艺术概念图展示了含锕系样品在测量共振非弹性X射线散射时产生的信号（右图），揭示了锕系元素5f轨道中的电子数量（左图）。图片来源：Steliyana Lehchanska
卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的国际研究团队开发出一种分析锕系元素的新方法。这种方法为周期表最底层这些重金属放射性元素的电子结构和键合特性提供了独特见解。相关研究不仅有助于改进放射治疗产品开发，更能深化对锕系化合物在环境及核废料处置中行为的理解。科研人员利用KIT光源开发的新方法已发表于《自然·通讯》。
锕系家族包含周期表中14种金属元素，涵盖钍、铀、镎、钚、镅等。这些元素的原子拥有90至103个电子，部分电子分布于5f轨道。由于量子力学效应和复杂的电子相互作用对其电子排布影响远甚于其他元素，导致其具有特殊性质和难以预测的行为特征。
虽然现有多种测量技术可获取锕系原子在化学键中的电子结构信息，但其应用价值有限。KIT核废料处置研究所（INE）团队采用M4共振非弹性X射线散射技术，对以往被忽视的高能信号进行深入分析。研究发现，通过精确测量和分析该信号，能更深入理解锕系原子的电子结构和键合特性。该信号可靠揭示了锕系原子在化学键中局域化的5f电子数量，且通过调整实验几何配置，还可解析含5f电子的锕系原子与其他原子形成的键合结构。
Vitova研究团队利用KIT同步辐射光源产生的X射线开展实验。"我们的方法仅需极微量物质，通常仅需千分之一克，"负责大部分实验测量的X射线光谱学与放射化学应用青年研究组负责人Bianca Schacherl博士表示。INE研究人员在放射性锕系元素的安全管控方面拥有数十年经验。Schacherl强调："实验成果得益于KIT光源的独特条件，以及进行长时间测量的机会。不过这种新测量技术也可在全球其他同步辐射装置上应用。"
海德堡大学理论物理研究所的Michelangelo Tagliavini、Maurits W. Haverkort教授与INE的Harry Ramanantoanina博士进行了大量理论计算，协助解读X射线散射实验信号。来自美、法、瑞士的研究人员也为该研究提供支持，部分团队负责提供含锕系元素的实验样品。
