De zwaarste atomen in de schijnwerpers

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.
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
geproduceerd in een deeltjesversneller. Zo werd het 254No (nobelium) isotoop aan de GSIdeeltjesversneller in Darmstadt, Duitsland, geproduceerd door een 48Ca (calcium) bundel te schieten op
een 208Pb (lood) trefschijf. Die twee kernen smelten samen tot 256No en na het afdampen van twee
neutronen bereiken we 254No. 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 215Ac (actinium) werd in Louvain-la-Neuve, België geproduceerd door een
197
Au (goud) trefschijf te beschieten met 22Ne (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
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.
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)
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 oC) 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.
Formatie van supersonische gas jets door een de Laval nozzle.
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.