科学家成功合成铹的第14个同位素******
超镄新核素铹-251不仅是近20年来科研人员首次直接合成 的铹 的新同位素,也 是迄今为止合成 的中子数N为148 的最重同中子异位素。铹-251具有α衰变性 ,可以发射出两个不同能量 的α粒子。
超重元素 的合成及其结构研究是当前原子核物理研究 的一个重要前沿领域 。铹 是可供合成并进行研究 的一种超镄元素 ,引起了人们极大的兴趣 。
近日,科研人员利用美国阿贡国家实验室充气谱仪(AGFA)成功合成了超镄新核素铹-251。相关成果发表于核物理学领域期刊《物理评论C》。
此次合成铹 的新同位素 ,运用了什么技术方法 ?合成得到的铹-251,具有什么基本特征?合成 的铹-251对于物理、化学等学科的研究来说具有什么意义 ?针对上述问题 ,记者采访了这一工作的主要完成人之一 ,中国科学院近代物理研究所副研究员黄天衡 。
不断进行探索,再次合成铹同位素
铹的化学符号为Lr ,原子序数为103 ,是第11个超铀元素 ,也是最后一个锕系元素。“一般来说,原子序数大于铹的元素被称为超重元素。”黄天衡介绍。
质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互称为同位素 。同一种元素 的同位素在化学元素周期表中占有同一个位置 ,同位素这个名词也因此而得名 。
103号元素由阿伯特·吉奥索等科研人员于1961年首次合成。为纪念著名物理学家欧内斯特·劳伦斯,103号元素被命名为铹。锕系元素是元素周期表ⅢB族中原子序数为89—103 的15种化学元素 的统称,其中,铹元素在锕系元素中排名最后。
截至目前 ,科研人员们共合成了铹的14个同位素 ,质量数分别为251—262、264 、266 。目前合成 的铹 的14个同位素中,铹-251至铹-262 是在实验中通过熔合反应直接合成的 ,铹-264和铹-266则 是将原子序数更高的核素通过衰变生成 的 。
目前,铹的化学研究中最常使用 的同位素是铹-256和铹-260。科研人员通过化学实验证实铹为镥的较重同系物 ,具有+3氧化态 ,可以被归类为元素周期表第七周期中的首个过渡金属元素 。由于铹 的电子组态与镥并不相同 ,铹在元素周期表中 的位置可能比预期的更具有波动性 。在核结构研究方面,受限于合成截面等原因 ,目前的研究仅集中在铹-255上 。然而即使 是铹-255,其结构能级的指认目前也还存有争议。
通过熔合反应,形成新的原子核
铹和其他原子序数大于100的超镄元素一样,无法通过中子捕获生成 。目前铹只能在重离子加速器中通过熔合反应合成 。由于原子核都具有正电荷而会相互排斥 ,因此,只有当两个原子核 的距离足够近的时候,强核力才能克服上述排斥并发生熔合。粒子束需要通过重离子加速器进行加速。在轰击作为靶的原子核时,粒子束的速度必须足够大,以克服原子核之间的排斥力。
“仅仅靠得足够近 ,还不足以使两个原子核发生熔合。两个原子核更可能会在极短 的时间内发生裂变 ,而非形成单独 的原子核。”黄天衡介绍,如果这两个原子核在相互靠近 的时候没有发生裂变,而 是熔合形成了一个新 的原子核 ,此时新产生的原子核就会处于非常不稳定的激发态。为了达到更稳定的状态,新产生 的原子核可能会直接裂变,或放出一些带有激发能量的粒子,从而产生稳定 的原子核。
在此次实验中,科研人员利用美国阿贡国家实验室ATLAS直线加速器提供的钛-50束流轰击铊-203靶,通过熔合反应合成了目标核铹-251。这个新 的原子核产生后,会和其他反应产物一起被传输到充气谱仪(AGFA)中 。在充气谱仪(AGFA)中 ,铹-251会被电磁分离出来,并注入到半导体探测器中。探测器会对这个新原子核注入的位置 、能量和时间进行标记。
“如果这个原子核接下来又发生了一系列衰变,这些衰变的位置、能量和时间将再次被记录下来 ,直至产生了一个已知的原子核。该原子核可以由其所发生的衰变 的特定特征来识别。”黄天衡说 。根据这个已知 的原子核以及之前所经历的系列连续衰变 的过程 ,科研人员可以鉴别注入探测器的原始产物是什么 。
超镄新核素铹-251不仅是近20年来科研人员首次直接合成的铹 的新同位素 ,也 是迄今为止合成的中子数N为148的最重同中子异位素(具有相同中子数的核素),还是利用充气谱仪(AGFA)合成的首个新核素 。目前 的实验结果表明,铹-251具有α衰变性,可以发射出两个不同能量 的α粒子 。
拓展新的领域,推动超重核理论研究
由于形变,若干决定超重核稳定岛位置 的关键轨道能级会降低到质子数Z约等于100 、中子数N约等于152核区 的费米面附近。对于这一核区 的谱学研究可以对现有描述稳定岛的各个理论模型进行严格检验,从而进一步了解超重核稳定岛的相关性质。由于上述原因 ,对于这一核区 的谱学研究是当下探索超重核结构性质 的热点课题 。
此前的理论模型均无法准确地描述这一核区铹的质子能级演化,相关的实验数据十分有限 。“本次实验 的初衷为把铹 的结构研究进一步拓展到丰质子区,尝试开展系统性 的研究 。”黄天衡表示。
研究结果表明 ,形成超重核稳定岛 的关键质子能级在铹的丰质子同位素中存在能级反转现象 。此外,研究人员还通过推转壳模型下粒子数守恒方法(PNC-CSM)较好地描述了这一现象,并指出了ε_6形变在这一核区的质子能级演化中起到的重要作用 。
“此次研究指出了ε_6形变在铹的丰质子核区 的质子能级演化中起到 的重要 的作用 ,对现有的理论研究提出了新 的挑战,将推动超重核领域相关理论研究的发展 。”黄天衡说 。(记者颉满斌)
(文图:赵筱尘 巫邓炎)