科學家在隕石中發現自然存在的元素鋦

材料牛注：鋦是一種被認為只能人工合成的放射性元素，研究人員卻在天然隕石中發現其存在的蹤跡。

芝加哥大學的研究人員近日證實了在太陽系形成時期的隕石里稀有元素鋦（Curium，Cm）的存在。這一發現結束了關于早期太陽系中是否存在鋦長達35年的爭論。同時，在重新評估恒星演化及其元素合成的模型方面也起到了至關重要的作用。

首席研究員Fran?ois?Tissot表示：“鋦是一種十分不穩定的元素。它是已知最重的元素之一，但由于其同位素都具有放射性并且在地質時間尺度上會迅速衰減，因此鋦無法自然存在。”

然而Tissot研究團隊卻在一塊被他們稱為“Curious?Marie”的碳隕石陶瓷內含物中發現了鋦元素的蹤跡。在太陽系形成早期，即氣態云凝聚為太陽的時候鋦就已成為這塊隕石的一部分。

Curium和“Curious?Marie”的命名均是為了紀念著名科學家Marie?Curie，她的開創性工作奠定了放射性理論的基礎。鋦發現于1944年，加州大學伯克利分校的Glenn?Seaborg和其同事Berkeley在用α粒子轟擊钚原子的過程中合成了這種新型放射性元素。研究發現，他們合成的同位素是非常不穩定的Cm-242，其半衰期為162天。目前，鋦元素只能在實驗室合成或作為核爆炸的副產物出現。另外，鋦也可能作為宇宙大爆炸早期（太陽系形成之前）的產物出現。

地球物理系教授Dauphas表示:“由于宇宙化學家們經常使用放射性元素作為隕石和行星相對年齡的計時器，所以早期太陽系中鋦元素是否存在一直吸引著他們的注意。”

因為鋦壽命最長的同位素Cm-247會衰變為鈾元素的同位素U-235，所以形成于早期太陽系的礦物巖石會比相似的形成時間較晚的礦物巖石含有更多的Cm-247。當然，如果科學家們現在去分析這兩種假定的礦物巖石，會發現前者較后者含有更多的鈾，即鋦衰變后的產物。

“所以，”Tissot表示，“科學家們圍繞著Cm-247在早期的太陽系中是否存在這一簡單問題進行了近35年的討論。”

20世紀80年代的早期研究表明隕石內含物中含有大量的U-235，通過分析科學家們得出太陽系形成早期鋦含量豐富這一結論。但James?Chen和?Gerald?Wasserburg通過更精細的試驗表明，這些早期結果是不可靠的。如果早期太陽系中確實存在鋦元素，其含量也是很少的，而當時的探測設備并不足以檢測到。

直到2010年，成功開發的高性能質譜儀可以探測早期太陽系中多余的U-235。這為早期太陽系中Cm-247的存在提供了確鑿的依據。Tissot解釋道：“這是重要的進步，但問題在于，這多余的U-235的含量實在太小，以至于通過其他反應過程也可以生成這含量極少的U-235。”

建模者認為，如果鋦元素確實存在，在早期太陽系中其含量也會很低，因此，Cm-247產生的U-235無法在富含天然鈾元素的礦石中發現。所以說，尋找一個鈾含量少但鋦含量相對較多的礦石或內含物成為了挑戰之一。

在地球物理系退休教授Grossman的幫助下，Tissot研究團隊成功找到了這樣一類滿足上述要求的富含鈣和鋁的隕石內含物。正如所了解到的，它鈾含量低，而鋦含量較為豐富。“Curious?Marie”作為其中一種內含物，其鈾元素含量極低。

通過這個樣本，研究人員可以計算出早期太陽系中鋦的含量。在通過與其它高放射性元素（例如iodine-129?和?plutonium-244）進行比較之后他們發現，所有這些同位素都可以通過恒星中單一的反應過程產生。

Dauphas認為：“隨著一代又一代的恒星死亡，所產生的元素被釋放到星系中，最重的元素將是一起被釋放的，這是很重要的一點，然而之前的研究工作得出的結論并非如此。”

在合成鋦發現的70年之后，自然形成鋦元素的發現具有重要意義。它給出了一種新的約束，建模者可以將其與恒星核合成和星系化學演化的復雜模型相結合，以進一步了解元素（例如金）是如何在恒星中形成的。

此項研究發現已經在期刊Science?Advances（3月4日）上發表。

原文鏈接：UChicago Scientists Discover Naturally Occurring Curium in Meteorites

本文由編輯部楊鵬程提供素材，李玉飛編譯。