Moscovium og Nihonium:FIONA måler masseantallet af to supertunge grundstoffer

Et hold ledet af kernefysikere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporteret de første direkte målinger af massetallene for kernerne af to supertunge grundstoffer:moscovium, som er element 115, og nihonium, element 113.

De opnåede resultaterne ved hjælp af FIONA, et nyt værktøj hos Berkeley Lab, der er designet til at løse de tungeste grundstoffers nukleare og atomare egenskaber. Resultaterne er beskrevet i 28. november-udgaven af Fysisk gennemgangsbreve tidsskrift.

FIONA er et akronym, der betyder:"Til identifikation af nuklid A, " med "A" repræsenterer det videnskabelige symbol for et grundstofs massetal - det samlede antal protoner og neutroner i et atoms kerne. Protoner er positivt ladede, og protontallet er også kendt som atomnummeret; neutroner har en neutral ladning. Supertunge grundstoffer er menneskeskabte og har et højere atomnummer end dem, der findes i naturligt forekommende grundstoffer.

Det globale jag efter massetal

Indsamling og validering af disse første data fra FIONA havde været en topprioritet for laboratoriets 88-tommer Cyclotron and Nuclear Science Division, siden FIONA's idriftsættelse afsluttedes i begyndelsen af ​​2018. Cyclotron-medarbejdere arbejdede med besøgende og interne videnskabsmænd for at udføre FIONAs første eksperimentelle kørsel, som strakte sig over fem uger.

"Det er meget spændende at se FIONA komme online, da det er ekstremt vigtigt at fastlægge masserne af supertunge grundstoffer, sagde Barbara Jacak, Direktør for Nuclear Science Division. "Indtil nu er masseopgaverne blevet foretaget med indicier snarere end ved direkte måling."

Jackie Gates, en stabsforsker i Berkeley Labs Nuclear Science Division, som spillede en ledende rolle i undfangelsen, konstruktion, og test af FIONA, og hvem leder FIONAs indsats for at bestemme antallet af masse, sagde, "Der har været stor interesse for at lave en eksperimentel måling af supertunge massetal."

Gates tilføjede, at denne indsats for at måle supertunge grundstoffers massetal er af global interesse, med hold fra Argonne National Laboratory og Japans nukleare forskningsprogram blandt dem, der også laver massemålinger af supertunge grundstoffer ved hjælp af lidt forskellige tilgange eller værktøjer.

Guy Savard, en senior videnskabsmand ved Argonne National Laboratory, designet, bygget, og bidrog med flere komponenter til FIONA. Han hjalp også med idriftsættelsen af ​​FIONA og i dens første videnskabelige kampagne.

Roderick Clark, en senior videnskabsmand i Berkeley Labs Nuclear Science Division, sagde, "Alle kommer sammen i dette store løb. Dette kan åbne op for en hel række af fysik af disse tunge og supertunge prøver, " såvel som nye undersøgelser af strukturen og kemien af ​​disse eksotiske elementer, og en dybere forståelse af, hvordan de binder sig til andre elementer.

"Hvis vi kan måle massen af ​​et af disse supertunge grundstoffer, du kan fastgøre hele regionen, " sagde Clark.

Et nyt kapitel i forskning i tunge grundstoffer

Massetallet og atomnummeret (eller "Z") - et mål for det samlede antal protoner i et atoms kerne - af supertunge grundstoffer har været afhængige af kernemassemodellernes nøjagtighed. Så det er vigtigt at have en pålidelig måde at måle disse tal på med eksperimenter, hvis der er et problem med modeller, bemærkede Ken Gregorich, en nyligt pensioneret seniorforsker i Berkeley Labs Nuclear Science Division, som arbejdede tæt sammen med Gates for at bygge og idriftsætte FIONA.

For eksempel, supertunge elementer kan muligvis udvise uventede nukleare former eller tætheder af protoner og neutroner, som ikke er medregnet i modellerne, han sagde.

Berkeley Lab har ydet enorme bidrag til forskningen i tunge grundstoffer:Lab-forskere har spillet en rolle i opdagelsen af ​​16 grundstoffer i det periodiske system, går tilbage til syntesen af ​​neptunium i 1940, og har også leveret hundredvis af isotop-identifikationer. Isotoper er forskellige former for grundstoffer, der deler det samme antal protoner, men har et forskelligt antal neutroner i deres kerner.

FIONA (se relateret artikel) er en tilføjelse til Berkeley Gas-filled Separator (BGS). I årtier, BGS har adskilt tunge grundstoffer fra andre typer ladede partikler, der kan fungere som uønsket "støj" i eksperimenter. FIONA er designet til at fange og afkøle individuelle atomer, adskille dem baseret på deres masse- og ladningsegenskaber, og levere dem til en støjsvag detektorstation på en tidsskala på 20 millisekunder, eller 20 tusindedele af et sekund.

