科學家發現人造元素鍆的最輕同位素,有兩條獨立的衰變鏈且半衰期不同

2021-01-07 前瞻網

圖片來源：Marilyn Sargent/Berkeley Lab

勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的一組科學家發現了人造元素鍆的一種新形式。新發現的鍆-244是鍆的第17種同位素，同時也是最輕的。鍆是元素周期表上的101號元素，名字為紀念元素周期表的建立者19世紀俄羅斯化學家門捷列夫。

鍆最早由伯克利實驗室的科學家於1955年創造，是伯克利實驗室的科學家發現或幫助發現的16種其他元素之一。同位素是一種元素形式，其原子核中的中子（不帶電粒子）比其他形式的元素更多或更少。

在最新的發現中，該團隊使用了伯克利實驗室的88英寸回旋加速器來製造鍆-244。回旋加速器可以對目標進行高能帶電粒子束加速，從而產生較重元素的原子。回旋加速器是一種粒子加速器，它是由實驗室的同名人物歐內斯特·O·勞倫斯在1930年發明。

伯克利實驗室領導的團隊現在已經發現了17種鍆同位素中的12種，並且總共發現了640種同位素——大約是所有已知同位素的五分之一，也是迄今為止單個機構數量發現最多的。到2019年底，已知的同位素有3308種。這是伯克利實驗室領導的團隊自2010年以來首次發現新的同位素。 

「發現這種新的鍆同位素很有挑戰性，因為所有鄰近的鍆同位素都有非常相似的衰變特性，」 領導了這項同位素發現研究的伯克利實驗室項目科學家Jennifer Pore說。阿爾法衰變描述了像鍆這樣的放射性元素隨著時間的推移分解成較輕元素的過程。

為了這項研究，該團隊總共測量了鍆-244 10個原子的性質，結果發表在6月23日的《物理評論快報》雜誌上。

「每個同位素代表了質子和中子的獨特組合。」Pore說。「當一種新的同位素被發現時，質子(帶正電荷的粒子)和中子的特殊組合從未被觀察到。這些極端組合的研究對我們理解所有核物質至關重要。」

除了發現新的同位素，研究小組的工作還提供了第一個直接證據，表明衰變過程涉及到元素鉳的一個同位素。這個團隊的科學家來自加州大學伯克利分校、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、聖何塞州立大學和瑞典隆德大學。

研究人員發現，鍆-244有兩條獨立的衰變鏈，每條衰變鏈都有不同的半衰期：0.4秒和6秒，這是基於其原子核中粒子的不同能量配置而得出的結論。半衰期是指當放射性元素的原子核衰變成其它更輕的原子核時，其原子數量減少一半所需要的時間。

在同一項研究中進行的另一項測量中，研究人員首次發現了鉳-236(鉳的一種同位素)在轉化為鋂-232(一種稍輕的同位素)時存在阿爾法衰變過程的證據。鉳是在1949年由伯克利實驗室領導的研究小組發現的。

同位素的發現靠的是88英寸回旋加速器上一臺名為「FIONA」的儀器，全稱為「For the Identification Of Nuclide A」，其中「A」代表一種元素的質量數，即原子核中質子(帶正電荷的粒子)和中子(不帶電荷的粒子)的總數。新發現的同位素的質量數是244。

「我們發現的最重要的工具是FIONA。」 Pore還是幫助FIONA進行測試和啟動的團隊的一員。FIONA精確地測量了新同位素的質量數。

伯克利實驗室核科學部主任Barbara Jacak說:「我們建造FIONA是為了實現類似的發現，看到這臺儀器取得的進展令人興奮。」

Michael Thoennessen是密西根州州立大學的著名教授，他正在休假中擔任美國物理學會的主編，他保留了一份同位素發現的清單，並指出在過去的幾年裡，新發現的同位素比往常要少。

他說，「同位素的發現是周期性的，依賴於新的加速器和實驗設備開發的重大進展。」 他指出，伯克利實驗室的FIONA和美國能源部在密西根州立大學開發的用戶設備稀有同位素束設施（FRIB）具有獨特的功能，「具有巨大的發現潛力」，適用於美國不同類型的新同位素。

為了確保FIONA的測量是準確的，研究小組首先測量了已知的鍆同位素的衰變性質和質數，包括鍆-247、鍆-246和鍆-245。

「一旦我們確信我們對這些輕的鍆同位素的性質非常熟悉，我們就試圖通過實驗來發現之前未被觀察到的鍆-244同位素。」Pore說，「如果沒有直接證實我們產生了一種質量數為244的同位素，就很難理清結果並證明這一發現。」 

為了產生這樣的一種同位素，科學家在88英寸回旋加速器上產生了一個粒子束，該粒子束中含有氬-40的帶電粒子（一種氬同位素），並將其指向一種由鉍同位素鉍-209組成的薄箔。

在這些實驗中，高能粒子束中的一個原子核會直接撞擊並與目標箔中的一個原子核發生聚變，產生一個較重元素的單個原子。對於半衰期很短的同位素來說，在原子衰變成其它東西之前測量它是一場競賽。

伯克利的88英寸回旋加速器在FIONA的上端有另一個工具叫做伯克利氣體分離器。分離器幫助提取相關原子，可與FIONA單獨快速詳細測量。

Pore說，研究人員可能會用其他儀器對鍆-244進行其它研究，以了解其更多的結構。

FIONA已經證明了它在同位素發現中的價值，伯克利實驗室的研究人員正把目光投向其它新的同位素。「我們已經計劃沿著其它同位素鏈進行類似的研究，以發現新的同位素。」Pore說。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：

https://phys.org/news/2020-06-isotope-mendelevium-.html

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.252502

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