魏焱明
☀难得一见的可逆核反应!☀
2016-2-23 23:58
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标签:核反应, 衰变, 半命, 电子捕捉, 电子发射

化学反应中存在司空见惯的大量可逆反应。例如氨的合成:

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3

究其正反能量差只不过区区个位数eV而已,适当控制物理条件很容易实现。

然而在核反应领域,能量交易都在MeV数量级,可逆反应恐怕尚无人知晓。

实践出真知。左寻右觅,我竟找出这么一个特例。

37Rb87   ⇌    38Sr87

正常情况下,碱土元素同位素铷87,经β-衰变为锶,那是自然天成,只不过要等天荒地老的半命时间:4.924*1010年!比地球年龄还多出1个数量级。

37Rb87    -〉  38Sr87   + 282.2 keV(释能)

这么长的半命并不奇怪,因为考察自旋-宇称()的情况,就会发现自旋量子数反应前后变化为4,而且宇称还不守恒1/2- -〉9/2+。显然属于3类禁止范畴。

但凑巧的是Sr-87存在一个低能级的Yrast,或等质异能(Isomer)的激发态:388.5keV。且自旋-宇称1/2-刚好与Rb-87基态相同,且能级高于正向衰变落差,更要命的是此态的γ衰变半命还长达2.815小时。这一切的一切导致可逆核反应有了存在的可能性!

Johnson等人的实验观测果然应证了这一可能性,尽管相对γ衰变而言,概率仅有0.3%

该核逆向反应(电子捕捉衰变βec):

38Sr87m   -〉  37Rb87    (106.3keV

能级跃迁较小时(keV数量级),能量交换一般以内部核-壳电子转换的方式进行,也称虚光子K或L层电子抛射。

注意上式中激发态的38Sr87m,是在基态38Sr87吸能388.5keV后获得,因而平衡后的逆反应是吸能= 388.5 - 282.2 = 106.3keV的反应,不能自发进行。

非可逆反应时,激发态退激γ衰变分支概率99.7%,发出的光子自旋角动量为ℏ,而轨道角动量为3ℏ,为强螺旋偏振光子。怪不得要酝酿磨蹭近3小时才射出此光子!

其实,本例称可逆核β衰变更贴切。

仅此一例,足可证明可逆核反应在特定情况下是可能发生的,尽管此处概率很低。


参考文献:Nuclear Data Sheets 129, 1 (2015) by T.D. Johnson and W.D. Kulp


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