放射性研究的新面貌*

查尔斯·埃利斯

编者按

考虑到原子结构在量子理论中的重要地位，物理学家们开始研究原子核的结构。通过观察从放射性原子核发射出的高能电磁辐射——γ射线，人们也许可以得到关于原子核内部状态的信息。查尔斯·埃利斯在文中讨论了几种用以研究这种γ射线的最有前景的技术。其中最有价值的是测量次级电子能量的技术，在细金属丝表面涂上一层原子那么薄的放射性材料，发生光电效应的原子就会释放出这些次级电子。虽然这种测量γ射线能量的方法只能达到1/500的精确度，但埃利斯对用这种方法得到的数据能在不远的未来破解原子核的结构充满信心。ft　　英文

γ射线和核结构

直至几年前，物理学的基本问题还是关于原子的结构。通常核是必然要涉及的，但仅涉及其对原子中电子行为的影响。人们发现，在大多数场合净电荷Ze足以描述原子核。然而在近三年内，物理学家们对此问题的总体看法已发生了变化，原因如下：一方面，我们对那些依赖于核的本质结构的有关现象的认识已大大增加；另一方面，波动力学已被证明非常适合从理论上攻破这个问题，并且已经为某些重要问题提供了一个解决方式。ft　　英文

在已经开展的许多研究中，比较令人感兴趣的是对放射性核发射的特征电磁辐射的研究。这些辐射被命名为γ射线，它们通常具有比X射线短得多的波长。γ射线和核结构的关系就如同普通光及X射线光谱与原子中电子系统结构的关系一样，但是有一点不同：因为激发过程处于控制之下，一系列元素的普通光和X射线光谱很方便进行研究；然而，到目前为止，仅在个别情况下有可能用外部因素激发一个原子核来发射特征辐射。不过，某些放射体可以自发发射这些辐射，因为衰变过程使新形成的核处于激发态，并能发射其特征辐射。因此，只有那些碰巧发射辐射的放射体的核谱得到了详细的研究，迄今为止尚不太可能通过观察接连的一系列不同原子核核谱的相似性来找出支配这些核谱分布的任何普遍规律。ft　　英文

直至几年前，尽管有了关于某些放射体核谱的大量信息，但是仍然不可能将其与原子结构的任何确定特性联系在一起。最近，情况发生了很大的变化，现在似乎可以把核中α粒子或质子的特征定态看作是由γ射线测量推导出的核能级系统中的一部分，并将此能级系统直接与由其他证据推断出的基态相联系。ft　　英文

研究γ射线的方法

在放射性研究早期，一个极为重要的简单方法是研究特殊物体所发射的辐射的吸收，具体做法是将放射源置于与验电器有一定距离的地方，然后观测在接连插入诸如铝或铅这些材料的薄片时，电离如何减小。通常可以将生成的吸收曲线分解成一系列简单的指数曲线，进而大致了解复合辐射中不同组分的情况。利用这类方法不可能得到很精确的信息，因而它们现在已被更精确的方法所代替。ft　　英文

在X射线研究中所用的晶体方法已经非常成功地应用到了γ射线的研究中[1]。从一方面来看技术上会变得更为简单，因为不再需要X射线管以及运行它所需的所有装置，只需要使用含有放射性材料的细管；但从其他方面来看，实验却要困难得多：由于γ射线的波长很短，数量级从40 X.U.到4 X.U.，因此掠射角极小，这不仅使装置的调整更加困难，而且不可能很准确地测量波长。此外，与X射线管比较起来，正常量的放射性材料只是极弱的辐射源。因此，当使用的波长范围超出16 X.U.时，还不能使用这种方法。最近，斯特德曼[2]已设计了一台装置，用电子计数器来代替照相底片，这也许能克服某些困难。ft　　英文