'Et atom om dagen'

"Vi kan lave et atom om dagen, Giv eller tag, " af et ønsket supertungt element, Gregorich bemærkede. I sin tidlige drift, FIONA havde specifikt til opgave at fange individuelle moscovium-atomer. "Vi har omkring 14 procents chance for at fange hvert atom, " tilføjede han. Så forskerne havde håbet på at fange en enkelt måling af moscoviums massetal om ugen.

Moscovium blev opdaget i 2015 i Rusland af et fælles amerikansk-russisk hold, der omfattede forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory, og opdagelsen af ​​nihonium krediteres et hold i Japan i 2004. Elementnavnene blev formelt godkendt i 2016.

For at producere moscovium, forskere ved 88-tommer Cyclotron bombarderede et mål bestående af americium, en isotop af et grundstof opdaget af Berkeley Labs Glenn T. Seaborg og andre i 1944, med en partikelstråle fremstillet af den sjældne isotop calcium-48. Det nødvendige halve gram calcium-48 blev leveret af DOE Isotope Program.

Der er en særskilt looping-signatur for hvert atom, der er fanget og målt af FIONA - lidt som at se et fast punkt på et cykeldæk, mens cyklen ruller fremad. Banen for denne sløjfeadfærd er relateret til det atomare "masse-til-ladningsforhold - timingen og positionen af ​​energisignalet målt i detektoren fortæller forskerne massetallet.

Ideelt set målingen omfatter flere trin i partiklens henfaldskæde:Moscovium har en halveringstid på omkring 160 millisekunder, hvilket betyder, at et atom har en 50 procents chance for at henfalde til et andet grundstof kendt som et "datter"-element i henfaldskæden hvert 160. millisekund. At fange dets energisignatur på flere trin i denne henfaldskæde kan bekræfte, hvilket forældreatom, der startede denne kaskade.

"Vi har forsøgt at fastslå massetallet og protontallet her i mange år nu, " sagde Paul Fallon, en seniorforsker i Berkeley Labs Nuclear Science Division, som leder divisionens lavenergiprogram. Detektorfølsomheden er støt forbedret, som har evnen til at isolere individuelle atomer fra anden støj, bemærkede han. "Nu, vi har vores første endelige målinger."

Bekræftelse af massetallene for element 113 og element 115

I FIONAs første videnskabelige løb, forskere identificerede et moscovium-atom og dets relaterede henfaldsdøtre, og et nihoniumatom og dets forfaldsdøtre. Målingerne af atomerne og henfaldskæderne bekræfter de forudsagte massetal for begge grundstoffer.

Mens forskere kun havde søgt at skabe og måle egenskaberne af et moscovium-atom, de var også i stand til at bekræfte en måling for nihonium efter at et moscovium-atom henfaldt til nihonium før det nåede FIONA.

"Succesen med denne første måling er utrolig spændende, " sagde Jennifer Pore, en postdoc, der var involveret i FIONAs idriftsættelsesforsøg. "FIONA's unikke egenskaber har udløst en ny renæssance inden for forskning i supertunge grundstoffer på 88-tommer cyklotron."

Gregorich krediterede indsatsen fra personalet på 88-Tommer Cyclotron - inklusive mekaniske, elektriske, operationer, og eksperter i kontrolsystemer - for at maksimere FIONA-eksperimentaltiden i løbet af dens første fem-ugers videnskabelige kørsel.

Han bemærkede særlige bidrag fra andre BGS- og FIONA-gruppemedlemmer, inklusive Greg Pang, en tidligere projektforsker, der var involveret i FIONAs konstruktion og test; Jeff Kwarsick, en kandidatstuderende, hvis ph.d. afhandling er fokuseret på FIONA resultater; og Nick Esker, en tidligere kandidatstuderende, hvis ph.d. arbejde fokuseret på masseseparatorteknikken indarbejdet af FIONA.

Planer for nye målinger og tilføjelse af 'SHEDevil'

Fallon sagde, at der er planlagt endnu et videnskabeligt løb for FIONA inden for de næste seks måneder, hvor kernefysikforskere kan forfølge en ny runde af målinger for moscovium og nihonium, eller til andre supertunge elementer.

Der er også planer om at installere og teste et nyt værktøj, døbt "SHEDevil" (for Super Heavy Element Detector for Extreme Ventures In Low statistics), der vil hjælpe forskere med at lære formen af ​​supertunge atomers kerner ved at detektere gammastråler produceret i deres henfald. Disse gammastråler vil give spor til arrangementet af neutroner og protoner i kernerne.