AZ ANYAG, AMIBŐL VAGYUNK

Ma már általánosan elfogadott az az elmélet, hogy a világegyetem általunk megfigyelhető részének atomos szerkezetű anyaga körülbelül 13-15 milliárd évvel ezelőtt alakult ki egy gigantikus „ősrobbanás“ következtében. Ez az elmélet (Big Bang Theory; A Hét első évfolyamának 5. számában olvashattunk róla) a világegyetem születését a modern magfizika eredményeinek felhasználásával rekonstruálja.

E szerint az elmélet szerint a világegyetem alig félóra alatt „érett felnőtté“. A fortyogó ősanyag a nagy robbanás során néhány perc alatt szétterjedt és lehűlt a Nap központi magjának 15 millió fokos hőmérsékletére. Ez a „lehűlés“ tette lehetővé, hogy az elemi részek protonokká, neutronokká, atommagokká álljanak össze. Az elemszintézis intenzitása mintegy 36 perc alatt nullára csökkent, annak következményeként, hogy a szabad neutron, a kémiai elemek egyik fő építőköve, rövid (mindössze 12 perc) élettartamú, tehát a szintézisnek ez a nyersanyaga elfogyott. A nagy robbanás végbemenetelekor az anyag hidrogén formájában vált atomos szerkezetűvé, amiből rövidesen jelentős mennyiség héliummá alakult.

Éppen az a tény, hogy a világegyetemben igen sok hélium található, vezette a tudósokat az ősrobbanás-elmélet kidolgozásához: a csillagok még nem „gyárthatták le“ ezt a nagy héliummennyiséget, tehát az csak ősrobbanáskor jöhetett létre. (Az ősrobbanás egy másik következménye és egyben ma is észlelhető bizonyítéka: a világegyetem tágulása. Ezt a folyamatot a távoli kozmikus objektumok színképvonalainak a vörös felé való eltolódása jelzi.)

A Föld kérgében előforduló elemek izotópjainak arányából is következtetni lehet arra, hogy milyen jelenségek során alakultak ki a kémiai elemek.

Jelenleg a csillagokban mennek végbe hasonló folyamatok és a szintetizált elemek a szupernóváknak nevezett változócsillagok robbanásai során szóródnak szét a csillagközi térbe.

Az ősrobbanás modellje egy hidrogénbomba robbanásaként képzelhető el. Az 1952-ben, a csendes-óceáni Eniwetak-szigetek térségében végrehajtott amerikai H-bomba kísérleteknél bebizonyosodott, hogy a termonukleáris robbanások során keletkező hatalmas neutronsugárzás hatására transzurán elemek jönnek létre, köztük a 99-es rendszámú einsteinium és a 100-as rendszámú fermium izotópjai. Ezután a felfedezés után feltételezték, hogy a szupernóvák fellobbanásakor is gyors neutronbefogás valósul meg, az ólomnál nagyobb rendszámú elemek, köztük a transzuránok képződése közben.

Hogyan megy végbe ez a folyamat? Milyen törvények irányítják?

A CSILLAGOK: AZ ELEMGYÁRTÁS NAGYÜZEMEI

Mihelyt egy csillag felhasználja és héliummá alakítja át a belsejében rendelkezésre álló hidrogénkészletét, a sugárnyomás és a belső vonzás között fennállott egyensúly, amely addig a csillagot stabilizálta – összeomlik. Ha a csillag magvában már minden hidrogén héliummá alakult át, az égési zóna héjszerűen lassan kifelé vándorol, majd előbb-utóbb természetszerűen a csillagtest felületéhez ér, ahol a fölötte levő rétegek nyomása már nem elég nagy ahhoz, hogy a magfúziós folyamatokat továbbra is fenntarthassa, az atomi tűz tehát kialszik. Ezzel azonban tovább csökken a sugárnyomás, amely a csillag hatalmas – de még ekkor is gáznemű – tömegét addig megakadályozta abban, hogy összehúzódjék.

