¹ С. F. Wеizsäсkеr. Die Atomkerne. Leipzig, 1937.

Очевидно, что все подобные простые соображения могут в лучшем случае служить для первой ориентировки в вопросе о возможном происхождении возбуждения ядер. Для более точного обсуждения этого вопроса требуются более подробные соображения относительно специального характера взаимодействия между отдельными частицами ядра, а также относительно устойчивости ядер и механизма их возбуждения. Недостаточность одних простых соображений явствует не только из известной периодичности кривых дефекта массы, но и из заметной разницы в расстояниях от основного уровня до возбуждённых уровней, наблюдаемой для ядер с чётным и с нечётным атомным весом и номером. Эти эффекты, очевидно, следует приписать различной степени насыщенности связей между парами ядерных частиц; мы имеем в виду связи, которые можно получить для таких ядер при более строгом квантовомеханическом рассмотрении соответствующей системы многих тел на основании ограничений, предписываемых принципом Паули. Ввиду наличия тесной связи между движениями частиц ядра сейчас ещё довольно трудно сказать, насколько надёжными являются выводы, касающиеся обменного характера или зависимости от спина специфических ядерных сил, если эти выводы основаны на изучении моделей ядра со слабой связью между частицами.

В частности, всякая попытка объяснить значение спина, приписывая орбитальные моменты количества движения отдельным частицам в ядре, представляется нам совершенно неоправданной. На самом деле мы должны предположить, что всякий орбитальный момент количества движения распределен между всеми частицами, составляющими ядро, подобно моменту количества движения вращающегося твердого тела. Обозначив через 𝐽 момент инерции, мы получаем величину

Δ

_𝑟

𝐸

=

ℎ²

8π²𝐽

∼

𝑁

^-5/3

𝐾

(7)

в качестве приближённой оценки величины разностей энергий между самыми низкими квантовыми вращательными состояниями. Для тяжёлых ядер формула (7) даёт значения, малые по сравнению со средним расстоянием между уровнями; поэтому возможно, что формула (7) даёт объяснение тонкой структуры, наблюдаемой у многих энергетических уровней таких ядер. Однако часть этой тонкой структуры, а может быть, и многие другие характерные черты структуры распределения низких уровней можно, вероятно, приписать ¹ взаимной ориентации спинов ядерных частиц и получающемуся отсюда результирующему моменту количества движения ядра (см. добавление IV).

¹ Это, по-видимому, неверно: см. примечание редактора к добавлению IV. — Прим. ред.

§ 3. Излучательные свойства ядер

Изучение так называемой внутренней конверсии γ-лучей показывает, что свойства полярности излучения, испускаемого возбуждёнными ядрами, часто существенно отличны от полярности излучения возбуждённого атома, в котором только один электрон находится в аномально высоком квантовом состоянии. В случае атома наиболее интенсивное излучение бывает всегда дипольного типа; в случае же излучающего ядра оказываются сравнительно интенсивными излучения, соответствующие полюсам более высокого порядка. Правда, этого как раз и можно было бы ожидать, если бы мы считали, что ядра состоят целиком из составных частей, подобных α-частицам, обладающим одной и той же массой и одинаковыми зарядами; в самом деле, в этом случае электрический центр всегда будет совпадать с центром масс, что исключает появление дипольного момента ¹. Вообще же приходится считать, что ядра построены из протонов и нейтронов. В этом случае следует, очевидно, ожидать появления дипольных моментов. Это будет так совершенно независимо от характера сил, действующих между частицами, если только мы предполагаем, что связь между частицами настолько слаба, что состояние ядра можно описать, приписывая каждой отдельной частице вполне определённые квантовые состояния.

¹ Ср.: N. Bohr. Journ. Chem. Soc., 1932, p. 381 (статья 37, стр. 107. — Прим. ред.).

