從碳到鈾，從氧到鐵，化學(xué)元素是我們周圍世界和更廣闊宇宙的基石。 現(xiàn)在，物理學(xué)家希望通過一個(gè)新設(shè)施的啟用，對(duì)它們的起源進(jìn)行前所未有的一瞥，該設(shè)施將創(chuàng)造出地球上從未記錄過的數(shù)千個(gè)奇怪且不穩(wěn)定的原子版本。
通過研究這些被稱為同位素的版本，他們希望對(duì)產(chǎn)生的相互作用獲得新的見解 超新星內(nèi)部的元素，以及測(cè)試關(guān)于“強(qiáng)力”的理論 – 自然界的四種基本力之一，它將質(zhì)子和中子在原子核中結(jié)合在一起。 該設(shè)施還可以生產(chǎn)用于醫(yī)療用途的新類似物。
原子由質(zhì)子、中子和電子組成。 質(zhì)子的數(shù)量決定了原子的化學(xué)行為以及它是哪種元素——例如碳總是有六個(gè)質(zhì)子，金是 79——而具有不同中子數(shù)量的相同元素的原子稱為同位素。
由于許多同位素不穩(wěn)定且迅速衰變——有時(shí)以毫秒為單位——科學(xué)家們只研究了被認(rèn)為存在的那些同位素中的一小部分。
密歇根州立大學(xué)稀有同位素射線設(shè)施 (FRIB) 的科學(xué)主任布拉德利·謝里爾教授說：“地球上發(fā)現(xiàn)了 285 種元素同位素，但我們認(rèn)為甚至可能有 10,000 種元素同位素，甚至是鈾。” 該大學(xué)于5月2日正式開學(xué)。 “FRIB 的目標(biāo)是在技術(shù)允許的情況下，盡可能多地從其他同行那里訪問這個(gè)廣闊的景觀。”
其中一些“稀有同位素”可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)元素形成至關(guān)重要的反應(yīng)，因此通過研究它們，物理學(xué)家希望能夠更好地了解宇宙的化學(xué)歷史——包括我們是如何來到這里的。
絕大多數(shù)元素被認(rèn)為起源于超新星內(nèi)部，但“在許多情況下，我們不知道哪些恒星創(chuàng)造了哪些元素，因?yàn)檫@些相互作用涉及不穩(wěn)定的同位素——我們不容易掌握的東西，”教授說薩里大學(xué)的核物理學(xué)家加文·洛泰 (Gavin Lotay) 計(jì)劃使用新設(shè)施來研究中子星內(nèi)部稱為 X 射線爆發(fā)的常見爆炸。
另一個(gè)目標(biāo)是充分了解原子核，以便開發(fā)出一個(gè)全面的模型，這可以為它們?cè)跒楹阈钱a(chǎn)生能量或核電站內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)中所起的作用提供新的見解。
該設(shè)施還可以生產(chǎn)醫(yī)學(xué)上有用的類似物。 醫(yī)生已經(jīng)在寵物檢查和某些類型的放射治療中使用放射性同位素，但發(fā)現(xiàn)更多同位素可能有助于改善診斷成像或提供發(fā)現(xiàn)和破壞腫瘤的新方法。
為了產(chǎn)生這些同位素，F(xiàn)RIB 會(huì)將一束原子核加速到光速的一半，然后將其送入一個(gè) 450 米長(zhǎng)的管子，然后將其粉碎成一個(gè)目標(biāo)，將一些原子分解成更小的質(zhì)子和中子組。 然后一系列磁鐵將過濾出所需的同位素并將它們引導(dǎo)到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步研究。
“在百萬分之一秒內(nèi)，我們可以選擇一個(gè)特定的同位素并將其提交給一個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中 [scientists] “我們可能會(huì)捕獲它并觀察它的放射性衰變，或者我們可能會(huì)用它來誘導(dǎo)另一個(gè)核反應(yīng)并使用這些反應(yīng)產(chǎn)物來告訴我們有關(guān)同位素結(jié)構(gòu)的一些信息，”Sherrill 說。
第一個(gè)實(shí)驗(yàn)將涉及制造最重的氟、鋁、鎂和氖同位素，并將放射性衰變率與當(dāng)前模型預(yù)測(cè)的進(jìn)行比較。 “如果我們的觀察結(jié)果與我們的預(yù)期一致，那將是一個(gè)驚喜，”謝麗爾說。 “他們可能不會(huì)同意，然后我們將利用這種分歧來改進(jìn)我們的模型。”
大約一個(gè)月后，F(xiàn)RIB 研究人員計(jì)劃測(cè)量被認(rèn)為存在于中子星中的同位素的放射性衰變——中子星是宇宙中一些最致密的物體，是在一顆大質(zhì)量恒星耗??盡燃料并坍縮時(shí)形成的——以更好地了解它們的行為。
“最后，我們擁有了使人們能夠進(jìn)行他們等待了 30 年的研究的工具，”Cheryl 說。 “這就像擁有一個(gè)新的、更大的望遠(yuǎn)鏡，它可以比以往任何時(shí)候都更深入地觀察宇宙——只是我們看到的核景觀比我們以前所能看到的更遠(yuǎn)。只要你有這樣的新儀器，就有潛力為了發(fā)現(xiàn)。”
