Jagten på verdens tungeste grundstof
Alle tunge grundstoffer er skabt i gigantiske supernovaer. Nu dyster forskerne om at lave verdens tungeste grundstof i laboratoriet.

Professor Jon Petter Omtvedt med udstyr til de kemiske eksperimenter. (Foto: Yngve Vogt)

Alle grundstoffer, der er tungere end jern, er dannet i supernovaer.

En supernova er en gigantisk stjerneeksplosion med enorme mængder energi. Energien i vores egen sol er så lav, at den kun kan danne lette grundstoffer.

For tiden dyster to internationale forskergrupper om, hvem der kan lave universets tungeste grundstof i et laboratorium.

Supertunge grundstoffer er dem med et atomnummer over 104. Nummeret står for antallet af protoner i atomkernen. For nogle år siden fremstillede forskerne grundstof 118. Nu er tiden kommet til grundstofferne 119 og 120.

Knivskarp konkurrence om tunge grundstoffer

Jon Petter Omtvedt, professor i kernekemi ved Universitetet i Oslo, er med i den ene af forskergrupperne. Han har forsket i supertunge grundstoffer i 20 år. Sammen med forskere fra en række vesteuropæiske lande, Japan og USA håber han nu på at vinde det prestigefyldte kapløb.

Eksperimentet foregår ved GSI, det tyske Helmholtz-center for forskning i tunge ioner, som er næsten lige så stort som kernefysikkens Big Bang-forskningsanlæg CERN.

Konkurrenterne er et hold med russiske og amerikanske forskere, som gerne vil vinde duellen fra deres kerneforskningsanlæg Dubna i Rusland. Det er ikke til at sige, hvem der vil løbe af sted med sejren.

»Konkurrencen er knivskarp. Supertunge grundstoffer er meget ustabile og meget svære at fremstille. Det er som at finde det ukendte i det ydre verdensrum. Vi arbejder helt ude på kanten af det eksperimentielt mulige.«

»Vi bliver nødt til at strække nutidens teknologi til det yderste og endda lidt længere for at kunne undersøge de tungeste grundstoffer,« forklarer Jon Petter Omtvedt.

Men selv om det skulle være tilstrækkeligt til at lave bare et eneste atom af det nye grundstof, er det ikke nok til et videnskabeligt bevis.

»Ingen får anerkendelse, før et andet laboratorium har genskabt forsøget. I værste fald kan det tage flere årtier, før forsøget er verificeret,« siger han.

Et atom om måneden

Forskerne er allerede i gang med forsøgene på at lave det første atom af grundstof 120. Produktionstiden for supertunge grundstoffer er længere, jo tungere de er. Da forskere opdagede grundstof 106, kunne de lave et atom i timen.

Halveringstiden, det vil sige den omtrentlige levetid for et atom, var tyve sekunder. Det betyder, at halvdelen af stoffet blev omdannet til andre, lettere grundstoffer i løbet af blot 20 sekunder.

I jagten på grundstof 118 fremstillede de et atom om måneden, med en halveringstid på bare 1,8 millisekund.

»Der er bestemt en sandsyglighed for, at det er endnu sværere at lave endnu tungere atomer. Desuden bliver vi nødt til at regne med ultrakorte halveringstider,« siger Omtvedt.

Startskuddet til jagten på grundstof 119 faldt, da anlægget Oak Ridge National Laboratory i USA fik produceret 20 milligram af det meget radioaktive stof berkelium.

Berkelium, som fremstilles kunstigt i helt specielle kernereaktorer, er tungere end uran og ekstremt vanskeligt at fremstille i rene koncentrationer. Forskergrupperne får således 10 milligram hver.

Professor Jon Petter Omtvedt vil meget gerne udvide det periodiske system med grundstof nummer 119 og 120. (Foto: Yngve Vogt)

For at lave grundstof 119, skyder de en partikelstråle med titanatomer mod en metalplade, der er krydret med berkelium. Og det skal gå stærkt; berkeliums halveringstid er 320 dage. Det betyder, at halvdelen af forskernes berkelium er væk efter 320 dage.

Sandsynligheden er lavere end i lotto

Målet er at få et titanatom til at smelte sammen med et berkeliumatom. Titan har atomnummer 22. Berkelium har atomnummer 97. Tilsammen har disse to atomer 119 protoner, altså netop nok til at lave et grundstof 119-atom.

»Det er meget svært at lave intense titanstråler. Her har vi hemmeligheder, som vi ikke deler med nogen som helst andre. Vi skal skyde fem tusinde milliarder titanatomer i sekundet, men sandsynligheden for at ramme er meget lille,« siger han.

Når atomerne en sjælden gang rammer hinanden, bliver de stort set bare knust eller delvist ødelagt i kollisionen.

»Det er sjældnere end én gang om måneden, at vi får bare et atom. Sandsynligheden er lavere end at vinde i lotto. Sagen er jo, at man skal opdage det her ene atom på en metalplade med mere end 100.000 uønskede hændelser i sekundet.«

Den eneste måde at gøre det på er at måle den radioaktive stråling i det øjeblik, atomet går i stykker.

»Det betyder, at vi først kan måle atomet, når det er væk igen. Ikke før,« siger Omtvedt.

Den sikreste måde at opdage atomet på er at undersøge alle atomets 'rester', når det går i stykker.

En kæde af atomdelinger kan bestå af fem til otte led. Først når reaktionskæden sker på en bestemt måde, kan forskerne være sikre på, at de har fundet det nye grundstof.

De har derfor udviklet endnu hurtigere reaktorer.

»De er i stand til at måle de ultrakorte halveringstider,« siger han.

119 og 120 er ikke slutningen på det periodiske system

Forskerne vil også gerne vide, hvordan et grundstof er sat sammen, og hvorfor nogle grundstoffer er ustabile.

»Supertunge grundstoffer er meget store og falder nemt fra hinanden,« siger Jon Petter Omtvedt.

En atomkerne består af protoner og neutroner. Jo større, atomkernen bliver, desto sværere er det for kræfterne mellem protonerne og neutronerne at holde kernen sammen.

»Det er ikke nok, at neutronerne og protonerne er det samme sted samtidig. De skal have været limet sammen i mindst nogle brøkdele af et mikrosekund for at kunne karakteriseres som en atomkerne.«

»Et af de store og spændende spørgsmål er, hvor tunge grundstoffer, man kan lave. Selv om det er meget svært at lave 119 og 120, tror vi ikke, at disse grundstoffer nødvendigvis er de sidste i det periodiske system,« slutter den norske forsker.

© forskning.no. Oversat af Magnus Brandt Tingstrøm

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.