Wissenschaftler entdecken vielversprechenden Weg zur Herstellung neuer superschwerer Elemente

Was ist das schwerste Element im Universum? Gibt es unendliche Elemente? Wo und wie könnten superschwere Elemente auf natürliche Weise entstehen?

Das schwerste und am häufigsten vorkommende Element ist Uran mit 92 Protonen (die Ordnungszahl „Z“). Aber Wissenschaftler haben es geschafft, superschwere Elemente bis hin zu Oganesson mit einem Z von 118 zu synthetisieren. Kurz davor gibt es Livemorium mit 116 Protonen und Tennessine mit 117.

Alle haben kurze Halbwertszeiten – die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte einer Atomanordnung des Elements zerfällt – normalerweise weniger als eine Sekunde und einige sogar nur eine Mikrosekunde. Solche Elemente herzustellen und nachzuweisen ist nicht einfach und erfordert leistungsstarke Teilchenbeschleuniger und aufwendige Messungen.

Doch die übliche Art der Herstellung von High-Z-Elementen stößt an ihre Grenzen. Als Reaktion darauf entwickelte eine Gruppe von Wissenschaftlern aus den Vereinigten Staaten und Europa eine neue Methode zur Herstellung superschwerer Elemente, die über die vorherrschende bestehende Technik hinausgeht. Ihre am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien durchgeführte Arbeit wurde in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Heute ist das Konzept einer „Insel der Stabilität“ nach wie vor ein faszinierendes Thema, und ihre genaue Position und Ausdehnung auf der Segré-Karte ist weiterhin Gegenstand aktiver Forschung in der theoretischen und experimentellen Kernphysik“, so JM Gates vom LBNL und Kollegen. » schrieben sie in ihr Tagebuch.

Die Insel der Stabilität ist eine Region, in der superschwere Elemente und ihre Isotope (Kerne mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen) viel längere Halbwertszeiten haben können als benachbarte Elemente. Dies wird für Isotope in der Nähe von Z = 112 erwartet.

Obwohl es mehrere Techniken zur Entdeckung superschwerer Elemente und zur Erzeugung ihrer Isotope gibt, war eine der erfolgreichsten die Beschießung von Zielen der Aktiniden-Elementreihe mit einem Strahl aus Kalziumatomen, insbesondere einem Kalziumisotop, 48-Kalzium (⁴⁸Ca), das 20 Protonen und 28 (48 minus 20) Neutronen hat. Actinide-Elemente haben eine Protonenzahl zwischen 89 und 103 und ⁴⁸Das Besondere daran ist, dass es über eine „magische Zahl“ an Protonen und Neutronen verfügt, was bedeutet, dass ihre Anzahl die verfügbaren Energieschichten im Kern vollständig ausfüllt.

Da Protonen- und/oder Neutronenzahlen magisch sind, bedeutet dies, dass der Kern äußerst stabil ist; Zum Beispiel, ⁴⁸Es hat eine Halbwertszeit von etwa 60 Milliarden Milliarden (6 x 10).¹⁹) Jahre, viel größer als das Alter des Universums. (Jedoch, ⁴⁹Mit nur einem zusätzlichen Neutron zerfällt es in etwa neun Minuten um die Hälfte.)

Diese Reaktionen werden „heiße Fusionsreaktionen“ genannt. Eine andere Technik bestand darin, Strahlen von Isotopen im Bereich von Titan-50 bis Zink-70 auf Blei- oder Wismut-Targets zu beschleunigen, sogenannte „kalte Fusionsreaktionen“. Bei diesen Reaktionen wurden superschwere Elemente bis zu Oganesson (Z=118) entdeckt.

Aber die Zeit, die benötigt wurde, um neue superschwere Elemente zu erzeugen, quantifiziert über den Reaktionsquerschnitt, der die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens misst, dauerte immer länger, manchmal sogar Wochen. Da die Wissenschaftler der vorhergesagten Insel der Stabilität so nahe sind, benötigen sie Techniken, um über Oganesson hinauszugehen. Einsteinium- oder Fermium-Targets, die selbst sehr schwer sind, können nicht ausreichend hergestellt werden, um ein geeignetes Target herzustellen.

„Es ist ein neuer Reaktionsansatz erforderlich“, schrieben Gates und sein Team. Und das haben sie gefunden.

Theoretische Kernmodelle haben die Produktionsraten superschwerer Elemente unter Oganesson unter Verwendung von Aktinid-Targets und Isotopenstrahlen, die schwerer als 48-Kalzium sind, erfolgreich vorhergesagt. Diese Modelle stimmen auch darin überein, dass zur Herstellung von Bauteilen mit Z=119 und Z=120 Titan-50-Träger mit den größten Querschnitten am besten geeignet wären.

Aber nicht alle notwendigen Parameter wurden von Theoretikern definiert, etwa die notwendige Strahlenergie, und einige der für die Modelle benötigten Massen wurden von Experimentatoren nicht gemessen. Die genauen Zahlen sind wichtig, da die Produktionsraten für superschwere Artikel sonst stark variieren könnten.

Es wurden bereits mehrere experimentelle Versuche unternommen, Atome mit Protonenzahlen zwischen 119 und 122 herzustellen. Nicht alle davon waren zufriedenstellend und die von ihnen festgelegten Grenzwerte für die Wirkungsquerschnitte ermöglichten es nicht, unterschiedliche theoretische Kernmodelle einzuschränken. Gates und sein Team untersuchten die Produktion von Leberisotopen (Z=116), indem sie 50-Titan auf 244-Pu-Ziele (Plutonium) sprengten.

Mit dem 88-Zoll-Zyklotronbeschleuniger des Lawrence Berkeley National Laboratory erzeugte das Team einen Strahl mit durchschnittlich 6 Billionen Titanionen pro Sekunde, der das Zyklotron verließ. Diese schlugen über einen Zeitraum von 22 Tagen auf das Plutoniumziel ein, das eine kreisförmige Oberfläche von 12,2 cm hatte. Durch eine Reihe von Messungen stellten sie fest, dass 290-Livermorium über zwei verschiedene nukleare Zerfallsketten entstanden war.

„Dies ist die erste gemeldete Produktion eines SHE [superheavy element] nahe der vorhergesagten Stabilitätsinsel mit einem anderen Strahl als 48-Kalzium“, schlussfolgerten sie. Der Reaktionsquerschnitt oder die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung nahm tatsächlich ab, wie bei Isotopen schwererer Strahlen zu erwarten war, aber „der Erfolg dieser Messung bestätigt dies.“ Die Entdeckungen des neuen SHE liegen tatsächlich in experimenteller Reichweite.

Diese Entdeckung stellt das erste Mal dar, dass eine Kollision nichtmagischer Kerne das Potenzial zur Entstehung weiterer superschwerer Atome und Isotope (beides) gezeigt hat, was hoffentlich den Weg für zukünftige Entdeckungen ebnet. Es sind etwa 110 Isotope superschwerer Elemente bekannt, aber es wird erwartet, dass etwa 50 weitere verfügbar sind und darauf warten, durch neue Techniken wie diese entdeckt zu werden.

© 2024 Science X Network