再访广岛

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

第三章  第四节

3.4 广岛放射性尘埃中同位素比例差异

  图3.4B表明，在广岛轰炸产生的放射性尘埃中铯137对钚（钚239和钚240）的比例有很大的差异。一个非常明显的差异在四十万等人【6】的报告中也提到了：在取自一块石膏板的黑雨样品中的铯137和由炸弹产生的铀235的比例。（见图1.2）这个同位素的比例应该是与炸弹裂变当量相称的，作者们认为这一比例为1.2%；根据他们自己的计算，该比例的观测值范围为当量的0.62至8.1倍。同样，高田等人【56】进行了土壤样品的研究，该研究结果在第3.1一节进行过讨论，表明铀234的富集度与铯137的水平没有明显的相关性。（见图3.5A）

图3.5 广岛放射性尘埃中同位素比例的差异

A:234U/238U（ activity)：铀234/铀238 （ 活性）；137Cs(Bq/kg soil)：铯137（贝克/千克土壤）；black area：黑雨区；control area：对照区。

B:240Pu/239Pu (mol/mol)：钚240/钚239（摩尔/摩尔）；Fissioned nuclei/Pu (mol/mol)：裂变原子核/钚（摩尔/摩尔）

A：广岛黑雨区室内外放射性尘埃中铀234和铀238的活性比与铯137活性的比。复制于参考文献【56】。B：钚240和钚239的摩尔比与裂变原子核与钚总量的摩尔比。【63】摩尔比是根据该参考文献报告的活性比估算的。那条趋势线的拟合没有使用误差值；如果使用误差值，它的下降坡度更大。

  为了说明它们观察到的同位素比例的明显的差异性，四十万等人提出，铯和铀是在空气中悬浮时通过“冷凝”而分离的，但他们没有提供任何关于这个提议机制的细节。他们也没有讨论这种可能性：非均质同位素的丰度比将直接由爆炸产生，并持续到膨胀阶段之后。

  在这种情况下，值得注意的是，由山本等人【63】进行的样品研究表明钚240与钚239的比值有很大差异。（见图3.5B）如果我们暂时放弃怀疑，假设两种钚的同位素确实来源于核爆炸，它们的不同比例不可能是由于在运动过程中的不同冷凝，因为任何此类影响都必须以相关元素的不同化学性质为基础；因此，我们不能指望冷凝能分离出该元素的不同同位素。（而且四十万等人也不认为它会这样）因此我们必须将观察到的钚240/钚239的比例的差异性归因于爆炸本身的不均匀性。

  我们在前面已经看到，钚239是由铀238通过一次中子俘获产生的，而钚240的形成则需要连续两次的中子俘获，这两次中子俘获必须来自不同的裂变。因此我们期待钚240的比例应该与裂变和钚的总量比例呈正相关，然而没有观察到这种情况。（见图3.5B）。因此，由四十万等人提出的冷凝机制的假设不仅要考虑铀235和铯137之间的相关性的损失，而且还要考虑钚240和铯137之间的相关性（代表裂变核的数量）。

  这种假设的分离机制到底有多少合理性？我在科学文献中没有看到过这方面的问题；因此我将拿出我自己的推理。我假设，在核爆炸之后，产生的每个核素都将以多种电离状态存在。这是每个离子的净电荷，而不是该离子所属的化学元素在中性状态下的化学反应性。这尤其适用于它与水分子的结合，一旦温度下降到相当低的程度，水分子就会开始与之结合。

  一旦一些离子成功地吸引水分子并保持了水合壳层，产生的气溶胶颗粒就会清除其路径中的额外离子，最终将凝结成更大的液滴。这两个过程都倾向于混合不同的核素，而不是分离它们，差异冷凝似乎不适合解释四十万等人【6】研究的单个大黑雨滴之间同位素比例的非常显著的差异。

