作者:Andrei Andreyev 来源:PRL 发布时间:2010-12-14 21:52:41
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汞同位素中存在不对称裂变现象
 
据《自然》杂志网站12月1日报道,科学家在汞的一种不稳定同位素汞-180中,观察到一种不对称裂变,这种未曾预料的核反应现象有助于理论学家进一步理解原子核,建立更加完善的原子核模型。该研究发表在《物理评论快报》上。
 
在核裂变过程中,较重的原子核会分裂成几部分。通常观察到的分裂过程是对称的,裂变碎片大小基本相等。科学家也知道有不对称核裂变的例子,但迄今为止,尚没有完整的理论模型来解释对称、不对称裂变等各种现象。根据壳层结构理论,质子和中子与核外电子一样分别填充在内核层和外核层上,当原子核中的质子和中子的数目达到某一幻数时,这个核会特别稳定,不对称裂变大多是由于优先形成了“幻数”原子核。
 
研究人员在欧洲核子研究中心(CERN)通过上线同位素质量分离器(ISOLDE)实验对汞-180的衰变进行了研究。这种同位素含有80个质子和100个中子,科学家原以为它会分裂成两个相同的原子核:含40个质子和50个中子的锆-90。因为40和50是幻数,这样外壳就会被完全充满,科学家认为这种结果是最可能的。但在实验中它分裂成了钌-100和氪-80。
 
“对称分裂应该是占优势的,但却没有发生。”ISOLDE成员、西苏格兰大学安德雷·安德烈耶夫说。ISOLDE是唯一能够产生不稳定重元素的设备,并能收集反应产物加以研究。安德烈耶夫和研究小组开始用了一束铊-180,捕获一个电子后将其81个质子中的1个变成中子,衰变成汞-180,然后发生了不对等分裂。
 
此前,美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室理论学家彼得·穆勒曾经详细研究过比汞更重的原子核裂变,都倾向于对称分裂。ISOLDE实验之后,他认为,这可以用他们研究小组2001年建立的一个原子核模型来解释。比较铊和汞的原子核质量可以预测,捕获一个电子可以给汞的原子核带来9.5兆电子伏的额外能量。穆勒的模型计算结果显示,对称分裂需要越过10.5兆电子伏的能量障碍。相比之下,不对称分裂要求的能量就少得多。穆勒说:“我们还无法确切解释为何会发生不对称分裂,但这是一个在表面张力、静电荷和原子核力之间的更脆弱的平衡。”他的模型不仅能预测汞-180的不对称分裂,还能预测更多其他不稳定原子核的分裂。
 
田纳西大学原子核理论学家维托德·纳沙瑞维克认为,尽管工程师们掌握的核裂变知识足够建造出原子弹或核反应堆,科学家对核裂变的理解也已经深入到质子和中子之间的相互反应,但现有模型并不能预测裂变会产生何种不稳定同位素。这项试验有助于科学家深入基本理论,设计下一代反应堆。(来源:科技日报 常丽君)
 
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