Stabilitás szigete: szupernehéz atommagok, mágikus számok és felezési idők

Fedezd fel a szupernehéz atommagok stabilitását, a mágikus számok szerepét és a hosszú felezési idők titkát — stabilitás szigetei a nukleáris fizika élvonalában.

Az ólmon túli kémiai elemek többsége radioaktív, azaz nincsenek tartósan stabil izotópjaik — más elemekre bomlanak különböző időskálákon. A nehezebb ismert szintetikus elemek (a plutónium kivételével) felezési ideje általában nagyon rövid: másodpercek, sőt gyakran milliszekundumok vagy mikro‑másodpercek. Ennek ellenére az elmélet szerint létezhetnek olyan területek az elemek rendszerében, ahol az izotópok relatíve hosszabb ideig léteznek: ezeket a hipotetikus régiókat nevezzük stabilitási szigeteknek.

Mi az a stabilitási sziget és mi okozza?

A stabilitási szigetet az atommag belső szerkezete, a nukleonok (protonok és neutronok) kvantumhéjainak kitöltődése okozza. A atommag héjmodellje hasonló elven működik, mint az elektronhéjak az atomoknál: a nukleonok számára is léteznek jól elkülönülő energiasávok. Amikor egy adott héj teljesen betelik, az adott nukleon‑konfiguráció kötési energiája lokális maximumot ér el, és az így kialakuló izotóp stabilabb lesz a környező izotópoknál. Ennek következménye lehet egy viszonylag hosszabb felezési idő egy adott tömegszámon.

Mágikus számok

Az olyan neutronszámokat és protonszámokat, amelyek héjkitöltést és ezzel megnövekedett stabilitást eredményeznek, mágikus számoknak nevezzük. A jól ismert könnyebb mágikus számok közé tartoznak 2, 8, 20, 28, 50 és 82; a nehézeknél pedig a protonoknál 82‑ig és a neutronoknál 126‑ig ismert stabil zárások. A nagyon nehéz, gömbszimmetrikus atommagoknál a modellek szerint a neutronok egyik fontos lehetséges mágikus száma a 184. Néhány elméleti számítás a protonoknál a 114, 120 és 126 értékeket jelöli meg mint lehetséges mágikus számokat.

Ha ezek a számok valóban mágikusak egy gömbmagban, az arra vezetne, hogy a legstabilabb gömbmag‑izotópok például a Flerovium-298 (Z=114, N=184), az unbinilium-304 (Z=120, N=184) és az unbihexium-310 (Z=126, N=184) lennének. Különös figyelmet kap az Ubh‑310 (Z=126, N=184), mert ez kétszeresen mágikus lehetne: mind a protonok, mind a neutronok száma héjazott zárást adna, hasonlóan a jól ismert ólom-208 példájához, amely a könnyebbek között a legstabilabb.

Deformált magok és a mágikus számok eltolódása

A valós magstruktúra azonban nem mindig gömbszimmetrikus. A számítógépes modellek és kísérleti eredmények szerint a nagy magok gyakran deformálódnak (ellipszoid alakúak lehetnek), és a héj‑energiák átrendeződhetnek — ezáltal a klasszikus mágikus számok „eltolódhatnak” vagy új, deformált mágikus számok jelenhetnek meg. Például a hasszium-270 (Z=108, A=270) esetében ma úgy tekintik, hogy egy kétszeresen mágikusan deformált atommag lehet: a 108‑as protonszám és a 162‑es neutronszám deformált héjzárást adhat. Ennek ellenére a hasszium‑270 féléletideje viszonylag rövid: mindössze ~3,6 másodperc.

Kísérleti helyzet és a kihívások

Szupernehéz elemeket kísérleti úton állítanak elő gyorsított ionok és nehéz célanyagra irányított magfúziós reakciók segítségével. Ezek nagyon kicsi produkciós keresztmetszetekkel járnak: atomok száma másodpercenként vagy akár évek alatt is csak néhány darabra korlátozódhat. A létrejövő atommagok bomlását jellemzően alfa‑bomlás vagy spontán hasadás útján detektálják. Ezek a bomlási módok gyakran rövid felezési időkben manifesztálódnak, ezért a stabilitási szigetek kísérleti feltérképezése rendkívül nehéz: nagyon intenzív berendezésekre, precíz detektálásra és sok időre van szükség.

Mit jósolnak az elméletek és mit várhatunk?

A modellek általában azt jósolják, hogy az említett „sziget” környékén az izotópok felezési ideje jelentősen megnövekedhet a környező nuclidokhoz képest — a jósolt időskála azonban széles skálán mozog a különböző nukleáris elméletekben: néhány számítás csak néhány percet vagy órát jósol, mások napokban, sőt elvben akár sokkal hosszabb élettartamokat sem zárnak ki egyes különleges konfigurációknál. Jelenleg nincs kísérleti bizonyíték arra, hogy a „sziget” közepén található, hosszú élettartamú, stabil (vagy hosszú ideig létező) izotópok valóban léteznek — a kutatás folyamatban van.

Gyakorlati lehetőségek és korlátok

Ha a stabilitási szigeten sikerülne hosszabb élettartamú izotópokat előállítani, az többféle, de korlátozott alkalmazást tehet lehetővé. Ilyen lehet például célpontként való felhasználás részecskegyorsítókban, vagy neutronforrásként speciális kísérletekben. A jelenlegi korlát azonban a nagyon alacsony előállíthatóság és a rövid felezési idők: mindaddig, amíg csak néhány atomot lehet előállítani rövid időre, a gyakorlati alkalmazások skálája erősen korlátozott.

Összegzés

Az atommagok héjmodellje és a mágikus számok fogalma a stabilitási szigetek elméleti alapját adja. A nagyon nehéz elemeknél az előrejelzések izgalmas lehetőséget sugallnak: bizonyos proton‑ és neutronszámoknál lokális stabilitási maximumok alakulhatnak ki. Ugyanakkor a magdeformáció, a nukleáris erők finom részletei és a kísérleti nehézségek miatt a pontos helyzet és a felezési idők mértéke ma még bizonytalan. A kutatás folyamatos: új eredmények és fejlettebb elméleti modellek segíthetnek abban, hogy kiderüljön, létezik‑e valóban az a régió, amelyet a fizikusok „stabilitási szigetnek” neveznek, és ha igen, milyen tulajdonságokkal rendelkezik.

Kérdések és válaszok

K: Milyen elemek vannak az ólomon túl?

K: Mi az az elmélet a fizikában, amely megmagyarázza, hogy egyes elemeknek miért van hosszabb felezési idejük?

K: Mik a gömb alakú atommagok mágikus számai?

K: A hasszium-270-ről úgy gondolják, hogy kétszeresen mágikus?

K: Milyen hosszú a felezési ideje?

K: Vannak gyakorlati alkalmazásai ezeknek az elemeknek?

Keresés betűvel