Jagt på sjældne isotoper:De mystiske radioaktive atomkerner, der vil være i morgendagens teknologi

Når du hører udtrykket "radioaktivt" tænker du sandsynligvis "dårlige nyheder, "måske i retning af nedfald fra en atombombe.

Men radioaktive materialer bruges faktisk i en lang række nyttige applikationer. I medicin, de hjælper rutinemæssigt med at diagnosticere og behandle sygdomme. Bestråling hjælper med at holde en række fødevarer fri for insekter og invasive skadedyr. Arkæologer bruger dem til at finde ud af, hvor gammel en artefakt kan være. Og listen fortsætter. Så hvad er radioaktivitet?

Det er den spontane emission af stråling, når et atoms tætte centrum - kaldet dets kerne - omdannes til et andet. Uanset om det er i form af partikler eller elektromagnetiske bølger kaldet gammastråler, stråling overfører energi væk fra atomkernen.

Gennem eksperimenter, atomfysikere har set omkring 3, 000 forskellige slags kerner til dato. Nuværende teorier, selvom, forudsige eksistensen af ​​omkring 4, 000 flere, der aldrig er blevet observeret. Jorden rundt, tusinder af forskere, inklusiv mig, fortsæt med at studere disse små bestanddele af stof, mens regeringer bruger milliarder af dollars på at bygge kraftfulde nye maskiner, der vil producere flere og flere eksotiske kerner - og måske i sidste ende flere teknologier, der vil forbedre det moderne liv yderligere.

Kernefysikkens fødsel

Den franske fysiker Henri Becquerel opdagede naturlig radioaktivitet i 1896. Han forsøgte at undersøge, hvordan uransalte fosforer - dvs. udsender lys - når de udsættes for sollys. Becquerel anbragte en uranprøve på en fotografisk plade dækket med uigennemsigtigt papir og efterlod den i direkte sollys. Tallerkenen blev tåget, som han konkluderede, skyldtes sollys.

Takket være et par dage med overskyet vejr, selvom, Becquerel forlod hele sit setup i en mørk skuffe. Overraskende, den fotografiske plade duggede stadig op, selv i mangel af lys. Sollys havde intet at gøre med hans tidligere observation. Det var uranprøvernes naturlige radioaktivitet, der havde denne effekt. Efterhånden som urankernerne forfaldt - det vil sige transformeret til forskellige kerner - de udsendte spontant lysbølger, der registrerede sig på fotografiske plader.

Becquerels opdagelse indledte en ny æra af fysik og lancerede området atomvidenskab. Til dette arbejde, han vandt Nobelprisen i 1903.

Siden da, atomforskere har opdaget en masse af de indre funktioner i atomkernen, og har udnyttet sin fantastiske energi både til god og desværre ikke så god brug. Atomfysiske opdagelser har givet os måder at kigge inde i vores kroppe ikke -invasivt, måder at skabe energi uden luftforurening, og måder at studere vores historie og vores miljø på.

På atomplan

De kendte atomkerner tilhører 118 forskellige grundstoffer, nogle af dem naturligt forekommende og nogle af dem menneskeskabte. For hvert element i det periodiske system er der mange forskellige "isotoper, "fra det græske ord" ισότοπο, "hvilket betyder" samme sted, "hvilket indebærer det samme sted på elementernes periodiske system.

For at være det samme element, to isotoper skal have samme antal protoner - den positivt ladede subatomære partikel. Det er deres antal neutroner - subatomære partikler helt uden ladning - der kan variere betydeligt.

For eksempel, guld er element 79 på det periodiske system, og alle isotoper af guld vil have det samme metalliske, gulligt udseende. Imidlertid, der er 40 kendte isotoper af guld, der er blevet opdaget, og yderligere cirka 20 teoretiseres at eksistere. Kun en af ​​disse isotoper er den "stabile, "eller naturligt forekommende, form af guld, du måske har på din ringfinger lige nu. Resten er radioaktive isotoper, også kendt som "sjældne isotoper".

