De zwaarste atomen in de schijnwerpers

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "De zwaarste atomen in de schijnwerpers"

Anna Cools
6 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 De zwaarste atomen in de schijnwerpers Extra informatie: Waar eindigt de tabel van Mendelejev? In december 2016 werden aan de tabel van Mendelejev vier elementen toegevoegd: Nihonium (Nh met Z = 113 protonen), Moscovium (Ms Z=115), Tennessine (Ts Z=117) en Oganesson (Og Z=118). Dit is het resultaat van jarenlange meetcampagnes gebruik makend van de krachtigste deeltjesversnellers en is een belangrijke stap in de zoektocht naar het zogenaamde Island of Stability, een eiland op de kernkaart van verhoogd verzet tegen radioactief verval. In zeer zware atoomkernen wordt de afstotende Coulombkracht tussen de protonen van dezelfde grootteorde als de aantrekkende kernkracht tussen de nucleonen en het bestaan van het eiland van superzware elementen hangt af van een delicate balans tussen deze twee tegenwerkende krachten. De zoektocht naar nieuwe elementen gaat onverminderd voort want eerste tekenen die aangeven dat het eiland in zicht komt, werden waargenomen. Echter de huidige kernfysische modellen slagen er niet in slagen om nauwkeurige voorspellingen te doen over bijvoorbeeld de exacte plaats van dit eiland. Zij moeten verbeterd worden en dit kan door een toetsing met de resultaten van precisie metingen in het actinide en trans-actinide gebied, Z 89. Maar ook voor de atomaire fysica en chemie zijn de eigenschappen van de zwaarste atomen belangrijk. Relativistische effecten, die bv. maken dat goud geel is en zilvergrijs, beïnvloeden de elektronbanen van de zwaarste elementen waardoor de periodische opbouw van de tabel van Mendelejev die tot hiertoe als robuust verondersteld werd voor de zwaarste elementen niet meer opgaat. Ook hier moeten de meest avanceerde atomaire and chemische modellen verder verbeterd worden door de chemische en atomaire eigenschappen van de zwaarste elementen op te meten. Met laserspectroscopie kunnen we de elektronbanen van de atomen onderzoeken en dus rechtstreeks informatie inwinnen over de atomaire structuur en onrechtstreeks over de chemische en kernfysische structuur. Maar daar het overgrote deel van de atoomkernen met Z 89 niet op aarde voorkomen en, zelfs met de krachtigste versnellers, slechts in minuscule hoeveelheden aangemaakt kunnen worden, moet een nieuwe laser spectroscopische techniek ontwikkeld worden die efficiënt, precies en algemeen toepasbaar is. Met de in-gas cel techniek zijn we er voor het eerst in geslaagd om de eerste atomaire transities in nobelium (Z=102) op te meten en met de in-gas jet techniek hebben we een nieuwe methode ontwikkeld die de metingen met een factor tien zal verbeteren.

2 Het bovenste deel van de kernkaart, eigenlijk een uitgeklapte versie van de tabel van Mendelejev. Het aantal protonen bepaalt het element. Elk isotoop wordt voorgesteld door een vakje en alle isotopen van eenzelfde element worden naast elkaar getekend. De actinium (89 protonen) en nobelium (102 protonen) isotopen waarop laserspectroscopie experimenten werden uitgevoerd worden in het geel aangeduid. Ook worden de meest recent ontdekte elementen aangegeven: nihonium (113 protonen), moscovium (115 protonen) tennessine (117 protonen) en oganesson (118 protonen). Deze laatste liggen naast het eiland van stabiliteit, waar langerlevende isotopen verwacht worden. (Figuur gebaseerd op tekening van Yuri Oganessian). Hoe radioactieve kernen produceren en bestuderen? Op de keper beschouwd is geen enkel element van de actinide groep stabiel te noemen: ze zijn allemaal onderhevig aan spontaan radioactief verval maar de levensduur van enkele isotopen van uranium en thorium is zo lang dat ze toch op aarde voorkomen. De rest moet artificieel aangemaakt worden om ze te kunnen bestuderen. Dit kan gebeuren in kernreacties waarbij een trefschijf beschoten wordt door deeltjes 254 geproduceerd in een deeltjesversneller. Zo werd het No (nobelium) isotoop aan de GSIdeeltjesversneller in Darmstadt, Duitsland, geproduceerd door een 48 Ca (calcium) bundel te schieten op een 208 Pb (lood) trefschijf. Die twee kernen smelten samen tot 256 No en na het afdampen van twee neutronen bereiken we 254 No. Deze kern heeft een halfwaardetijd van 51.2 s, tijd genoeg om uit de trefschijf te vliegen, gezuiverd te worden om finaal te stoppen in een argon gas waar het laserexperiment plaatsvond. Het 0.17 s levende 215 Ac (actinium) werd in Louvain-la-Neuve, België geproduceerd door een 197 Au (goud) trefschijf te beschieten met 22 Ne (neon), versneld door het CYCLONE-cyclotron. Ook hier wordt het gestopt in een gas maar nu gebeurt het laserexperiment in de supersonische gas jet. Laserionisatie en laserspectroscopie