第三章  第五节

3.5  长崎附近西山水库沉淀物中的铯和钚

   由于投在长崎的炸弹（胖子）与后来几十年中进行试验的大多数核弹一样，使用的是钚239，在这种情况下把当地的放射性尘埃与环球放射性尘埃的同位素信息区分开来不太容易。不过有一个进行弥补的条件：据报道，长崎放射性尘埃最严重的地方在西山町水库周围，是位于爆炸中心大约3公里的一个小型水体。斋藤库布等人【65】对该地放射性尘埃沉积物进行了时间测定，对这座水库水底的沉积物进行了分析。他们发现，钚和铯的峰值在435——440厘米的最低处（见图3.5A）；这些沉积物肯定是最早的放射性尘埃。

图3.5 长崎附近西山町水库沉积物中的放射性尘埃

Activity(Bq/kg):活性（贝可/千克）；Sediment depth(cm)：沉积物深度；Charcoal particles per cm³：每立方厘米炭颗粒数；Fission yield（%)：裂变产额（%）。

A：钚和铯的活性及炭颗粒与沉积物的深度。B：钚及估计裂变产额与沉积物深度。数据引用自斋藤库布等人【65】报告中的表格1和图2  。详见下文。

   全部沉积物岩心只有一层含有可见炭颗粒，对此这些作者们含糊其辞地把它归因于来自燃烧的城市烟尘的沉积。然而令人感兴趣的是这一层是在大约450厘米的深处发现的，这项研究结果是在那次轰炸63年后公布的。这里的沉积物是以平均每年接近7厘米的速度积累的，假设这个速度是比较均匀的，10——15厘米的间隔相当于两年的时间间隔。

   这份研究报告的作者们承认，峰值是分散的，尽管如此，他们仍然把放射性归因于长崎炸弹的尘埃。但是除了声明将对分散的原因需要“进一步研究”之外，没有加以任何解释。考虑到炭颗粒的大小是肉眼可见的，我们可以假定它们在沉积物中是不能移动的；所有的分散都是通过放射性同位素向上迁移造成的。然而这样的迁移是非常不可能发生的，原因如下：

   1，这种迁移缺乏驱动力。在干燥的土地上，同位素可能会随渗透的水穿透土壤向下输送；而且考虑到这座水库已经蓄水了，那里就不会再有水从地下向上移动。

   2，钚和铯的峰值与炭层是接近的，但实际上并没有重合。如果放射性缓慢地从炭层过滤出来，那样放射性的峰值范围应该更大，而且同炭层有更多的重合。

   3，由阪口等人【57】报告的发现表明，被水带着渗透的钚比铯的速度快得多；因此在这座水库里，钚的峰值应该比铯的峰值向上层移一些，然而这两种同位素的峰值所在层是重合的。

   如果我们检测一下沉积物中钚与铯的比率，就会发现另一个不相符的地方。根据三种同位素钚239、钚240和铯137的半衰期，用这个插图可以估算出给定的沉积物层面的年份以及铯137每次裂变反应的产额（约6%），我们就可以计算出长崎炸弹裂变的产额。长崎炸弹的放射性尘埃是包含在那一层面里的。在图3.5B中，计算出来的裂变产额与沉积物的深度以及钚的含量进行对照。我们看到在360厘米和390厘米之间有一个钚的活性稳定区，在这个区域里，最有可能含有那场战争之后进行的原子弹试验产生的放射性尘埃，我们看到的裂变产额在20——40%的范围内。然而当我们向更深层进行观察，达到被认为是长崎炸弹的高峰值时，裂变产额却降到了5%以下。

   根据标准的说法，【4】长崎的炸弹（胖子）含有6.2千克钚，据说其中有1千克发生了裂变，这相当于16%的裂变产额。因此，从据称含有“胖子”沉降物的沉积物层中观察到的同位素比率可以看出，裂变产额最多不过5% ，与官方的说法是不一致的。（脚注8）

   如 前所述，对于所观察到的差异，有一个政治上不正确、但实际上很直接的解释：炭颗粒和放射性之所以在沉积物的不同层面中被发现，是因为它们是在不同的时期进入水库的。因此放射性并不是“胖子”传播的；这也说明了同位素比例不相符的原因，这个比例与所声称的炸弹的裂变产额不相符。

【脚注】

8：估算的裂变产额实际上并不受所推测的钚的延迟扩散的影响；把含有钚和铯137的最底层的年代确定为1945年，这使得测量值与官方的说法无法吻合。