Tento obraz sa zakorenil v povedomí. Fúzatý alchymista, sklonený nad vriacimi destilačnými kotlami, posadnutý jediným cieľom: premeniť obyčajný olovo na čisté zlato. Po stáročia sa hľadanie filozofického kameňa javilo ako svätý grál vedy, fantázia o večnom bohatstve. Ak by sa týmto priekopníkom chémie povedalo, že o storočia neskôr ľudstvo dosiahne tento cieľ, boli by nadšení. Ak by sa im však vysvetlilo, čím sa dnes skutočne zaoberáme v našich laboratóriách, zostali by v úžase. Áno, vytvoriť zlato je technicky možné. Ale moderná veda posunula svoj cieľ ďaleko za hranice tohto jednoduchého žltého kovu. Teraz vytvára nemožné.
Nemožná chemická transmutácia sa stala fyzickou realitou
Alchymisti zlyhali z jedného základného dôvodu: používali nesprávne nástroje. Miešali, zahrievali a destilovali, pôsobili na chemické väzby, t. j. na elektróny, ktoré obiehajú okolo jadra atómu. Avšak to, čo určuje prvok, nie je jeho oblak elektrónov, ale srdce atómu, jeho jadro. Identita atómu je určená počtom protónov. Olovo (Pb) má 82 protónov. Zlato (Au) má 79 protónov. Aby sa olovo premenilo na zlato, nie je potrebné miešať ho s kyselinou, ale je potrebné z neho vytrhnúť tri protóny.
To už nie je chémia, ale jadrová fyzika. Na realizáciu tohto dávneho sna bolo potrebné počkať do 20. storočia a na objav atómu. Na papieri je princíp pomerne jednoduchý. „Stačí“ vziať atóm a bombardovať jeho jadro inými časticami (neutrónmi, protónmi) obrovskou rýchlosťou, kým sa jadro-cieľ nezničí alebo neabsorbuje tieto častice, čím sa pretransformuje na nový prvok. Presne to sa deje v urýchľovačoch častíc.
Takto je možné vziať ortuť (80 protónov) a vybiť z nej jeden protón, aby sa získalo zlato (79 protónov). Je možné tiež vziať bizmut (83 protónov) a podrobiť ho zložitej jadrovej reakcii, aby sa získalo zlato. V roku 1980 fyzik Glenn Seaborg, laureát Nobelovej ceny, úspešne vykonal túto transmutáciu z bizmutu, čím definitívne dokázal uskutočniteľnosť tejto operácie. Alchýmia konečne triumfovala, ale pod vlajkou fyziky.
Prečo jadrové zlato nikdy nenahradí bane
Prečo teda naše laboratóriá nie sú továrňami na výrobu zliatkov? Odpoveď možno vyjadriť dvoma slovami: cena a stabilita. Na urýchlenie častíc na rýchlosť dostatočnú na rozbitie atómového jadra je potrebné absolútne fenomenálne množstvo energie. Urychľovače, ako napríklad v CERN alebo iných národných laboratóriách, stoja miliardy na výstavbu a milióny na prevádzku, aj keď fungujú len niekoľko hodín. Energia potrebná na výrobu niekoľkých atómov zlata niekoľkonásobne prevyšuje hodnotu vyrobeného zlata.
Okrem toho existuje problém „zabezpečenia kvality”. Atómový svet nie je vždy podriadený našim želaniam. Zlato má niekoľko variácií, nazývaných izotopy. Jediným stabilným izotopom, z ktorého sa skladajú naše šperky a zásoby, je zlato-197. Pri bombardovaní iných atómov sa tento izotop nevytvára špeciálne. Najčastejšie sa vytvárajú nestabilné izotopy, ako je zlato-198. Tieto atómy sú rádioaktívne. Veľmi rýchlo sa rozpadajú (zlato-198 má polčas rozpadu 2,7 dňa) a menia sa na ortuť. Tento proces je teda nielen nákladný, ale aj získaný produkt je nebezpečný a takmer okamžite zmizne. Transmutácia je zaujímavá laboratórna vec, nie priemyselný proces.
Nová hranica: keď ľudstvo prekonalo urán
Skutočné vzrušenie fyzikov-jadrovcov nikdy nespočívalo vo vytvorení prvku, ktorý je už tak v hojnosti. Skutočná výzva, moderné hľadanie, začalo tam, kde končí príroda. Na Zemi je najťažším prírodným prvkom, ktorý sa vyskytuje vo významných množstvách, urán s atómovým číslom 92 (92 protónov). Dlho sa považovalo, že to je koniec periodickej tabuľky. Všetko, čo bolo ťažšie, sa považovalo za príliš nestabilné na to, aby mohlo existovať.
