Tajemství alchymistů – jak vzniká zlato (vesmírná alchymie 6/6)

Poslední nahlédnutí do tyglíku, ve kterém se vaří přísady pro celý vesmír. Vznik těžkých prvků – mezi nimi i zlata nebo uranu – nebyl žádnou náhodou. (délka blogu 8 min.)

Prvků, které jsou těžší než železo, je ve vesmíru řádově 100x méně než těch ostatních. Některé z nich jsou ještě vzácnější. Je to způsobeno tím, těžké prvky nemohou vznikat přímou syntézou ze dvou lehčích prvků. Jsou odkázány na procesy, které probíhají při vesmírných katastrofách - například při explozích supernov.

Podmínky při výbuchu supernovy jsem popisovala v minulých dílech. Procesu se účastní atomy železa nebo lehčích prvků, které předtím vznikly v bývalé velice hmotné hvězdě. Další přísadou v této vesmírné alchymistické laboratoři jsou volné neutrony. Ty vznikaly například dezintegrací (rozbitím) atomů různých prvků extrémně energetickým zářením uvnitř kolabující hvězdy a splynutím volných protonů a elektronů během drastické exploze.

Protože hvězda přestala syntetizovat stále těžší prvky ve stadiu, kdy se v jejím jádře vytvořilo železo, je to právě železo, kdo je při výbuchu supernovy nejčastějším zdrojem těžkých prvků.

Tvorba ještě těžších prvků, probíhá záchytem neutronů v jádrech už existujících prvků. Záchyt neutronů (nebo v jednom případě protonu) může probíhat třemi různými způsoby, kterým se říká s-, r- a p-procesy.

S-proces

S-proces (Slow Neutron Capture Process) – tedy „pomalý“ proces – probíhá logicky tam, kde není k dispozici moc neutronů (například ve hvězdách ve fázi Červeného obra). Zachycený neutron, který je v jádře nový a tím pádem i přebytečný, se časem rozpadá na proton a elektron. Elektrony opouštějí nový prvek v podobě beta záření.

Jádro tím získává nový proton. Zároveň se mění jméno prvku – stal se z něj totiž o jednu jednotku těžší chemický soused. Dochází k nefalšované alchymistické transformaci jednoho prvku na druhý.

Tento proces vyžaduje, aby byl odpovídající beta rozpad (tvorba protonu a elektronu) rychlejší, než záchyt neutronu v jádře daného atomu.

Vědci zjistili, že se s-procesy podílejí na tvorbě zhruba poloviny prvků, těžších než železo. Dobře fungující s-procesy jsou schopné vytvořit až olovo a vizmut.

R-proces

V opačném případě, když se zachytává daleko více neutronů, než se stihne za určitou časovou jednotkou rozpadnout, se procesu říká r-proces (Rapid Neutron Capture Process).

Takové procesy probíhají v prostředí, kde se nachází velké množství neutronů – například ve zmiňované bývalé velice těžké hvězdě, která právě detonuje jako supernova typu II.

Jádra se malou chvíli nacházejí v silně přesyceném stavu, kdy mají daleko více neutronů, než aby byla stabilní. Jelikož se v nich zachytilo více neutronů, rozpadá se jich také více. Z chemického prvku se tak stává jiný, takový, který není jeho přímým sousedem v Mendělejevově periodické tabulce. Identita prvku se mění skokově a umožňuje vznik opravdu exotických a těžkých exemplářů.

Pomocí r-procesů vznikalo například veškeré plutonium, thorium a uran – dnes nejdůležitější lidmi využívané radioaktivní prvky.

P-proces

Další reakci se říká p-proces. Je to následek vlivu vysoce energetických fotonů, které dezintegrují (rozbíjí) těžká jádra už vzniklých prvků. P-procesy se podílejí na syntéze jader prvků, blízkých selenu nebo rtuti. Do jádra se při něm „nezabudovává“ neutron ale proton.

