Wyjątkowa reakcja w Berkeley Lab. To ważny krok w kierunku odkrycia nowego pierwiastka

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) odkryli dotychczas 16 ze 118 znanych pierwiastków. Teraz są na najlepszej drodze do stworzenia kolejnego pierwiastka, oznaczonego numerem atomowym 120. Podczas konferencji Nuclear Structure 2024 poinformowali u udanym wytworzeniu superciężkiego liwermoru o liczbie atomowej 116 za pomocą wiązki tytanu-50.

Nowa metoda uzyskiwania liwermoru, którą wdrożono w 88-Inch Cyclotron na LBNL, to kamień milowy na drodze do uzyskania pierwiastka 120. Nigdy wcześniej nie przeprowadzono takiej reakcji. Jej przeprowadzenie to kluczowy element przed próbą uzyskania pierwiastka 120, mówi kierująca pracami Jacklyn Gates. W ciągu 22 dni pracy akceleratora 88-Inch Cyclotron udało się uzyskać 2 atomy liwermoru. Z obliczeń wynika, że pierwiastek 120 będzie pojawiał się znacznie rzadziej niż liwermor, ale obecny eksperyment pokazuje, że jego odkrycie jest możliwe w rozsądnym czasie. Sądzimy, że uzyskanie 120 będzie trwało około 10-krotnie dłużej niż 116. To niełatwe, ale osiągalne, mówi Reinter Kruecker, dyrektor Nuclear Science Division w Berkeley Lab. Prace uczonych dają nadzieję, że w ciągu kilku lat dojdzie do odkrycia.

Jeśli 120. zostanie odkryty, będzie najbardziej masywnym z atomów. Trafi do ósmego rzędu tablicy okresowej. Co jednak najważniejsze, powinien znajdować się bardzo blisko „wyspy stabilności”, gdzie odpowiednia kombinacja protonów i neutronów w jądrze atomu powoduje, że pierwiastek istnieje dłużej, co pozwala na jego zbadanie. Dotychczas odkryte superciężkie pierwiastki rozpadają się niemal natychmiast, przez co bardzo trudno je badać.

Teoretycznie rzecz biorąc, uzyskanie superciężkich pierwiastków jest łatwe. „Wystarczy” zderzyć ze sobą dwa lżejsze pierwiastki, których suma liczb protonów jest taka, jak liczba protonów w nowym atomie. Jednak w praktyce to niezwykle trudne zadanie. Nowy pierwiastek może pojawić się raz na biliardy interakcji między atomami wyjściowymi. Ponadto nie ze wszystkich pierwiastków można uzyskać odpowiedni strumień w akceleratorze i nie wszystkie mogą być celem zderzeń dla takiego strumienia.

Najcięższym celem, jaki można w praktyce wykorzystać, jest kaliforn-249, który ma 98 protonów. Bardziej masywny od niego ferm o 100 protonach rozpada się zbyt szybko, by można było go wykorzystać w akceleratorze.

To zaś oznacza, że aby uzyskać pierwiastek 120 naukowcy z LBNL nie mogą wykorzystać standardowo używanej wiązki wapnia-48 o 20 protonach. Potrzebują pierwiastka z 22 protonami, czyli tytanu. Nie jest to standardowy pierwiastek używany do wytwarzania cięższych atomów.

Najpierw więc uczeni z 88-Inch Cyclotron musieli upewnić się, że są w stanie uzyskać odpowiednio intensywną wiązkę tytanu-50, utrzymać ją przez kilka tygodni i wytworzyć liwermor. Nie było oczywiste, że się uda.

Dotychczas pierwiastki o liczbach atomowych od 114 do 118 uzyskiwano wyłącznie za pomocą wiązki wapnia-48. To pierwiastek podwójnie magiczny. Określenia takie wynika z modelu powłokowego. Możemy bowiem z niego wywnioskować, że te jądra, których powłoki są wypełnione, mają większą energię wiązania, są zatem stabilniejsze niż inne jądra. Liczby protonów i neutronów, dla których powłoki są wypełnione, nazywane są liczbami magicznymi. Obecnie uznane liczby magiczne zarówno dla protonów jak i neutronów to 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126. Jeśli mamy do czynienia z jądrem, dla którego i protony i neutrony występują w liczbie magicznej, mówimy o jądrze podwójnie magicznym. Wapń-48 ma zaś 20 protonów i 28 neutronów. Ta magiczna konfiguracja protonów i neutronów pomaga w łączeniu się z celem, w który uderza wiązka, i uzyskiwanie cięższych pierwiastków. Jednak – jak wspomnieliśmy – wapnia-48 nie można użyć do uzyskania pierwiastka 120. Powstało pytanie, czy jest w ogóle możliwe uzyskanie superciężkich pierwiastków z okolic „wyspy stabilności” za pomocą wiązki składającej się z niemagicznych pierwiastków, takich jak tytan-50.

Wytworzenie odpowiednio intensywnej wiązki tytanu nie jest łatwe. Naukowcy rozpoczęli od rozgrzania malutkiego kawałka tytanu-50 do temperatury bliskiej 1650 stopni Celsjusza. Tytan zaczął parować i został poddany działaniu mikrofal, które wybiły z powłok 12 z 22 elektronów w atomie. Tak przygotowany tytan wprowadzono do akceleratora. Wiedzieliśmy, że utrzymanie odpowiednich wiązek tytanu będzie trudne, bo tytan reaguje z wieloma gazami, a to wpływa zarówno na jego źródło, jak i na stabilność wiązki. Jednak nasz nowy piec indukcyjny może utrzymywać stałą temperaturę przez wiele dni, dzięki czemu mieliśmy stabilne źródło tytanu, co pozwalało na stabilizowanie wiązki, cieszy się Damon Todd.

W każdej sekundzie w cel trafiało 6 bilionów jonu tytanu. Cel, zbudowany z plutonu (podczas prób wytworzenia pierwiastka 120 będzie nim kaliforn), był cieńszy niż kartka papieru i bez przerwy się obracał, by rozproszyć ciepło. Operatory akceleratora musieli dobrać odpowiednią moc wiązki. Jeśli byłaby zbyt mała, nie doszłoby do fuzji, zbyt duża energia zniszczyłaby cel.

Gdy poszukiwane superciężkie jądro powstaje, jest oddzielane od pozostałych pierwiastków przez magnesy w Berkeley Gas-filled Separator (BGS), a następnie przekazywane do krzemowego wykrywacza SHREC (Super Heavy RECoil). Tam badana jest energia, lokalizacja i czas rozpadu.

Zanim naukowcy z Berkeley Lab przystąpią do poszukiwania pierwiastka 120, muszą przygotować swój akcelerator i – we współpracy z Oak Ridge National Laboratory – uzyskać około 45 miligramów kalifornu. Niezwykle drogiego pierwiastka, którego miligram kosztuje ponad 20 000 dolarów. Wszystko powinno być gotowe w przyszłym roku, więc poszukiwanie 120. być może rozpocznie się w ciągu najbliższych kilkunastu miesięcy.

Może minąć kilka lat zanim zostanie zarejestrowany pierwiastek 120. O ile w ogóle zostanie znaleziony. Chcemy zbadać granice atomów i granice układu okresowego. Superciężkie pierwiastki, które dotychczas poznaliśmy, nie istnieją na tyle długo, by mogły mieć jakiekolwiek praktyczne zastosowanie. Ale nie wiemy, co przyniesie przyszłość. Może dzięki temu lepiej zrozumiemy, jak działa jądro atomowe, a może odkryjemy coś jeszcze, mówi Jacklyn Gates.

« powrót do artykułu