Een team onder leiding van kernfysici van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft de eerste directe metingen gerapporteerd van de massagetallen voor de kernen van twee superzware elementen:moscovium, dat is element 115, en nihonium, onderdeel 113.

Ze verkregen de resultaten met behulp van FIONA, een nieuwe tool bij Berkeley Lab die is ontworpen om de nucleaire en atomaire eigenschappen van de zwaarste elementen op te lossen. De resultaten worden gedetailleerd beschreven in de editie van 28 november van de Fysieke beoordelingsbrieven logboek.

FIONA is een acroniem dat betekent:"Voor de identificatie van nuclide A, " waarbij "A" het wetenschappelijke symbool voor het massagetal van een element vertegenwoordigt - het totale aantal protonen en neutronen in de atoomkern. Protonen zijn positief geladen en het aantal protonen is ook bekend als het atoomnummer; neutronen hebben een neutrale lading. Superzwaar elementen zijn door de mens gemaakt en hebben een hoger atoomnummer dan die in natuurlijk voorkomende elementen.

De wereldwijde stormloop op massanummers

Het verzamelen en valideren van deze eerste gegevens van FIONA was een topprioriteit voor de 88-inch Cyclotron en Nuclear Science Division van het Lab sinds de ingebruikname van FIONA begin 2018. Cyclotron-personeel werkte samen met bezoekende en interne wetenschappers om FIONA's eerste experimentele run uit te voeren, die vijf weken besloeg.

"Het is heel spannend om FIONA online te zien komen, aangezien het uiterst belangrijk is om de massa's superzware elementen vast te pinnen, zei Barbara Jacak, Directeur van de afdeling Nucleaire Wetenschappen. "Tot nu toe zijn de massale opdrachten gemaakt met indirect bewijs in plaats van door directe meting."

Jackie Gates, een stafwetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab die een leidende rol speelde bij de conceptie, bouw, en testen van FIONA, en die leiding geeft aan FIONA's inspanningen voor het bepalen van het aantal massa's, zei, "Er is veel interesse geweest in het doen van een experimentele meting van superzware massagetallen."

Gates voegde eraan toe dat deze poging om het massagetal van superzware elementen te meten van wereldwijd belang is, met teams van het Argonne National Laboratory en het Japanse nucleaire onderzoeksprogramma, onder andere die ook massametingen doen van superzware elementen met behulp van iets andere benaderingen of hulpmiddelen.

Guy Savard, een senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory, ontworpen, gebouwd, en droeg verschillende componenten bij voor FIONA. Hij hielp ook bij de ingebruikname van FIONA en bij de eerste wetenschappelijke campagne.

Roderick Clark, een senior wetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab, zei, "Iedereen komt samen in deze grote race. Dit kan een hele reeks fysica van deze zware en superzware monsters openen, " evenals nieuwe studies van de structuur en chemie van deze exotische elementen, en een dieper begrip van hoe ze zich hechten aan andere elementen.

"Als we de massa van een van deze superzware elementen kunnen meten, je kunt de hele regio vastspijkeren, ' zei Clark.

Een nieuw hoofdstuk in onderzoek naar zware elementen

Het massagetal en het atoomnummer (of "Z") - een maat voor het totale aantal protonen in de atoomkern - van superzware elementen zijn gebaseerd op de nauwkeurigheid van nucleaire massamodellen. Het is dus belangrijk om een ​​betrouwbare manier te hebben om deze getallen te meten met experimenten voor het geval er een probleem is met modellen, merkte Ken Gregorich op, een onlangs gepensioneerde senior wetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab, die nauw samenwerkte met Gates om FIONA te bouwen en in bedrijf te stellen.

Bijvoorbeeld, superzware elementen kunnen mogelijk onverwachte nucleaire vormen of dichtheden van protonen en neutronen vertonen die niet in de modellen zijn opgenomen, hij zei.

Berkeley Lab heeft een enorme bijdrage geleverd op het gebied van onderzoek naar zware elementen:Labwetenschappers hebben een rol gespeeld bij de ontdekking van 16 elementen op het periodiek systeem, daterend uit de synthese van neptunium in 1940, en hebben ook honderden isotopenidentificaties geleverd. Isotopen zijn verschillende vormen van elementen die hetzelfde aantal protonen delen, maar een verschillend aantal neutronen in hun kernen hebben.

FIONA (zie gerelateerd artikel) is een aanvulling op de Berkeley Gas-filled Separator (BGS). Al decenia, de BGS heeft zware elementen gescheiden van andere soorten geladen deeltjes die in experimenten als ongewenste "ruis" kunnen fungeren. FIONA is ontworpen om individuele atomen te vangen en af ​​te koelen, scheid ze op basis van hun massa- en ladingseigenschappen, en afleveren bij een geluidsarm detectiestation op een tijdschaal van 20 milliseconden, of 20 duizendsten van een seconde.

