元素周期表边缘的发现:首次对爱因斯坦的测量揭示了意想不到的特性

爱因斯坦州

石英小瓶(直径9毫米),含有300微克固体253Es。产生的照明是253Es强烈辐射的结果。资料来源:Haire, r.g.,美国能源部

伯克利实验室的科学家们对这种高放射性元素进行的实验揭示了一些意想不到的特性。

自从第99号元素——爱因斯坦于1952年在能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)从第一颗氢弹的碎片中发现以来,科学家们很少对它进行实验,因为它很难创造,而且具有极高的放射性。伯克利实验室的一组化学家已经克服了这些障碍,报告了第一个表征锕系元素某些特性的研究,为更好地了解锕系的其余超铀元素打开了大门。

发表在杂志上自然这项名为“爱因斯坦复合体的结构和光谱表征”的研究由伯克利实验室的科学家Rebecca Abergel和洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家Stosh Kozimor共同领导,包括来自加州大学伯克利分校和乔治城大学两个实验室的科学家,其中有几名是研究生和博士后研究员。该团队用不到250毫微克的元素测量出了第一个爱因斯坦键距,这是元素与其他原子和分子相互作用的基本属性。

伯克利实验室爱因斯坦研究

伯克利实验室的科学家Jennifer Wacker(左起),Leticia Arnedo-Sanchez, Korey Carter, Katherine Shield在Rebecca Abergel的化学实验室工作。yabovip2021资料来源:玛丽莲·萨金特/伯克利实验室

“我们对爱因斯坦知之甚少,”Abergel说,他领导着伯克利实验室的重元素化学小组,同时也是加州大学伯克利分校核工程系的助理教授。yabovip2021“我们能够利用这么少的材料进行无机化学研究,这是一个了不起的成就。yabovip2021它意义重大,因为我们对它的化学行为了解得越多,我们就越能将这一理解应用到新材料或新技术的开发中,不仅仅是对爱因斯坦,对其余锕系元素也一样。我们可以在元素周期表中建立趋势。”

短暂而难以制造

做烤鸡和她的团队使用实验设施不可用几十年前首次被发现时锿——伯克利国家实验室的分子铸造和斯坦福同步辐射光源(SSRL)在SLAC国家加速器实验室、美国能源部科学办公室用户设施——进行发光光谱和x光吸收光谱实验。

但首先,获得可用的样本几乎是成功的一半。“这整篇论文就是一连串不幸事件,”她挖苦地说。

这种材料是在橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的高通量同位素反应堆中制造的,这个反应堆是世界上仅有的几个能够制造爱因斯坦的地方之一。爱因斯坦需要用中子轰击锔靶,从而触发长链核反应。他们遇到的第一个问题是样品被大量的锎污染了,因为要制造出足够数量的纯爱因斯坦是非常具有挑战性的。

伯克利实验室爱因斯坦研究组

伯克利实验室的科学家莱蒂西亚·阿内多-桑切斯(左起)、凯瑟琳·希尔德、科瑞·卡特和詹妮弗·瓦克尔不得不采取预防放射性和冠状病毒的措施,以进行对稀有元素——爱因斯坦的实验。资料来源:玛丽莲·萨金特/伯克利实验室

因此他们不得不取消原来的计划使用x射线晶体学——这被认为是黄金标准获得在高放射性分子结构信息,但需要一个纯金属样品,而不是想出了一个新方法使样品,利用特定于元素的研究技术。洛斯阿拉莫斯的研究人员在这一步提供了关键的帮助,他们设计了一种独特的样品支架,以适应爱因斯坦固有的挑战。

那时,与放射性衰变作斗争是另一个挑战。伯克利实验室的团队用爱因斯坦-254进行了实验,这是该元素比较稳定的同位素之一。它有276天的半衰期,这是一半的材料腐烂的时间。尽管该团队能够在冠状病毒大流行之前进行许多实验,但他们计划了后续实验,但由于大流行相关的关闭而中断。去年夏天,当他们能够回到实验室时,大部分样本已经消失了。

键距及更远

尽管如此,研究人员仍然能够测量与食指的键距离,并且还发现了一些不同的物理化学行为,这些行为不同于actinide系列的预期,这是周期表的底部行上的元素。yabovip2021

“确定键的距离听起来可能没什么意思,但这是你想知道的关于金属如何与其他分子结合的第一件事。这种元素会与其他原子和分子发生什么样的化学作用?”作为说。

一旦科学家们有了这张包含爱因斯坦元素的分子的原子排列图,他们就可以尝试寻找有趣的化学性质,并提高对周期趋势的理解。“通过获得这些数据,我们对整个锕系的行为有了更好、更广泛的了解。在这个系列中,我们含有对核能生产或放射性药物有用的元素或同位素。”

诱人地,这项研究还提供了探索超出周期表的边缘的可能性,并且可能发现新元素。“我们真的开始了解一点更好的时间在周期表的结束时发生了一点,而另一件事是,你也可以设想一个发现新元素的精英抑制目标,”阿尔科尔说。“类似于过去10年中发现的最新元素,如坐在的坐线,它使用伯克利序列,如果您能够隔离足够的纯粹的爱因斯坦,可以开始寻找其他元素并更接近对于(理论化)的稳定性,“核物理学家预测同位素可能具有几分钟甚至几天的半衰期,而不是在超复合元件中常见的微秒或更少的半衰期。

2021年2月3日自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 03179 - 3

研究共同作者是伯克利实验室的科瑞·卡特、凯瑟琳·希尔德、库尔特·史密斯、莱蒂西亚·阿内多·桑切斯、特雷西·马托克斯、利安·莫罗和考文·布斯;洛斯阿拉莫斯国家实验室的Zachary Jones和Stosh Kozimor;乔治城大学的詹妮弗·瓦克和卡拉·诺普。这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。

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