Odvindingen af element 117, et syntetisk grundstof, der ikke findes i naturen, krævede mange års forskningssamarbejde mellem snesevis af forskere fra flere internationale institutioner.
Det eksperiment, der gav de første beviser på element 117, kunne ikke have fundet sted uden flere videnskabelige faciliteter i verdensklasse, herunder et unikt acceleratorkompleks i Rusland og atomforskningsreaktoren og forarbejdningsfaciliteterne på Oak Ridge National Laboratory i det amerikanske energiministerium.
ORNL er det eneste sted i verden, der kan producere tilstrækkelige mængder af det radioaktive element berkelium, et syntetisk element, der er afgørende for skabelsen af element 117. Berkelium er et biprodukt fra produktionen af californium i ORNL’s højflux-isotopreaktor (HFIR).
Vanderbilt University-professor Joe Hamilton bemærkede, da californiumproduktionen blev genoptaget på ORNL i 2008 og introducerede ORNL’s Jim Roberto til Yuri Oganessian, som med succes var pioner inden for “hot fusion”-metoden til at syntetisere supertunge grundstoffer ved at bombardere actinidmål med tunge ioner, der accelereres i en cyklotron på Joint Institute for Nuclear Research i Dubna, Rusland. Dette møde dannede grundlaget for det igangværende samarbejde mellem de tre institutioner. Oganessians tidligere arbejde førte til opdagelsen af grundstofferne 114, 116 og 118 i 2000-2004 i samarbejde med Lawrence Livermore National Laboratory. Aktinid-målmaterialer til alle disse opdagelser kom fra ORNL og Dimitrovgrad i Rusland. Men identifikation af grundstof 117 var ikke mulig uden berkelium.
ORNL og JINR blev i december 2008 formelt enige om at samarbejde om forskning i supertunge grundstoffer, herunder produktion af berkelium-målmateriale ved ORNL og deltagelse i acceleratoreksperimenterne ved JINR. Lawrence Livermore National Laboratory, som havde samarbejdet med JINR om tidligere forskning i supertunge grundstoffer, sluttede sig også til holdet i slutningen af 2008 og tilføjede nukleare dataanalysekapaciteter.
Berkeliumet blev fremstillet gennem 250 dages bestråling på ORNL’s HFIR og 90 dages behandling på det tilstødende Radiochemical Engineering and Development Center (REDC) for at adskille og rense berkeliummaterialet.
Den 15. juni 2009 sendte ORNL 22 milligram berkelium-249, hvis halveringstid på 327 dage tikker af sted, til JINR. Dette materiale blev sendt til det russiske forskningsinstitut for atomreaktorer i Dimitrovgrad, som fremstillede et mål ved at påføre berkelium-radioisotopen på en tynd film af titanium.
Målet blev sendt fra RIAR til JINR i Dubna, hvor forsøget begyndte den 28. juli 2009.
Det 249Bk-mål blev bombarderet i 150 dage med en intens stråle af 7 trillioner calcium-48-ioner pr. sekund i en af verdens kraftigste tunge ionacceleratorer. Under meget sjældne forhold vekselvirkede kalciumkernerne (der indeholder 20 protoner) med berkeliumkerner (der indeholder 97 protoner) for at skabe nogle få sammensatte kerner med atomnummer 117. Disse sammensatte kerner blev adskilt fra calciumstrålen ved hjælp af et sæt stærke magneter i Dubna Gas Filled Recoil Separator. Element 117-kernerne blev implanteret i siliciumdetektorer, hvor karakteristiske radioaktive henfald blev målt.
Ettertidligt viste detektorerne seks kortlivede, men historieskabende atomer af element 117, som derefter henfaldt til elementerne 115, 113, 111, 109, 107 og 105.
Det internationale forskerhold annoncerede sin opdagelse af element 117 i april 2010 i en publikation i Physical Review Letters. Opdagelsesartiklen omfattede 33 forfattere fra seks institutioner: JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1) og University of Nevada Las Vegas (2).
