Tieteelliset ja teknologiset uutiset

Tie on avoinna uusien superraskaan elementtien synteesille ⚛️

Berkeley National Laboratoryissa (Yhdysvalloissa) IPHC:n tiimin osallistumisella toteutetussa kokeessa tiedemiehet tuottivat ensimmäistä kertaa livermorium-290:n (Z=116), erittäin raskaan atomiytimen, titaani-50:n (Z=22) säteilyä käyttäen.

Kuvituskuva Pixabay

Tämä reitti oli tiedossa erittäin lupaavana, mutta fyysikot olivat investoineet useita vuosia kehitystyöhön saadakseen tarpeeksi voimakkaita säteitä tätä tarkoitusta varten. Tämän menestyksen myötä uusi synteesireitti erittäin raskaille ytimiin on nyt noussut esiin. Tämä reitti mahdollistaa tulevaisuudessa uusien ytimen tuottamisen yli oganesson-294:n (Z=118), joka on raskain koskaan ydinfysiikan tutkijoiden tutkimista ytimestä. Seuraava askel on onnistua synnyttämään alkuaine 120.

Vaikka alkuaine 116 oli tunnettu ja synteettinen noin kaksikymmentä vuotta, livermoriumin kaksi isotooppia, jotka ilmestyivät lyhyesti Berkeley National Laboratoryn syklotronissa 27. huhtikuuta ja 16. kesäkuuta, herättivät ydinfysiikan yhteisössä suurta hämmennystä. Nämä kaksi isotooppia tästä luonnossa esiintymättömästä erittäin raskaasta alkuaineesta olivat seurausta ainutlaatuisesta yhdistelmästä: plutonium-244:n (Z=94) ja titaani-50:n.

Titani-50:n käyttö tällaisissa laboratorioreaktioissa, joita kutsutaan fuusio-evaporaatioreaktioiksi, on tuottanut fyysikoille haasteita jo monien vuosien ajan. Mutta vaivannäkö oli sen arvoista: oikeissa olosuhteissa tämän isotoopin ja sen naapurina olevan kromi-54:n (Z=24) käyttö voisi avata tien yhä protonirikkaampien ytimen etsimiseen, edistäen fuusio-evaporaatiotekniikkaa uusille alueille.

Tämä prosessi, jota käytetään ydinfysiikassa synteettisten erittäin raskaan ytimen tuottamiseen, vaikuttaa ensisilmäyksellä yhtä yksinkertaiselta kuin brutaalilta: ota raskas ydin (tässä plutonium-244) ja pommittele sitä kevyemmillä ytimillä (tässä titaani-50). Pienellä onnella jotkut näistä ammuksista ylittävät kahden ydin positiivisten varauksien välisen hylkimisen ja yhdistyvät kohteen raskaisiin ytimiin.

Fuusio-evaporaatioreaktion toteuttaminen on mahdollistanut tiedemiehille tuottaa laboratoriossa monia synteettisiä alkuaineita, jotka ylittävät uraanin, syventäen samalla ymmärrystämme ydinmekanismeista ja näistä kvanttirakenteista. Mutta ongelmana on se, että aiemmin tämän prosessin perustana olleet kalsium-48 (Z=20) säteet ovat saavuttaneet rajansa pommittamalla kaliforniumkohteita, jotka ovat raskaimpia, joita on mahdollista tuottaa.

Itse asiassa kaliforniumin fuusio, jossa on 98 protonia, ja kalsium-48 mahdollisti oganessonin tuottamisen, joka on raskain koskaan laboratoriossa tuotettu alkuaine, jossa on 118 protonia. Tämän rajan ylittämiseksi on tällä hetkellä vain yksi mahdollinen ratkaisu: käyttää uusia metallisia säteitä, jotka ovat raskaampia kuin kalsium-48, kuten titaani-50 tai kromi-54.

Kuitenkin raskaampien ytimien käyttö on haaste. Mitä enemmän protoneja on, sitä voimakkaammaksi elektrostaatinen este fuusiolle kasvaa, ja lisäksi näiden ytimien kineettinen energia on korkeampi, mikä tekee synnytetystä ytimestä jännittyneemmän ja siten epävakaamman. Näiden ytimien eloonjäämismahdollisuudet ovat siis erittäin heikot, ja on vaikeaa saada samanaikaisesti tarvittavaa energiaa ja säteen voimakkuutta. Lisäksi titaani on yksi vaikeimmista säteistä tuottaa korkealla intensiivisyydellä jatkuvasti.

