物理学家发现了重稀土元素的新同位素

在一项涉及重元素碎裂的里程碑式实验中，出现了前所未有的组成原子核的粒子比例。

密歇根州立大学的奥列格·塔拉索夫（Oleg Tarasov）领导的物理学家们，通过分解铂的原子核，发现了稀土元素铥、镱和镥的新同位素。科学家们相信，这一成就将有助于他们了解富含中子的原子核的特性，以及在中子星碰撞中形成新元素的过程。

研究人员说，这项工作也证明了密歇根州立大学最近完成的稀有同位素光束设施（FRIB）的力量，该设施于2022年6月进行了第一次实验。

实际上，并非所有形式的元素都是相同的。每个原子核由许多亚原子粒子组成，这些亚原子粒子被称为核子 —— 质子和中子。质子数在所有形式的元素中都是一致的，这就决定了元素的原子序数。

然而，中子的数量可以变化。这些变化决定了一种元素的同位素。

所有元素都有一定数量的同位素，这些同位素形成时具有不同程度的稳定性。有些元素衰变得非常快，在电离辐射中分解成较轻的元素。而有些只是在完美的稳定中闲逛。了解不同的同位素，以及它们的行为，有助于科学家弄清楚宇宙是如何制造元素的，并估计这些元素在空间和时间上的丰度。

为了锻造他们的新同位素，奥列格·塔拉索夫和他的同事们从一种有120个中子的铂同位素 198Pt 开始。标准铂有117个中子；使用较重的同位素可以改变原子核分裂的方式。

他们将这些原子放在FRIB中，FRIB使用重离子加速器使原子核破碎。稀有同位素束以超过光速一半的速度射向目标。当它们击中目标时，这些同位素会破碎成更轻的原子核同位素；然后物理学家可以探测和研究这些同位素。

在198Pt的碎片中，奥列格·塔拉索夫的团队发现了182Tm和183Tm，分别有113和114个中子；标准铥有69个中子。他们还发现了186Yb和187Yb，分别有116和117个中子；标准镱有103个中子。最后，他们发现了190Lu，有119个中子；而标准的镥有104个中子。

这些同位素中的每一种都在加速器的多次运行中被观察到。研究人员说，这意味着FRIB可以用来研究重元素的富中子同位素的合成，而这些同位素的合成迄今为止一直被忽视 —— 不是因为缺乏兴趣，而是因为创造和探测它们的能力。

反过来，这可以帮助我们理解剧烈的宇宙事件如何形成宇宙中最重的元素。宇宙中任何比铁更重的东西都只能在极端条件下产生，比如超新星和中子星之间的碰撞。

中子星碰撞中的一个核合成过程是快速中子捕获过程，或称r过程。当原子核迅速聚集在千新星爆炸过程中释放的自由漂浮的中子，开始转化为更重的元素时，就会发生这种情况。这就是我们获得金、锶、铂和其他重金属的方式。

他们说，这个团队的实验非常接近于重现r过程。这意味着我们可能很快就会拥有一种工具，可以复制宇宙中一些最剧烈事件中出现的核合成途径之一。

研究人员写道：“FRIB的独特能力，包括能量超过国家超导回旋加速器实验室可用能量的非常强的初级束，使其成为探索中子数N=126及以上区域的理想设施。”。

“FRIB的研究人员可以利用这些反应来产生、识别和研究新同位素的性质，为核物理学、天体物理学的进步和我们对物质基本性质的理解做出贡献。”

这项研究发表在《物理评论快报》上。

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