Под знаком кванта

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 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 /и_п = 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:

ти

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,