Sławomir Mizerski: – Panie profesorze, siedzimy sobie obaj, obok jest stół, książki, lampa, dyktafon. Obiekty zupełnie różne, chociaż wszystkie je łączy fakt, że podobnie jak my dwaj są zbudowane z atomów różnych pierwiastków. Skąd się wzięły pierwiastki?
Adam Sobiczewski: – Te najlżejsze (wodór i hel) powstały prawdopodobnie bezpośrednio w wyniku Wielkiego Wybuchu. Cięższe zaczęły być wytwarzane wewnątrz gwiazd dużo później, około miliarda lat po Wielkim Wybuchu, gdy powstały gwiazdy. Właśnie gwiazdy są „wytwórniami” pierwiastków.
Czy wszędzie we Wszechświecie występują te same pierwiastki?
To było kiedyś bardzo ważne pytanie. Odpowiedź na nie uzyskano, gdy zaczęły się badania spektroskopowe pierwiastków, które jak wiadomo emitują fale różnej długości, co – w zakresie widzialnym – oznacza różne barwy. Badając widmo promieniowania, np. gwiazdy, możemy powiedzieć, jakie tam są pierwiastki. I w tym promieniowaniu obserwujemy te, które znamy, bo występują one na Ziemi. Mogą jedynie w różnych miejscach Wszechświata występować w odmiennych proporcjach. We Wszechświecie najwięcej jest wodoru i helu. Na Ziemi jest także dużo wodoru, podstawowego składnika wody, więcej jednak jest takich pierwiastków jak tlen i krzem.
W szkole uczyliśmy się, że w przyrodzie istnieją 92 pierwiastki usystematyzowane w tablicy Mendelejewa.
Owszem, chociaż jeśli idzie o ścisłość, to na Ziemi nie występują w sposób naturalny technet i promet. Trzeba było te pierwiastki wytworzyć sztucznie, na drodze przemian jądrowych. Kiedy Mendelejew tworzył swoją tablicę, sporo z tych 92 pierwiastków nie było jeszcze znanych. Badając empirycznie własności pierwiastków i układając swoją tablicę zorientował się on, że są w niej miejsca, których nie umie wypełnić żadnym ze znanych mu pierwiastków. To zachęciło naukowców do ich poszukiwania, zwłaszcza że według Mendelejewa miały one dobrze określone własności. Były zatem wskazania, gdzie, w jakich związkach ich szukać. No i znaleziono. Dzisiaj tablica Mendelejewa nie ma „dziur”.
Dlaczego na Ziemi występuje te 90 pierwiastków? Czy wynika to z ich trwałości?
Dokładniej z trwałości jąder ich atomów. Trwałe są wszystkie z wyjątkiem technetu i prometu, a także z wyjątkiem pierwiastków znajdujących się w tablicy powyżej ołowiu. Jeszcze trzy lata temu powiedziałbym, że powyżej bizmutu, ale w międzyczasie zaobserwowano, choć bardzo powolny, rozpad bizmutu.
Na drugim biegunie są pierwiastki o niezwykle trwałych jądrach?
Tak. Np. rozpadu ołowiu 208 nikt nigdy nie widział. Tu mamy do czynienia z czasem życia dłuższym niż wiele miliardów bilionów lat. W stosunku do takich okresów całe istnienie Wszechświata to tylko mgnienie oka. Trzeba jednak dodać, że trwałe jądra mają tylko określone izotopy tych pierwiastków. Bo każdy pierwiastek ma też wiele nietrwałych izotopów (izotopy to odmiany tego samego pierwiastka różniące się od siebie liczbą neutronów – przyp. red.). Trwałych pierwiastków na Ziemi jest 80, a razem z torem i uranem – 82. Natomiast wszystkich znanych izotopów, w większości wytworzonych sztucznie przez człowieka, jest obecnie ok. 3 tys.
Jądro daje znać Istnienie jądra atomu jako pierwszy wykazał w 1911 r. fizyk Ernest Rutheford. Jak doszło do tego odkrycia?
