Чтение онлайн

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, -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 -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 -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.

В связи с этим важно вспомнить также, что успешное квантовомеханическое объяснение простого закона, связывающего время жизни продуктов -излучения с энергией испущенных частиц, совершенно не зависит от специальных допущений, рассматривающих поведение индивидуальных частиц в ядре. Вследствие очень большого времени жизни этих продуктов по сравнению со всеми собственными периодами ядра вероятность такого расщепления зависит в первом приближении только от электрического поля вне ядра, образующего так называемый потенциальный барьер, препятствующий вылету -частиц. Представляется чрезвычайно сомнительным, чтобы -частицы существовали в ядре в таком виде, как это допускают имеющиеся теории -распада. Частое появление -частиц в результате естественного и искусственного расщепления ядра можно объяснить скорее тем, что энергия освобождается при самом образовании -частиц и что освобождение этих частиц может, таким образом, связываться с меньшей степенью концентрации излишка энергии, чем освобождение протонов или нейтронов. Пока что изучение -распада и его тесной связи с -спектрами, выясненной Гамовым, даёт нам сведения только относительно возможных значений энергии и до некоторой степени относительно спина стационарных состояний ядерных систем, с которыми мы имеем дело.

То обстоятельство, что состояния ядра, связанные с упомянутыми только что явлениями, представляют дискретное распределение чрезвычайно резких уровней энергии, может сначала показаться противоречащим нашим предположениям о существовании полуустойчивых промежуточных состояний составной системы, образованной при захвате нейтрона, с, очевидно, непрерывными значениями кинетической энергии падающего нейтрона. Можно представить себе, однако, что при захвате быстрых нейтронов мы имеем дело с гораздо более высоким возбуждением составной системы, чем обычное -возбуждение. В то время как последнее имеет наибольшее значение в несколько миллионов вольт, возбуждение в нашем случае может значительно превышать энергию, необходимую для полного удаления нейтрона из ядра, находящегося в нормальном состоянии. Измеренные Астоном дефекты масс изотопов показывают, что эта энергия составляет около 10 млн. вольт.

Однако именно такую поразительную разницу в схемах уровней низкого и высокого возбуждения тяжёлых ядер мы и можем ожидать с обсуждаемой здесь точки зрения. В противоположность обычной точке зрения, где возбуждение приписывается возбуждённому квантовому состоянию отдельной частицы в ядре, мы должны допустить, что возбуждение будет соответствовать некоторому квантованному коллективному типу движения всех ядерных частиц. Вследствие быстрого увеличения возможностей комбинации собственных частот таких движений при возрастании полной энергии ядра мы должны были бы ожидать, что расстояние между соседними уровнями должно становиться гораздо меньшим при высоких возбуждениях, обусловленных нейтронными соударениями, чем для обычных -уровней, где мы, вероятно, имеем дело с состояниями коллективного движения наиболее простых типов.

Однако с этой точки зрения даже для возбуждений, уровни которых весьма близки друг к другу, вероятность перехода с излучением не очень сильно отличается от вероятности такого же перехода в нижних -состояниях, и никакого существенного возрастания ширины уровней не происходит до тех пор, пока вероятность вылета материальной частицы не сделается сравнимой с вероятностью излучения.

В опытах по столкновениям быстрых нейтронов с тяжёлыми ядрами эффективное сечение рассеяния обычно в несколько раз больше эффективного сечения захвата. Соответственно этому мы можем заключить, что в этом случае вероятность вылета нейтрона из составной системы больше, чем вероятность перехода с излучением, и что уровни энергии полуустойчивых состояний поэтому до некоторой степени шире обычных -уровней. Это обстоятельство вместе с быстро уменьшающимся расстоянием между соседними уровнями в этой области энергий делает весьма правдоподобным заключение о том, что такие уровни здесь вовсе не разделены, — вывод, необходимый для объяснения, очевидно, неселективного характера явлений захвата. Однако с уменьшением скоростей падающих нейтронов вылет нейтрона из составной системы быстро становится маловероятным в соответствии с уменьшением вероятности необходимой концентрации излишней энергии системы на отдельном нейтроне. Можно поэтому ожидать, что резкость уровней промежуточных состояний будет приближаться к резкости -уровней, коль скоро кинетическая энергия свободных нейтронов станет меньше полной энергии возбуждения в этом состоянии.

Чрезвычайно интересное подтверждение этих соображений даётся замечательными явлениями селективного захвата нейтронов очень малых скоростей. Работая с нейтронами тепловых скоростей, получаемыми пропусканием пучка нейтронов через толстые слои веществ, содержащих водород, Ферми и его сотрудники нашли, как известно, значение эффективного сечения захвата нейтронов, изменяющееся чрезвычайно своеобразно от элемента к элементу. В то время как для большинства элементов эти значения одного и того же порядка величины или немного больше обычного усечения ядра для некоторых элементов или изотопов, неправильным образом распределённых в периодической системе, были найдены значения сечения, в несколько тысяч раз превосходящие нормальное. Этот удивительный на первый взгляд эффект может быть, по-видимому, связан с тем обстоятельством, что для таких медленных нейтронов длина волны де Бройля очень велика по сравнению с размерами ядра; поэтому простые представления о траектории и ударе, приближённо оправдывающиеся в случае захвата быстрых нейтронов, здесь оказываются совершенно неприменимыми.

Были предприняты также поучительные попытки объяснить явление селективного захвата как явление квантовомеханического резонанса, возникающего при близком совпадении энергии некоторых почти устойчивых стационарных состояний нейтрона в ядре и суммы энергий начального состояния ядра и свободного нейтрона 1. Эти теории, в которых состояние движения нейтрона в ядре трактуется как движение частицы в поле консервативных сил, не могут, однако, объяснить того, что эффективное сечение рассеяния нейтронов на всех исследованных селективно поглощающих элементах гораздо меньше, чем эффективное сечение захвата. В самом деле, большая вероятность отражения волн, описывающих поведение нейтрона в ядре, вытекающая из того факта, что длина этих волн очень коротка по сравнению с длиной волны свободного движения нейтрона, означает, что средний интервал времени, в течение которого нейтрон может, так сказать, оставаться в ядре, гораздо больше, чем интервал времени, в течение которого быстрый нейтрон проходит сквозь ядро.

1 Е. Fermi et al. Proc. Roy. Soc., 1935, A149, 522; Perrin, Elsasser. J. Phys., 1935, 6, 195; H. В'ethe. Phys. Rev., 1935, 47, 747.

Всё же даже в случае полного резонанса вероятность вылета нейтрона, найденная этим способом, должна быть больше вероятности испускания кванта. Вследствие гораздо более близкого взаимодействия между ядром и нейтроном, вытекающего из явлений захвата быстрых нейтронов, мы и должны были бы ожидать отсутствия селективного рассеяния очень медленных нейтронов, обладающих малым избытком энергии, так как в этом случае вероятность вылета нейтрона исчезающе мала до сравнению с переходом, сопровождающимся излучением.