A los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía se les atribuye el descubrimiento de 16 de los 118 elementos conocidos. Ahora han completado el primer paso crucial para crear potencialmente otro: el elemento 120.
Hoy, un equipo internacional de investigadores dirigido por el Grupo de Elementos Pesados del Laboratorio Berkeley anunció que han creado el conocido elemento superpesado 116 utilizando vigas de titanio, un avance que es un paso hacia la creación del elemento 120. Es un paso importante. Los resultados se presentaron hoy en Nuclear Structure. conferencia de 2024; El artículo de Science se publicará en el repositorio en línea arXiv y se enviará a la revista. cartas de examen fisico.
“Esta reacción nunca se había demostrado antes, y era importante demostrar que era posible antes de que empezáramos a intentar fabricar 120”, dijo Jacqueline Gates, científica nuclear del Laboratorio de Berkeley que dirigió el esfuerzo. “La creación de un nuevo elemento es una hazaña extremadamente rara. Es emocionante ser parte de este proceso y tener un camino tan prometedor hacia adelante”.
El equipo creó dos átomos del elemento 116,livermorium, durante 22 días de operaciones en el acelerador de iones pesados del laboratorio, un ciclotrón de 88 pulgadas. Crear un átomo del elemento 120 sería aún más raro, pero al ritmo al que produjeron el 116, es una reacción que los científicos podrían encontrar razonablemente a lo largo de muchos años.
“Necesitábamos que la naturaleza fuera amable, y la naturaleza era amable”, afirmó Rainer Kroken, director de la división de ciencia nuclear del Laboratorio Berkeley. “Creemos que llevará 10 veces más tiempo fabricar 116 que 120. No es fácil, pero ahora parece posible”.
Si se descubriera, el elemento 120 sería el átomo más pesado jamás creado y se ubicaría en la octava fila de la tabla periódica. Cae a orillas de las “islas de estabilidad”, un grupo teórico de elementos superpesados con propiedades únicas. Si bien los elementos más pesados descubiertos hasta ahora se desintegran casi de inmediato, la combinación correcta de protones y neutrones puede crear un núcleo más estable que viva más tiempo, lo que brinda a los investigadores una mejor oportunidad de estudiarlo. La búsqueda de elementos en los extremos puede proporcionar información sobre el comportamiento de los átomos, probar modelos de física nuclear y mapear los límites del núcleo nuclear.
Creando elementos súper pesados
La síntesis de elementos superpesados es sencilla en teoría. Rompes dos elementos más ligeros, lo que, combinado, te da la cantidad de protones en tu átomo final. Estas son matemáticas básicas: 1+2=3.
En la práctica, por supuesto, es increíblemente difícil. Pueden ser necesarios billones de interacciones antes de que dos átomos se fusionen con éxito, y existen límites en cuanto a qué elementos pueden convertirse razonablemente en un haz de partículas o en un objetivo.
Los investigadores eligen isótopos específicos, diferentes formas de elementos que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones, para su haz y objetivo. El objetivo práctico más pesado es un isótopo llamado californio-249, que tiene 98 protones. (Un objetivo más pesado, como uno hecho de fermio con 100 protones, se desintegraría muy rápidamente). Esto significa que para intentar producir el elemento 120, los investigadores no pueden utilizar su haz saliente de calcio 48 con sus 20 protones. En lugar de ello, necesitan un haz de átomos con 22 protones: titanio, algo que normalmente no se utiliza para fabricar elementos superpesados.
Los científicos del ciclotrón de 88 pulgadas se propusieron confirmar que podían crear un haz suficientemente rápido del isótopo titanio-50 en cuestión de semanas y utilizarlo para crear el elemento 116, el único elemento jamás fabricado en el Laboratorio Berkeley Gaya. elemento más pesado.
Hasta ahora, los elementos 114 a 118 sólo se habían creado con haces de calcio-48, que tienen una disposición especial o “mágica” de neutrones y protones que les ayuda a fusionarse con el núcleo del objetivo para producir los elementos más pesados. En el campo estaba abierta la pregunta de si sería posible producir elementos súper pesados cercanos a la estabilidad de la isla utilizando vigas “no mágicas” como Titanium 50.
“Fue un primer paso importante tratar de hacer algo un poco más simple que un nuevo elemento para ver cómo al pasar de haces de calcio a haces de titanio cambiamos la tasa de producción de esos elementos”, dijo Jennifer Poore. Grupo de elementos pesados del laboratorio de Berkeley. “Cuando intentamos crear estos elementos increíblemente raros, nos encontramos en el límite mismo del conocimiento y la comprensión humanos, y no hay garantía de que la física funcione como esperamos. Titanio La creación del elemento 116 con , confirma que este método funciona en producción y ahora podemos planificar la búsqueda del elemento 120.”
