在ILL高通量反应堆中通过辐照产生的锿-255可持续提供镄-255，从而促进了在美因茨进行的高分辨率激光光谱学研究。
元素周期表在哪里结束，又是什么过程产生了重元素？一个国际研究团队在位于美因茨的GSI/FAIR加速器设施和约翰内斯·古腾堡大学（JGU）进行了实验，以探索这些问题。他们的研究聚焦于镄（元素100）的原子核，研究不同中子数带来的变化。研究结果为核结构提供了新的见解，并已发表在《自然》杂志上。
“我们采用基于激光的方法研究了镄原子核，它含有100个质子和145至157个中子。具体来说，我们研究了量子力学效应对其原子核大小的影响，”GSI/FAIR实验负责人塞巴斯蒂安·雷德（Sebastian Raeder）解释道。
生产镄以供研究
来自七个国家的27家研究机构展开国际合作，研究了半衰期从几秒到100多天不等的镄同位素。本研究针对不同的同位素采用了多种生产方法。短寿命镄同位素是在GSI/FAIR加速器设施中通过聚变反应合成的。相比之下，富含中子的长寿命同位素（如镄-255和镄-257）则是通过在高通量研究反应堆中辐照以痕量（皮克级别）合成的。
最初的辐照是在美国橡树岭国家实验室 (ORNL) 的高通量同位素反应堆 (HFIR) 中进行的，生成了直至镄-257的同位素。来自该辐照混合物的物质被美因茨大学的放射化学家分离出了邻近元素锿（99号元素），然后在法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所 (ILL) 的高通量反应堆中对其进行辐照。该过程产生了锿-255，其半衰期为9个月，并不断衰变为半衰期仅为20小时的短寿命同位素镄-255。为确保激光光谱仪的稳定供应，美因茨大学的放射化学家通过放射化学技术反复提取镄-255——放射化学家将此过程称为“挤镄牛奶”。
“有趣的是，这些元素的名称恰如其分地成为了生产过程的同名物：阿尔伯特·爱因斯坦提出的著名等式E=mc²是核反应堆中能量产生的基础，而恩里科·费米则是第一个人造核反应堆的创造者，镄是反应堆辐射可直接获得的最重元素，”ILL科学家、该出版物作者之一的乌利·科斯特指出。
科斯特补充道：“本研究有力地证明了不同生产方法之间的协同作用：加速器最适合生产中子亏损同位素（中子数少于通常情况），而研究反应堆最适合生产富中子同位素。将此类研究扩展到超重元素往往需要结合使用这两种技术，即利用加速器对反应堆生产的靶材进行辐照。”
利用前沿的激光光谱技术，可以分析原子结构的细微变化，进而提供有关原子核性质的信息，如核电荷半径，即质子在原子核中的分布。采用适当波长的激光，使镄原子中的一个电子跃迁到更高能级的轨道，然后将其完全从原子中移除，形成一个镄离子，从而进行有效的检测。该逐步离子化过程所需的确切能量随中子数的不同而变化。通过测量激发能量的这一微小变化，可以获得原子核电荷半径变化的信息。
理解核稳定性与壳层效应
这些调查揭示了镄同位素核电荷半径随中子数达到152时的变化规律，并显示出稳定且一致的增加趋势。将实验数据与国际合作伙伴利用现代理论核物理模型进行的各种计算结果进行比较，可以对潜在物理效应进行解释。
“我们的实验结果及其用现代理论方法得出的解释表明，与对镄核结合能的强烈影响相比，核壳效应对核电荷半径的影响有所减小，”杰西卡·沃宾内克（Jessica Warbinek）说道。杰西卡曾是GSI和JGU的博士生，并在实验期间完成了本论文，是该论文的第一作者。“实验结果证实了理论预测，即由于少数中子和质子而产生的局部壳效应，在核质量增加时会失去影响力；相反，由全体核子共同作用所产生的效应占据主导地位，原子核更像是带电的液滴。”
该方法经过实验改进后，能够对重元素进行更精确的激光光谱学研究，尤其是中子数为152及以上的重元素。这些进展有助于人们更深入地理解重元素和超重元素的稳定化过程。核子数完全填满原子核壳层的原子核，即具有“幻数”核子的原子核，表现出更高的稳定性，化学反应活性更低。因此，这些原子核具有更高的结合能和更长的寿命。
补充信息：重元素、量子力学效应和原子核壳层模型
参考文献：《镄电荷半径的平滑趋势及壳层效应的影响》，作者：杰西卡·沃宾内克、伊丽莎白·里克特、塞巴斯蒂安·雷德尔、托马斯·阿尔布莱希特-肖恩扎特、布兰卡·安德利奇、朱利安·奥勒、本杰明·巴利、迈克尔·本德、塞巴斯蒂安·贝尔恩特、迈克尔·布洛克、亚历山大·布里扎德、皮埃尔·肖沃、布拉德利·切尔、普瑞马达·切特里、阿尔诺·克莱森斯、安东尼·德·鲁宾、查理·德夫林、霍尔格·多尔、克里斯托夫·E·蒂尔曼、朱莉·埃佐尔德、拉斐尔·费雷尔、瓦季姆·加德尔申、艾丽莎·盖泽、弗兰切斯卡·贾科波、斯特凡·格里利、曼努埃尔·J·古铁雷斯、阿什莉·哈维、拉斐尔·哈塞、莱因哈德·海因克、弗里茨-彼得·黑斯贝格、斯特凡·希莱尔、玛格达莱娜·卡贾、奥利弗·卡莱加、汤姆·基克、金恩康、妮娜·克奈普、乌利·科斯特、桑德罗·克雷默、穆斯塔法·拉蒂奥伊、杰里米·兰蒂斯、娜塔莉·莱塞恩、安德烈亚·采特尔·洛里亚·巴斯托、安德鲁·基肖尔·米斯特里、克里斯托夫·莫克里、伊恩·穆尔、托比亚斯·默尔伯克、丹尼·明茨伯格、维托尔德·纳扎列维奇、托尔本·尼迈尔、史蒂文·诺特费尔、索菲·佩鲁、安德烈亚·拉吉奥、保罗-格哈德·莱因哈德、丹尼斯·雷尼施、埃马纽埃尔·雷-埃尔梅、雅各布斯·罗曼斯、埃莉萨·罗梅罗·罗梅罗、约尔格·伦克、沃特·吕森斯、埃尔韦·萨瓦约尔斯、法比安·施奈德、约瑟夫·斯珀林、马图·斯特姆勒、多米尼克·施图德、佩特拉·托尔-波斯皮希、诺贝特·特劳特曼、米兹·乌尔基萨-冈萨雷斯、肯尼斯·范·比克、谢莉·范·克莱夫、皮特·范·杜彭、玛丽娜·万德布鲁克、埃莉斯·弗斯特拉伦、托马斯·瓦尔瑟、费利克斯·韦伯、克劳斯·温特，发表于2024年10月30日《自然》杂志。DOI：10.1038/s41586-024-08062-z