Újra megindul tehát az összehúzódás és a csillag belsejében újra emelkedik a nyomás és a hőmérséklet. Minthogy nincs semmiféle kifelé ható erő, amely a csillag gravitációs összehúzódásával egyensúlyt tarthatna, a további összehúzódás folyamán a magban végül is valóban fellép a kritikus, ötvenmillió fokot meghaladó hőmérséklet, és ekkor az ott koncentrálódott hélium most már „égni“ kezd. Az újra megindult magfúziós folyamatok fékezik az összehúzódást: a csillag átmenetileg ismét stabilizálódik. Ebben a szakaszban a hélium szénné ég el. (Ezenkívül némi kerülővel – a berilliumon át, amely gyorsan ismét szétesik – oxigén keletkezik.) A hélium azonban, amely ebben a szakaszban a csillag magvát alkotja, előbb vagy utóbb ugyancsak elfogy, és a fent leírt folyamat pontosan megismétlődik: az újra megindult összehúzódásban végül is százmillió fokot meghaladó hőmérséklet keletkezik s ez már elég nagy ahhoz, hogy a szénatomok nehezebb elemekké épüljenek össze. Így jön létre a neon és a nátrium, továbbá bonyolult reakciólánc kerülőjén át – miközben építőkövekként héliummagok is keletkeznek – a magnézium, az alumínium, a kén és a kalcium.

Ebben a szakaszban az időközben ötszázmillió fokra felhevült csillag középpontjában végbemenő folyamatok olyan bonyolultak, hogy azokat szemléletesen már nem tudjuk ábrázolni. Az atomi reakciók annyira intenzívek, hogy az eddigi szakaszokban keletkezett elemek is állandóan lebomlanak, majd újrakeletkeznek.

A csillag a galaxis spiráljából, ahol hosszú ideig tartózkodott, lassan kisodródik s a galaxis sötétebb részein olyan típusú csillagként jelenik meg, amelyet a csillagászok fehér törpének neveznek.

Bár hőmérséklete nagyon nagy s ezért fénye csaknem fehér, fényessége viszonylag kicsi, mert az ismétlődő, egymást követő összehúzódási fázisokban a hatalmas naptömeg időközben egy nagyobb bolygó méretére húzódott össze.

Ebben a – talán százezer kilométer átmérőjű – gömbben egy egész csillag gigantikus, emberileg szinte felfoghatatlanul nagy tömege koncentrálódik. Ennek megfelelően a fehér törpe magja rendkívül sűrű, „elfajult“ anyag.

A továbbiak a csillag össztömegétől függenek. A kritikus határ: a naptömeg 1.44-szorosa. Az ennél kisebb tömegű csillagok – tehát saját Napunk is – a fehér törpe állapot elérése után fokozatosan kihűlnek. Ha középpontjukban a teljes szénkészlet elég, összehúzódnak ugyan, de újabb atomi folyamatok már nem indulnak meg bennük.

Ha az ismertetett fejlődési szakaszok – az összehúzódási periódusok és az ezeket követő atomi fúziós folyamatok – váltakozását vizsgáljuk, a hidrogéntől (a csillagkeletkezés egyetlen kiindulási anyagától) legfeljebb a vasig és nikkelig juthatunk el. Mindezek ott maradnak a kihűlő fehér törpe magjában eltemetve az idők végezetéig.

De honnan származik a többi elem?

A kérdésre Chandrasekhar hindu csillagász adott feleletet. Kiszámította: ha egy fehér törpe tömege több mint 1.44-szorosa Napunk tömegének, akkor gravitációja elég erős ahhoz, hogy alkotóanyaga atomi szerkezetét szétrombolja. Ami azt jelenti, hogy az ilyen csillag gravitációs összehúzódása a fehér törpe állapoton túl is tovább folytatódik.

