La scoperta dell’elemento 117, un elemento sintetico che non si trova in natura, ha richiesto molti anni di ricerca collaborativa da decine di scienziati di diverse istituzioni internazionali.
L’esperimento che ha prodotto la prima prova dell’elemento 117 non sarebbe potuto avvenire senza molteplici strutture scientifiche di livello mondiale, tra cui un complesso acceleratore unico in Russia e il reattore di ricerca nucleare e le strutture di elaborazione del Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia.
ORNL è l’unico posto al mondo che può produrre quantità sufficienti dell’elemento radioattivo berkelium, un elemento sintetico che è essenziale per la creazione dell’elemento 117. Il berkelium è un sottoprodotto della produzione di californio al reattore ad alto flusso di isotopi (HFIR) di ORNL.
Il professore della Vanderbilt University Joe Hamilton ha notato quando la produzione di californio è ripresa all’ORNL nel 2008 e ha presentato Jim Roberto dell’ORNL a Yuri Oganessian, che ha aperto la strada con successo alla “fusione calda” per sintetizzare elementi superpesanti bombardando obiettivi di attinidi con ioni pesanti accelerati in un ciclotrone al Joint Institute for Nuclear Research di Dubna, in Russia. Questo incontro ha costituito la base della collaborazione in corso tra le tre istituzioni. Il precedente lavoro di Oganessian ha portato alla scoperta degli elementi 114, 116 e 118 nel 2000-2004 in collaborazione con il Lawrence Livermore National Laboratory. I materiali target degli attinidi per tutte queste scoperte provenivano da ORNL e Dimitrovgrad in Russia. Ma l’identificazione dell’elemento 117 non è stata possibile senza il berkelium.
ORNL e JINR hanno concordato formalmente di collaborare alla ricerca sugli elementi superpesanti nel dicembre 2008, compresa la produzione di materiale bersaglio di berkelio all’ORNL e la partecipazione agli esperimenti dell’acceleratore al JINR. Il Lawrence Livermore National Laboratory, che aveva collaborato con JINR nella precedente ricerca sugli elementi superpesanti, si è anche unito al team alla fine del 2008, aggiungendo capacità di analisi dei dati nucleari.
Il berkelio è stato prodotto attraverso 250 giorni di irradiazione presso l’HFIR di ORNL e 90 giorni di lavorazione presso l’adiacente Radiochemical Engineering and Development Center (REDC) per separare e purificare il materiale berkelium.
Il 15 giugno 2009, ORNL ha inviato 22 milligrammi di berkelio-249, con il tempo di dimezzamento di 327 giorni, a JINR. Questo materiale è stato inoltrato all’Istituto russo di ricerca sui reattori atomici di Dimitrovgrad, che ha fabbricato un bersaglio applicando il radioisotopo berkelium a una sottile pellicola di titanio.
Il bersaglio è stato inviato dal RIAR al JINR di Dubna, dove l’esperimento è iniziato il 28 luglio 2009.
Il bersaglio 249Bk è stato bombardato per 150 giorni con un intenso fascio di 7 trilioni di ioni calcio-48 al secondo in uno degli acceleratori di ioni pesanti più potenti del mondo. In condizioni molto rare, i nuclei di calcio (contenenti 20 protoni) hanno interagito con i nuclei di berkelio (contenenti 97 protoni) per creare alcuni nuclei composti con numero atomico 117. Questi nuclei composti sono stati separati dal fascio di calcio da una serie di forti magneti al Dubna Gas Filled Recoil Separator. I nuclei dell’elemento 117 sono stati impiantati in rivelatori di silicio, dove sono stati misurati i caratteristici decadimenti radioattivi.
Alla fine, i rivelatori hanno rivelato sei atomi dell’elemento 117 di breve durata ma che hanno fatto la storia, che poi sono decaduti negli elementi 115, 113, 111, 109, 107 e 105.
Il team di ricerca internazionale ha annunciato la sua scoperta dell’elemento 117 nell’aprile 2010 in una pubblicazione su Physical Review Letters. L’articolo sulla scoperta comprendeva 33 autori di sei istituzioni: JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1) e University of Nevada Las Vegas (2).
