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科學探索：測量重元素光譜的方法

來源：環球科學

發布時間：2021-06-11

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科學探索：測量重元素光譜的方法

全部光譜顏色。這個太陽光譜包含了與每一種太陽元素相關的暗吸收線，例如橙色範圍內的兩條強鈉線。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構，但是許多超重元素的產量非常少，以至於這些繪製光譜的實驗幾乎不可能。現在，一種新近提出的光譜技術或將解決這個問題。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離子，然後在充滿氣體的試管中測量其漂移時間以確定其量子狀態。這項技術在利用有限的離子數方麵比傳統的方法更為有效。研究人員計劃利用它首次觀測鐒（103號元素）的光譜，也可能對其他超重元素進行觀測。

原子光譜中的每一條譜線都與電子從某一能級躍遷到另一能級時所發射或吸收的光子相對應。這些譜線對於每種元素來說都是唯一的，可以用於推斷原子的帶電性質、原子核性質及化學性質。“超重元素”並未定義精確的範圍，但這個術語常常是指锘（102號元素）之後的元素。高精度的超重光譜可以提供豐富的信息，例如原子核性質的細節，這可以幫助理論學家改進一組預測已久 (但從未觀測到）的超重同位素模型——穩定島假說。

研究人員利用共振電離光譜技術（resonance ionization spectroscopy，RIS）來測量锘之後的元素。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和電離。不幸的是，中性化會損失一些實驗中的原子，這使共振電離光譜技術並不適用於產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，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。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。”

在擬議的裝置中，來自粒子加速器的超重離子被激光擊中，這使一些離子進入被激發的電子態。這些離子將通過充滿氦氣的低溫漂移管到達矽探測器，一個離子在氣體中的運動時長取決於其與氦原子碰撞的次數，而碰撞次數在很大程度上受其電子組態的影響。由此，基態離子和激發態離子就可以根據它們到達探測器的時間來區分。通過改變激光頻率並監測從基態轉化至激發態的離子數量，研究人員可以據此建立光譜。

研究小組在實驗命名中使用了“色譜法”一詞，因為在化學中，這個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間而被區分開。

圖片來源：Pixabay

一些研究人員認為，這種借鑒了現有方案的方法似乎是可行的。“這個想法很有潛力。”亥姆霍茲重離子研究中心（GSI Helmholtz）的核物理學家Francesca Giacoppo評價道，他沒有參與這項研究，“這的確讓我們有機會去探索（原子序數）更高的元素，去研究其他種類的原子。”日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）的核物理學家Simon Sels指出，實驗裝置是經過精心設計的，他認為“這應該行得通”。

目前，Laatiaoui正在德國的美因茨大學建造這種裝置，他希望用此項技術來測量鐒元素的光譜。但他認為，既然這種方法已經發布，其他化學家和物理學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

引進來源：美國物理學會

引進來源：https://physics.aps.org/articles/v13/110

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