科学家们创造了迄今为止世界上最轻的镁同位素

2021年12月27日 07:45 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

根据一项新研究,密歇根州立大学(MSU)的科学家们与一个国际研究团队合作,帮助创造了迄今为止世界上最轻的镁同位素。

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在密歇根州立大学的国家超导回旋加速器实验室(NSCL)锻造的这种同位素非常不稳定,在科学家们能够直接测量它之前,它就已经分解。然而,这种并不热衷于存在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形成的。

在北京大学研究人员的领导下,该团队包括来自圣路易斯华盛顿大学、MSU和其他机构的科学家。

“我感兴趣的一个大问题是宇宙的元素来自哪里,”稀有同位素光束设施(FRIB)的化学副教授 Kyle Brown说。 Brown是这项新研究的负责人之一,该研究于2021年12月22日由《物理评论快报》杂志在线发表。

“这些元素是如何产生的?这些过程是如何发生的?” Brown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。

地球上充满了天然的镁,这些镁很久以前在恒星中铸造,后来成为我们饮食的一个关键组成部分和地球地壳中的矿物质。但是这种镁是稳定的。它的原子核心,或原子核,不会散开。

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像这种越来越奇特的同位素,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。这反过来又有助于预测在极端的宇宙环境中发生的事情,而研究人员可能永远无法在地球上直接模仿或测量。

Brown说:“通过测试这些模型并使它们变得越来越好,我们可以推断出在我们无法测量的地方事情是如何运作的。我们正在测量我们可以测量的东西,以预测我们不能测量的东西。”

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自1982年以来,NSCL一直在帮助全世界的科学家们进一步了解宇宙。当2022年开始进行实验时,FRIB将继续这一传统。FRIB是美国能源部科学办公室,或DOE-SC的用户设施,支持DOE-SC核物理办公室的任务。

“FRIB将测量很多我们过去无法测量的东西,”Brown说。“我们实际上有一个已批准的实验将在FRIB运行。而且,我们应该能够创造出另一个以前没有制造过的原子核。”

在进入那个未来的实验之前,Brown已经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,被称为镁-18。

所有镁原子的核内都有12个质子。此前,最轻的镁有7个中子,使其共有19个质子和中子--因此它被命名为镁-19。

为了制造出轻了一个中子的镁-18,研究小组从稳定版本的镁-24开始。NSCL的回旋加速器将一束镁-24原子核加速到大约一半的光速,并将这束原子核射向一个目标,即由铍元素制成的金属箔。而这只是第一步。

Brown说:“那次碰撞给了你一堆比镁-24更轻的不同同位素。但是,从这个‘汤’中,我们可以选择出我们想要的同位素。”

在这种情况下,这种同位素是镁-20。这个版本是不稳定的,这意味着它的衰变,通常在十分之一秒内。因此,该团队正在进行计时,让镁-20与大约30米或100英尺外的另一个铍目标碰撞。

“但它是以一半的光速飞行,”Brown说。“它很快就能到达那里。”

正是这种下一次碰撞产生了镁-18,它的寿命在六千万亿分之一秒左右。这是一个如此短的时间,以至于镁-18在散开之前不会用电子来掩盖自己,成为一个完整的原子。它只作为一个裸露的原子核存在。

事实上,在这么短的时间内,镁-18从未离开过铍靶。新的同位素在靶内衰变。这意味着科学家不能直接检查这种同位素,但他们可以确定其衰变的蛛丝马迹。镁-18首先从其原子核中喷出两个质子,成为氖-16,然后再喷出两个质子,成为氧-14。通过分析逃离目标的质子和氧气,研究小组可以推断出镁-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地工作,”Brown说。“这相当令人兴奋。人们并不是每天都能发现一种新的同位素。”

科学家们每年都在为已知的同位素列表添加新的条目,这些同位素的数量达到了数千。Brown表示:“我们正在向一个桶中添加水滴,但它们是重要的水滴。我们可以把我们的名字放在这个上面,整个团队都可以。而且我可以告诉我的父母,我帮助发现了这个别人从未见过的原子核。”

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