自首次提出用激光辐射分离同位素的新方法以来已约十年。在过去的五年中，大量的工作致力于详细阐明和实现这些技术。目前我们正处在演示首批小规模试验性激光同位素分离（LIS）装置之际。在这篇评论中，我们将尽力概述LIS的基本概念、方法和关键实验。

仅仅由于可覆盖从约2000埃至20微米的宽阔光谱范围的各种可调谐激光器的发展，七十年代初期，LIS法成功的精心设想才成为可能。然而，LIS法对可调谐激光器的参数提出严格的要求，也促进了高效可调谐激光器的进一步发展。

概念和各种LIS方法

所有的LIS法都是基于从一个原子或选定同位素组成的一个分子的选择性光致激发开始的一系列依次的相继过程。由于不同同位素组成的分子和原子的光谱吸收线的频率和结构不同，因此同位素选择性光致激发是可能的。由于不同同位素的质量、体积和核自旋的差异，原子光谱中会出现同位素效应。影响分子的振动和转动频率的同位素质量上的差异对于分子光谱是重要的。在低压（小于几托）气体中光谱线宽是非常窄的，因此很小的同位素位移对于选定同位素的选择性激发就足够了。然而，有一些重要的例外（碱和碱土元素的原子光谱、含重同位素的多原子分子在室温下的光谱），对于它们、采用压窄线宽（原子束）和简化复杂分子光谱（在气体或在超声射流中冷却分子）的一些特殊方法。在压力高于几托的气体中和在凝聚介质中展宽的分子谱线，除极少数外（低温基体），都不适于同位素选择性激发。

原子（分子）的激发显著地改变其某些物理和化学性质，如反应性增强、电离能及离解能降低、光预离解、光异构化、运动轨迹改变等等，尤其是以下三点是必须注意的。第一，受激原子（分子）通常比未受激原子（分子）具有比较高的化学活性。因为激发过程中获得的内能使克服化学反应能量势垒的几率增加。光化学同位素分离法乃是基于选择性光致受激原子（分子）与某一适当的化合物起化学反应时，具有大大超过另一种同位素组成的未受激原子（分子）的化学反应速度的能力。这种方法远在发明激光器之前已是大家所知道的，而且已成功地用于某些原子和分子的电子态光致激发。第二，原子的激发显著地降低它们的电离能。因此，选择性受激原子可以用适当波长的附加辐射进行电离，不同同位素的未受激原子则剩下而不受影响。这种想法构成LIS的原子光致电离法的基础。第三，分子的激发十分有效地降低它们的离解能。因此，选择性受激分子比另一种同位素的未受激分子能更容易得多地离解。这种机理是已经发展起来的第一个LIS的光致离解法的基础。

这三种主要想法是在这里要讨论的LIS中积极地发展的方向（光化学、光致电离和光致离解）的原理基础。其它几个不是很普遍，但也有意义的LIS法是利用光预离解、某些分子的光异构化以及在光吸收时，由于反冲效应产生的原子轨迹的光致偏离。也提出和演示过其它一些方法。

光致电离法

原子的选择性光致电离是在原子水平上物质的选择性分离，特别是同位素的选择性分离的最普遍的光物理方法。

用激光辐射同位素选择性逐步光致电离原子的主要方式包括：a）两步光致电离；b）三步光致电离；c）通过一个自电离态的逐步光致电离；d）里德堡态的选择性激发和用红外辐射光致电离；e）里德堡态的择选性激发和用电场电离e选择性电离的所有方式的共同特征是两步进程：（1）同位素选择性激发和（2）受激原子的电离。两步光致电离方式是最简单的。使用可见波长激光器于具有高电离电位原子的电离，三步方式也许是有用的。将最后一步辐射的频率调谐到受激原子跃迁至自电离态（不论是自发的还是电场诱发的状态）的频率，能够增加光电离截面。最后，高位里德堡态可以用红外辐射或脉冲电场电离。所有这些方式都已用于同位素选择性电离，它们的优缺点此处不予讨论。

大量的注意力集中于铀同位素的分离上。在具有低的铀蒸汽密度的原子束（10¹⁹原子 · 厘米^-3）中，用染料激光辐射选择性两步或三步电离²³⁵U原子的结泉，已获得70%的²³⁵U同位素浓缩。天然铀中²³⁵U丰度大约只有0.7%，因此这样的浓缩度相当于约100的同位素分离因数。在原子束中这样低的蒸汽密度下，LIS装置的运转条件远非理想，为了达到所需生产能力和高的激光辐射利用效率，设备的规模将会十分庞大。在较高铀蒸汽密度（10¹³原子 · 厘米^-3）下进行的类似实验，曾生产了6%的浓缩²³⁵U。这一结果表明，这种过程完全适于生产轻水反应堆燃料，但不太适宜生产高浓缩铀。这样一个铀LIS法的一些重要技术问题，例如在为产生所需蒸汽密度而必需的高温下铺蒸汽的高化学活性，也应加以考虑。所以，在激光分离铀同位素的原子电离过程工业化方面存在着一些问题。总之，认为这样一种过程会导致在一个中等规模的工厂中，廉价生产高浓缩铀的意见多少有点夸张。