Если же, наоборот, связь между движениями отдельных частиц предполагается настолько тесной, что мы имеем дело с коллективно-квантованными состояниями ядра как целого, то положение, очевидно, будет совершенно другим. Действительно, если только возбуждение не настолько велико, чтобы существенно повлиять на относительное положение соседних частиц, то следует ожидать, что излучательные свойства ядра будут сильно походить на излучение вращающегося тела, обладающего практически равномерным распределением заряда; благодаря приближённому совпадению центров массы и заряда дипольные моменты будут при этих условиях отсутствовать или по крайней мере будут сильно подавлены. Такое сравнение даёт также возможность количественно оценить вероятность процессов излучения, связанных с захватом нейтрона. В самом деле, при колебании ядерной материи с частотой ν и амплитудой α квадрупольное излучение, испускаемое в единицу времени, приближённо будет

𝑅

∼

(2πν)

⁶

𝐸²

𝑐⁵

α

²

𝑑

⁴

,

(8)

где 𝐸=𝑍𝑒 - полный электрический заряд, а 𝑑=δ𝑁^1/3 диаметр ядра. Далее мы имеем для низкого квантового состояния

ℎν

∼

(2πν)

²

α

²

𝑑

²

𝑀

,

(9)

где 𝑀=𝑁ν — полная масса ядра. Исключая а из (8) и (9), мы получаем для вероятности перехода (в единицу времени), сопровождаемого излучением, выражение

Γ

_𝑟

=

𝑅

ℎν

∼

τ

^-1

(2πν)

⁴

𝑒²

ℎ𝑐

𝑍²δ⁴

𝑁^1/3𝑐⁴

.

(10)

Но время жизни возбуждённых состояний ядра, образованного при столкновении медленного нейтрона с тяжёлым ядром, соответствует значению Γ_𝑟, равному приблизительно τ^-1⋅10^-7. Это согласуется с соотношением (10), если ℎν будет порядка миллиона электронвольт для наиболее вероятного перехода, сопровождаемого излучением; такое значение ℎν в общем согласуется с экспериментальными данными.

Конечно, соотношение (10) справедливо только для случая перехода, действительно сопровождаемого квадрупольным излучением. Для тех же состояний возбуждения, которые соответствуют радиальным пульсациям или простым вращениям, исчезает и квадрупольный момент, и переходы, сопровождаемые излучением, становятся ещё менее вероятными ¹. Что же касается вопроса о сопровождаемых излучением переходах между любыми двумя уровнями возбуждённого ядра, то необходимо отметить, что различные возможные типы колебаний не будут, вообще говоря, независимыми друг от друга. В самом деле, расчёт амплитуды этих колебаний, сделанный при помощи формулы (9), показывает, что даже для тяжёлых атомов эти амплитуды будут малы по сравнению с размерами ядра только для самых низких квантовых состояний. Поэтому вообще между упругими колебаниями различных типов, вероятно, существует тесная связь, которая может объяснить часто наблюдаемое появление сравнительно жёсткого излучения возбуждённых ядер, соответствующего переходам между отдельными ядерными уровнями ². В связи с этим можно надеяться, что дальнейшие опыты над излучением, испускаемым возбуждёнными ядрами, и над распадом ядер под действием γ-лучей помогут выяснить вопрос о механизме возбуждения ядер (см. добавление V).

¹ Вейцзекер (С. F. Wеizsäсkеr. Naturwiss., 1936, 24, 813) указал не так давно, что появление так называемых изомеров среди искусственных радиоактивных элементов может быть объяснено чрезвычайно малыми вероятностями, которыми должны обладать для любой модели ядра переходы, сопровождаемые излучением, связанные с изменением момента количества движения на число, кратное ℎ/2π В связи с этим было бы, по-видимому, интересно обратить внимание на возможность того, что однородность распределения заряда плотно упакованной материи ядра может также сделать чрезвычайно малыми вероятности переходов, сопровождаемых излучением, равно как и вероятности процессов внутренней конверсии между некоторыми другими парами состояний ядра.