Physiker, die das FIONA-Gerät (For the Identification Of Nuclide A) am 88-Zoll-Zyklotron des Lawrence Berkeley National Laboratory des Department of Energy verwenden, haben die ersten direkten Messungen der Massenzahlen für die Kerne von Nihonium (Nh, Element 113) und Moskovium (Mc, Element 115) durchgeführt.

“Die Massenzahl und die Ordnungszahl (oder ‘Z’) – ein Maß für die Gesamtzahl der Protonen im Atomkern eines Atoms – von superschweren Elementen haben sich auf die Genauigkeit von nuklearen Massenmodellen verlassen”, sagte Dr. Ken Gregorich, ein kürzlich pensionierter leitender Wissenschaftler in der Nuclear Science Division des Berkeley Lab.

“Deshalb ist es wichtig, einen zuverlässigen Weg zu haben, diese Zahlen mit Experimenten zu messen, falls es ein Problem mit Modellen gibt.”

“Zum Beispiel könnten superschwere Elemente möglicherweise unerwartete Kernformen oder Dichten von Protonen und Neutronen aufweisen, die in den Modellen nicht berücksichtigt werden.”

Um Moskovium herzustellen, bombardierten die Wissenschaftler des Berkeley Lab am 88-Zoll-Zyklotron ein aus Americium bestehendes Ziel mit einem Partikelstrahl, der aus dem seltenen Isotop Calcium-48 erzeugt wurde.

Für jedes Atom, das von FIONA gefangen und gemessen wird, gibt es eine eindeutige Loopingsignatur – ein bisschen so, als würde man einen festen Punkt auf einem Fahrradreifen beobachten, während das Fahrrad vorwärts rollt. Die Trajektorie dieses Schleifenverhaltens bezieht sich auf das atomare “Masse-Ladungs-Verhältnis” – der Zeitpunkt und die Position des im Detektor gemessenen Energiesignals sagt den Physikern die Massenzahl.

Im Idealfall umfasst die Messung mehrere Schritte in der Zerfallskette der Partikel: Moscovium hat eine Halbwertszeit von etwa 160 Millisekunden, was bedeutet, dass ein Atom eine 50%ige Chance hat, alle 160 Millisekunden zu einem anderen Element zu zerfallen, das als Tochterelement in der Zerfallskette bekannt ist.

Das Erfassen seiner Energiesignatur in mehreren Schritten in dieser Zerfallskette kann bestätigen, welches übergeordnete Atom diese Kaskade begonnen hat.

“Wir versuchen seit vielen Jahren, die Massenzahl und die Protonenzahl hier zu bestimmen”, sagte Dr. Paul Fallon, Senior Scientist in der Nuclear Science Division des Berkeley Lab.

“Die Empfindlichkeit des Detektors hat sich ständig verbessert, ebenso wie die Fähigkeit, einzelne Atome von anderen Geräuschen zu isolieren. Jetzt haben wir unsere ersten endgültigen Messungen.”

Im ersten wissenschaftlichen Lauf von FIONA identifizierten die Forscher ein Moskowiumatom und die damit verbundenen Zerfalls-Töchter sowie ein Nihoniumatom und seine Zerfalls-Töchter.

Die Messungen der Atome und der Zerfallsketten bestätigen die vorhergesagten Massenzahlen für beide Elemente.

Während die Physiker nur die Eigenschaften eines Moskowiumatoms zu erzeugen und zu messen suchten, konnten sie auch eine Messung für Nihonium bestätigen, nachdem ein Moskowiumatom vor Erreichen von FIONA in Nihonium zerfallen war.

“Der Erfolg dieser ersten Messung ist unglaublich spannend”, sagte Dr. Jennifer Pore, Postdoktorandin am Berkeley Lab.

“Die einzigartigen Fähigkeiten von FIONA haben eine neue Renaissance der superschweren Elementforschung am 88-Zoll-Zyklotron ausgelöst.”

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.