Une équipe de scientifiques travaillant au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a découvert une nouvelle forme de l'élément mendelevium fabriqué par l'homme. L'isotope nouvellement créé, mendelevium-244, est la 17e et la plus légère forme de mendelevium, qui est l'élément 101 du tableau périodique.

Mendelevium a été créé pour la première fois par des scientifiques du Berkeley Lab en 1955 (voir une vidéo connexe), et fait partie d'une liste de 16 autres éléments que les scientifiques de Berkeley Lab ont découverts ou aidés à découvrir. Un isotope est une forme d'élément avec plus ou moins de neutrons (particules non chargées) dans son noyau atomique que les autres formes d'un élément.

Dans la dernière découverte, l'équipe a utilisé le cyclotron de 88 pouces de Berkeley Lab, qui accélère de puissants faisceaux de particules chargées sur des cibles pour créer des atomes d'éléments plus lourds, pour faire mendelevium-244. Un cyclotron est un type d'accélérateur de particules qui a été inventé par l'homonyme du laboratoire, Ernest O. Lawrence, en 1930.

Les équipes dirigées par Berkeley Lab ont maintenant découvert 12 des 17 isotopes du mendelevium, et ont découvert un total de 640 isotopes, soit environ un cinquième de tous les isotopes connus et de loin le nombre le plus élevé pour une seule institution. À la fin de 2019, il y en avait 3, 308 isotopes connus. La nouvelle découverte d'isotopes est la première d'une équipe dirigée par le Berkeley Lab depuis 2010.

"Il était difficile de découvrir ce nouvel isotope du mendélévium car tous les isotopes du mendélévium voisins ont des propriétés de désintégration très similaires, " a déclaré Jennifer Pore, un scientifique du projet Berkeley Lab qui a dirigé l'étude détaillant la découverte de l'isotope. La désintégration alpha décrit le processus par lequel un élément radioactif comme le mendélévium se décompose en éléments plus légers au fil du temps.

Au total, l'équipe a mesuré les propriétés de 10 atomes de mendelevium-244 pour l'étude, paru aujourd'hui dans le journal Lettres d'examen physique .

"Chaque isotope représente une combinaison unique de protons et de neutrons, " Pore a dit. " Quand un nouvel isotope est découvert, cette combinaison particulière de protons (particules chargées positivement) et de neutrons n'a jamais été observée. Les études de ces combinaisons extrêmes sont essentielles pour notre compréhension de toute la matière nucléaire. »

En plus de découvrir le nouvel isotope, les travaux de l'équipe de recherche ont également fourni la première preuve directe d'un processus de désintégration impliquant un isotope de l'élément berkelium. L'équipe comprenait des scientifiques de l'UC Berkeley, Laboratoire national Lawrence Livermore, Université d'État de San José, et l'université suédoise de Lund.

Les chercheurs ont trouvé des preuves que le mendelevium-244 a deux chaînes de décomposition distinctes, chacune conduisant à une demi-vie différente :0,4 seconde et 6 secondes, basé sur différentes configurations énergétiques des particules dans son noyau. Une demi-vie est le temps qu'il faut pour que le nombre d'atomes d'un élément radioactif soit réduit de moitié lorsque leurs noyaux se désintègrent en d'autres, noyaux plus légers.

Dans une mesure distincte issue de la même étude, les chercheurs ont trouvé la première preuve du processus de désintégration alpha du berkelium-236, un isotope de l'élément berkelium, en se transformant en américium-232, un isotope légèrement plus léger. Le Berkelium a été découvert en 1949 par une équipe dirigée par le Berkeley Lab.

Au cœur de la découverte de l'isotope se trouvait un instrument du cyclotron de 88 pouces appelé FIONA, ou Pour l'identification du nucléide A. Le "A" dans FIONA représente le nombre de masse d'un élément, qui est le nombre total de protons (particules chargées positivement) et de neutrons (particules non chargées) dans le noyau d'un atome. Le nombre de masse du nouvel isotope est 244.

"L'outil le plus important que nous ayons eu dans cette découverte était FIONA, " dit Pore, qui faisait également partie de l'équipe qui a aidé aux tests et au démarrage de FIONA. FIONA a mesuré avec précision le nombre de masse du nouvel isotope.

Barbara Jacak, directeur de la division des sciences nucléaires au Berkeley Lab, mentionné, "Nous avons construit FIONA pour permettre des découvertes comme celle-ci, et c'est excitant de voir cet instrument prendre son envol."

Michael Thoennessen, un professeur distingué de l'Université de l'État du Michigan qui est en congé pour servir en tant que rédacteur en chef de l'American Physical Society, maintient une liste des découvertes d'isotopes et note que la liste des nouveaux isotopes a été plus mince que d'habitude au cours des dernières années.

« Les découvertes d'isotopes sont cycliques et dépendent de nouveaux accélérateurs et d'avancées majeures dans le développement d'équipements expérimentaux, ", a-t-il déclaré. Le FIONA de Berkeley Lab et la Facilité pour les faisceaux d'isotopes rares (FRIB), une installation d'utilisateurs du département de l'Énergie des États-Unis en cours de développement à l'Université d'État du Michigan, sont des capacités uniques « avec un grand potentiel de découverte » pour différents types de nouveaux isotopes aux États-Unis, il a noté.

Pour s'assurer que les mesures de FIONA étaient exactes, l'équipe de recherche a d'abord mesuré les propriétés de désintégration et les nombres de masse des isotopes connus du mendelevium, y compris mendelevium-247, mendelevium-246, et mendelevium-245.

« Une fois que nous étions convaincus que nous connaissions bien les propriétés de ces isotopes légers du mendelevium, nous avons tenté l'expérience pour découvrir l'isotope mendelevium-244, non observé auparavant, " Pore a dit. " Sans la confirmation directe que nous avions produit un isotope avec un nombre de masse de 244, il aurait été très difficile de démêler les résultats et de prouver la découverte."

Pour créer de tels isotopes exotiques - même la forme la plus légère connue de mendélévium est encore plus lourde que l'uranium naturel - les scientifiques ont produit un faisceau de particules au cyclotron de 88 pouces contenant des particules chargées d'argon-40, un isotope de l'argon, et dirigé le faisceau vers une cible en feuille mince composée de bismuth-209, un isotope du bismuth.

Parfois, dans ces expériences, un noyau dans le faisceau de particules à haute énergie heurte et fusionne directement avec un noyau dans la feuille cible, produire un seul atome d'un élément plus lourd. Et pour un isotope à demi-vie très courte, c'est une course pour mesurer un atome avant qu'il ne se désintègre en quelque chose d'autre.

Le cyclotron de 88 pouces de Berkeley dispose d'un autre outil en amont de FIONA qui s'appelle le séparateur à gaz de Berkeley. Le séparateur aide à extraire les atomes pertinents qui peuvent être mesurés rapidement et individuellement en détail avec FIONA.

Les chercheurs peuvent poursuivre d'autres études sur le mendelevium-244 avec d'autres instruments pour essayer d'en savoir plus sur sa structure, dit Pore.

Et maintenant que FIONA a démontré sa valeur dans la découverte d'isotopes, Les chercheurs du Berkeley Lab jettent leur dévolu sur d'autres nouveaux isotopes. "Nous prévoyons déjà des études similaires le long d'autres chaînes isotopiques pour découvrir de nouveaux isotopes, " dit Pore.