Jego eksperyment polegał na bombardowaniu cienkiej metalowej folii naładowanymi dodatnio cząstkami alfa, emitowanymi przez substancje radioaktywne. W trakcie doświadczenia stwierdził, że cząstki przechodzą przez foliową tarczę niemal bez przeszkód, jednak niektóre z nich są rozpraszane przez bardzo małe centrum atomu. Rutheford zaproponował model atomu, w którym lekkie, ujemnie naładowane elektrony krążą niby planety wokół dodatnio naładowanego jądra. To właśnie w tym jądrze skupia się prawie cała masa atomu, chociaż jest ono bardzo małe.
Jak się ma jego wielkość do rozmiarów całego atomu?
Gdyby atom powiększyć do rozmiarów boiska piłkarskiego, jego jądro będzie miało wielkość zaledwie ziarenka ryżu. Krążące wokół jądra elektrony, ich układ i liczba, a także ich oddziaływanie z elektronami innych atomów decydują o całym bogactwie materii, jaką mamy wokół siebie.
Skoro atom jest wielką pustką z malutkim jądrem w środku, dlaczego stół, przy którym siedzimy, pozostaje mimo wszystko twardy?
Właśnie dzięki oddziaływaniom między sobą elektronów poszczególnych atomów. Inaczej mówiąc, dzięki siłom elektromagnetycznym, które są wystarczające, aby materia miała właśnie taki stan skupienia.
Zatem siły elektromagnetyczne spajają materię we Wszechświecie, trzymają wszystko w kupie?
Mówiąc dokładniej, one spajają materię, która jest w powłokach atomów. Nukleony wewnątrz jądra są spajane przez inne siły.
Czy rzeczywistość na poziomie jądrowym może być w ogóle postrzegana? Czy fizycy widzą pojedyncze jądro z protonami i neutronami?
Trudno, aby jądro, które ma wielkość dziesięć do minus trzynastej centymetra (10–13 cm= 0,0000000000001 cm), dało się zobaczyć w sensie dosłownym. To zbyt mały obiekt, nie mamy urządzenia, które by nam pozwalało je oglądać. Ono nam tylko daje o sobie znać poprzez skutki swoich przemian – istnieje możliwość rejestracji własności jądra za pomocą różnych przyrządów. I to nam może o tym jądrze wszystko powiedzieć. Dlatego fizyk wcale nie musi go widzieć w sensie dosłownym.
Wirująca materia Co się dzieje wewnątrz jądra?
Jądro to układ ze stosunkowo niedużą liczbą elementów. Ma od jednego (jądro wodoru) do ok. 280 (jądra najcięższych zaobserwowanych pierwiastków) nukleonów, tj. protonów i neutronów. Natomiast własności jądra są dość mocno złożone i wciąż nie do końca zbadane. Poza tym dzisiaj wiemy, że nukleon też ma swoją strukturę, jest zbudowany z kwarków. Z tym że nam w fizyce jądrowej do opisu jądra wystarcza z reguły poziom samych nukleonów, nie musimy schodzić głębiej do ich struktury. Budową nukleonów zajmuje się fizyka cząstek elementarnych.
W jądrze odbywa się ciągły ruch? To jądro kipi?
Sporo już wiemy o ruchach nukleonów w jądrze i o ruchach całych jąder, np. wibracjach, rotacji itd. Znamy różne sposoby drgania jądra, np. drganie, które prowadzi jądro do kształtu gruszki czy elipsoidy. Nieźle zbadany jest proces rotacji jądra. Zaobserwowaliśmy jądra bardzo szybko wirujące. Wciąż aktualne jest np. pytanie, jak szybko dane jądro może wirować, zanim się rozpadnie, i w jaki sposób będzie się rozpadało.
Zatem stabilność, nieruchomość materii to złudzenie?
