Ядерная физика
Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция · Термоядерная реакция
Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Капельная модель ядра · Период полураспада · Массовое число · · Цепная ядерная реакция · Ядерное эффективное сечение
Распад ядер Закон радиоактивного распада · Альфа-распад · Бета-распад · Кластерный распад
Сложный распад Электронный захват · Двойной бета-распад · Двойной электронный захват · Внутренняя конверсия · Изомерный переход
Излучения Ионизирующее излучение · Нейтронный распад · Позитронный распад · Протонный распад · Гамма излучение · Фоторасщепление
Захваты Электронный захват · Нейтронный захват ( r-процесс · s-процесс ) · Протонный захват ( p-процесс · rp-процесс ) · Нейтронизация
Деление ядра Спонтанное деление
Нуклеосинтез Первичный нуклеосинтез · Протон-протонный цикл · CNO-цикл · Тройная гелиевая реакция · Гелиевая вспышка · Ядерное горение углерода · Углеродная детонация · Ядерное горение кислорода · Ядерное горение неона · Ядерное горение кремния · Реакции скалывания
См. также: Портал:Физика

Составное ядро — теоретическая модель ядерной реакции при захвате ядром атома нейтрона , которая была разработана Нильсом Бором в 1936 году на основании исследований Энрико Ферми искусственной радиоактивности и легла в основу предложенной Яковом Френкелем капельной модели ядра . В своей революционной работе «Захват нейтрона и строение ядра» Бор написал :

Явления захвата нейтронов тем самым заставляют нас предполагать, что столкновение между быстрым нейтроном и тяжёлым ядром должно вести прежде всего к образованию сложной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью. Возможный последующий распад этой промежуточной системы с вылетом материальной частицы или переход к конечному устойчивому состоянию с эмиссией кванта лучистой энергии следует рассматривать как самостоятельные процессы, не имеющие непосредственной связи с первой фазой соударения.

Эта теория дала одно из основных теоретических объяснений экспериментальных исследований ядерных превращений, она удовлетворительно объясняет их при энергиях бомбардирующих частиц примерно до 50 МэВ и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.

Простое объяснение модели

Сам Бор на своей лекции в Москве в 1937 году для Академии Наук СССР неожиданно для учёных объяснял эту модель без сложных теоретических рассуждений и вовсе без формул. Вместо этого он продемонстрировал неглубокую деревянную тарелку, в которую положил стальные шарики. Тарелка изображала ядро , а шарики — содержащиеся в нём протоны и нейтроны , по наклонному жёлобу в тарелку скатывался ещё один шарик, изображающий влетающий в ядро нейтрон. Если бы в углублении не было других шариков, то вкатившийся «нейтрон» свободно перекатился через другой край и вышел таким образом из «ядра». Если же в тарелке находятся другие шарики, то скатившийся шар ударяется о какой-то из них, затем о другие, те в свою очередь сталкиваются между собой, таким образом они приходят в движение, но как правило ни у одного из них не становится достаточно кинетической энергии , чтобы перекатиться через край углубления. Таким образом «нейтрон», вошедший в «ядро», не может выйти, так как он отдал свою энергию другим частицам и она распределилась между ними.

Это очень простое объяснение и в полной мере не может объяснить всю теорию, но является хорошей иллюстрацией к самому понятию .

Современное представление о составном ядре

Согласно теории составного ядра ядерная реакция идёт в два этапа.

В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время , то есть время, необходимое для того, чтобы нейтрон пересёк ядро, примерно равное 10 ⁻²³ — 10 ⁻²¹ с . При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой нейтроном в ядро в виде энергии связи нейтрона в составном ядре ${\displaystyle \varepsilon _{n}}$ и части его кинетической энергии , которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом ${\displaystyle A}$ и нейтрона в системе центра инерции . Таким образом, в случае неподвижного ядра-мишени энергия возбуждения будет равна:

${\displaystyle E^{*}=\varepsilon _{n}+E(1-{\frac {m_{n}}{M^{*}}})\approx \varepsilon _{n}+{\frac {A}{A+1}}E=\varepsilon _{n}+E'}$

Вследствие сильного взаимодействия нейтрона в ядре эта энергия возбуждения быстро распределяется почти равномерно между нуклонами , в результате чего каждый из них будет иметь энергию, гораздо меньшую энергии связи составного ядра.

