Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 148
Текст из файла (страница 148)
Это предсказание требует еще экспериментальной проверки, трудность которой )Гл. Х1!1 Ядерные реакции 566 состоит в исключительно большом значении ожидаемого времени жизни протона. 7. Отметим теперь существенное обстоятельство, связанное с законом сохранения и квантованием момента импульса при низких энергиях сталкивающихся частиц. Орбитальный момент относительного количества движения двух сталкивающихся частиц может принимать только целочисленные значения 1 = О, 1,2,... 1в единицах Ь).
Это обстоятельство в связи с ограниченным радиусом действия ядерных сил приводит к заключению, что реакция между частицами возможна практически только при небольших значениях 1. Оценку максимального значения числа 1 строго можно получить на основе последовательной квантовой механики. Не имея возможности сделать это, воспользуемся полуклассическими представлениями в духе теории Бора, а затем дополним их Ь1 качественными соображениями квантовой ,й механики.
Момент импульса частицы с импульсом р, налетающей на неподвижное ядро, Рис. 157 равен рЬ, где Ь вЂ” прицельное расстояние (рис. 157). По классическим представлениям реакция может произойти только в тех случаях, когда Ь меньше радиуса действия ядерных сил: Ь ( й, где й радиус ядра, а потому Ьр ( йр или И ( йр. Отсюда, вводя длину волны де Бройля, получаем 1(— 2кй й Х' 188.14) е а~ А1 1) РЬ~ В( 1) 188.15) Это и есть искомое ограничение.
Оно существенно при больших значениях Л, т. е. при низких энергиях налетающей частицы. С учетом волновых свойств частицы реакция в принципе возможна при любых значениях 1, но вероятность реакции резко падает, если соотношение (88.14) не выполняется. Если полное сечение реакции представить в виде суммы о = 2,'оп где щ —. парциальное сечение реакции, т.е.
сечение реакции, идущей при определенном значении 1, то оказывается, что в случае электрически нейтральной частицы о~ (21+ 1)ри (21+ 1)11, т.е. при уменьшении энергии частицы , ш й сечение а~ убываег тем быстрее, чем больше 1. Для электрически заряженных частиц это убывание происходит еще быстрее. В этих случаях в СЦМ 1но не в ЛС) угловое распределение вылетающих частиц сферически-симметрично, т.е. частицы разлетаются по всем направлениям с одинаковой вероятностью.
8. О лептонных зарядах и законах их сохранения уже говорилось 15 74, п. 10). О четности состояния и законе сохранения четности было сказано в 5 69. Напомним здесь, что закон сохранения четности выполняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях и нарушается в слабых. Для ядерной реакции а+А -э Ь+В закон сохранения четности требует выполнения равенс гва з 89) Соетаавное ядро где Р, Рл, Ры Рв — внутренние четности взаимодействующих и образующихся частиц и ядер, а 1 А, 1»В орбитальные угловые моменты частиц а и Ь в относи гельном движении около ядер А и В.
При упругом рассеянии состояния ядра и бомбардирующей его частицы не изменяются. У них может произойти только переориентация свинов, при которой четность сохраняется. Но тогда из (88.15) следует, что ( — 1)ь л = ( — 1)'"а, т, е, 1 может изменяться только на четное число (в пределах, допускаемых законом сохранения момента импульса). 8 89. Составное ядро 1.
Многие ядерные реакции при невысоких энергиях проходят через стадию образования так называемого составного, или промешсрп«очного, ядра. Представление о составном ядре было введено в физику в 1938 г. Нильсом Бором. Он руководствовался следующими соображениями. Частица, проникшая внутрь ядра, как правило, сильно взаимодействует с его нуклонами — настолько сильно, что ее энергия взаимодействия с отдельным нуклоном обычно того же порядка, что и кинетическая энергия самой частицы. Поэтому весьма вероятен захват частицы ядром. Часгица застревает в ядре, причем из-за взаимодействия с нуклонами ядра ес энергия уменыпается настолько, что она длительное время не может покинуть ядро. Более того, частица., попавшая в ядро, вообще теряет свою индивидуальность и действует как система новых нуклонов, присоединившихся к прежним нуклонам ядра. Из-за множества столкновений между нуклонами в поведении новых и прежних нуклонов принципиально пропадает всякое различие.
С другой стороны, если первоначальная энергия влетевшей частицы не слишком велика, в системе не окажется нуклонов столь болыпой энергии, чтобы один или несколько из них немедленно покинули ядро. Задерживаясь в ядре на некоторое время, нуклоны образуют систему частиц, которую в течение этого времени можно рассматривать как связанную. Эта система и есть составное, или промежуточное, ядро. Составное ядро возникает в возбужденном сосгоянии и стремится потерять энергию возбуждения зв счет какого-либо возможно~о для него процесса. В принципе оно не отличается от радиоактивного ядра. Один из возможных механизмов радиоактивного превращения состоит в том, что энергия захваченной частицы, беспорядочно распределившаяся между нуклонами составного ядра, в результате флуктуационных процессов вновь сконцентрируется на одной из частиц.
