Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

Отсутствие селективности при захвате быстрых нейтронов, строго говоря, относится только к вероятности захвата нейтрона ядром и вылету из него материальной частицы. Детальный механизм этих явлений должен, однако, существенно зависеть от системы уровней образующегося ядра. В самом деле, после столкновения эта система должна находиться в каком-то устойчивом состоянии, и если кинетическая энергия падающего нейтрона не слишком велика, все состояния, между которыми может быть сделан выбор, должны лежать в области обычных дискретных -уровней. Если поэтому кинетическая энергия нейтронов, внедряющихся в тяжёлое ядро, будет меньше самого низкого уровня этого ядра, энергия нейтрона, вылетающего из составной системы, должна с необходимостью равняться энергии падающего. Однако в случае соударения нейтрона с большей энергией, очевидно, имеется определённая вероятность, что ядро может остаться в возбуждённом состоянии после вылета нейтрона с соответственно меньшей энергией.

На

самом деле вероятность процесса, происходящего таким путём, который предполагает меньшую концентрацию избыточной энергии составной системы на испускаемом нейтроне, часто может значительно превышать вероятность вылета нейтрона без возбуждения. По-видимому, имеются также экспериментальные доказательства ядерного возбуждения при соударениях с нейтронами, а именно — в наблюдениях потерь энергии быстрых нейтронов, пронизывающих вещества большого атомного веса ¹, где прямой обмен энергией между нейтронами и ядрами должен быть крайне мал.

¹ W. Ehrenberg. Nature, 1935, 136, 870.

Как уже упоминалось ранее, соударения между быстрыми нейтронами и ядрами элементов небольшого атомного номера должны в большинстве случаев вести к вылету -частицы или протона. Мы можем заключить отсюда, а также и из значительного эффективного сечения этих соударений, что столкновение ведёт сначала к образованию полуустойчивой составной системы с непрерывным распределением уровней энергии. Несмотря на то что время жизни такой системы может быть гораздо меньше времени жизни -состояний в тяжёлых ядрах, мы должны всё же считать, что последующий вылет -лучей или протонов требует отдельного процесса концентрации излишка энергии и что мы не можем прийти к определённым выводам из этих явлений относительно существования таких частиц в ядрах при нормальных условиях. Например, большую вероятность испускания -частицы по сравнению с вылетом нейтрона из составной системы нужно, как уже указывалось, объяснять скорее сравнительно малой степенью концентрации энергии в первом процессе. Что касается испускания заряженных частиц, мы должны, конечно, также принять во внимание отталкивание их остатком ядра и, в частности, значительную трудность для заряженной частицы (по сравнению с незаряжённой с той же конечной кинетической энергией) проникнуть сквозь потенциальный барьер, окружающий ядро.

Как уже неоднократно указывалось, последнее обстоятельство приводит к простому объяснению не только быстрого убывания выхода -частиц и протонов в результате захвата быстрых нейтронов с возрастанием заряда ядра, но также уменьшения с увеличением энергии нейтрона отношения вероятностей вылета этих двух типов заряженных частиц. Вероятность того, что ядро может находиться после вылета этих частиц в нормальном или в возбуждённом состоянии, зависит и в том и в другом случае от распределения уровней энергии конечной системы, — более разделённых для лёгких ядер, — а также от соотношения между большей лёгкостью для быстрых частиц проникнуть сквозь потенциальный барьер ядра, с одной стороны, и необходимостью большей концентрации энергии в первом случае по сравнению с последним, с другой. Подобные же рассуждения можно приложить к деталям обычного -распада, как, например, к слабым группам длиннопробежных -частиц и к тонкой структуре наиболее интенсивных линий -лучей.

В случае ядерного превращения, вызываемого захватом заряженных частиц, так же как и для расщепления ядер -квантами, образование промежуточной полуустойчивой составной системы, по-видимому, имеет решающее значение для объяснения большого разнообразия явлений. Кроме типичных неселективных эффектов вроде испускания нейтрона или протона быстрыми -частицами мы встречаемся, как известно, с эффектом явно выраженного резонанса при захвате медленных -частиц, так же как и в явлениях захвата лёгкими ядрами искусственно ускоренных протонов. Вследствие очень небольшой продолжительности жизни промежуточного состояния степень резонанса в этом случае, однако, значительно меньше, чем в случае селективного захвата нейтронов тяжёлыми ядрами. В связи с этим, быть может, следует заметить, что такие выражения, как «уровни -частиц» или «уровни протонов», — выражения, обычно применяемые при рассмотрении этих эффектов и основанные на приписывании возбуждения отдельным ядерным частицам, теряют всякий смысл, если смотреть на ядерное возбуждение с точки зрения, принятой нами. Действительно, существенной чертой ядерных реакций, возбуждаемых при соударениях или поглощении излучения, можно считать свободную конкуренцию между всеми различными возможными процессами освобождения материальных частиц или переходов с излучением, которые могут происходить в составной системе, находящейся в полуустойчивом состоянии.

