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20年的稀有同位素极限探索,首次迎来新的突破

创新网 2019-11-29 10:51 出处:原理几年前,日本的一个物理学家团队创造出了一个不同寻常且从未曾见过的亚原子粒子。他们在将钙核粒子流在粒子加速器中一次又一次地撞向金属圆盘长达数小时之后,找到了梦寐以求的粒子——钠(Na)。没错,就是钠。不要被这个熟悉的名字欺骗,这" /> <meta name="tags" content="同位素,原子核" /> <meta content="always" name="referrer" /> 编辑:@科技资讯网
文章来源:原理 几年前,日本的一个物理学家团队创造出了一个不同寻常且从未曾见过的亚原子粒子。他们在将钙核粒子流在粒子加速器中一次又一次地撞向金属圆盘长达数小时之后,找到了梦寐以求的粒子——钠(Na)。

文章来源:原理

几年前,日本的一个物理学家团队创造出了一个不同寻常且从未曾见过的亚原子粒子。他们在将钙核粒子流在粒子加速器中一次又一次地撞向金属圆盘长达数小时之后,找到了梦寐以求的粒子——钠(Na)。

没错,就是钠。不要被这个熟悉的名字欺骗,这可不是我们在食盐中能找到的元素。地球上几乎所有的钠都是钠-23,这个数字代表组成其原子核的是11个质子和12个中子。然而,这23个粒子并不包含所有能被成为钠的物质。严格说来,任何质子数为11的原子核都是钠。毕竟,元素周期表是根据原子核中的质子数来排列元素的,第11号元素就是钠,这与粒子内部的中子数无关。

这次,物理学家们创造出的是一种含有11个质子、28个中子的钠原子核。这种钠-39是已知的钠的最大质量同位素。它的产量非常小,产生一个钠-39原子需要8个小时和千万亿次的碰撞,而且它几乎会在形成之后就立刻解体了。

即便如此,这一结果仍然创造了钠的同位素的新纪录,这实则是一些科学家已经尝试了很久的探索。几十年来,物理学家们一直在探索元素周期表,以求在物理定律允许的条件下找到每种元素的最重同位素。

探索自然的极限一直是物理学研究者的一个目标,对稀有同位素的研究就是其中一个例子。对于具有一定质子数量的原子核来说,它能束缚的中子数量是有限的。一旦超过这个极限,原子核便会停止粘合在一起,这一极限被称为中子滴线。之所以被称为“滴线”,是因为如果再增加一个中子突破这个极限,那么这个中子就会毫无阻力地溜走。

○ 研究人员绘制了氟(F)和氖(Ne)的最重同位素的中子滴线(绿线)。在此之前,我们只知道元素周期表的前8个元素的中子滴线(粉线)。| 图片来源:APS / Joan Tycko

长时间以来,在元素周期表的118种已知元素中,科学家只知道其中8种最轻元素的中子滴线。绘制重元素的中子滴线可以让科学家更好地理解原子核的存在极限。这是一项实验难度很大的研究,科学家用了近20年的时间才最终确定两种新的核极限。

在新的测量中,他们在加速器中向铍(Be)发射了一束钙-48(Ca)高能粒子束,当射线击中目标时,钙原子核分裂成碎片。然后,通过使用一种能根据粒子的质量和电荷来筛选粒子的强大“过滤器”,研究人员找到了同位素。根据已经绘制到氧元素的中子滴线,他们为排在氧元素之后的三种元素找到了迄今为止的最重同位素——氟-31、氖-34,以及钠-39。

要证明一个粒子是同类粒子中最重的,仅仅将它创造出来是不够的,还必须能证明没有其他更重的同位素物质存在——这是这项探索中最难的部分。因为有这样一个问题会一直有萦绕:如果我们没有发现更重的同位素,是因为它不存在,还是因为我们的实验做得不够好?

在这项研究中,物理学家们用了数年时间来准备这项实验。他们升级了加速器的功率,还制造了一个几乎有足球场大的复杂精妙的粒子过滤器,它使用磁铁来分离原子核。然后,为了证明有22个中子的氟-31是氟的最重同位素,他们进行了多次的粒子碰撞。根据理论模型的预测,应该会有氟-32和氟-33产生。

在实验中,他们制造出了4000个氟-31,这是一个非常庞大的数量。假如真的有氟-32存在,那么他们应该能在这样大的样本中看到这种同位素。因此,当确定没有看到比氟-31更重的同位素时,研究团队几乎肯定地确认了最重的氟同位素就是氟-31。通过类似的过程,他们确定了氖-34是氖最重的同位素。

但研究团队并没有草率地发表官方声明,他们用了近五年的时间来分析这些结果,直到本周才将结果公布。在最近的《物理评论快报》上,他们证实了氟原子核的极限是22个中子,氖原子核最多可以包含24个中子。而钠的极限仍旧无法确定,但从这个实验来看,这个极限至少可以是28个中子。这是20年来,物理学家在中子滴线问题上作出的首次重大突破,他们确定了氟原子和氖原子中可以拥有的最大中子数,并为理论计算模型建立了新的约束条件。

通过这些实验,物理学家希望更好地理解自然界中可能与不可能之间的界限。此外,这些测量数据还能帮助天体物理学家研究太空中的一些极端环境,比如中子星。中子星是已经死亡了的恒星坍缩成的核心,它的密度极大,中子星上一茶匙的物质重约10亿吨。在中子星的极端条件下,就可以形成在实验室中制造出的这些奇异的、寿命短暂的原子核。

这些实验不仅绘制了核素的极限图像,还挑战着我们所知道的定义了这些核结构的自然基本力。现在,研究人员希望能够确认钠元素的最重同位素。在理想的情况下,物理学家希望能找到元素周期表中所有元素的中子极限。而钠才仅仅位列118个元素中的第11号。因此,科学家很理性地明白,或许我们很难绘制出所有元素的中子滴线,但即便如此,这种探索也已经把宇宙中那些奇怪、混乱的过程带到过我们的面前。

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