Een team van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft een nieuwe vorm van het door mensen gemaakte element mendelevium ontdekt. De nieuw gecreëerde isotoop, mendelevium-244, is de 17e en lichtste vorm van mendelevium, dat is element 101 op het periodiek systeem.

Mendelevium werd voor het eerst gemaakt door Berkeley Lab-wetenschappers in 1955 (zie een gerelateerde video), en behoort tot een lijst van 16 andere elementen die wetenschappers van Berkeley Lab ontdekten of hielpen ontdekken. Een isotoop is een vorm van een element met meer of minder neutronen (ongeladen deeltjes) in de atoomkern dan andere vormen van een element.

Bij de laatste ontdekking het team gebruikte Berkeley Lab's 88-inch Cyclotron, die krachtige bundels geladen deeltjes op doelen versnelt om atomen van zwaardere elementen te creëren, om mendelevium-244 te maken. Een cyclotron is een soort deeltjesversneller die is uitgevonden door de naamgenoot van het Lab, Ernest O. Lawrence, in 1930.

Door Berkeley Lab geleide teams hebben nu 12 van de 17 mendelevium-isotopen ontdekt, en hebben in totaal 640 isotopen ontdekt - ongeveer een vijfde van alle bekende isotopen en verreweg het hoogste aantal voor een enkele instelling. Eind 2019 waren er 3, 308 bekende isotopen. De nieuwe isotopenvondst is de eerste door een door Berkeley Lab geleid team sinds 2010.

"Het was een uitdaging om deze nieuwe isotoop van mendelevium te ontdekken, omdat alle naburige mendelevium-isotopen zeer vergelijkbare vervaleigenschappen hebben, " zei Jennifer Pore, een Berkeley Lab-projectwetenschapper die de studie leidde waarin de ontdekking van de isotoop werd beschreven. Alfaverval beschrijft het proces waarbij een radioactief element zoals mendelevium in de loop van de tijd uiteenvalt in lichtere elementen.

In totaal, het team mat de eigenschappen van 10 atomen van mendelevium-244 voor de studie, die vandaag in het tijdschrift verscheen Fysieke beoordelingsbrieven .

"Elke isotoop vertegenwoordigt een unieke combinatie van protonen en neutronen, "Zei Pore. "Als een nieuwe isotoop wordt ontdekt, die specifieke combinatie van protonen (positief geladen deeltjes) en neutronen is nooit waargenomen. Studies van deze extreme combinaties zijn van cruciaal belang voor ons begrip van alle nucleaire materie."

Naast het ontdekken van de nieuwe isotoop, het werk van het onderzoeksteam leverde ook het eerste directe bewijs voor een vervalproces met een isotoop van het element berkelium. Het team bestond uit wetenschappers van UC Berkeley, Lawrence Livermore Nationaal Laboratorium, Staatsuniversiteit van San José, en de Zweedse Universiteit van Lund.

Onderzoekers hebben bewijs gevonden dat mendelevium-244 twee afzonderlijke ketens van verval heeft, elk leidt tot een andere halfwaardetijd:0,4 seconde en 6 seconden, gebaseerd op verschillende energieconfiguraties van deeltjes in de kern. Een halfwaardetijd is de tijd die nodig is om het aantal atomen van een radioactief element te halveren als hun kernen vervallen in andere, lichtere kernen.

In een afzonderlijke meting die voortkomt uit hetzelfde onderzoek, vonden de onderzoekers het eerste bewijs voor het alfa-vervalproces van berkelium-236, een isotoop van het element berkelium, als het verandert in americium-232, een iets lichtere isotoop. Berkelium werd in 1949 ontdekt door een door Berkeley Lab geleid team.

Centraal in de ontdekking van de isotoop stond een instrument op de 88-inch Cyclotron genaamd FIONA, of voor de identificatie van nuclide A. De "A" in FIONA staat voor het massagetal van een element, dat is het totale aantal protonen (positief geladen deeltjes) en neutronen (ongeladen deeltjes) in de atoomkern. Het massagetal van de nieuwe isotoop is 244.

"Het belangrijkste hulpmiddel dat we bij deze ontdekking hadden, was FIONA, " zei Por, die ook deel uitmaakte van het team dat hielp bij het testen en opstarten van FIONA. FIONA heeft nauwkeurig het massagetal van de nieuwe isotoop gemeten.

Barbara Jacak, Nuclear Science Division directeur bij Berkeley Lab, zei, "We hebben FIONA gebouwd om ontdekkingen zoals deze mogelijk te maken, en het is opwindend om te zien hoe dit instrument zijn slag slaat."

Michaël Thoennessen, een University Distinguished Professor aan de Michigan State University die met verlof is om te dienen als hoofdredacteur van de American Physical Society, houdt een lijst bij van isotopenvondsten en merkt op dat de lijst met nieuwe isotopen de afgelopen jaren dunner is geweest dan gebruikelijk.

"Ontdekkingen van isotopen zijn cyclisch en zijn afhankelijk van nieuwe versnellers en grote vooruitgang in de ontwikkeling van experimentele apparatuur, " zei hij. Berkeley Lab's FIONA en de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy in ontwikkeling aan de Michigan State University, zijn unieke mogelijkheden "met groot ontdekkingspotentieel" voor verschillende soorten nieuwe isotopen in de VS, hij merkte.

Om ervoor te zorgen dat de metingen van FIONA nauwkeurig waren, het onderzoeksteam heeft eerst de vervaleigenschappen en massagetallen van bekende mendelevium-isotopen gemeten, inclusief mendelevium-247, mendelevium-246, en mendelevium-245.

"Toen we er eenmaal zeker van waren dat we goed thuis waren in de eigenschappen van deze lichte mendelevium-isotopen, we probeerden het experiment om de voorheen niet-waargenomen isotoop mendelevium-244 te ontdekken, Pore ​​zei. "Zonder de directe bevestiging dat we een isotoop met een massagetal van 244 hadden geproduceerd, het zou heel moeilijk zijn geweest om de resultaten te ontrafelen en de ontdekking te bewijzen."

Om dergelijke exotische isotopen te maken - zelfs de lichtste bekende vorm van mendelevium is nog zwaarder dan natuurlijk voorkomend uranium - produceerden wetenschappers een deeltjesbundel op de 88-inch Cyclotron die geladen deeltjes van argon-40 bevatte, een isotoop van argon, en richtte de straal op een dun foliedoel bestaande uit bismut-209, een isotoop van bismut.

Af en toe in deze experimenten, een kern in de hoogenergetische deeltjesbundel treft en versmelt direct met een kern in de doelfolie, het produceren van een enkel atoom van een zwaarder element. En voor een isotoop met een zeer korte halfwaardetijd, het is een race om metingen van een atoom uit te voeren voordat het in iets anders vervalt.

Berkeley's 88-inch Cyclotron heeft een ander gereedschap stroomopwaarts van FIONA, dat de Berkeley Gas-Filled Separator wordt genoemd. De separator helpt om de relevante atomen eruit te halen die snel en individueel in detail kunnen worden gemeten met FIONA.

Onderzoekers kunnen andere studies van mendelevium-244 voortzetten met andere instrumenten om te proberen meer te weten te komen over de structuur ervan, zei Pore.

En nu FIONA zijn waarde heeft bewezen bij het ontdekken van isotopen, Onderzoekers van Berkeley Lab richten hun blik op andere nieuwe isotopen. "We plannen al soortgelijke studies langs andere isotopenketens om nieuwe isotopen te ontdekken, ' zei Pore.