Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв

На рисунке приведены сечения поглощения нейтронов ядрами кадмия и урана. При малых энергиях (Е< 100 эВ) они очень велики: 10 000 барн и более. Такие всплески называют резонансами в сечениях реакций. Кроме того, глядя на графики, можно заметить, что при очень малых энергиях нейтронов E<z эВ (их называют тепловыми, поскольку средняя энергия движения атомов при комнатной температуре 7° = 20°С равна примерно 0,04 эВ) сечения начинают резко и монотонно возрастать. Чтобы понять все эти особенности нейтронных сечений, необходимо вновь вспомнить о квантовой природе ядерных реакций и, в частности, о волновых свойствах нейтрона.

Уже в 1936 г., через четыре года после открытия нейтрона, Вальтер Эльзассер (еще до создания квантовой механики он указал на волны де Бройля как на причину аномалий в опытах Джермера) предсказал, что нейтрону, как и электрону, должны быть присущи волновые свойства. В том же году .Петер Прейсверк (1907—1972) и Ханс Халбан (1908—1964) в Институте радия в Париже подтвердили экспериментально его предсказание. Масса нейтрона /ип = 1,67-Ю-24 г, при энергии 1 эВ его скорость v = 1,4 • 106 см/с, а соответствующую длину волны легко вычислить по формуле де Бройля:

6,67 • 10 27 эрг - с

= 2,8-10-9 см.

(1,67-10-24 г) - (1,4-106 см/с)

Если, как обычно, за «радиус» квантовой частицы принять величину го“А,/2л, то при энергии 1 эВ «радиус нейтрона» '*о~4-10“10 см, то есть в 500 раз превышает радиус ядра урана.

До сих пор мы явно и неявно предполагали, что нейтрон меньше ядра. Мы уподобляли его, например, дробинке, которая налетает на бильярдный шар. Это казалось нам настолько естественным, что мы принимали такую картину без

обсуждений и, как теперь понятно, без всяких к тому оснований. Если «снаряд» больше «мишени», то естественно их поменять местами и считать, что ядро налетает на нейтрон, «геометрическое сечение» которого о0 = лго при энергии 1 эВ равно 1,5-105 барн, то есть 150 000 барн. Как правило, нейтронные сечения о меньше <т0, но иногда, а именно при резонансных энергиях, эффективные сечения реакций нейтронов достигают своего верхнего предела о0, а на графиках сечений при этих энергиях видны характерные максимумы — резонансы.

Причину появления резонансов в сечениях поглощения нейтронов ядрами довольно легко понять. Предположим, что нейтрон сталкивается с ядром 29®и и захватывается им. При этом выделяется энергия связи нейтрона в ядре, равная приближенно 7,6 МэВ, и образуется новый изотоп урана 292U. Ядро, как и атом,— сложная квантовая система, энергия которой принимает разные, но всегда определенные квантованные значения. Поэтому она может перейти из одного состояния в другое, только поглотив вполне определенную порцию (квант) энергии.

Вспомните знаменитый опыт Франка и Герца: они облучали атомы ртути электронами, но атомы не поглощали эту энергию до тех пор, пока она была недостаточной, чтобы возбудить атом. Но когда энергия электронов достигала значения 4,9 эВ, вероятность возбуждения атомов резко возрастала, или, как мы говорим теперь, в сечении возбуждения атомов ртути электронным ударом при энергии 4,9 эВ наблюдался резонанс.

Точно так же при облучении урана нейтронами реакция

n+TsU-► W,

в результате которой образуется ядро нового изотопа урана в возбужденном состоянии, происходит с большой вероятностью (имеет большое сечение) только при некоторых, резонансных энергиях. Таких резонансов в сечении может быть довольно много, например в сечении поглощения нейтронов ядрами урана-238 наблюдается восемь резонансов в интервале энергий нейтронов от 5 до 200 эВ.

Образовавшийся изотоп урана немедленно переходит в основное состояние, испуская у-квант, то есть в действительности реакция протекает по схеме

п + T2U---> 2i92U*---> 2f2U + у.

Это— наиболее частая реакция, так называемая (п, у)-реакция, которая впоследствии, при постройке атомного котла, доставит много хлопот.

При энергиях Ес 1 эВ резонансы в нейтронных сечениях исчезают, но сами сечения с уменьшением энергии нейтронов продолжают расти, как это и можно было ожидать, глядя на формулу

2 ( h 2

Оо = лго = л(---) .

mv /

В действительности, как показывает строгий квантовомеханический расчет, обычно сечения растут не так быстро, а именно согласно знаменитому «закону 1/v», то есть

<т = С/у,

где v — скорость нейтрона, а С — некоторая постоянная величина. Теперь мы, наконец, можем понять эффект, который наблюдал Ферми в тот солнечный день октября 1934 г., поместив источник нейтронов в бассейн с золотыми рыбками: сталкиваясь с ядрами водорода, нейтроны из радон-бериллиевого источника замедлялись и поэтому с большой вероятностью поглощались ядрами элементов.

Просто, не правда ли? Особенно если вспомнить, что речь идет о процессах внутри ядер атомов, то есть микрообъектов с размерами 10“12 см, структуру и свойства которых мы, по существу, сами воссоздали силой своего воображения. Конечно, созданная нами картина не произвольна — она опирается на данные опытов, но от этого удивление силой человеческого воображения не становится меньше.

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

В 1936 г., за два года до открытия деления урана, Нильс Бор развивал «капельную модель ядра». Эта умозрительная попытка проникнуть в существо внутриядерных процессов требовала от автора известной научной смелости. В самом деле, к тому времени все уже успели убедиться, что ядро — это хоть и непонятное, но очень прочное нечто, а Бор предлагал его мыслить в виде жидкой капли, состоящей из

протонов и нейтронов. Основой его концепции было представление о составном ядре, которое возникает при захвате нейтрона, протона, а-частицы обычным ядром. При этом, утверждал Бор, новые частицы теряют свою индивидуальность, «растворяются» в ядре, а энергия, которую они с собой принесли, распределяется между всеми нуклонами ядра. Ядро возбуждается и, чтобы освободиться от избыточной энергии, может поступить по-разному: испустить у-квант, выбросить электрон и антинейтрино или же а-частицу. Развивая эти представления, Бор смог связать воедино разрозненные факты из физики ядерных реакций и даже вывести формулу для энергии связи ядер, которая довольно хорошо совпала с опытом.

Узнав об открытии деления урана, Бор £разу же понял, что оно наиболее естественно объясняется в рамках капельной модели ядра. В самом деле, возбужденное ядро деформируется, иногда настолько сильно, что ему проще разделиться на две части, чтобы избавиться от энергии возбуждения, чем испустить несколько