Просмотр кода страницы Составное ядро

{{Ядерная физика}}
'''Составное ядро''' — теоретическая модель [[ядерная реакция|ядерной реакции]] при захвате [[атомное ядро|ядром атома]] [[нейтрон]]а, которая была разработана [[Бор, Нильс|Нильсом Бором]] в [[1936 год]]у на основании исследований [[Ферми, Энрико|Энрико Ферми]] искусственной [[Радиоактивный распад|радиоактивности]] и легла в основу предложенной [[Френкель, Яков Ильич|Яковом Френкелем]] [[Капельная модель ядра|капельной модели ядра]]. В своей революционной работе «Захват нейтрона и строение ядра» Бор написал<ref>{{Статья:УФН-14-4:Захват нейтрона и строение ядра}}</ref>:

{{начало цитаты}}
Явления захвата нейтронов тем самым заставляют нас предполагать, что столкновение между быстрым нейтроном и тяжёлым ядром должно вести прежде всего к образованию сложной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью. Возможный последующий распад этой промежуточной системы с вылетом материальной частицы или переход к конечному устойчивому состоянию с эмиссией кванта лучистой энергии следует рассматривать как самостоятельные процессы, не имеющие непосредственной связи с первой фазой соударения.
{{конец цитаты}}

Эта теория дала одно из основных теоретических объяснений экспериментальных исследований ядерных превращений, она удовлетворительно объясняет их при энергиях бомбардирующих частиц примерно до 50 [[Электронвольт|МэВ]] и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.

== Простое объяснение модели ==
[[Файл:Compnuc.png|300px|left|thumb|Иллюстрация Н.Бора.]]
Сам Бор на своей лекции в [[Москва|Москве]] в [[1937 год]]у для [[Академия наук СССР|Академии Наук СССР]] неожиданно для учёных объяснял эту модель без сложных теоретических рассуждений и вовсе без формул. Вместо этого он продемонстрировал неглубокую деревянную тарелку, в которую положил стальные шарики. Тарелка изображала [[атомное ядро|ядро]], а шарики — содержащиеся в нём [[протон]]ы и [[нейтрон]]ы, по наклонному жёлобу в тарелку скатывался ещё один шарик, изображающий влетающий в ядро нейтрон. Если бы в углублении не было других шариков, то вкатившийся «нейтрон» свободно перекатился через другой край и вышел таким образом из «ядра». Если же в тарелке находятся другие шарики, то скатившийся шар ударяется о какой-то из них, затем о другие, те в свою очередь сталкиваются между собой, таким образом они приходят в движение, но как правило ни у одного из них не становится достаточно [[кинетическая энергия|кинетической энергии]], чтобы перекатиться через край углубления. Таким образом «нейтрон», вошедший в «ядро», не может выйти, так как он отдал свою энергию другим частицам и она распределилась между ними.

Это очень простое объяснение и в полной мере не может объяснить всю теорию, но является хорошей иллюстрацией к самому понятию<ref>{{статья
|автор =[[Франк, Илья Михайлович|И.М.Франк]]
|заглавие =Модель составного ядра Н.Бора и нарушение чётности
|оригинал =
|ссылка =http://ufn.ru/ru/articles/1986/8/d/
|издание =[[Успехи физических наук|УФН]]
|тип =
|место =
|год =[[1986 год|1986]]
|том =14
|номер =4
|страницы =
|archivedate =2013-09-13
|archiveurl =https://web.archive.org/web/20130913220459/http://ufn.ru/ru/articles/1986/8/d/
}}</ref>.

== Современное представление о составном ядре ==
Согласно теории составного ядра ядерная реакция идёт в два этапа.

В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ''ядерное время'', то есть время, необходимое для того, чтобы нейтрон пересёк ядро, примерно равное 10<sup>−23</sup> — 10<sup>−21</sup>[[Секунда|с]]. При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой нейтроном в ядро в виде [[энергия связи|энергии связи]] нейтрона в составном ядре <math>\varepsilon_n</math> и части его [[Кинетическая энергия|кинетической энергии]], которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с [[Массовое число|массовым числом]] <math>A</math> и нейтрона в системе [[Центр масс|центра инерции]]. Таким образом, в случае неподвижного ядра-мишени энергия возбуждения будет равна:

<math>E^* = \varepsilon_n + E(1 - \frac{m_n}{M^*}) \approx \varepsilon_n + \frac{A}{A+1}E = \varepsilon_n + E'  </math>

Вследствие [[Сильное взаимодействие|сильного взаимодействия]] нейтрона в ядре эта энергия возбуждения быстро распределяется почти равномерно между [[нуклон]]ами, в результате чего каждый из них будет иметь энергию, гораздо меньшую энергии связи составного ядра.

На втором этапе энергия перераспределяется между нуклонами составного ядра, этот процесс весьма медленный. В итоге энергия может сконцентрироваться на одном или нескольких нуклонах, находящихся вблизи границы ядра, в результате чего этот нуклон может его покинуть. Даже учитывая малую проницаемость ядерного барьера, процесс распада составного ядра происходит за относительно большое время, примерно 10<sup>−13</sup> — 10<sup>−16</sup>с, что значительно превосходит ''ядерное время''.

