核同质异能性的最新实验结果

庞蒂科夫

编者按

两个原子核可以具有相同的物理组成和质量但却有不同的放射性质，这一想法最初是由放射性研究的开拓者之一——弗雷德里克·索迪于1917年提出的。这一观点还可以理解为，同质异能核衰变的方式不止一种。随着人工放射性的发现，同质异能核对变得更为普遍。布鲁诺·庞蒂科夫对同质异能核进行了一番专门研究，并在第二次世界大战前几个月发表了这篇关于同质异能核性质的文章，1940年他从法国移居英国。ft　　英文

原子序数和质量数都相同的两个原子核却可能具有不同的放射性质（即核同质异能性的假说），这一假说最早是由索迪[1]于1917年提出的。1921年，哈恩[2]发现了铀Z；通过对该元素化学性质和放射性质的研究，哈恩推测铀Z与铀X2是同质异能核。最近，费瑟和布雷切尔重新提出了铀Z的问题（《皇家学会会刊》，第165卷，第542页，1938年）。值得人们注意的是，很多年以来铀Z和铀X2是仅有的已经知道的同质异能核对。ft　　英文

发现人工放射性以后，科研工作者在对人工放射性元素的研究过程中积累的大量实验材料为同质异能现象的研究起到了相当大的推动作用。通过研究（慢和快）中子和高能γ射线轰击溴所产生的放射性可为人工放射性元素的领域中增添一个质量数为80的新元素，该元素也是首次得到的确定的同质异能对[3]。ft　　英文

于是，随着关于人工放射性元素实验材料的增加，已确定为同质异能核对的数目大量增加，以至于我在此处不能一一引述所有关于这一问题的已发表的研究结果。目前已知道超过30对这样的核，并且毫无疑问的是，尚未发现的同质异能核对比这数目要多得多。现在我们可以说，核的同质异能性绝对不是一种个别现象。ft　　英文

我们可以很自然地想到，两个同质异能核之间的物理差异与相同原子核的两个不同激发态有关（比如说基态和第一激发态）。但是，在这种情况下，高能态是如何成为亚稳态的，或者说，它怎么能维持这么长时间（在某些情况下甚至超过一天）呢？是什么机制使它们免于在很短时间内通过发射电磁辐射而崩溃呢？魏茨克回答了上述问题[4]。ft　　英文

根据魏茨克的假说，核的同质异能现象可以这样解释：即假定核的最低激发态具有与基态相差若干单位的角动量。这样，根据选择规则，原子核在单位时间内从上述激发态跃迁到基态的概率就会明显减少。当然，能够检验魏茨克假说真实性的实验才是最令人感兴趣的。ft　　英文

最重要的问题之一是，对于在从一种同质异能态到另一种同质异能态的跃迁过程中最终发射出的γ辐射的研究。我之所以要说“最终发射”，是因为原子核具有放射性，相应于同质异能形式之一的较高能态可能会被一次普通的β跃迁破坏。γ射线–β射线分支比将取决于两种衰变方式的相对寿命。虽然最初观测这种γ辐射的研究未能成功，不过值得注意的是[5]，探测这种辐射时所遇到的相当大的困难可能是因为同质异能核之间的跃迁可以发生强烈的转换，即在这种情况下，发射出来的是低能电子而不是γ射线。ft　　英文

关于在同质异能态之间的跃迁过程中发射出的辐射的内转换问题，赫布与乌伦贝克，以及丹克夫与莫里森给出了非常完整的理论[6]，该理论指出，这些辐射必须具有接近于1的内转换系数。这些计算都是基于魏茨克的假说，因此可以得出下面的结论：如果能够找到证明其所涉及的内转换系数的确很高的实验，就在一定程度上意味着魏茨克的假说是正确的。ft　　英文

确实，庞蒂科夫[7]在研究放射性铑时曾观测到低能电子辐射，他将其解释为原子核从亚稳态跃迁到基态时发射出来的电子线。*ft　　英文

在近期的大量实验之后，人们目前对于这些跃迁普遍发生强烈转换这一事实再没有任何怀疑。特别是在放射性溴[8]和43号元素[9]的同质异能核的实验研究中，人们已经在威尔逊云室和磁谱仪中拍下了转换电子的强线的照片。当然，内转换伴随着X射线的发射，因此，通常情况下在解释上述现象时[9,10]，对X射线的分析就是极其重要的检验标准。ft　　英文

寻找同种原子核（β放射性）的同质异能态之间可能具有的遗传关系是很有意思的：在这个研究方向上，塞格雷、哈尔福德和西博格曾描述过一种极为出色的方法[11]，他们成功地将放射性溴的两种同质异能形式彼此分离开来。他们所用方法的原理是，假定所要研究其同质异能状态的元素能够形成某些适用于齐拉特–查默斯富集方法的化合物。当处在较高能态的同质异能核衰变到较低能态时，就会放射出γ射线，而由此引起的反冲作用可能足以将衰变后的原子撞出化合物。于是就可以分离出子体放射性，如同在齐拉特–查默斯方法所描述的那样。ft　　英文

