Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums sind verantwortlich für die Entdeckung von 16 der 118 bekannten Elemente. Nun haben sie den entscheidenden ersten Schritt zur möglichen Schaffung eines weiteren Elements abgeschlossen: Element 120.
Heute gab ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Heavy Element Group des Berkeley Lab bekannt, dass es mithilfe eines Titanträgers das superschwere Element 116 hergestellt hat. Dies ist ein Durchbruch, der einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Herstellung des Elements 120 darstellt. Das Ergebnis wurde heute auf der Nukleare Struktur 2024 Konferenz; der wissenschaftliche Beitrag wird im Online-Repository veröffentlicht arXiv und wurde der Zeitschrift vorgelegt Briefe zur körperlichen Überprüfung.
„Diese Reaktion wurde noch nie zuvor demonstriert, und es war entscheidend, ihre Möglichkeit zu beweisen, bevor wir unseren Versuch starteten, 120 herzustellen“, sagte Jacklyn Gates, eine Nuklearwissenschaftlerin am Berkeley Lab, die das Projekt leitet. „Die Schaffung eines neuen Elements ist eine äußerst seltene Leistung. Es ist aufregend, Teil des Prozesses zu sein und einen vielversprechenden Weg nach vorne zu haben.“
Das Team erzeugte während 22 Betriebstagen am Schwerionenbeschleuniger des Labors, dem 88-Zoll-Zyklotron, zwei Atome des Elements 116, Livermorium. Die Erzeugung eines Atoms des Elements 120 wäre sogar noch seltener, aber wenn man die Geschwindigkeit betrachtet, mit der sie 116 erzeugten, ist dies eine Reaktion, nach der Wissenschaftler vernünftigerweise über mehrere Jahre hinweg suchen können.
„Wir brauchten die Natur, die gnädig ist, und die Natur war gnädig“, sagte Reiner Kruecken, Direktor der Abteilung für Nuklearwissenschaften am Berkeley Lab. „Wir glauben, dass es etwa zehnmal länger dauern wird, 120 herzustellen als 116. Es ist nicht einfach, aber es scheint jetzt machbar.“
Wenn Element 120 entdeckt würde, wäre es das schwerste Atom, das jemals geschaffen wurde, und stünde in der achten Reihe des Periodensystems. Es liegt an der Küste der „Insel der Stabilität“, einer theoretischen Gruppe superschwerer Elemente mit einzigartigen Eigenschaften.
Während die bisher entdeckten superschweren Elemente fast augenblicklich auseinanderbrechen, könnte die richtige Kombination von Protonen und Neutronen einen stabileren Kern erzeugen, der länger überdauert – und Forschern so eine bessere Möglichkeit bietet, ihn zu untersuchen. Die Erforschung extremer Elemente kann Einblicke in das Verhalten von Atomen liefern, Modelle der Kernphysik testen und die Grenzen von Atomkernen aufzeigen.
Herstellung superschwerer Elemente
Das Rezept zur Herstellung superschwerer Elemente ist in der Theorie einfach. Man bringt zwei leichtere Elemente zusammen, die zusammen die gewünschte Anzahl an Protonen in einem Atom haben. Es ist einfache Mathematik: 1+2=3.
In der Praxis ist das natürlich unglaublich schwierig. Es können Billionen von Interaktionen nötig sein, bevor zwei Atome erfolgreich verschmelzen, und es gibt Einschränkungen, welche Elemente sinnvollerweise in einen Teilchenstrahl oder ein Teilchenziel umgewandelt werden können.
Für ihren Strahl und ihr Ziel wählen die Forscher bestimmte Isotope aus, also Varianten von Elementen, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben. Das schwerste praktische Ziel ist ein Isotop namens Californium-249 mit 98 Protonen. (Ein schwereres Ziel, etwa eines aus Fermium mit 100 Protonen, würde zu schnell zerfallen.) Das bedeutet, dass die Forscher bei dem Versuch, Element 120 herzustellen, nicht ihren üblichen Strahl aus Calcium-48 mit seinen 20 Protonen verwenden können. Stattdessen benötigen sie einen Strahl aus Atomen mit 22 Protonen: Titan, das bei der Herstellung superschwerer Elemente bisher nicht häufig verwendet wurde.
Die Experten am 88-Zoll-Zyklotron wollten nachweisen, dass sie über einen Zeitraum von mehreren Wochen einen ausreichend intensiven Strahl des Isotopes Titan-50 erzeugen könnten, um damit das Element 116 herzustellen, das schwerste Element, das jemals im Berkeley Lab hergestellt wurde.
Bisher wurden die Elemente 114 bis 118 nur mit einem Kalzium-48-Strahl erzeugt, der eine spezielle oder „magische“ Konfiguration von Neutronen und Protonen aufweist, die ihm hilft, mit den Zielkernen zu verschmelzen und superschwere Elemente zu erzeugen. Es war in diesem Bereich eine offene Frage, ob es überhaupt möglich wäre, superschwere Elemente in der Nähe der Stabilitätsinsel mit einem „nicht-magischen“ Strahl wie Titan-50 zu erzeugen.
