Учени от Националната лаборатория "Лорънс Бъркли" имат заслуги за откриването на 16 от 118-те известни елемента от Периодичната таблица. Сега те са направили първата важна стъпка за потенциалното създаване на още един: елемент 120.
Международен екип от изследователи, ръководен от "Групата за тежки елементи на Лабораторията Бъркли"(Berkeley Lab's Heavy Element Group), обяви вчера, че е създал известния свръхтежък елемент 116 с помощта на титаниев лъч - постижение, което е ключова стъпка към създаването на елемент 120.
Резултатът е представен на 23 юли на конференцията Nuclear Structure 2024.
Научната статия ще бъде публикувана в онлайн хранилището на препринти arXiv и е изпратена в списание Physical Review Letters.
"Тази реакция никога не е била демонстрирана преди и е от съществено значение да докажем, че е възможна, преди да предприемем опит да произведем елемент 120", заявява Джаклин Гейтс (Jacklyn Gates), ядрен физик от лабораторията в Бъркли, който ръководи проекта. "Създаването на нов елемент е изключително голямо постижение. Вълнуващо е да сме част от процеса и да имаме перспективен път напред."
Екипът е създал два атома от елемент 116 - ливърморий, за 22 дни работа на ускорителя на тежки йони в лабораторията - 88-инчов циклотрон. Създаването на атом на елемент 120 би било още по-рядко събитие, но ако се съди по скоростта, с която са произвели 116, това е реакция, която учените могат да търсят в продължение на няколко години.
По преценка на изследователите за създаването на 120 ще е нужно около 10 пъти повече време, отколкото за 116. Няма да бъде лесно, но са уверени, че е осъществимо.
Ако бъде открит, елемент 120 ще бъде най-тежкият създаден атом и ще се намира на осмия ред на периодичната таблица. Той попада на границата на "острова на стабилността" - теоретична група относително устойчиви изотопи на свръхтежки елементи.
Диаграма, съставена от Обединения институт за ядрени изследвания, показваща измерените (в рамка) и прогнозируемите периоди на полуразпад на свръхтежки нуклиди, подредени по количество на протоните и неутроните. Очакваното разположение на острова на стабилността в районе Z = 112 е обградено с кръг. Кредит: Wikimedia Commons/Zagrebaev
Докато откритите досега свръхтежки елементи се разпадат почти мигновено, правилната комбинация от протони и неутрони би могла да създаде по-стабилно ядро, което да оцелее по-дълго - което ще даде на изследователите по-добър шанс да го изучат.
Изследването на крайните елементи може да даде представа за това как се държат атомите, да тества моделите на ядрената физика и да очертае границите на атомните ядра.
Разширената периодична таблица показва къде изследователите очакват да бъдат категоризирани елементи 119 и 120, ако бъдат открити. Кредит: Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Създаване на свръхтежки елементи
Рецептата за създаване на свръхтежки елементи е проста на теория. Сблъскват се два по-леки елемента, които заедно имат желания брой протони в крайния атом. Това е елементарна математика: 1+2=3.
На практика, разбира се, това е изключително трудно. Преди два атома да се слеят успешно, може да са необходими трилиони взаимодействия, а и има ограничения за това кои елементи могат да бъдат превърнати в сноп частици или мишена.
Изследователите избират специфични изотопи, варианти на елементи, които имат един и същ брой протони, но различен брой неутрони, за своя лъч и мишена. Най-тежката практическа мишена е изотоп, наречен калифорний-249, който има 98 протона. (По-тежка мишена, например от ферий със 100 протона, би се разпаднала твърде бързо). Това означава, че за да се опитат да произведат елемент 120, изследователите не могат да използват своя лъч от калций-48 с неговите 20 протона. Вместо това те се нуждаят от лъч от атоми с 22 протона: титан - нещо, което не е било често използвано за създаване на свръхтежки елементи.
Специалистите, работещи с 88-инчовия циклотрон се заемат да проверят дали могат да създадат достатъчно интензивен лъч от изотопа титан-50 в продължение на седмици и да го използват за създаването на елемент 116 - най-тежкия елемент, създаван някога в лабораторията в Бъркли.
Досега елементи от 114 до 118 са били произвеждани само с лъч калций-48, който има специална или "вълшебна" конфигурация на неутрони и протони, която му помага да се слива с ядрата на целта, за да се получат свръхтежки елементи. В тази област оставаше открит въпросът дали изобщо би било възможно да се създадат свръхтежки елементи в близост до острова на стабилност с помощта на "невълшебен" лъч, като например титан-50.
Изследователите се опитват да направят нещо по-лесно от нов елемент, за да видят как преминаването от калциев лъч към титанов лъч променя скоростта, с която се произвеждат тези елементи.
"Когато се опитваме да произведем тези невероятно редки елементи, заставаме на самия ръб на човешкото познание и разбиране и няма гаранция, че физиката ще работи по начина, по който очакваме. Създаването на елемент 116 с помощта на титан потвърждава, че този метод на производство работи, и сега можем да планираме лова си за елемент 120", коментира Дженифър Поре (Jennifer Pore), учен от Групата за тежки елементи към лабораторията Бъркли.