Sjældne isotoper har hver deres unikke egenskaber:De lever i forskellige tidsrum, fra en brøkdel af et sekund til et par milliarder år, og de frigiver forskellige former for stråling og forskellige mængder energi.

For eksempel, moderne røgdetektorer bruger isotopen Americium-241, som udsender en type stråling kaldet alfapartikler, der har en meget kort rækkevidde. Radioaktiviteten kan ikke rejse mere end et par centimeter i luften. Americium-241 lever i et par hundrede år.

På den anden side, isotopen Fluor-18, som almindeligvis bruges i medicinske PET -scanninger, lever kun i cirka 100 minutter - længe nok til at fuldføre scanningen, men kort nok til at undgå at bestråle den sunde krop unødigt i en længere periode. Den sekundære elektromagnetiske stråling, der kommer fra Fluor-18, er i form af langtrækkende gammastråler, som gør det muligt at rejse ud af kroppen og ind i PET -kameraerne.

Disse forskellige nukleare egenskaber gør hver sjælden isotop unik, og atomfysikere skal designe specialiserede eksperimenter for at studere hver enkelt af dem separat.

På jagt efter mere

Nuværende atomvidenskabelig forskning bestræber sig på at udvikle nye teknikker til at opdage nye isotoper, forstå deres egenskaber, og til sidst producere og høste dem effektivt.

Fremstilling af sjældne isotoper er ikke en let opgave; det kræver store maskiner, der får kerner til at rejse, og støder sammen ved hastigheder tæt på lysets hastighed. Under disse kollisioner kan kerner smelte sammen, eller de kan bryde hinanden fra hinanden, producere nye kerner, muligvis med tidligere usete kombinationer af protoner og neutroner.

Kernfysikere har dedikeret udstyr - detektorer - der kan observere disse nydannede kerner og den stråling, de udsender, og undersøge deres egenskaber. For eksempel, på National Superconducting Cyclotron Laboratory, hvor jeg arbejder, min gruppe har udviklet en ekstremt effektiv gammastråldetektor, vi kaldte SuN.

Størstedelen af ​​de kendte isotoper udsender gammastråling, når de henfalder. Vi vil gerne vide, hvor meget energi der frigives i denne proces, hvor mange forskellige gammastråler der udsendes, og hvordan energien deles mellem dem, og hvor lang tid det tager før forfaldet finder sted. SuN kan besvare disse spørgsmål om, hvilken isotop vi undersøger.

I et typisk eksperiment, vi implanterer en stråle af sjældne isotoper i midten af ​​SuN. De sjældne isotoper vil forfalde af sig selv efter kort tid, cirka et sekund eller mindre, og udsender deres karakteristiske stråling. SuN registrerer disse udsendte gammastråler. Det er vores opgave som nukleare eksperimenter at sammensætte puslespillet om, hvordan disse gammastråler blev udsendt, og hvad de fortæller os om egenskaberne ved den nye isotop.

Disse former for produktion og detektionsteknikker er komplekse og dyre, og derfor er der kun en håndfuld sjældne isotoplaboratorier i verden, der kan producere og studere de mest eksotiske atomarter.

Det er umuligt at forudsige, hvilke nye opdagelser inden for grundforskning, der vil have indflydelse på menneskers liv. Hvem kunne have vidst for 100 år siden, da elektronen blev opdaget, at næsten hvert hus i den udviklede verden i et par årtier ville have en elektronmaskine-ellers kendt som et katodestrålerør-til at se fjernsyn? Og hvem kunne have gættet, at opdagelsen af ​​radioaktivitet i sidste ende ville føre til rumforskning drevet af radioaktive henfald?

På samme måde, vi kan ikke forudsige, hvilke sjældne isotopfund der vil være game-changers, men med mere end halvdelen af ​​de forudsagte isotoper stadig uudforskede, for mig føles mulighederne uendelige.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.