Elementti 117:n, synteettisen alkuaineen, jota ei esiinny luonnossa, löytäminen vaati useita vuosia kestänyttä yhteistoiminnallista tutkimusta, jota tekivät kymmenet tiedemiehet useista kansainvälisistä laitoksista.
Koe, joka tuotti ensimmäiset todisteet alkuaineesta 117, ei olisi voinut tapahtua ilman useita maailmanluokan tieteellisiä laitoksia, mukaan lukien ainutlaatuinen kiihdytinkompleksi Venäjällä ja energiaministeriön Oak Ridge National Laboratorion ydintutkimusreaktori- ja prosessointilaitteistot.
ORNL on ainoa paikka maailmassa, joka pystyy tuottamaan riittäviä määriä synteettistä alkuaine berkeliumia, synteettistä alkuaineita, jotka ovat välttämättömiä alkuainekseen alkuaine 117. Berkelium on ORNL:n HFIR-reaktorissa (High Flux Isotope Reactor) tapahtuvan kaliforniumin tuotannon sivutuote.
Vanderbiltin yliopiston professori Joe Hamilton pani merkille, kun kaliforniumin tuotanto aloitettiin uudelleen ORNL:ssä vuonna 2008, ja esitteli ORNL:n Jim Roberton Juri Oganessianille, joka oli menestyksekkäästi edelläkävijä ”kuuman fuusion” lähestymistavassa, jolla syntetisoidaan superraskaita alkuaineita pommittamalla aktinidikohteita raskailla ioneilla, jotka kiihdytetään syklotronissa Dubnassa Venäjällä sijaitsevassa yhteisessä ydintutkimuslaitoksessa. Tämä kokous muodosti perustan näiden kolmen laitoksen väliselle yhteistyölle. Oganessianin aiempi työ johti alkuaineiden 114, 116 ja 118 löytämiseen vuosina 2000-2004 yhteistyössä Lawrence Livermore National Laboratoryn kanssa. Kaikkien näiden löytöjen aktinidien kohdemateriaalit tulivat ORNL:stä ja Dimitrovgradista Venäjältä. Alkuaineen 117 tunnistaminen ei kuitenkaan ollut mahdollista ilman berkeliumia.
ORNL ja JINR sopivat joulukuussa 2008 virallisesti yhteistyöstä superraskaiden alkuaineiden tutkimuksessa, mukaan lukien berkeliumin kohdemateriaalin tuotanto ORNL:ssä ja osallistuminen JINR:n kiihdytinkokeisiin. Lawrence Livermoren kansallinen laboratorio, joka oli tehnyt yhteistyötä JINR:n kanssa aiemmassa superraskaiden alkuaineiden tutkimuksessa, liittyi myös ryhmään loppuvuodesta 2008 ja lisäsi ydintietojen analysointivalmiuksia.
Berkeliumia tuotettiin 250 päivän säteilytyksellä ORNL:n HFIR-laitoksessa ja 90 päivän prosessoinnilla vieressä sijaitsevassa radiokemiallisessa tekniikka- ja kehityskeskuksessa (Radiochemical Engineering and Development Center (REDC)), jotta berkeliummateriaali saatiin eroteltua muista aineista ja puhdistettua.
15. kesäkuuta 2009 ORNL lähetti JINR:iin 22 milligrammaa berkelium-249:ää, jonka puoliintumisaika oli 327 päivää. Tämä materiaali toimitettiin Dimitrovgradissa sijaitsevaan Venäjän atomireaktoreiden tutkimuslaitokseen, joka valmisti maalitaulun levittämällä berkeliumin radioisotooppia ohueen titaanikalvoon.
Kohde lähetettiin RIAR:sta Dubnassa sijaitsevaan JINR:iin, jossa koe alkoi 28. heinäkuuta 2009.
249Bk-kohdetta pommitettiin 150 päivän ajan voimakkaalla säteellä, joka sisälsi 7 biljoonaa kalsium-48-ionia sekunnissa yhdessä maailman tehokkaimmista raskasionikiihdyttimistä. Hyvin harvinaisissa olosuhteissa kalsium-ytimet (jotka sisältävät 20 protonia) vuorovaikuttivat berkelium-ytimien (jotka sisältävät 97 protonia) kanssa muodostaen muutamia yhdisteytimiä, joiden atomiluku on 117. Nämä yhdisteytimet erotettiin kalsiumsäteestä vahvoilla magneeteilla Dubnan kaasutäytteisessä kelauserottimessa. Alkuaineen 117 ytimet istutettiin pii-ilmaisimiin, joissa mitattiin erottuvia radioaktiivisia hajoamisia.
Lopulta ilmaisimet paljastivat kuusi lyhytikäistä mutta historian kannalta merkittävää alkuaineen 117 atomia, jotka sitten hajosivat alkuaineiksi 115, 113, 111, 109, 107 ja 105.
Kansainvälinen tutkijaryhmä julkisti alkuaineen 117 löytymisen huhtikuussa 2010 Physical Review Letters -julkaisussa. Löytöjulkaisuun osallistui 33 kirjoittajaa kuudesta laitoksesta: JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1) ja University of Nevada Las Vegas (2).