Żeby to stwierdzić, nie trzeba sięgać aż do jądra. Wiemy, że temperatura jakiegoś ciała jest wynikiem szybkiego ruchu jego cząstek. Elektrony w każdym atomie krążą po swoich orbitach z prędkością niewiele mniejszą od prędkości światła w próżni. Uświadomienie sobie, co dzieje się w materii pod tym pozornym bezruchem, musi być rzeczywiście szokujące. Wyobrażam sobie uczucie człowieka, który po raz pierwszy zobaczył pod mikroskopem ruchy Browna (czyli chaotyczne ruchy makrocząsteczki zawieszonej w ośrodku ciekłym, gazowym lub stałym – przyp. red.).
Bez przemian jądrowych nie byłoby życia?
Życie jest tak złożonym i subtelnym zjawiskiem, że stosunkowo małe zmiany w ogólnie pojętym środowisku mogłyby uniemożliwić jego istnienie. Jeśli już trzymać się jednak samych tylko przemian jądrowych, to bez tych przemian zachodzących w gwiazdach nie powstałyby przecież pierwiastki, z których zbudowane są żywe organizmy.
A więc istniejemy dzięki przemianom jądrowym?
Tak, ale z pewnością nie tylko dzięki nim. Co do przemian jądrowych zachodzących w gwiazdach, to one właśnie są głównym źródłem energii, która jest tam wytwarzana. Pochodzi z łączenia się ze sobą lżejszych jąder w cięższe, głównie jąder wodoru w jądra helu, które są szczególnie silnie związane. Taka przemiana jest ogromnym źródłem energii i mamy nadzieję, że w przyszłości uda się ją przeprowadzać w sposób kontrolowany także na Ziemi. Rozwiązałoby to prawdopodobnie podstawowy problem ludzkości – dostatku energii. Dotychczas udało się dokonać tej przemiany na Ziemi jedynie w sposób niekontrolowany poprzez wybuch termojądrowy.
Jak ulepić nowy pierwiastek Dzięki czemu istnieją jądra atomów?
Dzięki silnemu oddziaływaniu między nukleonami. Ale gdyby w jądrach występowało tylko to oddziaływanie, to mogłyby istnieć dowolnie wielkie jądra atomowe. Świat, gdyby istniał w takim przypadku, byłby z pewnością zupełnie inny.
Dlaczego?
Może powstałoby wtedy jedno wielkie jądro i Wszechświat nie byłby zbyt ciekawy. Można by bardzo pofantazjować sobie przy takich rozważaniach.
Całe szczęście, że są inne oddziaływania.
Tak. Oprócz oddziaływania silnego, w jądrze mamy również dobrze znane, choćby ze szkoły, oddziaływanie kulombowskie między naładowanymi elektrycznie protonami. Ono ma charakter odpychający i też jest bardzo silne, ponieważ protony są bardzo blisko siebie. Jest ono destrukcyjne dla jądra, stara się je rozerwać tym silniej, im jest ono cięższe, tzn. im więcej zawiera protonów.
To znaczy, że duże jądra ono niszczy po prostu?
Tak. I to jest powód, dla którego tablica okresowa pierwiastków kończy się w pewnym miejscu. To kwestia relacji między oddziaływaniami silnymi, wiążącymi nukleony, a destrukcyjnymi, odpychającymi. Według wiedzy sprzed około pół wieku nikt nie oczekiwał, że można wytworzyć jądro zawierające więcej niż 100 protonów, czyli cięższe od jądra pierwiastka fermu. Ale odkrycie struktury powłokowej jąder pozwoliło wyobrazić sobie, że można przedłużyć tablicę Mendelejewa. Zaczęła się pogoń za coraz cięższymi jądrami. Ma ona na celu ich poznanie i wyjaśnienie, jak daleko można tu pójść, gdzie jest prawdziwa granica wiązania się układów nukleonowych. Na tym polu trwa zacięta rywalizacja, chociaż bardzo niewiele laboratoriów ma warunki do wytwarzania tak ciężkich jąder.
