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电子捕获核衰变在地球化学、宇宙学、天文学、核医学方面都有非常重要的应用,但是还有许多实际问题需要进行深入的研究,核外环境(宏观的物理环境如压力、温度,微观的如原子所处的分子种态、核外电子的多寡)对衰变速率的影响就是其中之一。由于金属内包富勒烯中的金属原子被囚禁于由碳笼形成的三维纳米空间内这一很特殊的环境中,虽然对于其核外电子结构已经有相当多的理论与实验研究,但对于其中原子核的状态和性质有多少改变则极少有报道,我们通过探测15Dy的电子捕获衰变速率在157Dy@C82中与157Dy2O3中的异同,不仅探讨了像Dy这样的重核衰变速率被核外环境改变的可能性,而且表明了通过对核性质的研究来揭示核外电子结构的可能性。
实验首先是要选择合适的内包金属富勒烯体系Dy@C82,通过直流电弧放电法合成具有高度化学纯的Dy@C82。然后利用反应堆中子照射高纯度Dy@C82粉末使发生(n,γ)核反应(如,156Dy+n->157Dy),后经色谱分离纯化得到具有放射性的157Dy@C82(当中混有同一色谱行为的165Dy@C82等放射性同位素混合物)样品。再用γ谱仪测量该样品中157Dy@C82 EC衰变的伴随γ326Kev峰记数率和165Dy@C82β-衰变的伴随γ361Kev峰记数率,经同样反应堆中子照射的Dy2O3作为对照样品,由于本实验中β-衰变的165Dy在样品Dy@C82和对照Dy2O3中的衰变速率可以认为是一致的(化学环境对β-的影响可以忽略),所以核素165Dy可以作为一个天然的内标,通过对比样品和对照中各自157Dy与1655Dy的相对率变率,可以得到碳笼和氧化物两种环境对1577Dy电子捕获率变速率的影响差异。最后,我们得到了157Dy原子在C82碳笼内的电子捕获衰变速率要比在它的氧化物Dy2O3中慢0.76%±1.1%。这一结果表明,基于通常的电势模型来处理电子捕获衰变速率的方法不再有效(因为氧化物的电子亲合势要比碳笼C82大,那么根据电荷势模型Dy@C82应比Dy2O3衰变得快才是),我们认为囚禁原子波函数的径向变化必须纳入考虑才能有效地解释这一结果。特别的是由于本实验中利用了本来作为干扰看待的157Dy这一天然的内标,可以巧妙地避免在以往的衰变速率对比测量中的许多问题,大大提高了实验结果的可靠性,同时也指出了前人研究文献中的一些问题。