原创 Niwase T 同位素地球化学 2023-09-10 07:06 发表于甘肃

引言

      在最新一期《物理评论快报》杂志上，来自日本和韩国的科学家宣布了一项重大的科学发现：他们成功发现了一个以前未知的铀同位素，铀-241。这个同位素的原子序数为92，质量为241，但最引人注目的特点是其可能仅有40分钟的半衰期。这项突破性的研究是科学家自1979年以来首次发现富含中子的铀同位素，标志着核物理领域的一项重大进展。

     长期以来，物理学家一直在努力合成富含中子的重元素同位素，并确定它们的性质。然而，这项任务一直充满挑战，因为这些同位素不容易合成，并且其性质难以确定。为了克服这一难题，科学家们不断探索实验室条件下合成富含中子同位素的新方法。

研究方法

    在这项最新的研究中，一支来自日本高能加速器研究机构（KEK）的科学家团队取得了突破。他们使用了一种新方法，将铀-238原子核加速，并引导它们靶入铂-198原子核的旋转标靶中。这一过程导致了多个质子和中子在铀束核和铂靶核之间的转移，从而形成了多个不同的同位素。

为了确定这些同位素的质量，研究团队采用了飞行时间质谱仪，这是一种精确测量离子质量的技术。他们成功精确测量了19种富含中子的重元素同位素的质量，这些同位素中包括了中子数从143个到150个的范围。最引人瞩目的是，他们首次观测到了铀-241，这是一个以前从未被观测到的同位素。

​图1.  KEK实验装置示意图。蓝色和黄色区域分别充满了氩气和氦气。图片来源：《物理评论快报》（2023）

科学意义和展望
     这项研究的科学意义不仅在于首次观测到了铀-241，还在于为科学家提供了更好地理解与重元素相关的原子核形状的途径。这一突破有望修改现有的核电站和核武器建模，以及改进对恒星爆炸行为的理论。此外，研究团队指出，他们使用的技术还可以用于了解其他重元素的同位素，甚至有可能发现新的同位素，为核物理领域的未来研究提供了广阔的展望。

结论
    日本和韩国科学家们的这项研究代表了核物理领域的一项重大突破。他们成功观测到了铀-241这一以前未知的铀同位素，为科学家们更深入地了解重元素的核结构和性质提供了新的工具和途径。这一发现不仅有望改变核物理领域的理论模型，还为未来的研究开辟了新的方向。铀-241的发现将在核科学中留下重要的足迹，为人类对自然界的认知提供了更深入的了解。

附：

原文信息：Niwase, T., Watanabe, Y. X., Hirayama, Y., Mukai, M., Schury, P., Andreyev, A. N., ... & Wada, M. (2023). Discovery of New Isotope U 241 and Systematic High-Precision Atomic Mass Measurements of Neutron-Rich Pa-Pu Nuclei Produced via Multinucleon Transfer Reactions. Physical Review Letters, 130(13), 132502.

更多阅读：

铀同位素
• 铀是一种自然存在的化学元素，符号为U，原子序数为92。
• 它是一种放射性的重金属，以少量存在于世界各地的岩石和土壤中。
• 铀有几种同位素，这些同位素是具有相同质子数但中子数不同的原子。

铀的同位素
铀最常见的同位素是铀-238和铀-235。
1. 铀-238：它是铀最丰富的同位素，占自然铀的99%以上。它的核中有92个质子和146个中子。它不是裂变性的，这意味着它不能维持核链反应。但它是可育性的，这意味着它可以吸收中子并经历放射性衰变，产生其他同位素，如可裂变的钚-239。
2. 铀-235：它是铀的第二丰富同位素，占自然铀的不到1%。它的核中有92个质子和143个中子。与铀-238不同，它是裂变性的，这意味着它可以维持核链反应。它用作核反应堆的燃料，也是核武器的主要材料。

3. 铀的同位素有: 217U 218U 219U 220U 221U 222U 223U 224U 225U 226U 227U 228U 229U 230U 231U 232U 233U 234U 235U 236U 237U 238U 239U 240U 241U 242U 

同位素是如何产生的？
• 同位素可以通过自然过程或实验室中的人工过程产生。
• 同位素是通过自然过程产生的，如放射性衰变、宇宙射线相互作用以及恒星中的核聚变反应。
• 例如，碳-14是在地球的上层大气中，当宇宙射线与氮原子相互作用时产生的。
• 同位素还可以通过核反应人工产生。
• 这涉及将原子轰击以粒子，如质子、中子或α粒子，这些粒子可以改变核中的质子和/或中子数。

如何找到铀-241？
• 为了找到铀-241，研究人员使用KEK同位素分离系统（KISS）加速铀-238核进入钚-198核。
• 在一个称为多中子转移的过程中，这两种同位素交换了质子和中子，导致核片段具有不同的同位素。
• 研究人员鉴定了铀-241并使用飞行时间质谱法测量了其核的质量。
• 理论计算表明，铀-241的半衰期可能为40分钟。

这一发现的重要性
• 这一发现具有重要意义，因为它完善了我们对核物理的理解，特别是重元素的大核的形状以及它们的发生频率。
• 这些信息有助于物理学家设计核电厂和爆炸恒星的模型。
还有，什么是魔数？
• “魔数”核具有一定数量的质子或中子，导致高度稳定的核。
• 铅（82个质子）是已知的最重的“魔数”核，物理学家一直试图找到下一个具有魔数的元素。
• 研究人员希望将他们的系统质量测量扩展到许多富中子同位素，至少到中子数152，那里预计会出现一个新的“魔数”。

结论
• 发现新的富中子铀同位素是核物理领域的一项重大突破，因为它提供了了解重元素行为的重要信息。
• 研究人员的目标是通过这些测量扩展到其他富中子同位素，以探索核科学的前沿，并提高我们对宇宙的理解。
• 通过这些测量发现新的魔数核可能在设计更安全和更高效的核电厂以及理解爆炸恒星的性质方面具有实际应用。

资料来源：

https://www.civilsdaily.com/news/physicists-discover-new-uranium-isotope/