Turen går til Island of Stability

Dubna, Rusland

92 grundstoffer fra nr. 1 hydrogen til nr. 92 uran findes i naturen. De fleste er stabile og eksisterer i større eller mindre mængder i evighed. Nogle få er ustabile - de er radioaktive og omdannes ved udsendelse af ioniserende stråling til andre grundstoffer, men det sker så langsomt, at vi stadig kan finde dem rundt omkring.

Fysikerne lader sig ikke altid nøje med at studere naturen, nogle gange laver de om på den og udvider den. I laboratorier er det eksempelvis gang på gang lykkedes at danne nye tunge grundstoffer - for nylig er de før-ste atomer med 113 og 115 protoner i kernen fremstillet for første gang. Alle de nye grundstoffer er dog stærkt radioaktive, og nogle eksisterer kun i få brøkdele af et sekund, før de omdannes til andre partikler.

Kernefysikerne tegner grundstofisotoperne ind på et kort, hvor antallet af protoner i kernen ligger på en akse, der peger mod nord, og antallet af neutroner i kernen på en akse, der peger mod øst. De stabile grundstoffer udgør landmassen i dette kort. Bjergtoppe på halvøen betegner specielt stabile atomkerner. Bjerget længst mod nordøst på halvøen er blyisotopen med 82 protoner og 126 neutroner i kernen.

Lidt længere mod nordøst findes de svagt radioaktive grundstoffer, f. eks. uranisotoper med 92 protoner og henholdsvis 146, 143 og 142 neutroner. Jo længere nordøst man bevæger sig væk fra blybjerget, jo mere ustabile bliver grundstofisotoperne, de meget ustabile atomkerner ligger i et område, som kernefysikerne kalder Sea of Instability. Men forskerne mener, at der ude i det oprørte hav findes en ø med stabile (eller næsten stabile) grundstoffer.

Den magiske ø: Island of Stability.

I mere end 40 år har kernefysikerne været på sejlads på Sea of Instability for at finde øen. Længere og længere har de begivet sig på opdagelsesrejse ud på havet i retning af den magiske ø, og nu er de ved at være tæt på. For de ved præcist, hvor øen skal ligge. De mangler kun at kunne at være i stand til at styre deres skib i den helt rigtige retning.

Men hvorfor er nogle atomkerner stabile og andre ustabile? Og hvorfor mener teoretikerne, at der findes en ø med stabile, tunge grundstoffer? Svaret skal findes inde i atomkernen.

Skallerne er forklaringen

Atomkernen består af positivt ladede protoner og neutrale neutroner. Hvor den elektromagnetiske kraft vil skubbe protoner fra hinanden, vil den stærke kernekraft, der kun virker over små afstande, holde kernepartiklerne sammen. Det gør atomkernen stabil; men ikke alle kerner er lige stabile.

Den mest stabile atomkerne er jern-56 med i alt 56 kernepartikler (26 protoner og 30 neutroner). Det kræver energi både at slå jernatomet i stykker og tilføre det flere kernepartikler.
Atomerne, der er lettere end jern, vil udløse energi ved fusion (sammensmeltning af atomkerner). Atomerne, der er tungere end jern, vil udløse energi ved fission (spaltning af atomkerner).

Protoner og neutroner befinder sig i kvantemekaniske skaller (tilsvarende som elektroner findes i skaller uden om kernen). Der findes en magisk talrække for kernepartikler: 2, 8, 20, 28, 50, 82 og 126. Kerner med et magisk antal protoner eller neutroner er bedre bundet sammen end kerner med andre numre. De magiske tal gælder både for protoner og neutroner, så en kerne som eksempelvis calcium-48 med 20 protoner og 28 neutroner siges at være en "dobbelt magisk kerne".

Blandt teoretikerne er der stor enighed om, at kerner med 184 neutroner også er magiske. Det næste magiske protontal er enten 114, 120 eller 126 er der dog stadig en vis usikkerhed.

Ustabilitet af kernepartikler kendes uden for kernens fælles beskyttelse. Frie neutroner har en middel levetid på et kvarter, så henfalder de til proton,
en elektron og en neutrino. I en atomkernen er neutronerne derimod stabile, fordi de er bundet fast med en bindingsenergi, og der derfor ikke er nok energi til rådighed til henfaldet. Men i visse kerner kan det lade sig gøre alligevel, og det kan endog ske, at en proton omdannes til en neutron, en positron og en neutrino.

Udstråling af elektroner eller positroner kaldes under et for betastråling. Atomkerner kan også smide en alfapartikel (to protoner plus to neutroner) ud på en gang, og på den måde omdanne sig til et andet grundstof.

Findes øen nord for Moskva?

Det er måske ved Volgafloden cirka 120 kilometer nord for Moskva, at Island of Stability skal findes. Her ligger Dubna - kendt som videnskabens by. Og det er her, at man er verdensmestre i et at fremstille tunge grundstoffer. Grundstof nr. 105 med navnet dubnium er opkaldt efter byen.

Det var eksempelvis med udstyret i Dubna, at en russisk-amerikansk forskergruppe for godt en måned siden i en videnskabelig artikel i Physical Review C kunne berette om fremstillingen af grundstof 115 og 113 for første gang.

