科学家成功合成铹的第14个同位素******
超镄新核素铹-251不仅是近20年来科研人员首次直接合成的铹的新同位素,也是迄今为止合成的中子数N为148的最重同中子异位素。铹-251具有α衰变性,可以发射出两个不同能量的α粒子。
超重元素的合成及其结构研究是当前原子核物理研究的一个重要前沿领域。铹是可供合成并进行研究的一种超镄元素,引起了人们极大的兴趣。
近日,科研人员利用美国阿贡国家实验室充气谱仪(AGFA)成功合成了超镄新核素铹-251。相关成果发表于核物理学领域期刊《物理评论C》。
此次合成铹的新同位素,运用了什么技术方法?合成得到的铹-251,具有什么基本特征?合成的铹-251对于物理、化学等学科的研究来说具有什么意义?针对上述问题,记者采访了这一工作的主要完成人之一,中国科学院近代物理研究所副研究员黄天衡。
不断进行探索,再次合成铹同位素
铹的化学符号为Lr,原子序数为103,是第11个超铀元素,也是最后一个锕系元素。“一般来说,原子序数大于铹的元素被称为超重元素。”黄天衡介绍。
质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互称为同位素。同一种元素的同位素在化学元素周期表中占有同一个位置,同位素这个名词也因此而得名。
103号元素由阿伯特·吉奥索等科研人员于1961年首次合成。为纪念著名物理学家欧内斯特·劳伦斯,103号元素被命名为铹。锕系元素是元素周期表ⅢB族中原子序数为89—103的15种化学元素的统称,其中,铹元素在锕系元素中排名最后。
截至目前,科研人员们共合成了铹的14个同位素,质量数分别为251—262、264、266。目前合成的铹的14个同位素中,铹-251至铹-262是在实验中通过熔合反应直接合成的,铹-264和铹-266则是将原子序数更高的核素通过衰变生成的。
目前,铹的化学研究中最常使用的同位素是铹-256和铹-260。科研人员通过化学实验证实铹为镥的较重同系物,具有+3氧化态,可以被归类为元素周期表第七周期中的首个过渡金属元素。由于铹的电子组态与镥并不相同,铹在元素周期表中的位置可能比预期的更具有波动性。在核结构研究方面,受限于合成截面等原因,目前的研究仅集中在铹-255上。然而即使是铹-255,其结构能级的指认目前也还存有争议。
通过熔合反应,形成新的原子核
铹和其他原子序数大于100的超镄元素一样,无法通过中子捕获生成。目前铹只能在重离子加速器中通过熔合反应合成。由于原子核都具有正电荷而会相互排斥,因此,只有当两个原子核的距离足够近的时候,强核力才能克服上述排斥并发生熔合。粒子束需要通过重离子加速器进行加速。在轰击作为靶的原子核时,粒子束的速度必须足够大,以克服原子核之间的排斥力。
“仅仅靠得足够近,还不足以使两个原子核发生熔合。两个原子核更可能会在极短的时间内发生裂变,而非形成单独的原子核。”黄天衡介绍,如果这两个原子核在相互靠近的时候没有发生裂变,而是熔合形成了一个新的原子核,此时新产生的原子核就会处于非常不稳定的激发态。为了达到更稳定的状态,新产生的原子核可能会直接裂变,或放出一些带有激发能量的粒子,从而产生稳定的原子核。
在此次实验中,科研人员利用美国阿贡国家实验室ATLAS直线加速器提供的钛-50束流轰击铊-203靶,通过熔合反应合成了目标核铹-251。这个新的原子核产生后,会和其他反应产物一起被传输到充气谱仪(AGFA)中。在充气谱仪(AGFA)中,铹-251会被电磁分离出来,并注入到半导体探测器中。探测器会对这个新原子核注入的位置、能量和时间进行标记。
“如果这个原子核接下来又发生了一系列衰变,这些衰变的位置、能量和时间将再次被记录下来,直至产生了一个已知的原子核。该原子核可以由其所发生的衰变的特定特征来识别。”黄天衡说。根据这个已知的原子核以及之前所经历的系列连续衰变的过程,科研人员可以鉴别注入探测器的原始产物是什么。
超镄新核素铹-251不仅是近20年来科研人员首次直接合成的铹的新同位素,也是迄今为止合成的中子数N为148的最重同中子异位素(具有相同中子数的核素),还是利用充气谱仪(AGFA)合成的首个新核素。目前的实验结果表明,铹-251具有α衰变性,可以发射出两个不同能量的α粒子。
拓展新的领域,推动超重核理论研究