„Es war ein wichtiger erster Schritt, zu versuchen, etwas einfacheres als ein neues Element herzustellen, um zu sehen, wie der Übergang von einem Kalziumstrahl zu einem Titanstrahl die Rate verändert, mit der wir diese Elemente produzieren“, sagte Jennifer Pore, eine Wissenschaftlerin in der Heavy Element Group des Berkeley Lab.
„Wenn wir versuchen, diese unglaublich seltenen Elemente herzustellen, stehen wir an der absoluten Grenze des menschlichen Wissens und Verstehens, und es gibt keine Garantie, dass die Physik so funktioniert, wie wir es erwarten. Die Herstellung von Element 116 mit Titan bestätigt, dass diese Produktionsmethode funktioniert, und wir können nun unsere Jagd nach Element 120 planen.“
Der Plan, superschwere Elemente mithilfe der einzigartigen Einrichtungen des Berkeley Lab herzustellen, ist Bestandteil des Nuclear Science Advisory Committees. Langfristiger Plan für die Nuklearwissenschaft 2023.
Meisterleistungen der Ingenieurskunst
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 Stück Metall kommt in einen Ofen, der etwa so groß ist wie das letzte Segment Ihres kleinen Fingers. Der Ofen erhitzt das Metall, bis es bei fast 3000 Grad Fahrenheit zu verdampfen beginnt, wie das Gas, das aus Trockeneis entsteht.
All dies geschieht in einer Ionenquelle namens VENUS, einem komplexen supraleitenden Magneten, der wie eine Flasche wirkt, die ein Plasma einschließt. Freie Elektronen wirbeln durch das Plasma und gewinnen Energie, da sie von Mikrowellen bombardiert werden und 12 der 22 Elektronen des Titans abschlagen. Nach der Aufladung kann das Titan durch Magnete manövriert und im 88-Zoll-Zyklotron beschleunigt werden.
„Wir wussten, dass diese Hochstrom-Titanstrahlen schwierig sein würden, da Titan mit vielen Gasen reagiert und dies die Stabilität von Ionenquelle und Strahl beeinträchtigt“, sagte Damon Todd, ein Beschleunigerphysiker am Berkeley Lab und Teil des Ionenquellenteams. „Unser neuer Induktionsofen kann eine feste Temperatur tagelang halten, die Titanleistung konstant halten und sie direkt auf das Plasma von VENUS richten, um Stabilitätsprobleme zu vermeiden. Wir sind mit unserer Strahlproduktion äußerst zufrieden.“
Pro Sekunde treffen etwa 6 Billionen Titanionen auf das Target (Plutonium ergibt 116, Californium ergibt 120), das dünner als ein Blatt Papier ist und rotiert, um die Hitze zu verteilen. Die Beschleunigerbediener stimmen den Strahl so ab, dass er genau die richtige Energiemenge hat. Ist er zu niedrig, verschmelzen die Isotope nicht zu einem schweren Element. Ist er zu hoch, sprengt das Titan die Atomkerne im Target auseinander.
Wenn sich das seltene superschwere Element bildet, wird es durch Magnete im Berkeley Gas-filled Separator (BGS) vom Rest der Partikeltrümmer getrennt. Der BGS leitet es an einen empfindlichen Siliziumdetektor weiter, der als SHREC bekannt ist: den Super Heavy RECoil-Detektor. SHREC kann Energie, Ort und Zeit erfassen – Informationen, die es Forschern ermöglichen, das schwere Element zu identifizieren, wenn es in leichtere Partikel zerfällt.
„Wir sind sehr sicher, dass wir Element 116 und seine Tochterteilchen sehen“, sagte Gates. „Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um einen statistischen Zufall handelt, liegt bei etwa 1 zu 1 Billion.“
Pläne für 120
Bevor Forscher versuchen können, Element 120 herzustellen, ist noch einiges zu tun. Experten am 88-Zoll-Zyklotron arbeiten weiter daran, die Maschine auf ein Target aus Californium-249 vorzubereiten, und Partner am Oak Ridge National Laboratory müssen etwa 45 Milligramm Californium in das Target einarbeiten.
„Wir haben gezeigt, dass wir über eine Anlage verfügen, die dieses Projekt durchführen kann, und dass die Physik es machbar zu machen scheint“, sagte Kruecken. „Sobald wir unser Ziel, die Abschirmung und die technischen Kontrollen eingerichtet haben, sind wir bereit, dieses anspruchsvolle Experiment in Angriff zu nehmen.“
Der Zeitpunkt steht noch nicht fest, aber die Forscher könnten ihren Versuch möglicherweise im Jahr 2025 starten. Nach dem Start könnte es mehrere Jahre dauern, bis nur wenige Atome des Elements 120 sichtbar werden, falls es überhaupt erscheint.
„Wir wollen die Grenzen des Atoms und die Grenzen des Periodensystems herausfinden“, 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 davon, wie der Atomkern funktioniert, oder vielleicht ist es mehr.“
An der Zusammenarbeit für diese Arbeit sind Forscher vom Berkeley Lab, der Universität Lund, dem Argonne National Laboratory, dem Lawrence Livermore National Laboratory, der San José State University, der Universität Straßburg, der Universität Liverpool, der Oregon State University, der Texas A&M University, der UC Berkeley, dem Oak Ridge National Laboratory, der Universität Manchester, der ETH Zürich und dem Paul Scherrer Institut beteiligt.