В то время как эти выводы основываются на весьма общих соображениях, объяснение распределения энергетических уровней ядер, а также оценка вероятностей индивидуальных распадов и излучений, определяющих ход ядерных реакций, требуют более тщательного изучения соответствующих механических проблем. Правда, в настоящее время невозможно провести строгое рассмотрение этих проблем; но характерные свойства ядер, для которых имеет решающее значение как раз тесная связь частиц в ядре, всё же можно объяснить путём сравнения с известными свойствами твердых и жидких тел. Прежде всего типичное различие в распределении возбуждённых состояний атомов и ядер легко объяснить, заметив, что в возбуждённых атомах мы, в общем, имеем дело с изменением квантового состояния отдельного электрона, в то время как при ядерном возбуждении речь идёт о квантовании движений всех частиц, напоминающих вращение и колебания твердого тела. Совокупность энергетических уровней упругого тела в самом деле определяется, если вначале отвлечься от вращений, всеми возможными комбинациями квантовых состояний, соответствующих основным колебаниям, и поэтому, вследствие весьма быстрого роста возможностей комбинирования с энергией, имеет точно такой же общий характер, как спектр состояний ядер. В количественном отношении это сравнение также даёт приблизительно правильное представление о распределении состояний ядра, так как из комбинаций приблизительно эквидистантно распределённых собственных значений с расстояниями около 1 Мэв уже при энергии 10 Мэв мы получаем плотность уровней того же порядка величины, что и полученная из опытов с медленными нейтронами.
Это представление о возбуждении ядра явно показывает далеко идущую аналогию с тепловыми движениями твердого тела при низких температурах, и в этом смысле можно говорить о нагревании ядерной материи при образовании составного ядра в результате столкновения. Возникающая при этом температура, правда, необычайно высока в обычном масштабе (порядка 1011 градусов); в ядерном же масштабе она очень мала, так как при столкновении с не особенно быстрыми частицами вообще возбуждается небольшое число колебательных степеней свободы. С точки зрения квантовой теории теплоемкости температуре составного ядра для средних массовых чисел соответствует при обычных опытах рассеяния около 1 Мэв на степень свободы. При очень быстрых соударениях она, конечно, становится выше, но растет медленно, потому что число возбуждённых степеней свободы быстро увеличивается, и даже при столкновении между ядром и частицей с энергией 100 Мэв температура составит только несколько миллионов электронвольт. Такое понятие ядерной температуры не только очень удобно для характеристики ядерного возбуждения; оно прежде всего оказалось очень полезным для описания связанных с ядерными превращениями процессов распада и излучения, которые согласно нашим представлениям весьма аналогичны испарению и тепловому излучению.
Прежде всего, как впервые заметил Френкель, испускание нейтронов сильно возбуждёнными ядрами в большой степени напоминает обычный процесс испарения, к которому можно, по крайней мере приближённо, применить известную формулу кинетики реакций для зависимости скорости испарения от температуры и теплоты связи. Это сравнение непосредственно объясняет и то, что испущенные при ядерных реакциях нейтроны не уносят всю избыточную энергию, а обнаруживают распределение по энергиям, поразительно сходное с максвелловским для соответствующих ядерных температур. Тот факт, что столкновения с быстрыми нейтронами вместо захвата могут привести к отщеплению одного или нескольких нейтронов, можно свободно рассматривать как постепенный распад составного ядра, который при возрастающих энергиях возбуждения всё более уподобляется постепенному испарению капли жидкости. Для меньших возбуждений применение такой аналогии требует, однако, определённой осмотрительности, так как —в отличие от обычных процессов испарения, где вся тепловая энергия тел много больше энергии, требуемой для освобождения отдельной молекулы, — при соударениях энергия возбуждения составного ядра обычно того же порядка величины, что и энергия связи нейтрона. Как показали, в частности, Ландау и Вайскопф, для описания таких процессов всё же можно применять методы статистической механики, которые представляют собой последовательное обобщение чисто термодинамического способа описания.
