2 S. Кikuсhi, К. Нusimi, H. Аоki. Nature, 1936, 137, 992.
§ 4. Вылет нейтронов из возбуждённых ядер
Как уже указывалось в § 1, распад составной системы, образующейся в процессе превращения ядер, следует рассматривать как событие, зависящее исключительно от состояния этой системы, а отнюдь не от того, каким путём она образовалась. В самом деле, для такого распада необходимо, чтобы на отдельной частице (которая затем и вылетает) сконцентрировалась, так сказать случайно, значительная часть энергии, существовавшей до того в форме внутренних движений ядерной материи. Эти характерные черты ядерной динамики выявляются особенно ясно в случае такого распада составной системы, в результате которого вылетают нейтроны. Действительно, в случае вылета заряженных частиц электрическое отталкивание, простирающееся за пределы радиуса действия собственно ядерных сил, может при некоторых обстоятельствах иметь значительное влияние на вероятность распада; как мы увидим дальше, в § 6, этот существенно квантовый эффект не всегда может быть вполне точно отделен от кинетических условий для отрыва частицы от материи ядра. Даже в случае столкновения с нейтронами нельзя применять соображения классической механики к движению нейтрона вне ядра; это допустимо только, если де-бройлевская длина волны
=
h
v
(11)
меньше размеров ядра или по крайней мере сравнима с ними. Строго говоря, если не сравнимо с , то не может быть и речи об определённо установившемся взаимодействии между свободным нейтроном и какой-либо частицей внутри ядра. Действительно, образование полуустойчивой составной системы (а такая система при этих условиях получается почти во всех случаях в результате соприкосновения падающего нейтрона с поверхностью ядра) похоже на прилипание молекулы пара к поверхности жидкого или твердого тела. И обратно, распад составной системы, при котором освобождается нейтрон, представляет наглядную аналогию с испарением жидких или твердых веществ при низких температурах.
Эта аналогия была подчёркнута Френкелем в вышедшей недавно статье 1, в которой он путём сравнения с известными формулами для испарения вывел выражение для вероятности вылета нейтрона из возбуждённого ядра; в наших обозначениях эту формулу можно записать в виде
n
=
N
2/3
-1
exp
-
W
kT
,
(12)
где W — работа, необходимая для освобождения нейтрона из ядерной материи, T — эффективная температура и k — постоянная Больцмана. Френкель оценивает тепловую энергию ядра, предполагая, что энергия возбуждения распределяется согласно формуле Планка между множеством вибраторов, число которых равно числу степеней свободы системы, состоящей из N частиц. Если U — полная энергия возбуждённого ядра, то это даёт
U
=
i
h
i
exp
hi
kT
-1
-1
(13)
где суммирование распространяется на все вибраторы. Полагая, далее, что
частоты этих вибраторов все сравнимы с наиболее низкими частотами
излучения, испускаемого возбуждёнными ядрами, Френкель получает для
составной системы, образованной столкновением нейтрона с тяжёлым
ядром, значения для
kT,
равные нескольким сотням тысяч электронвольт. При подстановке в
формулу (12) это даёт для
n
значения, значительно меньшие, чем вероятности вылета нейтрона, вычисленные из
опытов. Однако так как
W
равно около 10
1 Я. И. Френкель. Sow. Phys., 1936, 9, 533.
Практически вся энергия возбуждения составной системы собрана в небольшом числе колебаний ядерной материи с наименьшими частотами, и, следовательно, температура ядра, вычисленная по формуле (13), будет в несколько раз больше той, которую получает Френкель; эта температура оказывается вполне достаточной, чтобы обеспечить приблизительное совпадение с наблюдёнными вероятностями распада в тех случаях, когда можно ожидать, что формула (12) достаточно точна. Количественное сравнение обычного испарения и вылета нейтрона из составной системы ограничено в действительности не только трудностями, связанными с точным подсчётом эффективных температур этой системы, по и тем обстоятельством, что возбуждение ядра, остающегося после вылета нейтрона, обычно будет много меньше, чем возбуждение составной системы; при обычном же явлении испарения, наоборот, во время отрыва единичной молекулы газа изменение тепловой энергии тел, участвующих в реакции, настолько мало, что им можно пренебречь. Поэтому от формулы, подобной (12), можно ожидать приблизительно правильных результатов только в том случае, когда среднее возбуждение остаточного ядра, будучи меньше возбуждения составной системы, будет всё-таки того же порядка величины (см. добавление VI).