Подробное обсуждение с этой точки зрения существующих эмпирических данных относительно спонтанных и индуцированных превращений ядра будет вскоре опубликовано мною совместно с Ф. Калькаром ¹, который, оказал мне большую помощь при выводе следствий из развитой здесь общей концепции. Затем мы обсудим также ограничение

этих представлений, в случае очень лёгких ядер вроде дейтерия, где разделение между механизмом накопления энергии в ядре и механизмом освобождения частиц, так резко выраженное для реакций с тяжёлыми ядрами, постепенно, теряет своё значение. Здесь, однако, я должен ещё кратко указать, что в изложенных выше рассуждениях можно ожидать видоизменений даже для тяжёлых ядер, если энергия промежуточной системы намного превышает энергию нормального состояния.

¹ N. Bohr, F. Kalckar. Kgl. Dan. Vid. Selsk, Math.-Fys. Medd., 1937, 14, № 10 (статья 48).

Если бы мы могли производить опыты с нейтронами и протонами с энергиями, превышающими 100 Мэв, мы должны были бы ожидать, что избыток энергии этих частиц, когда они проникают в ядро не очень малой массы, должен прежде всего распределиться между частицами ядра так, что освобождение любой из них неизбежно вызывало бы последующую концентрацию энергии. Вместо обычного течения ядерной реакции мы можем в этом случае ожидать, что не одна, а несколько заряженных или незаряжённых частиц могут покинуть ядро в результате соударения. Для ещё более сильного соударения с захватом частицы, обладающей энергией в 1000 Мэв, мы должны быть готовыми к тому, что столкновение может привести к взрыву всего ядра. Такие энергии в настоящее время, конечно, находятся далеко за пределами возможностей эксперимента, и нет необходимости подчёркивать, что подобные эффекты едва ли могут приблизить нас к решению так многократно обсуждавшихся проблем использования ядерной энергии в практических целях. К сожалению, чем обширнее становятся наши сведения о ядерных реакциях, тем отдалённее представляется достижение этой цели.

В заключение этого доклада я хотел бы сказать, что даже если проблема строения ядра пока ещё и лишена той простоты в механическом отношении, которая так характерна для теории строения атома и которая так помогла при распутывании взаимоотношения элементов в смысле их обычных физических и химических свойств, тем не менее, как я пытался показать, эта проблема обладает специфическими особенностями, облегчающими интерпретацию характерных свойств ядер, например в отношении разделения ядерных реакций на отдельные стадии с такой отчётливостью, какая не имеет аналогии в механическом поведении атомов.

46 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ^*

^*Conservation Laws in Quantum Theory. Nature, 1936, 138, 25, 26.

Недавно Боте и Майер-Лейбниц выполнили новые опыты, касающиеся связи между рассеянием и отдачей при комптон-эффекте. Их результаты, как и данные описанных выше опытов Якобсена ¹, противоречат выводам Шенкленда об отсутствии связи между этими явлениями. В связи с этим мне хотелось бы сделать следующие краткие замечания по поводу возобновившейся после опытов Шенкленда дискуссии ² относительно возможной несостоятельности законов сохранения энергии и импульса в атомных явлениях.

¹ Эта заметка Бора помещена в «Nature» от 4 июля 1936 г. сразу же за письмом Якобсена, в котором описываются эти опыты. — Прим. ред.

² Р. Dirac. Nature, 1936, 137, 298; Е. J. Williams. Nature, 1936, 137, 614; R. Peierls. Nature, 1936, 137, 904.

Сомнения относительно справедливости законов сохранения в элементарных квантовых процессах высказывались и раньше, при первых попытках ³ обобщить классическую теорию излучения в целях её приспособления для разъяснения сложной дилеммы корпускулярного и волнового характера излучения. Но тогда положение было совершенно иное, чем сейчас. Дело не только в том, что последующие экспериментальные открытия заставили нас привыкнуть к подобным парадоксам в поведении электронов и других материальных частиц. Здесь важно главным образом то, что рациональные методы, разработанные квантовой механикой и электродинамикой, подтвердили возможность совместить существование кванта действия со строгим выполнением законов сохранения во всех явлениях, подобных дифракции электрона и комптон-эффекту. Более того, начатая Гейзенбергом работа по рассмотрению дополнительных ограничений измерения механических величин и компонент электромагнитного поля ⁴ в квантовой теории полностью устранила любые парадоксы в этом отношении. Можно сказать, что суть аргументов в том, что любая попытка недвусмысленной пространственно-временной координации в квантовых явлениях подразумевает отказ от строгого применения законов сохранения. Это вызывается принципиальной неконтролируемостью обмена энергией и импульсом между исследуемым объектом и твердыми телами и часами, определяющими пространственно-временную систему отсчёта. И наоборот, строго определённое применение законов сохранения в квантовых явлениях предполагает существенный отказ от пространственно-временной координации ⁵.