Το πρώτο μοντέλο μιας ειδικής κάμερας για ένα φασματόμετρο επιταχυντή μάζας στη Ρωσία, το οποίο θα βοηθήσει τους επιστήμονες να εξετάσουν τη γεωλογία και την ιστορία του πλανήτη μας πριν από 10 εκατομμύρια χρόνια, δημιουργήθηκε από ειδικούς του NSU (Κρατικό Πανεπιστήμιο του Νοβοσιμπίρσκ). Σύμφωνα με αυτούς, η νέα συσκευή θα επιτρέψει να αναζητήσουν και να μετρήσετε σπάνια άτομα σε υλικά διαφόρων ειδών. Η εξέλιξη αυτή θα βοηθήσει το NSU να γίνει ένα παγκόσμιο κέντρο για τη διεξαγωγή των πιο ακριβών χημικών αναλύσεων ορυκτών και αρχαιολογικών ευρημάτων, ανέφερε η υπηρεσία Τύπου του πανεπιστημίου.
Μέχρι σήμερα, οι χημικοί γνωρίζουν 114 χημικά στοιχεία, ένα είδος «βαθμίδων» ατόμων. Εντός αυτών των «ποικιλιών», τα άτομα μπορούν επίσης να διαφέρουν, κυρίως ως προς τη μάζα, η οποία εξαρτάται από τον αριθμό όχι μόνο των θετικά φορτισμένων πρωτονίων, αλλά και των νετρονίων στον πυρήνα. Τα άτομα του ίδιου στοιχείου με διαφορετικό αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότοπα και μπορούν να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες, δήλωσαν οι ειδικοί του Κρατικού Πανεπιστημίου του Νοβοσιμπίρσκ (NSU).
Για παράδειγμα, ο άνθρακας – το κύριο στοιχείο όλων των ζωντανών οργανισμών στη Γη, έχει 15 ισότοπα με μάζες που κυμαίνονται από 8 έως 22 μονάδες ατομικής μάζας, 11 από τα οποία διασπώνται σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Τα ισότοπα 12C και 13C είναι σταθερά, με το πρώτο να αντιπροσωπεύει περίπου το 98,8% όλων των ατόμων άνθρακα και το δεύτερο περίπου το 0,96%. Για τη μελέτη όμως της ηλικίας των φυσικών αντικειμένων, σημαντικότερο είναι το ισότοπο 14c, το οποίο σχηματίζεται υπό την επίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας από το ατμοσφαιρικό άζωτο, το οποίο υπάρχει στην ατμόσφαιρα σε ίχνη και έχει χρόνο ημιζωής περίπου πεντέμισι χιλιάδες χρόνια.
Ένας ζωντανός οργανισμός μπορεί να λάβει το ισότοπο 14C μόνο από το εξωτερικό, όταν αναπνέει και καταναλώνει φυτικές και ζωικές τροφές. Μετά το θάνατο, η ανταλλαγή του σώματος με τη βιόσφαιρα παύει και τα άτομα 14C που συσσωρεύτηκαν κατά τη διάρκεια της ζωής σταδιακά αποσυντίθενται. Λόγω του γεγονότος ότι η αναλογία σταθερού και ραδιενεργού άνθρακα μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, η τιμή του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ηλικίας ενός αρχαιολογικού ευρήματος ή για τη χρονολόγηση ενός χώρου ταφής. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται ραδιοχρονολόγηση άνθρακα, εξήγησε το NSU.
Σήμερα, υπάρχουν περισσότερα από ενάμισι εκατό εργαστήρια στον κόσμο που μπορούν να πραγματοποιήσουν τέτοιες μετρήσεις υψηλής ποιότητας χρησιμοποιώντας ένα φασματόμετρο επιταχυντή μάζας υψηλής ακρίβειας. Από αυτά, μόνο λίγα είναι σε θέση να προσδιορίσουν την περιεκτικότητα άλλων σπάνιων ισοτόπων, όπως το βηρύλλιο-10. Αυτό οφείλεται στην πολυπλοκότητα της συντήρησης του εξοπλισμού και στην πολύπλοκη διαδικασία προετοιμασίας του δείγματος για ανάλυση. Το κόστος μιας ανάλυσης για τον προσδιορισμό της αναλογίας των ισοτόπων ελαφρών στοιχείων ξεκινά από χίλια δολάρια, δήλωσαν οι ειδικοί.