На втором этапе энергия перераспределяется между нуклонами составного ядра, этот процесс весьма медленный. В итоге энергия может сконцентрироваться на одном или нескольких нуклонах, находящихся вблизи границы ядра, в результате чего этот нуклон может его покинуть. Даже учитывая малую проницаемость ядерного барьера, процесс распада составного ядра происходит за относительно большое время, примерно 10 ⁻¹³ — 10 ⁻¹⁶ с, что значительно превосходит ядерное время .

Кроме вылета нуклонов ядро может претерпеть и другой вид распада — испускание гамма-кванта , при этом время жизни составного ядра относительно его испускания определяется электромагнитным взаимодействием и составляет для тяжёлых ядер примерно 10 ⁻¹⁴ с , что также значительно больше ядерного времени .

Способ распада не зависит от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает» каким способом образовалось, следовательно образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру ${\displaystyle {}_{13}^{27}{\textrm {Al}}}$ может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций:

${\displaystyle {}_{11}^{23}{\textrm {Na}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}}}$

${\displaystyle {}_{12}^{26}{\textrm {Mg}}+{}_{1}^{1}{\textrm {H}}\rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}}}$

${\displaystyle {}_{13}^{26}{\textrm {Al}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}\rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}}}$

${\displaystyle {}_{13}^{27}{\textrm {Al}}+\gamma \rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}}}$

Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени.

Если кинетическая энергия нейтрона ${\displaystyle E'}$ не совпадает с разностью между энергией возбуждения i-го состояния и энергией связи нейтрона, то есть:

Ограничения по энергии

${\displaystyle E_{i}^{*}-\varepsilon _{n}\neq E'}$ , то вероятность образования составного ядра мала. При приближении энергии нейтрона к ${\displaystyle E_{i}^{*}-\varepsilon _{n}}$ вероятность взаимодействия возрастает и достигает максимума при:

${\displaystyle E'=E_{i}^{*}-\varepsilon _{n}}$

Такое условие называется резонансом по аналогии с известными физическими явлениями , расположение таких резонансов зависит от сорта ядра-мишени и от энергии нейтрона, что объясняется характером расположения энергетических уровней для различных ядер.

Ограничения по спину

Другое ограничение связано со спином ядра. Каждый возбуждённый уровень характеризуется своим механическим моментом ${\displaystyle J}$ , так же как ядро-мишень в основном состоянии имеет спин ${\displaystyle I}$ , налетающая частица обладает спином ${\displaystyle s}$ , а относительное движение частицы и ядра своим моментом количества движения ${\displaystyle l}$ , которое при небольших энергиях чаще всего принимают равным нулю. Суммарный спин сталкивающихся частиц (при ${\displaystyle l=0}$ ) может быть в пределах от ${\displaystyle \left|I+s\right|}$ до ${\displaystyle \left|I-s\right|}$ через единицу, а если бомбардирующая частица — нуклон, то механический момент равен либо ${\displaystyle I+1/2}$ , либо ${\displaystyle \left|I-1/2\right|}$ .

Если спин ${\displaystyle J}$ возбуждённого уровня составного ядра не равен ни одному из возможных значений суммарного спина сталкивающихся частиц, то образование составного ядра невозможно. Если ${\displaystyle J}$ попадает в пределы от ${\displaystyle \left|I+s\right|}$ до ${\displaystyle \left|I-s\right|}$ , то образование составного ядра возможно, однако в случае равенства суммарного момента сталкивающихся частиц с ${\displaystyle J}$ . Доля таких столкновений определяется статистическим фактором ${\displaystyle g}$ , остальные столкновения являются потенциальным рассеянием частиц.

Влияние чётности

Энергия связи нейтрона в составном ядре зависит от чётности числа нейтронов в нём : энергия связи чётных нейтронов выше энергии связи нечётных нейтронов, причём особенно велика энергия связи для нейтронов с магическими числами , следовательно энергия возбуждения составного ядра ${\displaystyle E^{*}}$ с чётным (особенно магическим) числом нейтронов выше энергии возбуждения составного ядра с нечётным числом нейтронов при одинаковых кинетических энергиях нейтронов .

Примечания