Advanced

Element 115

Forsberg, Ulrika LU (2016)
Abstract (Swedish)
Element 115 är arbetsnamnet för det grundämne som karaktäriseras av att atomer av ämnet har 115 protoner i sin atomkärna. Protoner är positivt laddade kärnpartiklar och är ansvariga för att atomkärnor omges av lika många negativt laddade elektroner för att bilda fullvärdiga neutrala atomer. Olika grundämnen -- såsom guld, syre och tellur -- kännetecknas av att atomerna har olika många protoner, och därmed också olika många elektroner. Elektronerna bestämmer ämnets kemiska egenskaper. De ämnen som finns naturligt på jorden i nämnbara mängder har mellan en och 92 protoner i sina kärnor. Men går det att göra atomer som har ännu fler protoner?

Krafterna inne i kärnan är komplicerade. Vi vet att trots att protonerna är positivt laddade... (More)
Element 115 är arbetsnamnet för det grundämne som karaktäriseras av att atomer av ämnet har 115 protoner i sin atomkärna. Protoner är positivt laddade kärnpartiklar och är ansvariga för att atomkärnor omges av lika många negativt laddade elektroner för att bilda fullvärdiga neutrala atomer. Olika grundämnen -- såsom guld, syre och tellur -- kännetecknas av att atomerna har olika många protoner, och därmed också olika många elektroner. Elektronerna bestämmer ämnets kemiska egenskaper. De ämnen som finns naturligt på jorden i nämnbara mängder har mellan en och 92 protoner i sina kärnor. Men går det att göra atomer som har ännu fler protoner?

Krafterna inne i kärnan är komplicerade. Vi vet att trots att protonerna är positivt laddade och därmed stöter bort varandra, så håller ``vanliga'' atomkärnor ändå ihop. Det måste alltså finnas andra typer av krafter som motverkar den elektriska repulsionen. Dessa krafters natur är ännu inte helt kartlagd, men vi vet att om protoner är mycket nära varandra dras de faktiskt till varanda istället för att stöta bort varandra. Vi kallar den sammanhållande effekterna för ``den starka kraften''.

Atomkärnor består inte bara av protoner, utan också av neutroner. De har ingen laddning, men liksom protonerna påverkas de av den starka kraften. Den gör att de inte bara dras till varandra utan även till protonerna. Tillsammans bildar alltså protoner och neutroner de atomkärnor som utgör vår värld. Det finns också atomkärnor som inte är stabila utan sönderfaller och sänder ut radioaktiv strålning. Detta beror ofta på att balansen mellan protoner och neutroner inte är optimal eller att de repellerande krafterna mellan protonerna till slut vinner.

I de modeller som kärnfysikens pionjärer ställde upp för ca 80 år sedan finns det en övre gräns för hur många protoner som kan finnas i en kärna. Beroende på vilken modell som användes gick gränsen vid lite olika protontal, men som mest vid ungefär hundra protoner. Det man inte visste då var att det finns en inre struktur i kärnorna som gör att vissa speciella protontal och neutrontal blir mer stabila än andra. Förklaringen till varför just dessa antal ger ökad stabilitet uppdagades i slutet av 40-talet av bland andra Maria Goeppert-Mayer, som belönades med Nobelpriset i fysik år 1963.

Under 40-talet framställdes flera nya grundämnen artificiellt i laboratorium genom att lättare atomer fusionerades -- alltså slogs samman med hjälp av acceleratorer -- och forskarna närmade sig den förutsagda gränsen. Självklart lät sig inte experimentalisterna stoppas av en teoretisk gräns, men ett rejält uppsving för forskningsfältet kom när Lundafysikern Sven Gösta Nilsson teoretiskt förutsade att grundämnen med 110-120 protoner inte bara bör kunna finnas, utan även kan vara relativt stabila!

