40多年來，一個亞原子謎題一直困擾著科學家：為什麼分裂原子核的碎片會在瓦礫中旋轉而出？現在研究人員發現，這種令人困惑的旋轉可能可以用類似於橡皮筋斷裂時發生的效果來解釋。
為了理解為什麼這種旋轉令人費解，想象一下你有一疊高高的硬幣。如果這個不穩定的塔倒塌了，那將不足為奇。然而，在這堆硬幣倒塌後，你可能不會期望所有的硬幣在撞擊地面時都開始旋轉。
就像一疊高高的硬幣一樣，富含質子和中子的原子核是不穩定的。這種重核不是坍縮，而是容易分裂，這種反應稱為核裂變。產生的碎片出來時會旋轉，當分裂的原子核本身不旋轉時，這尤其令人困惑。正如你不會期望一個物體在沒有任何外力作用的情況下自行開始移動一樣，一個物體在沒有初始扭矩的情況下開始旋轉，似乎是超自然的，顯然違反了角動量守恆定律。
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“這看起來像是無中生有，”研究主要作者 Jonathan Wilson 說，他是巴黎-薩克雷大學艾琳·約里奧-居里實驗室的核物理學家。“大自然對我們施展了一個魔術。我們從一個沒有自旋的物體開始，分裂後，兩塊碎片都在旋轉。但是，當然，角動量仍然必須守恆。”
之前的研究發現，裂變始於原子核的形狀變得不穩定，這是質子之間相互推擠的結果；由於它們帶正電，它們自然會相互排斥。隨著原子核的伸長，新生的碎片在它們之間形成頸部。當原子核最終崩解時，這些碎片迅速分開，頸部迅速斷裂，這個過程稱為斷裂。
威爾遜說，幾十年來，科學家們已經設計了十幾個關於這種自旋的不同理論。一類解釋認為，自旋是在斷裂之前產生的，考慮到構成原子核的粒子在分裂之前彎曲、扭動、傾斜和扭轉，這些運動是熱激發、量子漲落或兩者兼有的結果。另一組觀點認為，自旋是在斷裂之後發生的，是由於碎片中質子之間的排斥力等力造成的。然而，“所有調查此問題的實驗結果都相互矛盾，”威爾遜說。
現在，威爾遜和他的同事們已經最終確定，這種自旋是在分裂之後產生的，他們在 2月24日 在《自然》雜誌上線上詳細介紹了這些發現。“這是很棒的新資料，”西雅圖華盛頓大學的核物理學家 George Bertsch 說，他沒有參與這項研究。“這真的是我們對核裂變理解的一個重要進步。”
在這項新研究中，科學家們檢查了各種不穩定元素同位素（釷-232、鈾-238 和鉲-252）裂變產生的原子核。他們專注於核裂變後釋放的伽馬射線，這些射線編碼了有關碎片自旋的資訊。
如果自旋是由斷裂前的效應引起的，人們會期望碎片具有相等且相反的自旋。但是“這不是我們觀察到的，”威爾遜說。相反，似乎每個碎片的旋轉方式都獨立於其夥伴，這一結果在所有檢查過的原子核批次中都成立，而與各自的同位素無關。
研究人員懷疑，當原子核拉長並分裂時，它的殘餘物最初有點像淚滴。這些碎片各自都具有類似於表面張力的特性，驅使它們透過採用更穩定的球形來減少其表面積，就像氣泡一樣，威爾遜解釋說。這種能量的釋放導致殘餘物加熱和旋轉，有點像將橡皮筋拉伸到斷裂點會導致碎片混亂的彈性擺動。
威爾遜補充說，這種情況因以下事實而變得複雜：每塊核碎片不僅僅是一塊均勻的橡膠，而更像是一袋嗡嗡作響的蜜蜂，因為它的粒子都在移動並且經常相互碰撞。“它們就像兩群微型蜂群，分道揚鑣並開始做自己的事情，”他說。
總而言之，“這些發現有力地支援了這樣一種觀點，即原子核在分離點時的形狀決定了它們的能量和碎片的性質，”Bertsch 說。“這對於指導裂變理論變得更具預測性，並使我們能夠更自信地討論它是如何製造元素的非常重要。”
威爾遜認為，先前對裂變原子的分析未能推斷出這些旋轉的起源，其中一個原因是他們沒有現代超高解析度探測器和當代計算密集型資料分析方法的優勢。先前的工作通常更側重於探索“極端”超重富中子核的奇異結構，以瞭解標準核理論如何解釋如此獨特的異常情況。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轉所需的大量額外資料，而這項新研究明確地專注於分析這些細節，他解釋說。“對我來說，關於這項測量最令人驚訝的事情是，它能夠以如此清晰的結果完成，”Bertsch 說。
威爾遜警告說，還需要做更多的工作來解釋自旋是如何在斷裂後產生的。“我們的理論當然是簡單的，”他指出。“它可以解釋我們看到的自旋隨質量變化的約 85%，但更復雜的理論肯定能夠做出更準確的預測。這是一個起點；我們並沒有聲稱更多。”他補充說，歐洲委員會在比利時 Geel 的聯合研究中心的其他科學家現在也用不同的技術證實了這些觀察結果，並且這些獨立的結果應該很快就會發表。
這些發現不僅可能解開一個困擾數十年的謎團，而且可能有助於科學家在未來設計更好的核反應堆。具體而言，它們可能有助於闡明裂變期間旋轉核碎片發射的伽馬射線的性質，這些伽馬射線會加熱反應堆堆芯和周圍材料。目前，這些加熱效應尚未完全理解，尤其是它們在不同型別的核動力系統之間的變化方式。
“關於這些加熱效應的模型和實際資料之間存在高達 30% 的差異，”威爾遜說。“我們的發現只是模擬未來反應堆所需的完整圖景的一部分，但完整的圖景是必要的。”
這些對亞原子角動量的研究也可能幫助科學家弄清楚他們可以合成哪些超重元素和其他奇異原子核，以更多地瞭解仍然模糊不清的核結構深處。“理論上可以存在大約 7,000 個原子核，但只有 4,000 個可以在實驗室中獲得，”威爾遜說。“更多地瞭解自旋如何在裂變碎片中產生可以幫助我們瞭解我們可以獲得哪些核狀態。”
例如，未來的研究可以探索當原子核在受到光或帶電粒子轟擊時被驅動裂變時會發生什麼。威爾遜說，在這種情況下，入射能量可能會潛在地導致斷裂前對所得碎片旋轉的影響。
“即使裂變是在 80 年前發現的，它也非常複雜，以至於我們今天仍然看到有趣的結果，”威爾遜說。“裂變的故事尚未結束——肯定還有更多的實驗要做。”