Klocki wszechświata

Przyjrzyjmy się faktom. Najpopularniejszy izotop ołowiu zbudowany jest ze 126 neutronów i 82 protonów. Tymczasem najczęściej występujący w przyrodzie izotop złota składa się ze 118 neutronów i 79 protonów. Wystarczy zatem odjąć 8 neutronów i 3 protony z jądra ołowiu i już mamy złoto. Proste? Koncepcyjnie – jak najbardziej, w praktyce to jednak trochę bardziej skomplikowane.

To, czego alchemicy nie wiedzieli, a dzisiaj wie każde dziecko w gimnazjum, to to, że każdy atom zbudowany jest z tych samych klocków. Z protonów i neutronów – one budują jądro atomowe – oraz elektronów, które wokół tego jądra krążą. Proton z jądra złota i proton z jądra ołowiu są identyczne. A więc ich dodawanie czy odejmowanie jest równoznaczne z tworzeniem nowych pierwiastków.

Naukowcy z USA (Lawrence Livermore National Laboratory) i Rosji (ze Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej), którzy chcieli stworzyć najcięższy pierwiastek, musieli zatem dodać kilka klocków do pierwiastka już istniejącego. W tym celu zderzali ze sobą jądra wapnia z jądrami sztucznego pierwiastka ciężkiego o nazwie kaliforn. Olbrzymia większość jąder minęła się, nie zderzając się ze sobą. Mała część w czasie zderzenia odbiła się od siebie jak piłka tenisowa od ściany (to tzw. zderzenia elastyczne). Tylko pojedyncze sztuki jąder, zupełny margines, w czasie kolizji zlepiły się w jedną całość. Przez krótką chwilę protony i neutrony z jąder wapnia i kalifornu tworzyły jedno duże jądro nowego pierwiastka.

Po chwili wszystko rozpadło się w drobny mak. Eksperymentatorzy mieli jednak wystarczająco dużo czasu, aby tę krótką chwilę zauważyć. W czasie trwania całego eksperymentu trzy razy byli świadkami powstania nowego pierwiastka. Ununoctium – bo tak tymczasowo się on nazywa – ma aż 118 protonów i 175 neutronów. Tak olbrzymia liczba cząstek budujących jądro atomowe powoduje, że jest ono nietrwałe. Dlatego też nowy pierwiastek rozpadł się zaraz po tym jak został stworzony. Nowy pierwiastek nie ma jeszcze swojego oficjalnego imienia, a w publikacjach naukowych nazywa się go po prostu „sto osiemnasty”. Po łacinie „sto osiemnasty” to ununoctium właśnie. Taki klucz nazewnictwa stosuje się do wszystkich nienazwanych jeszcze pierwiastków.

Niestabilność nowego pierwiastka albo inaczej jego bardzo krótki czas życia tłumaczy, dlaczego ununoctium nie występuje naturalnie w przyrodzie. Generalna zasada mówi, że atomy, które są stabilne (czyli nieradioaktywne), mają zbliżoną liczbę neutronów i protonów w jądrze. Im dalej od tej równowagi, tym chętniej atomy się rozpadają. Nigdy nie robią tego jednak w ciszy i spokoju. Rozpadający się izotop, wyrzuca ze swojego wnętrza cząstki, których już nie potrzebuje. Tym samym staje się innym, lżejszym pierwiastkiem. Jednym z najkrócej żyjących pierwiastków jest pewien izotop helu, Hel-5. Jego półokres rozpadu (czyli czas, w którym rozpadnie się połowa atomów w próbce) wynosi zaledwie 0,000000000000000000002 sekundy. Najdłużej ze wszystkich pierwiastków niestabilnych (radioaktywnych) żyje izotop bizmutu, Bizmut-209. Do niedawna sądzono, że ten pierwiastek nie rozpada się w ogóle. Dopiero w 2003 roku udało się stwierdzić, że półokres rozpadu tego izotopu wynosi 19 000 000 000 000 000 000 lat. To dziesięć razy
więcej niż miliard miliardów (czyli trylion) lat! Wszystkie naturalnie występujące w przyrodzie pierwiastki zostały już dawno odkryte. Ostatnie z nich zapełniły układ okresowy pierwiastków (czy inaczej tablicę Mendelejewa) w drugim dziesięcioleciu XX wieku. Od tego czasu odkrywano jedynie pierwiastki sztuczne. Ich tworzenie, albo inaczej syntetyzowanie, zawsze wyglądało podobnie. Dwa lżejsze pierwiastki zderzano ze sobą i od czasu do czasu otrzymywano pierwiastek ciężki. Nawet teraz po odkryciu 118 pierwiastka, ta sama grupa uczonych rozpoczęła przygotowania do stworzenia pierwiastka 120. Liczba 118 w przypadku ununoctium to tzw. liczba atomowa, czyli inaczej liczba protonów w jądrze pierwiastka.

Po co naukowcy wkładają tyle trudu i pieniędzy w poszukiwania nowych pierwiastków? W tego typu badania zaangażowane są olbrzymie grupy ludzi. Tych najcięższych pierwiastków i tak nie ma w przyrodzie, a ich życie jest krótsze niż mrugnięcie okiem.

Tak naprawdę chodzi o to, żeby zrozumieć, jakie siły występują pomiędzy cegiełkami budującymi jądro atomowe. Im pierwiastek jest cięższy, tym bardziej złożone zjawiska w nim zachodzą. Zmuszanie – dosłownie na siłę – protonów i neutronów do wspólnego uformowania – chociaż na małą chwilkę – nowej struktury, to tak właściwie przyglądanie się, jak pomiędzy sobą oddziałują najmniejsze kawałki materii. Tych najmniejszych klocków, z których zbudowany jest cały widzialny wszechświat, jest niepokojąco mało. Te same cegiełki budują wszystkie – bez wyjątku – atomy. Od najlżejszego – czyli wodoru, do najcięższego występującego w przyrodzie – czyli uranu. Naukowcy do dzisiaj nie wiedzą, dlaczego tak skąpo skonstruowany jest u swych podstaw cały wszechświat. Nie wiedzą, ale tego typu badania coraz bardziej przybliżają ich do rozwiązania tej niesamowitej zagadki.

Tomasz Rożek, doktor fizyki, dziennikarz naukowy, stały współpracownik Radia eM