Introduktion af en ny isotop:Mendelevium-244

Et team af forskere, der arbejder ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget en ny form for det menneskeskabte grundstof mendelevium. Den nyoprettede isotop, mendelevium-244, er den 17. og letteste form for mendelevium, som er grundstof 101 i det periodiske system.

Mendelevium blev først skabt af Berkeley Lab-forskere i 1955 (se en relateret video), og er blandt en liste over 16 andre elementer, som Berkeley Lab-forskere opdagede eller hjalp med at opdage. En isotop er en form for et grundstof med flere eller færre neutroner (uladede partikler) i sin atomkerne end andre former for et grundstof.

I den seneste opdagelse, holdet brugte Berkeley Labs 88-tommer cyklotron, som accelererer kraftige stråler af ladede partikler ved mål for at skabe atomer af tungere grundstoffer, at lave mendelevium-244. En cyklotron er en type partikelaccelerator, der blev opfundet af laboratoriets navnebror, Ernest O. Lawrence, i 1930.

Berkeley Lab-ledede hold har nu opdaget 12 af de 17 mendelevium isotoper, og har opdaget i alt 640 isotoper - omkring en femtedel af alle kendte isotoper og langt det højeste antal for en enkelt institution. Ved udgangen af ​​2019 var der 3, 308 kendte isotoper. Den nye isotopopdagelse er den første af et Berkeley Lab-ledet hold siden 2010.

"Det var udfordrende at opdage denne nye isotop af mendelevium, fordi alle de nærliggende mendelevium-isotoper har meget lignende henfaldsegenskaber, " sagde Jennifer Pore, en Berkeley Lab-projektforsker, der ledede undersøgelsen, der beskriver isotopens opdagelse. Alfa-henfald beskriver den proces, hvorved et radioaktivt grundstof som mendelevium nedbrydes til lettere grundstoffer over tid.

I alt, holdet målte egenskaberne af 10 atomer af mendelevium-244 til undersøgelsen, som udkom i dagbladet Fysisk gennemgangsbreve .

"Hver isotop repræsenterer en unik kombination af protoner og neutroner, " sagde Pore. "Når en ny isotop bliver opdaget, den særlige kombination af protoner (positivt ladede partikler) og neutroner er aldrig blevet observeret. Studier af disse ekstreme kombinationer er afgørende for vores forståelse af alt nukleart stof."

Ud over at opdage den nye isotop, forskerholdets arbejde gav også det første direkte bevis for en henfaldsproces, der involverede en isotop af grundstoffet berkelium. Holdet inkluderede forskere fra UC Berkeley, Lawrence Livermore National Laboratory, San Jose State University, og Sveriges Lunds Universitet.

Forskere fandt bevis for, at mendelevium-244 har to separate kæder af henfald, hver fører til en forskellig halveringstid:0,4 sekunder og 6 sekunder, baseret på forskellige energikonfigurationer af partikler i dens kerne. En halveringstid er den tid, det tager for et radioaktivt grundstofs antal atomer at blive reduceret til det halve, efterhånden som deres kerner henfalder til andre, lettere kerner.

I en separat måling, der stammer fra samme undersøgelse, forskerne fandt det første bevis for alfa-henfaldsprocessen af ​​berkelium-236, en isotop af grundstoffet berkelium, som det omdannes til americium-232, en lidt lettere isotop. Berkelium blev opdaget i 1949 af et Berkeley Lab-ledet team.

Centralt for isotopens opdagelse var et instrument ved 88-tommers cyklotron kaldet FIONA, eller Til identifikation af nuklid A. "A"et i FIONA repræsenterer et grundstofs massetal, som er det samlede antal protoner (positivt ladede partikler) og neutroner (uladede partikler) i et atoms kerne. Den nye isotops massetal er 244.

"Det vigtigste værktøj, vi havde i denne opdagelse, var FIONA, sagde Pore, som også var en del af det team, der assisterede i FIONAs test og opstart. FIONA målte præcist massetallet for den nye isotop.

Barbara Jacak, Nuclear Science Divisionsdirektør hos Berkeley Lab, sagde, "Vi byggede FIONA for at muliggøre opdagelser som denne, og det er spændende at se dette instrument komme i gang."

Michael Thoennessen, en University Distinguished Professor ved Michigan State University, som har orlov for at fungere som chefredaktør for American Physical Society, vedligeholder en liste over isotopfund og bemærker, at listen over nye isotoper har været tyndere end normalt i løbet af de sidste mange år.

"Isotopopdagelser er cykliske og afhænger af nye acceleratorer og store fremskridt inden for udvikling af eksperimentelt udstyr, " sagde han. Berkeley Labs FIONA og Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), en US Department of Energy brugerfacilitet under udvikling ved Michigan State University, er unikke kapaciteter "med stort opdagelsespotentiale" for forskellige typer af nye isotoper i USA, bemærkede han.

For at sikre, at FIONAs målinger var nøjagtige, forskerholdet målte først henfaldsegenskaberne og masseantallet af kendte mendelevium-isotoper, inklusive mendelevium-247, mendelevium-246, og mendelevium-245.

"Da vi først var sikre på, at vi var velbevandret i egenskaberne af disse lette mendelevium-isotoper, vi forsøgte eksperimentet for at opdage den tidligere uobserverede isotop mendelevium-244, " sagde Pore. "Uden den direkte bekræftelse af, at vi havde produceret en isotop med et massetal på 244, det ville have været meget svært at skille resultaterne ad og bevise opdagelsen."

For at skabe sådanne eksotiske isotoper - selv den letteste kendte form for mendelevium er stadig tungere end naturligt forekommende uran - producerede videnskabsmænd en partikelstråle ved 88-tommers cyklotron indeholdende ladede partikler af argon-40, en isotop af argon, og rettede strålen mod et tyndt foliemål bestående af bismuth-209, en isotop af vismut.

Af og til i disse eksperimenter, en kerne i højenergipartikelstrålen rammer direkte og smelter sammen med en kerne i målfolien, producerer et enkelt atom af et tungere grundstof. Og for en isotop med en meget kort halveringstid, det er et kapløb om at tage målinger af et atom, før det henfalder til noget andet.

Berkeleys 88-tommer cyklotron har et andet værktøj opstrøms for FIONA, der kaldes Berkeley Gas-Filled Separator. Separatoren hjælper med at trække de relevante atomer ud, som hurtigt og individuelt kan måles i detaljer med FIONA.

Forskere kan forfølge andre undersøgelser af mendelevium-244 med anden instrumentering for at prøve at lære mere om dens struktur, sagde Pore.

Og nu hvor FIONA har demonstreret sin værdi i isotopopdagelse, Berkeley Lab-forskere retter blikket mod andre nye isotoper. "Vi planlægger allerede lignende undersøgelser langs andre isotopkæder for at opdage nye isotoper, " sagde Pore.