除铀同位素分离外，这种分离要求相当不同的经济工艺条件，其它同位素的选择性电离也正在进行实验室研究。这些同位素，例如Ca、Rb、稀土和或许超铀元素，其量在小得多的情况下也可能是有用的。在实验室LIS装置上，在中等平均强度的电离激光辐射下，受激原子的有效电离在这些情况下存在着重要问题。两步和三步光致电离方式在这里实际上不能应用，因此必须将更大的注意力集中在通过一个自电离态的逐步光致电离和里德堡态的选择性激发和用红外辐射光致电离的方式上。用一个脉冲电_电离高位态是最简单和普遍采用的方法。

在具有大的跃迁截面（10^-15厘米²）的Gd原子的光谱中，长寿命（约1毫微秒）自电离态的发现表明，对高受激原子的电离，这样一种方式有时能够与使用电脉冲电离高受激原子的方式相竞争。

通过在电离极限附近（电离极限以下或者有时在电离极限以上）高位锐量子态原子的多步选择性电离的方法，对于LIS至少在实验室规模上是十分适合的。

光致离解法

这些是苏联科学院光谱研究所首先提出并用实验实现和用作同位素分离的。至目前为止，用激光辐射通过受激电子态和基电子态的分子进行同位素选择性多步光致离解的方式有：a）红外+紫外两步光致离解；b）高振动能级的多步选择性激发和用紫外辐射使它们光致离解；c）用单频强红外场多光子选择性激发和离解；d）用共振红外场振动能级的多光子选择性激发、用非共振强红外场多光子离解。这些方式现在广泛地用于LIS和在光化学、材料光学工艺学以及新近在光生物学中的潜在应用两个方面。

所有这些方式都基于用红外激光辐射进行分子振动态的初级同位素选择性激发，只要这个分子的振动光谱有适当的同位素位移（特别是对轻元素）。在最简单的情况下，被激发到第一振动能级的分子，随着不稳定电子态的激发，能被一适当波长的辐射所离解。这种使用两步（红外+紫外）分子光致离解进行同位素分离的首次成功实验，是用14NH₃和¹⁵NH₃分子实现的，稍后，又用¹⁰BCl₃和¹¹BCl₃分子进行了相应的实验。

这种方法的缺点是分子激发到第一振动能级后，紫外光致离解吸收带的相当小的红移。这一缺点限制了红外+紫外离解的同位素选择性。当激发由于多步或多光子过程产生的更高的振动能级时，这个缺点就会消失，最近，这已在用红外CO₂激光和紫外准分子激光光解分离¹²CF₃I和¹³CF₃I的实验中获得证明，在这一实验中测得离解选择性大于100。

给人深刻印象的和生产性的启示是用强红外激光辐射同位素选择性光致离解多原子分子BCl₃，SF₆。在研究强红外CO₂激光脉冲与在10微米波段有吸收的分子气体的相互作用之后，发现了这种效应。已发现在比较强的红外辐射下，在短时间（10^-7 ~ 10^-9秒）内，一个多原子分子在未同其它分子相碰撞的情况下，通过振动能级甚至能到达离解极限。整个红外光子多重吸收过程始于一个低的振动跃迁，这里通常存在明显的同位素位移（至少是对于轻的和中等质量的同位素）。通过选择适当的红外辐射频率，能使某些同位素分子离解。

使用红外多光子吸收，对大量多原子分子）包括BCl₃，SF₆，OsO₄，CCl₄，SiF₄，C₂Cl₂F₂，CH₃NO₂，MoF₆，H₂Cl₂C₂，H₂CO，SeF₆，CF₃I得到了有关离解法分离同位素的大量资料，特别是SF₆分子的离解已进行了广泛的研究。

多原子分子中，振 - 转跃迁的丰度（它在吸收几个红外光子后急剧地增加）是这种迅速地吸收多个光子直到离解极限的主要原因。可能的振 - 转跃迁的数目有限的简单分子（两个或三个原子的分子）不存在这样的红外光子的多重吸收。受激多原子分子通过许多不同的振动吸收红外光子，就导致许多（也许是全部）振动自由度的强烈激发。在这种情况下能够赋予受激分子以高的振动温度（热模型），并能用熟知的单分子反应理论来描述受激分子的离解。