于是，这种已经成功应用于若干实例[12]的方法就可以用于：（a）分离某些研究中的已知同质异能核；（b）在人工放射性研究中，发现未知的同质异能核对的存在。ft　　英文

此外，这种方法对于同质异能态之间的跃迁发生强烈转换这一事实给出了一个令人惊奇的新证据：实际上，由于γ辐射而产生的反冲是不足以将衰变后的原子撞出化合物的，但是转换电子引起的反冲却能够做到这一点。ft　　英文

到目前为止我们讨论了放射性的同质异能素：在这些情况下出现的同质异能现象意味着同质异能素寿命之间的差异。庞蒂科夫[5]已经注意到，具有亚稳激发态的β稳定核应该不是很稀有，并且，对这种亚稳态所发射的辐射进行研究应该会有助于对它的了解。这些核对于理解核的同质异能现象是有帮助的，因为对应于从一个同质异能态到另一个同质异能态的跃迁的辐射并没有受到β射线或γ射线的干扰。在经过一次核嬗变或者一次放射性衰变之后，可能会得到一个处于亚稳态的β稳定核。ft　　英文

多德和庞蒂科夫[13]通过用快中子轰击镉的方法获得了一种放射性（T＝50分钟），化学证据表明这种放射性源自镉的一种同位素。另外，无疑同时发生了单纯的中子俘获反应或者（n,2n）反应。他们将镉（50分钟）发射的软辐射解释为镉的一种同位素的某一亚稳态的辐射；事实上，对具有相当可观截面（大约为10－24平方厘米）的不伴随快中子俘获的（n,n）激发反应，激发的那部分核落入亚稳态是可能的。ft　　英文

塞格雷和西博格[9]曾观测到43号元素的亚稳态，它以6小时的周期衰变（只有电子的线型能谱）到基态，基态是稳定的，或者可能具有长寿命的放射性。因此，周期为6小时的放射性是一种β放射性钼的子体。ft　　英文

戈德哈伯、齐拉特和希尔[14]曾观测到一种非常有趣的情况，并对其进行了充分的研究。他们通过上面提到的（n,n）反应得到了115In的一个半衰期为4.1小时的亚稳态（115In），此外，一种放射性镉（T＝2.5天）衰变后也能得到同样的态。115In发射出的辐射还没被充分的研究；它的性质对理解核的同质异能现象与同量异位对来说都是非常重要的。实际上，115In与115Sn是稳定的相邻同量异位核的罕见实例之一：115In*可以衰变成115Sn（β辐射），或者衰变成115In，或者同时衰变成这两种元素。ft　　英文

巴恩斯与阿拉丁[15]通过用5.8兆电子伏的质子照射铟元素（反应p,p），也得到了115In的同一亚稳态。不过，我们目前仍不清楚，核激发机制是否如魏斯科普夫所讨论的那样，是由质子电场的作用而导致的激发[16]。ft　　英文

在上述各情况以及一些更为近期的研究[17]中，稳定同位素的亚稳态都是通过核嬗变得到的。ft　　英文

拉扎德和庞蒂科夫[18]尝试了一种新方法，该方法使核嬗变不可能发生从而获得人工放射性元素，而人工放射性元素的出现有可能干扰实验研究。ft　　英文

这种方法要使用具有连续谱的X射线照射靶子，所用X射线的能量低于核的离解能。假定被照射的核具有一个亚稳态；X射线可以激发核的较高能级；由此而被激发的一部分核就可能落入亚稳态，可以观测到的正是来自这个态的辐射。所用连续谱的最大能量为1,850千电子伏，铟原子产生了周期约为4小时的放射性，这一放射性显然是来自我们曾提到过的115In*亚稳态。柯林斯与其他一些研究人员[19]从铟的稳定核荧光现象上得到了类似结果。ft　　英文

毫无疑问，在不同实验室所进行的研究工作中，一定会发现β稳定核的新同质异能素；关于亚稳态发射辐射的系统性研究对于理解核同质异能现象无疑是大有助益的。ft　　英文

总而言之，根据大量已知的同质异能素，我们可以说，具有介于诸如寿命在10－7秒到1秒之间的放射性跃迁，很有可能比我们一般所认为的更为频繁。另一方面，这些跃迁发生了强烈的转换[6]。由此，我们预期[20]会频繁地发现这种转换系数近乎1的跃迁。ft　　英文

实际上，在钆俘获慢中子的过程所发出的辐射中，阿马尔迪和拉塞蒂[21]已经观测到了强的软电子成分（寿命不足10－3秒）。在其他核的慢中子俘获过程中也观测到了软电子成分[22]。此外，这些强烈转换的跃迁对于解释某些天然放射性元素发射的γ光谱和X光谱可能也会起到相当重要的作用[20]。ft　　英文

（王耀杨　翻译；厉光烈　审稿）

* 附加说明：卢西诺和约瑟夫维奇独立地得到了一个类似的结论[《苏联科学院院刊》20, 9(1938)]，他们在研究放射性溴的同质异能现象时观测到了软性电子辐射。