Allerede i slutningen af 1940'erne kort efter afslutningen af Anden Verdenskrig tog man de første skridt til etableringen af et kernefysisk forskningscenter i Dubna med bygningen af datidens største accelerator - en såkaldt synchrocyclotron.

I 1956 blev centeret gjort internationalt ved et samarbejde mellem Sovjetunionen og en lang række østlande, og centeret fik titlen Joint Institute for Nuclear Research - også kendt for sin forkortelse JINR. I dag har JINR 18 medlemslande og beskæftiger 6.000 mennesker heraf 1.000 forskere og 2.000 ingeniører og teknikere. Officielt lyder det årlige budget for JINR på 37,5 mio. dollar, men medlemslandene har svært ved at betale deres andel, så institutionens vicedirektør Alexey Sissakian oplyser, at det reelle budget kun ligger på 70-75 pct. af det teoretiske budget.

Instituttet er opdelt i syv store laboratorier. Grundstoffremstillerne hører til i Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, der er opkaldt efter laboratoriets grundlægger Georgi Nikolaevich Flerov (1913-1990).

Nye grundstoffer dannes ved fusion, idet et beam af relativt lette atomer skydes mod et mål af meget tunge atomer. I Dubna bruger man et beam af calcium-48, der med en hastighed på en tiendedel af lysets sendes mod et roterende mål med et tungt grundstof. Da man i 1998 brugte plutonium-244 som mål, dannende man grundstof 114 med i alt 292 kernepartikler. Og i 2000 fik forskerne med curium-248 som mål dannet grundstof 116 med i alt 296 kernepartikler.

Målet består altid af partikler, der er radioaktive og derfor ustabile. Men det nytter ikke noget, hvis atomkernerne i målet er meget ustabile, for så er der jo efter kort tid ikke mange af dem tilbage. Plutonium-244 med en halveringstid på 82 mio. år og curium-248 med en halveringstid på 340.000 år giver dog intet problem for beskydningen af calciumkerner, der i visse tilfælde kan foregå i dagevis.

Americium-243, der blev anvendt til dannelse af grundstof 115, som radioaktivt henfald omdannedes til grundstof 113, har en halveringstid på 7.370 år. Der er altså en tendens til at bruge mål med kortere og kortere halveringstid.

Teoretikerne formoder som nævnt, at Island of Stability enten er centret omkring grundstof 114 med 184 neutroner eller grundstof 120 med 184 neutroner. Skal man danne grundstof 114 med 184 neutroner ved beskydning med calcium-48, skal man anvende plutonium-250 som mål - og den isotop kendes slet ikke! Skal man danne grundstof 120 med 184 neutroner ved beskydning med calcium-48, skal man anvende fermium-256 som mål. Problemet er blot, at fermium-256 har en halveringstid på kun 2,6 timer.

Noget kunne tyde på, at det ikke er ved beskydning med calcium-48, at vejen til stabilitetsøen skal findes. En mulighed kunne være at beskyde erbium-170 med xenon-136. Det burde give grundstof 122 med 183 neutroner plus en fri neutron og dermed en atomkerne på stabilitetsøen.

Grundstof 117 er næste i køen

Under Ingeniørens besøg i Dubna i efteråret 2003 oplyste forskere, at der er forsøg på at fremstille grundstof 117 - stadig med calcium-48 som beam. Det betyder, at målet må være grundstof 97, berkelium. Den længstlevende isotop er berkelium-247 med en halveringstid på 1.400 år, og som ved alfa-henfald bliver til americium-243.

Noget kunne tyde på, at den første isotop af grundstof 117, der dannes, derfor vil have maksimalt 178 neutroner i kernen. Så ligger den stadig i
ustabilitetshavet, men dog ikke langt fra Island of Stability.

På Flerov Laboratory er man ved at gøre klar til at tage et avanceret dansk produceret måleudstyr i brug, der skal bruges til karakterisering af de tunge grundstoffer. Det drejer sig om en Mass Analyzer of Super Heavy Atoms. Systemet, der i daglig tale blot omtales som Masha, er leveret af Danfysik i Jyllinge. Det er specielt udviklet til at kunne separere og analysere atomkerner med mellem 285 og 315 kernepartikler.

Danfysiks administrerende direktør Bjarne Roger Nielsen fortæller, at ordren på udstyret til en værdi af en halv snes millioner kroner kom ganske uventet og uden forvarsel. "Næsten som en appelsin i turbanen". Den første reaktion hos Danfysik var, at det kan de ikke mene alvorligt. "De vil kun spørge". Men russerne ville have det bedste og vidste, at det kunne de få hos Danfysik. Udstyret blev installeret i Dubna for præcist et år siden, og indkøringsfasen er nu ved at være afsluttet.

Overalt på Flerov-laboratoriet findes avanceret udstyr, men meget virker nedslidt på grund af økonomiske problemer de seneste ti år. Masha er et tegn på, at der nu er ved at ske en udskiftning til mere moderne udstyr. Systemet er opstillet i et specielt indrettet rum, der klart fremtræder som Flerov-laboratoriets mest moderne.