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新的重同位素Mendelevium-244和令人困惑的短寿命裂变活动

重同位素 核分裂
发布:2020-10-22 11:29:28     来源:德国研究中心亥姆霍兹联合会

TASCA分离器的焦平面检测器,向其中注入了244244同位素并记录了其衰变。图片来源:(Alexander Yakushev),GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung

超重元素,即原子序数大于103的化学元素,在自然界中不会出现,而是由粒子促进剂人工生产的,它们在几秒钟内消失。

由GSI和HIM的Jadambaa Khuyagbaatar博士领导的GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung Darmstadt,约翰内斯·古腾堡大学美因茨(JGU),亥姆霍兹研究所美因茨(HIM)和芬兰于韦斯屈莱大学的科学家团队对这些外来核中发生裂变过程提供了新的见解,为此,产生了迄今未知的Mendelevium-244核。实验是FAIR实验计划的第一阶段“ FAIR Phase 0”的一部分。结果现已发表在《物理评论快报》上。

重核和超重核在裂变过程中变得越来越不稳定,在裂变过程中,核分裂成两个较轻的碎片。这是由于此类原子核中大量带正电的质子之间的库仑排斥力越来越强,并且是存在稳定超重原子核的主要限制之一。

核裂变过程是在80多年前发现的,迄今为止一直在深入研究。关于自发裂变的大多数实验数据是质子和中子数目偶数的原子核,即“偶数-偶数核”。偶偶核完全由质子和中子对组成,其裂变特性可以通过理论模型很好地描述。在具有奇数个中子或质子的原子核中,与偶-偶核的性质相比,已经观察到了裂变过程的障碍,并追溯到原子核中这种单一的,不成对的成分的影响。

然而,鲜为人知的奇奇核中同时包含奇数个质子和奇数个中子的裂变障碍。现有的实验数据表明,这种原子核的自发裂变过程受到了极大的阻碍,甚至比仅具有一种奇数类型组分的原子核受阻更大。

一旦最大程度地降低了裂变的可能性,其他放射性衰变模式(例如α衰变或β衰变)就可能出现。在β衰变中,一个质子转变为中子(反之亦然),因此,奇数核变成偶数核,通常具有很高的裂变概率。因此,如果在产生奇数核的实验中观察到裂变活性,通常很难确定裂变是否发生在奇数核中,或者不是从偶数β衰变衰变子开始,然后可以经历β延迟裂变。最近,来自GSI和HIM的Jadambaa Khuyagbaatar博士预测,这种β延迟裂变过程可能与最重的核非常相关,并且实际上,这可能是β衰变超重核的主要衰变模式之一。

切下在Mendelevium核区域的核图。每个方框代表一个原子核,质子数在垂直方向上增加,而中子数在水平方向上。已知的核由彩色框显示,其中颜色表示核衰变模式:α衰变(黄色),β衰变(棕色),自发裂变(绿色)。粗框表示奇数核,其中所有β衰变中β延迟裂变的发生率均> 1%(数据摘自J.Khuyagbaatar,Eur.Phys.J.A 55,134(2019 ))。概率以蓝色表示。突出了新同位素Mendelevium-244的位置和衰变特性。图片来源:J。Khuyagbaatar,GSI HelmholtzzentrumfürSchwerionenforschung

在通过实验很难产生的超重核中,尚未最终观察到β衰变。例如,就GSI Darmstadt田纳西州产生的最重元素(元素117)而言,在持续约一个月的实验中,仅观察到了奇数原子核tennessine-294的两个原子。如此低的生产率限制了β衰变延迟裂变过程的验证和详细研究。尽管如此,在异质核中最好地获得了阐明这一过程的新实验数据。,例如质子与中子比例极不平衡的那些。为此,来自GSI,JGU,HIM和于韦斯屈莱大学的研究小组生产了迄今未知的Mendelevium-244核,奇核由101个质子和143个中子组成。

理论估计表明,在大约五分之一的情况下,该核的β衰变将伴随裂变发生。由于裂变过程中大量的能量释放,可以高灵敏度地检测到这一点,而β衰变则更难以测量。研究人员使用了GSI的UNILAC加速器上可用的钛50强束来照射金靶。钛和金原子核的反应产物在“放线型分离器”和“化学TASCA”中分离,后者将men核引入硅检测器,以检测原子核的注入及其随后的衰变。

研究的第一部分于2018年进行,导致观察到Mendelevium-244的七个原子。在2020年,研究人员使用了较低的50钛射线束能量,不足以导致产生men244。确实,在数据集的这一部分中没有像2018年研究中分配给Mendelevium-244的信号,这证实了2018年数据的正确分配并确认了新同位素的发现。

实验负责人Jadambaa Khuyagbaatar博士站在Mendellevium-244实验所用TASCA分离器前面的X8实验大厅里。图片来源:Antonio Di Nitto

所有七个登记的原子核都经历了α衰变,即发射了一个4氦原子核,这导致了4年前在于韦斯屈莱大学进行的一项先前实验发现的子同位素Einsteinium-240。没有观察到Beta衰减,因此可以将这种衰减模式的上限设置为14%。如果所有β衰变核的20%裂变概率是正确的,则β延迟裂变的总概率将至多为2.8%,并且其观测将需要产生比本发现实验中实质上更多的men 244原子。

除了α衰变的mendelevium-244,研究人员还发现了短时裂变事件的信号,其数量,生产概率和半衰期具有出乎意料的特征。目前尚不能精确查明它们的起源,事实上,根据目前对Mendelevium-244区域中同位素的产生和衰减的了解,目前尚不能轻易地阐明它们的起源。这激励了后续研究以获取更详细的数据,这将有助于进一步揭示奇数核的裂变过程。

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