Credit: Berkeley LAB

Introduzione

Un team di scienziati che lavora al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha scoperto una nuova forma dell’elemento mendelevio creato dall’uomo. L’isotopo appena creato, il mendelevio-244, è la 17a e più leggera forma di mendelevio, che è l’elemento 101 della tavola periodica.

Il nuovo isotopo

Il mendelevio è stato creato per la prima volta dagli scienziati del Berkeley Lab nel 1955 ed è tra una lista di 16 elementi che gli scienziati del Berkeley Lab hanno scoperto o aiutato a scoprire. Un isotopo è una forma di elemento con più o meno neutroni (particelle non cariche) nel suo nucleo atomico rispetto ad altre forme di un elemento.

Nell’ultima scoperta, il team ha utilizzato il Ciclotrone 88 pollici del Berkeley Lab, che accelera potenti raggi di particelle cariche sugli obiettivi per creare atomi di elementi più pesanti, per creare il mendelevio-244. Un ciclotrone è un tipo di acceleratore di particelle che è stato inventato dall’omonimo laboratorio, Ernest O. Lawrence, nel 1930.

Un modello che mostra i 101 elettroni in orbita attorno all’elemento mendelevio. 
Credits: Pumbaa, Greg Robson / Wikimedia Commons

Le squadre guidate dal Laboratorio di Berkeley hanno scoperto 12 dei 17 isotopi del mendelevio e hanno scoperto un totale di 640 isotopi – circa un quinto di tutti gli isotopi conosciuti e di gran lunga il numero più alto per una singola istituzione. Alla fine del 2019 gli isotopi conosciuti erano 3.308. La nuova scoperta degli isotopi è la prima di una squadra guidata dal Berkeley Lab dal 2010.

È stata una sfida scoprire questo nuovo isotopo del mendelevio perché tutti gli isotopi del mendelevio vicini hanno proprietà di decadimento molto simili“, ha detto Jennifer Pore, scienziata del progetto del Berkeley Lab che ha condotto lo studio sulla scoperta dell’isotopo. Il decadimento alfa descrive il processo attraverso il quale un elemento radioattivo come il mendelevio si scompone nel tempo in elementi più leggeri. In totale, il team ha misurato le proprietà di 10 atomi di mendelevio-244 per lo studio, che è apparso sulla rivista Physical Review Letters.

Ogni isotopo rappresenta una combinazione unica di protoni e neutroni“, ha detto Pore. “Quando viene scoperto un nuovo isotopo, quella particolare combinazione di protoni (particelle con carica positiva) e neutroni non è mai stata osservata. Gli studi di queste combinazioni estreme sono fondamentali per la nostra comprensione di tutta la materia nucleare“.

Credit: Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Ulteriori scoperte

Oltre a scoprire il nuovo isotopo, il lavoro del team di ricerca ha anche fornito la prima prova diretta di un processo di decadimento che coinvolge un isotopo dell’elemento berkelium. Il team comprendeva scienziati della UC Berkeley, del Lawrence Livermore National Laboratory, della San Jose State University e della svedese Lund University.

I ricercatori hanno trovato la prova che il mendelevio-244 ha due catene separate di decadimento, ognuna delle quali porta ad un diverso tempo di dimezzamento: 0,4 secondi e 6 secondi, basato su diverse configurazioni energetiche delle particelle nel suo nucleo. Un tempo di dimezzamento è il tempo necessario perché il numero di atomi di un elemento radioattivo si riduca della metà mentre i loro nuclei si decompongono in altri nuclei più leggeri.

In una misura separata derivante dallo stesso studio, i ricercatori hanno trovato la prima prova del processo di decadimento alfa del berkelium-236, un isotopo dell’elemento berkelium, che si trasforma in americio-232, un isotopo leggermente più leggero. Il berkelio è stato scoperto nel 1949 da un team del Berkeley Lab.