基于光电效应的方法已经给我们带来了大部分信息。一般原理非常简单，叙述如下[3]：将一个装有能放出所要研究的γ射线的放射体的管，放入由某些高原子量材料，例如铂，制成的小管内。在它们通过铂时，γ射线发射成组的光电子，它们的能量与γ射线频率的关系符合爱因斯坦定律。因此，频率为v的γ射线将按照转换是否发生在铂原子的K、L等能量态，发射一系列能量为hv-KPt、hv-LPt等的光电子群。用一般的半圆磁聚焦方法，可以将这类电子发射分离为微粒谱，通常用照相法记录微粒谱。因为在大多数情况下，只有从K能级来的电子群才会有足够的强度产生可检测到的光电效应，所以分析这些谱线以及导出相应的γ射线并没有多大的困难。这个方法的普遍推广大大受限于以下事实：电子群的照相印记经常呈现为一个宽而弥散的条带。因为，尽管光电子是以确定的能量从铂原子上发射出来的，但实际上只有管表面的光电子才能全速发射。较底层的电子在发射穿透出金属表面的路径上受到阻滞减速，从而引起条带的弥散性。ft　　英文

所幸的是，放射性原子自身为我们观测这种被称作内转换的光电转换提供了更多有利的机会。这本身就是一个极有趣的现象，后面将详细提及。就目前的目的而言，可方便地将其描述如下：当放射性核发射一个辐射量子hv时，这个量子并不总会从原子中逃逸，而是可能在逃逸路上被原子的电子结构所吸收。这种内转换遵从通常的光电定律，因此发射γ射线的放射体将也会发射微粒谱，各方面都类似于前面提到的来自铂管的微粒谱，只不过现在的能量是hv-Krad、hv-Lrad……这个结果基本上与以前γ射线在铂中转换的情况并无不同，但这类现象对于测定γ射线波长的重要性取决于以下事实：将放射性物质的正常量放在细金属丝的表面，那么原子的实际数目会很少，以至于该层通常不到一个原子的深度。因此，这种内部光电效应释放的电子都能以全部能量逃逸，并在照相底片上产生极其清晰的谱线，它与从正常的外部光电效应中得到的宽而弥散的谱线形成鲜明的对比。这种方法还有另一个好处，即这种内转换的概率如此之大，以至于在比其他方法短得多的曝光时间下就可以获得可测量的谱线。在这种情况下γ射线的效应是可以检测得到的，而用其他方法很难检测到这种非常微弱的效应。ft　　英文

人们已用这种方法对许多放射体的γ射线作了分析，从而了解了特征核谱的主要特性。然而，用此方法测定γ射线频率的准确度比用X射线谱法测得的要低很多。即使在已经进行过大量研究的镭B和镭C中，也没有发现相对频率会大大高于1/500，绝对误差可能更大。其主要原因是，在一个较大的范围内，要获得均匀磁场是有困难的。ft　　英文

γ射线的强度

斯科别利兹根据γ射线的康普顿效应已建立了一种研究γ射线强度的重要方法[4]。让一束γ射线的窄光锥通过膨胀室，并以常规方式观测由γ射线的康普顿效应释放的反冲电子。此外，在膨胀瞬间，施加一个方向平行于膨胀室轴线的磁场，于是反冲电子轨迹的弯曲度取决于其速度。通过观测反冲电子发射轨迹的曲率和方向，可以将每个电子与确定频率的γ射线联系起来。通过对反冲电子轨迹的相对数进行统计研究，并根据散射的基本定律，可以推导出γ射线的相对强度。ft　　英文

由于各种实验原因，这种方法的分辨率不是很高，并且也不是总能将两个相邻γ射线的效应清楚地分开。然而，以下两个优点的价值在很大程度上掩盖了这个缺点：其一是能得到整个谱线结果中γ射线强度的确定分布，其二是这种方法检测弱γ射线与检测强γ射线一样有效。数据的解释需要用到散射定律的知识，但是有合理的理论基础和来自这些实验本身的证据，这两者的结合使得目前散射知识带来的不确定性变得无关紧要了。ft　　英文