Un gruppo di 72 scienziati di 16 istituzioni in Australia, Finlandia, Germania, India, Giappone, Norvegia, Polonia, Svezia, Svizzera, Regno Unito e Stati Uniti ha condotto esperimenti di conferma per verificare indipendentemente la scoperta dell’elemento 117. Questa ricerca ha coinvolto la produzione di berkelio all’ORNL e il bombardamento con fasci di ioni di calcio ad alta potenza in un acceleratore al GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research a Darmstadt, Germania. Questa osservazione indipendente dell’elemento 117 è stata presentata in uno studio di Physical Review Letters pubblicato nel maggio 2014.
Ulteriori studi di conferma sono stati condotti da JINR, ORNL, LLNL, Vanderbilt e l’Università del Tennessee, Knoxville (UTK) al JINR nel 2012 utilizzando berkelio da ORNL (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). Krzysztof Rykaczewski di ORNL e Robert Grzywacz di UTK hanno guidato lo sviluppo di un nuovo rivelatore e di un sistema digitale di acquisizione dati che è stato utilizzato negli esperimenti di follow-up sui nuclei super pesanti al JINR.
Un comitato congiunto dell’Unione internazionale di fisica pura e applicata e dell’Unione internazionale di chimica pura e applicata ha valutato le prove e ha annunciato il 30 dicembre 2015 che i criteri per la scoperta dell’elemento 117 erano stati soddisfatti. La IUPAC ha anche confermato la scoperta dell’elemento 115, un prodotto di decadimento dell’elemento 117, in questo annuncio. Il comitato ha poi invitato il team di scoperta di JINR, LLNL, ORNL e Vanderbilt a proporre nomi e simboli permanenti per gli elementi 117 e 115.
L’8 giugno 2015, l’International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Inorganic Chemistry Division ha pubblicato una raccomandazione provvisoria per il nome tennessina e il simbolo Ts per l’elemento 117, in riconoscimento dei contributi dell’Oak Ridge National Laboratory, della Vanderbilt University e dell’Università del Tennessee a Knoxville alla ricerca sugli elementi superpesanti, compresa la produzione e la separazione chimica di materiali target di attinidi unici per la sintesi degli elementi superpesanti presso le strutture HFIR-REDC di ORNL. Riconoscere il Tennessee nella denominazione dell’elemento 117 era stato un argomento di discussione da quando originariamente suggerito da Hamilton. Il nome tennessina è stato formalmente proposto dal team di scoperta durante una videoconferenza il 23 marzo 2016, con il finale “ine” scelto per essere coerente con la convenzione richiesta per gli elementi nel gruppo 17 della tavola periodica. Il nome provvisorio moscovium è stato proposto per l’elemento 115, in onore della regione russa che ospita il JINR.
Significato dell’elemento 117
Nell’attuale tavola periodica, gli elementi oltre l’uranio (numero atomico di 92) sono sempre più instabili e decadono rapidamente in altri elementi.
I fisici nucleari teorizzano che un'”isola di stabilità” esiste oltre l’attuale tavola periodica dove nuovi elementi superpesanti mostrerebbero una vita più lunga. Tale isola estenderebbe la tavola periodica a elementi ancora più pesanti, e le maggiori durate permetterebbero esperimenti chimici e potenziali applicazioni per questi elementi.
L’elemento 117 era l’unico elemento mancante nella settima riga della tavola periodica. Sulla rotta verso l’isola della stabilità, i ricercatori hanno inizialmente saltato l’elemento 117 a causa della difficoltà di ottenere il materiale bersaglio berkelium. L’elemento 117 e i nuovi isotopi risultanti dal decadimento radioattivo dell’elemento 117 portano gli scienziati più vicini all’isola della stabilità e sostengono una tendenza generale di crescente stabilità per gli elementi superpesanti con un numero crescente di neutroni nel nucleo. La scoperta di due isotopi dell’elemento 117 e dei loro 11 prodotti di decadimento fornisce una forte prova dell’esistenza dell’isola di stabilità.
Documentazione di supporto
- Il 9 aprile 2010 – Scoperta dell’elemento 117 annunciata in Physical Review Letters http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- Il 19 ottobre 2012 – Un secondo esperimento al JINR conferma l’elemento 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- Il 1 maggio, 2014 – Esperimento al GSI conferma indipendentemente l’elemento 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- 30 dicembre 2015 – IUPAC annuncia la verifica di quattro nuovi elementi – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- 8 giugno 2016 – IUPAC emette raccomandazione provvisoria sui nomi proposti – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/