美科學家利用紫外雷射揭示砹原子電離勢

2020-11-23 OFweek維科網

　　——地球上最稀有的天然元素是第85號元素砹，人們對它的基本性質還知之甚少。據物理學家組織網5月14日報導，一個國際研究小組利用歐洲核子研究中心（CERN）的放射性同位素設備，揭示了砹的第一電離勢（first ionization potential）和電離臨界值。相關論文發表在最近的《自然•通訊》上。

　　該項目由美國紐約大學物理學系教授安德烈•安德烈耶夫和CERN的瓦倫丁•費德瑟夫共同設計，利用歐核中心的上線同位素質量分離器（ISOLDE），第一次得到了砹原子的電離勢，這是確定特定放射性元素的化學和物理性質的基本指標量，也填補了門捷列夫元素周期表中長期遺留的空缺。

　　原子的電離勢作為最外層價電子的鍵能，與元素的化學反應能力密切相關，也間接決定了其化合物中化學鍵的穩定性。安德烈耶夫說：「這一實驗值還可作為理論基準，用來預測超重元素的原子和化學性質，尤其是最近發現的第117號元素，它與砹是同族元素。」

　　很多人只知道砹的同位素有衰變性，在癌症治療中用於標靶α治療，是一種理想的短程輻射源。1940年，奧森與同事通過α粒子轟擊鉍而得到了砹元素。1964年，麥克羅林研究了一小塊砹的人工放射性同位素樣本，首次觀察到它在紫外區有兩條光譜線。除此以外，人們沒有砹原子光譜的其他數據。

　　在此次實驗中，研究人員先在歐核中心用內源共振電離光譜和高靈敏原子核衰變探測來研究，通過砹的特徵α衰變，首次觀察到並識別出了砹的雷射―電離離子，同時通過掃描電離紫外雷射的波長，發現了砹的電離臨界值。然後，他們在加拿大國家粒子與核物理實驗室（TRIUMF）繼續研究，在紅外光譜區又發現了新的光學躍遷，並根據這一新躍遷，確定了一個高效的三步電離方案，再次在ISOLDE上用共振電離雷射離子源（RILIS）進一步研究。

　　他們探測了電離臨界值周圍的關鍵區域，發現了一系列高度激發的共振，也叫裡德堡態（Rydberg states），從這一光譜中提取出高度精確的砹的第一電離勢。

　　RILIS小組領導費德瑟夫說：「內源雷射光譜是目前研究短命同位素原子性質的最靈敏方法，也是探測人造超重元素光譜的現實方法。這次實驗成功，也為法國和俄羅斯最近開始的同類項目增強了信心。」

　　安德烈耶夫補充說：「這一進展讓科學家能開始許多新現象的研究，如砹原子核的大小（半徑）、特殊類型核裂變等，最近，我們的合作夥伴已對此開始了一系列實驗。」

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