Ekkor azonban nemcsak valamennyi atom elektronburka omlik össze – ez végbemegy már a „szupersűrű“ fehér törpe belsejében is –, hanem az atommagok elemi részekből felépült szerkezete is. Ez az úgynevezett gravitációs kollapszus (összeesés) szakasza: néhány másodpercen belül az addig bolygó nagyságú csillag tíz-húsz kilométer átmérőjűvé zsugorodik össze. A hőmérséklet meghaladja a hárommilliárd fokot. Az összeroppanó csillag teljes tömegének tizedrésze hatalmas atomrobbanástól szétrombolva, másodpercenként 10 000 kilométeres sebességgel szóródik szét minden irányában a világűrbe.

Ez tehát egy állócsillag robbanásának mechanizmusa, amelynek eredménye látszólag új csillag, egy szupernóva fellobbanása. A csillag néhány hétig úgy világíthat az égbolton, mint kétszáz millió nap. A szupernóvák minden atommagot neutronállapotba visznek át. Az ilyen közeg robbanásakor egy pillanat alatt létrejön az egyensúly, a neutronok ugyanis akadálytalanul egyesülnek az összes többi magokkal. Ilyen körülmények között a legkülönbözőbb elemek, még mag-gigászok is létrejöhetnek.

A szupernóva-robbanás katasztrófája után megmaradt csillag tömege hozzávetőlegesen akkora, mint a mi Napunké. Ez a tömeg azonban alig 10-20 kilométer átmérőjű gömb térfogatába préselődik össze. A csillag anyaga most már sűrűn egymás mellé sorakozó neutronokból áll, ezért is nevezik neutroncsillagnak. Anyagának egyetlen köbcentimétere több millió tonna tömegű. A szupernóva-robbanás katasztrófája, mely egy csillag hanyatlását bevezeti, egyszersmind a következő csillag-nemzedék születésének az első fázisa. A második generáció csillagai azonban már nem tiszta hidrogénből állanak, hanem csillagközi porfelhőkből, amelyek az őscsillag középpontjában létrejött, s a szupernóva robbanásakor a világűrbe jutott nehéz elemeket is tartalmazzák.

A kozmikus nemzedékváltás során az univerzum anyagának egy része újra csillaggá sűrűsödik s aztán ismét visszajut a szabad térbe. Így jönnek létre egymás után a periódusos rendszer egyre nehezebb elemei.

LEKICSINYÍTETT SZUPERNÓVÁK – LABORATÓRIUMBAN

Az uránnál nehezebb, úgynevezett transzurán elemek erősen radioaktívak, s nagy részük a Föld geológiai múltjában már elhasználódott. A neptunium, plutonium, az americium, a kürium stb. után a periódusos rendszerben 104-es rendszám feletti elemek gyűjtőneve: transzaktinidák. Ezekhez az elemekhez nem kémiai kiválasztás révén jutottak el, hanem nukleáris reakcióban mesterségesen állították elő őket. Jelen pillanatig csak a 104, 105 és 106-os elemeket sikerült előállítani.

A nehézelemek vizsgálatához bonyolult technikai problémákat kellett megoldani, új módszerek kifejlesztésére volt szükség. Alapvető probléma, hogy ezek az elemek csak rendkívül kis mennyiségben állíthatók elő, és ugyanakkor nagyon rövid élettartamúak. Úgy tűnt, hogy a 106–107-nél nagyobb rendszámú elemek előállítása a jelenlegi módszerekkel lehetetlen – nem tudjuk újabb elemekkel gazdagítani a Mengyelejev-féle periódusos rendszert.

Az elméleti fizikusok az atommag szerkezetét tanulmányozva arra a következtetésre jutottak, hogy a ma ismert rövid élettartamú nehéz elemeknél lényegesen nehezebb elemek újra stabilak lesznek. A 112–114-es tartományban „stabilitási szigetnek“ kell lennie. (Várható például, hogy a 114-es rendszámú szupernehéz magnak a felezési ideje 10 milliárd év legyen.) Valamennyi atommag közül azok a legstabilabbak, amelyekben a neutronok száma 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126, 184 stb. Ezeket „mágikus számoknak“ nevezték el. Az ilyen számú neutronnal rendelkező magok viszonylag a leggyakoribbak, mivel magszerkezetük a legállandóbb.

