Wissenschaftler entdecken einen vielversprechenden Weg zur Herstellung neuer superschwerer Elemente

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

Das schwerste bekannte Element ist Uran mit 92 Protonen (die Ordnungszahl „Z“). Wissenschaftlern ist es jedoch gelungen, superschwere Elemente bis hin zu Oganesson mit einem Z von 118 zu synthetisieren. Unmittelbar davor liegen Livermorium mit 116 Protonen und Tennessin mit 117.

Alle haben kurze Halbwertszeiten – die Zeitspanne, in der die Hälfte einer Ansammlung von Atomen 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 typische Art der Herstellung von High-Z-Elementen stößt an ihre Grenzen. Als Reaktion darauf hat eine Gruppe von Wissenschaftlern aus den Vereinigten Staaten und Europa eine neue Methode zur Herstellung superschwerer Elemente entwickelt, die über die vorherrschende bestehende Technik hinausgeht. Ihre Arbeit wurde am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien durchgeführt veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Das Konzept einer ‚Insel der Stabilität‘ bleibt auch heute noch ein faszinierendes Thema, mit seiner genauen Position und Ausdehnung auf dem Segré-Diagramm weiterhin ein Thema aktiver Forschung sowohl in der theoretischen als auch experimentellen Kernphysik“, schrieben JM Gates vom LBNL und Kollegen in ihrer Arbeit.

Die Insel der Stabilität ist eine Region, in der superschwere Elemente und ihre Isotope – Kerne mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen – möglicherweise viel längere Halbwertszeiten haben als die Elemente in ihrer Nähe. Es wurde erwartet, dass es für Isotope in der Nähe von Z=112 auftritt.

Während es mehrere Techniken gab, um superschwere Elemente zu entdecken und ihre Isotope zu erzeugen, bestand eine der fruchtbarsten darin, Ziele aus der Reihe der Aktinidenelemente mit einem Strahl von Kalziumatomen, insbesondere einem, zu bombardieren Isotop von Kalzium48-Kalzium (48Ca), das 20 Protonen und 28 (48 minus 20) Neutronen hat. Die Actinidenelemente haben Protonenzahlen von 89 bis 103, und 48Ca ist etwas Besonderes, weil es eine „magische Zahl“ sowohl von Protonen als auch von Neutronen hat, was bedeutet, dass ihre Anzahl die verfügbaren Energiehüllen im Kern vollständig ausfüllt.

Da die Zahl der Protonen und/oder Neutronen magisch ist, ist der Kern äußerst stabil. Beispielsweise hat 48Ca eine Halbwertszeit von etwa 60 Milliarden Milliarden (6 x 1019) Jahren, was weit über dem Alter des Universums liegt. (Im Gegensatz dazu zerfällt 49Ca mit nur einem weiteren Neutron in etwa neun Minuten um die Hälfte.)

Diese Reaktionen werden „Hot-Fusion“-Reaktionen genannt. Bei einer anderen Technik wurden Isotopenstrahlen von 50-Titan bis 70-Zink auf Ziele aus Blei oder Wismut beschleunigt, sogenannte „Kaltfusionsreaktionen“. Bei diesen Reaktionen wurden superschwere Elemente bis zu Oganesson (Z=118) entdeckt.

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

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

Theoretische Modelle des Kerns haben die Produktionsraten superschwerer Elemente unterhalb von Oganesson mithilfe von Aktinid-Targets und Strahlen von Isotopen, die schwerer als 48-Kalzium sind, erfolgreich vorhergesagt. Diese Modelle stimmen auch darin überein, dass zur Herstellung von Elementen mit Z=119 und Z=120 Balken aus 50-Titan mit den größten Querschnitten am besten funktionieren würden.

Aber nicht alle notwendigen Parameter wurden von Theoretikern festgelegt, etwa die notwendige Energie der Strahlen, und einige der für die Modelle benötigten Massen wurden von Experimentatoren nicht gemessen. Die genauen Zahlen sind wichtig, da die Produktionsraten der superschweren Elemente sonst enorm schwanken könnten.

Es wurden bereits mehrere experimentelle Versuche unternommen, Atome mit Protonenzahlen von 119 bis 122 herzustellen. Alle waren unbefriedigend, und die von ihnen festgelegten Grenzwerte für die Wirkungsquerschnitte erlaubten es nicht, unterschiedliche theoretische Kernmodelle einzuschränken. Gates und sein Team untersuchten die Produktion von Livermorium-Isotopen (Z=116), indem sie 50-Titan auf Ziele aus 244-Pu (Plutonium) strahlten.

Mit dem 88-Zoll-Zyklotron-Beschleuniger am Lawrence Berkeley National Laboratory erzeugte das Team einen Strahl mit durchschnittlich 6 Billionen Titanionen pro Sekunde, der das Zyklotron verließ. Diese wirkten sich über einen Zeitraum von 22 Tagen auf das Plutoniumziel aus, das eine kreisförmige Fläche von 12,2 cm hatte. Durch eine Reihe von Messungen stellten sie fest, dass 290-Livermorium über zwei verschiedene nukleare Zerfallsketten produziert wurde.

„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 zwar ab, wie bei schwereren Strahlisotopen zu erwarten war, aber „der Erfolg dieser Messung bestätigt die Entdeckungen von.“ neue SHE sind tatsächlich in experimenteller Reichweite.

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

© 2024 Science X Network