发现5种新同位素-同位素试剂

使用稀有同位素束设施的先进稀有同位素分离器，研究人员发现了五种以前未见过的铥 (Tm)、镱 (Yb) 和镥 (Lu) 富中子同位素。这些高度不稳定的原子核（黄色）在质子数和中子数方面远离稳定的原子核（黑色）。

虽然某些元素种类（同位素）可以存活数小时、数周甚至数千年，但其他元素种类的闪现速度如此之快，以至于科学家无法确认它们的存在。尽管寿命短暂，但天体物理学家认为这些粒子（统称为稀有同位素）在恒星的演化和宇宙重元素的形成中发挥着重要作用。现在，密歇根州立大学稀有同位素束设施 (FRIB) 的研究人员已经制造并编录了五种前所未见的稀有同位素，它们都含有大量中子 。

这项成就是在该设施完成的，当时设备的运行能力只是其全部同位素发现潜力的一小部分，这使得 FRIB 科学家推测这些发现只是未来众多发现的开始。“我们证明，我们可以在不到一年的运行时间内找到新的稀有同位素，”“这显示出未来实验的巨大潜力。”

元素周期表中的每个元素都列出了它的原子序数（它包含的质子数）和原子质量数（质子数加上平均中子数）。平均中子数基于地球上发现的稳定同位素，但元素的不稳定同位素可以具有广泛的中子数。例如，元素周期表中列出的氧含有 8 个质子和 8 个中子，但它可以含有少至 3 个中子，多至 20 个中子。不稳定同位素会在不同的时间长度后分解：例如，氧 28 会衰变在十亿分之一秒的万亿分之一秒内，转变为另一种不稳定的氧同位素氧24，然后它也会衰变，这次是在千分之七七秒内。

同位素生成实验通常涉及将原子撞击目标并在碎片中寻找有趣的垃圾。大多数以这种方式产生的同位素比原始原子含有更少数量的中子和质子。但研究人员对研究质子数和中子数非常接近（有时甚至超过原始原子）的重同位素很感兴趣。人们认为这些同位素在所谓的r过程中发挥作用，该过程在恒星和恒星爆炸中形成重元素。但理解这一作用具有挑战性，因为这些重同位素出现在地球实验中的可能性很小。FRIB 旨在通过使用强大的光束和高度灵敏的检测方法来应对这一挑战。

Gade 和她的同事进行的实验涉及将铂 198 粒子的高能束粉碎到圆形碳板中。然后，碰撞碎片被导入高级稀有同位素分离器 (ARIS)，并在那里进行编目。ARIS 使用各种磁性和物理机制的组合来按质量过滤原子核。“你可以将其视为非常先进的质谱仪，”ARIS 仪器团队负责人 Brad Sherrill 说道。事实上，它是如此先进，Sherrill 说，研究人员可以从 10 ^{18 个}原子核的初始集合中分离出单一同位素。

通过对 ARIS 在 2023 年 1 月进行的一项实验中检测到的同位素进行搜索，Gade、Sherrill 和他们的同事发现了 5 种以前未检测到的富中子同位素（铥-182、铥-183、镱-186）中每一种的 3 到 29 次命中。 、镱-187 和镥-190。该团队还发现了一个与同位素特性一致的事件，该同位素所含的中子数量比束中 120 个铂粒子多（5 个已确认的同位素的中子数量都较少）。在碰撞中“拾取中子”的可能性极小，但 FRIB 研究人员希望随着实验的继续，能够更频繁地看到这种情况。“我们看到的一些新事物被制造出来的可能性极低。但它们的制作频率仍然足够高，以至于在几天的实验过程中我们能够看到它们，”谢里尔说。

印第安纳州圣母大学核科学实验室主任丹·巴达扬 (Dan Bardayan) 表示：“核物理学的一个基本可观察结果是，一个给定的原子核是否存在，或者它是否只是分解成其组成部分。” 他指出，FRIB 的建立是为了探索核存在的极限，这对于了解科学家是否正确解释世界各地天文台目前收集的大量多信使天体物理数据至关重要。北京师范大学实验核物理学家何建军对此表示赞同。他表示，在寻找新同位素的过程中，FRIB 研究人员展示了“该设施令人印象深刻的能力”及其“未来发现的巨大潜力”。

铥、镱和镥同位素的检测是在以设施全部能力的 1/270 运行铂光束时进行的。盖德说，随着研究人员增加通量（击中目标的铂粒子数量），他们将获得更多的光束与目标碰撞，并且“更多的东西从另一侧出来”。“我们将获得更多数量级的这些特定同位素以及其他稀有同位素。”

盖德希望在通量增加期间发现一种含有 126 个中子的稀有同位素。对于中子来说，126是一个所谓的魔数，因为含有126个中子的同位素比那些多几个或少几个中子的同位素稳定得多。盖德说， r过程的特征围绕幻数而变化，因此天体物理学家希望更好地了解这些同位素的行为方式。“我们已经将光束通量增加了 6 倍，并且很快就计划再增加一次，因此我们正在顺利地看到这种同位素。”