Кроме вылета нуклонов ядро может претерпеть и другой вид распада — испускание [[Гамма-излучение|гамма-кванта]], при этом время жизни составного ядра относительно его испускания определяется [[Электромагнитное взаимодействие|электромагнитным взаимодействием]] и составляет для тяжёлых ядер примерно 10 <sup>−14</sup>с<ref>для ядер середины [[Периодическая система химических элементов|Периодической системы]] это время может быть в 10 раз меньше</ref>, что также значительно больше ''ядерного времени''.

Способ распада не зависит от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает» каким способом образовалось, следовательно образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру <math>{}^{27}_{13}\textrm{Al}</math> может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций:

<math>{}^{23}_{11}\textrm{Na} + {}^{4}_{2}\textrm{He} \rightarrow {}^{27}_{13}\textrm{Al*}</math>

<math>{}^{26}_{12}\textrm{Mg} + {}^{1}_{1}\textrm{H} \rightarrow {}^{27}_{13}\textrm{Al*}</math>

<math>{}^{26}_{13}\textrm{Al} + {}^{1}_{0}\textrm{n} \rightarrow {}^{27}_{13}\textrm{Al*}</math>

<math>{}^{27}_{13}\textrm{Al} + \gamma \rightarrow {}^{27}_{13}\textrm{Al*}</math>

Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. [[Вероятность]] же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени.

Если кинетическая энергия нейтрона <math>E'</math> не совпадает с разностью между энергией возбуждения i-го состояния и энергией связи нейтрона, то есть:

=== Ограничения по энергии ===
<math>E_i^* - \varepsilon_n \neq E'</math>,
то вероятность образования составного ядра мала. При приближении энергии нейтрона к <math>E_i^* - \varepsilon_n </math> вероятность взаимодействия возрастает и достигает максимума при:

<math>E' = E_i^* - \varepsilon_n  </math>

Такое условие называется ''резонансом'' по аналогии с [[Резонанс|известными физическими явлениями]], расположение таких резонансов зависит от сорта ядра-мишени и от энергии нейтрона, что объясняется характером расположения [[Энергетический уровень|энергетических уровней]] для различных ядер.

=== Ограничения по спину ===
Другое ограничение связано со [[спин]]ом ядра. Каждый возбуждённый [[Атомное ядро#Уровни ядра|уровень]] характеризуется своим механическим моментом <math>J </math>, так же как ядро-мишень в основном состоянии имеет спин <math>I </math>, налетающая частица обладает спином <math>s </math>, а относительное движение частицы и ядра своим моментом количества движения <math>l </math>, которое при небольших энергиях чаще всего принимают равным нулю. Суммарный спин сталкивающихся частиц (при <math>l = 0 </math>) может быть в пределах от <math>\left| I + s \right| </math> до <math>\left| I - s \right| </math> через единицу, а если бомбардирующая частица — нуклон, то механический момент равен либо <math>I + 1/2 </math>, либо <math>\left| I - 1/2 \right| </math>.

Если спин <math>J </math> возбуждённого уровня составного ядра не равен ни одному из возможных значений суммарного спина сталкивающихся частиц, то образование составного ядра невозможно. Если <math>J </math> попадает в пределы от <math>\left| I + s \right| </math> до <math>\left| I - s \right| </math>, то образование составного ядра возможно, однако в случае равенства суммарного момента сталкивающихся частиц с <math>J </math>. Доля таких столкновений определяется статистическим фактором <math>g </math>, остальные столкновения являются ''потенциальным рассеянием'' частиц.

=== Влияние чётности ===
Энергия связи нейтрона в составном ядре [[Капельная модель ядра#Вывод формулы Вайцзеккера|зависит от чётности числа нейтронов в нём]]: энергия связи чётных нейтронов выше энергии связи нечётных нейтронов, причём особенно велика энергия связи для нейтронов с [[Магические числа (физика)|магическими числами]], следовательно энергия возбуждения составного ядра <math>E^*</math> с чётным (особенно магическим) числом нейтронов выше энергии возбуждения составного ядра с нечётным числом нейтронов при одинаковых кинетических энергиях нейтронов<ref name="Б">{{книга
|автор =Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А.
|часть =
|заглавие =Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов
|оригинал =
|ссылка =
|место =Москва
|издательство =Энергоатомиздат
|год =1982
|страницы =512
|isbn =}}</ref><ref name="Климов">{{книга
|автор =А.Н.Климов
|часть =
|заглавие =Ядерная физика и ядерные реакторы
|оригинал =
|ссылка =
|место =Москва
|издательство =Энергоатомиздат
|год =1985
|страницы =352
|isbn =}}</ref><ref name="Кеn">{{книга
|автор =I.R.Cameron, [[Университет Нью-Брансуика|University of New Brunswick]]
|часть =
|заглавие =Nuclear fission reactors
|оригинал =
|ссылка =
|место =Canada, New Brunswick
|издательство =Plenum Press
|год =1982
|страницы =
|isbn =}}</ref><ref name="К">{{книга
|автор =И.Камерон
|часть =
|заглавие =Ядерные реакторы
|оригинал =
|ссылка =
|место =Москва
|издательство =Энергоатомиздат
|год =1987
|страницы =320
|isbn =}}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания}}

[[Категория:Ядерная физика]]
[[Категория:Нейтронная физика]]