Даже если падающая или испущенная частица имеет заряд, превращение ядра происходит как постепенный процесс, при котором сначала образуется составное ядро, энергия которого распределена как в нагретом теле и распад которого протекает затем подобно испарению. Но в таких случаях отталкивание может, особенно если энергия частиц мала, оказать большое влияние на вероятность как образования составного ядра, так и распада его. При этом следует учитывать не только квантовомеханические барьерные эффекты; для энергий частиц, которые больше их потенциала вблизи ядерной поверхности, существенно отметить, что при оценке температуры промежуточного состояния и теплоты испарения, определяющей вероятность распада, эти потенциалы нужно вычесть из общей энергии. Простым следствием отталкивания является также и то, что кинетическая энергия испущенной заряженной частицы в общем случае становится больше кинетической энергии незаряжённой, поскольку в первом случае следует опять прибавить потенциальную энергию к собственно тепловой энергии. Если кинетическая энергия сталкивающейся частицы недостаточно велика, чтобы перевести составное ядро в область непрерывного спектра энергий, у заряженных частиц, так же как при соударениях с медленными нейтронами, проявляются типичные явления резонанса. То обстоятельство, что такие резонансы чаще появляются при энергиях налетающих частиц, достаточно больших, чтобы позволить свободный проход через потенциальный барьер, ясно показывает непригодность более ранней концепции, согласно которой речь шла о квазистационарном состоянии частицы внутри барьера. Но то, что мы имеем дело, напротив, с совпадением полной энергии с квантовым состоянием коллективных движений частиц ядра, особенно убедительно доказано новыми наблюдениями Боте и его сотрудников, согласно которым при столкновениях между ядрами и частицами различного заряда, приводящих к тому же составному ядру, резонансы возникают при точно таких же значениях полной энергии.
Весьма тесная связь между движениями частиц в ядре, которая является решающей для ядерных реакций при соударении, способствует также тому, что излучательные свойства ядер существенно отличаются от излучательных свойств атомов. В то время как излучение последних в общем соответствует процессам перехода, при которых изменяется только связь одного электрона, и отвечает дипольным колебаниям, излучение ядер — как выяснилось из исследований вызванного γ-излучением фотоэффекта на внешней электронной оболочке того же атома — в общем квадрупольного типа. Согласно нашему представлению о ядерном возбуждении, это непосредственно понятно, так как излучение этого типа как раз будет соответствовать колебанию упругого тела с приблизительно равномерным распределением массы и заряда.
При таких колебаниях не могут в первом приближении возникнуть дипольные моменты, так как электрический центр должен всегда совпадать с центром тяжести. Оценка соответствующих квадрупольных моментов, основанная на размерах ядер и амплитудах квантованных ядерных колебаний, также приводит к приблизительному согласию с вероятностями процессов излучения, вычисленными из резкости резонанса при захвате медленных нейтронов. Что касается распределения интенсивности излучения для сильно возбуждённых ядер, мы должны бы ожидать определённого сходства с тепловым излучением при данной температуре. Однако быстрый рост с частотой вероятности излучения более высокой полярности (мультипольности) создаёт относительно большую вероятность более значительных квантовых скачков, которая становится особенно заметной при возбуждении лёгких ядер, и в определённых случаях приводит даже к преобладанию компоненты излучения, которая соответствует прямому переходу в нормальное состояние ядра. Особенно интересно в этом отношении излучение, возникающее при бомбардировке лития протонами и содержащее почти только одну компоненту с энергией около 17 Мэв. Относительно большая интенсивность этого излучения происходит, между прочим, от того, что при таких соударениях мы имеем дело с явным резонансом, при котором данное состояние составного ядра вследствие общих квантовомеханических требований симметрии не может распадаться на две α-частицы, и поэтому излучение конкурирует исключительно с испусканием относительно медленного протона, который может только с трудом проходить через потенциальный барьер.
