不可能的成为可能!研究团队创造了迄今为止世界上最轻的镁同位素

2021年12月31日 阅读量:3

12月24日消息, 密歇根州立大学 (MSU) 与一个国际研究团队合作,创建了迄今为止世界上最轻的镁同位素。

 

这种同位素在 MSU 或 NSCL 的国家超导回旋加速器实验室锻造而成,非常不稳定,以至于在科学家们可以直接测量之前它就会分解。然而,这种对存在不感兴趣的同位素可以帮助研究人员更好地了解定义我们存在的原子是如何制造的。

 

该团队由中国北京大学的研究人员领导,包括来自密歇根州立大学圣路易斯华盛顿大学和其他机构的科学家。

 

 

代表新同位素镁 18 的图像。图片来源:SM Wang / 复旦大学和稀有同位素束设施

 

“我感兴趣的一个大问题是宇宙元素从何而来,”稀有同位素束设施 (FRIB) 化学助理教授凯尔·布朗 (Kyle Brown) 说。布朗是这项新研究的领导者之一,该研究于 12 月 22 日由《物理评论快报》在线发表。

 

“这些元素是如何制成的?这些过程是如何发生的?” 布朗问道。

 

新同位素本身不会回答这些问题,但它可以帮助完善科学家为解释这些谜团而开发的理论和模型。

 

地球富含天然镁,这些镁是很久以前在恒星中锻造而成的,从那时起,它已成为我们饮食和地壳矿物质的重要组成部分。但这种镁是稳定的,它的原子核或原子核不会分崩离析。

 

然而,新的镁同位素太不稳定,无法在自然界中找到。但是通过使用粒子加速器来制造越来越奇异的同位素,科学家们可以突破模型的极限,帮助解释所有原子核是如何构建和保持在一起的。

 

反过来,这有助于预测在我们可能永远无法直接在地球上模拟或测量的极端宇宙环境中会发生什么。

 

“通过测试这些模型并使它们越来越好,我们可以推断出我们无法衡量它们的地方是如何工作的,”布朗说:“我们正在衡量我们可以衡量的东西,以预测我们不能衡量的东西。”

 

自 1982 年以来,NSCL 一直在帮助全世界的科学家进一步了解人类对宇宙的了解。 FRIB 将在 2022 年开始实验时延续这一传统。FRIB 是美国能源部科学办公室 (DOE-SC) 的用户设施,支持 DOE 的使命-SC 核物理办公室。

 

“FRIB 将测量很多我们过去无法测量的东西,”布朗说:“我们实际上有一个经过批准的实验集在 FRIB 上运行。我们应该能够创造另一个以前没有制造过的原子核。”

 

在进入未来的实验之前,布朗参与了四个不同的项目,这些项目制造了新的同位素。这包括最新的镁 18。

 

所有镁原子的原子核内都有 12 个质子。以前,最轻的镁有 7 个中子,总共有 19 个质子和中子——因此被命名为镁 19。

 

 

代表新同位素镁 18 的图像。图片来源:SM Wang / 复旦大学和稀有同位素束设施

 

为了制造比一个中子更轻的镁 18,该团队开始使用稳定版本的镁,即镁 24。NSCL 的回旋加速器将一束镁 24 原子核加速到光速的一半左右,并将该束射入目标,这是一种由元素铍制成的金属箔。而这只是第一步。

 

“这种碰撞为你提供了一堆比镁 24 轻的不同同位素,”布朗说:“但从那汤里,我们可以选择我们想要的同位素。”

 

在这种情况下,该同位素是镁 20。此版本不稳定,这意味着它通常会在十分之一秒内衰减。因此,该团队正准备让镁 20 与大约 30 米或 100 英尺外的另一个铍目标相撞。

 

“但它以光速的一半行进,”布朗说:“它很快就到了。”

 

正是下一次碰撞产生了镁 18,它的寿命在六分之一秒的范围内。这是一个如此短的时间,以至于镁 18 不会在分崩离析之前用电子掩盖自己成为一个成熟的原子。它仅作为裸核存在。

 

事实上,镁 18 从未离开铍靶的时间太短了,新同位素在目标内部衰变。

 

这意味着科学家不能直接检查同位素,但他们可以表征其衰变的迹象。镁 18 首先从其原子核中发射两个质子成为氖16,然后再发射两个质子成为氧 14。通过分析逃离目标的质子和氧气,该团队可以推断出镁 18 的特性。

 

“这是一个团队的努力。每个人都在这个项目上非常努力,”布朗说:“这非常令人兴奋。人们并不是每天都会发现一种新的同位素。”

 

也就是说,科学家们每年都会在已知同位素列表中添加新条目,数量以千计。

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