Koncentrace těžkých prvků

Proč je některých chemických prvků méně a jiné jsou daleko častější? Každý chemický prvek má jiné chemické vlastnosti. Není tedy divu, že mají také různé sklony k záchytu neutronů nebo následujícímu rozpadu.

Když se v nich zachytí neutron lehce a rychle, říká se, že mají velký „průřez záchytu“. Dá se pomyslně představit jako prostor, který musí trefit neutron k tomu, aby se mohl v jádře „usadit“. Takových prvků musí být ve vesmíru poměrně málo. Rychle a efektivně totiž zachytávají neutrony a následně se mění na jiné chemické prvky.

Ty z chemických prvků, které mají naopak malý průřez záchytu, potřebují k zachycení neutronu daleko delší dobu. Díky tomu se jich na jiný prvek přemění méně – a my jich tedy ve vesmíru pozorujeme větší množství.

Týká se to především prvků, které mají jádro obsazené určitým počtem nukleonů (protonů a neutronů). Podobně jako se elektrony nacházejí v obalu atomu na různých orbitalech, skládají se i jádra atomů z různých „slupek“. Určité množství nukleonů v jádře pak odpovídá optimálnímu stavu, který je vesmírem odměňován tím, že je daný prvek stabilnější než ostatní – a ve vesmíru ho proto nacházíme více než jeho sousedních kolegů.

Aby nebyla situace moc jednoduchá, liší se průřez záchytu prvek od prvku, ale také izotop od izotopu. To je důvod, proč mají prvky různou koncentraci izotopů, která je pro ně specifická. Navíc může být průřez záchytu odlišný i pro neutrony s rozdílnou energií.

Skutečná výroba zlata

Tohle všechno dávní alchymisté pochopitelně netušili. Zlato vzniká následujícími postupy:

196Pt + n › 197Au + ß- + 6,57 MeV 

56Fe + 141n › 197Au + 53ß- + 1109 MeV

První z nich je pomalý záchyt jednotlivých neutronů jádrem platiny. Neutron se v jádře rozloží na proto a elektron, elektron jádro opustí v podobě beta záření, zatímco se zachycený neutron přemění na proton a změní tak podstatu chemického prvku a jeho jméno. Zlato tedy vzniká z jiného vzácného kovu – platiny.

Druhý proces je rychlý záchyt hned většího množství neutronů při výbuchu supernovy. Později se část těchto neutronů rozpadne na protony a elektrony. Ty jádro opět opustí – a zlato je na světě.

Facit

Tím mé vyprávění o vesmírné alchymii končí. Opouštíme vesmír, ve kterém už existují všechny chemické prvky, které dnes známe.

Díky tomu, že vědci poznali a popsali jejich strukturu, dnes také víme, že ve vesmíru žádné další neznámé prvky neexistují. Periodická tabulka prvků je kompletní, i když není vyloučeno, že se v budoucnosti podaří uměle syntetizovat stále těžší a těžší jádra, jejichž stabilita je ale v našich pozemských podmínkách mizivá. Spekuluje se o možném „ostrově stability“ extrémně těžkých a zatím neznámých prvků. Některé z nich by mohly žít dostatečně dlouhou dobu, aby mohly být použity pro speciální účely – například palivo po kosmické lodě.

Všechny prvky, které jsou potřebné ke vzniku života, se ve vesmíru nacházejí v dostatečném množství. Nejsou omezené na určité lokality – spíše se dají víceméně rovnoměrně nalézt v celém vesmíru. To je samozřejmě dobrá zpráva – pro ufology. Pokud z daných chemických prvků mohl vzniknout život na naší Zemi – je více než pravděpodobné, že zároveň (nebo už dávno předtím) vznikl také na jedné z nesčíslných planet, které obíhají nesčíslné hvězdy v nesčíslných galaxiích.

Zdroje: Heinz Oberhummer: Kerne und Sterne: Einführung in die Nukleare Astrophysik. Barth, Leipzig/Berlin/Heidelberg 1993, Andrew McWilliam, Michael Rauch: Origin and evolution of the elements. Cambridge Univ. Pr., Cambridge 2004