由于形变,若干决定超重核稳定岛位置的关键轨道能级会降低到质子数Z约等于100、中子数N约等于152核区的费米面附近。对于这一核区的谱学研究可以对现有描述稳定岛的各个理论模型进行严格检验,从而进一步了解超重核稳定岛的相关性质。由于上述原因,对于这一核区的谱学研究是当下探索超重核结构性质的热点课题。
此前的理论模型均无法准确地描述这一核区铹的质子能级演化,相关的实验数据十分有限。“本次实验的初衷为把铹的结构研究进一步拓展到丰质子区,尝试开展系统性的研究。”黄天衡表示。
研究结果表明,形成超重核稳定岛的关键质子能级在铹的丰质子同位素中存在能级反转现象。此外,研究人员还通过推转壳模型下粒子数守恒方法(PNC-CSM)较好地描述了这一现象,并指出了ε_6形变在这一核区的质子能级演化中起到的重要作用。
“此次研究指出了ε_6形变在铹的丰质子核区的质子能级演化中起到的重要的作用,对现有的理论研究提出了新的挑战,将推动超重核领域相关理论研究的发展。”黄天衡说。(记者颉满斌)
【网络强国这十年】志翔科技蒋天仪:“跨向”新赛道,有偶然也有必然******
【网络强国这十年——行业回顾篇】
传统模式下,电力公司主要依照“首次强制检定、限期使用和到期轮换”的计量法律法规和检定规程措施规定来进行智能电表的运行管理。
这种方式需要耗费大量的人力物力,且在高效解决智能电表运行期内状态监测和评估问题方面,还有较大提升空间。为此,志翔科技发挥自身大数据分析技术优势,推出了智能电能表状态评价与更换产品,帮助电力企业解决电表状态评估和失准分析等难题,让智能电能表的检定和轮换由传统人工拆回或现场检定、“8年到期轮换”,转变为在线实时诊断和有针对性的“失准更换”。
近日,志翔科技总裁蒋天仪做客光明网“网络强国这十年”专栏,畅谈大数据技术如何助力电力行业进行数字化转型。
在2014年志翔科技初创时,团队定位于通过大数据技术切入安全领域。此后,经过两年时间的不断打磨,产品初见成效,并开始向更多行业进行市场拓展。
谈及为什么从数据安全赛道“跨”到工业互联网领域、深耕电力行业,蒋天仪表示,存在“偶然中的必然”。
他介绍,最初接触电力行业的需求后,团队发现相比数据安全,这个行业在通过数据采集和挖掘分析,来应用于业务风险管控和精细管理、提质增效等方面,如计量器具误差分析、窃电防范、线损治理等问题上有着迫切和现实的需求。因此,出于对电力市场和其未来可延伸的工业大数据分析领域增长空间的看好,志翔科技作出了在电力大数据方向上延展和加大投入的决策。志翔科技的安全产品平台,原本就基于大数据架构和底层技术平台自主研发设计,经过几年在安全领域应用的不断打磨迭代,底层大数据分析平台已具备精细化分析海量电力大数据的潜力和能力。在此基础上志翔开始大力投入于电力业务的学习和理解。从2016年起开始了数据模型结合实际业务验证的不断迭代和优化,最终以智能电能表的失准分析作为切入点,打开了电力行业的大门。并以此为起点,利用失准分析同源技术,开始逐步在电力、泛电力和能源等其他领域的大数据分析领域取得拓展成果。
电表的准确计量既关乎电费结算,又影响着各项电力技术经济指标的正确计算以及电力工业的健康发展。据了解,过去为保证电力计量的准确和安全、实现用电结算公平公正,国家计量主管部门规定,民用智能电能表以8年固定周期进行检定和更换。蒋天仪告诉记者,全国现有约6亿只在运行智能电表,按照8年到期更换要求,平均一年需换表近8000万只,所需资金投入则超过百亿元。而拆卸下来的电表,据之前某地区部分抽检的数据显示,只有不到千分之五的概率是故障的。“一刀切”式的到期更换工作,给电力企业带来在资金、人力、物力等方面的巨大投入和消耗。
2018年,志翔科技推出智能电能表状态评价与更换第一代产品。“通过分析这些用电数据,可以远程发现什么地方的电表有问题,有问题再去有针对性的检测更换,避免造成浪费。”蒋天仪说,目前,该产品已服务于全国30多个网省超过5亿只电表,极大改善了原有的智能电能表状态评估模式,在不停电的情况下在线对智能电能表进行检定,发现运行误差,每年为电力企业节省数十亿换表和运营成本,同时减少数千吨电子垃圾。
“行业发展已从过去的‘粗放型’转变成‘精细化’。精细化发展的前提是对业务数据以及业务状态有更加精确的了解,才可以做到更好的数字化管理。”在蒋天仪看来,电力行业是大数据应用的优质沃土,电力市场蕴藏着丰富数据价值待挖掘。
监制:张宁 李政葳
采访/撰文:李飞 孔繁鑫
后期:刘昊
(文图:赵筱尘 巫邓炎)