五種未見過的同位素被發(fā)現(xiàn)

使用稀有同位素束設(shè)施的先進(jìn)稀有同位素分離器，研究人員發(fā)現(xiàn)了五種以前未見過的銩 (Tm)、鐿 (Yb) 和镥 (Lu) 富中子同位素。這些高度不穩(wěn)定的原子核（黃色）在質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)方面遠(yuǎn)離穩(wěn)定的原子核（黑色）。

雖然某些元素種類（同位素）可以存活數(shù)小時(shí)、數(shù)周甚至數(shù)千年，但其他元素種類的閃現(xiàn)速度如此之快，以至于科學(xué)家無法確認(rèn)它們的存在。盡管壽命短暫，但天體物理學(xué)家認(rèn)為這些粒子（統(tǒng)稱為稀有同位素）在恒星的演化和宇宙重元素的形成中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)在，密歇根州立大學(xué)稀有同位素束設(shè)施 (FRIB) 的研究人員已經(jīng)制造并編錄了五種前所未見的稀有同位素，它們都含有大量中子 。

這項(xiàng)成就是在該設(shè)施完成的，當(dāng)時(shí)設(shè)備的運(yùn)行能力只是其全部同位素發(fā)現(xiàn)潛力的一小部分，這使得 FRIB 科學(xué)家推測這些發(fā)現(xiàn)只是未來眾多發(fā)現(xiàn)的開始。“我們證明，我們可以在不到一年的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)找到新的稀有同位素，”“這顯示出未來實(shí)驗(yàn)的巨大潛力。”

元素周期表中的每個(gè)元素都列出了它的原子序數(shù)（它包含的質(zhì)子數(shù)）和原子質(zhì)量數(shù)（質(zhì)子數(shù)加上平均中子數(shù)）。平均中子數(shù)基于地球上發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素，但元素的不穩(wěn)定同位素可以具有廣泛的中子數(shù)。例如，元素周期表中列出的氧含有 8 個(gè)質(zhì)子和 8 個(gè)中子，但它可以含有少至 3 個(gè)中子，多至 20 個(gè)中子。不穩(wěn)定同位素會(huì)在不同的時(shí)間長度后分解：例如，氧 28 會(huì)衰變在十億分之一秒的萬億分之一秒內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N不穩(wěn)定的氧同位素氧24，然后它也會(huì)衰變，這次是在千分之七七秒內(nèi)。

同位素生成實(shí)驗(yàn)通常涉及將原子撞擊目標(biāo)并在碎片中尋找有趣的垃圾。大多數(shù)以這種方式產(chǎn)生的同位素比原始原子含有更少數(shù)量的中子和質(zhì)子。但研究人員對研究質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)非常接近（有時(shí)甚至超過原始原子）的重同位素很感興趣。人們認(rèn)為這些同位素在所謂的r過程中發(fā)揮作用，該過程在恒星和恒星爆炸中形成重元素。但理解這一作用具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些重同位素出現(xiàn)在地球?qū)嶒?yàn)中的可能性很小。FRIB 旨在通過使用強(qiáng)大的光束和高度靈敏的檢測方法來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

Gade 和她的同事進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)涉及將鉑 198 粒子的高能束粉碎到圓形碳板中。然后，碰撞碎片被導(dǎo)入高級(jí)稀有同位素分離器 (ARIS)，并在那里進(jìn)行編目。ARIS 使用各種磁性和物理機(jī)制的組合來按質(zhì)量過濾原子核。“你可以將其視為非常先進(jìn)的質(zhì)譜儀，”ARIS 儀器團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Brad Sherrill 說道。事實(shí)上，它是如此先進(jìn)，Sherrill 說，研究人員可以從 10 18 個(gè)原子核的初始集合中分離出單一同位素。

通過對 ARIS 在 2023 年 1 月進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中檢測到的同位素進(jìn)行搜索，Gade、Sherrill 和他們的同事發(fā)現(xiàn)了 5 種以前未檢測到的富中子同位素（銩-182、銩-183、鐿-186）中每一種的 3 到 29 次命中。、鐿-187 和镥-190。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與同位素特性一致的事件，該同位素所含的中子數(shù)量比束中 120 個(gè)鉑粒子多（5 個(gè)已確認(rèn)的同位素的中子數(shù)量都較少）。在碰撞中“拾取中子”的可能性極小，但 FRIB 研究人員希望隨著實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)，能夠更頻繁地看到這種情況。“我們看到的一些新事物被制造出來的可能性極低。但它們的制作頻率仍然足夠高，以至于在幾天的實(shí)驗(yàn)過程中我們能夠看到它們，”謝里爾說。

印第安納州圣母大學(xué)核科學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任丹·巴達(dá)揚(yáng) (Dan Bardayan) 表示：“核物理學(xué)的一個(gè)基本可觀察結(jié)果是，一個(gè)給定的原子核是否存在，或者它是否只是分解成其組成部分。” 他指出，F(xiàn)RIB 的建立是為了探索核存在的極限，這對于了解科學(xué)家是否正確解釋世界各地天文臺(tái)目前收集的大量多信使天體物理數(shù)據(jù)至關(guān)重要。北京師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)家何建軍對此表示贊同。他表示，在尋找新同位素的過程中，F(xiàn)RIB 研究人員展示了“該設(shè)施令人印象深刻的能力”及其“未來發(fā)現(xiàn)的巨大潛力”。

銩、鐿和镥同位素的檢測是在以設(shè)施全部能力的 1/270 運(yùn)行鉑光束時(shí)進(jìn)行的。蓋德說，隨著研究人員增加通量（擊中目標(biāo)的鉑粒子數(shù)量），他們將獲得更多的光束與目標(biāo)碰撞，并且“更多的東西從另一側(cè)出來”。“我們將獲得更多數(shù)量級(jí)的這些特定同位素以及其他稀有同位素。”

蓋德希望在通量增加期間發(fā)現(xiàn)一種含有 126 個(gè)中子的稀有同位素。對于中子來說，126是一個(gè)所謂的魔數(shù)，因?yàn)楹?26個(gè)中子的同位素比那些多幾個(gè)或少幾個(gè)中子的同位素穩(wěn)定得多。蓋德說， r過程的特征圍繞幻數(shù)而變化，因此天體物理學(xué)家希望更好地了解這些同位素的行為方式。“我們已經(jīng)將光束通量增加了 6 倍，并且很快就計(jì)劃再增加一次，因此我們正在順利地看到這種同位素。”