科学家发现人造元素钔的最轻同位素，有两条独立的衰变链且半衰期不同

图片来源：Marilyn Sargent/Berkeley Lab

劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一组科学家发现了人造元素钔的一种新形式。新发现的钔-244是钔的第17种同位素，同时也是最轻的。钔是元素周期表上的101号元素，名字为纪念元素周期表的建立者19世纪俄罗斯化学家门捷列夫。

钔最早由伯克利实验室的科学家于1955年创造，是伯克利实验室的科学家发现或帮助发现的16种其他元素之一。同位素是一种元素形式，其原子核中的中子（不带电粒子）比其他形式的元素更多或更少。

在最新的发现中，该团队使用了伯克利实验室的88英寸回旋加速器来制造钔-244。回旋加速器可以对目标进行高能带电粒子束加速，从而产生较重元素的原子。回旋加速器是一种粒子加速器，它是由实验室的同名人物欧内斯特·O·劳伦斯在1930年发明。

伯克利实验室领导的团队现在已经发现了17种钔同位素中的12种，并且总共发现了640种同位素——大约是所有已知同位素的五分之一，也是迄今为止单个机构数量发现最多的。到2019年底，已知的同位素有3308种。这是伯克利实验室领导的团队自2010年以来首次发现新的同位素。 

“发现这种新的钔同位素很有挑战性，因为所有邻近的钔同位素都有非常相似的衰变特性，” 领导了这项同位素发现研究的伯克利实验室项目科学家Jennifer Pore说。阿尔法衰变描述了像钔这样的放射性元素随着时间的推移分解成较轻元素的过程。

为了这项研究，该团队总共测量了钔-244 10个原子的性质，结果发表在6月23日的《物理评论快报》杂志上。

“每个同位素代表了质子和中子的独特组合。”Pore说。“当一种新的同位素被发现时，质子(带正电荷的粒子)和中子的特殊组合从未被观察到。这些极端组合的研究对我们理解所有核物质至关重要。”

除了发现新的同位素，研究小组的工作还提供了第一个直接证据，表明衰变过程涉及到元素锫的一个同位素。这个团队的科学家来自加州大学伯克利分校、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、圣何塞州立大学和瑞典隆德大学。

研究人员发现，钔-244有两条独立的衰变链，每条衰变链都有不同的半衰期：0.4秒和6秒，这是基于其原子核中粒子的不同能量配置而得出的结论。半衰期是指当放射性元素的原子核衰变成其它更轻的原子核时，其原子数量减少一半所需要的时间。

在同一项研究中进行的另一项测量中，研究人员首次发现了锫-236(锫的一种同位素)在转化为镅-232(一种稍轻的同位素)时存在阿尔法衰变过程的证据。锫是在1949年由伯克利实验室领导的研究小组发现的。

同位素的发现靠的是88英寸回旋加速器上一台名为“FIONA”的仪器，全称为“For the Identification Of Nuclide A”，其中“A”代表一种元素的质量数，即原子核中质子(带正电荷的粒子)和中子(不带电荷的粒子)的总数。新发现的同位素的质量数是244。

“我们发现的最重要的工具是FIONA。” Pore还是帮助FIONA进行测试和启动的团队的一员。FIONA精确地测量了新同位素的质量数。

伯克利实验室核科学部主任Barbara Jacak说:“我们建造FIONA是为了实现类似的发现，看到这台仪器取得的进展令人兴奋。”

Michael Thoennessen是密歇根州州立大学的著名教授，他正在休假中担任美国物理学会的主编，他保留了一份同位素发现的清单，并指出在过去的几年里，新发现的同位素比往常要少。

他说，“同位素的发现是周期性的，依赖于新的加速器和实验设备开发的重大进展。” 他指出，伯克利实验室的FIONA和美国能源部在密歇根州立大学开发的用户设备稀有同位素束设施（FRIB）具有独特的功能，“具有巨大的发现潜力”，适用于美国不同类型的新同位素。

为了确保FIONA的测量是准确的，研究小组首先测量了已知的钔同位素的衰变性质和质数，包括钔-247、钔-246和钔-245。

“一旦我们确信我们对这些轻的钔同位素的性质非常熟悉，我们就试图通过实验来发现之前未被观察到的钔-244同位素。”Pore说，“如果没有直接证实我们产生了一种质量数为244的同位素，就很难理清结果并证明这一发现。” 

为了产生这样的一种同位素，科学家在88英寸回旋加速器上产生了一个粒子束，该粒子束中含有氩-40的带电粒子（一种氩同位素），并将其指向一种由铋同位素铋-209组成的薄箔。

在这些实验中，高能粒子束中的一个原子核会直接撞击并与目标箔中的一个原子核发生聚变，产生一个较重元素的单个原子。对于半衰期很短的同位素来说，在原子衰变成其它东西之前测量它是一场竞赛。

伯克利的88英寸回旋加速器在FIONA的上端有另一个工具叫做伯克利气体分离器。分离器帮助提取相关原子，可与FIONA单独快速详细测量。

Pore说，研究人员可能会用其他仪器对钔-244进行其它研究，以了解其更多的结构。

FIONA已经证明了它在同位素发现中的价值，伯克利实验室的研究人员正把目光投向其它新的同位素。“我们已经计划沿着其它同位素链进行类似的研究，以发现新的同位素。”Pore说。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

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

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