1936

45 ЗАХВАТ НЕЙТРОНА И СТРОЕНИЕ ЯДРА ^*

^*Neutron Capture and Nuclear Constitution. Nature, 1936, 137, 344—348.

Из всех свойств атомных ядер, обнаруженных в фундаментальных исследованиях Резерфорда и его последователей в явлениях искусственных ядерных превращений, одним из наиболее поразительных является исключительная тенденция таких ядер вступать в реакцию друг с другом, как только между ними устанавливается непосредственный контакт. Действительно, почти все типы ядерных реакций, согласующихся с сохранением энергии, по-видимому, происходят при близких соударениях ядер. Разумеется, при столкновениях между заряженными частицами и ядрами контакту часто препятствует или делает его менее вероятным взаимное электрическое отталкивание; вследствие этого типичные черты ядерных реакций, быть может, особенно ярко проявляются при столкновениях с нейтронами. Ещё в первых своих работах по исследованию свойств быстрых нейтронов Чэдвик обнаружил высокую эффективность последних в отношении вызываемых ими ядерных превращений ¹. В особенности после открытия супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивности наиболее интересные данные получены в результате исследований Ферми и его сотрудников по искусственной радиоактивности при бомбардировке как быстрыми нейтронами, так и нейтронами тепловых скоростей ².

¹ J. Chadwick. Proc. Roy. Soc., 1933, A142, 1.

² E. Fermia. o. Proc. Roy. Soc., 1934, A147, 483; 1935, A149, 522.

Типичным результатом опытов с нейтронами больших скоростей является значительная вероятность вылета α-частицы или протона при столкновении нейтрона с ядром не слишком большого атомного номера, вылета, сопровождающегося захватом нейтрона и образованием ядра нового, большей частью β-радиоактивного элемента. Ядерное эффективное сечение таких столкновений в действительности того же порядка величины, что и сечение, отвечающее простому рассеянию быстрых нейтронов ядрами, что в свою очередь соответствует обычным размерам ядра. Другим типичным результатом этих опытов можно считать неожиданно сильное стремлении, даже в случае столкновения быстрого нейтрона с тяжёлым атомом, присоединиться к ядру с испусканием γ-кванта и образовать новый изотоп, устойчивый или радиоактивный. На самом деле, для процессов такого типа эффективное сечение, хотя и становится в несколько раз меньше, имеет всё-таки тот же порядок величины, что и геометрическое сечение ядра.

Процессы захвата быстрых нейтронов только что упомянутого типа являются особенно существенными для выяснения механизма столкновений между нейтроном и ядром. Действительно, замечательная резкость линий характеристических спектров γ-лучей радиоактивных элементов свидетельствует о том, что время жизни возбуждённых состояний ядер, связанных с испусканием этих линий, больше периода (около 10^-20 сек) самих этих линий. Для того чтобы вероятность испускания подобного излучения за время столкновения быстрого нейтрона с ядром была достаточной для объяснения экспериментально найденного эффективного сечения этого процесса захвата, время соударения должно быть гораздо более длительным, нежели промежуток времени (около 10^-21 сек), необходимый для простого прохождения нейтрона сквозь ядро.

Явления захвата нейтронов тем самым заставляют нас предполагать, что столкновение между быстрым нейтроном и тяжёлым ядром должно вести прежде всего к образованию составной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью. Возможный последующий распад этой промежуточной системы с вылетом материальной частицы или переход в конечное устойчивое состояние с испусканием кванта излучения следует рассматривать как самостоятельные процессы, не имеющие непосредственной связи с первой фазой соударения. Мы встречаемся здесь с существенной разницей, ранее ясно не распознанной, между собственно ядерными реакциями и обычными соударениями быстрых частиц и атомных систем, соударениями, которые до сих пор для нас являлись главным источником сведений относительно строения атома. Действительно, возможность счёта посредством таких столкновений отдельных атомных частиц и изучение их свойств обязаны прежде всего «открытости» рассматриваемых систем, которая делает весьма маловероятным обмен энергией между отдельными составляющими частицами в течение соударения. Однако вследствие плотной упаковки частиц в ядре мы должны быть готовы к тому, что именно этот обмен энергией играет основную роль в типичных ядерных реакциях.

Если, например, мы рассматриваем столкновение между быстрым нейтроном и ядром, то очевидно, что нельзя сравнивать этот процесс с простым отклонением пути нейтрона во внутреннем поле ядра, быть может связанным с соударением с отдельной ядерной частицей, ведущим к вылету последней. Напротив, мы должны ясно понять, что избыток энергии падающего нейтрона должен быстро распределиться между всеми частицами ядра таким образом, что в течение некоторого промежутка времени ни одна частица не будет обладать кинетической энергией, достаточной для того, чтобы покинуть ядро. Возможное последующее освобождение протона, α-частицы или даже нейтрона из промежуточной сложной системы должно поэтому говорить о сложном процессе, в котором энергия может опять концентрироваться на какой-то частице у поверхности ядра.

В настоящее время едва ли можно составить себе детальное представление об этих процессах. Действительно, мы должны сознаться, что у нас нет никаких оправданий даже для предположений о существовании внутри ядра частиц, освобождаемых при разрушении ядра. В частности, известные трудности, связанные с индивидуальным существованием в пространственной области ядерных размеров заряженных частиц с такой небольшой массой покоя, какую имеют электроны и позитроны, заставляют нас рассматривать β-распад как процесс, ведущий к образованию электрона как индивидуальности в механическом смысле ¹. В этом отношении положение здесь, конечно, существенно отличается от случая распада ядра с вылетом тяжёлых частиц — нейтронов, протонов и α-частиц. Тот факт, что массы всех ядер в первом приближении являются целыми кратными единиц, близких к массе нейтрона, позволяет рассматривать эти частицы как механические индивидуальности внутри ядра. Вследствие небольшой разницы между массами нейтрона и протона по сравнению с энергией связи ядра, измеряемой так называемым дефектом массы, предположение о существовании в ядре частиц с теми же электрическими и магнитными свойствами, что и у свободных нейтронов и протонов, должно казаться более гипотетическим. Вследствие недостаточности наших сведений о том исключительно плотном состоянии материи, с которым мы имеем дело в ядрах, мы скорее можем рассматривать целочисленные значения единичных электрических зарядов ядер и продуктов их расщепления как фундаментальный аспект атомистики электричества, который, однако, не объясняется современными теориями строения атома.

¹ См.: N. Bohr. Faraday lecture. J. Chem. Soc., 1932, 134, 349 (статья 37); W. Heisenberg. Zeeman Verhandelingen, p. 108.

Однако если оставить в стороне проблему природы ядерных компонент, не являющуюся целью настоящего обсуждения, то во всяком случае ясно, что модели ядра, детально рассматривавшиеся до сих пор, не дают возможности объяснить типичные свойства ядер, для которых, как мы уже видели, обмен энергией между отдельными частицами является решающим фактором. Действительно, в этих моделях ради простоты допускалось, что состояние движения каждой частицы в ядре может в первом приближении рассматриваться как движение в консервативном поле сил и может поэтому характеризоваться квантовыми числами, так же как движение электрона в обычном атоме. Между тем в атоме и ядре мы имеем два крайних случая механической задачи многих тел; при этом процедура аппроксимации, опирающаяся на соответствующее применение задачи одного тела, столь эффективная в первом случае, теряет всю свою ценность в последнем, где мы с самого начала имеем дело с существенно коллективными аспектами взаимодействия между составляющими ядро частицами.