MAGFIZIKAI ARCHEOLÓGIA

A San-Franciscó-i öböl környékén gyorsforgalmi utak vezetnek a föld alatt. Az egyik, 250 méterrel a felszín alatt elhelyezkedő alagutat, amely két gyorsforgalmi út között biztosítja az összeköttetést, több éven keresztül szigorúan őrizte az amerikai biztonsági szolgálat és rendőrség. Az alagútban egy 36 kilogrammos aranyrögöt és egy 20 kilogrammos platinadarabot vizsgáltak, abból kiindulva, hogy mivel a szupernehéz elemek a nehéz fémekkel nagyjából azonos földtörténeti korban alakultak ki, ezekben a fémekben talán nyomokban megtalálhatók. (A kísérleteket azért végezték több száz méterrel a föld alatt, hogy a világűrből érkező elemi részecskék észlelése ne hamisítsa meg a mérési eredményeket. Ugyanitt vizsgálták meg a 3 kilogramm holdkőzetet és a holdport is, az űrhajósok által hozott mintákat.) A szupernehéz elemek kialakulhattak a Holdon a nehéz elemek kísérőiként, vagy mint kozmikus por juthattak el a Hold felszínére.

A szovjet kutatók 10 tonna anyagot emeltek ki a Csendes-óceán fenekéről és 50 ezer köbméter forrásvizet elemeztek. Megvizsgálták a pravoszláv templomok féltve őrzött üvegkincseit is, minthogy annak idején az üveg színezéséhez nehézfémtartalmú ásványokat használtak fel. Ha nehéz elemek mellett szupernehéz elemek is belekerültek az üvegbe sok száz évvel ezelőtt, akkor a spontán radioaktív bomlás nyomai ma is megtalálhatók.

A Pamír szurdokjaiban, gerincein olyan ösvények húzódnak, amelyeket az emberek századokkal ezelőtt vágtak ki. Szikrázik a gleccserek jege, a sziklák között hideg hegyifolyók zúgnak és a kőzeteket különös, csillogó ásványegyüttesek tarkítják. Ezek kristályaiban rejtőzött a 108-as szupernehéz elem. V. V. Cserdincev ennek az elemnek a szergénium nevet adta. A további kutatások arra utalnak, hogy a szergéniumot ultrabázikus kőzetekben célszerű keresni. Megvizsgálták a Kaukázus, Kamcsatka, a Kuril-szigetek, a Kárpátok mélyéről jövő hőforrásokat. Mindenhonnan gyűltek a minták, és majdnem mindegyikben ott volt a plutónium és szergénium. A természetes transzuránról, az ozmium analogonjáról és a 108-as hely várományosáról a periódusos rendszerben Cserdincev 1960 szeptemberében számolt be a Dubnában tartott nemzetközi szimpozionon.

Cserdincev felfedezése gondolkodásra késztet. Vajon a kozmoszban is ez az utolsó az elsődleges elemek közül, amely még a kutatók kezébe kerülhet?

Vagy ez az első elem, amely a mikrokozmosz végtelenjébe vezető felfedezések új sorát nyitja meg? A kérdés tehát az, hogy meddig terjedhet az elemek periódusos rendszere. Ezt az elemek stabilitása határozza meg, valamint az, hogy élettartamuk a mérhetőség határán belül legyen. Az utóbbi nyilvánvalóan a technikai fejlődés függvénye. A jövő gyorsítói remélhetőleg lehetővé teszik a „stabilitási szigetek“ jóslatának gyakorlati ellenőrzését, és új, jelenleg még csak papíron „létező“ szupernehéz elemek előállítását.

Megjelent A Hét VI. évfolyama 26. számában, 1975. június 27-én.