Un team di scienziati che lavorano al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha scoperto una nuova forma dell'elemento mendelevio creato dall'uomo. L'isotopo appena creato, mendelevio-244, è la 17a e più leggera forma di mendelevio, che è l'elemento 101 della tavola periodica.

Mendelevium è stato creato per la prima volta dagli scienziati del Berkeley Lab nel 1955 (vedi un video correlato), ed è tra una lista di altri 16 elementi che gli scienziati del Berkeley Lab hanno scoperto o aiutato a scoprire. Un isotopo è una forma di un elemento con più o meno neutroni (particelle non cariche) nel suo nucleo atomico rispetto ad altre forme di un elemento.

Nell'ultima scoperta, il team ha utilizzato il ciclotrone da 88 pollici di Berkeley Lab, che accelera potenti fasci di particelle cariche sui bersagli per creare atomi di elementi più pesanti, per fare il mendelevio-244. Un ciclotrone è un tipo di acceleratore di particelle inventato dall'omonimo del laboratorio, Ernest O. Lawrence, nel 1930.

I team guidati dal Berkeley Lab hanno ora scoperto 12 dei 17 isotopi del mendelevio, e hanno scoperto un totale di 640 isotopi, circa un quinto di tutti gli isotopi conosciuti e di gran lunga il conteggio più alto per un singolo istituto. Alla fine del 2019 erano 3, 308 isotopi noti. La scoperta del nuovo isotopo è la prima da parte di un team guidato dal Berkeley Lab dal 2010.

"È stato difficile scoprire questo nuovo isotopo del mendelevio perché tutti gli isotopi del mendelevio vicini hanno proprietà di decadimento molto simili, " ha detto Jennifer Pore, uno scienziato del progetto Berkeley Lab che ha guidato lo studio che dettaglia la scoperta dell'isotopo. Il decadimento alfa descrive il processo mediante il quale un elemento radioattivo come il mendelevio si scompone in elementi più leggeri nel tempo.

In totale, il team ha misurato le proprietà di 10 atomi di mendelevio-244 per lo studio, apparso oggi sul giornale Lettere di revisione fisica .

"Ogni isotopo rappresenta una combinazione unica di protoni e neutroni, "Pore ha detto. "Quando viene scoperto un nuovo isotopo, quella particolare combinazione di protoni (particelle cariche positivamente) e neutroni non è mai stata osservata. Gli studi su queste combinazioni estreme sono fondamentali per la nostra comprensione di tutta la materia nucleare".

Oltre a scoprire il nuovo isotopo, il lavoro del gruppo di ricerca ha anche fornito la prima prova diretta di un processo di decadimento che coinvolge un isotopo dell'elemento berkelio. Il team includeva scienziati dell'UC Berkeley, Laboratorio Nazionale Lawrence Livermore, Università statale di San José, e l'università svedese di Lund.

I ricercatori hanno trovato prove che il mendelevio-244 ha due catene separate di decadimento, ciascuno porta a una diversa emivita:0,4 secondi e 6 secondi, basata su diverse configurazioni energetiche delle particelle nel suo nucleo. Un'emivita è il tempo necessario perché il numero di atomi di un elemento radioattivo si dimezzi mentre i loro nuclei decadono in altri, nuclei più leggeri.

In una misurazione separata derivante dallo stesso studio, i ricercatori hanno trovato la prima prova del processo di decadimento alfa del berkelio-236, un isotopo dell'elemento berkelio, mentre si trasforma in americio-232, un isotopo leggermente più leggero. Il berkelio è stato scoperto nel 1949 da un team guidato dal Berkeley Lab.

Al centro della scoperta dell'isotopo c'era uno strumento al ciclotrone da 88 pollici chiamato FIONA, o Per l'identificazione del nuclide A. La "A" in FIONA rappresenta il numero di massa di un elemento, che è il numero totale di protoni (particelle cariche positivamente) e neutroni (particelle non cariche) nel nucleo di un atomo. Il numero di massa del nuovo isotopo è 244.

"Lo strumento più importante che abbiamo avuto in questa scoperta è stato FIONA, " disse Poro, che faceva anche parte del team che ha assistito ai test e all'avvio di FIONA. FIONA ha misurato con precisione il numero di massa del nuovo isotopo.

Barbara Jacak, Direttore della divisione di scienze nucleari presso il Berkeley Lab, disse, "Abbiamo creato FIONA per consentire scoperte come questa, ed è emozionante vedere questo strumento fare il suo passo".

Michael Thoennessen, un Distinguished Professor universitario presso la Michigan State University che è in licenza per servire come redattore capo dell'American Physical Society, mantiene un elenco di scoperte di isotopi e osserva che l'elenco dei nuovi isotopi è stato più sottile del solito negli ultimi anni.

"Le scoperte di isotopi sono cicliche e dipendono da nuovi acceleratori e importanti progressi nello sviluppo di apparecchiature sperimentali, " ha detto. FIONA di Berkeley Lab e la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), una struttura per gli utenti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti in fase di sviluppo presso la Michigan State University, sono capacità uniche "con un grande potenziale di scoperta" per diversi tipi di nuovi isotopi negli Stati Uniti, ha notato.

Per garantire che le misurazioni di FIONA fossero accurate, il team di ricerca ha prima misurato le proprietà di decadimento e il numero di massa degli isotopi di mendelevio noti, compreso il mendelevio-247, mendelevio-246, e mendelevio-245.

"Una volta che eravamo sicuri di essere esperti nelle proprietà di questi isotopi leggeri del mendelevio, abbiamo tentato l'esperimento per scoprire l'isotopo mendelevio-244 precedentemente non osservato, " Pore ha detto. "Senza la conferma diretta che avevamo prodotto un isotopo con un numero di massa di 244, sarebbe stato molto difficile districare i risultati e dimostrare la scoperta".

Per creare tali isotopi esotici - anche la forma più leggera conosciuta di mendelevio è ancora più pesante dell'uranio naturale - gli scienziati hanno prodotto un fascio di particelle al ciclotrone da 88 pollici contenente particelle cariche di argon-40, un isotopo di argon, e diresse il raggio su un bersaglio a lamina sottile composto da bismuto-209, un isotopo del bismuto.

Occasionalmente in questi esperimenti, un nucleo nel fascio di particelle ad alta energia colpisce direttamente e si fonde con un nucleo nella lamina bersaglio, producendo un singolo atomo di un elemento più pesante. E per un isotopo con un'emivita molto breve, è una corsa per prendere le misure di un atomo prima che decada in qualcos'altro.

Il ciclotrone da 88 pollici di Berkeley ha un altro strumento a monte di FIONA chiamato separatore a gas di Berkeley. Il separatore aiuta a estrarre gli atomi rilevanti che possono essere misurati rapidamente e individualmente in dettaglio con FIONA.

I ricercatori possono proseguire altri studi sul mendelevio-244 con altra strumentazione per cercare di saperne di più sulla sua struttura, ha detto Poro.

E ora che FIONA ha dimostrato il suo valore nella scoperta degli isotopi, I ricercatori del Berkeley Lab stanno mettendo gli occhi su altri nuovi isotopi. "Stiamo già pianificando studi simili lungo altre catene isotopiche per scoprire nuovi isotopi, " disse Poro.