Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" N20 (2000)
Если спросить, какое научное
открытие символизирует уходящий двадцатый век,
то многие, наверное, назовут открытие деления
атомного ядра, сделанное немецкими учеными более
60 лет назад. Они обнаружили среди продуктов
взаимодействия медленных нейтронов с ядрами
урана химические элементы с зарядом и массой,
составляющими примерно половину заряда и массы
исходного ядра урана. Вскоре Г.Н. Флеров и К.Н.
Петржак наблюдали акты самопроизвольного
(спонтанного) деления ядер урана. Еще до
экспериментального открытия деления атомных
ядер теоретики показали, что это явление
энергетически возможно для тех ядер, у которых
собственная масса превышает сумму масс ядер -
продуктов деления. Вынужденное, вызванное
медленными нейтронами деление ядер было
исследовано первым потому, что, как это обнаружил
Э. Ферми почти сразу после открытия нейтрона,
вероятность взаимодействия таких нейтронов с
ядрами сильно зависит от энергии и для некоторых,
“резонансных”, значений энергии нейтронов
может увеличиваться на несколько порядков. Как
выяснилось позже, эти резонансы соответствуют
образованию отдельных “изолированных”
возбужденных уровней промежуточного (нейтрон +
ядро-мишень) ядра, обладающего, как и остальные
ядерные состояния, определенным спином J и
четностью P.
Эти, как их стали называть, резонансные
нейтроны с энергией меньше 100 КэВ оказались очень
эффективным средством изучения свойств
возбужденных ядер и фундаментальных
взаимодействий, включая эффекты несохранения
пространственной четности и нарушения временной
инвариантности ядерных реакций.
Явление ядерного деления, по-видимому,
наиболее сложное из ядерных превращений,
изучается различными методами, начиная от
“элементарного” спонтанного деления, кончая
делением, вызванным энергичными налетающими
частицами, включая тяжелые ионы.
Однако деление, индуцированное
резонансными нейтронами и проходящее через
стадию компаунд-ядра с фиксированными
значениями спина и четности JP, дает
уникальные возможности для изучения
квантово-механических аспектов процесса. Только
в этом случае удается наблюдать так называемые
интерференционные эффекты в энергетической
зависимости полного и дифференциального сечений
деления ((n,f)-реакции).
Интерференционные явления - наиболее
яркое и специфическое проявление волновой,
квантово-механической природы процесса,
невозможно наблюдать в чистом виде в более
сложных реакциях, приводящих к делению из-за
усреднения по многим квантовым состояниям,
дающим вклад в сечение реакции. Исследование
деления, идущего через “нейтронные резонансы”,
привело к введению понятия переходного
состояния делящегося ядра и пониманию его роли
как “наблюдаемого канала” процесса деления.
Парадокс деления состоял, в частности, в том, что
количество возможных “каналов” (комбинаций
состояний) продуктов деления огромна ~109. С
точки зрения обычной ядерной физики это должно
было исключать возможность наблюдения каких бы
то ни было интерференционных эффектов из-за
имеющего место в эксперименте суммирования по
всем (или очень многим) каналам продуктов
деления, которые имеют случайные фазы своих
волновых функций. Сумма по многим состоянием со
случайными знаками должна была стремиться к
нулю... Однако эксперимент, включая не только
полное сечение деления, но также и угловые
корреляции осколков, как сохраняющие, так и
нарушающие (?!) пространственную четность, упрямо
указывал на выживание интерференционных
эффектов.
Обсуждаемый парадокс, много лет
интриговавший физиков-ядерщиков, интенсивно
изучавшийся такими научными звездами как А. Бор и
В.М.Струтинский, был окончательно разрешен
усилиями экспериментаторов и теоретиков из
коллаборации ЛНФ (ОИЯИ) - ФЭИ (Обнинск) - РНЦ КИ
(Москва) - ФИ САН (Братислава) - ТУ (Делфт), работы
которых были удостоены второй премии ОИЯИ за 1999
год по разделу научно-исследовательских работ.
Сложная экспериментальная техника,
включающая низкотемпературную кристаллическую
урановую мишень, позволяющая получать
выстроенные по спину ядра, и оригинальный
теоретический подход к описанию исследуемого
явления в сочетании со светосильным источником
резонансных нейтронов ОИЯИ - ИБР-30, позволили в
результате многолетних измерений и сложной
процедуры обработки получить уникальные данные
по “элементарным” квантовым амплитудам деления
для многих состояний компаунд-ядра 236U.
Анализ этих результатов в
совокупности со всем известным в литературе
набором данных для ядра 236U дал
возможность впервые детально исследовать
зависимость свойств барьеров деления от
квантовых чисел, характеризующих переходные
состояния делящегося ядра, в том числе и их
четности. Последнее стало возможным благодаря
использованию для теоретического анализа
экспериментальных результатов по угловым
корреляциям продуктов деления того же
компаунд-ядра 236U, полученных в
последние годы на ИБР-30 коллаборацией ЛНФ - ПИЯФ
(Гатчина) - Университет (Лодзь). Была установлена
связь между переходными состояниями и так
называемыми модами деления, описывающими набор
возможных конфигураций делящегося ядра перед
разрывом на осколки.
Таким образом, резонансные нейтроны
как средство изучения фундаментальных свойств
атомных ядер (не только деления, но и других
важных ядерных реакций) остаются перспективным
направлением исследований, и создаваемый в ОИЯИ
новый источник резонансных нейтронов - ИРЕН
предоставит новому поколению физиков-ядерщиков
богатые возможности для новых экспериментов.
В рамках популярного изложения трудно
углубляться в тонкости весьма сложных аспектов
современной физики деления. За 60 лет своего
существования эта область науки прошла долгий и
сложный путь от открытия явления ядерного
деления до создания (ударными темпами) атомной и
водородной бомб, от первой атомной
электростанции в Обнинске до Чернобыля. Все
работающие в этой области будут счастливы, если
дальнейшее развитие ядерной физики будет
приносить человечеству только пользу и поможет,
наконец, решить грозную проблему утилизации
отходов ядерных реакторов, порожденную
недальновидным атомным двадцатым веком...
В. ФУРМАН, заместитель директора
Лаборатории нейтронной физики
имени И. М. Франка
