Tungt atom søler tarmen i et tiår langt eksperiment

Fysikere har protonbjelker og lasere og har for første gang låst opp en av nøkkelhemmelighetene til det sjeldneste naturlig forekommende elementet på jorden: astatin.

Astatine er et "halogen", noe som betyr at det deler kjemiske egenskaper med fluor, klor, brom og jod (alle elementer som vanligvis binder seg til metaller for å danne salter). Men med 85 protoner er den tyngre enn bly og er usedvanlig sjelden på jorden - de sjeldneste av elementene som forekommer naturlig i jordskorpen, ifølge kjemiker John Emsleys 2011-bok "Nature's Building Blocks" (Oxford University Press). Det dannes fra råtnende uran og thorium, og den mest stabile versjonen, eller isotop, (kalt astatine-210) har en halveringstid på bare 8,1 timer - så hvis du fant en stash av den om morgenen, ville halvparten av den blitt borte om kvelden.

Det er så sjelden at inntil nylig har forskere aldri klart å samle nok av det for å teste hvordan det samhandler med elektroner. Det er et problem, delvis fordi en av dens radioaktive isotoper, astatine-211 har potensialet til å være nyttig i kreftbehandlinger. Men forskere var ikke sikre på hvor sannsynlig det er å tiltrekke seg elektroner og danne negative ioner, noe som kan være skadelig for sunne celler. Et nytt papir endrer det.

Prosjektet for å forstå astatin fant sted på ISOLDE, den delen av EUs flaggskip CERN-partikkelfysikkforskningssenter som fokuserer på sprengning av protonstråler mot varme og tunge mål laget av forskjellige kjemiske elementer

I slekt:De 18 største uløste mysteriene innen fysikk

For denne innsatsen fyrte forskerne protonene mot et mål laget av atomer av thorium, et ustabilt element med 90 protoner. Det ga en smattering av nye atomer, inkludert astatine-211.

Filtrering av astatine-211 fra resten av atomene bygde forskerne et stort nok lager av det alltid råtnende radioaktive stoffet til bruk i lasereksperimentene sine. Fokusert lys kan slå rundt elektronene på et atom, slik at forskere kan foreta presise målinger av oppførselen sin.

I en tidligere artikkel, publisert i 2013 i tidsskriftet Nature Communications, målte ISOLDE-teamet ioniseringsenergien til astatin: hvor vanskelig det er å fjerne et elektron fra atomet. Nå, i et papir fra 30. juli, også publisert i Nature Communications, beregnet de elektronaffiniteten: hvor lett isotopen tiltrekker seg nye elektroner.

-Den mystiske fysikken i syv hverdagslige ting

-7 rare fakta om kvarker

-Hva er det? Dine fysiske spørsmål besvart

Ioniseringsenergien var omtrent 9.31752 elektronvolter. Elektronaffiniteten er omtrent 2.41579 elektronvolter. Til sammen danner de to tallene et fullstendig bilde av hvordan det tunge, sjeldne elementet samspiller med elektroner. (Det vil ta flere år å forstå de fulle praktiske implikasjonene av disse tallene, men det er et viktig hinder å overvinne nøyaktig å bestemme dem.)

I slekt: Naturens minste partikler (infografiske)

ISOLDE trompet resultatet som bekreftelse på teoretisk modelleringsarbeid som hadde pågått samtidig på laboratoriet. Den umiddelbare konsekvensen av dette resultatet kan være for kreftforskning, sa ISOLDE. Astatine-211 frigjør alfa-partikler når det forfaller, radioaktive mager som består av protoner og nøytroner som kan drepe kreftceller. Men å bestemme hvordan radioaktive astatinsalter skal brukes i kreftbehandling krever en dyp forståelse av hvordan elementet skaper negative ioner. Når astatin hekter elektron fra molekyler i sunne celler i kroppen, gjør det dem til negative ioner, som kan skade friske celler. Forskere trenger en nøyaktig forståelse av prosessen for å levere de beste behandlingsformene.

Etter hvert, sa ISOLDE, kunne teknikkene deres låse opp supertyngdenes mysterier - elementer som bare finnes kort i laboratorier i små mengder med egenskaper som forskere knapt forstår i det hele tatt.