Ryhmä, johon kuului 72 tutkijaa 16 laitoksesta Australiasta, Suomesta, Saksasta, Intiasta, Japanista, Norjasta, Puolasta, Ruotsista, Sveitsistä, Yhdistyneestä kuningaskunnasta ja Yhdysvalloista, suoritti vahvistuskokeita varmistaakseen riippumattomasti alkuaineen 117 löytymisen. Tutkimuksessa tuotettiin berkeliumia ORNL:ssä ja pommitettiin suuritehoisilla kalsiumionisäteillä kiihdyttimessä GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Researchissa Darmstadtissa Saksassa. Tämä riippumaton havainto alkuaineesta 117 esiteltiin toukokuussa 2014 julkaistussa Physical Review Letters -tutkimuksessa.
Ylimääräiset vahvistustutkimukset tehtiin JINR:ssä, ORNL:ssä, LLNL:ssä, Vanderbiltissä ja JINR:ssä Tennesseen yliopistossa Knoxvillessä (UTK) vuonna 2012 ORNL:stä peräisin olevalla berkeliumilla (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). ORNL:n Krzysztof Rykaczewski ja UTK:n Robert Grzywacz johtivat uuden detektorin ja digitaalisen tiedonkeruujärjestelmän kehittämistä, jota käytettiin JINR:ssä superraskailla ytimillä tehdyissä seurantakokeissa.
Kansainvälisen puhtaan ja soveltavan fysiikan liiton (International Union of Pure and Applied Physics) ja Kansainvälisen puhtaan ja soveltavan kemian liiton (International Union of Pure and Applied Chemistry) yhteinen komitea arvioi todistusaineiston, ja se julisti 30.12.2015 alkuaine 117:n löytökriteereiden täyttyneen. IUPAC vahvisti tässä ilmoituksessa myös alkuaineen 115, alkuaineen 117 hajoamistuotteen, löytymisen. Tämän jälkeen komitea pyysi JINR:n, LLNL:n, ORNL:n ja Vanderbiltin löytöryhmää ehdottamaan pysyviä nimiä ja symboleja alkuaineille 117 ja 115.
IUPAC:n (International Union of Pure and Applied Chemistry) epäorgaanisen kemian osasto julkaisi 8. kesäkuuta 2015 väliaikaisen suosituksen nimeksi tennessine ja symboliksi Ts alkuaineelle 117 tunnustuksena Oak Ridgen kansallisen laboratorion, Vanderbiltin yliopiston ja Tennesseen yliopiston Knoxvillen yliopiston panoksesta superraskaiden alkuaineiden tutkimukseen, mukaan luettuna ainutlaatuisten aktinidien kohdemateriaalien tuottaminen ja kemiallinen erottaminen superraskaiden alkuaineiden synteesiä varten ORNL:n HFIR-REDC-laitoksissa. Tennesseen tunnustaminen alkuaineen 117 nimeämisessä oli ollut keskustelun aiheena siitä lähtien, kun Hamilton alun perin ehdotti sitä. Löytöryhmä ehdotti nimeä tennessine virallisesti videokonferenssissa 23. maaliskuuta 2016, ja pääte ”ine” valittiin, jotta se olisi yhdenmukainen jaksollisen järjestelmän ryhmän 17 alkuaineille vaaditun konvention kanssa. Alkuaineelle 115 ehdotettiin väliaikaista nimeä moskovium, jolla kunnioitetaan Venäjän aluetta, jossa JINR sijaitsee.
Alkuaineen 117 merkitys
Nykyaikaisessa jaksollisessa järjestelmässä uraania (järjestysluku 92) suuremmat alkuaineet ovat yhä epävakaampia ja hajoavat nopeasti toisiksi alkuaineiksi.
Ydinfyysikot esittävät teorian, että nykyisen jaksollisen järjestelmän ulkopuolella on olemassa ”vakauden saari”, jossa uusilla superraskailla alkuaineilla olisi pidempi elinikä. Tällainen saari laajentaisi jaksollista järjestelmää vielä raskaampiin alkuaineisiin, ja pidemmät eliniät mahdollistaisivat kemian kokeet ja mahdolliset sovellukset näille alkuaineille.
Elementti 117 oli ainoa puuttuva alkuaine jaksollisen järjestelmän seitsemänneltä riviltä. Kurssilla kohti vakauden saarta tutkijat jättivät aluksi alkuaineen 117 väliin, koska berkeliumin kohdemateriaalin saaminen oli vaikeaa. Alkuaine 117 ja alkuaineen 117 radioaktiivisen hajoamisen tuloksena syntyneet uudet isotoopit tuovat tutkijat lähemmäs vakauden saarta ja tukevat yleistä suuntausta, jonka mukaan superraskaiden alkuaineiden vakaus lisääntyy sitä mukaa kuin neutronien määrä ytimessä kasvaa. Alkuaineen 117 kahden isotoopin ja niiden 11 hajoamistuotteen löytyminen on vahva todiste vakauden saaren olemassaolosta.
Tukevat dokumentit
- Huhtikuun 9. päivä 2010 – Elementti 117:n löytymisestä ilmoitettiin Physical Review Letters -lehdessä http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- Lokakuun 19. päivä 2012 – Toinen koe JINR:ssä vahvistaa elementti 117:n – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- Toukokuun 1.5, 2014 – GSI:n koe vahvistaa itsenäisesti alkuaineen 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- 30. joulukuuta 2015 – IUPAC ilmoittaa neljän uuden alkuaineen todentamisesta – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- 8. kesäkuuta 2016 – IUPAC antaa alustavan suosituksen ehdotetuista nimistä – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
.