科學家們創造了三種銀白色金屬的新的超重版本，這一進展可能有助於更好地理解某些元素是如何在恆星中形成的。
這些新的“重量級”原子是金屬銩、鐿和鎦的同位素。同位素是原子核中中子數量不規則的原子版本。 在這種情況下，研究人員在銩的 69 個質子中加入了 113 個和 114 箇中子，在鐿的 70 個質子旁邊加入了 116 個和 117 箇中子，並在鎦的 71 個質子旁邊加入了 119 箇中子。
這五種同位素以前從未被創造出來過——至少在地球上沒有。 儘管每一種同位素幾乎都會立即衰變並且沒有已知的實際用途，但它們都令尋求更多瞭解黃金和其他常見重元素的深層起源的研究人員感到興奮。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
“一直以來，試圖理解宇宙中黃金、鉛和鈾等較重元素是如何產生的，都是一個持續的挑戰，”密歇根州立大學 (MSU) 的物理學家、新研究的合著者 Brad Sherrill 說。該研究於 2 月 15 日在《物理評論快報》雜誌上發表。 這些和其他重金屬必須由更重的不穩定元素的衰變形成，這些元素誕生於中子異常豐富的環境中，例如合併的中子星內部和周圍。 但是，如果不更多地瞭解重型富中子原子的原子核，就幾乎不可能解開這個過程的細微之處。 它們究竟有多重？ 它們究竟需要多長時間衰變？ 找到這些問題答案的最可靠方法是實際擁有合適的富含中子的同位素以供直接研究，但這已被證明極其難以製造和測量——直到現在。 這五種超重同位素都來自美國能源部位於密歇根州立大學的新型稀有同位素束流裝置 (FRIB) 的早期執行，Sherrill 在該裝置領導先進的同位素分離工作。
“他們不僅在這個非常重的區域製造了新的同位素，而且還能夠最終確定它們，”聖母大學的天體物理學家 Rebecca Surman 說，她沒有參與這項研究。
研究人員創造的銩、鐿和鎦同位素甚至不是他們真正追求的目標。 FRIB 的真正目標是製造更重的同位素。
沒有參與這項研究的勞倫斯伯克利國家實驗室的核化學家 Heather Crawford 說，該設施的早期成果令人興奮。“即使該設施剛剛上線，就已經有新的同位素了，”她說。“我們知道最終會是這樣，但看到它如此迅速地到來真的很高興。”
豐富的天體物理過程可以產生元素和同位素； 元素的質量是決定其如何產生的最重要的因素之一。 比鐵重的元素通常在所謂的 r-過程中產生，r-過程是“快速中子俘獲”的縮寫。 在 r-過程中，不穩定的原子核在原子核開始透過放射性衰變分解之前，迅速從環境中捕獲自由中子。 這需要極端的天體物理環境，例如爆炸恆星的環境。
“這就像一個大鍋，你試圖蓋上蓋子，增加壓力並製造這些原子核，”田納西大學諾克斯維爾分校的實驗核物理學家 Robert Grzywacz 說，“只不過這個鍋也在爆炸。”
解開在所有這些不穩定的原子轉變結束時，為了產生穩定的原子湯而必須發生的事情是一項艱鉅的挑戰。 天體物理學家試圖在超級計算機模擬中對這個過程進行建模，但他們缺乏關於重原子核如何行為的基本資訊，Surman 說。
這就是 FRIB 的用武之地。 新設施允許研究人員用鉛或鈾等金屬原子的強烈重束轟擊靜止的目標。 在這項新研究中，光束由鉑組成，並瞄準碳目標。 碰撞將質子和中子從原始鉑原子核中撞出，並且純粹是偶然地，其中一部分導致原子核失去的質子多於中子，從而產生非常富含中子的較輕金屬同位素。
“我們稱之為碎片化，”Sherrill 說。 “我們正在將初始原子核分解成碎片，偶爾其中一個碎片很有趣”——非常偶爾。 Sherrill 說，在每 100,000,000,000,000 次碰撞中，科學家們只找到了他們正在尋找的兩個原子。
隨之而來的是一個靈敏的過程，根據質量和電荷來區分產生的粒子——此時這些粒子以光速的一半行進。 研究人員尚未對新同位素進行所有詳細測量，但 Sherrill 說，每種同位素的半衰期可能都在一秒左右。
Sherrill 說，為了製造超重銩、鎦和鐿，研究人員僅使用了光束最終計劃強度的二百七十分之一。 他們還計劃將探測器的靈敏度提高 10 倍。“未來將會有巨大的、戲劇性的增長，”他說。
憑藉這些功率的提升，由密歇根州立大學物理學家 Oleg Tarasov 領導的研究團隊希望製造出更重的同位素。 Grzywacz 說，在地球上製造某些通常在垂死恆星內部誕生的超重同位素可能超出了 FRIB 的能力範圍，但是研究人員能夠推進得越遠，他們就能更多地瞭解和推斷那些他們無法制造的同位素。
“存在不同現象的相互作用，這些現象會隨著中子數的變化而變化，”他說。 “其中一些現象變得比其他現象更重要，並且會以戲劇性的方式改變，例如，核壽命。 其中一些事情很難預測。”
FRIB 未來的發現應該有助於研究人員闡明特定金屬在宇宙中產生的環境。 Sherrill 說，如果對原子核有足夠好的瞭解，就可以精確預測哪些原子會從例如中子星合併中結合起來。 這種深刻的理解也可能具有實際應用，例如在最大限度地減少致命放射性副產品出現的同時處理或處置核廢料的能力。
“這個結果令人興奮，”他說，“因為這是朝著獲得這些重同位素邁出的一步，這些同位素一直非常難以生產，或者到目前為止，我們根本無法生產。”
編者注（2024 年 3 月 4 日）：這篇文章在釋出後進行了編輯，以澄清對稀有同位素束流裝置 (FRIB) 主束計劃強度的描述、Brad Sherrill 在 FRIB 中的角色以及它是美國能源部設施的事實。