角动量在核裂变中作用的新见解

　　英国国家物理实验室（NPL）和萨里大学的科学家共同参与了一项国际研究合作，发现了由原子核分裂而造成的两个碎片的角动量的产生方式。这些成果由Nu-Ball发表于《自然》杂志上，文章名为“核裂变中的角动量产生（Angular momentum generation in nuclear fission）”。

　　图片来源：Luc Petizon

　　在位于法国奥赛的伊雷娜·约里奥-居里（Irène-Joliot-Curie，IJC）实验室，科学家们利用ALTO粒子加速器设施进行了一系列实验，结果表明核裂变产生的碎片是在裂变后获得固有的角动量（或自旋），而并非广泛以为的裂变之前。这一成果来自国际核物理学家小组“Nu-ball”的合作，该小组旨在研究广泛的胞核及其结构。

　　该小组由伊雷娜·约里奥-居里（IJC）实验室领导，研究成员来自16个国家的37家研究院所，其中包括NPL核计量学小组和萨里大学物理系的科学家。

　　尽管20世纪30年代就发现了核裂变这一家喻户晓的反应（即一个重核一分为二并释放能量），但有关这一过程的某些问题至今都在讨论中。

　　这项新的科学研究解决了这样一个问题：为什么当一个重原子核发生裂变时，即使原始原子核根本不旋转，观察到的碎片也会旋转。关于这个问题存在许多不同的理论，但大多数人认为裂变碎片的自旋是在原子核分裂之前产生的，因此才会导致两个伙伴碎片之间具有明显相关性的自旋。

　　为了揭示产生碎片自旋的机制，研究小组在ALTO设施上引发了核裂变反应，并测量了这个过程中发出的伽马射线。具体而言，他们用脉冲中子束辐照了铀同位素238U和钍同位素232Th的样本。

　　来自萨里大学和NPL的科学家Paddy Regan、Matthias Rudigier、Alberto Boso、Michael Bunce、Peter Ivanov以及博士生Rhiann Canavan和Shaheen Jazrawi都一起参与了这项实验的概念化。他们设计并调试了NuBALL光谱仪，为实验做准备，参与了测量，分析了选定的数据通道，并为最终文章的科学讨论和撰写工作做出了贡献。

　　这些关于角动量在核裂变中作用的新见解对于裂变过程的基本理解和理论描述很重要。不过，这些见解也会对其他研究领域产生影响，例如富中子同位素的结构研究以及超重元素的合成和稳定性。

　　NPL和萨里大学的核小组已经与法国奥赛的小组建立了长期的合作关系，并且都是NuBALL合作小组的创始成员，他们为探索核结构提供了伽马探测技术、校准计量和多参数数据分析等方面的专业知识 。

　　萨里大学兼NPL核计量学教授Paddy Regan说：“之所以能在理解核裂变基本原理方面取得这一突破，关键在于研发了伽玛射线光谱仪‘Nu-Ball’。这台伽玛射线光谱仪由184个以数字符合模式运行的独立探测器组成。其中包括英国的探测器，这些通常是组成由科学与技术设施委员会（STFC）资助的快速定时阵列（FATIMA）的探测器，也包括NPL的国家核阵列（NANA）。只有利用这种先进的数字仪器，才有可能以所需的精度和准确度来测量瞬间裂变产生的伽玛射线，并揭示核裂变过程中角动量群体中的潜在反应机理。这项工作堪称教科书式的典范，因为它说明了对高影响力的核科学问题的解决是如何推动新技术的发展，而新技术的发展又可以在英国国家基础设施中加以利用并进行放射性物质的测量。”

　　该研究的主要作者、奥赛IJC实验室的乔纳森·威尔逊（Jonathan Wilson）博士说：“真正令我感到惊讶的是，一个碎片中观察到的平均自旋对伙伴碎片所要求的最小自旋缺乏显著依赖性。大多数理论都以为自旋是在裂变之前产生的，会有很强的相关性。但我们的结果表明，碎片自旋是在裂变后出现的。可以通过拉伸弹性带的卡扣来进行演示，这个动作就会导致旋转力或扭力。”