用共振红外场振动能级的多光子选择性激发、非共振强红外多光子离解的方式是这种方法的一种重要的改进，这时用两种不同频率的红外辐射脉冲来进行离解。在这种方法中，区别分子的同位素选择性激发作用和受激分子的选择离解作用是可能的。对于分子的选择性激发，需要有频率ω₁和强度可精细调节的辐射。选择性受激分子的离解只要求粗略地控制频率ω₂的强辐射。在这种情况下，离解的同位素选择性得以增强，因为ω₂的强的非共振辐射不干扰频率ω₁的共振跃迁，这种方法对于重元素的同位素分离尤为重要。最近对OsO₄分子的实验表明，只要所有的参数选择得对，用双频离解得到约为1.6的离解选择性是可能的；然而，对于单频离解来说，当照射天然同位素混合物时，得不到同位素选择性。

用CF₄激光的16微米辐射脉冲，也就是在UF₆的振动带v₃的频率下，UF₆分子多光子离解的最新实验，是按照在单频红外场中最简单的离解方式进行的。离解特征（阈值能、产额）在许多方面与SF₆的对应特征类似。下一个显而易见的步骤是利用更精确的离解方式（高振动能级的多步选择性激发、用紫外辐射使它们光致离解以及前面已提到的，用共振红外场振动能级的多光子选择性激发、用非共振强红外场多光子离解）得到所要求的离解选择性（约为4），一种增加UF₆离解选择性的更可靠的方法是用动态冷却UF₆以提供和²³⁵UF₆的振 - 转吸收线的清晰分辨。

光化学方法

至今，用原子和分子的电子态以及分子振动能级的激发已证明了光化学分离同位素的可能性。然而，尽管早期的研究是怎样地乐观，实际的进展给人的印象却并不比上面讨论过的光物理方法（光致电离法和光致离解法）更深。

电激发的受激原子和分子的化学反应，在应用激光以前就已经研究了许多年。由253.7毫微米共振线激发的Hg的光化学同位素分离已用各种试剂成功地演示了。例如Pertle和Gunning的工作使²⁰²Hg以其天然丰度30%浓缩到85%。

Hg的光化学反应动力学是如此复杂，以致最广泛的研究也未能得出一个完善的机制。氮（共振灯激发NO）和碳（碘共振灯激发CO）的同位素分离的成功实验也接着完成了，浓集因数达到4 ~ 6。

对于光化学同位素分离来说，激光光源具有超过不相干光源的许多明显的优点。激光器的宽频可调性和极高的极限分辨给我们以相当自由地选择吸收线的机会，使我们可以获得可能有的最高的选择性，这就使同位素的光化学分离过程容易许多。原则上，用一般的非相干光源进行LIS的光物理实验是不可能的，因为它们的低辐射温度意味着它们不能有效地集居中间量子态，因而就不能提供有效的多步激发过程。

已报道过一些成功的光化学浓集实验。最有意义的结果是通过用连续波染料激光辐射同位素选择性电子激发ICl分子进行光化学分离³⁵Cl和³⁷Cl所得到的。例如在ICl选择性光加成到乙炔上去的情况下，在光加成产物C₂H₂ICl中，³⁷CI的浓集因数达到100。两种稳定氯同位素都可以从天然样品出发，一步浓集到97%以上的纯度。这是在同位素选择性电子光化学中非常有希望的结果。

用反应物分子的振动激发办法，基本上可以提高化学反应的速度，这作为LIS的一种方法早在1963年就提出来了。然而，直到十年以后才进行了第一次成功的实验。当时用增强Br原子同振动受激的H³⁵Cl反应的办法浓集了³⁵Cl。一束HCl - 脉冲化学激光用于把HCl从v=0激发到v=l和v=2。对于等压的Br和HCl，观察到的分离因数等于2。最近，在振动受激CH₂F分子与Br原子的反应中，也观察到了碳同位素的浓集。尽管观察到的分离因数不大，但从用连续波红外激光于LIS上的观点来看、这个实验还是有意义的。

用一束聚焦的脉冲CO₂激光泵浦BCl₃和H₂S（或D₂S）混合物中的BCl₃分子，它或许激发高振动能级，引起了硼同位素的分离。显然这个实验是在弱场单光子红外光化学和强场多光子红外光化学之间的一个过渡。

LIS的潜在优点

激光同位素分离方法有几个潜在优点超过更传统的方法：

2. 提取所需的同位素而留下其它未受作用的同位素的可能性。当元素具有几种中等质量的同位素时，我们用一束可调谐激光能只提取所需的同位素，而留下未受作用的同位素。这在浓缩稀有和中等原子量的同位素时，具有特别的重要性。

