終於解決謎題:原子核裂變的過程!

2020-12-04 博科園
博科園:本文為核物理學類

東京理工學院科學家對現有的數學模型進行了擴展,使其能夠更準確地預測核裂變反應的產物。核裂變是一個原子的原子核分裂過程,通常導致兩個更小的,不一定相等的原子形成(這被稱為二元裂變,因為有兩個裂變產物)。儘管核裂變已經在全球核電站中被利用了幾十年,但我們對核裂變反應的理解和模型仍有許多空白。科學家們觀察到有四種不同的裂變模式,它們廣泛地表明了裂變事件將產生何種類型的核物種。這些模式與原子核完全分裂之前的兩個原子核形狀有關。其中兩種模式被稱為標準模式,是非對稱的,它們產生較輕的原子核和較重的原子核。

博科園-科學科普:另外兩種被稱為超長和超短裂變模式,它們都產生兩個幾乎相同的原子核。一個用於預測各種重元素裂變產物(及其動能)的模型涉及3-D朗格文方程。這些三維方程是基於三個變量,這三個變量是為即將經歷二元裂變的原子核定義:左右碎片中心之間的距離,碎片尖端的變形,以及它們在質量或體積上的差異,稱為質量不對稱。雖然這個模型已經成功地應用於許多重核,但是它的預測與一些費米(256Fm和258Fm)和門捷列夫(260Md)同位素的實驗數據並不相符。東京理工大學的一組科學家,包括千葉聰(Satoshi Chiba)教授,利用4-D Langevin方程,試圖增強這一模型。

當核心生物分裂成兩個碎片時,它會經歷變形,這些變形必須在模型中得到精確的解釋,才能準確地做出預測。圖片:Scientific Reports並利用它來理解這些同位素發生了什麼,新模型的方程如圖所示:核即將發生裂變的模型,將表示碎片尖端變形的變量替換為兩個自變量,這兩個自變量允許這些變形是不同的,而不是總是對稱。這種額外的自由度使得新模型可以解釋以前在使用前一個模型時所無法解釋的問題。256Fm和258Fm裂變產物的實驗數據(如圖所示,256Fm和258Fm裂變產物的實驗和計算數據)表明:256Fm的標準裂變模式佔主導地位;而258Fm和260Md的數據表明:超短裂變模式的可能性更大。研究小組推斷,兩個碎片在斷裂時的形狀對裂變產物及其動能有非常相關的影響,迫使碎片尖端的變形相等會導致不準確預測。

根據256Fm和258Fm的質量數,給出了的裂變產物。這些圖顯示了使用3D模型(藍線)計算的數據與實驗數據(紅點)之間的差異。相比之下,用4D模型(黑線)計算的數據更符合實驗結果。圖片:Scientific Reports三維(3D)朗格文方程無法解決這些同位素在標準裂變模式和超短裂變模式之間觀察到的轉變。現在,有了4-D Langevin模型,這就解決了。該小組計劃進一步改進該模型,以增強其對許多原子核裂變反應的預測能力。使用這樣的模型,研究人員可以更容易地研究和解釋與裂變有關的現象,如上述費米同位素的躍遷。模型讓我們能夠以一致的方式解釋這些轉變是如何發生的。如果我們要繼續改進現有的核技術以確保可靠的能源來源,就必須更好地理解和更好地模擬核裂變。

博科園-科學科普|研究/來自: 東京理工大學參考期刊文獻:《Scientific Reports》DOI: 10.1038/s41598-018-37993-7博科園-傳遞宇宙科學之美

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