de længe ventede langtlevende supertunge isotoper.
Kort sagt: stabilitetsøen er et teoretisk og eksperimentelt mål for nuklear fysik — et område hvor små ændringer i nukleonantal kan give store forskelle i levetid — og hvor fremtidige gennembrud kan ændre vores forståelse af atomkernens øvre grænser.
Periodisk system med grundstoffer farvet efter halveringstiden for deres mest stabile isotop. Stabile grundstoffer. Radioaktive grundstoffer med halveringstider på over fire millioner år. Halveringstider mellem 800 og 34 000 år. Halveringstider mellem 1 dag og 103 år. Halveringstider på mellem et minut og 1 dag. Halveringstider på under et minut.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvilke elementer er uden for bly?
A: Elementerne ud over bly er radioaktive og har ikke stabile isotoper.
Spørgsmål: Hvad er den teori i fysikken, der forklarer, hvorfor nogle grundstoffer har længere halveringstider?
A: Ifølge fysikernes teori vil der efter en række grundstoffer med kort halveringstid være andre grundstoffer med længere halveringstid, der kaldes stabilitetsøer. Det skyldes, at når antallet af neutroner og protoner fylder energiniveauerne i en given skal i kernen fuldstændigt, vil bindingsenergien pr. nukleon nå et lokalt maksimum, og dermed vil denne særlige konfiguration have en længere levetid end nærliggende isotoper.
Spørgsmål: Hvad er magiske tal for kugleformede kerner?
Svar: De magiske tal for sfæriske kerner er neutroner på 184 og protoner på 114, 120 og 126. Det betyder, at de mest stabile sfæriske isotoper ville være flerovium-298, unbinilium-304 og unbihexium-310.
Spørgsmål: Antages det, at Hassium-270 er dobbelt magisk?
Svar: Ja, Hassium-270 menes at være en dobbelt magisk deformeret kerne med deformerede magiske tal 108 og 162.
Spørgsmål: Hvor lang er dens halveringstid?
A: Dens halveringstid er 3,6 sekunder.
Spørgsmål: Er der nogen praktiske anvendelser for disse grundstoffer?
A: Ja, hvis de har isotoper med en passende levetid, kan de potentielt anvendes til forskellige praktiske formål, f.eks. som mål for partikelacceleratorer eller som neutronkilder.
Søge