Vytvořen nejlehčí známý izotop uranu

Vědci vytvořili nový izotop uranu, který je vůbec nejlehčí ze všech známých. Objev by mohl odhalit více o částicích alfa, které vyletují při rozpadu určitých radioaktivních izotopů. Nově nalezený izotop ²¹⁴U má o 30 neutronů více než protonů a o jeden neutron méně než nejlehčí dosud známý izotop uranu ²¹⁵U. Uran 235, který se používá v jaderných reaktorech, má o 51 neutronů víc než protonů. Nově nalezený izotop je nejen lehčí než ostatní, ale během svého rozpadu také vykazuje jedinečné chování. Nové poznatky pomohou vědcům lépe porozumět procesu radioaktivního rozpadu známému jako přeměna alfa, při kterém atomové jádro ztrácí skupinu dvou protonů a dvou neutronů – alfa částici.

Ačkoli se přeměna alfa studuje po desetiletí, vědci stále neznají přesné podrobnosti o tom, jak se alfa částice formuje, než vylétne. 

Nový izotop uranu přišel na svět ve výzkumném zařízení těžkých iontů v čínském Lan-čou (Heavy ion research facility). Vědci ozařovali wolframový terč svazkem argonových iontů uvnitř zařízení SHANS (Spectrometer for Heavy Atoms and Nuclear Structure), spektrometru pro těžké atomy a jadernou strukturu. Proces trval velmi dlouho, než se podařilo atomy obou prvků sloučit; srážka atomů jen zřídka vytvoří zrovna to, co by vědci chtěli. Do terčíku vyslali asi 10¹⁸ částic a jen dva atomy uranu 214 vznikly a byly úspěšně separovány v magnetickém separátoru. Nejlehčí izotop uranu vznikl podle rovnice ¹⁸²W+³⁶Ar→4n+²¹⁴U a pak se rozpadl podle rovnice ²¹⁴U→⁴He+²¹⁰Th.

Poločas rozpadu půl milisekundy 

Nový izotop uranu-214 má poločas přeměny pouhé půl milisekundy, což znamená, že za půl milisekundy se rozpadne polovina získaného vzorku. Nejběžnější izotop uranu ²³⁸U má poločas rozpadu asi 4,5 miliardy let, což je zhruba věk planety Země. Téměř všechny přirozeně se vyskytující izotopy uranu mají 143 nebo 146 neutronů. Všechny se rozpadají přeměnou alfa, vysláním jádra hélia. Pečlivým sledováním přeměny jádra ²¹⁴U vědci studovali tzv. silnou interakci (jednu ze čtyř základních sil, které drží hmotu pohromadě) působící na části alfa (dva neutrony a dva protony) na povrchu atomu uranu. Zjistili, že proton a neutron v každé částici alfa spolu interagují mnohem silněji než v jiných izotopech s podobným počtem protonů a neutronů. 

Magické číslo 

To je pravděpodobně způsobeno specifickým počtem neutronů uvnitř jádra uranu 214. Nový izotop má 122 neutronů, což se blíží „magickému neutronovému číslu“ 126. (Magickým číslem se v jaderné fyziceoznačuje počet nukleonů odpovídající ve slupkovém modelu jádra plně zaplněným slupkám. Nejznámější jsou magická čísla 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.) Atomová jádra s počtem protonů nebo neutronů rovným magickému číslu mají vyšší vazebnou energii na nukleon a relativně vyšší stabilitu. S touto konfigurací je pro vědce snazší vypočítat silnou interakci mezi protony a neutrony a studium těchto interakcí může odhalit vlastnosti spojené s jadernou strukturou a procesem rozpadu, jak uvedl hlavní autor studie Zhiyuan Zhang, fyzik z Čínské akademie věd.

Již před časem při podobných experimentech vědci vytvořili dva jiné uranové izotopy, ²¹⁶U a ²¹⁸U s poločasy přeměny 2,25 milisekundy a 0,65 milisekundy.

Vědci věří, že podobnou proton-neutronovou interakci mohou vykazovat ještě další radioaktivní prvky, jako např. izotopy plutonia a neptunia. Konfigurace jejich elektronových drah naznačuje, že mohou mít ještě silnější interakce než izotopy uranu. Vědci by rádi studovali další elementární izotopy poblíž čísla magického neutronu; protože však takové prvky mají ještě kratší poločasy rozpadu, budou zapotřebí daleko citlivější detektory a výkonnější iontové svazky. 

Nové poznatky byly publikovány 14. dubna v časopise Physical Review Letters Phys. Rev. Lett. 126, 152502 (2021) - New $\ensuremath{\alpha}$-Emitting Isotope $^{214}\mathrm{U}$ and Abnormal Enhancement of $\ensuremath{\alpha}$-Particle Clustering in Lightest Uranium Isotopes (aps.org)