Ale v 40. rokoch 20. storočia v rámci projektu Manhattan vedci ako Edwin McMillan a Glenn Seaborg začali bombardovať urán neutrónmi. Nehľadali zlato. Hľadali neznáme. Tak prinútili prírodu, aby sa im podriadila, a vytvorili prvé „transuranové“ prvky: neptún (93) a predovšetkým plutónium (94). Tieto prvky na Zemi neexistujú (alebo existujú len v zanedbateľných stopových množstvách). Ľudstvo pridalo nové bunky do Mendelejevovej periodickej tabuľky. Bol to skutočný alchymistický čin: nie premena, ale vytvorenie.
Za kulisami vytvárania superťažkých prvkov
To, čo sa dnes deje v špecializovaných laboratóriách, ako sú GSI v Nemecku, RIKEN v Japonsku alebo Spojený ústav jadrového výskumu v Dubne v Rusku, pripomína vedeckú fantastiku. Zabudnite na transmutáciu jedného atómu za druhým. Tieto tímy vedú šialený závod o vytvorenie „superťažkých“ prvkov, tých, ktoré sa nachádzajú na samom konci periodickej tabuľky. Ide o prvky 113 (nihónium), 115 (moskovium), 117 (tennessi) a 118 (oganéson).
Ich technika sa vyznačuje neuveriteľnou krutosťou a eleganciou. Používajú takzvanú syntézu. Princíp spočíva v tom, že sa vezmú dva ľahšie atómy a syntetizujú sa, aby sa vytvoril ťažší. Napríklad, aby sa vytvoril prvok 118, ruskí a americkí vedci vzali kalifornium (98 protónov) a ožiarili ho intenzívnym lúčom vápnika (20 protónov). 98 + 20 = 118.
Úloha je mimoriadne zložitá. Atómové jadrá, ktoré majú všetky kladný náboj, sa silne odpudzujú („kulonovská bariéra“). Aby sa spojili, je potrebné zraziť ich navzájom rýchlosťou, ktorá je približne 10 % rýchlosti svetla. Ale aj pri takejto rýchlosti sa väčšina atómov len mierne dotkne alebo rozletí na kúsky. Len jedna z miliónov zrážok je ideálna: jadrá sa spoja a vytvoria nový superťažký prvok na zlomok sekundy, než sa rozpadne. Zložitosť spočíva nielen v jeho vytvorení, ale aj v jeho detekcii. Detektory musia byť schopné identifikovať jedinečnú „signatúru“ tohto atómu medzi šumom miliárd iných reakcií.
Ostrov stability: skutočný Svätý grál fyzikov
Čím ťažší je prvok, tým je nestabilnejší. To je všeobecné pravidlo. Oganesson (118) má polčas rozpadu kratší ako jedna milisekunda. Objavuje sa a mizne takmer okamžite. Vtedy si môžeme položiť otázku: prečo pokračovať? Odpoveďou je jedna z najzaujímavejších teórií súčasnej fyziky: ostrov stability.
Fyzici si všimli, že jadrá sú v niečom podobné atómom: majú „vrstvy“ (v tomto prípade jadrové), ktoré im, keď sú plné, dodávajú väčšiu stabilitu. Nazývajú sa „magické čísla“. Olovo-208 je napríklad „dvojité magické číslo“ (82 protónov, 126 neutrónov) a je mimoriadne stabilné. Teória predpokladá, že ďaleko za hranicami nestabilných prvkov, ktoré vytvárame, existuje „ostrov“ v periodickej tabuľke, sústredený okolo nasledujúcich magických čísel (pravdepodobne 114 alebo 126 protónov a 184 neutrónov).
Prvky nachádzajúce sa na tomto ostrove môžu byť neuveriteľne stabilné. Kým ich susedia žijú milisekundy, tieto „magické“ prvky môžu mať polčas rozpadu niekoľko minút, dní alebo dokonca miliónov rokov. V súčasnosti „plávame“ po „mori nestability“ a snažíme sa pristáť na tomto ostrove. Nájdenie stabilného superťažkého prvku by bolo revolúciou.
Oganesson 118: prečo vytvárať neznáme?
Dosiahnutie Ostrova stability je konečným cieľom. Ale aj mimoriadne krátkodobé prvky, ktoré vytvárame po ceste, ako je oganesson, majú obrovskú vedeckú hodnotu. Sú ideálnou laboratóriou na overenie našich základných teórií. Tieto gigantické jadrá posúvajú zákony fyziky na hranicu možností. Je silná jadrová interakcia, ktorá spája protóny a neutróny, rovnaká v týchto atómových monštrách?
Okrem toho sú tieto atómy tak ťažké, že Einsteinove efekty relativity začínajú ovplyvňovať ich chémiu. Elektróny obiehajúce okolo týchto jadier sa pohybujú tak rýchlo (blízko rýchlosti svetla), že ich hmotnosť sa zvyšuje, čím sa mení spôsob ich väzby s inými atómami. Oganesson (118) sa nachádza v stĺpci vzácnych plynov (ako je hélium alebo neón). Mal by byť inertným plynom. Ale kvôli týmto relativistickým efektom teoretici predpovedajú, že pri izbovej teplote môže byť pevným kovom. Vytváraním týchto atómov testujeme nielen jadrovú fyziku, ale aj hranice chémie.
