Miez compus

Nucleul compus este un model teoretic al unei reacții nucleare în timpul captării unui atom de neutroni de către un nucleu , care a fost dezvoltat de Niels Bohr în 1936 pe baza cercetărilor lui Enrico Fermi privind radioactivitatea artificială și a stat la baza picăturii nucleare. model propus de Yakov Frenkel . În lucrarea sa revoluționară „Captarea neutronilor și structura nucleului” Bohr a scris [1] :

Fenomenele de captare a neutronilor ne fac astfel să presupunem că o coliziune între un neutron rapid și un nucleu greu trebuie să conducă, în primul rând, la formarea unui sistem complex caracterizat de o stabilitate remarcabilă. Posibila dezintegrare ulterioară a acestui sistem intermediar cu ejectarea unei particule de material sau trecerea la o stare finală stabilă cu emisia unui cuantum de energie radiantă ar trebui considerate procese independente care nu au legătură directă cu prima fază a coliziunii. .

Această teorie a oferit una dintre principalele explicații teoretice pentru studiile experimentale ale transformărilor nucleare; le explică în mod satisfăcător la energii de bombardare a particulelor de până la aproximativ 50 MeV și stă la baza ideilor moderne despre o mare parte a reacțiilor nucleare.

O explicație simplă a modelului

Bohr însuși, la prelegerea sa la Moscova în 1937 pentru Academia de Științe a URSS , în mod neașteptat pentru oamenii de știință, a explicat acest model fără raționamente teoretice complexe și fără formule deloc. În schimb, a arătat o placă de lemn de mică adâncime în care a așezat bile de oțel. Placa reprezenta nucleul , iar bilele - protonii și neutronii conținute în el , de-a lungul jgheabului înclinat, o altă minge s-a rostogolit în placă, înfățișând un neutron care zboară în nucleu. Dacă nu existau alte bile în locaș, atunci „neutronul” care s-a rostogolit s-ar rostogoli liber peste cealaltă margine și, astfel, iese din „miez”. Dacă în farfurie sunt și alte bile, atunci bila rulată lovește una dintre ele, apoi celelalte, se ciocnesc la rândul lor una de alta, așa că se pun în mișcare, dar, de regulă, niciuna nu devine suficient de energie cinetică pentru a se rostogoli. peste marginea adânciturii. Astfel, „neutronul” care a intrat în „nucleu” nu poate ieși, deoarece și-a cedat energia altor particule și a fost distribuit între ele.

Aceasta este o explicație foarte simplă și nu poate explica pe deplin întreaga teorie, dar este o bună ilustrare a conceptului în sine [2] .

Ideea modernă a nucleului compus

Conform teoriei nucleului compus, o reacție nucleară are loc în două etape.

La început, particulele inițiale formează un nucleu intermediar (compozit) în timpul nuclear , adică timpul necesar unui neutron pentru a traversa nucleul, aproximativ egal cu 10 -23 - 10 -21 s . În acest caz, nucleul compus este întotdeauna format într-o stare excitată, deoarece are energie în exces adusă de neutron în nucleu sub forma energiei de legare a neutronului din nucleul compus și o parte din energia sa cinetică , care este egală cu suma energiei cinetice a nucleului țintă cu un număr de masă și a neutronului din centrul de inerție al sistemului . Astfel, în cazul unui nucleu țintă imobil, energia de excitație va fi egală cu: $\varepsilon_{n}$ $A$

$E^{*}=\varepsilon _{n}+E(1-{\frac {m_{n}}{M^{*}}})\aproximativ \varepsilon _{n}+{\frac {A}{A+1}}E=\varepsilon _{n}+E'$

Datorită interacțiunii puternice a neutronului din nucleu, această energie de excitație este rapid distribuită aproape uniform între nucleoni , drept urmare fiecare dintre ei va avea o energie mult mai mică decât energia de legare a nucleului compus.

În a doua etapă, energia este redistribuită între nucleonii nucleului compus, acest proces fiind foarte lent. Ca urmare, energia poate fi concentrată pe unul sau mai mulți nucleoni situati în apropierea graniței nucleului, drept urmare acest nucleon îl poate părăsi. Chiar și ținând cont de permeabilitatea scăzută a barierei nucleare, procesul de dezintegrare a nucleului compus are loc într-un timp relativ lung, aproximativ 10 -13 - 10 -16 s, care depășește semnificativ timpul nuclear .

Pe lângă emisia de nucleoni, nucleul poate suferi și un alt tip de dezintegrare - emisia unui quantum gamma , în timp ce durata de viață a nucleului compus în raport cu emisia sa este determinată de interacțiunea electromagnetică și este de aproximativ 10 -14 s pentru grele. nuclee [3] , care este, de asemenea, mult mai lungă decât timpul nuclear .

