|
Новый способ получения элемента 116
|
|
|
|
Ученым из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) при Министерстве энергетики США принадлежит заслуга в открытии 16 из 118 известных элементов. Теперь они завершили первый важный шаг к потенциальному созданию еще одного элемента - element 120.
|
|
|
|
Сегодня международная команда исследователей, возглавляемая группой тяжелых элементов лаборатории Беркли, объявила, что они создали сверхтяжелый элемент 116 с использованием титановой балки, что является прорывом, который является ключевым шагом на пути к созданию элемента 120. Результат был представлен сегодня на конференции Nuclear Structure 2024; научная статья размещена в онлайн-хранилище arXiv и была отправлена в журнал Physical Review Letters.
|
|
|
|
"Эта реакция никогда ранее не демонстрировалась, и было важно доказать, что это возможно, прежде чем приступить к нашей попытке получить 120", - сказала Жаклин Гейтс, ученый-ядерщик из лаборатории Беркли, возглавляющей эту работу. "Создание нового элемента - чрезвычайно редкое достижение. Приятно быть частью этого процесса и видеть многообещающий путь вперед".
|
|
|
|
За 22 дня работы на лабораторном ускорителе тяжелых ионов, 88-дюймовом циклотроне, команда создала два атома 116-го элемента, ливермория. Получение атома 120-го элемента было бы еще более редким явлением, но, судя по скорости, с которой они производили 116-й, это реакция, которую ученые могут разумно искать в течение нескольких лет.
|
|
|
"Нам нужно было, чтобы природа была доброй, и природа была доброй", - сказал Райнер Крюккен, директор отдела ядерных исследований Лаборатории Беркли. "Мы считаем, что на создание 120-го в 10 раз больше времени, чем на создание 116-го. Это нелегко, но сейчас кажется выполнимым".
|
|
|
|
Если бы элемент 120 был обнаружен, он стал бы самым тяжелым из созданных атомов и занимал бы восьмую строку периодической таблицы Менделеева. Он находится на берегах "острова стабильности", теоретической группы сверхтяжелых элементов с уникальными свойствами.
|
|
|
|
В то время как открытые к настоящему времени сверхтяжелые элементы распадаются почти мгновенно, правильная комбинация протонов и нейтронов может создать более стабильное ядро, которое сохранится дольше, что даст исследователям больше шансов изучить его. Изучение элементов с экстремальными концентрациями может дать представление о поведении атомов, проверить модели ядерной физики и определить пределы возможностей атомных ядер.
|
|
|
|
Создание сверхтяжелых элементов
|
|
|
|
Теоретически рецепт получения сверхтяжелых элементов прост. Вы соединяете два более легких элемента, которые в совокупности дают желаемое количество протонов в конечном атоме. Это простая математика: 1 + 2 = 3.
|
|
|
|
На практике, конечно, это невероятно сложно. Могут потребоваться триллионы взаимодействий, прежде чем два атома успешно соединятся, и существуют ограничения на то, какие элементы можно разумно превратить в пучок частиц или мишень.
|
|
|
|
Исследователи выбирают конкретные изотопы, варианты элементов, которые содержат одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов, для своего пучка и мишени. Самой тяжелой мишенью является изотоп калифорния-249, который содержит 98 протонов. (Более тяжелая мишень, например, сделанная из фермия со 100 протонами, распадалась бы слишком быстро). Это означает, что для создания элемента 120 исследователи не могут использовать свой основной пучок кальция-48 с его 20 протонами. Вместо этого им нужен пучок атомов с 22 протонами: титан, который обычно не используется при создании сверхтяжелых элементов.
|
|
|
|
Специалисты, работающие на 88-дюймовом циклотроне, решили проверить, могут ли они в течение нескольких недель получать достаточно интенсивный пучок изотопа титан-50 и использовать его для получения элемента 116, самого тяжелого элемента, когда-либо созданного в лаборатории Беркли.
|
|
|
|
До сих пор элементы с 114 по 118 изготавливались только с использованием пучка кальция-48, который обладает особой или "волшебной" конфигурацией нейтронов и протонов, которая помогает ему соединяться с ядрами-мишенями для получения сверхтяжелых элементов. В этой области оставался открытым вопрос о том, возможно ли вообще создать сверхтяжелые элементы вблизи островка стабильности, используя "немагический" луч, такой как титан-50.
|
|
|
|
"Это был важный первый шаг - попытаться создать что-то немного более простое, чем новый элемент, чтобы увидеть, как переход от кальциевого к титановому сплаву меняет скорость производства этих элементов", - сказала Дженнифер Пор, научный сотрудник группы тяжелых элементов лаборатории Беркли.
