你可能曾經(jīng)思考過,科學(xué)家已經(jīng)把自然元素分為118類,從氫元素、硅元素到鈾元素及其不同的同位素。不幸的是,只有從第一到第八個元素—氫元素到氧元素—已經(jīng)有了它們的同位素記錄。最近,美國密歇根州大學(xué)國家超導(dǎo)回旋加速器實驗室(NSCL)開始重?fù)粼?以期為元素周期表上的其它110個元素編制同位素。迄今為止,他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三個過去從未觀測到的硅、鋁和?V的同位素。
“我們正在做經(jīng)典的原子重?fù)簟皇患铀俚焦馑僖话氲牧Ｗ优鲎舶凶訒r分解,與此同時,一臺串聯(lián)質(zhì)譜計分離出所有不同類型的粒子并識別它們,”密歇根州大學(xué)(Lansing)教授Dave Morrissey說,“我們的新粒子在遭受放射性衰變之前,僅僅持續(xù)幾分之一秒,但是,通過確認(rèn)它們的存在,我們正幫助其它科學(xué)家設(shè)計新的材料并了解像超新星這樣的天文事件。”
在NCSL發(fā)現(xiàn)的三種新同位素分別是硅-44、鋁-42和?V-40。在自然中發(fā)現(xiàn)的硅只有三種穩(wěn)定的同位素:硅-92(在自然中占92%)、硅-29(占4%)及硅-30(占4%)。?V也有三種穩(wěn)定的同位素:?V-24(占79%)、?V-25(占10%)及?V-26(占11%)。鋁只有一種穩(wěn)定的同位素—鋁-27—但存在于從鋁-21到鋁-43之間的放射性同位素之中,在NSCL第一次在一瞬間觀察到了鋁-43同位素。通過為每一元素發(fā)現(xiàn)所有的同位素,設(shè)計工程師能夠更精確地針對一種應(yīng)用需要而制作將來的材料。
“你能夠把一個同位素做成多么重是需要在圖標(biāo)上標(biāo)出的基本限制,”Morrissey說,“正如元素的總數(shù)被限制為大約118種一樣,每一種化學(xué)元素都具有可能最重的同位素,因此,在某種程度上,我們正試圖發(fā)現(xiàn)自然的基本限制是什么?！?/p>
原子重?fù)舻南蠕h
元素是由它們具有的質(zhì)子的多少來定義的,其范圍從1到118。然而,伴隨那些質(zhì)子的中子的數(shù)量卻是可變的,因此,每一個同位素的數(shù)量是可變的。理論家一直試圖通過計算公式來推論那些同位素是可能的,但是,不太成功,從而讓原子重?fù)舻南蠕hNSCL以實驗證據(jù)填補了空白。
同位素的產(chǎn)生過程是這樣的:把一束最重的穩(wěn)定的鈣同位素-48加速到光速的一半,然后,重?fù)舫林氐逆u靶,從而分解出幾百種不同的元素,其中,大多數(shù)元素是不穩(wěn)定的。這些不穩(wěn)定的原子讓科學(xué)家能夠在短暫的時間內(nèi)觀測到自然中所有可能的同位素的種類,從而使他們能濾除那些罕見的同位素,以便構(gòu)造他們的同位素目錄。
在最近一輪的同位素發(fā)現(xiàn)期間,密歇根州大學(xué)的團隊臨時配備他們的回旋加速器,以便兩次過濾它產(chǎn)生的原子碎片。首次一瞬間觀測到鋁-43同位素說明,這種技術(shù)是成功的,從而促使科學(xué)家建議把兩級過濾系統(tǒng)作為回旋加速器的永久組成部分之一。每一個元素的最重同位素被稱為“水滴線”,因為在最輕和最重的同位素之間存在處于所有層次的同位素的例子。每一個元素后面給出的數(shù)字—如碳12、碳-13—表示質(zhì)子和在原子中的中子的數(shù)量。例如,碳具有15種同位素,從碳-8到它的最高值或水滴線—碳-22。碳元素的15個同位素中,只有碳-12和碳-13是穩(wěn)定的。其它都是放射性同位素并且通過貝塔反射而衰減。自然中存在的碳大約98%是碳-12,但是,大約2%是較重的碳-13。
對于硅、鋁和?V,NSCL團隊報告已經(jīng)把它們的水滴線提高到了硅-44、鋁-42和?V-40。該團隊還觀察了鋁-43,但是,只是在一次實驗之中,因此,正在尋找可重復(fù)性的確認(rèn)。把一磅正常的鋁-27塊—具有13個質(zhì)子和14個中子—轉(zhuǎn)化為鋁-43—具有13個質(zhì)子和30個中子—會造成其重量達到幾乎1.6磅。
