Составное ядро — это понятие, описывающее временное образование в ходе ядерной реакции, когда два или более ядра или нуклона образуют единую систему перед распадом на продукты реакции. Этот промежуточный комплекс обладает определённой энергией, угловым моментом и временем жизни, достаточным для перераспределения энергии между нуклонами. Понятие составного ядра особенно важно для описания реакций с малыми энергиями и ядерного синтеза, где прямое столкновение ядер без образования комплекса маловероятно.
Энергия и возбуждение При столкновении двух ядер часть кинетической энергии превращается в внутреннюю энергию составного ядра. Эта энергия распределяется между нуклонами и может проявляться как возбуждение отдельных нуклонных уровней.
Время жизни Составное ядро существует кратковременно, обычно порядка (10^{-21} - 10^{-20}) секунд, что соответствует времени распространения нуклонов внутри ядра на расстояния порядка ядерного радиуса. Время жизни определяет вероятность перехода к конкретным каналам реакции — испусканию нейтронов, протонов, альфа-частиц или делению на фрагменты.
Состояние углового момента Составное ядро может обладать различными значениями спина, определяемыми суммой угловых моментов сталкивающихся ядер и их орбитального движения. Консервация углового момента накладывает ограничения на возможные каналы распада.
1. Реакции через составное ядро Такие реакции называются механизмом полусложного или составного ядра. Основные стадии:
Примеры реакций через составное ядро: [ ^{14} + ^{1} {15}{*} ^{12} + ^{4}] Здесь промежуточное возбуждённое ядро ({15}{*}) обеспечивает перераспределение энергии и приводит к образованию стабильных продуктов.
2. Прямые реакции В отличие от составного ядра, прямые реакции происходят почти мгновенно, с непосредственным переносом нуклонов или кластеров. Примеры: реакции однонуклонного обмена, выбивания частиц. Механизм характеризуется меньшей степенью статистического перераспределения энергии.
3. Реакции со статистическим распадом Если составное ядро обладает достаточно большой энергией и большим числом нуклонов, его распад можно описывать статистической моделью. Вероятность выхода через определённый канал определяется плотностью энергетических уровней и вероятностью излучения конкретной частицы. Формулы Бейтса и Вигнера позволяют количественно оценить распределение продуктов.
Модель Вейцзеккера-Эвретта описывает вероятность образования составного ядра через величину сечения столкновения и энергетический барьер. Основные положения:
Формула для сечения реакции через составное ядро: [ (E) = ^2 {l=0}^{l{}} (2l + 1) ] где (T_l(E)) — коэффициент проникновения через кулоновский барьер для орбитального момента (l), () — ширина выхода через конкретный канал, () — общая ширина распада.
Изотопный состав и энергия связи Реакции протекают с большей вероятностью для лёгких ядер с высокой удельной энергией связи. Для тяжёлых ядер возможны деления и многоканальные распады.
Состояния возбуждения Составное ядро может образовываться в разных возбужденных состояниях, влияя на спектр испускаемых частиц и вероятность конкретного канала.
Кулоновский барьер Величина кулоновского отталкивания определяет минимальную энергию, при которой возможно образование составного ядра. Для легких ядер барьер невысок, для тяжёлых — требует значительного ускорения частиц.
Понимание механизма составного ядра важно для:
Составное ядро является центральным понятием, объединяющим физическую кинетику нуклонов и статистическое распределение энергии, обеспечивая количественное описание ядерных реакций и предсказание вероятности различных каналов распада.