测量外来铜同位素的电荷半径

时间:2020-05-17 23:26 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

测量外来铜同位素的电荷半径

比利时voor Kern- en Stralingsfysica研究所和曼彻斯特大学的研究人员与世界各地的其他研究所合作,最近进行了一项研究,旨在测量细胞核的大小。在富含中子的铜同位素中。他们的论文发表在《自然物理》杂志上,展示了对这些同位素原子核大小的一种独特而有趣的奇特甚至惊人的观察。

进行这项研究的研究人员之一鲁本·彼得·德·格鲁特在接受Phys.org采访时表示:“我们观察到的奇偶效应,即原子核中中子数为奇数的情况下,其大小通常比与之相邻的中子数为偶数的原子核要小一些,在大多数同位素链中,这一效应或多或少是恒定的。”“然而,在铜中,我们注意到一种增强的奇-甚至惊人的同位素约有40个中子,然后似乎消失时,接近50个中子。”

要彻底了解德·格鲁特和他的同事观察到的奇-甚至惊人的模式远非一件容易的事,而且由于发现这种模式依赖于中子(这多少有些出乎意料),事情就变得更加复杂了。为了探究他们观察到的效应背后可能的原因,研究人员进行了一系列基于核理论的前沿计算,然后将这些计算结果与他们收集的实验数据进行了比较。

德格鲁特说:“对78Cu这种最难以测量的同位素进行测量,它有29个质子和49个中子,这使得它成为一个非常复杂的原子核,无论是在实验上还是在计算上,都需要进行研究。”“然而,我们觉得我们的实验结果非常重要,足以说服两个理论合作者去研究两种截然不同的理论方法,一种基于密度泛函,另一种基于中间价空间相似重整化群方法,该方法对中重核给出了一种‘从头算’描述。”

研究人员在他们的研究中使用的两种理论方法被证明在解释他们收集的测量数据的不同方面是有用的。而基于密度泛函理论计算预测大部分属性(如总核大小)非常高的精度,该方法植根于valence-space在中型相似重正化群理论提供了一个详细描述的一般趋势奇偶惊人的效果,花了额外的相关性考虑在内。

德·格鲁特解释说:“我们的计算表明,这两种理论都包含了描述核结构的基本要素,但仍有工作要做——我们仍然没有一种方法可以完成所有的工作。”

在最近的研究中,研究人员重点研究了寿命很短的铜同位素。例如,他们研究的78Cu同位素的寿命是300毫秒,这意味着在它产生后的一秒钟,这种同位素很可能已经消失了。因此,他们必须在同位素衰变之前,使用能够快速生产和检测同位素的技术。

德格鲁特说:“研究放射性同位素非常重要的一点是,方法要快速有效——我们没有时间收集大量的同位素样本,以后再悄悄研究它们。”“需要‘联机’进行测量;我们的测量工具和探测器需要连接到生产现场,并在完美的同步工作。”

德·格鲁特和他的同事使用了一种被称为CERN PS-Booster的粒子加速器,它可以产生能量极高的质子。这些质子被引导到欧洲核子研究中心的伊索尔德设施,在那里它们撞击到一块铀上,引发了各种不同的核反应。

这个过程产生的核反应导致了整个光谱的同位素的产生,从轻的氦原子到非常重的元素,如镭。研究人员开始研究的铜同位素就在其中,但它们必须从大范围的同位素中提取并纯化。

德·格鲁特解释说:“伊索尔德团队将铀加热到大约2000摄氏度,这样,这些新产生的同位素就不会留在周围,而是逃逸到离子源中:在这里,它们变成了带电离子。”“这是至关重要的一步,因为它允许我们使用静电和磁技术来加速所有同位素,选择感兴趣的,并引导他们在伊索尔德设施的不同测量设置。”

为了测量铜同位素的大小,研究人员用两束不同的激光束照射它们。通过精确地调整第一个激光器的频率,他们能够激发一个与原子核结合的电子。然后第二束激光被用来“剥离”这个被激发的电子。

“通过测量改变激光频率时产生的带电粒子的数量,我们可以确定铜原子的准确吸收能量,”德格鲁特说。“这种吸收能量与核的大小直接相关;能量的转移被称为同位素位移——颜色的微小变化,低至百万分之一;眼睛看不到任何东西,但我们的系统对某些东西很敏感。”

德·格鲁特和他的同事所使用的测量技术,即共线共振电离光谱法,是一种高效而精确的测量原子能量转移的工具。他们的实验装置非常复杂,它依赖于所有不同的组件(即、大型粒子加速器、超稳定激光系统、高精度激光频率测量工具、离子阱、超高真空泵、高压电源等)组成交响乐。

在他们的研究中,研究人员用它来确定14种不同铜同位素的“同位素位移”。测量这些变化最终使它们能够确定其大小的变化,作为原子核内中子数的函数。

“最具挑战性的同位素只能以每秒20个离子的速度产生,总共只有大约20万个离子被用来进行测量,”德格鲁特说。“这个样本的总质量,如果你能在它放射性衰变之前收集到它,将是0.00000000003微克——与我们习惯的典型物体相比,这是一个令人难以置信的小数量的东西。”

德格鲁特和他的同事采用的技术使研究人员能够研究目前只能少量生产的同位素,而且比过去开发的其他高精度测量工具效率高得多。在未来,他们的方法可能会对核结构研究产生一些重要的影响,因为许多有趣的同位素是不稳定的,因此只能少量生产。

德格鲁特说:“我们的研究结果表明,现在可以对其中许多核进行研究。”“我们方法的进一步改进将进一步推动这一限制。特别地,我们的技术现在允许我们接近那些预计将在超级核和奇诺威核中产生的核,这些核还没有在地球上的实验室中进行研究。同样,所开发的理论工具也代表了核理论的重大里程碑。”

除了引入新技术测量细胞核的大小与短寿命同位素,de大的和他的同事证明了基于密度泛函理论构造的有效性和valence-space在中型相似重整化群方法研究探索与不稳定同位素核的结构。他们的研究揭示了这些理论框架的优缺点,可以在未来的研究中进一步探索。

“在目前的研究中,我们选择了铜,因为它有29个质子,”德格鲁特说。这使得这些同位素成为研究镍(28个质子)内核的完美探针。78Ni(28个质子,50个中子)被认为是一个具有双重魔力的原子核。这种双重魔法的封闭壳层系统非常少,它们构成了核结构研究的基础,就像原子物理中的惰性气体一样。”

De Groote和他的同事目前正在进行一项新的研究,重点是富含中子的钾同位素,它有19个质子,因此是神奇的钙同位素(即有20个质子)的优秀探针。他们已经对这些同位素的电荷半径进行了初步计算,现在计划对这些结果进行更深入的研究。

德格鲁特说:“从长远来看,一项测量铟和锡的同位素的运动已经开始了,它将在未来几年继续进行。”“这些同位素是目前核理论的前沿;因此,实验和理论方面的努力正在同时取得良好进展。”

De Groote和他的同事们也开始使用在他们最近的论文中介绍的同样的实验方法来研究放射性分子。例如,他们最近完成了第一个氟化镭的光谱研究,氟化镭是一种含有放射性镭原子的分子。

“由于没有稳定的镭同位素,这种分子以前从来没有被研究过,”德格鲁特解释说。“这尤其令人兴奋,因为它可能是下一代超越标准模型的物理学研究的关键。”

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