Ale uzyskane laboratoryjnie ciężkie jądra nowych pierwiastków ulegają błyskawicznemu rozpadowi, na dodatek bardzo trudno je otrzymać.
Wymienił pan dwie podstawowe trudności, które w tych eksperymentach trzeba pokonać. Dla pierwiastków, które się syntetyzuje ostatnio, czas rozpadu wynosi zwykle poniżej jednej sekundy. Wystarcza to jednak, by można było je zaobserwować i zbadać. Z powodów czysto technicznych granica ich obserwowalności wynosi około jednej mikrosekundy.
Jądro o rozpadzie szybszym niż mikrosekunda byłoby zatem niemożliwe do zaobserwowania?
Tak, przynajmniej obecnie. Ale badania teoretyczne pokazują, że jest całkiem sporo jąder, których nigdy nie widzieliśmy dotąd, a które mają prawdopodobnie czas rozpadu znacznie dłuższy od tej mikrosekundy. I do teoretyków należy określenie, które to są jądra i jak ewentualnie można je otrzymać. Bo można zderzać dwa ciężkie jądra, a one nie zechcą się połączyć, zlepić.
Czyli w tym zderzaniu jest wiele przypadku? Albo się zlepi, albo nie?
Jeśli mamy niezłą teorię wiązania się jąder i to w warunkach, w jakich zachodzi zderzenie, to ze sporym prawdopodobieństwem możemy przewidzieć, czy się zlepi, czy nie. Zależy to m.in. od struktury tych jąder, energii zderzenia itd. W tej chwili najcięższy pierwiastek, o którego wytworzeniu i zaobserwowaniu doniesiono, to pierwiastek 118, mający 118 protonów w jądrze. Wszystkie pierwiastki od 93 do 118 zostały wytworzone przez człowieka w laboratorium.
Magiczna siła jądra Wiadomo, gdzie jest koniec tego procesu?
Nie wiadomo. Pracują nad tym zespoły fizyków, usiłując wytworzyć kolejne superciężkie jądra, których w przyrodzie nie ma, a które istnieją tylko dzięki specyficznej strukturze powłokowej. Dopóki nie wykryto tej struktury, uważano, jak wspominałem, że jądra powyżej liczby atomowej 100 nie istnieją i nigdy nie dadzą się wytworzyć. Mówił to nawet wielki Niels Bohr. Odkrycie struktury powłokowej pozwoliło bardzo zmodyfikować naszą wiedzę o jądrach. Objaśniono tzw. liczby magiczne. Nazwa pochodzi stąd, że już dawno zauważono, iż przy pewnych liczbach protonów czy neutronów jądro ma własności, które trudno wyjaśnić, a które pochodzą właśnie z tej struktury powłokowej. Te liczby nazwano magicznymi, bo nie wiadomo było wtedy, dlaczego właśnie one są wyróżnione.
O jakie własności tu chodzi?
Głównie o energię wiązania jądra. Jedną z liczb magicznych jest 2. Np. jądro helu 4, mające 2 protony i 2 neutrony, to jądro wyjątkowo silnie związane. Ma ono aż ok. 27 megaelektronowoltów energii wiązania, znacznie więcej niż jądra sąsiednie.
Bardzo ciężkie, ale trwałe jądra dałoby się już pewnie gromadzić?
Fakt, iż ciężkie jądra krótko żyją i że im cięższe, tym trudniej je otrzymać, oznacza, że mamy ich coraz mniej. Od pewnego momentu udaje się uzyskać podczas eksperymentu zwykle tylko jedno, dwa, może trzy jądra. Proszę sobie wyobrazić, że wymaga to kilku tygodni, czasem kilku miesięcy naświetlania, pracy akceleratora, zaś koszt takiej operacji sięga około miliona dolarów.
Wszystko po to, aby uzyskać jedno jądro, które rozpada się już po ułamku sekundy?
