Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
Diese Studie verwendet die mikroskopische zeitabhängige Hartree-Fock-Theorie, um die Quasifissionsdynamik in 18 heißen Fusionsreaktionen zur Synthese superschwerer Kerne (Z=112-120) zu analysieren, wobei aufgezeigt wird, dass Schaleneffekte (speziell die sphärische Pb und die oktupol- deformierte Z=88/N=136) die Fragmentbildung steuern, während schwerere Projektile die Quasifission beschleunigen, wodurch die beobachteten reduzierten Fusionswahrscheinlichkeiten bei den Versuchen zur Erzeugung der Elemente Z=119 und Z=120 erklärt werden.
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Auf der Suche nach den eigentlichen Grenzen der Materie versuchen Physiker ständig, die schwerstmöglichen Atome zu bauen. Diese superschweren Elemente, die sich am fernen Ende des Periodensystems befinden, existieren auf der Erde nicht natürlich; sie müssen künstlich in Laboratorien erzeugt werden. Um sie herzustellen, zertrümmern Wissenschaftler zwei kleinere Atomkerne mit extrem hohen Geschwindigkeiten, in der Hoffnung, dass sie zu einem einzigen, schwereren Kern verschmelzen. Dieser Prozess ist jedoch notorisch schwierig. Wenn die beiden Kerne kollidieren, gelingt es ihnen oft nicht, zusammenzuhaften. Anstatt zu verschmelzen, berühren sie sich nur für einen flüchtigen Moment und spalten sich sofort wieder auf. Dieser spezifische Ausfallmodus, bei dem die Kerne kurz interagieren, aber sich trennen, bevor sie einen neuen Elementkern bilden, ist als Quasifission bekannt. Er ist das primäre Hindernis, das Wissenschaftler daran hindert, Elemente schwerer als die derzeit bekannten, wie etwa das Element mit 118 Protonen, zu erschaffen. Genau zu verstehen, warum und wie diese Spaltung geschieht, ist entscheidend für den nächsten Schritt auf der Reise: die Erschaffung der Elemente 119 und 120.
Ein Forschungsteam aus China hat einen tiefen, mikroskopischen Blick auf diesen Prozess geworfen, um zu sehen, was im Inneren der Kollision tatsächlich geschieht. Mithverunter Verwendung leistungsstarker Computersimulationen, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren, modellierten sie achtzehn verschiedene Arten von Kollisionen, die zur Erzeugung superschwerer Kerne konzipiert waren. Sie konzentrierten sich auf Reaktionen, bei denen ein kleinerer, schnell beweglicher Projektilkern auf einen größeren, stationären Zielkern trifft. Die Forscher waren besonders daran interessiert, wie die interne Struktur der Kerne das Ergebnis beeinflusst. Sie untersuchten Kollisionen mit verschiedenen Arten von Projektilen, einschließlich Kalzium, Scandium, Titan, Vanadium und Chrom, die alle darauf abzielten, Elemente mit zwischen 112 und 120 Protonen zu erzeugen.
Die Studie ergab, dass der Ausgang dieser Kollisionen nicht zufällig ist; er wird maßgeblich durch die „Schalen“ im Inneren des Kerns geleitet. Genau wie Elektronen in einem Atom sich in bestimmten Energieniveaus oder Schalen anordnen, bevorzugen Protonen und Neutronen im Inneren des Kerns ebenfalls, sich in bestimmten stabilen Gruppen anzuordnen. Die Forscher fanden heraus, dass das System bei Kollisionen mit leichteren Projektilen wie Kalzium, Scandium, Titan und Vanadium eine starke Tendenz hat, auf eine Weise auseinanderzubrechen, die eines der Fragmente so aussehen lässt wie Blei-208. Blei-208 ist ein besonders stabiler Kern, weil seine Protonen und Neutronen vollständige, sphärische Schalen ausfüllen. Die Simulationen zeigten, dass die kollidierenden Kerne scheinbar auf diese stabile Konfiguration „zielen“, was dazu führt, dass das schwere Fragment mit einer spezifischen Anzahl von Protonen und Neutronen entsteht, die dieser stabilen Blei-ähnlichen Struktur entsprechen. Dieses Verhalten war bei allen Reaktionen mit diesen leichteren Projektilen konsistent, was auf eine universelle Regel hindeutet.
