[科普中国]-裂变同质异能素

概念研究历史

裂变同质异能素的存在是1962年由С.М.波利卡诺夫等人首次发现的。B.M.斯特鲁金斯基1967年提出的双峰裂变势垒理论，很好地解释了这一现象以及另外一些当时尚未得到解释的事实。 经典的液滴模型裂变理论认为，在裂变过程中，原子核发生形变，形变增大到一定程度后，断开成两部分。随着形变的增大，原子核的势能先是上升，到达一极大值，然后再下降（如图中虚线所示），这就是裂变势垒。斯特鲁金斯基把核壳层模型的概念从球形核推广到大形变核(见综合模型)，对上述液滴模型理论进行校正。由于大形变的壳修正，某些中子数接近147的原子核，势能曲线上出现一个凹坑，形成了两个峰（如图中实线所示）。这样的势垒称为双峰势垒。

对于双峰势垒，除了基态外，还存在一个亚稳的同核异能态。它和基态之间由一个势垒隔开，所以尽管自旋差异不大，核素也不会很快跃迁回基态去。核素可以穿透外垒而发生自发裂变。同基态的自发裂变相比，穿透的势垒要低得多，也薄得多，所以自发裂变半衰期比基态的短很多。

理论成因裂变同核异能态的成因与原子核的一般同核异能态(见同质异能素)的不同，并非由于较大的自旋差异，而是由于该态原子核的形状同基态的不一样，所以又被称为形状同核异能态。有趣的是，形状同核异能态本身还可以具有自己的自旋同核异能态。因此，一个核素可以有两个裂变同核异能态，它们之间自旋相差很大，激发能、寿命也不一样。

到1979年为止，在铀、镎、钚、镅、锔、锫的33个核素中（质子数92～97，中子数145～152），总共已观察到44个裂变同质异能素，以钚、镅为最多。其中，半衰期最短的只有10-12秒量级，最长的为14毫秒。 裂变同质异能素的发现及深入研究，丰富了人们对于裂变过程的认识，也加深了对于重原子核特性的了解。1

Pu裂变同质异能素半衰期的测量研究进展自从1962年发现形状同质异能素以来，在锕系区域已发现约有35个核素具有同质异能素，其中最重的同质异能素为245mBk，最轻的为234mU；以及寿命最长的是242mAm；最短的是244mGm。并发现有些形状同质异能素（如Pu，Gm）具有两个寿命，其中一个是第二极小中的基态，而另一个是对应的激发态——自旋或K禁戒的同质异能素，证实了Vandenbosch等人曾在1969年首先提出在第二极小中存在双准粒子激发态的预言。

1974年Metag等人发展了寻找寿命为微微秒级的裂变同质异能素的技术——投影法，此方法能探测在10微米以内发生的缓发裂块，这是半衰期测量技术的重大贡献。从此以后，短寿命的同质异能素不断发现，使实验数据更加完善。对于Z大于或等于98的同质异能素的半衰期预言可能更短，故能否探索在1微米内发生的缓发裂块显得尤为重要。

Pu裂变同质异能素测量有关裂变同质异能素性质的研究，最广泛的是测量它们的半衰期，将1979年9月份之前世界上已发表的裂变同质异能素半衰期的实验值编于表1，并将它们的半衰期的对数值和中子数关系列于图1。高度形变的原子核亚稳态，即所谓形状同质异能素的出现，反映了形状稳定是与新的壳结构相联系的。幻数最稳定，寿命应最长，通过分析寿命可以确定幻数是多少。由图1推知，奇奇核Am寿命最长的是中子数为127，奇偶核Am寿命最长的是中子数为148；奇偶核241mPu寿命最长，它的中子数为147。真正的检验要看偶偶核，如238mU，240mPu，242mGm寿命最长，它们的中子数皆在146，所以从实验结果可以判定中子数为146时，形状同质异能素特别稳定。

在一定中子数时，半衰期的对数值随质子数的增加而线性地下降，并不出现极大值，这是与液滴部分的外垒高度随Z2/A的增加而减少是一致的，不存在幻质子数。由此可知，形状同质异能素主要是由中子壳效应（强的负壳修正）而引起的高度形变——形成双峰位垒，并非质子壳效应。故认为形状同质异能素长短轴之比为2：1，它的幻中子数为146的预言，与实验结果相符合。2