Polacy pomagają wypełnić luki w geografii ciężkich jąder atomowych
Podczas jednego z eksperymentów w ośrodku naukowym GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung w niemieckim mieście Darmstadt wytworzono jądra nowego izotopu rtęci.
Do analizy wyników tego doświadczenia użyte zostało oprogramowanie napisane w Instytucie Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku (IPJ).
To dzięki niemu udało się wykazać, że uzyskane przez naukowców jądra to rtęć 208Hg, która składa się z 80 protonów i 128 neutronów. Jak informuje dr Marek Pawłowski, rzecznik IPJ, oznacza to, iż na mapie ciężkich jąder atomowych fizykom udało się wkroczyć na niezbadany dotychczas obszar. Współautorem użytego w eksperymencie oprogramowania jest Polak - docent Zygmunt Patyk, a doświadczenie, o którym mowa, uznano za na tyle istotne dla świata nauki, że artykuł na jego temat opublikowano w prestiżowym czasopiśmie fizycznym "Physical Review Letters" (wydanie z 27 marca 2009 roku), a zdjęcie mapy izotopów z rtęcią 208 umieszczono na jego okładce.
Rtęć (Hg) to pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych, zaliczany do pierwiastków ciężkich. Jest jedynym na świecie metalem w stanie ciekłym. W przyrodzie występuje w postaci minerałów, np. cynoberu, kalomelu i rtęci rodzimej. Większość związków rtęci jest jednak silnie toksyczna i może prowadzić do zanieczyszczenia środowiska, a po przedostaniu się do organizmu - poważnych zatruć. W ciele człowieka pierwiastek niszczy błony biologiczne i łączy się z różnymi białkami, co prowadzi do zakłócenia wielu ważnych procesów biochemicznych.
W przemyśle rtęć stosuje się m.in. do produkcji termometrów, barometrów, manometrów i pomp próżniowych, produkcji materiałów wybuchowych, świetlówek, lamp rtęciowych i farb okrętowych. Wykorzystuje się ją także w medycynie i farmacji, np. do wykonywania plomb dentystycznych czy produkcji środków dezynfekujących.
Jak wyjaśnia dr Pawłowski, w fizyce jądrowej istnieje pojęcie liczb magicznych. Są to takie liczby neutronów i protonów w jądrach, które powodują, że jądra te różnią się istotnie od innych jąder o bliskich liczbach neutronów i protonów - są od nich znacznie stabilniejsze i mniej reaktywne. Liczby te są tak specyficzne, że zostały nazwane magicznymi.
Naukowcy zajmujący się strukturą atomów znają takie liczby od dawna. Wiedzą, że gdy ilość elektronów w powłoce osiąga wartość maksymalną (2, 10, 18, 36, 54 lub 86 dla kolejnych powłok), powłoka ta zamyka się, a pierwiastek staje się gazem szlachetnym i bardzo niechętnie reaguje z innymi. W przypadku jąder atomowych występuje podobny efekt, z tą różnicą, że zachodzi niezależnie dla protonów i dla neutronów. Liczbami magicznymi dla jąder są zaś: 2, 8, 20, 28, 50 i 82. Dla samych neutronów istnieją jeszcze dodatkowe liczby 126 i 162 oraz prawdopodobnie 184, a dla protonów - 108 i prawdopodobnie także 114.
Najcięższym poznanym do tej pory jądrem magicznym - i to podwójnie magicznym, bo zarówno pod względem protonów, jak i neutronów - jest ołów 208 Pb, który zawiera 82 protony i 126 neutrony. Jądro to ma także inną charakterystyczną właściwość - dzieli tzw. mapę ciężkich izotopów na cztery ćwiartki. "Okazuje się, że wytworzenie jąder atomowych należących do trzech ćwiartek tej mapy jest stosunkowo łatwe, lecz jądra atomowe z ostatniej ćwiartki - z nadmiarem neutronów i niedomiarem protonów - nie są proste do otrzymania" - tłumaczy rzecznik IPJ. A do niej zalicza się właśnie otrzymane w Darmstadt jądro Hg 208.
Eksperyment, w wyniku którego doszło do jego powstania, nie zostałby ukończony, gdyby nie bezpośredni pomiar masy nowego izotopu, przeprowadzony dzięki specjalnemu oprogramowaniu napisanemu przez dra Zygmunta Patyka z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku. Program, rozwijany przez naukowca od 12 lat, pozwala analizować nawet dziesiątki tysięcy rozkładów widmowych otrzymanych podczas eksperymentów. "Jeśli masę jądra rtęci 208 przeliczymy na energię za pomocą wzoru E=mc2, otrzymamy wartość ponad 190 milionów kiloelektronowoltów. Dzięki naszemu programowi udało się ją zmierzyć z bardzo dobrą dokładnością. Błąd wynosi zaledwie 31 kiloelektronowoltów" - podkreśla dr Patyk.
Pawłowski uzupełnia, że badania, w których uczestniczył polski fizyk, mają istotne znaczenie poznawcze. Przyczynią się m.in. do zrozumienia pochodzenia istotnych dla życia pierwiastków, których masy atomowe są cięższe do żelaza. Do tej pory, cykl wytwarzania pierwiastków w gwiazdach, naukowcy rozpracowali i potwierdzili bowiem jedynie dla tych pierwiastków, w których liczba protonów w jądrze równa się 26 (a więc do żelaza). Dalsza fuzja nie jest zaś możliwa, bo połączenie jąder żelaza nie tylko nie wytwarza energii, lecz nawet wymaga jej doprowadzenia.
Jak więc powstały cięższe pierwiastki? "Przypuszczamy, że rodzą się one dopiero podczas wybuchów gwiazd - mówi dr Patyk. - Przy eksplozji supernowej uwalniają się ogromne ilości neutronów, które później są chętnie wychwytywane przez jądra atomowe. Cykl wytwarzania ciężkich pierwiastków przebiegałby więc dla jąder z nadmiarem neutronów, a więc przez tę ćwiartkę mapy, w którą właśnie udało nam się wkroczyć".
Specjaliści podkreślają, że pomiary mas i czasów życia jąder atomowych odgrywają istotną rolę nie tylko w zrozumieniu pochodzenia ciężkich pierwiastków. Są też źródłem informacji o nowych efektach zachodzących w jądrach atomowych, pozwalają testować dokładność teorii fizycznych i określać wartości stałych fundamentalnych.(PAP)
ostatnia zmiana: 2009-05-15
poleca:
