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）