埃利斯和阿斯顿[5]已将光电方法应用于测定γ射线的强度。放射性原子本身通过内转换释放的微粒谱显然不能用于与此相关联的问题，因为成组光电子的相对强度与尚不为人所知的内转换定律有关。然而，如果观测从铂中发射的微粒谱，我们可以只关心正常的光电效应。假定X射线的吸收结果可以外推到γ射线区，那么从相应的电子群强度推导γ射线的强度就将成为可能。然而，不可靠的恰恰是这一点，目前这种方法的准确度受限于在光电方法中必须假设的经验公式的准确度。然而，这种方法具有一个极其重要的优点，即如果γ射线的强度强到足以获得可测的微粒电子群，那么这组电子强度的测定可与邻近的弱γ射线无关。由此可见，这两种方法实际上是互补的，一种方法弥补了另一种方法的缺陷。虽然镭B和镭C的γ射线是迄今为止唯一得到深入研究的γ射线，但结果似乎是一致的，我们不仅知道了γ射线整个光谱的大致分布，而且知道了所有强γ射线各自的强度。ft　　英文

上面所提到的结果指的是γ射线的相对强度。如果是在与X射线或光学光谱类似的情况下，相对强度将是所能说明的全部情况。不过，在放射体的情况下，要确定和推导出绝对强度是可能的。这是因为激发过程是由于原子的衰变造成的。当原子核衰变时，会释放出衰变粒子（α粒子或者β粒子），从而有可能使核处于激发态，随后它又回到正常态，并发射γ射线。因此，γ射线仅在这类衰变之后发射，可以将γ射线的绝对强度定义为每次衰变发射的平均量子数。由此可以断定，任何γ射线的绝对强度都不能大于1个单位。导出这些绝对强度的最简单的方法是利用对以γ射线形式发射的总能量的测量结果。知道了γ射线的频率和相对强度，就很容易计算出每次衰变时发射的对应于每个频率的平均量子数。人们已经对镭B和镭C的γ射线应用了这种深层次的研究方法。ft　　英文

如果现在回顾一下我们所拥有的关于镭B和镭C的γ射线的信息，并预期我们无疑将及时获得其他放射体γ射线的信息，就会发现，与从X射线光谱得到的可用信息相比，γ射线的信息在总体上是非常令人满意的。测定波长的准确度确实会降低很多，但我们有了绝对强度的重要信息。例如，镭C的一种主要γ射线的波长为20.2 X.U.，其误差可能为1/500，甚至可以达到1/300，但另一方面，我们也可以说，原子核在每三次衰变中平均辐射两次这样的量子。ft　　英文

在核结构研究中的应用

前面的叙述显示出γ射线光谱学已经发展到了怎样的程度。虽然将其应用于解决核结构问题仅仅是刚刚起步，但我们已经可以看到可能的发展方向。ft　　英文

之前人们就已经认识到，有许多例子显示来自任何一个放射体的γ射线在频率上存在多组差异，这表明γ射线可能与核能级系统相关，尽管别的解释也有可能。然而，多年以来，由于很难将这样一个核能级系统与核的任何特定部分联系起来，因而人们在这一构想上没有取得什么进展。在核中，存在α粒子、质子和电子，一般来说这些粒子中的任何一个都有可能发射γ射线，这个问题仍然是一个尚未解决的问题。但是现在有足够的证据说明这样去假设是合理的，即认为γ射线是因核内α粒子在定态之间的跃迁而发射的。ft　　英文

伽莫夫以及格尼和康登的理论[6]指出，我们可以认为α粒子的发射过程是由于波函数通过势垒的逐渐泄漏。由这个观点可以得到一个极为重要的结果，即原子外面α粒子的能量（当然可以测量）与核衰变前在核中处于定态的α粒子的能量相等。例如，我们发现镭C发射的α粒子能量是7.68百万电子伏特。于是可以推出，在镭C的核内，存在一个具有7.68百万电子伏特正能量的α粒子能级。这一能级给出了建立根据γ射线推导的能级系统的自然基础。我们可以设想，某些内核排列激发α粒子，使其到达某一个更高的激发态，然后通过发射频率相当于能量差的γ射线又从激发态回到基态。然而，如果一个α粒子在从基态能级穿过势垒时会泄漏，那么它就更容易从激发态能级泄漏。因此我可以预期将发现有一定数量的高速α粒子与这些衰变模式相对应。ft　　英文

