Upptäckten av element 117, ett syntetiskt grundämne som inte förekommer i naturen, krävde många års forskningssamarbete av dussintals forskare från flera internationella institutioner.
Experimentet som gav de första bevisen på element 117 hade inte kunnat genomföras utan flera vetenskapliga anläggningar i världsklass, bland annat ett unikt acceleratorkomplex i Ryssland och kärnforskningsreaktorn och bearbetningsanläggningarna vid energidepartementets Oak Ridge National Laboratory.
ORNL är det enda stället i världen som kan producera tillräckliga mängder av det radioaktiva grundämnet berkelium, ett syntetiskt grundämne som är avgörande för skapandet av element 117. Berkelium är en biprodukt från produktionen av kalifornium vid ORNL:s High Flux Isotope Reactor (HFIR).
Vanderbilt University professor Joe Hamilton noterade när kaliforniumproduktionen återupptogs vid ORNL 2008 och presenterade ORNL:s Jim Roberto för Yuri Oganessian, som framgångsrikt var pionjär inom ”hot fusion”-metoden för att syntetisera supertunga grundämnen genom att bombardera aktinidmål med tunga joner som accelereras i en cyklotron vid Joint Institute for Nuclear Research i Dubna, Ryssland. Detta möte utgjorde grunden för det pågående samarbetet mellan de tre institutionerna. Oganessians tidigare arbete ledde till upptäckten av grundämnena 114, 116 och 118 under 2000-2004 i samarbete med Lawrence Livermore National Laboratory. Aktinidmålmaterial för alla dessa upptäckter kom från ORNL och Dimitrovgrad i Ryssland. Men identifiering av grundämne 117 var inte möjlig utan berkelium.
ORNL och JINR kom formellt överens om att samarbeta om forskning om supertunga element i december 2008, inklusive produktion av berkelium-målmaterial vid ORNL och deltagande i acceleratorförsöken vid JINR. Lawrence Livermore National Laboratory, som hade samarbetat med JINR vid tidigare forskning om supertunga grundämnen, anslöt sig också till teamet i slutet av 2008 och tillförde kapacitet för analys av kärntekniska data.
Berkeliumet producerades genom 250 dagars bestrålning vid ORNL:s HFIR och 90 dagars bearbetning vid det intilliggande Radiochemical Engineering and Development Center (REDC) för att separera och rena berkeliummaterialet.
Den 15 juni 2009 skickade ORNL 22 milligram berkelium-249, med klockan tickande på dess 327 dagars halveringstid, till JINR. Materialet skickades vidare till det ryska forskningsinstitutet för atomreaktorer i Dimitrovgrad, som tillverkade en måltavla genom att applicera berkeliumradioisotopen på en tunn film av titan.
Målet skickades från RIAR till JINR i Dubna, där experimentet inleddes den 28 juli 2009.
Målet 249Bk bombarderades under 150 dagar med en intensiv stråle av 7 biljoner kalcium-48-joner per sekund i en av världens mest kraftfulla tunga jonacceleratorer. Under mycket sällsynta förhållanden växelverkade kalciumkärnorna (som innehåller 20 protoner) med berkeliumkärnorna (som innehåller 97 protoner) för att skapa ett fåtal sammansatta kärnor med atomnummer 117. Dessa sammansatta kärnor separerades från kalciumstrålen med hjälp av en uppsättning starka magneter i Dubna Gas Filled Recoil Separator. Atomkärnorna med grundämne 117 implanterades i kiseldetektorer, där distinkta radioaktiva sönderfall mättes.
Till slut visade detektorerna upp sex kortlivade men historiskt viktiga atomer av grundämne 117, som sedan sönderföll till grundämnena 115, 113, 111, 109, 107 och 105.
Den internationella forskargruppen tillkännagav sin upptäckt av grundämne 117 i april 2010 i en publikation i Physical Review Letters. I upptäcktsartikeln ingick 33 författare från sex institutioner: JINR (15), ORNL (7), LLNL (6), Vanderbilt (2), RIAR (1) och University of Nevada Las Vegas (2).