3. 低的能量消耗。LIS法每分离1个原子约耗费10² ~ 10³ eV（在激光效率为1 ~ 10%时）。在大多数经典的方法中，每分离一个原子的能量消耗要高10-10⁴ 倍。

4. 短的启动时间。对大多数激光方法，稳态操作条件是立即达到的。对于经典方法，启动周期可能至少几个月。

5. 仅用激光辐射连续地遥控分离过程的可能性。激光方法中没有传统的分离单元，使得浓缩物质和设备表面的接触最小，因而沾污也最小。这对于放射性同位素的分离和核反应堆废料处理尤为重要。

6. 通常，大多数经典方法的效率依赖于浓缩产物的质量。多数激光方法能够以几乎相同的效率使用于任一元素的同位素分离、不管它是轻元素还是重元素。

用于核能的同位素

用于核反应堆中生产动力的²³⁵U同位素的浓缩是经济上最重要的LIS对象。核反应堆燃料的世界需求量，从现在到2000年，估计要达到约600万吨U₃O₃。处理这些矿物的浓集费用，估计约达1500亿美元。有效的激光浓集方式将会惊人地降低这些费用。因此，若干实验室正在用各种铀的LIS方式进行实验。如上所述，基于光致电离的铀LIS的原子过程和基于UF₃分子光致离解的分子过程，都在进行着非常广泛的研究。

可以使用天然铀作燃料的重水反应堆，需要大量重水。现今重水的世界生产能力大于10³吨/年、功率为10亿瓦的反应堆所需要的800吨D₂O约值1亿美元，占总成本的15 ~ 20%。加拿大的工程师们估计，他们的反应堆每年将需要4×10³吨以上的D₂O。这就意味着必须找到氢同位素分离的有效方法。然而，应该记住，按照现在每个D原子的生产价格比²³⁵U的价格低1000倍，要发展经济上有竞争力的分离D的过程将会困难得多。天然水中D的含量非常低（1/5000），对于经济的LIS方法，要求有相当高的分离选择性（约为1000），也就是比铀的分离选择性高几百倍。不过，通过用可调谐紫外激光辐射光致预离解HDCO的方法和通过用CO₃红外激光辐射多光子离解多原子分子的方法分离氢同位素的可能性仍在研究之中。

今后，我们还必须考虑应用LIS法来生产具有低中子俘获截面的单同位素材料，如钛同位素的分离。

结 论

如果不考虑是哪一个同位素或哪一类同位素，要详细地比较激光同位素分离的各种方法，将是困难的。处在发展中的方法与那些已有的方法比较是特别复杂的，对于不能用现存的方法满意地分离的那些同位素，即低丰度的同位素和超铀元素，用激光法来分离显然要好一些。在以比较适度的量分离许多稳定同位素方面的较重要的工艺学上的进展似乎即将来临。在核能需要的大量同位素（铀，氘）的情况下，形势仍有些不确定。当比较特定同位素的分离方法时，我们必须记住现有激光工艺学的水平。在所有的情况下，大规模LIS的发展都受到现有激光器能量的限制，每年仅生产1吨，我们就需要10³ ~ 10⁴瓦范围的平均激光功率，事实上，激光工艺学方面的进展会相当急剧地改变这种形势。根据激光工艺学的现状，尚不能对未来大规模激光分离同位素的最可行方法作出确切的预测。

强调下面一点是适宜的，即对于激光同位素分离的选择性光物理和光化学方法，在同位素分离领域之外将找到重要的和实际的用途。借助于激光辐射，在涉及各种化学元素、同位素、核同质异能素、分子立体异构体、邻位和对位分子等等原子 - 分子水平的物质中、选择性地应用各种光过程（分离、化学反应、原子、分子和分子键的测定）是可能的。当我们能用激光辐射直接地处理特殊类型的原子和分子时，也就是我们能“逐个逐个原子”和“逐个逐个分子”地收集宏观量物质时、我们就实质上在研究原子和分子水平材料工艺学的一个新途径。

除了在原子 - 分子水平上选择性化学反应和选择性物质分离以外，原子、分子和分子键的选择性检测过程也非常重要。同位素选择性光物理和光化学过程目前进展非常迅速。在一些文献中，对这些和它们不太明显的应用进行了评论。选择性激光过程开辟了如核物理、光谱学、分子生物学、化学工艺学和生物化学这样一些学科有关的新的可能性。这些过程的某些方面，如激光鉴别DNA中核甙酸的序列和激光选择性生物化学过程，正在变得和激光分离同位素一样的重要。

（Nature，1979年277卷5698期）