美科学家重大发现：原子重击释放出新的硅、铝和鎂同位素

你可能曾经思考过，科学家已经把自然元素分为118类，从氢元素、硅元素到铀元素及其不同的同位素。不幸的是，只有从第一到第八个元素—氢元素到氧元素—已经有了它们的同位素记录。最近，美国密歇根州大学国家超导回旋加速器实验室(NSCL)开始重击原子，以期为元素周期表上的其它110个元素编制同位素。迄今为止，他们已经发现了三个过去从未观测到的硅、铝和鎂的同位素。

“我们正在做经典的原子重击—一束被加速到光速一半的粒子碰撞靶子时分解，与此同时，一台串联质谱计分离出所有不同类型的粒子并识别它们，”密歇根州大学(Lansing)教授Dave Morrissey说，“我们的新粒子在遭受放射性衰变之前，仅仅持续几分之一秒，但是，通过确认它们的存在，我们正帮助其它科学家设计新的材料并了解像超新星这样的天文事件。”

在NCSL发现的三种新同位素分别是硅-44、铝-42和鎂-40。在自然中发现的硅只有三种稳定的同位素：硅-92(在自然中占92%)、硅-29(占4%)及硅-30(占4%)。鎂也有三种稳定的同位素：鎂-24(占79%)、鎂-25(占10%)及鎂-26(占11%)。铝只有一种稳定的同位素—铝-27—但存在于从铝-21到铝-43之间的放射性同位素之中，在NSCL第一次在一瞬间观察到了铝-43同位素。通过为每一元素发现所有的同位素，设计工程师能够更精确地针对一种应用需要而制作将来的材料。

“你能够把一个同位素做成多么重是需要在图标上标出的基本限制，”Morrissey说，“正如元素的总数被限制为大约118种一样，每一种化学元素都具有可能最重的同位素，因此，在某种程度上，我们正试图发现自然的基本限制是什么。”

原子重击的先锋

元素是由它们具有的质子的多少来定义的，其范围从1到118。然而，伴随那些质子的中子的数量却是可变的，因此，每一个同位素的数量是可变的。理论家一直试图通过计算公式来推论那些同位素是可能的，但是，不太成功，从而让原子重击的先锋NSCL以实验证据填补了空白。

同位素的产生过程是这样的：把一束最重的稳定的钙同位素-48加速到光速的一半，然后，重击沉重的钨靶，从而分解出几百种不同的元素，其中，大多数元素是不稳定的。这些不稳定的原子让科学家能够在短暂的时间内观测到自然中所有可能的同位素的种类，从而使他们能滤除那些罕见的同位素，以便构造他们的同位素目录。

在最近一轮的同位素发现期间，密歇根州大学的团队临时配备他们的回旋加速器，以便两次过滤它产生的原子碎片。首次一瞬间观测到铝-43同位素说明，这种技术是成功的，从而促使科学家建议把两级过滤系统作为回旋加速器的永久组成部分之一。每一个元素的最重同位素被称为“水滴线”，因为在最轻和最重的同位素之间存在处于所有层次的同位素的例子。每一个元素后面给出的数字—如碳12、碳-13—表示质子和在原子中的中子的数量。例如，碳具有15种同位素，从碳-8到它的最高值或水滴线—碳-22。碳元素的15个同位素中，只有碳-12和碳-13是稳定的。其它都是放射性同位素并且通过贝塔反射而衰减。自然中存在的碳大约98%是碳-12，但是，大约2%是较重的碳-13。

对于硅、铝和鎂，NSCL团队报告已经把它们的水滴线提高到了硅-44、铝-42和鎂-40。该团队还观察了铝-43，但是，只是在一次实验之中，因此，正在寻找可重复性的确认。把一磅正常的铝-27块—具有13个质子和14个中子—转化为铝-43—具有13个质子和30个中子—会造成其重量达到几乎1.6磅。