3 Laserionisatie maakt gebruik van de eigenschappen van de elektronen die rond de atoomkern bewegen. Omwille van de wetten van de kwantummechanica kan de energie van die elektronen enkel bepaalde waardes aannemen. Een gevolg hiervan is dat de energie van het elektron enkel in discrete sprongen kan verhoogd worden, bijvoorbeeld door energie te absorberen uit de omgeving. Dit kan onder andere gebeuren door een foton met precies de juiste energie op te nemen. In de technieken die werden toegepast in dit onderzoek werden dergelijke fotonen geproduceerd door diverse lasers. Door 2 lasers (met precies afgestemde kleuren) te gebruiken kon de energie van een elektron van actinium of nobelium stapsgewijs verhoogd worden. Zodra de energie van dit elektron voldoende hoog is, wordt het losgetrokken van het atoom, waardoor het atoom dus een geladen ion wordt. Dit proces, waarbij een atoom door een interactie met 1 of meer laserfotonen geïoniseerd wordt, noemen we laserionisatie. Laserionisatie kan ook gebruikt worden om informatie te verzamelen over de eigenschappen van de protonen en neutronen in de kern van het atoom. Als die kern bijvoorbeeld magnetische eigenschappen heeft zal dit de kleine veranderingen teweegbrengen in de toegelaten energieën van de elektronen. Door de golflengte van de fotonen van 1 van de 2 lasers te variëren kunnen die veranderingen opgemeten worden: enkel als een foton exact de juiste energie heeft zal dit foton door het atoom geabsorbeerd worden en zal het atoom geïoniseerd worden. Door te tellen hoeveel ionen voor iedere laserfrequentie geproduceerd worden, kunnen de energieën van de elektronbanen met een grote precisie bepaald worden. Dit laat op zijn beurt toe om de structuur van de atoomkern te bestuderen.

4 De laseropstelling in Leuven (Bron: Marilyn De Smet - aboutmary.be) Camilo Granados Buitrago, een Leuvense doctoraatsstudent, bij de laseropstelling (Bron: Marilyn De Smet - aboutmary.be)

5 Optische cel gebruikt voor de laserspectroscopie van nobelium. (Bron: G. Otto, GSI) De voordelen van een gasjet In een laserspectroscopie-experiment wordt de golflengte van de laserfotonen gevarieerd met slechts enkele tienduizendsten van een nanometer per stap. Bij een experiment met zulke grote precisie, wordt de gevoeligheid waarmee de resonantiegolflengte kan bepaald worden, gedicteerd door de uniformiteit van de isotopen die worden beschenen door het laserlicht. Zo zorgen bijvoorbeeld de willekeurige thermische beweging en het grote aantal botsingen tussen verschillende deeltjes in een gas-cel op kamertemperatuur en onder een gasdruk van enkele honderden mbar al voor een beperking op de precisie. Dit komt onder andere door het Dopplereffect, waarbij deeltjes met een verschillende bewegingsrichting of snelheid de golflengte anders waarnemen. In KU Leuven wordt gewerkt aan de ontwikkeling van een nieuwe laserspectroscopie-techniek in een gas jet die de precisie kan verbeteren met meer dan een factor 10 ten opzichte van de in-gas cel techniek zonder te moeten inboeten op vlak van efficiëntie. In deze nieuwe techniek creëert een speciaal ontworpen gasuitlaat (een de-laval nozzle ) een uiterst uniforme en supersonische jet van gas waarin de deeltjes worden beschenen met het laserlicht. Omdat de temperatuur in deze jet slechts ~20 K (dit is -253 o C) bedraagt en het aantal botsingen met een factor 100 tot 1000 vermindert ten opzichte van de in-gas cel techniek, verhoogt de precisie van het experiment aanzienlijk. Met de in-gas cel techniek slaagden we erin voor het eerst spectroscopie toe te passen op het zware element Nobelium, en met het experiment op Actinium toonden we voor het eerst aan dat de nieuwe in-gas jet techniek aan alle vooropgestelde verwachtingen voldoet. Aan de KU Leuven wordt ondertussen verder onderzoek verricht om de nieuwe techniek volledig te karakteriseren en te optimaliseren met als doel hem als standaardtechniek te implementeren in huidige en toekomstige onderzoeksfaciliteiten.

6 Formatie van supersonische gas jets door een de Laval nozzle.

7 a) Deel van de experimentele opstelling voor de studie van supersonische gas jets waar een de Laval nozzle te zien is aan het uiteinde van de gas cel. b) Foto van een dichtheidsprofiel van een supersonische gas jet bekomen met laser-geïnduceerde fluorescentie op stabiele koperatomen in niet-ideale experimentele omstandigheden. Zulke omstandigheden resulteren in een inhomogene jetstructuur met hoge temperatuur- en dichtheidsregio s en in een verminderde spectrale resolutie. c) Het afstemmen van de jetdruk met de achtergronddruk produceert daarentegen zeer uniforme temperatuur- en dichtheidsdistributies langsheen de jet hetgeen de totale efficientie en de spectrale resolutie significant verbetert.

Vergelijkbare documenten

Bijkomende informatie over de publicaties in Nature en Nature Communications

Bijkomende informatie over de publicaties in Nature en Nature Communications Achtergrond Kernfysici bestuderen allerlei eigenschappen van atoomkernen. Voor de onderzoeksgroep van Mark Huyse en Piet Van