Die Geschichte änderte sich jedoch, als die Forscher ein schwereres Projektil verwendeten: Chrom-54. In diesen Kollisionen war die leitende Kraft eine andere. Anstatt ein sphärisches, bleiähnliches Fragment zu bilden, zeigte das System eine starke Tendenz, ein schweres Fragment zu erzeugen, das Radium-224 ähnelt. Dieser radiumähnliche Kern ist nicht sphärisch; er ist eher wie eine Birne geformt. Diese Form wird durch eine andere Art interner Stabilität verursacht, bei der sich die Protonen und Neutronen in deformierten, oktupolaren Schalen einpendeln. Die Simulationen deuteten darauf hin, dass bei der Verwendung von Chrom-54 die Dynamik der Kollision durch diese birnenförmige Stabilität angetrieben wird, was zu einer grundlegend anderen Art der Quasifission führt als bei den Reaktionen mit leichteren Projektilen.
Jenseits der Form der Fragmente untersuchten die Forscher auch, wie lange die beiden Kerne in Kontakt bleiben, bevor sie sich spalten. Sie fanden eine klare Beziehung zwischen dem Gewicht des Projektils und der Geschwindigkeit der Aufspaltung. Je schwerer das Projektil wurde – beim Übergang von Kalzium zu Titan und dann zu Chrom –, desto kürzer wurde die Zeit, die die Kerne miteinander in Kontakt standen. Dies geschieht, weil schwerere Projektile eine größere elektrische Ladung tragen, was eine stärkere abstoßende Kraft erzeugt, die die Kerne schneller auseinanderdrängt. Diese schnelle Trennung lässt weniger Zeit für die Kerne, vollständig zu verschmelzen und sich in einem neuen, stabilen Element zu festigen. Die Forscher legen nahe, dass diese verkürzte Kontaktzeit ein Hauptgrund dafür ist, warum die Erfolgsrate bei der Erschaffung neuer Elemente drastisch sinkt, wenn Wissenschaftler von Kalzium-Projektilen zu schwereren wie Titan oder Chrom wechseln.
Die Studie betrachtete auch, wie sich das Gleichgewicht von Neutronen und Protonen während dieser Kollisionen verändert. Sie fanden heraus, dass die Kerne, obwohl sie sich so schnell aufspalten, ihre Neutronen und Protonen sehr effizient untereinander teilen. Bis zum Zeitpunkt ihrer Trennung ist der Unterschied im Verhältnis von Neutronen zu Protonen zwischen den beiden Fragmenten sehr gering und über alle untersuchten Reaktionen hinweg konsistent. Dieser Befund liefert eine präzise, mikroskopische Randbedingung, die andere Wissenschaftler nutzen können, um bessere Modelle darüber zu erstellen, wie diese Reaktionen ablaufen.
Letztendlich liefert diese Arbeit ein klareres Bild der unsichtbaren Kräfte, die bestimmen, ob ein superschweres Element geboren wird oder die Entstehung scheitert. Sie bestätigt, dass die interne Schalenstruktur der Kerne als Blaupause für die Kollision fungiert und bestimmt, ob die Fragmente sphärisch oder birnenförmig sein werden. Sie hebt zudem die physikalische Barriere hervor, die durch die elektrische Abstoßung geschaffen wird und den Aufspaltungsprozess bei schwereren Projektilen beschleunigt. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die laufenden Bemühungen, die Elemente 119 und 120 zu synthetisieren. Indem sie genau verstehen, welche Projektil- und Zielkombinationen wahrscheinlich erfolgreich sind und warum andere scheitern, können Wissenschaftler fundiertere Entscheidungen in ihren Experimenten treffen und so potenziell die nächste erfolgreiche Erschaffung eines neuen Elements auf dem Periodensystem leiten.
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