Nowoczesna alchemia? Nowa technika pozwala zbadać zsyntetyzowane pierwiastki

Podobnie jak średniowieczni alchemicy poszukujący sposobów na przemianę metali nieszlachetnych, takich jak ołów, w złoto, naukowcy w coraz większym stopniu koncentrują się na wytworzeniu i analizie pierwiastków superciężkich, które nie istnieją poza laboratorium. Pierwiastki superciężkie, zsyntetyzowane do formy pojedynczych atomów przy wykorzystaniu dużych akceleratorów, dostarczają naukowcom nowych danych na temat zachowania się materii we wszechświecie. Pierwiastki superciężkie znajdują się w dolnej części układu okresowego i zawierają dużą liczbę protonów w swoich jądrach. Nie występują one naturalnie w skorupie ziemskiej i mogą istnieć jedynie przez krótki czas w ściśle kontrolowanych warunkach. Są radioaktywne i ulegają szybkiemu rozkładowi. Często rozszczepiają się w ciągu kilku sekund, co pozostawia niewiele czasu na ich zbadanie.

Pracujący w ramach finansowanego ze środków UE projektu LRC zespół badaczy zaproponował nową technologię oceny widm jonów pierwiastków superciężkich o liczbach atomowych powyżej 102. Pojęcie widma odnosi się do charakterystycznych długości fal promieniowania elektromagnetycznego, emitowanego lub absorbowanego przez obiekt, substancję, atom bądź molekułę, przechodzące ze stanu wysokoenergetycznego do niższego stanu energetycznego. Wyniki badań naukowych zostały opublikowane w czasopismach „Physical Review Letters” i „Physical Review A”.

Jak napisano w komunikacie prasowym gospodarza projektu LRC, Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji (JGU), choć pierwiastki superciężkie odkryto już wiele dekad temu, badania nad nimi z wykorzystaniem narzędzi do spektroskopii optycznej pozostają „dalekie od ich zsyntezowania. Wynika to z tego, że powstają one w niezwykle niskim tempie, dla którego tradycyjne metody po prostu się nie sprawdzają. Do tej pory możliwości spektroskopii optycznej kończyły się na nobelium, pierwiastku 102 w układzie okresowym”. Cytowany w tym samym komunikacie prasowym dr Mustapha Laatiaoui komentuje: „Obecne techniki doszły do granicy swoich możliwości. Począwszy od następnego pierwiastka ciężkiego, właściwości fizyczno-chemiczne szybko się zmieniają i uniemożliwiają pobranie próbek w odpowiednim stanie atomowym”.Jak wyjaśniono w komunikacie prasowym JGU, nowe podejście naukowców do spektroskopii optycznej, oparte na wykorzystaniu chromatografii rezonansu laserowego (LRC), „łączy selektywność pierwiastka i spektralną precyzję spektroskopii laserowej ze spektrometrią masową ruchliwości jonów, a także korzyści płynące z wysokiej czułości z »łatwością« badania optycznego, podobnie jak w przypadku laserowej spektroskopii fluorescencyjnej”. Jak podano w tym samym komunikacie prasowym: „Głównym założeniem jest wykrycie produktów rezonansowego wzbudzenia optycznego nie na podstawie światła fluorescencyjnego, jak ma to zwykle miejsce, ale na podstawie ich charakterystycznego czasu znoszenia do detektora cząstek”.

Jak napisano w tym samym komunikacie prasowym, badanie objęło „pojedynczo naładowany lorens, pierwiastek 103, oraz jego lżejszy homolog chemiczny. Koncepcja oferuje jednak nieporównany dostęp do spektroskopii laserowej wielu jonów jednoatomowych w układzie okresowym, szczególnie w zakresie metali przejściowych, w tym metali ogniotrwałych i pierwiastków występujących za lorensem”. „Inne gatunki jonowe, takie jak potrójnie naładowany tor, również staną się dostępne w ramach podejścia LRC. Ponadto metoda pozwala zoptymalizować stopień zaszumienia sygnału, a zatem ułatwić spektrometrię ruchliwości jonów, skład chemiczny jonów w zależności od stanu skupienia i inne zastosowania”.

Naukowcy uważają, że spektroskopowa charakterystyka pierwiastków superciężkich jest kluczowa dla kosmologii, astrofizyki i rozwoju teorii struktur atomowych. Badacze planują wykorzystać nową technikę do badania innych pierwiastków superciężkich, występujących za lorensem. Projekt LRC (Laser Resonance Chromatography of Superheavy Metals) będzie realizowany do maja 2024 roku.