Rühm teadlasi Ameerika Ühendriikide Energiaministeeriumi Lawrence Berkeley Riiklikust Laboratooriumist avastasid kuus seniajani tundmatut üliraskete elementide isotoopi. Tekitades veel nimetamata uut isotoopi 114, olid teadlased tunnistajaks järjestikusele alfaosakeste kiirgamisele, mille tagajärjena tekkisid kopernikumi(element nr 112), darmstadtiumi(element nr 110), hassiumi(element nr 108), seaborgiumi(element nr 106) ning rutherfordiumi(element nr 104) isotoobid. Ahela lõpetas Rutherfordium tuuma spontaansel lõhustumisel.
Kuue uue isotoobi asukohad raskete tuumade tabelis. Pilt: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory
Uute isotoopide abil saadud informatsioon aitab kaasa tuuma struktuuri paremale mõistmisele, mis on aluseks “stabiilsussaare” teooriale, mille kohaselt eksisteerib paljude lühiealiste,ebastabiilsete üliraskete elementide isotoopide hulgas ka grupp pikaealisi isotoope, vahendab sciencedaily.com.
“Uusi üliraskete elementide isotoope valmistama julgustas meid võimalus kasutada Berkeley Laboratooriumi 88-tollist Tsüklotroni, mille abil me saime kiirendada kaltsium-48 osakesi, millega me pommitasime gaasiga täidetud separaatoris asuvat plutoonium-242 sihtmärki,” sõnas Heino Nitsche, uurimuse läbi viinud töögrupi juht. ,,See oli paljuski sarnane aastaid tagasi sooritatud elemendi 114 olemasolu tõestanud katse ülesehitusele.”
Arvatakse, et tuumade stabiilsus tuleneb osalt nende kihilisest struktuurist – mudelist, mille kohaselt prootonid ja neutronid on tuumas energiatasemete järgi paika seatud. Tuuma, mille kõige viimane kiht on neutronite või prootonite poolt täielikult täidetud, nimetatakse maagiliseks ehk stabiilseks. Tõenäosus leida üliraskete elementide hulgast maagilisi või topeltmaagilisi isotoope viis 1960ndatel ennustusteni suurenenud stabiilsusega regioonide kohta.
Selliste isotoopide leidmises tuleb neutronite ja prootonite poolest rikkaid sihtmärktuumasid pommitada osakestekiirgusega, millel oleks õige arv prootoneid, ning mis sisaldaksid samuti palju prootoneid. Seeläbi saadaksegi soovitud omadustega uus tuum.
Samuti uurimustöös kaasa teinud Ken Gregorich ütles, et “kaltsium-48, millel on kahekordselt maagiline kihiline struktuur(20 prootonit ja 28 neutronit), on neutronite poolest eriti rikas ning saab plutooniumiga, millel on 94 prootonit, juba võrdlemisi väikeste energiate juures hästi kombineeruda, et moodustuks liittuum. See on elemendi 114 tuuma saamiseks suurepärane valik.”
,,Tõenäosus, et kaks isotoopi liittuuma moodustavad, on siiski üpriski väike. Selle suurendamiseks on vaja sihtmärgile suunata väga intensiivset kaltsiumikiirgust ning lisaks on tarvis detektorit, mis kõikide reaktsioonide seast lagunemisjälgede järgi just selle õige üles leiab,” selgitas Paul Ellison, uurimustöö idee esitaja.
Varem arvati, et element 114 asub samuti “stabiilsussaarel.” Traditsioonilised teooriad ennustasid, et kui elemendi 114 184-prootonilist isotoopi on võimalik teha, oleks see kahekordselt maagiline ning sel oleks eriti pikk eluiga. Siiani valmistatud 114-ne isotoopidel on aga paar neutronit vähem ning nende poolestusajad ulatuvad sekundite või isegi sekundite murdosadeni. Kaasaegsed mudelid ennustavad prootonite maagiliseks numbriks 120 või 126. Seega ei olegi enam teada, kas elemendi 114 isotoop 298 langeks “stabiilsussaare” alasse või mitte.
“Elemendi 114 isotoopi 298 valmistamine ei ole tõenäoliselt võimalik enne raskete ioonide kiirendite ehitamist, mis suudaksid kiirendada haruldasemaid isotoope intensiivsemalt kui praegused seadmed seda suudavad,” rääkis Nitsche. ,,Kuid kuni selle ajani saame me tema tuumakihtide struktuuri kohta õppida võrreldes teoreetilisi ennustusi reaalsete eksperimenditulemustega isotoopides, mida me saame valmistada.”
Berkeley uurimisrühm otsustaski uusi isotoope valmistada uue strateegia põhjal: selle asemel, et püüda lisada elemendile 114 rohkem neutroneid, uuriksid nad isotoope, millel on vähem neutroneid. Nende lühemad poolestusajad võimaldaksid tänu alfakiirgusele moodustuda nii mõnelgi isotoobil enne, kui spontaanne tuumalagunemine protsessi lõpetab.
,,See oli väga kaalutletud stateegia,” selgitas Ellison, “sest me lootsime jälgida alfalagunemise tulemusel saadud isotoope, mis asuksid tuumade tabelis allpool, kus suhted isotoobi numbri, tuumakihtide struktuuri ning stabiilsuse vahel on paremini mõistetavad.”
“Protsess, kus me teeme kindlaks, mis isotoobi me valmistanud oleme, põhineb lagunemise aja ning vabanenud energia mõõtmises,” kirjeldas Ellison protsessi. Sel viisil katseid tehes saidki teadlased pärast kolmenädalast katseperioodi jälgida soovitud neutronitevaese elemendi 114 tuuma lagunemisjälgi. Esimesed kaks uut isotoopi, elemendi 114 enda isotoop 285 ning kopernikum-281, mis esimese alfalagunemisel tekkis, elasid alla viiendiku sekundi. Kolmas uus isotoop, darmstadtium-277 elas kõiges 8000ndik sekundit. Seaborgium-269 pidas vastu kolm minutit ning viis sekundit, kuid kiirgas selle käigus ka alfaosakese. Pärast veel kahte ja poolt minutit lagunes rutherfordium-265 spontaanses tuumalõhustumises.
,,Suures plaanis olid teoreetilised ennustused üpriski täpsed,” lausus Ellison pärast katsetulemuste võrdlemist moodsate tuuma mudelite lagunemisomadustega. ,,Siiski leidus ka väikseskaalalisi huvitavaid erinevusi.”
Huvitavaimaks neist osutus fakt, et raskeimad uued isotoop, kopernikumi ja elemendi 114 omad, omasid teooria poolt ennustatuga võrreldes väiksemaid alfalagunemise energiaid. Neid erinevusi saab ära kasutada teoreetiliste mudelite parandamisel, tänu millele saab ennustada üliraskete elementide stabiilsust.
Gregorichi sõnul on “meie uued isotoobid stabiilsussaare läänekaldal – kaldal, mis on lihtsalt veidi vähem stabiilne.” Siiski on kuue uue isotoobi avastamine suur samm edasi elemendi 114 ümbruses oleva suurendatud stabiilsuse ala teooria parema mõistmise poole.
Teadusartikkel “New Superheavy Element Isotopes:242Pu(48Ca,5n)285114“