艺术家对在测量含锕系元素样品的共振非弹性 X 射线散射过程中出现的信号 (r) 的印象。 (图片：S. Lehchanska/自然)

2 月 11 日，卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的国际研究团队在《自然通讯》上发表了一项重要研究成果，他们开发了一种全新的方法来研究锕系元素。该方法为理解这些重放射性元素的电子结构和键合特性提供了独特的视角，有望支持更好的放射治疗方法的开发，并有助于更深入地了解锕系化合物在环境和核废料处理过程中的行为。

锕系元素包括元素周期表中的14种元素，如钍、铀、镎、钚和镅等。这些元素的原子拥有90到103个电子，其中5f轨道中的电子受到量子力学现象和复杂电子相互作用的影响尤为强烈，导致它们展现出一些特殊且有时难以预测的特性。

尽管已有多种测量方法用于研究锕系元素化合物的电子结构，但这些方法的信息价值有限。为此，KIT核废料管理研究所(INE)的研究人员采用了一种特殊的测量技术——“M4共振非弹性X射线散射”，详细研究了锕系化合物中相对高能量、以往被忽视的信号。通过熟练测量和评估该信号，研究人员能够更深入地理解锕系原子的电子结构和键合行为。

该方法首先揭示了化合物中锕系原子上5f电子的数量，进而通过稍微修改的测量装置确定了锕系元素原子如何利用5f电子与其他原子结合。这一发现为通过实验验证理论计算和计算机模型提供了可能，对于预测含锕系元素化合物在地壳、铀矿开采或最终储存库中的行为至关重要。

此次研究得益于KIT光源产生的X射线，该光源使得研究人员能够在非常小的物质量(通常只有千分之一克)上进行实验。INE的研究人员在处理和测量放射性锕系元素方面拥有丰富经验，他们表示，研究成果归功于KIT光源的独特条件以及进行长时间测量的可能性。此外，该方法也可在世界各地的其他同步加速器上使用。

此次研究还得到了海德堡大学理论物理研究所的Michelangelo Tagliavini和Maurits W. Haverkort教授以及来自INE的Harry Ramanantoanina的大量计算支持。同时，来自美国、法国和瑞士的研究人员也为卡尔斯鲁厄的科学家提供了样品支持。