Under 80- och 90-talen var det tyska laboratoriet GSI i Darmstadt ledande inom konsten att framställa tyngre och tyngre grundämnen, vilket återspeglas t.ex. i namnet Darmstadtium för grundämnet med 110 protoner. Därefter leddes jakten främst av det ryska laboratoriet JINR i Dubna, Ryssland. Där har forskare under de senaste tjugo åren framställt atomer som tros ha 113-118 protoner. Dessa atomer skapas en och en i laboratoriet, och det är i dagsläget bara möjligt att producera som mest ett par stycken om dagen.

De atomer som producerats hittills har väldigt korta halveringstider på maximalt ett par sekunder, och alltså sönderfaller de mycket snart efter att de skapats. Den korta livslängden beror till stor del på obalans mellan antalet neutroner och protoner. Tyvärr är det än så länge inte möjligt att få in fler neutroner i kärnorna, och därför är vi ganska långt ifrån det område där det förutspåtts att det ska finnas relativt stabila, alltså långlivade, atomer.

Ett annat problem i forskningen är att det är svårt att slå fast hur många protoner som faktiskt finns i kärnorna. Forskarna i Ryssland har försökt bestämma protonantalet indirekt, och fastän nästan alla är övertygade om att bestämningen är korrekt tycker de flesta att det inte riktigt räcker. Det är här som min forskning kommer in i bilden. Jag har utfört ett experiment vars syfte är att verkligen ta reda på protonantalet i nya atomkärnor.

En metod för att göra en direkt och otvetydig mätning av protonantalet är att studera röntgenstrålning from atomerna. Om man mäter strålningens energi kan man räkna ut hur många protoner som finns i kärnan, och alltså vilket slags atomer som finns i provet. Svårigheten i en sådan mätning ligger bland annat i att få kärnan att sända ut röntgenstrålning. För större materialprover, såsom t.ex. en bit av en meteor, kan man provocera fram röntgenstrålning genom att bestråla provet på något vis. I fallet med de enstaka atomer som produceras i mina experiment är denna metod inte möjlig. Det vi istället sätter vårt hopp till är att när atomerna sönderfaller kommer de ibland att bilda en dotteratom som har överskottsenergi som den kan sända ut i form röntgenstrålning. Då kan vi identifiera dotteratomen, och eftersom vi vet hur det initiala sönderfallet skedde kan vi identifiera den ursprunliga atomen.

Det fina med metoden är att man dessutom får ut mycket mer information. Observationer kring hur ofta det sänds ut röntgenstrålning, huruvida annan strålning sänds ut och exakt hur och när sönderfallen sker berättar om hur atomkärnorna ser ut i detalj. Det som förklarades av bland andra Maria Goeppert-Mayer är att protonerna och neutronerna som finns inne i kärnan arrangerar sig enligt vissa mönster. Liksom man tänker sig att elektronerna snurrar runt atomkärnorna i olika skal, snurrar protonerna och neutronerna i skal runt en punkt i mitten av atomkärnan. Genom att studera dessa skal noggrannare och noggrannare, får vi bättre och bättre ledtrådar om hur krafterna inne i kärnan verkligen fungerar. Ju mer vi lär oss om krafterna, ju bättre kan vi förstå och utveckla de goda tillämpningar av kärnfysik som finns idag och imorgon.

Under mina första år som doktorand var jag med och utvecklade utrustning för att kunna göra en detaljstudie av element 115 och dess sönderfallsprodukter. I slutet av år 2012 utförde vi vårt experiment, och sedan dess har vi grävt djupare och djupare i de data vi samlade in. Vi har kalibrerat vår utrustning, vi har rekonstruerat sönderfallen, vi har jämfört med simulerade sönderfall, vi har räknat på olika sannolikheter, och vi har försökt kommunicera våra upptäckter till omvärlden. Denna avhandling innehåller en översikt över experimentet och redogörelser för vad jag har gjort. (Less)
Abstract
This thesis is devoted to detailed studies of element 115 decay chains using the highly efficient multi-coincidence alpha, electron, gamma and X-ray detector setup TASISpec at the gas-filled separator TASCA at GSI, Darmstadt, Germany. In a three-week long experiment thirty new decay chains assumed to stem from element 115 isotopes were observed together with the very first detections of gamma rays and potential X-rays from these nuclei.

