角動量在核裂變中作用的新見解

　　英國國家物理實驗室（NPL）和薩里大學的科學家共同參與了一項國際研究合作，發現了由原子核分裂而造成的兩個碎片的角動量的產生方式。這些成果由Nu-Ball發表于《自然》雜志上，文章名為“核裂變中的角動量產生（Angular momentum generation in nuclear fission）”。

　　圖片來源：Luc Petizon

　　在位于法國奧賽的伊雷娜·約里奧-居里（Irène-Joliot-Curie，IJC）實驗室，科學家們利用ALTO粒子加速器設施進行了一系列實驗，結果表明核裂變產生的碎片是在裂變后獲得固有的角動量（或自旋），而并非廣泛以為的裂變之前。這一成果來自國際核物理學家小組“Nu-ball”的合作，該小組旨在研究廣泛的胞核及其結構。

　　該小組由伊雷娜·約里奧-居里（IJC）實驗室領導，研究成員來自16個國家的37家研究院所，其中包括NPL核計量學小組和薩里大學物理系的科學家。

　　盡管20世紀30年代就發現了核裂變這一家喻戶曉的反應（即一個重核一分為二并釋放能量），但有關這一過程的某些問題至今都在討論中。

　　這項新的科學研究解決了這樣一個問題：為什么當一個重原子核發生裂變時，即使原始原子核根本不旋轉，觀察到的碎片也會旋轉。關于這個問題存在許多不同的理論，但大多數人認為裂變碎片的自旋是在原子核分裂之前產生的，因此才會導致兩個伙伴碎片之間具有明顯相關性的自旋。

　　為了揭示產生碎片自旋的機制，研究小組在ALTO設施上引發了核裂變反應，并測量了這個過程中發出的伽馬射線。具體而言，他們用脈沖中子束輻照了鈾同位素238U和釷同位素232Th的樣本。

　　來自薩里大學和NPL的科學家Paddy Regan、Matthias Rudigier、Alberto Boso、Michael Bunce、Peter Ivanov以及博士生Rhiann Canavan和Shaheen Jazrawi都一起參與了這項實驗的概念化。他們設計并調試了NuBALL光譜儀，為實驗做準備，參與了測量，分析了選定的數據通道，并為最終文章的科學討論和撰寫工作做出了貢獻。

　　這些關于角動量在核裂變中作用的新見解對于裂變過程的基本理解和理論描述很重要。不過，這些見解也會對其他研究領域產生影響，例如富中子同位素的結構研究以及超重元素的合成和穩定性。

　　NPL和薩里大學的核小組已經與法國奧賽的小組建立了長期的合作關系，并且都是NuBALL合作小組的創始成員，他們為探索核結構提供了伽馬探測技術、校準計量和多參數數據分析等方面的專業知識 。

　　薩里大學兼NPL核計量學教授Paddy Regan說：“之所以能在理解核裂變基本原理方面取得這一突破，關鍵在于研發了伽瑪射線光譜儀‘Nu-Ball’。這臺伽瑪射線光譜儀由184個以數字符合模式運行的獨立探測器組成。其中包括英國的探測器，這些通常是組成由科學與技術設施委員會（STFC）資助的快速定時陣列（FATIMA）的探測器，也包括NPL的國家核陣列（NANA）。只有利用這種先進的數字儀器，才有可能以所需的精度和準確度來測量瞬間裂變產生的伽瑪射線，并揭示核裂變過程中角動量群體中的潛在反應機理。這項工作堪稱教科書式的典范，因為它說明了對高影響力的核科學問題的解決是如何推動新技術的發展，而新技術的發展又可以在英國國家基礎設施中加以利用并進行放射性物質的測量。”

　　該研究的主要作者、奧賽IJC實驗室的喬納森·威爾遜（Jonathan Wilson）博士說：“真正令我感到驚訝的是，一個碎片中觀察到的平均自旋對伙伴碎片所要求的最小自旋缺乏顯著依賴性。大多數理論都以為自旋是在裂變之前產生的，會有很強的相關性。但我們的結果表明，碎片自旋是在裂變后出現的。可以通過拉伸彈性帶的卡扣來進行演示，這個動作就會導致旋轉力或扭力。”