En gruppe på 72 forskere fra 16 institutioner i Australien, Finland, Tyskland, Indien, Japan, Japan, Norge, Polen, Polen, Sverige, Schweiz, Storbritannien og USA gennemførte bekræftelseseksperimenter for uafhængigt at verificere opdagelsen af grundstof 117. Denne forskning omfattede produktion af berkelium på ORNL og bombardement med kraftige calcium-ionstråler i en accelerator på GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Darmstadt, Tyskland. Denne uafhængige observation af element 117 blev præsenteret i en undersøgelse i Physical Review Letters, der blev offentliggjort i maj 2014.
Der blev foretaget yderligere bekræftelsesundersøgelser af JINR, ORNL, LLNL, Vanderbilt og University of Tennessee, Knoxville (UTK) ved JINR i 2012 ved hjælp af berkelium fra ORNL (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). Krzysztof Rykaczewski fra ORNL og Robert Grzywacz fra UTK stod i spidsen for udviklingen af en ny detektor og et nyt digitalt dataindsamlingssystem, der blev anvendt i opfølgningsforsøgene på supertunge kerner ved JINR.
En fælles komité under International Union of Pure and Applied Physics og International Union of Pure and Applied Chemistry vurderede beviserne og meddelte den 30. december 2015, at kriterierne for opdagelsen af grundstof 117 var opfyldt. IUPAC bekræftede også opdagelsen af element 115, et henfaldsprodukt af element 117, i denne bekendtgørelse. Komitéen opfordrede derefter opdagelsesholdet fra JINR, LLNL, ORNL og Vanderbilt til at foreslå permanente navne og symboler for element 117 og 115.
Den 8. juni 2015 offentliggjorde International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Inorganic Chemistry Division en foreløbig anbefaling af navnet tennessin og symbolet Ts for grundstof 117 som anerkendelse af Oak Ridge National Laboratory, Vanderbilt University og University of Tennessee at Knoxville’s bidrag til forskning i supertunge grundstoffer, herunder produktion og kemisk separation af unikke actinid-målmaterialer til syntese af supertunge grundstoffer på ORNL’s HFIR-REDC-anlæg. At anerkende Tennessee i forbindelse med navngivningen af grundstof 117 har været et emne, der har været drøftet, siden Hamilton oprindeligt foreslog det. Navnet tennessin blev formelt foreslået af opdagelsesholdet under en videokonference den 23. marts 2016, hvor endelsen “ine” blev valgt for at være i overensstemmelse med den krævede konvention for grundstoffer i gruppe 17 i det periodiske system. Det foreløbige navn moscovium blev foreslået for grundstof 115 til ære for den russiske region, der er hjemsted for JINR.
Betydning af grundstof 117
I det nuværende periodiske system er grundstoffer ud over uran (atomnummer 92) stadig mere ustabile og henfalder hurtigt til andre grundstoffer.
Nuklearfysikere teoretiserer, at der findes en “ø af stabilitet” uden for det nuværende periodiske system, hvor nye supertunge grundstoffer ville have længere levetid. En sådan ø ville udvide det periodiske system til at omfatte endnu tungere grundstoffer, og de længere levetider ville muliggøre kemiske eksperimenter og potentielle anvendelser for disse grundstoffer.
Element 117 var det eneste manglende grundstof i række syv i det periodiske system. På vej til øen af stabilitet sprang forskerne i første omgang element 117 over på grund af vanskelighederne med at skaffe berkelium-målmaterialet. Grundstof 117 og de deraf følgende nye isotoper fra det radioaktive henfald af grundstof 117 bringer forskerne tættere på stabilitetsøen og understøtter en generel tendens til stigende stabilitet for supertunge grundstoffer med stigende antal neutroner i kernen. Opdagelsen af to isotoper af grundstof 117 og deres 11 henfaldsprodukter er et stærkt bevis for, at der findes en stabilitetsø.
Støttedokumentation
- 9. april 2010 – Opdagelsen af grundstof 117 annonceret i Physical Review Letters http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- 19. oktober 2012 – 2. forsøg på JINR bekræfter grundstof 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- 1. maj, 2014 – Eksperiment på GSI bekræfter uafhængigt element 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- 30. december 2015 – IUPAC annoncerer verifikation af fire nye grundstoffer – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- 8. juni 2016 – IUPAC udsteder foreløbig anbefaling om foreslåede navne – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/