Yeni Süper Ağır Elementler Yaratmak için Yeni Bir Yöntem Keşfedildi!

Bilinen en ağır doğal element, 92 protonlu yani atom numarası 92 olan uranyumdur. Ancak bilim insanları, bunun ötesine geçerek atom numaraları sırasıyla 118, 117 ve 116 olan oganesson, tennessin ve livermoryum gibi süper ağır elementleri sentezlemeyi başardı.

Bu süper ağır elementlerin neredeyse hepsi bir saniyeden kısa bir yarı ömre sahip. Hatta bu süre bazıları için mikrosaniyelere bile varabiliyor. Bu da süper ağır element atomlarının bir saniyeden çok daha kısa bir süre içerisinde yarısının bozunduğu anlamına geliyor. Üstelik bu elementlerin oluşturulması ve tespit edilmesi hiç kolay değil ve son derece güçlü parçacık hızlandırıcıların kullanıldığı oldukça detaylı çalışmalar gerektiriyor.

Süper ağır elementlerin oluşturulmasında kullanılan bu geleneksel yöntemlerin vermiş olduğu meyvelerin sınırına ulaşılması ile birlikte ABD ve Avrupa'dan bir grup bilim insanı yeni bir yöntem ortaya koydu. Kaliforniya'daki Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda yürütülen çalışma, Physical Review Letters dergisinde yayınlandı. Gates ve ekibi şöyle anlatıyor:

Günümüzde "kararlılık bölgesi" kavramı hâlen ilgi çekici bir başlık olmakla birlikte kendisinin Segré grafiğindeki tam konumu ve kapsamı da aynı şekilde hem teorik hem de deneysel nükleer fizik alanında aktif bir araştırma konusu olmayı sürdürüyor.

Kararlılık bölgesi; süper ağır elementlerin ve onların izotoplarının, yani aynı proton sayısına ancak farklı nötron sayısına sahip çekirdeklerin, yakınlarındaki elementlerden çok daha uzun bir yarı ömre sahip olabileceği bölgeyi ifade eder. Bu durumun genelde atom numarası 112'ye yakın izotoplar için gerçekleşmesi beklenir.

Bilim insanları yeni süper ağır elementleri bulmak ve bunların izotoplarını üretmek için farklı yöntemler kullanılmış olsa da aktinit serisindeki elementleri kalsiyum atomlarıyla, özellikle de 20 protona ve 28 nötrona sahip olan kalsiyum-48 izotopuyla çarpıştırmanın bu yöntemler arasında en verimlisi olduğu gördüler. Bunun nedeni kalsiyum-48'in sahip olduğu "özel sayıdaki" proton ve nötron miktarı nedeniyle aktinit elementlerinin boş enerji kabuklarını tamamen doldurabilmesidir. Bu da onu proton numaraları 89'dan 103'e kadar ilerleyen aktinit elementleri için özel kılar.

Proton ve nötronun bu özel sayılarda olması, çekirdeğin oldukça kararlı olduğu anlamına gelir. Örneğin, kalsiyum-48 izotopu yaklaşık 60 milyar kere milyar yıl, yani evrenin yaşından kat kat uzun bir yarı ömre sahiptir. Ancak, kalsiyum-48’e bir nötron daha eklendiğinde oluşan kalsiyum-49’un yarı ömrü ise sadece dokuz dakikadır.

Yukarıda bahsedilen ve spesifik elementlerle gerçekleştirilen bu tepkimelere "sıcak füzyon" adı verilir. Benzer şekilde titanyum-50 ve çinko-70'in hızlandırılarak kurşun veya bizmutla çarpıştırıldığı tepkimelere ise "soğuk füzyon" adı verilir. Bu tepkimeler, atom numarası 118 olan oganessona varan süper ağır elementler keşfedilmesinde büyük rol oynamıştır.

Ancak bu yöntemler kullanılarak süper elementlerin üretmek kimi zaman haftalarca sürecek hâle geldiği ve hedef olarak kullanılacak olan einsteinyum ile fermiyum süper ağır elementlerinin yeterince verimli bir şekilde üretilememesi nedeniyle oganessondan daha ileriye gitmek isteyen bilim insanları için yeni bir teknik keşfetme ihtiyacı doğdu. Çalışmalarında "yeni bir reaksiyon yaklaşımı" gerektiğini söyleyen ekip tam da aradıklarını buldu.

Geliştirilen teorik çekirdek modelleri, oganessonun altında yer alan ve aktinit hedeflerin kalsiyum-48'den daha ağır izotoplarla çarpıştırılmasıyla üretilen süper ağır elementlerin üretim oranlarını başarılı bir şekilde tahmin etti. Ayrıca bu modellerden elde edilen veriler, atom numaraları 119 ve 120 olan elementleri üretmek için en uygun tercihin en yüksek tesir kesitlerine sahip olan titanyum-50 izotopu olacağını gösterdi.

Tabii bunlar haricinde gerekli enerji miktarı gibi diğer parametreler henüz belirlenmiş olmamakla birlikte, modeller için gereken kütleler de henüz hesaplanmış değil. Değerlerdeki en ufak farklılıklar süper ağır elementlerin üretim oranlarını büyük ölçüde değiştirebileceği için bu değerlerin net bir şekilde belirlenmesi büyük önem taşıyor.

Atom numaraları 119'dan 122'ye kadar olan elementlerin üretimi için birkaç deney girişimi yapılmış olsa da ne yazık ki bu girişimlerden çıkan sonuçlar tatmin edici olmamıştır. Gates ve ekibi, bu başarısız girişimlerden sonra plütonyum-244 hedeflerine titanyum-50 izotopları göndererek 116 atom numaralı livermoryum izotoplarını nasıl oluştuğunu incelemeye karar verdi.

Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda yaklaşık 2 metrelik siklotron çarpıştırıcısıyla çalışan ekip, saniyede 6 trilyon titanyum iyonu içeren bir ışın üretti. Bu iyonları 12 cm çapında plütonyum hedeflerle 22 gün boyunca çarpıştırdılar. Yaptıkları ölçümler neticesinde livermoryum-290'ın, iki farklı nükleer bozunma zinciri aracılığıyla üretildiğini belirleyen araştırmacılar çalışmalarını şöyle anlatıyor:

Bu çalışma, ilk kez kalsiyum-48 yerine farklı bir ışın kullanılarak kararlılık bölgesine yakın bir süper ağır elementin üretildiğini göstermiştir. Çalışmadan elde ettiğimiz başarılı sonuçlar, yeni süper ağır elementlerin keşfedilmesinin imkânsız olmadığını doğrulamaktadır.

Bu keşif, "özel" olmayan sayılara sahip çekirdeklerin çarpışarak diğer süper ağır atomları ve izotopları üretebilme potansiyelini ilk kez ortaya çıkardığı için gelecekteki keşiflerin önünü de açabilir. Bilinen yaklaşık 110 süper ağır element izotopu vardır, ancak uzmanlar yeni yöntemlerle keşfedilmeyi bekleyen 50 kadar daha izotop olduğu düşünmektedir.