§ 7. Столкновения между заряженными частицами и ядрами

Если энергия заряженных частиц, сталкивающихся с ядром, достаточно велика (например, сравнима с энергией быстрых нейтронов), то в ядерных превращениях, вызванных такими столкновениями, мы можем рассматривать образование составной системы как прямое следствие соприкосновения падающей частицы с первоначальным ядром. В случае заряженных частиц энергия, конечно, должна быть столь велика, чтобы даже после преодоления частицей отталкивания электростатического поля, окружающего ядро, длина волны её оставалась малой по сравнению с размерами ядра. Для столкновения очень быстрых α-частиц с более лёгкими ядрами приближённое выполнение этих условий (которые являются условиями возможности элементарной трактовки механизма образования составной системы) доказывается тем фактом, что полный выход процессов распада почти не зависит от скорости падающих частиц. Это выступает ясно в тех случаях, когда в результате столкновений могут вылетать в сравнительно больших количествах как протоны, так и нейтроны; для этих случаев было найдено, что сумма количества испущенные протонов и нейтронов остаётся для большой области энергий α-лучей замечательно постоянной, даже если их относительные количества и сильно меняются внутри этой области ¹. В то же время это наблюдение показывает весьма убедительно, что вылетающие при таких столкновениях протоны и нейтроны не имеют прямого индивидуального отношения к падающим α-лучам, но что испускание протонов и нейтронов представляет собой два конкурирующих между собой процесса распада составной системы ².

¹ О. Haxel. Zs. f. Phys., 1935, 93, 400.

² См.: О. Haxel. Цит. соч.¹ Этот взгляд недавно был поддержан также Харкинсом (W. D. Harkins. Proc. Nat. Acad. Sci., 1937, 23, 120), который, не разбирая более подробно вопроса о механизме ядерных реакций, уже несколько лет назад стал защищать ту точку зрения, что ядерные превращения всегда начинаются с образования составной системы.

В случае столкновений с α-лучами, обладающими меньшей энергией, мы встречаемся с более сложным положением отчасти потому, что уровни энергии составной системы уже не будут распределены непрерывно, но отделены друг от друга более или менее резко, а отчасти и потому, что установление контакта между падающей частицей и первоначальным ядром представляет само по себе типичную квантовую задачу. Что касается последнего вопроса, то всем хорошо известно, что гамовская теория прохождения частицы сквозь потенциальный барьер позволяет удовлетворительно объяснить изменение выхода с увеличением энергии α-лучей во многих случаях распада ядра, вызванного столкновением с α-лучами. В некоторых случаях распада ядер, сопровождаемого вылетом весьма быстрых протонов, наблюдались замечательные максимумы выхода для определённых энергий α-лучей. Однако очевидно, что эти максимумы не могут быть объяснены обычным путём, который состоит в следующем: падающей α-частице приписывается полустабильное состояние внутри барьера; из этого состояния α-частица может, согласно этому обычному объяснению, перейти к некоторому более низкому квантовому состоянию, причём этот переход сопровождается переходом протона с нормального уровня энергии внутри ядра на уровень, достаточно высокий для того, чтобы этот протон мог вылетать. В подобных объяснениях резонансных эффектов как α-частица, так и протон предполагаются в первом приближении движущимися в фиксированном поле ядра.

Но ни одно подобное объяснение никоим образом не может быть согласовано с наблюдаемой большой вероятностью испускания протонов в результате столкновений с более быстрыми α-частицами, которые должны легко проникать внутрь ядра. Действительно, уже несколько лет назад Моттом ¹ было указано следующее. Упомянутый опытный факт заставляет предполагать, что связь между α-частицей и протоном должна быть настолько сильной, что резонанс не может развиться даже и при меньших энергиях α-лучей, для которых проникновение α-частицы в ядро уже существенно зависело бы от потенциального барьера, тогда как для протона избыток энергии был бы ещё достаточен, чтобы он мог беспрепятственно пройти над гребнем барьера.

¹ N. F. Моtt. Ргос. Roy. Soc., 1931, 133, 228.

