科学家在陨石中发现自然存在的元素锔

材料牛注：锔是一种被认为只能人工合成的放射性元素，研究人员却在天然陨石中发现其存在的踪迹。

芝加哥大学的研究人员近日证实了在太阳系形成时期的陨石里稀有元素锔（Curium，Cm）的存在。这一发现结束了关于早期太阳系中是否存在锔长达35年的争论。同时，在重新评估恒星演化及其元素合成的模型方面也起到了至关重要的作用。

首席研究员François Tissot表示：“锔是一种十分不稳定的元素。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质时间尺度上会迅速衰减，因此锔无法自然存在。”

然而Tissot研究团队却在一块被他们称为“Curious Marie”的碳陨石陶瓷内含物中发现了锔元素的踪迹。在太阳系形成早期，即气态云凝聚为太阳的时候锔就已成为这块陨石的一部分。

Curium和“Curious Marie”的命名均是为了纪念著名科学家Marie Curie，她的开创性工作奠定了放射性理论的基础。锔发现于1944年，加州大学伯克利分校的Glenn Seaborg和其同事Berkeley在用α粒子轰击钚原子的过程中合成了这种新型放射性元素。研究发现，他们合成的同位素是非常不稳定的Cm-242，其半衰期为162天。目前，锔元素只能在实验室合成或作为核爆炸的副产物出现。另外，锔也可能作为宇宙大爆炸早期（太阳系形成之前）的产物出现。

地球物理系教授Dauphas表示:“由于宇宙化学家们经常使用放射性元素作为陨石和行星相对年龄的计时器，所以早期太阳系中锔元素是否存在一直吸引着他们的注意。”

因为锔寿命最长的同位素Cm-247会衰变为铀元素的同位素U-235，所以形成于早期太阳系的矿物岩石会比相似的形成时间较晚的矿物岩石含有更多的Cm-247。当然，如果科学家们现在去分析这两种假定的矿物岩石，会发现前者较后者含有更多的铀，即锔衰变后的产物。

“所以，”Tissot表示，“科学家们围绕着Cm-247在早期的太阳系中是否存在这一简单问题进行了近35年的讨论。”

20世纪80年代的早期研究表明陨石内含物中含有大量的U-235，通过分析科学家们得出太阳系形成早期锔含量丰富这一结论。但James Chen和 Gerald Wasserburg通过更精细的试验表明，这些早期结果是不可靠的。如果早期太阳系中确实存在锔元素，其含量也是很少的，而当时的探测设备并不足以检测到。

直到2010年，成功开发的高性能质谱仪可以探测早期太阳系中多余的U-235。这为早期太阳系中Cm-247的存在提供了确凿的依据。Tissot解释道：“这是重要的进步，但问题在于，这多余的U-235的含量实在太小，以至于通过其他反应过程也可以生成这含量极少的U-235。”

建模者认为，如果锔元素确实存在，在早期太阳系中其含量也会很低，因此，Cm-247产生的U-235无法在富含天然铀元素的矿石中发现。所以说，寻找一个铀含量少但锔含量相对较多的矿石或内含物成为了挑战之一。

在地球物理系退休教授Grossman的帮助下，Tissot研究团队成功找到了这样一类满足上述要求的富含钙和铝的陨石内含物。正如所了解到的，它铀含量低，而锔含量较为丰富。“Curious Marie”作为其中一种内含物，其铀元素含量极低。

通过这个样本，研究人员可以计算出早期太阳系中锔的含量。在通过与其它高放射性元素（例如iodine-129 和 plutonium-244）进行比较之后他们发现，所有这些同位素都可以通过恒星中单一的反应过程产生。

Dauphas认为：“随着一代又一代的恒星死亡，所产生的元素被释放到星系中，最重的元素将是一起被释放的，这是很重要的一点，然而之前的研究工作得出的结论并非如此。”

在合成锔发现的70年之后，自然形成锔元素的发现具有重要意义。它给出了一种新的约束，建模者可以将其与恒星核合成和星系化学演化的复杂模型相结合，以进一步了解元素（例如金）是如何在恒星中形成的。

此项研究发现已经在期刊Science Advances（3月4日）上发表。

原文链接：UChicago Scientists Discover Naturally Occurring Curium in Meteorites

本文由编辑部杨鹏程提供素材，李玉飞编译。