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科學(xué)探索：測量重元素光譜的方法

來源：環(huán)球科學(xué)

發(fā)布時(shí)間：2021-06-11

瀏覽次數(shù)：1319

科學(xué)探索：測量重元素光譜的方法

全部光譜顏色。這個(gè)太陽光譜包含了與每一種太陽元素相關(guān)的暗吸收線，例如橙色范圍內(nèi)的兩條強(qiáng)鈉線。圖片來源：Flickr/yellowcloud
測量原子的光譜可以使研究人員了解原子的結(jié)構(gòu)，但是許多超重元素的產(chǎn)量非常少，以至于這些繪制光譜的實(shí)驗(yàn)幾乎不可能。現(xiàn)在，一種新近提出的光譜技術(shù)或?qū)⒔鉀Q這個(gè)問題。這種方法被稱為激光共振色譜法（laser resonance chromatography，LRC），其過程包括用激光激發(fā)離子，然后在充滿氣體的試管中測量其漂移時(shí)間以確定其量子狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)在利用有限的離子數(shù)方面比傳統(tǒng)的方法更為有效。研究人員計(jì)劃利用它首次觀測鐒（103號(hào)元素）的光譜，也可能對(duì)其他超重元素進(jìn)行觀測。

原子光譜中的每一條譜線都與電子從某一能級(jí)躍遷到另一能級(jí)時(shí)所發(fā)射或吸收的光子相對(duì)應(yīng)。這些譜線對(duì)于每種元素來說都是唯一的，可以用于推斷原子的帶電性質(zhì)、原子核性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)?！俺卦亍辈⑽炊x精確的范圍，但這個(gè)術(shù)語常常是指锘（102號(hào)元素）之后的元素。高精度的超重光譜可以提供豐富的信息，例如原子核性質(zhì)的細(xì)節(jié)，這可以幫助理論學(xué)家改進(jìn)一組預(yù)測已久 (但從未觀測到）的超重同位素模型——穩(wěn)定島假說。

研究人員利用共振電離光譜技術(shù)（resonance ionization spectroscopy，RIS）來測量锘之后的元素。在該方法中超重離子束必須首先被中性化，分離出額外的電子，這樣它們才能以可控的方式被激發(fā)和電離。不幸的是，中性化會(huì)損失一些實(shí)驗(yàn)中的原子，這使共振電離光譜技術(shù)并不適用于產(chǎn)量極少的超重元素情況。

元素周期表。圖片來源：M. Laatiaoui /JGU

為了測量這些原子，來自德國亥姆霍茲重離子研究中心（Helmholtz Centre for Heavy Ion Research，GSI）的Mustapha Laatiaoui和他的同事們提出了激光共振色譜法，這是一種不需要中和電子的技術(shù)，從而避免了伴隨這一步驟的原子損失。拉蒂奧伊說:“我希望保持離子的初始狀態(tài)。我以離子的形式得到它們，也想以離子的形式保留它們。我不想要中和的中間步驟?！?/div>

在擬議的裝置中，來自粒子加速器的超重離子被激光擊中，這使一些離子進(jìn)入被激發(fā)的電子態(tài)。這些離子將通過充滿氦氣的低溫漂移管到達(dá)硅探測器，一個(gè)離子在氣體中的運(yùn)動(dòng)時(shí)長取決于其與氦原子碰撞的次數(shù)，而碰撞次數(shù)在很大程度上受其電子組態(tài)的影響。由此，基態(tài)離子和激發(fā)態(tài)離子就可以根據(jù)它們到達(dá)探測器的時(shí)間來區(qū)分。通過改變激光頻率并監(jiān)測從基態(tài)轉(zhuǎn)化至激發(fā)態(tài)的離子數(shù)量，研究人員可以據(jù)此建立光譜。

研究小組在實(shí)驗(yàn)命名中使用了“色譜法”一詞，因?yàn)樵诨瘜W(xué)中，這個(gè)詞指分離混合物成分的方法，例如，利用混合物中不同成分在濾紙或珠柱中的移動(dòng)速度來加以分離。在激光共振色譜法中，不同離子通過它們在氦氣中的漂移時(shí)間而被區(qū)分開。

圖片來源：Pixabay

一些研究人員認(rèn)為，這種借鑒了現(xiàn)有方案的方法似乎是可行的?！斑@個(gè)想法很有潛力?！焙ツ坊羝澲仉x子研究中心（GSI Helmholtz）的核物理學(xué)家Francesca Giacoppo評(píng)價(jià)道，他沒有參與這項(xiàng)研究，“這的確讓我們有機(jī)會(huì)去探索（原子序數(shù)）更高的元素，去研究其他種類的原子?！比諆?nèi)瓦歐洲核子研究中心（CERN）的核物理學(xué)家Simon Sels指出，實(shí)驗(yàn)裝置是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的，他認(rèn)為“這應(yīng)該行得通”。

目前，Laatiaoui正在德國的美因茨大學(xué)建造這種裝置，他希望用此項(xiàng)技術(shù)來測量鐒元素的光譜。但他認(rèn)為，既然這種方法已經(jīng)發(fā)布，其他化學(xué)家和物理學(xué)家也可能比他更早地測量出來。

撰文：Dan Garisto

翻譯：葉歡儀

審校：賀旎妮

引進(jìn)來源：美國物理學(xué)會(huì)

引進(jìn)來源：https://physics.aps.org/articles/v13/110

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