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原子核裂变后为何自旋 四十年谜团获解

原子核裂变后,为什么碎片都是自旋的状态?这个问题对于改善核能设施的设计具有重要意义,可是已经困扰了科学家四十几年。最近发表的一份研究说,通过实验终于找到了答案——这就和像皮筋被拉断的情形一样。

一般人们都能理解,一个物体要开始旋转,必须有个初始的力量才合理。所以科学家一直很困惑,原子核裂变后的各部分为什么都具有自旋的角动量。

这份研究的主要作者法国巴黎-萨克雷大学(法语:Université Paris-Saclay)的核物理学家威尔逊(Jonathan Wilson)说:“这看起来就像无中生有一样奇怪。自然在和我们玩魔术。一个不在自旋的物体,分裂后的两个部分都在自旋。”

以前的研究发现核裂变具有这样一个过程,原子核内质子互相挤兑使得原子核变得不稳定,加上质子都是带有正电荷的粒子,它们自然会互相排斥,导致原子核被拉长,分成两个部分,中间出现一个较窄的瓶颈地带。当原子核最后被拉断,两个部分从瓶颈的地方断开,快速分离。

在过去几十年里,科学界对此主要有两类的解释。一类认为这种旋转的因素是在裂变之前产生的,由于原子核内粒子的弯曲、扭动、倾斜等因素,由粒子的热激发、量子波动或两者共同作用出现动能;另一类解释认为这是在原子核裂变之后发生的,由于碎片内质子间的相互作用力导致碎片自旋。

这份2月24日发表于《自然》(Nature)期刊的研究下结论说,这种自旋是在裂变之后发生的。

没有参与这份研究的同行、华盛顿大学的核物理学家伯奇(George Bertsch)说:“这是了不起的新数据,对我们了解核裂变过程是个重要的进展。”

这份研究对钍232、铀238和锎252等多种不稳定的同位素进行实验,聚焦于它们裂变之后放射的伽马射线进行分析。伽马射线内承载着裂变后碎片的自旋信息。

威尔逊说,如果旋转是在裂变之前已经出现,那么两个部分的旋转应该是对等的,但是方向相反。“可是我们观测到的情况不是这样。”研究人员观测到每个部分各有自己的旋转方式,与另一部分无关。他们观测了多种同位素,情况都是这样。

研究人员估计,当原子核被拉伸断裂后,碎片变成泪滴一样的状态,也具有表面张力,倾向于变成球形。而这个过程释放的能量使得碎片升温和自旋,有点像拉断一根橡皮筋后,碎片无序乱弹的情形。

威尔逊承认说,他们的理论也是简化的情形,“能解释85%不同的情形,但是需要更完善的理论才能做出更准确的预测。”

研究者表示,这项研究不仅解答了几十年来的谜题,更重要的是有助于科学家未来更好地设计核反应设施。

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