诚然，很久以前我们就知道这类长程α粒子是存在的，事实上我们已提出过很多将α粒子群的能量差与γ射线的频率联系起来的初步建议。然而，目前的观点比这已更进了一步，因为它预测了γ射线强度与长程α粒子数量之间的确定关系。通过以下方式很容易看出这种确定关系是必然存在的：假定平均每千次衰变有n个α粒子被激发到某个激发态上，根据理论可以非常好地近似得到穿出势垒的泄漏率，因而至少可以估计出核跃迁的概率。因此我们能够用只包含未知数n的项写出我们所预期的长程α粒子的数量及γ辐射的量子数。这两个量都可以通过测量得到，也许准确度不是很高，但已足以了解它与理论是否一致。ft　　英文

这实际上是对理论的严格检验，因为虽然核跃迁概率理论目前还不够完备，但是，被一种γ射线证明是必要的调整也应适用于所有其他的γ射线。这种观点引导福勒[7]将镭C核α粒子的一个激发态能级与β射线谱形成的相应核跃迁联系起来。看起来这类研究路线有可能会导致确定和有价值的结果。当然完全有可能，一些核跃迁与长程α粒子不相联系，但由此可能得出如下重要结论：这些核跃迁是由具有微正能量或负能量的质子或α粒子产生的。ft　　英文

内转换

上面已经提到了内转换，并已指出从放射性原子的K、L、M态发射出来的电子群所具有的能量刚好等于如果这些从核中发出的辐射量子在逃逸前被光电吸收的能量。已屡次指出，假定在内转换情况下γ光子会完全发射出来是没有必要的，也是不正确的[8]。根据实验结果能够真正推出来的是，一个激发核或者会以辐射形式发射其过剩的能量，或者会以一些方式将这类能量传递给原子的电子结构。ft　　英文

按照旧的量子论，很难想象除了辐射转换之外还有其他方法，但波动力学提出，在核粒子与电子结构之间存在着更为密切的联系。核内粒子的波函数将在一定程度上延伸到原子的电子区域，反过来，电子的波函数也将存在于整个核内。作为模型，我们可以认为，原子中的每一个电子都偶尔会穿过核，核粒子实际上有时也可能在核外出现很短的时间。ft　　英文

因此我们不难看到，在一般情况下，核能量可通过直接碰撞过程转移到电子系统。辐射还是碰撞，这两种过程哪一个更占优势只能通过实验来确定。幸运的是，在这种情况下由实验给出的回答是明确的。埃利斯和阿斯顿[5]对内转换的程度以及它对相关辐射频率的依赖方式进行了测量，结果明确显示出与辐射假说的不相容。因此，我们得出的结论是碰撞过程才是最重要的。我们将会看到这个过程实际上是电子与激发核的第二类碰撞。ft　　英文

这种现象之所以具有特殊意义是因为它代表了核与电子系统之间发生直接相互作用的一个易于测量的例子。还有其他几种情况必须考虑核与电子系统之间的相互作用，但只是为了给出更精细的细节。内转换现象的重要性是整个现象（即使在一级近似下）依赖于核与电子的相互作用，哪种方法都不可能仅仅把原子核看成点粒子。ft　　英文

然而，除了对这类相互作用本身的意义之外，内转换现象似乎还能提供关于核内定态的重要信息。实际上能被测量的量是内转换系数，它是第二类碰撞与核辐射跃迁出现概率的比值。后者主要由初态和终态的能量差决定，而前者涉及绝对能量。就通常意义而论，内转换将导致引起γ射线发射的能级分类，换言之，它能将γ射线与核的某个确定部分联系起来。ft　　英文

尽管人们以各种方式对核能级的研究尚未取得明显的进展，不过，可以肯定的是我们已迈出了最困难的一步。现在可以清晰地设想问题，并且可以提出有可能得到结果的明确工作路线。这种方式为用实验研究某些放射性核以及根据核现象解释实验结果提供了可能。ft　　英文

（沈乃澂　翻译；尚仁成　审稿）

* 本文中的内容来自作者11月4日和11日发表于英国皇家研究院的两个报告。