Рассматриваемый резонансный эффект следует, очевидно, приписать совпадению суммы энергии свободной α-частицы и первоначального ядра с энергией какого-то стационарного состояния составной системы, соответствующего некоторому квантованному коллективному типу движения всех составляющих его частиц. Острота этих состояний, а стало быть, и эффект резонанса будут зависеть от времени жизни составной системы, которое определяется суммой вероятностей различных конкурирующих между собой процессов распада системы. За исключением особых случаев наиболее вероятным процессом будет испускание протонов; как. ясно видно из упомянутого в § 6 распределения скоростей вылетевших протонов, это испускание их связано с процессом, подобным испарению ядерной материи, и наличие вне ядра отталкивающих сил будет влиять на него лишь косвенно. Это согласуется с наличием резонанса в той области энергии, где протон может без труда перескочить через потенциальный барьер; кроме того, это объясняет тот факт, что ширина резонансных уровней для не слишком быстрых α-лучей меняется лишь медленно с возрастанием энергии α-лучей, хотя лёгкость, с которой α-частица проходит сквозь потенциальный барьер, должна была бы возрастать очень быстро с увеличением её энергии.

При более подробном обсуждении ядерных превращений, вызванных столкновением с α-частицами, следует далее принимать во внимание, что длина волны α-частицы, даже в области резонанса, обычно бывает того же порядка величины, как размеры ядра; поэтому нужно особо учитывать возможность различных значений её момента количества движения относительно ядра и влияние их на абсолютные значения эффективных сечений процесса распада. Влияние это, в частности, скажется при оценке относительной роли потенциального барьера и внутриядерного обмена энергиями в создании вероятности вылета α-частиц в данной области энергий. В связи с этим интересно также отметить, что явление так называемого аномального рассеяния α-лучей при близких столкновениях с ядрами нельзя приписывать исключительно отклонению α-луча в постоянном силовом поле, как это делается обычно; это явление может существенно зависеть от возможности временного захвата α-частицы и включения в составное ядро, которое затем испускает её в результате самостоятельного процесса распада.

При превращениях ядер, вызванных искусственно ускоренными протонами, преобладающее влияние на все явление будут иметь силы отталкивания, что обусловлено сравнительно малой энергией падающей частицы. Это видно также по той большой точности, с какой из гамовской теории получается относительное изменение количества вылетевших частиц в зависимости от энергии протона (за исключением случаев, особенно острого резонанса). Простые вычисления вероятности прохождения протонов сквозь потенциальный барьер не могут, однако, объяснить, почему при бомбардировке различных ядер получаются столь сильные различия в абсолютных значениях выхода процессов превращения. Эти специфические эффекты в самом деле очень убедительно показывают, насколько сильно вероятность образования составной системы может (в собственно квантовой области) зависеть от вероятности процессов распада той же системы; эта последняя вероятность в свою очередь может в большей степени зависеть от спиновых свойств первоначального ядра и продуктов его распада ^{1, 2}.

¹ М. Goldhaber. Ргос. Camb. Phil. Soc., 1934, 30, 361; L. R. Нafstad, N. P. Heydenburg, M. A. Tuve. Phys. Rev., 1936, 50, 504.

² См. добавление IV.

В частном случае сильно избирательного захвата медленных протонов некоторыми лёгкими ядрами мы встречаемся с особенно поучительной аналогией с захватом медленных нейтронов; эта аналогия касается того, как сечение захвата зависит от вероятности вылета протона и от вероятностей переходов, сопровождаемых излучением. В то же самое время оба эти явления (захват протона и захват медленного нейтрона) представляют крайние различия в механическом отношении. Действительно, сечение захвата протона и ширина области резонанса могут, очевидно, быть выражены общими формулами того же типа, как (15) и (16). Но вероятность вылета нейтрона Γ_𝑛 зависит только от обмена энергиями внутри ядерной материи, тогда как соответствующая вероятность вылета протона Γ_𝑝 будет также сильно зависеть от внеядерного отталкивания. Всё же благодаря сильному возбуждению составной системы этот случай существенно отличается от рассмотренного в § 6 случая α-распада радиоактивных ядер, находящихся в нормальном состоянии, и влияние на механизм выбрасывания протона из ядра будет здесь сравнимо с действием барьера.