Nieuw superzwaar isotoop onthult complexe relatie tussen kwantumeffecten en kernsplijting

30 juni 2025 functie

door Tejasri Gururaj, Phys.org

bijdragende schrijver

bewerkt door Sadie Harley, beoordeeld door Robert Egan

wetenschappelijk redacteur

redacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen belicht terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

feitengecheckt

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

nagekeken

In een studie gepubliceerd in Physical Review Letters hebben wetenschappers bij GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung een nieuw superzwaar isotoop ontdekt, 257Sg (seaborgium), waarvan de eigenschappen nieuwe inzichten bieden in de stabiliteit en splijting van kernen in de zwaarste elementen.

Superzware elementen bestaan in een delicate balans tussen de aantrekkende kernkracht die protonen en neutronen bij elkaar houdt en de afstotende elektromagnetische kracht die positief geladen protonen van elkaar duwt.

Zonder kwantumschil-effecten, analoog aan elektronschillen in atomen, zouden deze massieve kernen uit elkaar vallen in minder dan een biljoenste van een seconde.

Phys.org sprak met mede-auteurs Dr. Pavol Mosat en Dr. J. Khuyagbaatar van GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Duitsland, over hun werk.

De studie onthult ons onvolledige begrip van hoe de meest extreme atomaire kernen zich gedragen, waarbij de bevindingen suggereren dat de kwantumeffecten die voorkomen dat superzware kernen onmiddellijk desintegreren mogelijk anders werken dan voorheen werd gedacht.

Het internationale onderzoeksteam gebruikte de gasgevulde terugschietende separator TASCA van GSI om 257Sg te creëren door fusiereacties tussen chroom-52 en lood-206 kernen.

Ze ontdekten dat het nieuwe isotoop 12,6 milliseconden leeft, langer dan zijn zelfs-even buurman 258Sg, en vervalt via zowel spontane splijting als alfa-deeltjesemissie.

De alfadegradatieroute was bijzonder onthullend. Wanneer 257Sg een alfa-deeltje uitzendt, transformeert het in 253Rf (rutherfordium), dat vervolgens na slechts 11 microseconden splijt.

Deze waarneming ondersteunt recente bevindingen die de traditionele opvatting over hoe hoekimpuls fission beïnvloedt, in twijfel trekken. Hoewel verwacht werd dat hogere K kwantumgetallen een sterkere fission hinder zouden bieden, suggereren opkomende gegevens dat deze relatie complexer kan zijn dan voorheen werd gedacht.

'We hebben 257Sg- en 253Rf-isotopen bestudeerd en vastgesteld dat K-kwantumgetallen fission inderdaad belemmeren,' zei Mosat. 'Echter, de absolute waarde van de belemmeringen is nog onbekend.'

Mogelijk nog belangrijker was de ontdekking van de eerste K-isomerische toestand in een seaborgium isotoop door het team. K-isomeren zijn speciale nucleaire configuraties met een hoge hoekimpuls die splijting veel effectiever weerstaan dan gewone nucleaire toestanden.

In 259Sg detecteerden de onderzoekers een conversie-elektronsignaal dat 40 microseconden na nucleaire vorming verscheen, sterk bewijs voor een K-isomerische toestand die stabiel zou kunnen zijn tegen de splijting honderden keren langer dan de grondtoestand.

'K-isomere toestanden zijn al waargenomen in superzware kernen zoals 252–257Rf en 270Ds,' merkte Khuyagbaatar op. 'We hebben K-isomeer uitsluitend waargenomen in kernen met 106 protonen, dat wil zeggen, in Sg-isotopen voor het eerst.'

Deze bevinding vult een cruciale lacune op in het begrip van wetenschappers over superzware elementen en kan diepgaande implicaties hebben voor toekomstige inspanningen op het gebied van elementenontdekking.

De ontdekking komt op een kritiek moment in het onderzoek naar superzware elementen.

Wetenschappers hebben lang gezocht naar de theoretische 'eiland van stabiliteit', een regio waar bepaalde superzware kernen mogelijk langere tijd bestaan vanwege gunstige schileffecten. Echter, de nieuwe bevindingen suggereren dat dit landschap mogelijk complexer is dan verwacht.

'Het kan gebeuren dat de superzware kern, bijvoorbeeld een isotoop van een nog niet ontdekt element, minder dan 1 μs [microseconde] leeft,' legde Khuyagbaatar uit.

'Als dat het geval is, dan zal de ontdekking van element 120 waarschijnlijk te maken krijgen met scheiding en detectie-uitdagingen. Echter, als er een K-isomere toestand in deze kern bestaat, zou deze langer kunnen leven, zoals we onlangs hebben aangetoond met 252Rf.'

De onderzoekers schatten dat het nog niet ontdekte 256Sg mogelijk een dramatisch kortere halveringstijd zou kunnen hebben dan theoretische voorspellingen suggereren, mogelijk van voorspelde 6 microseconden tot slechts één nanoseconde.

Zo'n significante afwijking in stabiliteit zou een belangrijk nieuw inzicht betekenen in de kernfysica.

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Schrijf je in voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen—dagelijks of wekelijks.

Het experimentele succes vereiste het overwinnen van aanzienlijke technische uitdagingen. Werken met kernen die slechts enkele milliseconden bestaan, vereiste buitengewoon snelle detectiesystemen en nauwkeurige timing.

'In het geval van kortlevende kernen is het erg belangrijk om een relatief kort lengtescheider te hebben en, nog belangrijker, om snelle digitale elektronica te hebben die radioactieve verval signalen kan ontwarren tot ongeveer 100 ns,' legde Khuyagbaatar uit.

Het team ontwikkelde gespecialiseerde digitale elektronica bij GSI die cruciaal zijn gebleken voor meerdere ontdekkingen van superzware elementen.

De volgende doelstelling van het team is om 256Sg te synthetiseren om te testen of de voorspelde dramatische afname in stabiliteit daadwerkelijk plaatsvindt.

'Inderdaad, we zullen proberen verdere gevallen van langlevende K-isomere toestanden in superzware kernen te verkennen,' zei Mosat. 'Wat betreft het huidige onderwerp, ons eerstvolgende plan zal zijn om te proberen het volgende onbekende 256Sg te synthetiseren.'

Geschreven voor u door onze auteur Tejasri Gururaj, bewerkt door Sadie Harley , en gecontroleerd en beoordeeld door Robert Egan —dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals u om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek in leven te houden. Als deze berichtgeving voor u belangrijk is, overweeg dan een donatie (vooral maandelijks). Als dank krijgt u een advertentievrije account.

Meer informatie: P. Mosat et al, Probing the Shell Effects on Fission: The New Superheavy Nucleus 257Sg, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/s7hr-y7zq

Tijdschriftinformatie: Physical Review Letters

© 2025 Science X Network