Den nye tunge isotop mendelevium-244 og en forvirrende kortvarig fissionsaktivitet

At få en bedre forståelse af de begrænsende faktorer for eksistensen af ​​stabil, superheavy elements er en årti gammel søgen efter kemi og fysik. Super tunge elementer, som kaldes de kemiske grundstoffer med atomnummer større end 103, forekommer ikke i naturen og fremstilles kunstigt med partikelacceleratorer. De forsvinder inden for få sekunder.

Et team af forskere fra GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung Darmstadt, Johannes Gutenberg Universitet Mainz (JGU), Helmholtz Institute Mainz (HIM) og University of Jyvaeskylae, Finland, ledet af Dr. Jadambaa Khuyagbaatar fra GSI og HIM, har givet ny indsigt i fissionsprocesserne i de eksotiske kerner og hertil, har produceret den hidtil ukendte kerne mendelevium-244. Eksperimenterne var en del af "FAIR Fase 0, "den første fase af FAIR -forsøgsprogrammet. Resultaterne er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Tunge og superheavy kerner er i stigende grad ustabile mod fissionsprocessen, hvor kernen deler sig i to lettere fragmenter. Dette skyldes den stadigt stærkere Coulomb-frastødning mellem det store antal positivt ladede protoner i sådanne kerner, og er en af ​​hovedbegrænsningerne for eksistensen af ​​stabile superkraftige kerner.

Nuklear fissionsprocessen blev opdaget for mere end 80 år siden og studeres intensivt den dag i dag. De fleste eksperimentelle data om den spontane fission er for kerner med lige mange protoner og neutroner-kaldet 'lige-lige kerner'. Jævne kerner består udelukkende af proton- og neutronpar, og deres fissionsegenskaber er temmelig godt beskrevet af teoretiske modeller. I kerner med et ulige antal enten neutroner eller protoner, en hindring for fissionsprocessen sammenlignet med egenskaberne af jævne kerner er blevet observeret og ført tilbage til indflydelsen fra sådan en enkelt, uparret bestanddel i kernen.

Imidlertid, fissionshindringen i 'ulige-ulige kerner, 'indeholder begge, et ulige antal protoner og et ulige antal neutroner, er mindre kendt. Tilgængelige eksperimentelle data indikerer, at den spontane fissionsproces i sådanne kerner er stærkt forhindret, endnu mere end i kerner med kun en ulige nummererede bestanddele.

Når fissionssandsynligheden er mest reduceret, andre radioaktive henfaldsmåder som alfa henfald eller beta henfald bliver sandsynlige. I beta forfald, en proton omdannes til en neutron (eller omvendt) og, derfor, ulige-ulige kerner bliver til lige-lige kerner, som typisk har en høj fissionssandsynlighed. Derfor, hvis en fissionsaktivitet observeres i forsøg med produktion af en ulige-ulige kerne, det er ofte svært at identificere, om der opstod fission i den ulige-ulige kerne, eller ikke rettere startet fra den jævne beta-henfaldsdatter, som derefter kan gennemgå beta-forsinket fission. For nylig, Dr. Jadambaa Khuyagbaatar fra GSI og HIM forudsagde, at denne beta-forsinkede fissionsproces kan være meget relevant for de tungeste kerner og faktisk kan være en af ​​de vigtigste henfaldsmetoder for beta-henfaldende superkraftige kerner.

I superkraftige kerner, som er yderst vanskelige at producere eksperimentelt, beta-henfald er endnu ikke blevet observeret endeligt. For eksempel, for det tungeste element produceret på GSI Darmstadt, tennessine (element 117), kun to atomer i den ulige-ulige kerne tennessine-294 blev observeret i et forsøg, der varede cirka en måned. Disse små produktionshastigheder begrænser verifikationen og detaljerede undersøgelser af beta-henfaldet forsinket fissionsproces. Stadig, nye eksperimentelle data for at belyse denne proces opnås bedst i eksotiske kerner, ligesom dem, der har et ekstremt ubalanceret forhold mellem protoner og neutroner. For det, teamet fra GSI, JGU, HIM og University of Jyväskylä har produceret den hidtil ukendte kerne mendelevium-244, en ulige-ulige kerne bestående af 101 protoner og 143 neutroner.

Det teoretiske skøn antyder, at beta -henfald i denne kerne vil blive fulgt af fission i cirka et ud af fem tilfælde. På grund af den store energifrigivelse af fissionsprocessen, dette kan detekteres med høj følsomhed, der henviser til, at beta henfald er vanskeligere at måle. Forskerne brugte en intens stråle af titanium-50, der var tilgængelig ved GSIs UNILAC-accelerator til at bestråle et guldmål. Reaktionsprodukterne af titanium- og guldkerner blev adskilt i Transactinide Separator og Chemistry TASCA, som ledte mendeleviumkerner ind i en siliciumdetektor, der er egnet til at registrere implantation af kernerne såvel som deres efterfølgende henfald.

En første del af undersøgelserne, udført i 2018, førte til observation af syv atomer i mendelevium-244. I 2020, forskerne brugte en lavere titan-50 stråleenergi, hvilket er utilstrækkeligt til at føre til mendelevium-244 produktion. Ja, signaler som dem, der blev tildelt mendelevium-244 i 2018-undersøgelsen, var fraværende i denne del af datasættet, bekræfter den korrekte tildeling af 2018 -data og bekræfter opdagelsen af ​​den nye isotop.

Alle de syv registrerede atomkerner gennemgik alfa -henfald, dvs. emission af en helium-4-kerne, hvilket førte til datteren isotop einsteinium-240, opdaget for fire år siden ved et forudgående forsøg udført på universitetet i Jyväskylä. Beta henfald blev ikke observeret, hvilket gør det muligt at etablere en øvre grænse for denne henfaldstilstand på 14 procent. Hvis 20 % fissionssandsynligheden for alle beta-henfaldende kerner var korrekt, den samlede sandsynlighed for beta-forsinket fission ville være højst 2,8 procent, og dens observation ville nødvendiggøre produktion af væsentligt flere mendelevium-244 atomer end i dette opdagelseseksperiment.

Ud over det alfa-forfaldne mendelevium-244, forskerne fandt signaler om kortvarige fissionshændelser med uventede egenskaber vedrørende deres antal, sandsynlighed for produktion, og halveringstid. Deres oprindelse kan i øjeblikket ikke præciseres præcist, og er faktisk ikke let at forklare med nuværende viden om produktion og forfald af isotoper i regionen mendelevium-244. Dette motiverer opfølgende undersøgelser til at få mere detaljerede data, hvilket vil hjælpe med at kaste yderligere lys over fissionsprocessen i ulige-ulige kerner.