A természetben nem előforduló szintetikus 117-es elem felfedezéséhez több nemzetközi intézmény több tucat tudósának többéves közös kutatására volt szükség.
A 117-es elem első bizonyítékát adó kísérlet nem jöhetett volna létre több világszínvonalú tudományos létesítmény nélkül, köztük egy egyedülálló oroszországi gyorsítókomplexum és az Energiaügyi Minisztérium Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumának nukleáris kutatóreaktorai és feldolgozó létesítményei nélkül.
Az ORNL az egyetlen hely a világon, amely elegendő mennyiségben képes előállítani a 117-es elem létrehozásához nélkülözhetetlen szintetikus elemet, a radioaktív berkéliumot. A berkélium az ORNL nagy fluxusú izotópreaktorában (HFIR) történő kaliforniumgyártás mellékterméke.
Aanderbilt Egyetem professzora, Joe Hamilton megjegyezte, amikor 2008-ban újraindult a kalifornium előállítása az ORNL-ben, és bemutatta az ORNL munkatársát, Jim Robertót Jurij Oganessiannak, aki sikeresen úttörő volt a szupernehéz elemek szintézisének “forró fúziós” megközelítésében, amikor az oroszországi Dubnában, a Joint Institute for Nuclear Research-ben ciklotronban gyorsított nehézionokkal bombáztak aktinid célpontokat. Ez a találkozó képezte a három intézmény közötti folyamatos együttműködés alapját. Oganessian korábbi munkája a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriummal együttműködve 2000-2004 között a 114, 116 és 118 elem felfedezéséhez vezetett. Mindezen felfedezésekhez az aktinidák célanyagai az ORNL-ből és az oroszországi Dimitrovgradból származnak. A 117-es elem azonosítása azonban nem volt lehetséges a berkélium nélkül.
Az ORNL és a JINR 2008 decemberében hivatalosan megállapodott a szupernehéz elemek kutatásában való együttműködésről, beleértve a berkélium célanyag előállítását az ORNL-ben és a JINR gyorsítókísérleteiben való részvételt. A Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium, amely már korábban is együttműködött a JINR-rel a szupernehéz elemek kutatásában, 2008 végén szintén csatlakozott a csoporthoz, nukleáris adatelemzési képességekkel bővítve azt.
A berkélium előállítása 250 napos besugárzással történt az ORNL HFIR-ben, majd 90 napos feldolgozással a szomszédos Radiokémiai Mérnöki és Fejlesztési Központban (REDC) a berkélium anyag elkülönítése és tisztítása céljából.
2009. június 15-én az ORNL 22 milligramm berkélium-249-et küldött a JINR-nek, amelynek 327 napos felezési ideje ketyegett. Ezt az anyagot továbbították a Dimitrovgrádi Orosz Atomreaktorkutató Intézetnek, amely a berkélium radioizotópot egy vékony titánrétegre felhordva céltárgyat gyártott.
A céltárgyat a RIAR-ból a dubnai JINR-be küldték, ahol a kísérlet 2009. július 28-án kezdődött.
A 249Bk céltárgyat 150 napon át másodpercenként 7 trillió kalcium-48 ionból álló intenzív sugárral bombázták a világ egyik legerősebb nehézion-gyorsítójában. Nagyon ritka körülmények között a kalcium atommagok (amelyek 20 protont tartalmaznak) kölcsönhatásba léptek a berkélium atommagokkal (amelyek 97 protont tartalmaznak), és néhány összetett atommagot hoztak létre 117-es atomi számmal. Ezeket az összetett atommagokat erős mágnesekkel választották el a kalciumnyalábtól a dubnai gáztöltésű recoil-szeparátorban. A 117-es elem atommagjait szilícium detektorokba ültették, ahol jellegzetes radioaktív bomlásokat mértek.
A detektorok végül hat rövid életű, de történelmet író 117-es elem atomját mutatták ki, amelyek aztán 115, 113, 111, 109, 107 és 105 elemekre bomlottak.
A nemzetközi kutatócsoport 2010 áprilisában a Physical Review Letters című folyóiratban jelentette be a 117-es elem felfedezését. A felfedezésről szóló tanulmányban hat intézmény 33 szerzője vett részt: JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1) és University of Nevada Las Vegas (2).