L’importanza di FIONA

Al centro della scoperta dell’isotopo c’era uno strumento chiamato FIONA – For the Identification Of Nuclide A. La “A” in FIONA rappresenta il numero di massa di un elemento, che è il numero totale di protoni (particelle caricate positivamente) e neutroni (particelle non caricche) nel nucleo di un atomo. Il nuovo numero di massa del nuovo isotopo è 244. “Lo strumento più importante che avevamo in questa scoperta era FIONA“, ha detto Pore, che faceva anche parte del team che ha assistito nei test e nell’avvio della FIONA. FIONA ha misurato con precisione il numero di massa del nuovo isotopo.

Lo strumento FIONA del ciclotrone da 88 pollici del Berkeley Lab è stato fondamentale per confermare la scoperta del mendelevio-244. 
Credits: Marilyn Sargent / Berkeley Lab

Barbara Jacak, direttorice della Divisione di Scienze Nucleari del Berkeley Lab, ha detto: “Abbiamo costruito FIONA per permettere scoperte come questa ed è emozionante vedere questo strumento all’opera“.
Michael Thoennessen, professore universitario di fama alla Michigan State University, in congedo per servire come redattore capo dell’American Physical Society, mantiene un elenco di scoperte di isotopi e nota che l’elenco dei nuovi isotopi è stato più sottile del solito negli ultimi anni.

Le scoperte degli isotopi sono cicliche e dipendono dai nuovi acceleratori e dai grandi progressi nello sviluppo di apparecchiature sperimentali“, ha detto. FIONA del Berkeley Lab e la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), una struttura del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti in fase di sviluppo presso la Michigan State University, hanno capacità uniche “con un grande potenziale di scoperta” per diversi tipi di nuovi isotopi negli Stati Uniti, ha osservato.

Misure accurate

Per garantire che le misurazioni di FIONA fossero accurate, il team di ricerca ha misurato per la prima volta le proprietà di decadimento e i numeri di massa degli isotopi mendelevio noti, compresi mendelevio-247, mendelevio-246 e mendelevio-245. “Una volta sicuri di essere ben informati sulle proprietà di questi isotopi del mendelevio leggeri, abbiamo tentato l’esperimento per scoprire l’isotopo mendelevio-244, precedentemente non osservato“, ha detto Pore. “Senza la conferma diretta che avevamo prodotto un isotopo con un numero di massa di 244, sarebbe stato molto difficile districarne i risultati e provarne la scoperta“.

Per creare tali isotopi esotici – anche la forma più leggera nota di mendelevio è ancora più pesante dell’uranio naturale – gli scienziati hanno prodotto un fascio di particelle al Ciclotrone da 88 pollici contenente particelle cariche di argon-40, un isotopo di argon, e hanno diretto il fascio verso un bersaglio sottile composto da bismuto-209, un isotopo di bismuto.

Occasionalmente in questi esperimenti, un nucleo nel fascio di particelle ad alta energia colpisce direttamente e si fonde con un nucleo nella lamina bersaglio, producendo un singolo atomo di un elemento più pesante. E per un isotopo con un tempo di dimezzamento molto breve, è una corsa a prendere le misure di un atomo prima che si decompone in qualcos’altro.

Il Ciclotrone da 88 pollici di Berkeley ha un altro strumento a monte di FIONA che si chiama il Separatore a gas di Berkeley. Il separatore aiuta ad estrarre gli atomi rilevanti che possono essere rapidamente e individualmente misurati in dettaglio con FIONA.

I ricercatori possono proseguire altri studi sul mendelevio-244 con altri strumenti per cercare di saperne di più sulla sua struttura, ha detto Pore. E ora che FIONA ha dimostrato il suo valore nella scoperta degli isotopi, i ricercatori del Berkeley Lab si stanno concentrando su altri nuovi isotopi. “Stiamo già pianificando studi simili lungo altre catene isotopiche per scoprire nuovi isotopi“, ha detto Pore.

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