Tak. Rozumie pan zatem, że nigdy nie byliśmy w stanie gromadzić tych jąder. I że nigdy nie mieliśmy naraz więcej niż zaledwie jeden atom tak uzyskanego pierwiastka. Fizyka najcięższych jąder to bardzo specyficzna fizyka pojedynczych jąder, a odpowiadająca jej chemia jest chemią pojedynczych atomów. Chemicy musieli nauczyć się badać pewne własności pierwiastków na pojedynczych atomach, co kiedyś było rzeczą niewyobrażalną.
Czy jest szansa, że pierwiastki superciężkie znajdują się na Ziemi?
Swego czasu był to problem intensywnie badany. Szukano takich jąder na dnie oceanu w pewnych związkach chemicznych. Uczeni mieli nadzieję, że mogły być one tam gromadzone. Materiał do badań wydobywano z głębokości kilku tysięcy metrów. Jąder tych poszukiwano także w gorących wodach gejzerów, w lodowcach czy śniegach Arktyki. Wyobraźnia naukowców była, trzeba powiedzieć, bardzo rozbudzona. Ale żadnych pozytywnych rezultatów te poszukiwania nie przyniosły, chociaż wciąż są fizycy, którzy sądzą, że jakieś pierwiastki superciężkie na Ziemi uda się znaleźć. Jednak teoretycy są raczej sceptyczni.
A gdyby jednak udało się je znaleźć?
Byłoby to fantastyczne odkrycie. Taka substancja miałaby zupełnie inne własności fizyczne od substancji, które znamy.
Wiemy jakie?
Były obszerne przewidywania teoretyczne tych własności; jaki stan skupienia miałyby te substancje: gazowy, ciekły czy stały, jaką gęstość, temperaturę itd. Odkrycie takich pierwiastków na Ziemi miałoby duże znaczenie naukowe. Intensywnie staralibyśmy się wyjaśnić, dlaczego tak egzotyczna struktura jądrowa może być tak trwała, by przetrwać te miliardy lat na Ziemi od czasu jej powstania. Na Ziemi bowiem nigdy nie było i nie ma warunków dla wytwarzania w sposób naturalny, poza laboratorium, pierwiastków superciężkich. One mogły tylko znajdować się w materiale, z którego Ziemia powstała, lub dotrzeć do nas z kosmosu w postaci promieniowania kosmicznego.
O czym marzą fizycy Fizyk poszukujący nowych, superciężkich jąder jest trochę jak Wielki Kreator, który stwarza zupełnie nową materię?
Używa pan wielkich słów, a natura i historia nauki uczą nas raczej wielkiej skromności i pokory. Dokonana po raz pierwszy synteza pierwiastka, którego nie ma na Ziemi – neptunu – to było z pewnością wielkie wydarzenie, uhonorowane Noblem. Wytworzono zupełnie nową strukturę. No, może niezupełnie nową, bo prawie na pewno w trakcie istnienia Ziemi ona już tam istniała, tylko się rozpadła. Ale oto teraz człowiek wytworzył ją na nowo. To dowód, że mamy już niezłą wiedzę w tym zakresie i umiemy przewidywać własności jąder i przebieg procesów jądrowych. Takie udane eksperymenty dają wielką satysfakcję intelektualną i pobudzają ciekawość. A przecież nauka istnieje dzięki ciekawości człowieka, którego pasjonuje nieznana rzeczywistość ukryta za wielką kurtyną zawieszoną przed nami.
Ma pan poczucie, że za tą kurtyną może jeszcze istnieć coś, co będzie fundamentalne dla fizyki, dla człowieka? Czy jest np. możliwość, że zostanie odkryte superciężkie jądro nowego pierwiastka, które będzie miało długi okres rozpadu i na dodatek będzie można je łatwo i w dużych ilościach wytwarzać?
