Nieuw licht op zwaarste elementen in tabel van Mendelejev

Nog altijd slagen onderzoekers erin om de tabel van Mendelejev uit te breiden: in 2016 werden nog vier nieuwe elementen toegevoegd. Het gaat om zware elementen die op aarde niet voorkomen en die met krachtige deeltjesversnellers aangemaakt worden. "Dat gebeurt meestal in minuscule hoeveelheden – soms slechts een paar atomen per jaar. Omdat die atomen ook radioactief zijn, vallen ze snel uiteen: sommige bestaan maar een fractie van een seconde. Vandaar de uiterst beperkte wetenschappelijke kennis over die elementen", vertellen kernfysici Mark Huyse en Piet Van Duppen.

Vingerafdruk

Met een nieuwe toepassing van de techniek laserionisatie hopen de fysici daar verandering in te brengen. "Eerst vangen we de zeldzame zware atomen in een gas en beschijnen ze daar met laserlicht. Daardoor brengen we het buitenste elektron in een andere baan. Een tweede laserstraal schiet daarna het elektron weg. Het atoom wordt zo geïoniseerd: het krijgt een positieve elektrische lading en wordt gemakkelijk manipuleer- en detecteerbaar. Uit de kleur van het laserlicht kunnen we afleiden hoeveel energie nodig is om een elektron te laten wegspringen: die informatie is als het ware een vingerafdruk van de structuur van het atoom van dat element en zijn kern."

In een reeks experimenten bestudeerden de kernfysici de interne structuur van het element nobelium (No). In de GSI-deeltjesversneller in het Duitse Darmstadt werden nobeliumkernen geproduceerd door calcium projectielen af te schieten op een dunne loodfilm. Deze kernen werden geïsoleerd, in een argongascel gestopt en beschenen met laserlicht. "Zodra een elektron wegschiet uit de kern en het atoom geïoniseerd is, kan het atoom duidelijk geïdentificeerd worden via zijn karakteristiek radioactief verval. Het vereiste tien jaar van doorgedreven onderzoek om dit succes te boeken."

Nieuw tijdperk

Bij een andere reeks experimenten werd actinium (Ac) geproduceerd in de deeltjesversneller van Louvain-la-Neuve. De kortlevende atomen van dit element kunnen worden aangemaakt door neon projectielen af te schieten op een dunne goudfilm. De actiniumkernen worden in een gaskamer met argon gestopt, meegezogen in een supersonische jet en vervolgens beschenen met laserlicht om de atomen te ioniseren.

Op zich is laserionisatie een bekende techniek, maar het gebruik ervan in een supersonische jet is nieuw en uitermate geschikt voor de zware, radioactieve elementen: "Door het atoom te ioniseren krijgen we een veel grotere gevoeligheid. De productie van een paar atomen per seconde is al voldoende om tijdens de experimenten een meting op te starten. Met deze technologie wordt de gevoeligheid, nauwkeurigheid en snelheid van de laserionisatie minstens met factor tien verbeterd. Dat luidt een volledig nieuw tijdperk in voor het onderzoek naar de zwaarste elementen en maakt het mogelijk om de theoretische modellen in de kernfysica en de atoomfysica te testen en te corrigeren. Onze methode zal gebruikt worden in de nieuwe deeltjesversneller van Ganil, die op dit ogenblik in Frankrijk gebouwd wordt."

Klik hier voor de volledige tekst van de studie ‘Atom-at-a-time laser resonance ionization spectroscopy of nobelium’ op de website van Nature.

Klik hier voor de volledige tekst van de studie ‘Towards high-resolution laser ionisation spectroscopy of the heaviest elements in supersonic gas jet expansion’ op de website van Nature Communications.

Ilse Frederickx, KU Leuven