Die Entdeckung von Element 117, einem synthetischen Element, das in der Natur nicht vorkommt, erforderte viele Jahre gemeinsamer Forschung von Dutzenden von Wissenschaftlern aus mehreren internationalen Einrichtungen.
Das Experiment, das den ersten Nachweis von Element 117 erbrachte, wäre ohne mehrere wissenschaftliche Einrichtungen von Weltrang nicht möglich gewesen, darunter ein einzigartiger Beschleunigerkomplex in Russland und der Kernforschungsreaktor und die Verarbeitungsanlagen des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums.
Das Oak Ridge National Laboratory ist der einzige Ort auf der Welt, an dem ausreichende Mengen des radioaktiven Elements Berkelium hergestellt werden können, eines synthetischen Elements, das für die Entstehung von Element 117 unerlässlich ist. Berkelium ist ein Nebenprodukt der Kaliforniumproduktion im Hochfluss-Isotopenreaktor (HFIR) des ORNL.
Joe Hamilton, Professor an der Vanderbilt University, bemerkte, dass die Kaliforniumproduktion am ORNL 2008 wieder aufgenommen wurde, und stellte Jim Roberto vom ORNL Yuri Oganessian vor, der erfolgreich Pionierarbeit bei der „heißen Fusion“ zur Synthese superschwerer Elemente geleistet hat, indem er Aktinidentargets mit schweren Ionen beschoss, die in einem Zyklotron am Gemeinsamen Institut für Kernforschung in Dubna, Russland, beschleunigt wurden. Dieses Treffen bildete die Grundlage für die laufende Zusammenarbeit zwischen den drei Einrichtungen. Oganessians frühere Arbeiten führten zur Entdeckung der Elemente 114, 116 und 118 in den Jahren 2000-2004 in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Livermore National Laboratory. Die Aktiniden-Targetmaterialien für alle diese Entdeckungen kamen vom ORNL und aus Dimitrovgrad in Russland. Die Identifizierung von Element 117 war jedoch ohne Berkelium nicht möglich.
Das ORNL und das JINR vereinbarten im Dezember 2008 offiziell eine Zusammenarbeit bei der Erforschung überschwerer Elemente, einschließlich der Herstellung von Berkelium-Targetmaterial am ORNL und der Teilnahme an den Beschleunigerexperimenten am JINR. Das Lawrence Livermore National Laboratory, das mit dem JINR bereits bei früheren Forschungsarbeiten zu überschweren Elementen zusammengearbeitet hatte, schloss sich dem Team Ende 2008 ebenfalls an und fügte Fähigkeiten zur Analyse nuklearer Daten hinzu.
Das Berkelium wurde durch eine 250-tägige Bestrahlung im HFIR des ORNL und eine 90-tägige Verarbeitung im angrenzenden Radiochemical Engineering and Development Center (REDC) hergestellt, um das Berkeliummaterial zu trennen und zu reinigen.
Am 15. Juni 2009 schickte das ORNL 22 Milligramm Berkelium-249 mit einer Halbwertszeit von 327 Tagen an das JINR. Dieses Material wurde an das russische Forschungsinstitut für Atomreaktoren in Dimitrovgrad weitergeleitet, das ein Target herstellte, indem es das Radioisotop Berkelium auf eine dünne Titanschicht auftrug.
Das Target wurde vom RIAR zum JINR in Dubna geschickt, wo das Experiment am 28. Juli 2009 begann.
Das 249Bk-Target wurde 150 Tage lang mit einem intensiven Strahl von 7 Billionen Kalzium-48-Ionen pro Sekunde in einem der weltweit leistungsstärksten Schwerionenbeschleuniger beschossen. Unter sehr seltenen Bedingungen wechselten die Kalziumkerne (die 20 Protonen enthalten) mit den Berkeliumkernen (die 97 Protonen enthalten) und bildeten einige Verbundkerne mit der Ordnungszahl 117. Diese Verbundkerne wurden im gasgefüllten Rückspulseparator von Dubna durch eine Reihe starker Magnete vom Kalziumstrahl getrennt. Die Kerne des Elements 117 wurden in Siliziumdetektoren implantiert, wo die charakteristischen radioaktiven Zerfälle gemessen wurden.
Schließlich entdeckten die Detektoren sechs kurzlebige, aber geschichtsträchtige Atome des Elements 117, die dann in die Elemente 115, 113, 111, 109, 107 und 105 zerfielen.
Das internationale Forscherteam gab seine Entdeckung des Elements 117 im April 2010 in einer Veröffentlichung der Physical Review Letters bekannt. An der Entdeckungsarbeit waren 33 Autoren aus sechs Institutionen beteiligt: JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1), und University of Nevada Las Vegas (2).