Metoda de dezintegrare nu depinde de metoda de formare a nucleului compus, care poate fi explicată prin durata lungă de viață a nucleului compus, pare să „uite” cum s-a format, prin urmare formarea și dezintegrarea nucleului compus. pot fi considerate evenimente independente. De exemplu , poate fi format ca un nucleu compus într-o stare excitată într-una dintre următoarele reacții: ${}_{{13}}^{{27}}{\textrm {Al}}$

${}_{{11}}^{{23}}{\textrm {Na}}+{}_{{2}}^{{4}}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{{ 13}}^{{27}}{\textrm {Al*}}$

${}_{{12}}^{{26}}{\textrm {Mg}}+{}_{{{1}}^{{1}}{\textrm {H}}\rightarrow {}_{{ 13}}^{{27}}{\textrm {Al*}}$

${}_{{13}}^{{26}}{\textrm {Al}}+{}_{{0}}^{{1}}{\textrm {n}}\rightarrow {}_{{ 13}}^{{27}}{\textrm {Al*}}$

${}_{{13}}^{{27}}{\textrm {Al}}+\gamma \rightarrow {}_{{13}}^{{27}}{\textrm {Al*}}$

Ulterior, în condiția aceleiași energii de excitație, acest nucleu compus se poate descompune prin sens invers oricăreia dintre aceste reacții cu o anumită probabilitate, independent de istoria originii acestui nucleu. Probabilitatea formării unui nucleu compus depinde de energie și de tipul nucleului țintă.

Dacă energia cinetică a neutronului nu coincide cu diferența dintre energia de excitație a stării i și energia de legare a neutronului, adică: $e'$

Limite energetice

$E_{i}^{*}-\varepsilon _{n}\neq E'$ , atunci probabilitatea formării unui nucleu compus este mică. Pe măsură ce energia neutronilor se apropie de k, probabilitatea interacțiunii crește și atinge un maxim la: $E_{i}^{*}-\varepsilon _{n)$

$E'=E_{i}^{*}-\varepsilon _{n}$

Această condiție se numește rezonanță prin analogie cu fenomenele fizice cunoscute , locația unor astfel de rezonanțe depinde de tipul nucleului țintă și de energia neutronilor, ceea ce se explică prin natura aranjamentului nivelurilor de energie pentru diferite nuclee.

Limitele de rotire

O altă limitare este legată de spin -ul nucleului. Fiecare nivel excitat este caracterizat de propriul său moment mecanic , la fel cum nucleul țintă în starea fundamentală are spin , particula incidentă are spin și mișcarea relativă a particulei și nucleului prin momentul său unghiular , care la energii joase este cel mai adesea. luate egale cu zero. Spinul total al particulelor care se ciocnesc (la ) poate fi în intervalul de la până la unitate, iar dacă particula care bombardează este un nucleon, atunci momentul mecanic este fie , fie . $J$ $I$ $s$ $l$ $l=0$ $\left|I+s\right|$ $\left|Este\right|$ $I+1/2$ $\left|I-1/2\right|$

Dacă spin -ul nivelului excitat al nucleului compus nu este egal cu nici una dintre valorile posibile ale spinului total al particulelor care se ciocnesc, atunci formarea nucleului compus este imposibilă. Dacă se încadrează în limitele de la până la , atunci formarea unui nucleu compus este posibilă, totuși, dacă momentul total al particulelor care se ciocnesc este egal cu . Proporția acestor ciocniri este determinată de factorul statistic , restul ciocnirilor reprezintă potențiala împrăștiere a particulelor. $J$ $J$ $\left|I+s\right|$ $\left|Este\right|$ $J$ $g$

Efectul parității

Energia de legare a unui neutron într-un nucleu compus depinde de paritatea numărului de neutroni din el : energia de legare a neutronilor pari este mai mare decât energia de legare a neutronilor impari, iar energia de legare este deosebit de mare pentru neutronii cu numere magice , prin urmare, energia de excitație a unui nucleu compus cu un număr par (în special magic) de neutroni este mai mare decât excitația energetică a unui nucleu compus cu un număr impar de neutroni la aceleași energii cinetice ale neutronilor [4] [5] [6 ] ] [7] . $E^{*}$

Note

↑ N. Bor . Captarea neutronilor și structura nucleului // UFN . — 1936 . - T. 14 , nr. 4 , nr. 4 . - S. 425-435 .
↑ I.M. Frank . Modelul nucleului compus al lui N. Bohr și încălcarea parității // UFN . — 1986 . - T. 14 , nr 4 . Arhivat din original pe 13 septembrie 2013.
↑ pentru nucleele din mijlocul sistemului periodic , acest timp poate fi de 10 ori mai mic
↑ Bartolomey G.G., Baibakov V.D., Alkhutov M.S., Bat G.A. Fundamente ale teoriei și metodelor de calcul a reactoarelor nucleare. - Moscova: Energoatomizdat, 1982. - S. 512.
↑ A.N. Klimov. Fizică nucleară și reactoare nucleare. - Moscova: Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
↑ IRCameron, Universitatea din New Brunswick . reactoare de fisiune nucleară. — Canada, New Brunswick: Plenum Press, 1982.
↑ I. Cameron. Reactoarele nucleare. - Moscova: Energoatomizdat, 1987. - S. 320.