原子核裂變後,為甚麼碎片都是自旋的狀態?這個問題對於改善核能設施的設計具有重要意義,可是已經困擾了科學家四十幾年。最近發表的一份研究說,通過實驗終於找到了答案——這就和像皮筋被拉斷的情形一樣。

一般人們都能理解,一個物體要開始旋轉,必須有個初始的力量才合理。所以科學家一直很困惑,原子核裂變後的各部份為甚麼都具有自旋的角動量。

這份研究的主要作者法國巴黎-薩克雷大學(法語:Universite Paris-Saclay)的核物理學家威爾遜(Jonathan Wilson)說:「這看起來就像無中生有一樣奇怪。自然在和我們玩魔術。一個不在自旋的物體,分裂後的兩個部份都在自旋。」

以前的研究發現核裂變具有這樣一個過程,原子核內質子互相擠兌使得原子核變得不穩定,加上質子都是帶有正電荷的粒子,它們自然會互相排斥,導致原子核被拉長,分成兩個部份,中間出現一個較窄的瓶頸地帶。當原子核最後被拉斷,兩個部份從瓶頸的地方斷開,快速分離。

在過去幾十年裏,科學界對此主要有兩類的解釋。一類認為這種旋轉的因素是在裂變之前產生的,由於原子核內粒子的彎曲、扭動、傾斜等因素,由粒子的熱激發、量子波動或兩者共同作用出現動能;另一類解釋認為這是在原子核裂變之後發生的,由於碎片內質子間的相互作用力導致碎片自旋。

這份2月24日發表於《自然》(Nature)期刊的研究下結論說,這種自旋是在裂變之後發生的。

沒有參與這份研究的同行、華盛頓大學的核物理學家伯奇(George Bertsch)說:「這是了不起的新數據,對我們了解核裂變過程是個重要的進展。」

這份研究對釷232、鈾238和鐦252等多種不穩定的同位素進行實驗,聚焦於它們裂變之後放射的伽馬射線進行分析。伽馬射線內承載著裂變後碎片的自旋信息。

威爾遜說,如果旋轉是在裂變之前已經出現,那麼兩個部份的旋轉應該是對等的,但是方向相反。「可是我們觀測到的情況不是這樣。」研究人員觀測到每個部份各有自己的旋轉方式,與另一部份無關。他們觀測了多種同位素,情況都是這樣。

研究人員估計,當原子核被拉伸斷裂後,碎片變成淚滴一樣的狀態,也具有表面張力,傾向於變成球形。而這個過程釋放的能量使得碎片升溫和自旋,有點像拉斷一根橡皮筋後,碎片無序亂彈的情形。

威爾遜承認說,他們的理論也是簡化的情形,「能解釋85%不同的情形,但是需要更完善的理論才能做出更準確的預測。」

研究者表示,這項研究不僅解答了幾十年來的謎題,更重要的是有助於科學家未來更好地設計核反應設施。#