Måling af massetallet af super tung, menneskeskabte elementer

Et nyt værktøj ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) vil tage nogle af det periodiske bords seneste sværvægtsmestre i møde for at se, hvordan deres masser holder til forudsigelser.

Kaldet FIONA, enheden er designet til at måle massetallene for individuelle atomer af superstunge elementer, som har større masser end uran.

"Når vi har bestemt disse massetal, vi vil bruge FIONA til at lære om form og struktur af tunge kerner, guide søgen efter nye elementer, og for at give os bedre målinger for nuklear fission og relaterede processer inden for atomfysik og atomkemisk forskning, "sagde Kenneth Gregorich, en seniorforsker i Berkeley Labs Nuclear Science Division, der har været involveret i at bygge og teste FIONA.

FIONAs fulde navn er "Til identifikation af nuklid A." "A" er et videnskabeligt symbol, der repræsenterer massetallet - summen af ​​protoner, som er positivt ladet, og neutroner, som ikke har en elektrisk ladning - i atomets kerne. Proton tæller, også kendt som atomnummeret, er unik for hvert element og er grundlaget for arrangementet af elementer i det periodiske system.

FIONA bygger på en lang historie med ekspertise inden for tunge elementfund og atomfysisk forskning på Berkeley Lab. Laboratoriets forskere har været involveret i opdagelsen af ​​16 elementer og også forskellige former for elementer, kendt som isotoper, som har forskellige antal neutroner.

Kernfysikere har brugt de kendte masser af radioaktive henfald "datteratomer" som en ramme for at bestemme masserne for disse tungere "forælder" -elementer.

Tidligere eksperimenter har også hjulpet med at finde masser af nogle af de superhøje elementer. Men at bestemme massetallet for nogle af de tungeste grundstoffer er forblevet uden for rækkevidde, fordi det er udfordrende at producere isolerede atomer og måle dem, før de hurtigt henfalder.

FIONAs målinger forventes at give en bedre grundlæggende forståelse af sammensætningen af ​​disse fremstillede superkraftige atomkerner.

"Vi vil undersøge grænserne for nuklear stabilitet, besvare grundlæggende spørgsmål som f.eks. hvor mange protoner du kan putte i en kerne, "Sagde Gregorich.

En hellig gral på dette felt skal nå den såkaldte "stabilitetens ø, "et endnu uudforsket rige i diagrammet over kerner, hvor menneskeskabte isotoper teoretiseres til at være langlivede.

"Vi vil måske undersøge kanten af ​​denne 'ø' - informere teorier, der forudsiger sådanne ting, så de kan forfines, "Sagde Gregorich.

FIONA blev installeret i november 2016 på Berkeley Labs 88-tommer Cyclotron, som producerer intense partikelstråler til atomfysiske eksperimenter og til at teste strålehårdheden af ​​computerchips til brug i satellitter, og har siden gennemgået en række tests for at forberede den til en første runde eksperimenter til sommer. FIONA er en forbedring til en langvarig maskine kaldet Berkeley Gas-fyldt separator (BGS), der adskiller atomer af superhvede elementer fra andre typer ladede partikler.

"Separatorens opgave er at adskille de tunge elementer af interesse fra strålen og andre uønskede reaktionsprodukter, "Sagde Gregorich, og FIONA er designet til at flytte de ønskede atomer væk fra dette "støjende" miljø og hurtigt måle dem inden for cirka 10 tusindedele af et sekund.

Dette er vigtigt, fordi de menneskeskabte superheavy-elementer, der hidtil er opdaget, har meget korte halveringstider, i nogle tilfælde henfalder til lettere elementer på skalaer målt i tusindedele af et sekund.

FIONA -komponenter inkluderer en ny afskærmningsvæg, der er designet til at reducere baggrundsstøj fra andre ladede partikler, en specialiseret fangstmekanisme for atomer, og et følsomt siliciumbaseret detektormatrix, der kan måle energien, position, og tidspunktet for forfaldet af radioaktive atomer.

Flere komponenter af FIONA blev konstrueret i henhold til kontrakt med Argonne National Laboratory, og masseanalysatoren blev designet og bygget på Berkeley Lab.

"Designet til FIONA er praktisk, fleksibel, og enestående, "Sagde Gregorich." Vi kiggede på forskellige måder at udføre masseadskillelse på, og alt andet var enten dyrere eller vanskeligere. "

De indledende bjælker, der vil blive produceret ved 88-tommers cyklotron til de tidlige FIONA-forsøg, vil bruge en isotop af calcium, der accelereres for at ramme et mål, der indeholder et tungt element-typisk menneskeskabt americium, som er tungere end plutonium. Dette bombardement smelter nogle af atomkernerne til at producere endnu tungere atomer.

Jackie Gates, en personaleforsker i Nuclear Science Division og en leder af FIONA -teamet, sagde, "Nogle andre enheder har en meget højere masseopløsning, men en lavere effektivitet - FIONA vil have den højeste effektivitet." Denne højere effektivitet betyder, at FIONA kan isolere og måle flere atomer af et specifikt super tungt element på en given tid end sammenlignelige enheder.

Ikke desto mindre, skabelsen af ​​de tungeste atomer, der endnu er opdaget, er udfordrende:Af alle partikler, der strømmer gennem separatoren, måske vil en ud af en kvintillion (en efterfulgt af 18 nuller), der når eksperimentet, danne et super tungt element af interesse.

Det udmønter sig i produktionen af ​​muligvis et atom af interesse om dagen, og flere påvisninger vil være nødvendige for at bestemme massetallet, Sagde Gates.

Efter adskillelse i Berkeley gasfyldte separator, atomer af interesse er fanget, flokket, og afkølet i en enhed kendt som en radiofrekvens -firrupol -fælde.

De sendes derefter gennem FIONA -masseudskilleren, som indeholder krydsede elektriske og magnetiske felter. I separatoren, ionerne tager en looping -bane, sender dem til detektoren med positioner bestemt af deres masse-til-ladningsforhold. Den position i detektoren, hvor det superhalve element radioaktivt henfald påvises, giver massetallet.

FIONAs idriftsættelse skulle afsluttes i foråret, Gates sagde, og et af overskriftsforsøgene for den nye enhed vil være at studere henfaldsprocesser forbundet med element 115, for nylig navngivet moscovium (symbolet på det periodiske system er "Mc").

"Den gasfyldte separator i Berkeley gav os 20 års videnskab, "Sagde Gates, "og nu ser vi på at forlænge dette yderligere 10 til 20 år med FIONA."