Tämän ongelman kiertämiseksi ja vuoden 2024 tuloksen saavuttamiseksi IPHC:n tiimi, jota johtaa Benoît Gall, on kehittänyt ja ottanut käyttöön kaksi menetelmää, jotka ovat johtaneet todelliseen tieteelliseen seikkailuun. Ryhmä aloitti niin sanotun MIVOC-reitin (Metal Ion from Volatile Organic Compounds) seuraamisen, jossa metalliyhdisteiden isotoopit eristetään ja yhdistetään sitten haihtuviin orgaanisiin yhdisteisiin, jotta saadaan aikaan stabiili jauhe. Tämän jauheen sublimaatiosta syntyvät höyryt syöttävät sitten ionilähteen tuottaakseen säteet.

Tämän menetelmän avulla Zouhair Asfari, kemisti IPHC:ssa, onnistui tuottamaan riittävän voimakkaan titaani-50:n säteen, jotta vuonna 2011 voitiin tuottaa yli 2000 rutherfordium-256:n (Z=104) ydintä. Sama menetelmä sovellettiin useita vuosia myöhemmin kromi-54:ään, jotta voitiin tutkia alkuaineen 120 fissio Dubnassa, Venäjällä. "Näissä kokeellisissa olosuhteissa, Benoît Gall selittää, emme antaneet sille juuri lainkaan eloonjäämismahdollisuuksia. Se fissioitui lähes välittömästi, mutta käsittely mahdollisti meille oppia lisää tästä prosessista".

Korkeammalla intensiivisyydellä MIVOC-yhdisteisiin liittyvät höyryt kyllästävät lähteen. Tästä syystä IPHC:n tiimi siirtyi toiseen menetelmään, suoraan metallien höyrystämiseen induktiouunien avulla. Tämä tekniikka tarjoaa edun puhtaiden metallihöyryjen tuottamisessa, mikä lisää lähteiden tuottamaa intensiivisyyttä ja siten fuusioreaktioiden määrää kohteessa. Mutta vaikka 400 °C riittää kalsiumin höyrystämiseen, titaanisäteen tuottamiseksi tällä menetelmällä on noustava 1660 °C:seen, mikä vaatii soveltuvien ja tehokkaampien uunien kehittämistä.


Strasbourgin tiedemiehet ovat siten osallistuneet induktiouunin mikroprojektin kehittämiseen erittäin raskaan ytimen tutkimiseksi S3-spektrometrillä GANIL:ssa sekä erittäin raskaan alkuaineen synteesiohjelmassaan. He pystyivät osoittamaan uuninsa kyvyn höyrystää kromia ja titaania vuonna 2019 Dubnassa, projekti, joka on sen jälkeen kärsinyt kansainvälisen kontekstin seurauksista.

Vuonna 2020 ryhmä yhdisti voimansa Berkeley-kollegoidensa kanssa, jotka kehittävät myös induktiouunia, ja he toivat asiantuntemustaan. Juuri tämän hedelmällisen yhteistyön puitteissa livermoriumin synteesi Berkeley-syklotronissa palkitsi tiimin pitkäaikaiset ponnistelut.

"Tämä kokeilu on tärkeä askel uusien alkuaineiden synteesiin, koska se ei ainoastaan todista alkuaineen 120 synteesin mahdollisuutta titaani-50:n säteellä, vaan myös arvioi, kuinka kauan sen tuottamiseen tarvitaan!", Benoît Gall iloitsee. Kokeilu voidaan aloittaa heti, kun Berkeleyssä oleva kokeellinen laitos on valmisteltu vastaanottamaan kaliforniumkohde, joka on paljon radioaktiivisempi kuin plutonium-244.

Raskaiden metallisäteiden ansiosta seuraavan erittäin raskaan alkuaineen löytäminen olisi mahdollista vuoteen 2026 mennessä. Tämä on ilahduttava näkymä sekä kokeilijoille että teoreetikolle: uusien alkuaineiden synteesi ja tutkiminen nykyisten rajojen yli valaisee fyysikoita ytimen rakenteesta - alkuaine 120 voisi esimerkiksi paljastaa hypoteettisen vakauden saaren, jossa ytimen elinikä olisi paljon pidempi kuin aiemmin tuotettujen erittäin raskaan ytimen.