Ett team av forskare som arbetar vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt en ny form av det mänskligt tillverkade grundämnet mendelevium. Den nyskapade isotopen, mendelevium-244, är den 17:e och lättaste formen av mendelevium, vilket är element 101 i det periodiska systemet.

Mendelevium skapades först av Berkeley Lab-forskare 1955 (se en relaterad video), och är bland en lista med 16 andra element som Berkeley Lab-forskare upptäckte eller hjälpte till att upptäcka. En isotop är en form av ett grundämne med fler eller färre neutroner (oladdade partiklar) i sin atomkärna än andra former av ett grundämne.

I den senaste upptäckten, teamet använde Berkeley Labs 88-tums cyklotron, som accelererar kraftfulla strålar av laddade partiklar vid mål för att skapa atomer av tyngre element, att göra mendelevium-244. En cyklotron är en typ av partikelaccelerator som uppfanns av labbets namne, Ernest O. Lawrence, år 1930.

Berkeley Lab-ledda team har nu upptäckt 12 av de 17 mendelevium-isotoperna, och har upptäckt totalt 640 isotoper - ungefär en femtedel av alla kända isotoper och det överlägset högsta antalet för en enskild institution. I slutet av 2019 fanns det 3, 308 kända isotoper. Den nya isotopupptäckten är den första av ett team som leds av Berkeley Lab sedan 2010.

"Det var utmanande att upptäcka denna nya isotop av mendelevium eftersom alla intilliggande mendelevium-isotoper har mycket liknande sönderfallsegenskaper, "sa Jennifer Pore, en Berkeley Lab-projektforskare som ledde studien som beskriver isotopens upptäckt. Alfasönderfall beskriver processen genom vilken ett radioaktivt grundämne som mendelevium bryts ner till lättare grundämnen med tiden.

Totalt, laget mätte egenskaperna hos 10 atomer av mendelevium-244 för studien, som publicerades i dagboken idag Fysiska granskningsbrev .

"Varje isotop representerar en unik kombination av protoner och neutroner, " sa Pore. "När en ny isotop upptäcks, den speciella kombinationen av protoner (positivt laddade partiklar) och neutroner har aldrig observerats. Studier av dessa extrema kombinationer är avgörande för vår förståelse av all kärnämne."

Förutom att upptäcka den nya isotopen, forskargruppens arbete gav också de första direkta bevisen för en sönderfallsprocess som involverade en isotop av grundämnet berkelium. Teamet inkluderade forskare från UC Berkeley, Lawrence Livermore National Laboratory, San Jose State University, och Sveriges Lunds universitet.

Forskare fann bevis för att mendelevium-244 har två separata sönderfallskedjor, var och en leder till olika halveringstid:0,4 sekunder och 6 sekunder, baserat på olika energikonfigurationer av partiklar i dess kärna. En halveringstid är den tid det tar för ett radioaktivt elements antal atomer att halveras när deras kärnor sönderfaller till andra, lättare kärnor.

I en separat mätning som härrör från samma studie, forskarna hittade de första bevisen för alfasönderfallsprocessen för berkelium-236, en isotop av grundämnet berkelium, när det omvandlas till americium-232, en något lättare isotop. Berkelium upptäcktes 1949 av ett team som leds av Berkeley Lab.

Centralt för isotopens upptäckt var ett instrument vid 88-tums cyklotron som heter FIONA, eller för identifiering av nuklid A. "A" i FIONA representerar ett grundämnes massnummer, vilket är det totala antalet protoner (positivt laddade partiklar) och neutroner (oladdade partiklar) i en atoms kärna. Den nya isotopens massnummer är 244.

"Det viktigaste verktyget som vi hade i denna upptäckt var FIONA, sade Pore, som också ingick i teamet som hjälpte till vid FIONAs testning och uppstart. FIONA mätte exakt masstalet för den nya isotopen.

Barbara Jacak, Nuclear Science Division direktör på Berkeley Lab, sa, "Vi byggde FIONA för att möjliggöra upptäckter som denna, och det är spännande att se det här instrumentet slå sitt steg."

Michael Thoennessen, en framstående universitet vid Michigan State University som är ledig för att fungera som chefredaktör för American Physical Society, upprätthåller en lista över isotopfynd och noterar att listan över nya isotoper har varit tunnare än vanligt under de senaste åren.

"Isotopupptäckter är cykliska och beror på nya acceleratorer och stora framsteg inom utveckling av experimentell utrustning, sa han. Berkeley Labs FIONA och Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), en anläggning för användare av US Department of Energy under utveckling vid Michigan State University, är unika möjligheter "med stor upptäcktspotential" för olika typer av nya isotoper i USA, noterade han.

För att säkerställa att FIONAs mätningar var korrekta, forskargruppen mätte först sönderfallsegenskaperna och massantal av kända mendeleviumisotoper, inklusive mendelevium-247, mendelevium-246, och mendelevium-245.

"När vi var övertygade om att vi var väl insatta i egenskaperna hos dessa lätta mendeleviumisotoper, vi försökte experimentet för att upptäcka den tidigare oobserverade isotopen mendelevium-244, " sa Pore. "Utan den direkta bekräftelsen att vi hade producerat en isotop med ett masstal på 244, det skulle ha varit mycket svårt att reda ut resultaten och bevisa upptäckten."

För att skapa sådana exotiska isotoper – även den lättaste kända formen av mendelevium är fortfarande tyngre än naturligt förekommande uran – producerade forskare en partikelstråle vid 88-tumscyklotronen som innehöll laddade partiklar av argon-40, en isotop av argon, och riktade strålen mot ett tunt foliemål bestående av vismut-209, en isotop av vismut.

Ibland i dessa experiment, en kärna i högenergipartikelstrålen träffar direkt och smälter samman med en kärna i målfolien, producerar en enda atom av ett tyngre grundämne. Och för en isotop med en mycket kort halveringstid, det är en kapplöpning att ta mätningar av en atom innan den sönderfaller till något annat.

Berkeleys 88-tums cyklotron har ett annat verktyg uppströms FIONA som kallas Berkeley Gas-Filled Separator. Separatorn hjälper till att dra ut de relevanta atomerna som snabbt och individuellt kan mätas i detalj med FIONA.

Forskare kan fortsätta andra studier av mendelevium-244 med annan instrumentering för att försöka lära sig mer om dess struktur, sa Pore.

Och nu när FIONA har visat sitt värde i isotopupptäckt, Berkeley Lab -forskare siktar på andra nya isotoper. "Vi planerar redan liknande studier längs andra isotopkedjor för att upptäcka nya isotoper, sa Pore.