Οι ελπίδες εξατμίζονται για το υπερβαρύ στοιχείο flerovium που έχει μεγάλη διάρκεια ζωής
Για δεκαετίες, οι πυρηνικοί φυσικοί έχουν ανατινάξει την ύπαρξη υπερβαρέων στοιχείων που σπάνε ρεκόρ, επεκτείνοντας τον περιοδικό πίνακα βήμα προς βήμα πέρα από το ουράνιο, το βαρύτερο φυσικό στοιχείο. Τέτοια βαρέα βαριά τείνουν να είναι ασταθή, αλλά η θεωρία προβλέπει "μαγικούς αριθμούς" πρωτονίων και νετρονίων που προσδίδουν επιπλέον σταθερότητα, και η εύρεση ενός μακρόβιου υπερβαρέως αποτελεί εδώ και πολύ καιρό ένα ιερό δισκοπότηρο για τους ερευνητές.
Το στοιχείο 114, γνωστό ως flerovium και δημιουργήθηκε για πρώτη φορά το 1998, θεωρήθηκε ο καλύτερος υποψήφιος για επιπλέον σταθερότητα, καθώς οι θεωρητικοί πίστευαν ότι το 114 ήταν ένας μαγικός αριθμός πρωτονίων. Αλλά οι ερευνητές αναφέρουν τώρα ότι δεν είναι πιο σταθερό από τα υπερβαριά στοιχεία κοντά του στον περιοδικό πίνακα. Το στοιχείο "114 προφανώς δεν είναι μαγικό, ή τουλάχιστον όχι τόσο μαγικό όσο υποδηλώνουν οι κλασικές προβλέψεις", λέει ο επικεφαλής της μελέτης Dirk Rudolph του Πανεπιστημίου Lund.
Το αποτέλεσμα εστιάζει την προσοχή στον επόμενο υποψήφιο για έναν μαγικό αριθμό πρωτονίων:το στοιχείο 120. Το στοιχείο 120 που δεν συντέθηκε ποτέ πριν είναι ο στόχος του Superheavy Element Factory (SHEF), μιας νέας εγκατάστασης στη Ρωσία που ξεκίνησε τα πρώτα της πειράματα τον Νοέμβριο του 2020. Οι ερευνητές εκεί έχουν ήδη φτιάξει 60 άτομα μοσχοβίου, στοιχείο 115, πυροδοτώντας δέσμες ιόντων σε ένα λεπτό στρώμα υλικού στόχου. Αλλά η καταδίωξη για το 120 βρίσκεται σε αναμονή έως ότου οι ερευνητές λάβουν την ποσότητα καλιφόρνιο - ένα σπάνιο στοιχείο που παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες υψηλής ροής - που απαιτείται για τον στόχο του 120. «Μια περιορισμένη ποσότητα υλικού στόχου δημιουργεί τεχνικά προβλήματα που πρέπει να λύσουμε στο εγγύς μέλλον», λέει ο Γιούρι Ογκανεσσιάν από το Κοινό Ινστιτούτο Πυρηνικής Έρευνας της Ρωσίας (JINR), έδρα του SHEF. Το Oganessian είναι το ομώνυμο του oganesson, στοιχείο 118, που ανακαλύφθηκε το 2004 από την ομάδα του στο JINR και επί του παρόντος το πιο βαρύ που έχει κατασκευαστεί ποτέ.
Για να εξηγήσουν γιατί ορισμένοι πυρήνες είναι πιο σταθεροί από άλλους, οι θεωρητικοί πιστεύουν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια βρίσκονται σε «κελύφη», παρόμοια με τα τροχιακά κελύφη των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τον πυρήνα και καθορίζουν τη χημεία κάθε στοιχείου. Ακριβώς όπως ένα πλήρες κέλυφος ηλεκτρονίων παράγει ένα χημικά αδρανές ευγενές αέριο, ένα πλήρες κέλυφος πρωτονίων ή νετρονίων προσφέρει επιπλέον σταθερότητα και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Πυρήνες με πλήρες κέλυφος τόσο πρωτονίων όσο και νετρονίων, όπως το ήλιο-4 (ατομικός αριθμός 2), το οξυγόνο-16 (ατομικός αριθμός 8) και ο μόλυβδος-208 (ατομικός αριθμός 82)—γνωστοί ως πυρήνες «διπλής μαγικός»—είναι μεταξύ των τα πιο σταθερά ισότοπα στη φύση.
