Precisiesaldo voor atoomkernen

Nieuwe methode vergemakkelijkt het zoeken naar stabiele elementen voorbij het uranium

Projectmanager Michael Block controleert de spanningen op de elektroden van de val. Een supergeleidende magneet in de witte trommel genereert het nodige magnetische veld. © MPG
voorlezen

Superzware elementen kunnen alleen in het laboratorium worden geproduceerd en zijn slechts fracties van een tweede stal. Maar het kan ook verder gaan dan de uranium stabiele atoomkernen, dus de theorie. Een voorwaarde voor het vinden van dit "eiland van stabiliteit" is nu gecreëerd door Duitse natuurkundigen: zij ontwikkelden een precisiebalans voor superzware atoomkernen waarmee het zoekgebied kan worden beperkt. Dit is wat ze rapporteren in "Nature".

Onderzoekers gaan verder in het rijk van superzware elementen, ze produceren het zogenaamde transuranium in het laboratorium. Maar hoe zwaarder de atoomkernen van de nieuw gecreëerde stoffen, hoe sneller ze vervallen, vaak binnen milliseconden. Welke combinaties van protonen en neutronenaantallen stabiele kernen mogelijk maken, is niet bekend. Tot nu toe konden natuurkundigen alleen indirect de massa van superzware kernen meten door de energie te bepalen die vrijkomt tijdens radioactief verval en de massa van de lichtere, weegbare vervalproducten. Door de energieën toe te voegen, komen ze tot de totale energie en dus tot de massa van de startkern. "Maar deze methode is erg onnauwkeurig, omdat de energie dat is

In de vorm van excitatie-energie in de rest van de atoomkern wordt het bijvoorbeeld buiten beschouwing gelaten, "legt Klaus Blaum uit, directeur van het Max Planck Instituut voor nucleaire fysica in Heidelberg.

Ionen in de val

Nu heeft de internationale samenwerking onder leiding van Michael Block, die onderzoek verricht bij de GSI in Darmstadt, voor het eerst direct de massa van een superzwaar element bepaald. Uw precisiebalans wordt SHIPTRAP genoemd. In het experiment gebruiken de onderzoekers de deeltjesversneller bij GSI om initieel geladen Nobelium-atomen (atoomnummer 102) te genereren door een loodfolie met calciumionen te bombarderen. De nieuwe ionen zijn echter veel te snel voor verder gebruik, ze hebben een snelheid van enkele duizenden kilometers per seconde.

In een met helium gevulde gascel moeten ze eerst worden afgeremd, zodat ze in de zogenaamde Penning-val kunnen worden geïntroduceerd. Verbeteringen in de afgelopen jaren maken het nu mogelijk om binnen een paar uur ongeveer een tot driehonderd Nobelium-ionen in de Penning-val te injecteren en een uiterst nauwkeurige meting uit te voeren. De Penning-val gebruikt elektrische en magnetische krachtvelden om Nobelium-ionen op een spiraalvormig pad te dwingen dat een ring vormt als een slang die in zijn staart bijt. Voor de cirkelvormige beweging van een ion op de baan worden dus twee frequenties geproduceerd: een voor de beweging in de schroef en een voor de beweging in de ring die de schroef vormt. tonen

Frequentiesom resulteert in atoomkernmassa

De som van de twee frequenties is gebaseerd op een eenvoudige formule met de massa van de atoomkern samen. De frequentiesom bepaalde de wetenschappers, door in de Penning-val elektromagnetische golven van geschikte frequentie te bestralen. Wanneer de frequentie van de straling gelijk is aan de frequentiesom, krijgt het ion kinetische energie en bereikt het, wanneer het uit de val wordt geworpen, sneller een detectiedetector. Deze detector onderscheidt de snelle van de langzame atoomkernen en dus kan de frequentiesom en dus de massa worden bepaald. De onderzoekers maten de atoomkernen van Nobelium tot tien keer nauwkeuriger dan met de indirecte methode. Ter vergelijking, om een ​​persoon met dezelfde precisie te wegen, zou men zijn gewicht moeten meten tot ongeveer een milligram.

"Kompas" naar het eiland van stabiliteit

De Precision Balance voor superzware artikelen heeft nog een belangrijke potentiële toepassing. Met haar is het alleen mogelijk om langlevende superzware elementen van het zogenaamde "eiland van stabiliteit" te detecteren als ze in het laboratorium worden gemaakt. "Wanneer we het eiland van stabiliteit vinden, leren we veel over de aard van de krachten die in atoomkernen werken, dat wil zeggen wat de wereld in zijn kern bijeenhoudt." legt Blaum uit, die de nieuwe methode ontwikkelde samen met onderzoekers van GSI en verschillende Duitse universiteiten. Met deze kennis kan men beter begrijpen hoe de zware elementen voor het uranium in sterren zijn ontstaan.

"Een kompas voor het vinden van het eiland van stabiliteit is de precieze meting van de massa superzware kernen", zegt Blaum. "Tot nu toe worden superzware elementen indirect gedetecteerd via hun radioactief verval." Maar stabiele kernen vervallen niet of slechts zeer langzaam. Daarom is het moeilijk om hun radioactief verval te bewijzen. Ze wegen zou een geschikt direct bewijs zijn. Dit is echter nog niet mogelijk met de huidige versie van de precisiebalans. Hoe harder de kernen, hoe minder vaak ze in de deeltjesversneller worden geproduceerd. Van het Element Copernicum (atoomnummer 112), onlangs GSI gedoopt, produceert een deeltjesversneller slechts ongeveer één deeltje per week.

Koele en verbeterde detectiemethoden

De onderzoekers van het Max Planck Instituut voor nucleaire fysica werken daarom momenteel aan twee innovaties om het wegen van atomen mogelijk te maken, die minder vaak worden geproduceerd dan het Nobelium. Ten eerste ontwikkelen ze samen met collega's uit München een zogenaamde cryogene gascel, die moet worden gebruikt bij min 200 graden Celsius. Het helium is bij deze temperatuur nog steeds gasvormig. Maar waterdamp, die altijd aanwezig is en veel Nobelium-ionen elektrisch neutraliseert, zodat ze niet in de Penning-val kunnen worden gevangen, bevriest en is zo onschadelijk gemaakt. "De nieuwe gascel zou aanzienlijk meer ionen beschikbaar kunnen maken voor meting dan de huidige, "

zegt Blaum. Het moet dit jaar worden gebruikt voor het wegen van andere kernen.

De tweede innovatie is een geavanceerde versie van het Penning-valionendetectiesysteem, dat precisieweging kan uitvoeren met een enkel te wegen stofatoom. Met deze methode hoeft het ion niet uit de Penning-val te worden gesponnen om de frequentie te meten, zodat het de ionen niet "consumeert". In plaats daarvan wordt de frequentie bepaald door de minieme elektrische stroom te meten die wordt geproduceerd door de baan van het ion. "Zo zouden zelfs superzware ionen worden gewogen, die slechts om de paar uur of dagen ontstaan, " zegt Blaum en hoopt dat deze schaal over enkele jaren klaar zal zijn.

Ondanks de huidige vooruitgang en veelbelovende vooruitgang in het atomaire evenwicht, durft Blaum niet te voorspellen wanneer het eiland van stabiliteit zal worden bereikt. De zeevarende ontdekkingsreizigers van de afgelopen eeuwen hadden het niet eenvoudiger. Desondanks hebben ze geleidelijk de wereldkaart

voltooid.

(Max Planck Society, 11.02.2010 - NPO)