旋转原子碎片的奥秘终于解决了

40多年来，亚原子谜团一直困扰着科学家：为什么原子核分裂的碎片会从残骸中旋转出来？现在，研究人员发现这些令人困惑的旋转可能是由与扣紧橡皮筋时发生的现象相似的现象造成的。

为了弄清楚为什么这种旋转令人困惑，请想象您有一堆高额的硬币。如果这座不稳定的塔倒塌了，那就不足为奇了。但是，在此堆栈崩溃之后，您可能不会期望所有硬币都落在地板上后开始旋转。

就像一大堆硬币一样，富含质子和中子的原子核是不稳定的。这种重核不但不会坍塌，而且易于分裂，这种反应称为核裂变。产生的碎片会自旋，当分裂的核不自旋时，这尤其会令人困惑。就像您不希望某个物体在没有任何作用力的情况下开始自行移动一样，在没有初始转矩的情况下开始旋转的物体似乎显然是超自然的，这显然违反了角动量守恒定律。

研究的主要作者乔纳森·威尔逊（Jonathan Wilson）说，“这使它看起来好像是一无所有”。法国奥赛大学巴黎萨克莱分校的艾琳·乔利埃特·居里实验室的核物理学家说。 “自然给我们带来了一个魔术。我们从没有旋转的对象开始，分裂后，两个块都在旋转。但是，当然，仍然必须保持角动量。”

先前的研究发现，裂变是在质子之间发生碰撞而使核的形状变得不稳定时开始的。由于它们带正电荷，因此它们自然会互相排斥。随着细胞核的延长，新生的碎片在它们之间形成一个脖子。当细胞核最终解体时，这些碎片会迅速分开，脖子迅速折断，这一过程称为分裂。

威尔逊说，在过去的几十年中，科学家为这种旋转设计了十几种不同的理论。一类解释认为，自旋是在分裂之前发生的，这是由于分裂前组成核的粒子发生了弯曲，蠕动，倾斜和扭曲，由热激发引起的运动，量子涨落或两者兼而有之。另一组观点认为，自旋是在分裂之后发生的，这是由于碎片中质子之间的排斥力等作用所致。但是，“调查这一切的实验结果相互矛盾，”威尔逊说。

现在，威尔逊和他的同事们最终确定了分裂后的旋转结果，他们于2月24日在线在《自然》杂志上详细介绍了这些发现。西雅图华盛顿大学的核物理学家乔治·伯特奇（George Bertsch）说：“这是令人惊奇的新数据。”他没有参加这项研究。 “在我们对核裂变的理解上，这确实是重要的进步。”

在这项新研究中，科学家检查了各种不稳定元素同位素裂变产生的核：th232，铀238和252。他们专注于核裂变后释放的伽马射线，该伽马射线编码有关所得碎片自旋的信息。

如果旋转是由分裂前的效应引起的，则人们会期望这些片段具有相同且相反的旋转。威尔逊说：“但这不是我们观察到的。”取而代之的是，似乎每个片段都以与其伴侣无关的方式旋转，这一结果在所有检查的原子核批次中都适用，而与各自的同位素无关。

研究人员怀疑，当细胞核延长并分裂时，其残留物开始时有点类似于泪珠。威尔逊解释说，这些碎片各自具有类似于表面张力的质量，从而通过采用更稳定的球形形状来驱使它们减小表面积，就像气泡一样。释放这种能量会导致残余物加热并旋转，这有点像将橡皮筋拉伸到折断点的方式会导致碎片的混乱，弹性松弛。

威尔逊补充说，由于每一块核碎片都不只是一块均匀的橡胶，而是类似于一袋嗡嗡作响的蜜蜂，这是很复杂的，因为它们的粒子如何运动并且经常相互碰撞。他说：“它们就像两个微型蜂群，它们分开并开始做自己的事情。”

总而言之，“这些发现为以下观点提供了强有力的支持：核分裂时，核的形状决定了它们的能量和碎片的性质，” Bertsch说。 “这对于指导裂变理论更具预测性，并使我们更自信地讨论裂变如何构成要素非常重要。”

威尔逊指出，先前对裂变原子的分析未能推断出这些旋转的起源的原因之一是因为它们没有利用现代超高分辨率探测器和现代计算密集型数据分析方法的优势。先前的工作通常还更多地关注于探索“极端”超重中子富集核的奇异结构，以了解标准核理论如何解释这种明显不同寻常的情况。他解释说，以前的许多工作都故意避免收集和分析调查核碎片旋转的方式所需的大量额外数据，而这项新研究明确地专注于分析此类细节。 “对我而言，测量最令人惊讶的事情是，它完全可以得到如此清晰的结果，”贝茨说。

威尔逊警告说，还需要做更多的工作来解释分裂后如何精确旋转结果。他说：“当然，我们的理论过于简单。” “它可以解释大约85％的自旋是质量的函数，但是更复杂的理论当然可以做出更准确的预测。这是一个起点；我们不要求更多。”他补充说，欧洲委员会在比利时盖尔的联合研究中心设施中的其他科学家现在也以不同的技术证实了这些观察结果，这些独立的结果应尽快发表。

这些发现不仅可能解决长达数十年的谜团，而且可以帮助科学家将来设计更好的核反应堆。具体来说，它们可以帮助阐明裂变过程中旋转核碎片所发出的伽马射线的性质，这可以加热反应堆堆芯和周围的材料。目前，这些热效应还没有被完全理解，特别是它们在不同类型的核电系统之间如何变化。

威尔逊说：“模型和有关这些热效应的实际数据之间存在多达30％的差异。” “我们的发现只是模拟未来反应堆时想要的全貌的一部分，但是有一个全貌是必要的。”

这些对亚原子角动量的研究还可以帮助科学家弄清楚，他们可以合成哪些超重元素和其他奇特的原子核，以进一步阐明仍处于黑暗状态的核结构。威尔逊说：“理论上可以存在大约7,000个核，但是实验室中只能访问4,000个。” “更多地了解裂变碎片中如何产生自旋可以帮助我们理解我们可以进入的核状态。”

例如，未来的研究可以探索当光或带电粒子轰击原子核而使核裂变时可能发生的情况。威尔逊说，在这种情况下，传入的能量可能会导致断裂前的预断对所产生的碎片的旋转产生影响。

威尔逊说：“尽管裂变是在80年前发现的，但它是如此复杂，以至于我们今天仍然看到有趣的结果。” “裂变的故事还不完整，毫无疑问，还有更多的实验要做。”