Atomkärnans egenskaper och framställning av nya element

av Björn Fant Forum 1980-13, sida 14-15, 10.09.1980

Taggar: Teman: atomkärnor

Atomkärnans egenskaper oc framställning av nya element

I det av Dmitrij Mendeljev år 1869 uppställda periodiska systemet var det tyngsta ämnet uran (U), som alltså representerade det tyngsta i naturen förekommande grundämnet. Senare har man i naturen påträffat små mängder av en plutoniumisotop, nämligen

Xl Pu. Alla tyngre element är syntetiskt framställda, och det för närvarande tyngsta av de kända grundäm e För all kunna besvara den frågan skall vi först redogöra för de krafter som verkar i atomkärnan. Atomkärnan består som känt av protoner och neutroner. Antalet neutroner (N) och antalet protoner (Z) ger kärnans masstal A = Z+N (masstalet anges ovanför protontalet). Protonen har en positiv laddning +e (e= elektronens laddning) och neutronen är oladdad. Den neutrala atomen består av en kärna med laddningen —+Ze, vilken omges av elt elektronmoln innehållande likaledes Z elektroner. Ett grundämnes protontal är bestämt, medan antalet neutroner kan variera, vi har olika isotoper av ämnet. Mellan protonerna i kärnan verkar en elektrostatisk repulsion (Coulombkraften), som strävar till att splittra kärnan, men kärnan hålls ihop av kärnkraften, som även kallas stark växelverkan. Mellan neulronerna verkar ingen elektrostatisk kraft, men till kärnkraf1ens natur hör alt man inte kan bygga upp ett system, en kärna, bestående enbart av neutroner; för att kärnan skall vara stabil krävs att antalet protoner och neutroner är balanserat i kärnan.

Lätta kärnor och tunga

Mätta kärnor är antalet protoner lika med antalet neutroner, medan för tyngre kärnor antalet neutroner är större än antalet protoner: detta för alt man skall få in mera kärnkraft som upphäver den elektrostatiska repulsionen. I de tyngsta kärnorna blir den elektrostatiska repulsionen så stark, att kärnan är instabil, radioaktiv. Antingen övergår kärnan i en lättare genom att sända ut en alfapartikel, en klump av två protoner och två neutroner, eller så klyvs kärnan, den fissioneras. Det finns även lättare i naturen förekommande instabila kärnor, tex 19 K(kalium), som är beta 1 nena har ordningstalet 106.

Varför har vi då just det antal grundämnen som vi har, och vilka nya kan vi syntetisera i laboratoriet instabil.

Sönderfallstiden för de tyngsta elementen avtar med stigande massa. För närvarande går gränsen för fastställandet av ett nytt grundämne vid en halveringstid på ungefär en sekund. Man bör I ex på kemisk väg kunna bevisa grundämnets existens, inordna detta I en grupp. . 2.

Män kan anta all grundämnen med Z upp till [06 och även tyngre element bildades vid jordens födelse, men de dog snabbt bort p g a den korta halveringstiden. Det är intressant att se hur de i naturen förekommande uranisotoperna procentuellt fördelar sig. I naturen finns nämligen i huvudsak två uranisotoper, den ena > U Wpgör 99 20 av alla uranisotoper medang, U utgör 0,7 70. Om man antar all de båda isotoperna bildades i samma antal då vår jord skapades, möjligen av materie från en cxploderande sol, så är den nuvarande procentuella fördelningen beroende av de olika isotopernas halveringstider.”33 U har halveringstiden 0.7 - 10? år och 2 U har halveringstiden 4,5-10” år, vilket ger att dessa isotoper bör ha funnits i lika stora mängder för 9 +-107 år sedan. Denna beräkning, 9 miljarder år. är i överensstämmelse med andra beräkningar av vår jords ålder.

