全部光谱颜色。这个太阳光谱包含了与每一种太阳元素相关的暗吸收线，例如橙色范围内的两条强钠线。图片来源：Flickr/yellowcloud
测量原子的光谱可以使研究人员了解原子的结构，但是许多超重元素的产量非常少，以至于这些绘制光谱的实验几乎不可能。现在，一种新近提出的光谱技术或将解决这个问题。这种方法被称为激光共振色谱法（laser resonance chromatography，LRC），其过程包括用激光激发离子，然后在充满气体的试管中测量其漂移时间以确定其量子状态。这项技术在利用有限的离子数方面比传统的方法更为有效。研究人员计划利用它首次观测铹（103号元素）的光谱，也可能对其他超重元素进行观测。
原子光谱中的每一条谱线都与电子从某一能级跃迁到另一能级时所发射或吸收的光子相对应。这些谱线对于每种元素来说都是唯一的，可以用于推断原子的带电性质、原子核性质及化学性质。“超重元素”并未定义精确的范围，但这个术语常常是指锘（102号元素）之后的元素。高精度的超重光谱可以提供丰富的信息，例如原子核性质的细节，这可以帮助理论学家改进一组预测已久 (但从未观测到）的超重同位素模型——稳定岛假说。
研究人员利用共振电离光谱技术（resonance ionization spectroscopy，RIS）来测量锘之后的元素。在该方法中超重离子束必须首先被中性化，分离出额外的电子，这样它们才能以可控的方式被激发和电离。不幸的是，中性化会损失一些实验中的原子，这使共振电离光谱技术并不适用于产量极少的超重元素情况。
元素周期表。图片来源：M. Laatiaoui /JGU
为了测量这些原子，来自德国亥姆霍兹重离子研究中心（Helmholtz Centre for Heavy Ion Research，GSI）的Mustapha Laatiaoui和他的同事们提出了激光共振色谱法，这是一种不需要中和电子的技术，从而避免了伴随这一步骤的原子损失。Laatiaoui说:“我希望保持离子的初始状态。我以离子的形式得到它们，也想以离子的形式保留它们。我不想要中和的中间步骤。”
在拟议的装置中，来自粒子加速器的超重离子被激光击中，这使一些离子进入被激发的电子态。这些离子将通过充满氦气的低温漂移管到达硅探测器，一个离子在气体中的运动时长取决于其与氦原子碰撞的次数，而碰撞次数在很大程度上受其电子组态的影响。由此，基态离子和激发态离子就可以根据它们到达探测器的时间来区分。通过改变激光频率并监测从基态转化至激发态的离子数量，研究人员可以据此建立光谱。
研究小组在实验命名中使用了“色谱法”一词，因为在化学中，这个词指分离混合物成分的方法，例如，利用混合物中不同成分在滤纸或珠柱中的移动速度来加以分离。在激光共振色谱法中，不同离子通过它们在氦气中的漂移时间而被区分开。
图片来源：Pixabay
一些研究人员认为，这种借鉴了现有方案的方法似乎是可行的。“这个想法很有潜力。”亥姆霍兹重离子研究中心（GSI Helmholtz）的核物理学家Francesca Giacoppo评价道，他没有参与这项研究，“这的确让我们有机会去探索（原子序数）更高的元素，去研究其他种类的原子。”日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的核物理学家Simon Sels指出，实验装置是经过精心设计的，他认为“这应该行得通”。
目前，Laatiaoui正在德国的美因茨大学建造这种装置，他希望用此项技术来测量铹元素的光谱。但他认为，既然这种方法已经发布，其他化学家和物理学家也可能比他更早地测量出来。
撰文：Dan Garisto
翻译：叶欢仪
审校：贺旎妮
引进来源：美国物理学会
本文来自：中国数字科技馆
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