Οι ειδικοί του NSU ανέπτυξαν και κατασκεύασαν ένα στοιχείο φασματογράφου μάζας επιταχυντή που μπορεί να «ταξινομήσει» ισότοπα με πολύ μικρή διαφορά μάζας και ταυτόχρονα να υπολογίσει με ακρίβεια τον αριθμό τους.
«Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος φασματομετρίας μάζας με επιταχυντή είναι η ραδιοχρονολόγηση αρχαιολογικών χώρων. Επιτρέπει στους επιστήμονες να εξετάσουν μέχρι και 75 χιλιάδες χρόνια πριν. Είναι ακόμη πιο ενδιαφέρον να προσδιορίσουμε τις συγκεντρώσεις ενός άλλου ισοτόπου κοσμικής προέλευσης-10be. Επεκτείνει σημαντικά το χρονικό διάστημα της χρονολόγησης, φτάνοντας έως και τα 10 εκατομμύρια χρόνια », δήλωσε ο Άντρει Σοκόλοφ, υπεύθυνος του έργου και ανώτερος ερευνητής στο Εργαστήριο Κοσμολογίας και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων της Σχολής Φυσικής του NSU.
Σύμφωνα με τον ίδιο, ο διαχωρισμός ισοτόπων που βρίσκονται κοντά σε μάζα είναι δυνατός χρησιμοποιώντας τη διαφορά στις ορμές τους (το γινόμενο της μάζας και της ταχύτητας). Στο θάλαμο χρονοπροβολής, ομάδες ιονισμένων σωματιδίων με πυρήνες διαφορετικής μάζας που πετούν από την πηγή κατά μήκος μιας συγκεκριμένης τροχιάς εκτρέπονται από ένα εξωτερικό μαγνητικό και ηλεκτρικό πεδίο. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες προσδιορίζουν τη θέση των συστάδων ατόμων του ίδιου τύπου και μετρούν τον αριθμό των ατόμων «σε κομμάτια».
Δεδομένου ότι ορισμένα ισότοπα, παρότι έχουν διαφορετικά ατομικά φορτία, έχουν σχεδόν την ίδια μάζα, τα φάσματά τους μπορεί να συμπίπτουν. Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτό το φαινόμενο ισοβαρική επικάλυψη. Οι ειδικοί του NSU κατάφεραν να λύσουν και αυτό το πρόβλημα σε ορισμένες περιπτώσεις.
Συγκεκριμένα δήλωσε:
Χρησιμοποιώντας τα επιτευχθέντα πειραματικά αποτελέσματα και προσομοιώσεις στον υπολογιστή, διαπιστώσαμε ότι τα ισοβαρή ιόντα βορίου και βηρυλλίου μπορούν να διαχωριστούν αποτελεσματικά σε φασματογράφο μάζας επιταχυντή με τη χρήση κάμερας χρονοπροβολής, η οποία παρέχει χρονολόγηση σε κλίμακα έως και 10 εκατομμυρίων ετών. Η αναπτυχθείσα μέθοδος εντοπισμού ισοβαρών θα βρει εφαρμογή στη χρονολόγηση γεωλογικών αντικειμένων.
Πρόσθεσε ότι το 2023, η κάμερα προβολής «Vremya» εγκαταστάθηκε για πρώτη φορά σε εγχώριο φασματόμετρο επιταχυντή μάζας, το οποίο βρίσκεται υπό εκσυγχρονισμό. Η κάμερα δοκιμάστηκε με επιτυχία με δείγματα που περιείχαν το ισότοπο 14C και αποδείχθηκε λειτουργική. Σήμερα, οι εμπειρογνώμονες εργάζονται για το πρώτο πλήρως εγχώριο φασματόμετρο επιταχυντή μάζας ικανό να αναλύει όχι μόνο ραδιοάνθρακα.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Ρωσικό Επιστημονικό Ίδρυμα, καθώς και από το πρόγραμμα προτεραιότητας 2030 της κρατικής υποστήριξης των ρωσικών πανεπιστημίων του εθνικού προγράμματος «Επιστήμη και Πανεπιστήμια», στο οποίο συμμετέχει το NSU.
