Een uiterst gevoelige techniek met laserlicht en gasjets stelt onderzoekers voor het eerst in staat om inzicht te krijgen in de atoom- en kernstructuur van de zwaarste elementen in de tabel van Mendelejev. Dat luidt een volledig nieuw tijdperk voor het onderzoek van de zwaarste elementen en maakt het mogelijk om de theoretische modellen in de kernfysica en de atoomfysica te testen en te corrigeren.
De methode zal gebruikt worden in de nieuwe deeltjesversneller van GANIL, die op dit ogenblik in Frankrijk gebouwd wordt.”Dat is het resultaat van internationaal onderzoek geleid door medewerkers van het Leuvense Instituut voor Kern- en Stralingsfysica. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Nature en Nature Communications.
Nog altijd slagen onderzoekers er in om de tabel van Mendelejev uit te breiden: in 2016 werden nog vier nieuwe elementen toegevoegd. Het gaat dan om zware elementen die op aarde niet voorkomen en die met krachtige deeltjesversnellers aangemaakt worden. “Dat gebeurt meestal in minuscule hoeveelheden – soms slechts een paar atomen per jaar. Omdat die atomen ook radioactief zijn, vallen ze snel uiteen: sommige bestaan maar een fractie van een seconde. Vandaar de uiterst beperkte wetenschappelijke kennis over die elementen”, vertellen kernfysici Mark Huyse en Piet Van Duppen.
Met een nieuwe toepassing van de techniek laserionisatie hopen de fysici daar verandering in te brengen. “Eerst vangen we de zeldzame zware atomen in een gas waar we ze met laserlicht beschijnen. Hierdoor brengen we het buitenste elektron in een andere baan. Een tweede laserstraal schiet daarna het elektron weg. Het atoom wordt geïoniseerd: het krijgt een positieve elektrische lading en wordt gemakkelijk manipuleer- en detecteerbaar. Uit de kleur van het laserlicht kunnen we afleiden hoeveel energie nodig is om een elektron te laten wegspringen: die informatie is als het ware een vingerafdruk van de structuur van het atoom van dat element en zijn kern.”
Bij een reeks experimenten werd actinium (Ac) geproduceerd in de deeltjesversneller van Louvain-la-Neuve. De kortlevende atomen van dit element kunnen worden aangemaakt door neon projectielen af te schieten op een dunne goudfilm. De actiniumkernen worden in een gaskamer met argon gestopt, meegezogen in een supersonische jet en vervolgens beschenen met laserlicht om de atomen te ioniseren.
Op zich is laserionisatie een bekende techniek, maar het gebruik ervan in een supersonische jet is nieuw en uitermate geschikt voor de zware, radioactieve elementen: “Door het atoom te ioniseren, krijgen we een veel grotere gevoeligheid. De productie van een paar atomen per seconde is al voldoende om tijdens de experimenten een meting op te starten. Met deze technologie wordt de gevoeligheid, nauwkeurigheid en snelheid van de laserionisatie met minstens een factor tien verbeterd. Dat luidt een volledig nieuw tijdperk voor het onderzoek van de zwaarste elementen en maakt het mogelijk om de theoretische modellen in de kernfysica en de atoomfysica te testen en te corrigeren. Onze methode zal gebruikt worden in de nieuwe deeltjesversneller van GANIL, die op dit ogenblik in Frankrijk gebouwd wordt.”
Bron: KU Leuven