'Eén atoom per dag'

"We kunnen één atoom per dag maken, Ongeveer, " van een gewenst superzwaar element, merkte Gregorich op. In zijn vroege werking, FIONA was specifiek belast met het vangen van individuele moscovium-atomen. "We hebben ongeveer 14 procent kans om elk atoom te vangen, " voegde hij eraan toe. Dus onderzoekers hadden gehoopt om één enkele meting van het massagetal van moscovium per week vast te leggen.

Moscovium werd in 2015 in Rusland ontdekt door een gezamenlijk Amerikaans-Russisch team dat bestond uit wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory, en de ontdekking van nihonium wordt in 2004 toegeschreven aan een team in Japan. De namen van de elementen werden formeel goedgekeurd in 2016.

Om moscovium te produceren, wetenschappers van de 88-inch Cyclotron bombardeerden een doelwit bestaande uit americium, een isotoop van een element ontdekt door Glenn T. Seaborg en anderen van Berkeley Lab in 1944, met een deeltjesbundel geproduceerd uit de zeldzame isotoop calcium-48. De benodigde halve gram calcium-48 werd geleverd door het DOE Isotope Program.

Er is een duidelijke looping-signatuur voor elk atoom dat wordt gevangen en gemeten door FIONA - een beetje alsof je naar een vast punt op een fietsband kijkt terwijl de fiets vooruit rolt. Het traject van dit lusgedrag is gerelateerd aan de atomaire "massa-tot-ladingverhouding - de timing en positie van het energiesignaal gemeten in de detector vertelt wetenschappers het massagetal.

Ideaal, de meting omvat verschillende stappen in de vervalketen van het deeltje:Moscovium heeft een halfwaardetijd van ongeveer 160 milliseconden, wat betekent dat een atoom elke 160 milliseconden een kans van 50 procent heeft om te vervallen tot een ander element dat bekend staat als een "dochter" -element in de vervalketen. Het vastleggen van zijn energiesignatuur in verschillende stappen in deze vervalketen kan bevestigen welk ouderatoom deze cascade begon.

"We proberen hier al vele jaren het massagetal en het protongetal vast te stellen, " zei Paul Fallon, een senior wetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab die het energiebesparende programma van de divisie leidt. De gevoeligheid van de detector is gestaag verbeterd, evenals het vermogen om individuele atomen te isoleren van andere ruis, hij merkte. "Nutsvoorzieningen, we hebben onze eerste definitieve metingen."

Bevestiging van de massagetallen van element 113 en element 115

In FIONA's eerste wetenschappelijke run, onderzoekers identificeerden één moscovium-atoom en zijn verwante vervaldochters, en één nihoniumatoom en zijn vervaldochters. De metingen van de atomen en de vervalketens bevestigen de voorspelde massagetallen voor beide elementen.

Terwijl onderzoekers alleen probeerden de eigenschappen van een moscoviumatoom te creëren en te meten, ze waren ook in staat om een ​​meting voor nihonium te bevestigen nadat een moscovium-atoom in nihonium was vervallen voordat het FIONA bereikte.

"Het succes van deze eerste meting is ongelooflijk spannend, " zei Jennifer Pore, een postdoctoraal onderzoeker die betrokken was bij FIONA's inbedrijfstellingsexperimenten. "De unieke mogelijkheden van FIONA hebben geleid tot een nieuwe renaissance van onderzoek naar superzware elementen in de 88-inch Cyclotron."

Gregorich prees de inspanningen van het personeel van de 88-inch Cyclotron - inclusief mechanische, elektrisch, activiteiten, en experts op het gebied van controlesystemen - voor het maximaliseren van de experimentele tijd van FIONA tijdens de eerste wetenschappelijke run van vijf weken.

Hij merkte bijzondere bijdragen op van andere BGS- en FIONA-groepsleden, waaronder Greg Pang, een voormalig projectwetenschapper die betrokken was bij de constructie en het testen van FIONA; Jeff Kwasick, een afgestudeerde student wiens Ph.D. scriptie is gericht op FIONA resultaten; en Nick Esker, een voormalig afgestudeerde student wiens Ph.D. het werk concentreerde zich op de massascheidertechniek die door FIONA is ingebouwd.

Plannen voor nieuwe metingen en toevoeging 'SHEDevil'

Fallon zei dat er binnen de komende zes maanden nog een wetenschappelijke run is gepland voor FIONA, tijdens welke kernfysische onderzoekers een nieuwe ronde van metingen kunnen uitvoeren voor moscovium en nihonium, of voor andere superzware elementen.

Er zijn ook plannen om een ​​nieuwe tool te installeren en te testen, genaamd "SHEDevil" (voor Super Heavy Element Detector voor Extreme Ventures In Low Statistics) die wetenschappers zal helpen de vorm van de kernen van superzware atomen te leren door gammastralen te detecteren die tijdens hun verval worden geproduceerd. Deze gammastralen zullen aanwijzingen geven over de rangschikking van neutronen en protonen in de kernen.