核嬗变

定义

核嬗变指的是一种化学元素被转化为另一种元素，或同一种元素的某个同位素转化为另一种同位素的过程^[1]。能够引起嬗变的核反应，包括一个或多个粒子（如质子、中子以及原子核）与原子核碰撞后触发的反应，也包括原子核的自发衰变^[2]。反过来说，自发衰变或粒子碰撞并不必然带来嬗变，例如 γ 衰变及与之相关的内转换过程就不会改变核素种类^[1]。

按照发生方式，核嬗变可分为天然嬗变和人工嬗变两类；天然嬗变凭借放射性衰变和宇宙射线等方式完成，人工嬗变则借助粒子加速器、核反应堆等装置实现^[2]。与只改变电子排布的化学反应不同，核嬗变改变的是原子核本身，因此能使一种元素真正变成另一种元素^[1]。

原理

原子核由质子和中子组成，元素的种类取决于核内质子数，同位素的差别在于中子数^[3]。当入射粒子与靶核接近到约 10⁻¹⁵ 米量级时，两者之间发生相互作用，核内成分经重新组合形成新的原子核^[4]。反应前后质量数、电荷数、能量与动量等必须守恒，因此嬗变方程两端的粒子数可以逐项核对^[4]。

带电粒子要进入原子核，须先克服库仑排斥形成的势垒。按照经典力学，能量不足的粒子无法越过势垒，而量子力学给出的隧穿效应使粒子存在一定概率穿过势垒并进入核内，这是低能核反应得以发生的物理基础^[5]。中子不带电，不受库仑势垒阻碍，因而常被用作引发嬗变的入射粒子^[3]。

从能量角度看，反应前后的静质量会出现亏损，亏损量按 $E = \Delta m c^2$ 转化为释放或吸收的能量^[2]。反应能不足以克服库仑势垒时，只有在入射粒子动能高于阈能的情况下反应才可能发生^[4]。

flowchart LR

A["入射粒子（质子、中子、光子等）"] --> B["接近靶核"]

B --> C["越过或隧穿库仑势垒"]

C --> D["形成复合核"]

D --> E["放出粒子并生成新核"]

发展历程

嬗变一词可追溯到炼金术时代。炼金术士曾试图借助贤者之石把铅等贱金属变为黄金，中世纪时这种可能性在学者间存在广泛争议，14 世纪初一些欧洲国家还立法加以禁止^[1]。拉瓦锡和道尔顿建立现代化学元素理论与原子理论后，元素不变的观点成为化学的基本认识，点石成金之说逐渐退出主流^[1]。

19 世纪末放射性的发现改变了这一局面。1901 年，卢瑟福与索迪发现钍会自发转变为镭，此后人们认识到放射性衰变本身就是一种天然核嬗变^[1]。1919 年，卢瑟福用镭放出的 α 粒子轰击氮气，观察到氮-14 转变为氧-17 并放出质子，这是人类首次实现人工核嬗变，也被视为第一次观察到核反应^[6]。到 1925 年，布莱克特通过云室照片确认了氮转变为氧-17 的过程^[3]。

1932 年，考克饶夫和沃尔顿建成分压倍压加速器，用能量约 0.4 兆电子伏的质子束轰击锂靶，得到两个 α 粒子，完成了历史上第一次完全用人工加速粒子实现的核反应，两人因此获得 1951 年诺贝尔物理学奖^[5]。同年中子被发现，由于中子不受库仑势垒阻碍，成为引发核嬗变的高效入射粒子^[7]。1937 年，塞格雷用回旋加速器照射钼，获得人工制备的第一个放射性元素锝^[8]。1938 年，哈恩与施特拉斯曼在铀与中子的反应产物中发现此前未预料到的核素，据此认识到重核裂变现象^[8]。

应用

人工嬗变是制备人工核素的主要途径。利用加速器或反应堆，人们合成了大量自然界不存在的放射性同位素，这些核素在工业、农业、医疗和科研中得到使用^[1]。把放射性原子掺入待测物质并追踪其行踪的示踪方法，可用于研究物质迁移和分布情况^[1]。

嬗变也可用于处理核废料。高放射性、长寿命的锕系元素如钚、镎、镅、锔等，通过在反应堆中用中子辐照转化为短寿命或稳定、放射性较低的核素，可望降低废料的放射性与毒性，或缩小其体积^[2]。工程上常采用加速器驱动次临界系统，即用高能质子束轰击重金属靶产生散裂中子，再由这些中子驱动次临界堆芯完成嬗变，同时把铀-238转化为可裂变的钚-239，实现核燃料增殖^[9]。

反应堆中的中子俘获是制备超铀元素的常用方式。铀-238 俘获一个中子后形成铀-239，经两次 β 衰变依次生成镎-239 和钚-239^[3]。此前，科学家还用加速器把铋或铅转化为金，验证了从贱金属制取贵金属在原理上可行，但产率极低、能耗极高，不具备实用价值^[1]。

局限

核嬗变的技术门槛较高。带电粒子需克服库仑势垒，反应概率受入射粒子能量和反应截面限制，因此多数人工嬗变必须依赖加速器或反应堆提供高能粒子或强中子场^[4]。加速器驱动次临界系统虽然被认为是有前景的路线，但因技术难度大，目前全球尚无建成运行的同类装置^[9]。

嬗变处理核废料也有前提条件。较重的核素需要快中子堆或用加速器驱动系统才能有效转化，热中子堆的能力有限^[2]。含锕系元素的靶件在强中子辐照下容易损坏，需借助惰性介质增强结构强度^[2]。

把贱金属变成贵金属在经济上不可行。相关反应需要消耗大量能量，产出与投入严重不成比例，无法用于规模化生产^[1]。此外，许多嬗变产物本身具有放射性，处理过程仍需按放射性物质的要求进行防护和管理^[2]。

参见

• 核反应 —— 原子核与粒子相互作用并生成新核的过程，是核嬗变的主要实现方式。

• 放射性衰变 —— 原子核自发放出射线并转变核素的天然嬗变形式。

• 核裂变 —— 重核分裂为中轻核并释放能量的核反应，常用于人工嬗变。

• 粒子加速器 —— 为带电粒子提供高能量的装置，是人工嬗变的关键工具。

• 核废料 —— 嬗变技术的主要处理对象之一。

• 同位素 —— 质子数相同、中子数不同的核素，嬗变可使其相互转化。