|
|
|
|
"Когда мы пытаемся создать эти невероятно редкие элементы, мы стоим на абсолютном пределе человеческих знаний и понимания, и нет никакой гарантии, что физика будет работать так, как мы ожидаем. Создание элемента 116 из титана подтверждает эффективность этого метода производства, и теперь мы можем планировать поиски элемента 120".
|
|
|
|
План создания сверхтяжелых элементов на уникальном оборудовании лаборатории Беркли включен в Долгосрочный план развития ядерной науки Консультативного комитета по ядерной науке на 2023 год.
|
|
|
|
Инженерные достижения
|
|
|
|
Создание достаточно интенсивного пучка изотопов титана - задача не из легких. Процесс начинается с получения специального куска титана-50, редкого изотопа титана, который составляет около 5% всего титана, находящегося в земле. Этот кусок металла помещается в духовку размером примерно с конечную часть вашего мизинца. Печь нагревает металл до тех пор, пока он не начнет испаряться, подобно газу, выделяющемуся из сухого льда, при температуре около 3000 градусов по Фаренгейту.
|
|
|
|
Все это происходит в ионном источнике под названием VENUS, сложном сверхпроводящем магните, который действует как бутылка, удерживающая плазму. Свободные электроны вращаются в плазме, набирая энергию под воздействием микроволн и отбивая 12 из 22 электронов титана. После зарядки титан можно перемещать с помощью магнитов и ускорять в 88-дюймовом циклотроне.
|
|
|
|
"Мы знали, что с этими сильноточными титановыми пучками будет непросто, потому что титан вступает в реакцию со многими газами, а это влияет на источник ионов и стабильность пучка", - сказал Деймон Тодд, физик-ускоритель из лаборатории Беркли и член команды ion source. "Наша новая индукционная печь может поддерживать постоянную температуру в течение нескольких дней, обеспечивая постоянный выход титана и направляя его непосредственно в плазму Венеры, чтобы избежать проблем со стабильностью. Мы чрезвычайно довольны нашим производством пучков".
|
|
|
|
Каждую секунду около 6 триллионов ионов титана попадают в мишень (плутоний - 116, калифорний - 120), которая тоньше листа бумаги и вращается для рассеивания тепла. Операторы ускорителя настраивают луч таким образом, чтобы получить нужное количество энергии. Слишком мало, и изотопы не соединятся в тяжелый элемент. Слишком много, и титан разнесет ядра в мишени на части.
|
|
|
|
Когда редкий сверхтяжелый элемент все-таки образуется, он отделяется от остальных частиц с помощью магнитов в газонаполненном сепараторе Berkeley (BGS). BGS передает его в чувствительный кремниевый детектор, известный как SHREC: детектор отдачи сверхтяжелых частиц. SHREC может фиксировать энергию, местоположение и время - информацию, которая позволяет исследователям идентифицировать тяжелый элемент по мере его распада на более легкие частицы.
|
|
|
|
"Мы абсолютно уверены, что видим элемент 116 и его дочерние частицы", - сказал Гейтс. "Вероятность того, что это статистическая случайность, составляет примерно 1 к 1 триллиону".
|
|
|
|
Планы на 120
|
|
|
|
Еще предстоит проделать большую работу, прежде чем исследователи попытаются создать элемент 120. Специалисты на 88-дюймовом циклотроне продолжают работу по подготовке установки к работе с мишенью, изготовленной из калифорния-249, а партнерам из Национальной лаборатории Ок-Риджа потребуется добавить в мишень около 45 миллиграммов калифорнии.
|
|
|
|
"Мы показали, что у нас есть оборудование, способное выполнить этот проект, и что физика, по-видимому, делает его выполнимым", - сказал Крюкен. "Как только мы установим нашу цель, защиту и инженерные средства управления, мы будем готовы приступить к этому сложному эксперименту".
|
|
|
|
Точные сроки пока не определены, но исследователи потенциально могут начать эту попытку в 2025 году. После ее начала может потребоваться несколько лет, чтобы обнаружить всего несколько атомов элемента 120, если он вообще появится.
|
|
|
|
"Мы хотим выяснить пределы атома и периодической таблицы Менделеева", - сказал Гейтс. "Известные нам на данный момент сверхтяжелые элементы живут недостаточно долго, чтобы быть полезными для практических целей, но мы не знаем, что ждет их в будущем. Может быть, это лучшее понимание того, как работает ядро, а может быть, это нечто большее".
|
|
|
|
Источник
|
