Neue Methode zur Herstellung von Element 116 ebnet den Weg für schwerere Atome

Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums sind für die Entdeckung von 16 der 118 bekannten Elemente verantwortlich. Sie haben nun den ersten entscheidenden Schritt getan, der es ihnen ermöglichen würde, möglicherweise ein weiteres Element zu schaffen: Element 120.

Heute gab ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Heavy Element Group des Berkeley Lab bekannt, dass es das superschwere Element 116 mithilfe eines Titanstrahls entdeckt hat. Dies ist ein Fortschritt, der einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Herstellung des Elements 120 darstellt. Das Ergebnis wurde heute auf der Nuclear vorgestellt Struktur 2024 Konferenz; Der wissenschaftliche Artikel wird im Online-Repositorium veröffentlicht arXiv und wurde der Zeitschrift vorgelegt Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Diese Reaktion war noch nie zuvor demonstriert worden, und es war entscheidend zu beweisen, dass sie möglich ist, bevor wir mit unserem Versuch begannen, 120 zu erreichen“, sagte Jacklyn Gates, ein Nuklearwissenschaftler am Berkeley Lab, der die Bemühungen leitet. „Einen neuen Artikel zu erstellen ist eine äußerst seltene Leistung. Es ist spannend, Teil des Prozesses zu sein und einen vielversprechenden Weg nach vorne zu gehen. »

Dem Team gelang es, während des 22-tägigen Betriebs im Schwerionenbeschleuniger des Labors, dem 88-Zoll-Zyklotron, erfolgreich zwei Atome des Elements 116, Livermorium, herzustellen. Die Herstellung eines Atoms des Elements 120 wäre noch seltener, aber gemessen an der Geschwindigkeit, mit der sie 116 erzeugten, ist es eine Reaktion, auf die Wissenschaftler über mehrere Jahre hinweg vernünftigerweise warten können.

„Wir brauchten eine freundliche Natur, und das war sie auch“, sagte Reiner Kruecken, Direktor der Nuklearwissenschaftsabteilung des Berkeley Lab. „Wir gehen davon aus, dass die Herstellung von 120 etwa zehnmal länger dauern wird als von 116. Das ist nicht einfach, aber jetzt scheint es machbar. »

Im Falle seiner Entdeckung wäre Element 120 das schwerste Atom, das jemals geschaffen wurde, und würde in der achten Zeile des Periodensystems zu finden sein. Es liegt am Ufer der „Insel der Stabilität“, einer theoretischen Gruppe superschwerer Elemente mit einzigartigen Eigenschaften.

Während die bisher entdeckten superschweren Elemente fast augenblicklich zerfallen, könnte die richtige Kombination von Protonen und Neutronen einen Kern erzeugen, der stabiler ist und länger überleben kann, was den Forschern bessere Chancen für seine Untersuchung gibt. Die Erforschung von Elementen an den Extremen kann Einblicke in das Verhalten von Atomen liefern, kernphysikalische Modelle testen und die Grenzen von Atomkernen kartieren.

Herstellung superschwerer Elemente

Das Rezept zur Herstellung superschwerer Elemente ist theoretisch einfach. Kombinieren Sie einfach zwei leichtere Elemente, die zusammen die gewünschte Anzahl an Protonen im endgültigen Atom aufweisen. Es ist eine grundlegende mathematische Formel: 1+2=3.

In der Praxis ist dies offensichtlich äußerst schwierig. Es kann Milliarden von Wechselwirkungen erfordern, bis zwei Atome verschmelzen, und es gibt Grenzen dafür, was vernünftigerweise in einen Teilchenstrahl oder ein Ziel umgewandelt werden kann.

Forscher wählen für ihren Strahl und ihr Ziel bestimmte Isotope aus, Variationen von Elementen, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben. Das schwerste praktische Ziel ist ein Isotop namens California-249, das 98 Protonen hat. (Ein schwereres Ziel, etwa Fermium mit 100 Protonen, würde zu schnell zerfallen). Dies bedeutet, dass Forscher bei dem Versuch, Element 120 herzustellen, nicht ihren üblichen Strahl von Calcium-48 mit seinen 20 Protonen verwenden können. Stattdessen benötigen sie einen Atomstrahl mit 22 Protonen: Titan, ein Element, das normalerweise nicht zur Herstellung superschwerer Elemente verwendet wird.

Experten am 88-Zoll-Zyklotron versuchten zu überprüfen, ob sie über einen Zeitraum von Wochen einen ausreichend intensiven Strahl des Isotops Titan-50 erzeugen und daraus Element 116 herstellen konnten, das schwerste Element, das nie im Berkeley Lab hergestellt wurde.

Bisher wurden die Elemente 114 bis 118 nur mit einem Strahl aus Kalzium 48 gewonnen, der über eine spezielle oder „magische“ Konfiguration von Neutronen und Protonen verfügt, die es ihm ermöglicht, mit den Zielkernen zu superschweren Elementen zu verschmelzen. Die Frage, ob es überhaupt möglich wäre, mit einem „nichtmagischen“ Strahl wie Titan 50 superschwere Elemente in der Nähe der Stabilitätsinsel zu erzeugen, blieb in der Praxis offen.

„Es war ein wichtiger erster Schritt bei dem Versuch, etwas zu schaffen, das etwas einfacher ist als ein neues Element, um zu sehen, wie der Übergang von einem Kalziumstrahl zu einem Titanstrahl die Geschwindigkeit verändert, mit der wir diese Elemente produzieren“, sagte Jennifer Pore, Wissenschaftlerin im Heavy des Berkeley Lab Elements-Gruppe.