Αλλά η θεωρία μπορεί μόνο να προσεγγίσει τους μαγικούς αριθμούς για τα υπερβαριά στοιχεία. Το 1998, όταν η ομάδα του Oganessian στο JINR παρήγαγε για πρώτη φορά έναν μοναχικό πυρήνα του στοιχείου 114, τα πράγματα έμοιαζαν ελπιδοφόρα για ένα μαγικό κέλυφος 114 πρωτονίων:Το άτομο φάνηκε να επιβιώνει για περισσότερα από 30 δευτερόλεπτα - μια αιωνιότητα για ένα υπερβαρύ στοιχείο. Αλλά αυτή η μεγάλη διάρκεια ζωής δεν επαναλήφθηκε ποτέ, και τα περισσότερα από τα μισά άλλα επιβεβαιωμένα ισότοπα του flerovium δεν επιβιώνουν περισσότερο από 1 δευτερόλεπτο.
Έτσι, πέρυσι, μια ομάδα με επικεφαλής τους Rudolph και Christoph Düllmann από το Πανεπιστήμιο του Mainz έριξε άλλη μια ματιά στη σταθερότητα του flerovium με αναβαθμισμένους ανιχνευτές στο GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research στη Γερμανία. Εκτόξευσαν μια δέσμη ιόντων ασβεστίου-48 σε μεταλλικά φύλλα επικαλυμμένα με πλουτώνιο-242 και πλουτώνιο-244. Τα περισσότερα από τα ιόντα πέρασαν από τον στόχο, αλλά κατά τη διάρκεια μερικών εβδομάδων, μερικά συγκρούστηκαν με έναν πυρήνα πλουτωνίου και συντήχθηκαν σε φλερόβιο.
Αφού εκτινάχθηκαν από το φύλλο, οι φρέσκοι πυρήνες του φλεροβίου διαχωρίστηκαν από ιόντα δέσμης και άλλα συντρίμμια με ένα μαγνητικό πεδίο που εκτρέπει τα ιόντα ανάλογα με τη μάζα τους. Οι πυρήνες ήταν ενσωματωμένοι σε έναν ανιχνευτή σωματιδίων, ο οποίος χρονομέτρησε και μέτρησε τα προϊόντα αποσύνθεσης για να αποκαλύψει την ταυτότητα του υπερβαρύ πυρήνα—και πόσο καιρό έζησε.
Οι ερευνητές δημιούργησαν δύο άτομα flerovium-286 και 11 flerovium-288, ανέφερε η ομάδα τον περασμένο μήνα στο Physical Review Letters . Εντόπισαν μονοπάτια αποσύνθεσης των πυρήνων, συμπεριλαμβανομένου ενός που δεν είχε ξαναδεί, που δεν θα υπήρχε σε έναν σταθερό πυρήνα με πλήρες κέλυφος. Αυτές οι διαδρομές αποσύνθεσης είναι τόσο αποτελεσματικές, λέει ο Ρούντολφ, που κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το 114 "δεν είναι ένας ξεκάθαρος μαγικός αριθμός".
Ο Ογκανεσιάν δεν εκπλήσσεται. Λέει ότι οι θεωρητικοί πιστεύουν ότι η επιπλέον σταθερότητα που παρέχεται από ένα πλήρες κέλυφος πρωτονίου είναι «πολύ πιο αδύναμη και θολή», ενώ ένα πλήρες κέλυφος νετρονίων θα είχε πολύ μεγαλύτερη επίδραση στη σταθερότητα. Απογοητευτικά, το επόμενο πλήρες κέλυφος νετρονίων, στα 184, είναι προς το παρόν απρόσιτο:Οι ερευνητές δεν έχουν δημιουργήσει ποτέ πυρήνα με περισσότερα από 177 νετρόνια.
Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η αναζήτηση για μαγική σταθερότητα έχει τελειώσει. Τα βελτιωμένα δεδομένα της ομάδας GSI για το στοιχείο 114 θα βοηθήσουν τους θεωρητικούς να βελτιώσουν τα μοντέλα τους παρέχοντας "σημεία αγκύρωσης για τη θεωρία", λέει ο Rudolph. Οι νεότερες εκδόσεις του μοντέλου πυρηνικού κελύφους επικαλούνται κοχύλια σε σχήμα μπάλες ράγκμπι και άλλα σχήματα αντί για σφαίρες και προτείνουν ότι το πλήρες κέλυφος πρωτονίου βρίσκεται στην πραγματικότητα στο 120 ή 126, όχι στο 114.
Το να φτάσετε εκεί είναι το θέμα της σωστής δέσμης και των υλικών-στόχων συν την ένταση της δέσμης και τους μεγάλους χρόνους λειτουργίας. «Brute force», όπως την αποκαλεί ο Düllman. Λέει ότι τα στοιχεία 119 και 120 βρίσκονται πέρα από την κατανόηση της τρέχουσας εγκατάστασης GSI, αλλά θα πρέπει να είναι κοντά στο εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής RIKEN στην Ιαπωνία καθώς και στο SHEF. "Είμαι αρκετά πεπεισμένος ότι θα μας πάρουν 119 και 120."
