科学家刚刚揭示了当原子分裂成两半时会发生什么

原子（Atom）这个词来自希腊语，意思是不可分割的。但是，别被这个名字骗了。

美国理论物理学家的一项模拟首次提供了原子断为两截的完整微观特征，揭示了对一次能量事件的新见解，这一事件后来定义了科学和技术的新时代。

1938年，当物理学家奥托·哈恩（Otto Hahn）、莉兹·迈特纳（Lise Meitner）和弗里茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）展示了铀原子核在被中子击中时分裂成两半的过程，我们发现了这个小词的用词不当。

几十年后，尽管核裂变在战争、电力、医学和科学研究中得到了广泛应用，但它迟迟没有泄露自己的秘密。

除了质子和中子像分配器里的口香糖一样聚集在一起的简单模型之外，一个大质量原子的原子核是一个量子活动的狂野风暴。

了解单个核子的行为和相互作用，对于那些安静地孤独地坐着的原子来说已经足够具有挑战性了，更不用说那些正在经历重大转变的原子了。

为了更容易理解，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室和华盛顿大学（UW）的理论物理学家将裂变过程分解为四个步骤。

在最初的10^-14秒内，一个缓慢移动的中子的引入迫使原子核膨胀，并在所谓的鞍点上重新排列自己，使原子看起来有点像一个小小的花生壳。

随后是一个更为迅速的转变，称为从鞍状到断裂，在那里裂变过程的碎片被建立起来。这个过程大约持续5×10^-21秒。

第三步甚至更快，在10^-22秒内转换。在所谓的断裂或颈部破裂中，细胞核正式分裂。

最后一步需要10^-18秒的时间来展开，裂变碎片将自己拉成形状并加速离开，在短暂的延迟后释放中子和伽马射线，并可能产生其他衰变过程。

不止一种理论描述了亚原子粒子从花生到爆米花的精确迁移，尽管在许多情况下，实验结果要么与物理学的基本假设相矛盾，要么与单个质子和中子之间相互作用的“微观”建模相冲突。

量子多体模拟基于主要作者华盛顿大学物理学家Aurel Bulgac开发的框架，是迄今为止最准确的描述，准确地描述了在分裂时刻所期望的情况，此时连接大原子核两半的桥梁收缩并分离。

在不同的启动条件下对铀-238、钚- 240和加利福尼亚-252的计算需要美国能源部橡树岭国家实验室的超级计算机的广泛使用。

“这可能是在没有任何假设和简化的情况下，对颈部破裂最精确和最仔细的理论描述，”Bulgac说。

“我们有一个非常具体的预测，直到现在还不存在。以前的理论总是基于这样的假设：“让我们假设这正在发生，如果它正在发生，那么这可能就会被看到。”我们没有那样做。我们只是把几十年来在核物理学中已知的高精度运动方程，加上量子力学，没有别的了。”

模拟揭示了裂变过程中的一些意外情况。在一些模型预测颈断裂过程中存在大量量子随机性的地方，该团队的模型在断裂点出现之前确定了亚原子粒子密度的明显“皱纹”。

这两种类型的核子在分裂的时间上也有明显的区别，质子颈在中子颈之前完成断裂。

至关重要的是，模拟证实了在裂变阶段释放高能中子的争议性提议，该模型甚至预测了它们的能量、角度分布，甚至逃逸方向。

“大多数实验在裂变碎片运动的方向上寻找它们，但他们无法区分那里的裂变中子，因为它们大多数是由热碎片发射的热中子，”Bulgac说。

有了预测，下一步就是看看实验是否支持这些关于“不可分割的”原子是如何分裂成两半的最新发现。

这项研究发表在《物理评论快报》上。

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