40多年来，一个亚原子谜题一直困扰着科学家：为什么分裂原子核的碎片会在瓦砾中旋转而出？现在研究人员发现，这种令人困惑的旋转可能可以用类似于橡皮筋断裂时发生的效果来解释。
为了理解为什么这种旋转令人费解，想象一下你有一叠高高的硬币。如果这个不稳定的塔倒塌了，那将不足为奇。然而，在这堆硬币倒塌后，你可能不会期望所有的硬币在撞击地面时都开始旋转。
就像一叠高高的硬币一样，富含质子和中子的原子核是不稳定的。这种重核不是坍缩，而是容易分裂，这种反应称为核裂变。产生的碎片出来时会旋转，当分裂的原子核本身不旋转时，这尤其令人困惑。正如你不会期望一个物体在没有任何外力作用的情况下自行开始移动一样，一个物体在没有初始扭矩的情况下开始旋转，似乎是超自然的，显然违反了角动量守恒定律。
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“这看起来像是无中生有，”研究主要作者 Jonathan Wilson 说，他是巴黎-萨克雷大学艾琳·约里奥-居里实验室的核物理学家。“大自然对我们施展了一个魔术。我们从一个没有自旋的物体开始，分裂后，两块碎片都在旋转。但是，当然，角动量仍然必须守恒。”
之前的研究发现，裂变始于原子核的形状变得不稳定，这是质子之间相互推挤的结果；由于它们带正电，它们自然会相互排斥。随着原子核的伸长，新生的碎片在它们之间形成颈部。当原子核最终崩解时，这些碎片迅速分开，颈部迅速断裂，这个过程称为断裂。
威尔逊说，几十年来，科学家们已经设计了十几个关于这种自旋的不同理论。一类解释认为，自旋是在断裂之前产生的，考虑到构成原子核的粒子在分裂之前弯曲、扭动、倾斜和扭转，这些运动是热激发、量子涨落或两者兼有的结果。另一组观点认为，自旋是在断裂之后发生的，是由于碎片中质子之间的排斥力等力造成的。然而，“所有调查此问题的实验结果都相互矛盾，”威尔逊说。
现在，威尔逊和他的同事们已经最终确定，这种自旋是在分裂之后产生的，他们在 2月24日 在《自然》杂志上在线详细介绍了这些发现。“这是很棒的新数据，”西雅图华盛顿大学的核物理学家 George Bertsch 说，他没有参与这项研究。“这真的是我们对核裂变理解的一个重要进步。”
在这项新研究中，科学家们检查了各种不稳定元素同位素（钍-232、铀-238 和锎-252）裂变产生的原子核。他们专注于核裂变后释放的伽马射线，这些射线编码了有关碎片自旋的信息。
如果自旋是由断裂前的效应引起的，人们会期望碎片具有相等且相反的自旋。但是“这不是我们观察到的，”威尔逊说。相反，似乎每个碎片的旋转方式都独立于其伙伴，这一结果在所有检查过的原子核批次中都成立，而与各自的同位素无关。
研究人员怀疑，当原子核拉长并分裂时，它的残余物最初有点像泪滴。这些碎片各自都具有类似于表面张力的特性，驱使它们通过采用更稳定的球形来减少其表面积，就像气泡一样，威尔逊解释说。这种能量的释放导致残余物加热和旋转，有点像将橡皮筋拉伸到断裂点会导致碎片混乱的弹性摆动。
威尔逊补充说，这种情况因以下事实而变得复杂：每块核碎片不仅仅是一块均匀的橡胶，而更像是一袋嗡嗡作响的蜜蜂，因为它的粒子都在移动并且经常相互碰撞。“它们就像两群微型蜂群，分道扬镳并开始做自己的事情，”他说。
总而言之，“这些发现有力地支持了这样一种观点，即原子核在分离点时的形状决定了它们的能量和碎片的性质，”Bertsch 说。“这对于指导裂变理论变得更具预测性，并使我们能够更自信地讨论它是如何制造元素的非常重要。”
威尔逊认为，先前对裂变原子的分析未能推断出这些旋转的起源，其中一个原因是他们没有现代超高分辨率探测器和当代计算密集型数据分析方法的优势。先前的工作通常更侧重于探索“极端”超重富中子核的奇异结构，以了解标准核理论如何解释如此独特的异常情况。先前的大部分工作都刻意避免收集和分析研究核碎片如何旋转所需的大量额外数据，而这项新研究明确地专注于分析这些细节，他解释说。“对我来说，关于这项测量最令人惊讶的事情是，它能够以如此清晰的结果完成，”Bertsch 说。
威尔逊警告说，还需要做更多的工作来解释自旋是如何在断裂后产生的。“我们的理论当然是简单的，”他指出。“它可以解释我们看到的自旋随质量变化的约 85%，但更复杂的理论肯定能够做出更准确的预测。这是一个起点；我们并没有声称更多。”他补充说，欧洲委员会在比利时 Geel 的联合研究中心的其他科学家现在也用不同的技术证实了这些观察结果，并且这些独立的结果应该很快就会发表。
这些发现不仅可能解开一个困扰数十年的谜团，而且可能有助于科学家在未来设计更好的核反应堆。具体而言，它们可能有助于阐明裂变期间旋转核碎片发射的伽马射线的性质，这些伽马射线会加热反应堆堆芯和周围材料。目前，这些加热效应尚未完全理解，尤其是它们在不同类型的核动力系统之间的变化方式。
“关于这些加热效应的模型和实际数据之间存在高达 30% 的差异，”威尔逊说。“我们的发现只是模拟未来反应堆所需的完整图景的一部分，但完整的图景是必要的。”
这些对亚原子角动量的研究也可能帮助科学家弄清楚他们可以合成哪些超重元素和其他奇异原子核，以更多地了解仍然模糊不清的核结构深处。“理论上可以存在大约 7,000 个原子核，但只有 4,000 个可以在实验室中获得，”威尔逊说。“更多地了解自旋如何在裂变碎片中产生可以帮助我们了解我们可以获得哪些核状态。”
例如，未来的研究可以探索当原子核在受到光或带电粒子轰击时被驱动裂变时会发生什么。威尔逊说，在这种情况下，入射能量可能会潜在地导致断裂前对所得碎片旋转的影响。
“即使裂变是在 80 年前发现的，它也非常复杂，以至于我们今天仍然看到有趣的结果，”威尔逊说。“裂变的故事尚未结束——肯定还有更多的实验要做。”