Тогда такая частица и вылетит из ядра. Не обязательно, чтобы это была та же частица, которая вле гела в ядро. Она может быть и другой: протон, нейтрон, а-частица и пр. Возможны несколько каналов радиоактивного распада составного ядра. 2. Необходимо особо подчеркнуть, что говорить о возбужденном составном ядре имеет смысл только тогда, когда оно существует достаточно долго.
«Достаточво долго», конечно, надо понимать не в макроскопическом, а в ядерном масштабе. Например, чтобы нейтрон со )Гл. Х111 Ядерные реакции 588 скоростью 10э см/с пролетел через ядро, не испытав столкновений, для него требуется время порядка 10 ш: 10э - 10 за с. Это и есть «ядерное время», которым надо пользоваться для суждения о длительности процессов, происходящих в атомном ядре. Если составное ядро живет в возбужденном состоянии 10 ы с, то в ядерном масштабе это время должно считаться «очень большим».
Из-за короткодействующего характера ядерных сил за это время влетевший нейтрон успеет претерпеть в ядре более 10 ~«: 10 з~ — 10з столкновений, чего с избытком достаточно, чтобы его движение в ядре приобрело запутанный характер, совершенно не зависящий от того, с какой скоростью и в каком направлении нейтрон влетел в исходное ядро. Таким образом, возникает система нуклонов, поведение которой совершенно не зависит от истории ее образования. В ядерном масштабе времени такая система ведет себя так, как если бы она существовала бесконечно долго. А это н есть необходимое условие того, чтобы такую систему можно было рассматривать как составное ядро. Наряду с описанным процессом образования и распада составного ядра возможен и конкурирующий процесс.
Это процесс ридиациопного захвата. В этом процессе ядро переходит в возбужденное состояние также в результате захвата какой-то частицы. Но в основное состояние оно возвращается путем испускания 7-кванта. Последний процесс происходит под действием уже электромагнитных сил, т. е. в ядерном масштабе по-прежнему достаточно «медленно». Поэтому и при радиационном захвате можег также образоваться составное ядро.
Заслуживает внимания тот парадоксальный с точки зрения классической физики факт, что силы кулоновского отталкивания между протонами и другими положительно заряженными частицами ядра (например, между и-частицами) не способствуют, а препятствуют выходу этих частиц из ядра. Об этом факте уже говорилось (~ 73, п. 12) в связи с влиянием центробежного барьера на ее-распад. Обьяснение его состоит в том, что силам отталкивания соответствует положительная энергия.
Она увеличивает высоту, а с ней и ширину кулоновского потенциального барьера. Выход же протона и всякой положительно заряженной частицы из ядра есть подбарьерный процесс. Он тем менее вероятен, чем выше и шире потенциальный барьер. Особенно существенно это обстоятельство проявляется в случае средних и тяжелых ядер. 3. Таким образом, процесс столкновения частицы а с ядром А разбивается на два этапа. На первом этапе частица а сближается с ядром А. Завершением этапа является образование составного ядра С* в возбужденном состоянии. Схематически этот процесс можно изобразить так; а+ А » С*. (89.1) На втором этапе происходит распад составного ядра по схеме (89.2) 8 89) Составное ядро 589 Ядерная реакция в целом изображается схемой а+А — э С' — » Ъ+ В.
(89.3) Эффективное сечение а,ь реакции (89.3) найдется, если эффективное сечение вс образования составного ядра умножить на вероятность И'ь распада этого ядра по каналу Ь: в«ь = ос* И ь. (89.4) Если то же составное ядро распадается по другому каналу Ь' с вероятностью Иь, то оьь = ас И'ь . Исключение ас дает (89.5) Пусть теперь такое же составное ядро С* с той же энергией возбуждения образуется в результате столкновения других частиц т и М: т + М э С'. Ввиду тождественности этого ядра с прежним оно будет распадаться по тем же каналам с образованием тех же частиц Ъ и Ъ' и с прежними вероятностями И'ь и И'ьц а потому омь/о ы = И'ь/ Иь .
Таким образом, ть «,ш о«оь (89.6) Выполнение такого соотношения является подтверждением того, чго обе реакции, рассмотренные выше, идут с образованием составного ядра. Если же соотношение (89.6) не выполняется, то схема с образованием составного ядра либо не выполняется., либо составное ядро еще не совсем успело сформироваться. 4. Другой характерной особенностью ядерных реакций, идущих через составное ядро, при выполнении определенных условий является си метр л в системе центра масс углового распределения разлетающихся частиц, которые образуются при распаде составного ядра. Предположим, что резулы нрующнй спин составного ядра равен нулю. Тогда частицы, образующиеся при распаде составного ядра, в системе центра масс будут с одинаковой вероятностью разлетаться вперед и назад.
(Направление «вперед» задается скоростью налетающей частицы.) Про такое угловое распределение говорят., что оно обладает ел мметрией «вперед-назад». Для обоснования высказанного утверждения заметим, что первоначальная система из-за наличия импульсов и угловых моментов у налетающей частицы и исходного ядра симметрией «вперед- назад» не обладает. Но такая симметрия появится в процессе формирования составного ядра. В самом деле., в системе центра масс результирующий импульс исходной системы равен нулю. При формировании составного ядра не только сохранится равенство нулю полного импульса, но и произойдет хаотическое распределение импульсов отдельных нуклонов по направлениям в пространстве.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
