Fyzikům se podařilo objevit nové izotopy vzácných kovů

Dosud nevídané zastoupení částic tvořících jádra atomů byla objevena v rámci přelomového experimentu využívajícího proces fragmentace těžkých kovů. Co to znamená pro současné materiálové vědy?

Týmu fyziků se podařilo rozpadem jader platiny vytvořit nové izotopy prvků vzácných zemin thulia, ytterbia a lutecia. O tento úspěch se podělili v publikaci v časopise Physical Review Letters. Autoři práce věří, že výzkum pomůže vědcům pochopit vlastnosti jader bohatých na neutrony a procesy, při nichž vznikají nové prvky při srážkách neutronových hvězd.

Nové izotopy vznikly díky experimentálnímu zařízení FRIB

Práce podle vědců se nevěnuje pouze popisu nově vzniklých částic, ale rovněž demonstruje sílu nedávno dokončeného zařízení FRIB (Facility for Rare Isotope Beams), které provedlo svůj první experiment na Michiganské státní univerzitě ve Spojených státech v červnu 2022. Nedávný úspěch tak s velkou pravděpodobností zajistí, že FRIB najde své využití ve studiu izotopů i v blízké budoucnosti.

Jádro pod lupou

Zkoumání izotopových vlastností prvků je složitou vědou. Každé jádro se skládá ze subatomárních částic známých jako nukleony, mezi něž patří protony a neutrony. Počet protonů jednoho prvku je pevně dán a udává jeho atomové číslo. Počet neutronů se však může lišit, a rozdílné hodnoty jejich zastoupení v jádře pak definuje izotopy prvku. Izotopy tvoří prakticky každý známý prvek, problematická je však jejich výsledná stabilita. Některé se rozpadají tak rychle, že jsou prakticky nepostřehnutelné, jiné jsou naopak dokonale stabilní. Pochopení fungování izotopů a jejich vzájemného vzniku a zániku pomáhá vědcům pochopit, jak se ve vesmíru v průběhu toku času formovaly dosud známé chemické prvky a sloučeniny.

Jak to celé funguje?

Pro výše zmíněný výzkum na zařízení FRIB si vědci zvolili izotop platiny ¹⁹⁸Pt disponující 120 neutrony. Standardní platina má o tři neutrony méně, a použití těžšího izotopu tak je jedním z efektivních způsobů, jak docílit fragmentace jádra. Po umístění ¹⁹⁸Pt do FRIB je jádro vystaveno působení urychlovače těžkých iontů. Tyto paprsky jsou na prvek vystřelovány o něco vyšší rychlostí, než je polovina rychlosti světla. Po dopadu na cíl se jádro roztříští na lehčí izotopy, které vědci následně detekují a analyzují. Fragmentací ¹⁹⁸Pt tak vznikla jádra thulia ¹⁸²Tm a ¹⁸³Tm se 113, resp. 114 neutrony (standardní thulium má pouhých 69 neutronů). Dále byly detekovány nové izotopy ytterbia a lutecia. Opakováním experimentu byla prokázána reprodukovatelnost získaných výsledků.

Po stopách chemického složení vesmíru

Zařízení typu FRIB by nám mohlo pomoci lépe pochopit, jakými fyzikálně-chemickými procesy vznikají ve vesmíru ty nejtěžší prvky. Je známo, že se v kosmu běžně vyskytují pouze prvky lehčí než železo. Cokoliv těžšího pak může vznikat také, je však zapotřebí extrémních podmínek, například v supernovách či během srážek neutronových hvězd. Právě takové extrémy chtějí nyní vědci simulovat v laboratoři. Je možné, že se jim nakonec podaří uměle vytvořit podmínky, které daly vzniknout životu na Zemi. Tato snaha jen podtrhuje význam nedávného objevu, a jeho přínosu pro poznání dosud nepoznaného.

Zdroje:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.072501

https://physics.aps.org/articles/v17/28

https://www.space.com/new-isotopes-neutron-star-collisions-gold-heavy-elements