由中子引起的铀衰变：一类新型核反应

迈特纳，弗里施

编者按

这是《自然》中最早谈及铀核受中子激发而产生衰变的文章。奥地利学者莉泽·迈特纳曾在柏林与奥托·哈恩一起工作至1938年，后因德国政府的反犹政策而被驱逐。奥托·弗里施是迈特纳的侄子，当时在哥本哈根的尼尔斯·玻尔的研究机构中工作。当然，最早的核武器就是基于铀核裂变制造而成的。ft　　英文

费米及其合作者发现[1]，用中子轰击铀核以后，至少会产生出四种放射性物质，其中两种放射性物质的原子序数均大于92。通过进一步的研究[2]表明，事实上至少存在九种放射周期，其中有六种属于铀后面的元素，为了解释它们的化学行为及其衍生关系，必须假定存在核同质异能性。ft　　英文

人们在进行化学研究时，经常会假定这些放射性物质的原子序数与被轰击元素的原子序数相近，因为据目前所知，核受轰击后只会发射出带一个或两个电荷的粒子。例如，轰击铀核得到的类似于锇的化学性质的物质，被假定为类锇（Z＝94）而不是锇（Z＝76）或者钌（Z＝44）。ft　　英文

沿着居里和萨维奇[3]的观测结果继续探究下去，哈恩和施特拉斯曼[4]发现，中子轰击铀核时至少能形成三种放射性物质，它们的化学性质与钡类似，因而推测其为镭的同位素。然而进一步的研究显示[5]，这些放射性物质几乎不能与钡分离（然而在相同的实验中，新钍——一种镭的同位素——很容易与钡分离），因此哈恩和施特拉斯曼被迫得出这样的结论：用中子轰击铀（Z＝92）核的结果是产生了钡（Z＝56）的同位素。ft　　英文

乍看起来，这个实验结果似乎让人很难理解。因为人们以前轰击铀核时，也曾考虑过存在比铀原子序数小很多的元素形成，但是在化学证据尚未完全明晰之前，这种想法总是因为一些物理原因而被排除。伽莫夫的α衰变理论指出，由于穿透“库仑势垒”的可能性极小，所以在短时间内要发射出大量带电微粒是不可能的。ft　　英文

不过，以目前关于重核[6]行为的观点为基础，对于这种新型核衰变过程，我们想到了一种完全不同、本质上又很经典的假设。它的大致内容如下：由于紧密堆积和强烈的能量交换，预期重核中的微粒会以整体方式运动，有些类似于液滴的运动。如果外加的能量能使这种运动变得足够剧烈，这个“液滴”就可能会分裂为两个较小的部分。ft　　英文

在讨论核变形过程中所涉及的能量问题时，需要用到核物质表面张力的概念[7]，但人们只是在考虑核力存在的前提下估算过其数值。不过必须记住，带电微滴的表面张力因其所带的电荷而减小，并且核的表面张力随着核电荷的增加而减小，粗略的估计显示，当原子序数达到100时核的表面张力可能会减为零。ft　　英文

由此看来，铀核也许只具有较小的稳定性，因为其在俘获中子后可能会分裂为大小基本相同的两个核（两部分大小的精确比例取决于精细结构的特征，可能还有一部分偶然因素）。这两个核将彼此推斥，根据核半径与电荷进行计算，这两个核应该会获得约为200兆电子伏的总动能。似乎可以预期，这一能量值实际上可以利用铀与周期表中部元素的敛集率的差别计算得到。由于涉及的物质质量较大，所以相应的量子力学中的“隧道效应”产生的影响小到可以忽略不计，因此整个“裂变”过程可以使用经典的方式来描述。ft　　英文

具有高中子质子比的铀核分裂成两个新核以后，倾向于再进行β衰变，以使其调整到适合于较轻元素的较小比值。每个新核都可能会引起一条衰变反应链。如果其中一部分是钡[5]的同位素，另外一部分就将是氪（Z＝92-56）的同位素，氪可以经由铷、锶和钇衰变链一直衰变到锆。也许有一条或两条衰变链，我们假定其可能会发生钡－镧－铈衰变，而实际上发生的却是锶－钇－锆衰变。ft　　英文

有可能[5]，并且在我们看来非常有可能的是，那些曾被归结为铀以后元素的放射周期也是轻元素的。根据化学证据，到目前为止被归结为铀-239的两个短的放射周期（12秒和40秒）可能来源于锝的同位素（Z＝43），其经钌、铑、钯和银衰变链衰变到镉。ft　　英文

在上述所有情况中，都不必假定存在核同质异能性；至于属于相同元素的不同放射周期则可以归因于该元素具有不同的同位素，因为铀核分裂形成的两部分可以获得各种不同比例的中子。ft　　英文

用中子轰击钍元素，得到了曾被认为是镭和锕的同位素所具有的放射性[8]。其中某些元素的放射周期与轰击铀产生的钡和镧的同位素[5]具有的放射周期是近似相等的。因此，我们倾向于认为，上述放射周期应来源于钍的“裂变”，它类似于铀的裂变过程，并在一定程度上得到了相同的产物。当然，要是能从一种轻元素得到上述产物之一（例如，通过中子俘获的方式），那就更有趣了。ft　　英文

还要提一下，在化学上与铀相同且半衰期为24分钟[2]的那种元素，很可能就是真正的铀-239，它进而衰变为类铼。虽然类铼似乎没有放射性，但也可能是在缓慢地衰变，并有可能伴随着α粒子的发射。（根据对天然放射性元素已有的认识，铀-239不可能发生超过一次或两次的β衰变；我们始终对观测到的衰变长链感到困惑。）这种物质的形成是典型的共振过程[9]；复合态所具有的寿命一定比核分裂所需要的时间长一百万倍。也许这种状态适合于某些不会发生“裂变”的核物质的高度对称性的运动方式。ft　　英文

（王耀杨　翻译；鲍重光　审稿）