Az ausztrál, finn, német, indiai, japán, norvég, lengyel, svéd, svájci, német, norvég, svéd, brit és amerikai 16 intézmény 72 tudósából álló csoport megerősítő kísérleteket végzett a 117-es elem felfedezésének független ellenőrzésére. A kutatás során berkéliumot állítottak elő az ORNL-ben, majd nagy teljesítményű kalciumionnyalábokkal bombázták a németországi Darmstadtban található GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research gyorsítójában. A 117-es elemnek ezt a független megfigyelését egy 2014 májusában megjelent Physical Review Letters tanulmányban mutatták be.
A JINR, az ORNL, az LLNL, a Vanderbilt és a Knoxville-i Tennessee Egyetem (UTK) által 2012-ben a JINR-ben az ORNL-ből származó berkéliummal végzett további megerősítő vizsgálatokat (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). Az ORNL munkatársa, Krzysztof Rykaczewski és az UTK munkatársa, Robert Grzywacz vezette egy új detektor és digitális adatgyűjtő rendszer kifejlesztését, amelyet a JINR-ben a szupernehéz atommagokkal végzett követési kísérletekben használtak.
A Nemzetközi Tiszta és Alkalmazott Fizikai Unió és a Nemzetközi Tiszta és Alkalmazott Kémiai Unió közös bizottsága értékelte a bizonyítékokat, és 2015. december 30-án bejelentette, hogy teljesültek a 117-es elem felfedezésének kritériumai. Az IUPAC ebben a közleményben megerősítette a 117-es elem bomlásterméke, a 115-ös elem felfedezését is. A bizottság ezután felkérte a JINR, az LLNL, az ORNL és a Vanderbilt felfedező csoportját, hogy tegyenek javaslatot a 117 és 115 elem állandó nevére és szimbólumaira.
2015. június 8-án az International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) szervetlen kémiai osztálya ideiglenes ajánlást tett közzé a 117 elem tennessine nevére és Ts szimbólumára, az Oak Ridge National Laboratory, a Vanderbilt Egyetem és a Tennessee-i Knoxville-i Egyetem szupernehéz elemek kutatásához való hozzájárulásának elismeréseként, beleértve az ORNL HFIR-REDC létesítményeiben a szupernehéz elemek szintéziséhez szükséges egyedi aktinid célanyagok előállítását és kémiai szétválasztását. Tennessee elismerése a 117-es elem elnevezésében már Hamilton eredeti javaslata óta vita tárgyát képezte. A tennessin nevet hivatalosan a felfedezőcsoport javasolta egy 2016. március 23-i videokonferencia során, az “ine” végződéssel, hogy megfeleljen a periódusos rendszer 17. csoportjába tartozó elemekre előírt konvenciónak. A 115-ös elemre a moszkovium ideiglenes nevet javasolták, a JINR-nek otthont adó orosz régió tiszteletére.
A 117. elem jelentősége
A jelenlegi periódusos rendszerben az uránon (92-es atomszám) túli elemek egyre instabilabbak és gyorsan bomlanak más elemekre.
A nukleáris fizikusok elmélete szerint a jelenlegi periódusos rendszeren túl létezik egy “stabilitási sziget”, ahol az új szupernehéz elemek hosszabb élettartamot mutatnának. Egy ilyen sziget kiterjesztené a periódusos rendszert még nehezebb elemekre, és a megnövekedett élettartam lehetővé tenné kémiai kísérleteket és lehetséges alkalmazásokat ezekkel az elemekkel kapcsolatban.
A 117-es elem volt az egyetlen hiányzó elem a periódusos rendszer hetedik sorában. A stabilitás szigetére vezető úton a kutatók kezdetben kihagyták a 117-es elemet a berkélium célanyag beszerzésének nehézségei miatt. A 117-es elem és a 117-es elem radioaktív bomlásából származó új izotópok közelebb viszik a tudósokat a stabilitás szigetéhez, és alátámasztják azt az általános tendenciát, hogy a szupernehéz elemek stabilitása az atommagban lévő neutronok számának növekedésével nő. A 117-es elem két izotópjának és 11 bomlástermékének felfedezése erős bizonyítékot szolgáltat a stabilitás szigetének létezésére.
Támogató dokumentáció
- 2010. április 9. – A 117-es elem felfedezésének bejelentése a Physical Review Lettersben http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- 2012. október 19. – A JINR 2. kísérlete megerősíti a 117-es elemet – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- Május 1, 2014 – Kísérlet a GSI-ben függetlenül megerősíti a 117-es elemet – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- 2015. december 30. – Az IUPAC bejelentette négy új elem ellenőrzését – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- 2016. június 8. – Az IUPAC ideiglenes ajánlást ad ki a javasolt nevekről – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
.