Naukowcy zademonstrowali nowy sposób wytwarzania superciężkich pierwiastków. Wykorzystując tę metodę udało im się wytworzyć liwermor – trzeci najcięższy pierwiastek o liczbie atomowej 116. To osiągnięcie otwiera drogę do syntezy pierwiastka o liczbie atomowej 120. Gdyby to się udało, byłby on najcięższym pierwiastkiem w układzie okresowym.
W Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) w USA udało się wytworzyć liwermor – trzeci najcięższy pierwiastek o liczbie atomowej 116 – w sposób, który może zostać wykorzystany do stworzenia pierwiastka o liczbie atomowej 120. Liwermor pierwszy raz udało się wytworzyć w 2000 roku przez uczonych ze Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej w Rosji przy współpracy z badaczami z LBNL. Trzeci najcięższy pierwiastek znany w naturze powstał poprzez rozbicie wiązki atomów wapnia-48 o tarczę wykonaną z kiuru. W nowych badaniach naukowcy z LBNL do wytworzenia liwermoru użyli wiązki atomów tytanu-50 i tarczy z plutonu.
Zespół z Berkeley przedstawił wyniki badań na konferencji Nuclear Structure 2024 w Lemont w USA. Opis oraz rezultaty prac zostały również przesłane do publikacji w „Physical Review Letters”. Obecnie można się z nimi zapoznać w bazie pre-printów arXiv (DOI: 10.48550/arXiv.2407.16079).
Superciężkie pierwiastki
W LBNL odkryto do tej pory 16 ze 118 pierwiastków i są spore szanse na odkrycie kolejnego – najcięższego ze wszystkich.
Superciężkie pierwiastki to takie, które mają dużą liczbę protonów w jądrze. Liczbę tę oznacza się literą Z i jest to tzw. liczba atomowa. Kilka lat temu uzupełniono układ okresowy o cztery nowe pierwiastki (więcej na ten temat w tekście: Cztery nowe pierwiastki otrzymały nazwy). Najcięższy z nowych pierwiastków i w ogóle najcięższy pierwiastek w układzie okresowym, nazwany oganeson, ma Z=118. Nazwano go na cześć akademika i odkrywcy Yuriego Oganessiana. Uzyskany został po raz pierwszy w 2002 roku w wyniku bombardowania kalifornu-249 atomami wapnia-48.
Superciężkie pierwiastki są bardzo ważne z naukowego punktu widzenia. Testują granice teorii jądrowej, pokazując, ile protonów i neutronów może współistnieć w jądrze atomowym, zanim się rozpadnie. A ponieważ elektrony w wewnętrznych powłokach tych atomów są tak mocno przyciągane przez obfitość protonów o przeciwnym ładunku, wirują one z prędkością bliską prędkości światła, zniekształcając kształt jądra.
Synteza superciężkich pierwiastków jest prosta, a przynajmniej na taką wygląda. Naukowcy wystrzeliwują wiązki jonów lżejszego pierwiastka w cienki cel wykonany z cięższego pierwiastka i mają nadzieję, że oba jądra połączą się. Suma protonów wiązki oraz tarczy ma być równa liczbie protonów w atomie, który chce się uzyskać. Zarówno cele, pociski jak i energie bombardowania muszą być odpowiednio dobrane. Prawdopodobieństwo zajścia oczekiwanej reakcji jądrowej uwieńczonej wytworzeniem na ułamek sekundy jądra o nowym składzie jest bardzo małe.
Pierwiastki superciężkie definiuje się jako te, które mają Z powyżej 104. Te o liczbie atomowej pomiędzy 105 a 118 zostały wytworzone eksperymentalnie, ale są niestabilne i mają bardzo krótkie okresy półtrwania, dlatego mają jedynie znaczenie akademickie i badawcze.
Poszerzenie układu okresowego
Najnowsze superciężkie pierwiastki z liczbą atomową od 114 do 118 zostały odkryte przy użyciu wiązki wapnia-48, której liczba protonów i neutronów zapewnia stabilność i większe prawdopodobieństwo połączenia się z jądrami docelowymi. Jednak to podejście zakończyło się na oganesonie, który ma liczbę atomową 118, bo najcięższe tarcze, w które trafiają wiązki jonów, można stworzyć z kalifornu-249, który ma 98 protonów. Masywny od niego ferm o 100 protonach zbyt szybko się rozpada, by można go było wykorzystać. Dlatego fizycy zaczęli wykorzystywać cięższe, ale mniej stabilne pierwiastki. Wychodzi na to, że do wytworzenia pierwiastka o liczbie atomowej 120 potrzeba wiązki z 22 protonami, czyli nie wapnia-48, który ma 20 protonów, a tytanu-50.
Niemieckie Helmholtz Centre for Heavy Ion Research (GSI) jako pierwsze rozpoczęło poszukiwania pierwiastka 120 przy użyciu wiązki tytanu, która wystrzeliwała 4 biliony jonów na sekundę. Jednak naukowcy oszacowali, że eksperyment będzie musiał trwać co najmniej rok, zanim uda się stworzyć pojedynczy atom 120. Rozpoczęte poszukiwania nie przyniósł żadnego rezultatu. GSI zawiesiło od tego czasu wysiłki, przebudowując swoje laboratorium.
W laboratoriach LBNL działa 88-Inch Cyclotron. W tym akceleratorze uczeni generują potężniejsze wiązki, które wystrzeliwują około 6 bilionów jonów na sekundę. Najpierw naukowcy podgrzali tytan-50 do temperatury 1800 stopni Celsjusza, w której zaczął parować. Za pomocą mikrofal wytrącono z niego 12 z 22 elektronów. Tak przygotowany tytan wprowadzono do akceleratora i przyspieszono je do około 11 proc. prędkości światła. Następnie bombardowano nim dysk plutonu, który obracał się 30 razy na sekundę, aby rozproszyć ciepło zderzeń.
Większość jonów przechodzi przez cel nietknięta. Jednak w rzadkich przypadkach bezpośrednie uderzenie łączy tytan i pluton. W ostatnich eksperymentach przy użyciu wiązki tytanu-50 i tarczy z plutonu detektory w LBNL dwukrotnie zarejestrowały atomy liwermoru 116, które w ciągu milisekund rozpadły się na flerow 114, a następnie kopernik 112. Dwa atomu liwermoru udało się uzyskać w ciągu 22 dni pracy akceleratora. To znacznie krócej niż oczekiwali badacze, co według nich wskazuje, że tytan i pluton łączą się łatwiej.
Naukowcy szacują, że wytworzenie pierwiastka o liczbie atomowej 120 zajmie co najmniej kilka lat od rozpoczęcia prac, jeśli w ogóle się uda. Do wytworzenia liwermoru wykorzystano tarczę z plutonu, jednak do syntezy pierwiastka o liczbie atomowej 120 potrzeba będzie tarczy z kalifornu.
Źródło: Lawrence Livermore National Laboratory, Science, Nature, fot. CC0