Paper I describes preparations in terms of optimisations of the magnetic fields in TASCA. Paper II presents data from 23 of the observed chains and the very first level schemes along element 115 decay chains, and discusses the first observation of potential X-rays. In Paper III aspects of the... (More)
This thesis is devoted to detailed studies of element 115 decay chains using the highly efficient multi-coincidence alpha, electron, gamma and X-ray detector setup TASISpec at the gas-filled separator TASCA at GSI, Darmstadt, Germany. In a three-week long experiment thirty new decay chains assumed to stem from element 115 isotopes were observed together with the very first detections of gamma rays and potential X-rays from these nuclei.

Paper I describes preparations in terms of optimisations of the magnetic fields in TASCA. Paper II presents data from 23 of the observed chains and the very first level schemes along element 115 decay chains, and discusses the first observation of potential X-rays. In Paper III aspects of the data analysis are described. Paper IV considers correlations along element 115 decay chains and a generalisation of a previously devised test for congruence of data sets. Paper V presents the remaining seven chains from our experiment and discusses possible isotopic origins of those chains as well as similar chains observed at the Joint Institute for Nuclear Reactions, Dubna, Russia and Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA. Paper VI is a popular science article about new chemical elements. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Lopez-Martens, Araceli, CSNSM and Université Paris-Sud, Campus d’Orsay, Orsay, France
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
superheavy elements, element 115, new elements, alpha decay, X rays, gamma rays, nuclear structure, spontaneous fission, kärnstruktur, supertunga grundämnen, nya grundämnen, alfasönderfall, röntgenstrålning, gammastrålning, spontan fission, element 115, spektroskopi
pages
171 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Division of Nuclear Physics
defense location
Physicum, Rydberg Lecture Hall, Sölvegatan 14A, Lund
defense date
2016-05-20 13:15
ISBN
978-91-7623-812-7
language
English
LU publication?
yes
id
c5df0fbd-7eb1-46a3-a47e-c5c35887859e
date added to LUP
2016-04-24 19:04:32
date last changed
2016-09-19 08:45:20
@misc{c5df0fbd-7eb1-46a3-a47e-c5c35887859e,
  abstract     = {This thesis is devoted to detailed studies of element 115 decay chains using the highly efficient multi-coincidence alpha, electron, gamma and X-ray detector setup TASISpec at the gas-filled separator TASCA at GSI, Darmstadt, Germany. In a three-week long experiment thirty new decay chains assumed to stem from element 115 isotopes were observed together with the very first detections of gamma rays and potential X-rays from these nuclei.  <br/><br/>Paper I describes preparations in terms of optimisations of the magnetic fields in TASCA. Paper II presents data from 23 of the observed chains and the very first level schemes along element 115 decay chains, and discusses the first observation of potential X-rays. In Paper III aspects of the data analysis are described. Paper IV considers correlations along element 115 decay chains and a generalisation of a previously devised test for congruence of data sets. Paper V presents the remaining seven chains from our experiment and discusses possible isotopic origins of those chains as well as similar chains observed at the Joint Institute for Nuclear Reactions, Dubna, Russia and Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA. Paper VI is a popular science article about new chemical elements. },
  author       = {Forsberg, Ulrika},
  isbn         = {978-91-7623-812-7},
  keyword      = {superheavy elements,element 115,new elements,alpha decay,X rays,gamma rays,nuclear structure,spontaneous fission,kärnstruktur,supertunga grundämnen,nya grundämnen,alfasönderfall,röntgenstrålning,gammastrålning,spontan fission,element 115,spektroskopi},
  language     = {eng},
  pages        = {171},
  publisher    = {ARRAY(0x65f4c70)},
  title        = {Element 115},
  year         = {2016},
}