科学家们创造了三种银白色金属的新的超重版本，这一进展可能有助于更好地理解某些元素是如何在恒星中形成的。
这些新的“重量级”原子是金属铥、镱和镥的同位素。同位素是原子核中中子数量不规则的原子版本。 在这种情况下，研究人员在铥的 69 个质子中加入了 113 个和 114 个中子，在镱的 70 个质子旁边加入了 116 个和 117 个中子，并在镥的 71 个质子旁边加入了 119 个中子。
这五种同位素以前从未被创造出来过——至少在地球上没有。 尽管每一种同位素几乎都会立即衰变并且没有已知的实际用途，但它们都令寻求更多了解黄金和其他常见重元素的深层起源的研究人员感到兴奋。
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“一直以来，试图理解宇宙中黄金、铅和铀等较重元素是如何产生的，都是一个持续的挑战，”密歇根州立大学 (MSU) 的物理学家、新研究的合著者 Brad Sherrill 说。该研究于 2 月 15 日在《物理评论快报》杂志上发表。 这些和其他重金属必须由更重的不稳定元素的衰变形成，这些元素诞生于中子异常丰富的环境中，例如合并的中子星内部和周围。 但是，如果不更多地了解重型富中子原子的原子核，就几乎不可能解开这个过程的细微之处。 它们究竟有多重？ 它们究竟需要多长时间衰变？ 找到这些问题答案的最可靠方法是实际拥有合适的富含中子的同位素以供直接研究，但这已被证明极其难以制造和测量——直到现在。 这五种超重同位素都来自美国能源部位于密歇根州立大学的新型稀有同位素束流装置 (FRIB) 的早期运行，Sherrill 在该装置领导先进的同位素分离工作。
“他们不仅在这个非常重的区域制造了新的同位素，而且还能够最终确定它们，”圣母大学的天体物理学家 Rebecca Surman 说，她没有参与这项研究。
研究人员创造的铥、镱和镥同位素甚至不是他们真正追求的目标。 FRIB 的真正目标是制造更重的同位素。
没有参与这项研究的劳伦斯伯克利国家实验室的核化学家 Heather Crawford 说，该设施的早期成果令人兴奋。“即使该设施刚刚上线，就已经有新的同位素了，”她说。“我们知道最终会是这样，但看到它如此迅速地到来真的很高兴。”
丰富的天体物理过程可以产生元素和同位素； 元素的质量是决定其如何产生的最重要的因素之一。 比铁重的元素通常在所谓的 r-过程中产生，r-过程是“快速中子俘获”的缩写。 在 r-过程中，不稳定的原子核在原子核开始通过放射性衰变分解之前，迅速从环境中捕获自由中子。 这需要极端的天体物理环境，例如爆炸恒星的环境。
“这就像一个大锅，你试图盖上盖子，增加压力并制造这些原子核，”田纳西大学诺克斯维尔分校的实验核物理学家 Robert Grzywacz 说，“只不过这个锅也在爆炸。”
解开在所有这些不稳定的原子转变结束时，为了产生稳定的原子汤而必须发生的事情是一项艰巨的挑战。 天体物理学家试图在超级计算机模拟中对这个过程进行建模，但他们缺乏关于重原子核如何行为的基本信息，Surman 说。
这就是 FRIB 的用武之地。 新设施允许研究人员用铅或铀等金属原子的强烈重束轰击静止的目标。 在这项新研究中，光束由铂组成，并瞄准碳目标。 碰撞将质子和中子从原始铂原子核中撞出，并且纯粹是偶然地，其中一部分导致原子核失去的质子多于中子，从而产生非常富含中子的较轻金属同位素。
“我们称之为碎片化，”Sherrill 说。 “我们正在将初始原子核分解成碎片，偶尔其中一个碎片很有趣”——非常偶尔。 Sherrill 说，在每 100,000,000,000,000 次碰撞中，科学家们只找到了他们正在寻找的两个原子。
随之而来的是一个灵敏的过程，根据质量和电荷来区分产生的粒子——此时这些粒子以光速的一半行进。 研究人员尚未对新同位素进行所有详细测量，但 Sherrill 说，每种同位素的半衰期可能都在一秒左右。
Sherrill 说，为了制造超重铥、镥和镱，研究人员仅使用了光束最终计划强度的二百七十分之一。 他们还计划将探测器的灵敏度提高 10 倍。“未来将会有巨大的、戏剧性的增长，”他说。
凭借这些功率的提升，由密歇根州立大学物理学家 Oleg Tarasov 领导的研究团队希望制造出更重的同位素。 Grzywacz 说，在地球上制造某些通常在垂死恒星内部诞生的超重同位素可能超出了 FRIB 的能力范围，但是研究人员能够推进得越远，他们就能更多地了解和推断那些他们无法制造的同位素。
“存在不同现象的相互作用，这些现象会随着中子数的变化而变化，”他说。 “其中一些现象变得比其他现象更重要，并且会以戏剧性的方式改变，例如，核寿命。 其中一些事情很难预测。”
FRIB 未来的发现应该有助于研究人员阐明特定金属在宇宙中产生的环境。 Sherrill 说，如果对原子核有足够好的了解，就可以精确预测哪些原子会从例如中子星合并中结合起来。 这种深刻的理解也可能具有实际应用，例如在最大限度地减少致命放射性副产品出现的同时处理或处置核废料的能力。
“这个结果令人兴奋，”他说，“因为这是朝着获得这些重同位素迈出的一步，这些同位素一直非常难以生产，或者到目前为止，我们根本无法生产。”
编者注（2024 年 3 月 4 日）：这篇文章在发布后进行了编辑，以澄清对稀有同位素束流装置 (FRIB) 主束计划强度的描述、Brad Sherrill 在 FRIB 中的角色以及它是美国能源部设施的事实。