De ontdekking van element 117, een synthetisch element dat niet in de natuur voorkomt, vergde vele jaren van gezamenlijk onderzoek door tientallen wetenschappers van verschillende internationale instellingen.
Het experiment dat het eerste bewijs van element 117 opleverde, had niet kunnen plaatsvinden zonder meerdere wetenschappelijke faciliteiten van wereldklasse, waaronder een uniek versnellercomplex in Rusland en de nucleaire onderzoeksreactor en verwerkingsfaciliteiten in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.
ORNL is de enige plaats ter wereld die voldoende hoeveelheden van het radioactieve element berkelium kan produceren, een synthetisch element dat essentieel is voor het ontstaan van element 117. Berkelium is een bijproduct van de californiumproductie in ORNL’s Hoge Flux Isotopen Reactor (HFIR).
Professor Joe Hamilton van de Vanderbilt University merkte op toen de californiumproductie in 2008 bij ORNL werd hervat en stelde ORNL’s Jim Roberto voor aan Yuri Oganessian, die met succes pionierde met de “hete fusie”-benadering om superzware elementen te synthetiseren door actinidedoelwitten te bombarderen met zware ionen die werden versneld in een cyclotron in het Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Rusland. Deze ontmoeting vormde de basis van de huidige samenwerking tussen de drie instellingen. Eerder werk van Oganessian leidde tot de ontdekking van de elementen 114, 116 en 118 in 2000-2004 in samenwerking met Lawrence Livermore National Laboratory. Het actinidetargetmateriaal voor al deze ontdekkingen was afkomstig van ORNL en Dimitrovgrad in Rusland. Maar de identificatie van element 117 was niet mogelijk zonder berkelium.
ORNL en JINR kwamen in december 2008 formeel overeen om samen te werken op het gebied van onderzoek naar superzware elementen, waaronder de productie van berkelium-targetmateriaal bij ORNL en deelname aan de versneller-experimenten bij JINR. Lawrence Livermore National Laboratory, dat met JINR had samengewerkt aan eerder onderzoek naar superzware elementen, sloot zich eind 2008 ook aan bij het team en voegde nucleaire gegevensanalysecapaciteiten toe.
Het berkelium werd geproduceerd door middel van 250 dagen bestraling op ORNL’s HFIR en 90 dagen verwerking in het aangrenzende Radiochemical Engineering and Development Center (REDC) om het berkeliummateriaal te scheiden en te zuiveren.
Op 15 juni 2009 stuurde ORNL 22 milligram berkelium-249, met de klok wegtikkend op zijn 327 dagen halfwaardetijd, naar JINR. Dit materiaal werd doorgestuurd naar het Russische Onderzoeksinstituut voor Atoomreactoren in Dimitrovgrad, dat een doel vervaardigde door de berkelium radio-isotoop op een dunne film van titanium aan te brengen.
Het doelwit werd van RIAR naar JINR in Dubna gestuurd, waar het experiment op 28 juli 2009 begon.
Het 249Bk-doelwit werd 150 dagen lang gebombardeerd met een intense bundel van 7 biljoen calcium-48-ionen per seconde bij een van ’s werelds krachtigste zware ionenversnellers. Onder zeer zeldzame omstandigheden kwamen de calciumkernen (die 20 protonen bevatten) in wisselwerking met de berkeliumkernen (die 97 protonen bevatten), waardoor enkele samengestelde kernen met atoomnummer 117 ontstonden. Deze samengestelde kernen werden van de calciumstraal gescheiden door een stel sterke magneten in de met gas gevulde terugspoelings-scheider van Dubna. De kernelementen van element 117 werden in siliciumdetectoren geïmplanteerd, waar kenmerkende radioactieve vervalverschijnselen werden gemeten.
Eindelijk brachten de detectoren zes kortlevende maar historische atomen van element 117 aan het licht, die vervolgens verveelden tot de elementen 115, 113, 111, 109, 107 en 105.
Het internationale onderzoeksteam kondigde zijn ontdekking van element 117 in april 2010 aan in een publicatie in Physical Review Letters. Het ontdekkingsdocument omvatte 33 auteurs van zes instellingen: JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1), en University of Nevada Las Vegas (2).
