物理学家找到测量地球上最稀有元素的方法

欧洲核子研究中心 (CERN) 的物理学家使用一台产生放射性原子核束的机器,发现了砹的电离势

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科学家说,地球上最稀有元素砹的一个基本属性首次被发现。

砹天然存在;然而,科学家估计全世界存在的总量不到一盎司。长期以来,这种难以捉摸的元素的特性一直是个谜,但瑞士欧洲核子研究中心 (CERN) 物理实验室的物理学家现在已经测量了它的电离势——将一个电子从砹原子中移除,使其变成离子或带电粒子所需的能量。

这项测量填补了元素周期表中缺失的一块,因为砹是最后一个自然存在的、其性质未知的元素。砹原子核中有 85 个质子和 85 个电子,具有放射性,其最稳定版本的半衰期仅为 8.1 小时,这称为半衰期。1953 年,艾萨克·阿西莫夫估计自然界中砹的全球总量为 0.002 盎司(0.07 克)。[图解:自然界最微小的粒子详解]


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为了测量砹的电离势,欧洲核子研究中心 (CERN) 的 ISOLDE(在线同位素分离器探测器)放射性离子束设施的物理学家通过用高能质子束射击铀(原子核中有 92 个质子和电子)靶,制造出了人造砹同位素(中子数与自然界中存在的不同的原子)。碰撞产生了一连串新的粒子,其中一些是砹。

然后,物理学家用不同波长的激光束照射原子以使其电离。通过分离砹离子,并检查是哪个波长的激光束创造了它们,研究人员确定砹的电离势为 9.31751 电子伏特(例如,氢的电离势为 13.6 电子伏特)。

该值将作为研究奇异超重元素的基准,这些元素自然界中不存在,但可以在专门的实验室中制造出来。例如,研究人员希望将砹的性质与新发现的117 号元素的性质进行比较,该元素于 2010 年首次在俄罗斯联合核研究所 (JINR) 被制造出来。这种元素是迄今为止制造出的第二重元素,是砹的同系物,这意味着它在元素周期表上位于砹的正下方,并且可能具有相似的性质。

ISOLDE 共振电离激光离子源团队负责人瓦伦丁·费多谢耶夫在一份声明中说:“今天的源内激光光谱学是研究奇异短寿命同位素原子性质的最灵敏方法。” “它非常适合探索人工产生的元素的谱,例如超重元素。砹研究的成功为最近在法国 GANIL 和俄罗斯 JINR 启动的类似项目增加了信心。”(GANIL 代表 Grand Accélérateur National d'Ions Lourds,即国家重离子加速器)。

这项新发现也可能帮助科学家开发人造砹的医疗应用,人造砹可能在称为 α 疗法的癌症放射治疗中发挥作用。

共振电离激光离子源团队成员布鲁斯·马什说:“医学中使用的许多短寿命同位素在自然界中都不存在;它们必须通过核反应人工产生。” “砹可能的医用同位素在这方面并没有什么不同。砹的不同之处在于,它在自然界中稀少,使得通过实验研究它变得困难,这就是为什么这项对基本性质之一的测量是一项重大成就。”

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Clara Moskowitz is a senior editor at 大众科学, where she covers astronomy, space, physics and mathematics. She has been at 大众科学 for a decade; previously she worked at Space.com. Moskowitz has reported live from rocket launches, space shuttle liftoffs and landings, suborbital spaceflight training, mountaintop observatories, and more. She has a bachelor's degree in astronomy and physics from Wesleyan University and a graduate degree in science communication from the University of California, Santa Cruz.

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