Nuklidkartan

Kärnorna kan inordnas i ett system, nuklidkartan, där varje kärna, som karakteriseras av elt visst antal protoner och neutroner, har en bestämd ruta. De stabila kärnorna grupperar sig omkring en linje, som kallas stabilitetslinjen och för vilken gäller att N = Z för lätta kärnor, medan för tyngre kärnor neutronantalet överväger. De radioaktiva kärnorna finner man en bit ifrån stabilitetslinjen, d v s förhållandet mellan an talet protoner och neutroner är labilt, och kärnan omvandlas via en eller flera kärnprocesser till en stabil kärna. Då en nukleon övergår i en annan talar vi om beta-sönderfall, 8 +-sönderfall då en proton övergår t en neutron, och 8”sönderfall då en neutron övergår i en proton.

I nuklidkartans övre ända finner man alltsa de tunga elementen, för vilka är karakteristiskt att de antingen sönderfaller via alfa-sönderfall eller fission. Man har emellertid beräknat att det bör finnas en Öö av supertunga element på nuklidkartan. Förekomsten av dessa element kan motiveras med att kärnan för vissa nukleontal uppvisar en speciellt stabil konfiguration. Man talar om kärnans skalstruktur och slutna skal. Beräkningar tyder på alt för grundämnet Z = 114 och N = 184 både proten- och neutronskalen är slutna, vilket skulle ge en kärna med massan 298, vilken möjligen kan ha en så lang livstid att den finns i naturen. Man har sökt dessa supertunga element i naturen och funnit radioaktiva spar. som tyder på alt elementen kan förekomma. men man har ännu ej kemiskt kunnat bevisa deras existens.

Element i laboratorier

Supertunga element har man försökt framställa i laboratoriet, och man kan skilja på tre olika metoder. Enligt den första metoden utnyttjur man ett neuironflöde med stor täthet från en reaktor. Med tillhjälp av denna metod har man kunnat framställa grundämnen upp Ull fermium (Fm, Z=100) genom att använda uran (U) och plutonium (Pu) som strålmäål. Man har emellertid inte lyckats producera tyngre massor än A = 257 med denna metod, beroende på ull neutronskurarna inte varit till FORUM 13/80

Nuklidkarta, som visar stabila kärnor och kända eller beräknade radioaktiva kärnor.

Gränsen för prompt fissio a-söndertall och spontan fissio 10 [1 20 40 60 sv 10 räckligt intensiva. Antalet neutroner tillgängliga för reaktion kan man höja genom att använda neutroner som bildas vid fusion av lätta element. Vi kan kalla detta metod två, i vilken den för fusionen nödvändiga höga temperaturen kan alstras med en laserstråle. Med tillhjälp av denna metod kan man erhålla neutronskurar med hög intensitet, och om en tung kärna — t ex uran — fångar in 20—30 neutroner samtidigt, kan man kanske nå till A = 280. Dessa experiment är dock tillsvidare endast planerade.

Den tredje metoden kan vi kalla nukleonsyntes via tungjonsreaktioner. Metoden bygger på att man accelererar laddade atomer, joner, mot ett strålmål. För att ett nytt grundämne skall bildas krävs då för det första att projektilen övervinner den elektrostatiska repulsionen mellan kärnorna och åstadkommer en kärnreaktion, och givetvis att antalet partiklar i det sammansatta systemet är tillräckligt stort för att det önskade grundämnet bildas.

De acceleratorer, med hjälp av vilka kärnreaktioner som leder till nya grundämnen kan åstadkommas, är av två huvudtyper. Antingen kan man accelerera jonerna rätlinjigt genom ett eller flera spänningsfält — man har en linjär accelerator – eller accelereras jonerna i en spiralformad bana, cyklotronen, eller i en cirkulär bana, cynkrotronen.