Een groep van 72 wetenschappers van 16 instellingen in Australië, Finland, Duitsland, India, Japan, Noorwegen, Polen, Zweden, Zwitserland, het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten hebben bevestigingsexperimenten uitgevoerd om de ontdekking van element 117 onafhankelijk te verifiëren. Dit onderzoek omvatte de productie van berkelium bij ORNL en een bombardement met krachtige calciumionenbundels in een versneller bij het GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, Duitsland. Deze onafhankelijke waarneming van element 117 werd gepresenteerd in een Physical Review Letters studie gepubliceerd in mei 2014.
Aanvullende bevestigingsstudies werden uitgevoerd door JINR, ORNL, LLNL, Vanderbilt en de Universiteit van Tennessee, Knoxville (UTK) in 2012 met behulp van berkelium van ORNL (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). Krzysztof Rykaczewski van ORNL en Robert Grzywacz van UTK leidden de ontwikkeling van een nieuwe detector en een digitaal data-acquisitiesysteem dat werd gebruikt in de vervolgexperimenten op superzware kernen bij JINR.
Een gezamenlijk comité van de Internationale Unie voor Zuivere en Toegepaste Fysica en de Internationale Unie voor Zuivere en Toegepaste Scheikunde beoordeelde het bewijsmateriaal en kondigde op 30 december 2015 aan dat aan de criteria voor de ontdekking van element 117 was voldaan. De IUPAC bevestigde in deze aankondiging ook de ontdekking van element 115, een vervalproduct van element 117. De commissie nodigde vervolgens het ontdekkingsteam van JINR, LLNL, ORNL, en Vanderbilt uit om permanente namen en symbolen voor te stellen voor elementen 117 en 115.
Op 8 juni 2015 publiceerde de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Inorganic Chemistry Division een Voorlopige Aanbeveling voor de naam tennessine en het symbool Ts voor element 117, als erkenning van de bijdragen van Oak Ridge National Laboratory, Vanderbilt University en de University of Tennessee at Knoxville aan het onderzoek naar superzware elementen, waaronder de productie en chemische scheiding van unieke actinidetargetmaterialen voor superzware elementensynthese in de HFIR-REDC-faciliteiten van ORNL. De erkenning van Tennessee in de naamgeving van element 117 was een onderwerp van discussie sinds Hamilton dit oorspronkelijk voorstelde. De naam tennessine werd formeel voorgesteld door het ontdekkingsteam tijdens een videoconferentie op 23 maart 2016, met de uitgang “ine” gekozen om in overeenstemming te zijn met de vereiste conventie voor elementen in groep 17 van het periodiek systeem. De voorlopige naam moscovium werd voorgesteld voor element 115, ter ere van de Russische regio die de thuisbasis is van JINR.
Belang van element 117
In het huidige periodiek systeem zijn de elementen na uranium (atoomnummer 92) steeds instabieler en vervallen snel in andere elementen.
Nucleaire fysici theoretiseren dat er een “eiland van stabiliteit” bestaat voorbij het huidige periodiek systeem waar nieuwe superzware elementen een langere levensduur zouden vertonen. Een dergelijk eiland zou het periodiek systeem uitbreiden tot nog zwaardere elementen, en de langere levensduur zou chemie-experimenten en mogelijke toepassingen voor deze elementen mogelijk maken.
Element 117 was het enige ontbrekende element in rij zeven van het periodiek systeem. Op weg naar het eiland van stabiliteit, sloegen onderzoekers element 117 aanvankelijk over vanwege de moeilijkheid om het berkelium doelmateriaal te verkrijgen. Element 117 en de resulterende nieuwe isotopen van het radioactieve verval van element 117 brengen wetenschappers dichter bij het eiland van stabiliteit en ondersteunen een algemene trend van toenemende stabiliteit voor superzware elementen met een toenemend aantal neutronen in de kern. De ontdekking van twee isotopen van element 117 en hun 11 vervalproducten levert sterke bewijzen voor het bestaan van het eiland van stabiliteit.
Ondersteunende documentatie
- April 9, 2010 – Ontdekking van element 117 aangekondigd in Physical Review Letters http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- October 19, 2012 – 2e experiment bij JINR bevestigt element 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- Mei 1, 2014 – Experiment bij GSI bevestigt onafhankelijk element 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- December 30, 2015 – IUPAC kondigt verificatie van vier nieuwe elementen aan – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- Juni 8, 2016 – IUPAC geeft voorlopige aanbeveling over voorgestelde namen – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/