Eine Gruppe von 72 Wissenschaftlern aus 16 Institutionen in Australien, Finnland, Deutschland, Indien, Japan, Norwegen, Polen, Schweden, der Schweiz, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten führte Bestätigungsexperimente durch, um die Entdeckung des Elements 117 unabhängig zu überprüfen. Dabei wurde Berkelium am ORNL hergestellt und mit Hochleistungs-Kalzium-Ionenstrahlen in einem Beschleuniger des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt beschossen. Diese unabhängige Beobachtung von Element 117 wurde in einer im Mai 2014 veröffentlichten Studie in Physical Review Letters vorgestellt.
Zusätzliche Bestätigungsstudien wurden 2012 von JINR, ORNL, LLNL, Vanderbilt und der University of Tennessee, Knoxville (UTK) am JINR mit Berkelium vom ORNL durchgeführt (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). Krzysztof Rykaczewski vom ORNL und Robert Grzywacz vom UTK leiteten die Entwicklung eines neuen Detektors und eines digitalen Datenerfassungssystems, das bei den Folgeexperimenten zu superschweren Kernen am JINR eingesetzt wurde.
Ein gemeinsames Komitee der International Union of Pure and Applied Physics und der International Union of Pure and Applied Chemistry bewertete die Beweise und gab am 30. Dezember 2015 bekannt, dass die Kriterien für die Entdeckung des Elements 117 erfüllt wurden. In dieser Bekanntmachung bestätigte die IUPAC auch die Entdeckung des Elements 115, eines Zerfallsprodukts von Element 117. Der Ausschuss forderte daraufhin das Entdeckerteam von JINR, LLNL, ORNL und Vanderbilt auf, dauerhafte Namen und Symbole für die Elemente 117 und 115 vorzuschlagen.
Am 8. Juni 2015 veröffentlichte die Abteilung für anorganische Chemie der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) eine vorläufige Empfehlung für den Namen Tennessin und das Symbol Ts für das Element 117 in Anerkennung der Beiträge des Oak Ridge National Laboratory, der Vanderbilt University und der University of Tennessee in Knoxville zur Erforschung superschwerer Elemente, einschließlich der Herstellung und chemischen Trennung einzigartiger Aktiniden-Zielmaterialien für die Synthese superschwerer Elemente in den HFIR-REDC-Anlagen des ORNL. Die Anerkennung Tennessees bei der Namensgebung für das Element 117 war schon seit Hamiltons ursprünglichem Vorschlag ein Diskussionsthema. Der Name Tennessine wurde vom Entdeckungsteam während einer Videokonferenz am 23. März 2016 formell vorgeschlagen, wobei die Endung „ine“ gewählt wurde, um der erforderlichen Konvention für Elemente der Gruppe 17 des Periodensystems zu entsprechen. Für das Element 115 wurde der vorläufige Name Moscovium vorgeschlagen, um die russische Region zu ehren, in der sich das JINR befindet.
Bedeutung des Elements 117
Im aktuellen Periodensystem sind die Elemente jenseits des Urans (Ordnungszahl 92) zunehmend instabil und zerfallen schnell in andere Elemente.
Kernphysiker stellen die Theorie auf, dass es jenseits des aktuellen Periodensystems eine „Insel der Stabilität“ gibt, in der neue überschwere Elemente eine längere Lebensdauer aufweisen würden. Eine solche Insel würde das Periodensystem um noch schwerere Elemente erweitern, und die verlängerten Lebensdauern würden chemische Experimente und potenzielle Anwendungen für diese Elemente ermöglichen.
Element 117 war das einzige fehlende Element in Reihe sieben des Periodensystems. Auf dem Weg zur Insel der Stabilität ließen die Forscher das Element 117 zunächst aus, weil es schwierig war, das Zielmaterial Berkelium zu beschaffen. Element 117 und die neuen Isotope, die sich aus dem radioaktiven Zerfall von Element 117 ergeben, bringen die Wissenschaftler der Insel der Stabilität näher und unterstützen den allgemeinen Trend, dass die Stabilität überschwerer Elemente mit zunehmender Neutronenzahl im Kern zunimmt. Die Entdeckung von zwei Isotopen des Elements 117 und ihrer 11 Zerfallsprodukte ist ein starker Beweis für die Existenz der Insel der Stabilität.
Unterstützende Dokumentation
- April 9, 2010 – Entdeckung von Element 117 in Physical Review Letters bekannt gegeben http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- Oktober 19, 2012 – Zweites Experiment am JINR bestätigt Element 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- Mai 1, 2014 – Experiment am GSI bestätigt unabhängig das Element 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- 30. Dezember 2015 – IUPAC gibt Verifizierung von vier neuen Elementen bekannt – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- 8. Juni 2016 – IUPAC gibt vorläufige Empfehlung zu vorgeschlagenen Namen heraus – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/