Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
Deze studie maakt gebruik van microscopische tijd afhankelijke Hartree-Fock-theorie om de quasifissie-dynamica in 18 hete fusiereacties voor de synthese van superzware kernen (Z=112-120) te analyseren, waarbij wordt onthuld dat scheleffecten (specifiek sferische 208Pb en octopool-gedeformeerde Z=88/N=136) de fragmentvorming beheersen, terwijl zwaardere projectielen de quasifissie versnellen, waardoor de verminderde fusiekansen die worden waargenomen bij pogingen om elementen Z=119 en Z=120 te creëren, worden verklaard.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de zoektocht naar de werkelijke grenzen van materie proberen natuurkundigen voortdurend de zwaarst mogelijke atomen te bouwen. Deze superzware elementen, die zich aan het verre uiteinde van het periodiek systeem bevinden, bestaan niet natuurlijk op aarde; ze moeten kunstmatig in laboratoria worden gemaakt. Om ze te maken, laten wetenschappers twee kleinere atoomkernen met ongelooflijk hoge snelheden op elkaar botsen, in de hoop dat ze zullen fuseren tot een enkele, zwaardere kern. Dit proces is echter berucht moeilijk. Wanneer de twee kernen botsen, slagen ze er vaak niet in om aan elkaar te plakken. In plaats van te versmelten, raken ze elkaar slechts een vluchtig moment aan en splitsen ze vervolgens onmiddellijk weer uit elkaar. Deze specifieke faalmodus, waarbij de kernen kortstondig interageren maar uiteenvallen voordat er een nieuw element wordt gevormd, staat bekend als quasifissie. Het is de voornaamste hindernis die wetenschappers verhindert bij het creëren van elementen die zwaarder zijn dan de momenteel bekende, zoals het element met 118 protonen. Begrijpen waarom en hoe deze splitsing precies gebeurt, is cruciaal voor de volgende stap in de reis: het creëren van de elementen 119 en 120.
Een team onderzoekers in China heeft een diepe, microscopische blik geworpen op dit proces om te zien wat er werkelijk gebeurt binnen de botsing. Met behulp van krachtige computersimulaties gebaseerd op de wetten van de kwantummechanica, modelleerden zij achttien verschillende soorten botsingen die ontworpen zijn om superzware kernen te creëren. Ze richtten zich op reacties waarbij een kleinere, snel bewegende projectielkern een grotere, stationaire doelkern raakt. De onderzoekers waren bijzonder geïnteresseerd in de vraag hoe de interne structuur van de kernen de uitkomst beïnvloedt. Ze onderzochten botsingen met verschillende soorten projectielen, waaronder calcium, scandium, titanium, vanadium en chroom, allemaal gericht op het creëren van elementen met tussen de 112 en 120 protonen.
De studie onthulde dat de uitkomst van deze botsingen niet willekeurig is; het wordt sterk gestuurd door de "schillen" binnen de kern. Net zoals elektronen in een atoom zich rangschikken in specifieke energieniveaus of schillen, geven protonen en neutronen binnen de kern er ook de voorkeur aan zich in bepaalde stabiele groepen te ordenen. De onderzoekers ontdekten dat in botsingen met lichtere projectielen zoals calcium, scandium, titanium en vanadium, het systeem een sterke neiging heeft om uiteen te vallen op een manier die één van de fragmenten doet lijken op lood-208. Lood-208 is een bijzonder stabiele kern omdat de protonen en neutronen volledige, sferische schillen vullen. De simulaties toonden aan dat de botsende kernen lijken te "mikken" op deze stabiele configuratie, waardoor het zware fragment wordt gevormd met een specifiek aantal protonen en neutronen dat overeenkomt met deze stabiele lood-achtige structuur. Dit gedrag was consistent over alle reacties waarbij deze lichtere projectielen werden gebruikt, wat suggereert dat er een universele regel in het spel is.
Echter, het verhaal veranderde toen de onderzoekers een zwaarder projectiel gebruikten: chroom-54. In deze botsingen was de sturende kracht anders. In plaats van een sferisch, lood-achtig fragment te vormen, vertoonde het systeem een sterke neiging om een zwaar fragment te produceren dat lijkt op radium-224. Deze radium-achtige kern is niet sferisch; hij is meer gevormd als een peer. Deze vorm wordt veroorzaakt door een ander soort interne stabiliteit, waarbij de protonen en neutronen zich nestelen in gedeformeerde, octupool-vormige schillen. De simulaties gaven aan dat wanneer chroom-54 wordt gebruikt, de dynamiek van de botsing wordt gedreven door deze peer-vormige stabiliteit, wat leidt tot een fundamenteel ander type quasifissie dan de reacties met lichtere projectielen.
Naast de vorm van de fragmenten onderzochten de onderzoekers ook hoe lang de twee kernen in contact blijven voordat ze splitsen. Ze vonden een duidelijke relatie tussen het gewicht van het projectiel en de snelheid van de breuk. Naarmate het projectiel zwaarder werd, van calcium naar titanium en vervolgens naar chroom, werd de tijd die de kernen met elkaar in contact waren aanzienlijk korter. Dit gebeurt omdat zwaardere projectielen meer elektrische lading dragen, wat een sterkere afstotende kracht creëert die de kernen sneller uit elkaar duwt. Deze snelle scheiding laat minder tijd over voor de kernen om volledig te versmelten en te stabiliseren in een nieuw, stabiel element. De onderzoekers suggereren dat deze verkorte contacttijd een belangrijke reden is waarom het succespercentage voor het creëren van nieuwe elementen zo drastisch daalt wanneer wetenschappers overstappen van calcium-projectielen naar zwaardere projectielen zoals titanium of chroom.
De studie keek ook naar hoe de balans tussen neutronen en protonen verandert tijdens deze botsingen. Ze ontdekten dat zelfs hoewel de kernen zo snel uiteenvallen, ze erin slagen hun neutronen en protonen zeer efficiënt met elkaar te delen. Tegen de tijd dat ze scheiden, is het verschil in de verhouding tussen neutronen en protonen tussen de twee fragmenten zeer klein en consistent over alle verschillende onderzochte reacties. Deze bevinding biedt een precieze, microscopische beperking die andere wetenschappers kunnen gebruiken om betere modellen van hoe deze reacties werken te bouwen.
Uiteindelijk biedt dit werk een duidelijker beeld van de onzichtbare krachten die bepalen of een superzwaar element wordt geboren of faalt om te vormen. Het bevestigt dat de interne schilstructuur van de kernen fungeert als een blauwdruk voor de botsing, wat bepaalt of de fragmenten sferisch of peer-vormig zullen zijn. Het benadrukt ook de fysieke barrière die wordt gecreëerd door elektrische afstoting, wat het proces van de breuk versnelt bij zwaardere projectielen. Deze inzichten zijn essentieel voor de voortdurende inspanning om elementen 119 en 120 te synthetiseren. Door precies te begrijpen welke projectiel- en doelwitcombinaties waarschijnlijk zullen slagen en waarom anderen falen, kunnen wetenschappers meer geïnformeerde keuzes maken in hun experimenten, wat potentieel kan leiden tot de volgende succesvolle creatie van een nieuw element op het periodiek systeem.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.