Szansa jest, ale nie chciejmy zbyt wiele. Pan chciałby, żeby od razu zostały pokonane obie przeszkody – czyli żeby jądro superciężkie było trwałe i jeszcze do tego dało się łatwo utworzyć. Bardziej prawdopodobne jest, że uda się pokonać jedną z tych przeszkód. Jest szansa na znalezienie jąder superciężkich żyjących znacznie dłużej niż zaobserwowane dotychczas, np. miesiąc lub rok. Wtedy można by je ewentualnie gromadzić. Teoretycy szukają takiego jądra.
Pan też? Jest pan przecież wraz z zespołem współpracowników odkrywcą tzw. wyspy stabilności. Na czym polega ta teoria?
Udało się przewidzieć dwa obszary podwyższonej trwałości superciężkich jąder. Jeden dla jąder kulistych, a drugi dla zdeformowanych. Przewidywanych jąder superciężkich kulistych jeszcze nie zaobserwowano, choć znacznie zbliżono się do miejsca, gdzie mogą występować. Zdeformowane zaś zostały już odkryte i znamy ich dziś wiele. To odkrycie było bardzo satysfakcjonujące, bo przez ogół fizyków jądrowych zupełnie nieoczekiwane.
Czego fizycy wciąż jeszcze nie wiedzą o jądrze?
Nie wiedzą na przykład, ile może istnieć różnych jąder. Znamy ich obecnie ok. 3 tys., ale orientacyjne oszacowania wskazują, że może być ich dwa razy tyle. Nie wiemy też, jak daleko można rozszerzyć tablicę okresową pierwiastków.
Do dziś nie udało się objąć całego bogactwa zjawisk jądrowych jedną fundamentalną teorią. Co to znaczy?
Nie znamy dostatecznie dobrze oddziaływań jądrowych, choć jest w tej dziedzinie duży postęp. Natomiast stałym dążeniem fizyków jest uogólnianie opisu przyrody, wiązanie ze sobą różnych zjawisk. Przykładem jest dokonane już dawno temu powiązanie ze sobą zjawisk elektrycznych i magnetycznych, które długo traktowane były jako odrębne. Dzisiaj mówimy o zjawiskach i oddziaływaniach elektromagnetycznych. Jednolity ich opis podała piękna teoria Maxwella, która później została jeszcze uogólniona na zjawiska mikroświata (zjawiska kwantowe) w postaci elektrodynamiki kwantowej.
Ale trwają starania idące w kierunku unifikacji wszystkich czterech sił występujących w naturze: słabych i silnych oddziaływań jądrowych, oddziaływań elektromagnetycznych i grawitacyjnych? T
ak. Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe zostały połączone stosunkowo niedawno. Mówimy już o oddziaływaniach elektrosłabych. Dołączenie do nich oddziaływań silnych zostało w pewnym stopniu dokonane w ramach tzw. Modelu Standardowego. Nad dołączeniem jeszcze oddziaływań grawitacyjnych trwają intensywne prace. Byłaby to tzw. Teoria Wszystkiego.
Co dałoby fizykom sformułowanie fundamentalnej wspólnej teorii dla wszystkich czterech oddziaływań?
Z pewnością duży komfort intelektualny, poczucie, że naszą wiedzą sięgamy już dość głęboko.
Wielki gmach fizyki zostałby w ten sposób ukończony?
Dzisiaj raczej powszechne jest przekonanie, że proces poznawania świata jest nieskończony. Mówmy więc o tym, czego już się dowiedzieliśmy, co jest w zasięgu naszych możliwości poznawczych i o czym możemy pomarzyć w dalszej perspektywie. Ludzka dociekliwość gwarantuje, że dopóki człowiek będzie istniał, proces poznawania nieznanego będzie trwał nieprzerwanie.
prof. Adam Sobiczewski, fizyk, pracuje w Instytucie Problemów Jądrowych. Ma w swoim dorobku ok. 140 prac naukowych opublikowanych w prestiżowych periodykach. W 1995 r. został laureatem Nagrody Fundacji Nauki Polskiej (polski Nobel) w dziedzinie nauk ścisłych za prace, w których przewidział istnienie nieoczekiwanie bardzo stabilnych jąder atomowych najcięższych pierwiastków.