Energihungrig reaktion

Den energi som krävs för att åstadkomma en kärnreaktion, då en tungjonsprojektil skjuts mot en tung målkärna är mycket hög. Om vi t ex vill accelerera fyrfalt joniserat kol. dvs PC, mot en blykärna, måste koljonerna få en energi av 72 MeV (eV = elektronvolt) för att en kärnreaktion skall kunna ske. Detta betyder att man

FORUM 13/80

Neutronbindningsenergi =0

H stabil kärn & £-sönderfallande kärn 120 140 160 180 200 220

N betyder att man behöver spänningen 72:4 = 18 MV = 18 miljoner volt på terminalen om en linjär accelerator användes. [ regel producerar man ej denna spänning i ett enda fält, utan man har en uppdelning av accelerationen i ett eller flera olika fält med mindre spänning.

De laboratorieframställda grundämnena börjande från neptunium (Np) upp till 1974 ”bevisade” Z = 106 (som ännu ej har ett namn, beroende på att man tvistar om vem som först upptäckte elementet) har framställts via tungjonsreaktioner. Av 106 känner man två isotoper — med massorna 259 och 263. Man har även försökt framställa supertunga element via dessa reaktioner. För dessa sk fusionsreaktioner finns det olika möjligheter. Man kan försöka nå det önskade elementet direkt genom att addera två kärnor, som ger den önskade slutprodukten, tex för Z = 114 - 244 292A Ca + 9Pu— 114 + xn där x anger antalet neutroner som emitteras. En annan möjlighet är alt använda en tyngre projektil, som då ger ett överskott av energi och partiklar.

När överskottspartiklarna emitterats, kan man hoppas på att den stabila konfigurationen av partiklar kvarstår som en långlivad kärna. Använder man tex zirkonium (Zr) som projektil mot plutonium (Pu), kan man få en slutprodukt bestående av två kärnor, kalcium (Ca) och I 14, vardera med slutna nukleonskal: 0Zr + aPu— Ca + “114.

Den erforderliga projektilenergin för denna reaktion är ungefär 450 MeV. Sannolikheten för att de beskrivna reaktionerna skall ske är mycket liten, och man har ännu ej lyckats framställa det supertunga elementet (Z > 114) trot (Bilden är ur Ingmar Bergströms och Arne Johanssons kompendium Kärnfysik utgiven av Tekniska Högskolans Studentkår i Stockholm 1975. otaliga försök. De erforderliga acceleralorerna finns endast i länderna med de största resurserna.

Vad har man då för nytta av de nya, laboratorieframställda elementen? De nya, lunga grundämnena har endast intresse i grundforskningen. Man kan ännu cj säga om de kommer att få en praktisk nytta.

Nyttiga isotoper Däremot har radioaktiva isotoper i allmänhet funnit en teknisk tillämpning. Om isotopen är lätt kan denna framställas i en mindre accelerator, och framställningskostnaderna kan på detta sätt nedbringas. Tex vid Åbo Akademi finns det en cyklotron med vilken radioaktiva isotoper för medicinskt bruk framställes. Dessa isotoper, spårämnen, tillförs patienten på ct sjukhus och beroende på isolopernas vandring i kroppen kan olika organ ”fotograferas” på kärnfysikalisk väg. Inom industrin används även radioaktiva isoloper som spårämnen. Dessa isotoper kan även framställas i en kärnreaktor. I en konventionell reaktor används uran (U) som bränsle. En urankärna i reaktorn klyvs pga det energitillskou den erhåller, då en neutron absorberas av kärnan. Vid klyvningen bildas två lättare kärnor samt 2—3 extra neutroner, emedan antalet neutroner i förhållande till anlulet protoner är större i tyngre kärnor än i lättare. Genom att man i en reaktor har överskott av neutroner kan dessa utnyttjas för kärnreaktioner. Man kan utsätta preparat av olika ämnen för reaktorns neutronflöde, och på detta sätt bildas nya, radioaktiva isotoper av ämnet. Tekniska Högskolan i Otnäs har en forskningsreaktor, som utnyttjas för detta ändamål. Björn Fant 15