„Wenn wir versuchen, diese unglaublich seltenen Elemente herzustellen, befinden wir uns an der absoluten Grenze des menschlichen Wissens und Verständnisses, und es gibt keine Garantie dafür, dass die Physik so funktioniert, wie wir es uns erhoffen.“ Die Herstellung von Element 116 mit Titan bestätigt, dass diese Produktionsmethode funktioniert und wir jetzt unsere Jagd nach Element 120 planen können.“

Das Projekt zur Herstellung superschwerer Elemente mithilfe der einzigartigen Anlagen des Berkeley Lab ist im langfristigen Plan für die Kernwissenschaft 2023 des Nuclear Science Advisory Committee enthalten.

Ingenieursleistungen

Einen ausreichend intensiven Strahl aus Titanisotopen zu erzeugen, ist keine leichte Aufgabe. Der Prozess beginnt mit einem speziellen Stück Titan 50, einem seltenen Titanisotop, das etwa 5 % des gesamten Titans im Boden ausmacht. Dieses Metallstück wird in einen Ofen gelegt, der so groß ist wie das letzte Segment Ihres kleinen Fingers. Der Ofen erhitzt das Metall, bis es bei fast 1.500 °C zu verdampfen beginnt, ähnlich wie Gas aus Trockeneis.

All dies geschieht in einer Ionenquelle namens VENUS, einem komplexen supraleitenden Magneten, der wie eine Flasche wirkt, die ein Plasma einschließt. Die freien Elektronen kreisen spiralförmig durch das Plasma, gewinnen Energie, wenn sie von Mikrowellen beschossen werden, und schlagen 12 der 22 Elektronen des Titans aus. Sobald das Titan geladen ist, kann es durch Magnete manövriert und in das 88-Zoll-Zyklotron beschleunigt werden.

„Wir wussten, dass diese Hochstrom-Titanstrahlen schwierig sein würden, weil Titan mit vielen Gasen reagiert, was sich auf die Ionenquelle und die Stabilität des Strahls auswirkt“, sagte Damon Todd, Beschleunigerphysiker am Berkeley Lab und Mitglied des Ionenquellenteams . „Unser neuer Induktionsofen kann mehrere Tage lang eine feste Temperatur aufrechterhalten, die Titanproduktion konstant halten und sie direkt zum VENUS-Plasma leiten, um Stabilitätsprobleme zu vermeiden. Wir sind äußerst zufrieden mit unserer Kabelbaumproduktion. »

Jede Sekunde treffen etwa 6.000 Milliarden Titanionen auf das Ziel (Plutonium zur Herstellung von 116, Kalifornien zur Herstellung von 120), das dünner als ein Blatt Papier ist und sich dreht, um Wärme abzuleiten. Beschleunigerbetreiber passen den Strahl an, um die richtige Energiemenge zu erhalten. Zu wenig, und die Isotope verschmelzen nicht zu einem schweren Element. Zu viel, und das Titan wird die Kerne des Ziels explodieren lassen.

Wenn sich das seltene superschwere Element bildet, wird es im Berkeley Gas Separator (BGS) durch Magnete vom Rest der Partikeltrümmer getrennt. Das BGS überträgt es an einen empfindlichen Siliziumdetektor namens SHREC: den Super Heavy RECoil-Detektor. SHREC kann Energie, Ort und Zeit erfassen – Informationen, die es Forschern ermöglichen, das schwere Element zu identifizieren, während es in leichtere Partikel zerfällt.

„Wir sind zuversichtlich, dass wir Element 116 und seine Tochterteilchen sehen“, sagte Gates. „Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich hierbei um einen statistischen Zufall handelt, liegt bei etwa eins zu einer Billion. »

Pläne für 120

Es gibt noch viel zu tun, bevor Forscher versuchen, Element 120 herzustellen. Experten am 88-Zoll-Zyklotron arbeiten weiterhin daran, die Maschine für ein California-249-Target vorzubereiten, und Partner am National Laboratory of Oak Ridge müssen ungefähr ungefähr herstellen 45 Milligramm Kalifornien im Ziel.

„Wir haben gezeigt, dass wir über eine Anlage verfügen, die in der Lage ist, dieses Projekt durchzuführen, und dass die physischen Bedingungen dies zu ermöglichen scheinen“, sagte Kruecken. „Sobald wir unser Ziel, unsere Abschirmung und unsere technischen Kontrollen eingerichtet haben, sind wir bereit, dieses anspruchsvolle Experiment in Angriff zu nehmen. »

Der Zeitpunkt muss noch festgelegt werden, aber die Forscher könnten möglicherweise im Jahr 2025 mit dem Versuch beginnen. Wenn es einmal begonnen hat, könnte es mehrere Jahre dauern, bis man einige Atome des Elements 120 sieht, falls es jemals auftaucht.

„Wir wollen die Grenzen des Atoms und die Grenzen des Periodensystems verstehen“, sagte Gates. „Die superschweren Elemente, die wir bisher kennen, leben nicht lange genug, um für praktische Zwecke nützlich zu sein, aber wir wissen nicht, was die Zukunft bringt. Vielleicht ist es ein besseres Verständnis dafür, wie der Kernel funktioniert, oder vielleicht auch etwas mehr. »

Die Zusammenarbeit für diese Arbeit umfasst Forscher des Berkeley Lab, der Universität Lund, des Argonne National Laboratory, des Lawrence Livermore National Laboratory, der San Jose State University, der Universität Straßburg, der University of Liverpool, der Oregon State University, der Texas A&M University, der UC Berkeley, Oak Ridge National Laboratory, University of Manchester, ETH Zürich und das Paul Scherrer Institut.