En grupp på 72 forskare från 16 institutioner i Australien, Finland, Tyskland, Indien, Japan, Japan, Norge, Polen, Sverige, Schweiz, Storbritannien och USA genomförde bekräftelseexperiment för att oberoende verifiera upptäckten av grundämne 117. Forskningen omfattade framställning av berkelium vid ORNL och bombardering med högeffektiva kalciumjonstrålar i en accelerator vid GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research i Darmstadt, Tyskland. Denna oberoende observation av element 117 presenterades i en studie i Physical Review Letters som publicerades i maj 2014.
Utvidare bekräftelsestudier genomfördes av JINR, ORNL, LLNL, Vanderbilt och University of Tennessee, Knoxville (UTK) vid JINR 2012 med berkelium från ORNL (Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012)). Krzysztof Rykaczewski från ORNL och Robert Grzywacz från UTK ledde utvecklingen av en ny detektor och ett nytt digitalt datainsamlingssystem som användes i uppföljningsexperimenten på supertunga kärnor vid JINR.
En gemensam kommitté för International Union of Pure and Applied Physics och International Union of Pure and Applied Chemistry utvärderade bevisen och meddelade den 30 december 2015 att kriterierna för upptäckten av grundämne 117 hade uppfyllts. IUPAC bekräftade också upptäckten av grundämne 115, en sönderfallsprodukt av grundämne 117, i detta tillkännagivande. Kommittén uppmanade därefter upptäckargruppen från JINR, LLNL, ORNL och Vanderbilt att föreslå permanenta namn och symboler för grundämnena 117 och 115.
Den 8 juni 2015 offentliggjorde International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Inorganic Chemistry Division en provisorisk rekommendation för namnet tennessin och symbolen Ts för grundämne 117, som ett erkännande av bidragen från Oak Ridge National Laboratory, Vanderbilt University och University of Tennessee at Knoxville till forskningen om supertunga grundämnen, inklusive framställning och kemisk separering av unika målmaterial av aktinider för syntes av supertunga grundämnen vid ORNL:s HFIR-REDC-anläggningar. Att erkänna Tennessee i namngivningen av grundämne 117 har varit ett diskussionsämne sedan Hamilton ursprungligen föreslog det. Namnet tennessin föreslogs formellt av upptäcktsgruppen under en videokonferens den 23 mars 2016, där ändelsen ”ine” valdes för att överensstämma med den konvention som krävs för grundämnen i grupp 17 i det periodiska systemet. Det provisoriska namnet moscovium föreslogs för grundämne 115, för att hedra den ryska region som är hemvist för JINR.
Betydelse av grundämne 117
I det nuvarande periodiska systemet är grundämnen efter uran (atomnummer 92) alltmer instabila och sönderfaller snabbt till andra grundämnen.
Kärnfysiker teoretiserar att det finns en ”stabilitetsö” bortom det nuvarande periodiska systemet, där nya supertunga grundämnen skulle kunna uppvisa längre livslängd. En sådan ö skulle utvidga det periodiska systemet till ännu tyngre grundämnen, och den längre livslängden skulle möjliggöra kemiska experiment och potentiella tillämpningar för dessa grundämnen.
Grundämne 117 var det enda grundämne som saknades i rad sju i det periodiska systemet. På väg till stabilitetsön hoppade forskarna till en början över element 117 på grund av svårigheten att få tag på målmaterialet berkelium. Grundämne 117 och de nya isotoper som uppstår genom det radioaktiva sönderfallet av grundämne 117 för forskarna närmare stabilitetsön och stöder en allmän trend av ökad stabilitet för supertunga grundämnen med ökande antal neutroner i kärnan. Upptäckten av två isotoper av grundämne 117 och deras 11 sönderfallsprodukter ger starka bevis för att stabilitetsön existerar.
Stödjande dokumentation
- Den 9 april 2010 – Upptäckten av grundämne 117 tillkännages i Physical Review Letters http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.142502
- Den 19 oktober 2012 – Andra experimentet vid JINR bekräftar grundämne 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.162501
- Den 1 maj, 2014 – Experiment vid GSI bekräftar oberoende element 117 – http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.172501
- December 30, 2015 – IUPAC tillkännager verifiering av fyra nya element – http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/
- June 8, 2016 – IUPAC utfärdar provisorisk rekommendation om föreslagna namn – http://iupac.org/recommendation/names-and-symbols-of-the-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/