El plan para crear elementos superpesados utilizando las instalaciones únicas del Laboratorio Berkeley está incluido en el Plan de Largo Plazo para Ciencias Nucleares 2023 del Comité Asesor de Ciencias Nucleares.
Hazañas de ingeniería.
Crear un haz de isótopos de titanio suficientemente intenso no es una tarea fácil. El proceso comienza con un trozo especial de titanio 50, un isótopo raro de titanio que constituye aproximadamente el 5% de todo el titanio de la Tierra. Esa pieza de metal entra en el horno aproximadamente del tamaño de la punta de tu dedo meñique. El horno calienta el metal hasta que comienza a vaporizarse, como un gas de hielo seco, a alrededor de 3000 grados Fahrenheit.
Todo esto tiene lugar en una fuente de iones llamada VENUS, un complejo imán superconductor que actúa como una botella aprisionando el plasma. Los electrones libres giran en espiral a través del plasma, ganando energía a medida que son bombardeados por microondas y eliminan 12 de los 22 electrones del titanio. Una vez cargado, el titanio puede ser impulsado por imanes y acelerado en un ciclotrón de 88 pulgadas.
“Sabíamos que estos haces de titanio de alta corriente serían difíciles porque el titanio reacciona con muchos gases y eso afecta la estabilidad de la fuente de iones y del haz”, dijo Damon Todd, investigador del Laboratorio de Berkeley y parte de la fuente de iones. equipo. “Nuestro nuevo horno inductivo puede mantener una temperatura fija durante días, manteniendo la salida de titanio constante y precisa para el plasma VENUS para evitar problemas de estabilidad. Somos extremadamente flexibles con la salida de nuestro haz. Feliz”.
Cada segundo, alrededor de 6 billones de iones de titanio alcanzan el objetivo (plutonio para formar 116, California para producir 120), que es más delgado que un trozo de papel y gira para disipar el calor. Los operadores del acelerador ajustan el haz para tener la cantidad correcta de energía. Si son demasiado pocos, los isótopos no se fusionarán para formar un elemento más pesado. Demasiado, y el titanio desalojará los núcleos del objetivo.
Cuando se forma el raro elemento superpesado, se separa del resto de las partículas mediante imanes en el separador de gases de Berkeley (BGS). El BGS lo pasa a un detector de silicio sensible llamado SHREC: Detector de retroceso súper pesado. SHREC puede capturar energía, ubicación y tiempo, información que permite a los investigadores identificar el elemento más pesado a medida que se transforma en partículas más ligeras.
“Estamos muy seguros de que estamos viendo el elemento 116 y sus partículas hijas”, dijo Gates. “Existe una probabilidad de 1 entre 1 billón de que se trate de una casualidad estadística”.
proyecto 120
Todavía queda trabajo por hacer antes de que los investigadores puedan intentar crear el elemento 120. Los especialistas del ciclotrón de 88 pulgadas continúan trabajando para preparar la máquina para un objetivo hecho de californio-249, y los socios del Laboratorio Nacional Oak Ridge necesitarán producir alrededor de 45 mg. Objetivo en California.
“Hemos demostrado que tenemos una instalación capaz de realizar este proyecto y que la física lo hace factible”, dijo Kraken. “Una vez que tengamos nuestro control de objetivos, blindaje y ingeniería en su lugar, estaremos listos para asumir este desafiante experimento”.
Aún no se ha determinado el momento, pero los investigadores podrían comenzar el esfuerzo en 2025. Una vez iniciado, pueden pasar años antes de que solo se vean unos pocos átomos del elemento 120, si es que se ven.
“Queremos descubrir los límites del átomo y los límites de la tabla periódica”, dijo Gates. “Los elementos superpesados que conocemos hasta ahora no viven lo suficiente como para ser útiles con fines prácticos, pero no sabemos qué nos depara el futuro. Tal vez sea una mejor comprensión de cómo funciona el núcleo, o tal vez sea algo”. demás.”
Los colaboradores de este trabajo incluyen Berkeley Lab, Lund University, Argonne National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, San Jose State University, University of Strasburg, University of Liverpool, Oregon State University, Texas A&M University, UC Berkeley, Oak Ridge Investigadores del National Laboratorio, Universidad de Manchester, ETH Zurich y el Instituto Paul Scherer.