Планът за създаване на свръхтежки елементи с помощта на уникалните съоръжения на лабораторията в Бъркли е включен в дългосрочния план за развитие на ядрената наука за 2023 г. на Консултативния комитет по ядрена наука.
За да създадат елемент 116, изследователите сливат изотопи на титан и плутоний. Кредит: Jenny Nuss/Berkeley Lab
Инженерни постижения
Създаването на достатъчно интензивен сноп от изотопи на титан не е лесна задача. Процесът започва със специално парче титан-50, рядък изотоп на титана, който съставлява около 5% от целия титан в земята. Това парче метал се поставя в пещ с размер на последната фаланга на малкия ви пръст. Пещта нагрява метала, докато започне да се изпарява, подобно на газа, който се отделя от сухия лед, при около 1600 градуса по Целзий.
Всичко това се случва в йонен източник, наречен VENUS - сложен свръхпроводящ магнит, който действа като бутилка, задържаща плазма. Свободните електрони се движат спираловидно през плазмата, като придобиват енергия при бомбардирането им с микровълни и отблъскват 12 от 22-те електрона на титана. Веднъж зареден, титанът може да бъде манипулиран от магнити и ускоряван в 88-инчовия циклотрон.
Ученият Джаклин Гейтс в сепаратора с газов пълнеж в Бъркли, използван за отделяне на атомите на елемент 116 - ливърморий. Кредит: Marilyn Sargent/Berkeley Lab
"Знаехме, че тези високотокови титанови лъчи ще бъдат трудни, защото титанът реагира с много газове, а това влияе на стабилността на йонния източник и лъча", разказва Деймън Тод (Damon Todd), физик-специалист по ускорители в лабораторията Бъркли и част от екипа на йонния източник. "Нашата нова индуктивна пещ може да поддържа фиксирана температура в продължение на дни, поддържайки постоянна изходната мощност на титана и насочвайки го точно към плазмата на VENUS, за да се избегнат проблеми със стабилността. Изключително сме доволни от производството на нашия лъч."
Всяка секунда около 6 трилиона титанови йони попадат в мишената (плутоний за получаване на 116, калифорний за получаване на 120), която е по-тънка от лист хартия и се върти, за да разпръсне топлината. Операторите на ускорителя настройват лъча, за да има точното количество енергия. Ако е твърде малко, изотопите няма да се слеят в тежък елемент. Твърде много и титанът ще разкъса ядрата в мишената.
Когато редкият свръхтежък елемент се образува, той се отделя от останалите частици с помощта на магнити в сепаратора на Бъркли, запълнен с газ (BGS - Berkeley Gas-filled Separator). BGS го подава към чувствителен силициев детектор, наречен SHREC (Super Heavy RECoil). SHREC може да улавя енергията, местоположението и времето - информация, която позволява на изследователите да идентифицират тежкия елемент, докато той се разпада на по-леки частици.
"Напълно сме уверени, че виждаме елемент 116 и неговите дъщерни частици", заявява Гейтс. "Има вероятност около 1 на 1 трилион, че това е статистическа случайност."
За да получат елемент 120, изследователите искат да слеят изотопи на титан и калифорний. Кредит: Jenny Nuss/Berkeley Lab
Планове за създаване на елемент 120
Все още има какво да се направи, преди изследователите да се опитат да създадат елемент 120. Специалистите, работещи с 88-инчовия циклотрон, продължават да подготвят машината за мишена, изработена от калифорний-249, а партньорите им от Националната лаборатория Оук Ридж ще трябва да изработят около 45 милиграма калифорний в мишената.
Времето все още не е определено, но изследователите потенциално биха могли да започнат опита през 2025 г. След като започне, може да отнеме няколко години, за да се видят само няколко атома от елемент 120, ако той изобщо се появи.
"Искаме да разберем границите на атома и границите на периодичната таблица", посочва Гейтс. "Свръхтежките елементи, които познаваме досега, не живеят достатъчно дълго, за да бъдат полезни за практически цели, но не знаем какво ни очаква в бъдеще. Може би това е по-добро разбиране на функционирането на ядрото, а може би е нещо повече."
Справка: Towards the Discovery of New Elements: Production of Livermorium (Z=116) with 50Ti; J. M. Gates, R. Orford, D. Rudolph, C. Appleton, B. M. Barrios, J. Y. Benitez, M. Bordeau, W. Botha, C. M. Campbell, J. Chadderton, A. T. Chemey, R. M. Clark, H. L. Crawford, J. D. Despotopulos, O. Dorvaux, N. E. Esker, P. Fallon, C. M. Folden III, B. J. P. Gall, F. H. Garcia, P. Golubev, J. A. Gooding, M. Grebo, K. E. Gregorich, M. Guerrero , et al. https://arxiv.org/abs/2407.16079
Източник: A New Way to Make Element 116 Opens the Door to Heavier Atoms, Lauren Biron, Berkeley Lab
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари