ЯДЕРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Возбуждение и распад. Ядро атома обычно находится в основном энергетическом состоянии. Это означает, что все нуклоныядра занимают уровни с наименьшей энергией. Вместе с тем число возможных квантовых состояний нуклонов как угодно велико. Однако переход в состояние с большей энергией возможен только при внешнем воздействии и передаче ядру необходимой энергии, например при столкновении с ядром какой-либо частицы или при поглощении ядром гамма-кванта. Ядро, имеющее избыток энергии, называется возбужденным. Время возбуждения обычно мало, и по истечении 10^-14 с или менее с момента поглощения энергии ядро самопроизвольно переходит каким-либо путем в основное состояние (распадается).

Если энергия возбуждения ядра настолько высока, что превосходит энергию связи нуклона в ядре, то переход в основное состояние происходит главным образом путем испускания нуклона, который может унести всю энергию возбуждения, затрачивая часть ее, равную энергии связи (около 8 МэВ), на работу против ядерных сил притяжения. Этим нуклоном чаще всего оказывается нейтрон, т.к. нейтроны не имеют кулоновского барьера, который препядствует как проникновению протонов в ядро, так и их вылету из ядра. При этом переход в основное состояние, вообще говоря, совершает уже другое ядро с числом нуклонов, на единицу меньшим.

Если энергия возбуждения ядра меньше энергии связи нуклонов, то переход в основное состояние происходит путем испускания гамма-кванта или, как это часто бывает, в результате последовательного испускания нескольких гамма-квантов, которые уносят всю энергию возбуждения. Гамма-квант участвует только в электромагнитных взаимодействиях, поэтому испускание гамма-кванта сопровождается электрическим или магнитным переходом в атомном ядре. Поскольку электрические силы много слабее ядерных и процессы под их воздействием протекают медленнее, чем под действием ядерных сил, то при возможности передать энергию возбуждения нуклону обычно ядро испускает нуклон, а не гамма-квант, хотя и в этом случае испускание гамма-кванта не только возможно, но при определенных обстоятельствах даже преобладает над испусканием нуклонов.

Энергетический спектр ядра. На рисунке 3.1 схематически представлено расположение дискретных энергетических уровней нуклонов в ядре, часть которых с наименьшими значениями энергии занята нуклонами в основном состоянии ядра.

Рис. 3.1 Схема энергетических уровней нуклонов ядра:

а – занятые уровни; б – незанятые уровни

При внешнем возбуждении один или многие нуклоны ядра могут занять более высокие уровни. Поскольку нуклонные уровни разделены конечными интервалами энергии, ядру не может быть передано какое угодно количество энергии, а лишь строго определенные порции, точно соответствующие энергиям переходов нуклонов из низших состояний в высшие. Эти порции энергии, относящиеся к ядру в целом, составляют систему возбужденных уровней ядра, или энергетический спектр ядра (см. рис. 3.2).

Рис. 3.2 Схема ядерных уровней легкого (а) и тяжелого (б) ядер

Наименьшее количество энергии, которое может поглотить ядро, соответсвует его первому возбужденному уровню. Первый возбужденный уровень связан либо с переходом одного нуклона в бдижайшее незанятое состояние, что характерно для легких и сферических ядер, либо с возбуждением колебаний с наинизшей частотой группы нуклонов в незаполненной оболочке, что наблюдается иногда у несферических средних и тяжелых ядер. Если энергия возбуждения много больше энергии первого возбужденного уровня, то возбуждаются многие нуклоны и могут разрушаться внешние замкнутые оболочки, нуклонам которых также передается избыточная энергия. Полная энергия возбуждения при этом распределяется между многими нуклонами и может быть в несколько раз больше энергии связи одного нуклона. Непрерывный обмен энергией между нуклонами не позволяет ядру быстро освободиться от избыточной энергии, и возбужденное ядро живет достаточно долго (до 10^-14 с) по сравнению со временами характерными для ядерных взаимодействий (10^-23 с). Только очень слабо связанные ядра самых легких нуклидов ²Н, ³Н, ³Не не имеют возбужденных уровней. В пределах потенциальных ям этих ядер нет ни одного незанятого нуклонного уровня и минимальная энергия, которая может быть передана ядру, есть энергия связи одного нуклона, т.е. энергия разрушения ядра. Энергетические спектры остальных ядер тем сложнее, чем тяжелее ядро.