Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
3. ст„р(в). ОБМЕННЫЕ СИЛЫ. СВЯЗЬ С НАСЫЩЕНИЕМ
Рассмотрим теперь зависимость сечения (п— />)-рассеяния от угла, на который происходит рассеяние. Из рис. 335 видно, что ход сечения с углом в какой-то мере согласуется с результатами расчета, сделанного по теории возмущений. Сечение действительно резко анизотропно в пользу малых углов, однако убывание сечения идет до угла 9' « 90°, затем сечение снова возрастает и при 9'«180е может даже превосходить значение, соответствующее 9' = 0'. Впервые этот результат получил в 1948 г. Сегре при изучении рассеяния нейтронов с энергией 40 и 90 МэВ. В дальнейших опытах с нейтронами больших энергий вплоть до Г=600 МэВ, достигнутых на советском синхроциклотроне, этот результат был подтвержден.
Для объяснения этого явления рассмотрим процесс соударения нейтрона с протоном при помощи кинематической схемы.
V,. Vk
S)
— а.)
Рис. 339
§ 86. Нуклон-нуклонные взаимодействия при TN> 100 MiB
73
Изобразим последовательные стадии соударения в двух системах координат—л. с. к. и с. ц. и. На рис. 340, а последовательно изображены состояния до столкновения в л. с. к. и с. ц. и. и состояния после столкновения в с. ц. и. и л. с. к.
Как уже было замечено, для потенциальной ямы глубиной V<<Т угол 9', на который отклоняется рассеивающийся нейтрон от первоначального направления, невелик: 9' = ^/ V/T.
Поэтому в л. с. к. нейтрон после рассеяния летит приблизительно в первоначальном направлении, а протон отдачи — примерно под углом 90й.
Таким образом, с точки зрения этого механизма в с. ц. и. (и тем более в л. с. к.) должно наблюдаться резко направленное вперед рассеяние нейтронов и совсем не должно быть нейтронов, рассеянных в с. ц. и. назад (9'>90°).
Для объяснения наблюдающегося на опыте рассеяния назад (в с. ц. и.) должен быть рассмотрен новый механизм взаимодействия, носящий название рассеяния с перезарядкой. Сущность этого явления заключается в том, что при взаимодействии нейтрона с протоном они меняются своими зарядами, так что нейтрон после рассеяния летит в качестве протона, а протон — в качестве нейтрона (см. также § 111, п. 1). В соответствии с этим силы, ответственные за рассеяние с перезарядкой, получили название обменных. Картина столкновения нейтрона и протона и последующего их рассеяния с учетом перезарядки схематически изображена на рис. 340, б.
Из рисунка видно, что в отличие от предыдущего случая в с. ц. и. должно наблюдаться преимущественное рассеяние назад (на углы 9'>90°), а в л. с. к.— под углом 9«90°. При этом в л. с. к. будут наблюдаться протоны, летящие приблизительно в первоначальном направлении падающих нейтронов (протоны перезарядки). Явление перезарядки полностью объясняет своеобразную картину угловой зависимости сечения рассеяния при высоких энергиях, причем по величине «рогов» кривой при 9'«0° и 9'= 180° можно судить о соотносительной доле обычных и обменных сил.
Очевидно, что явление перезарядки может идти также, если бомбардирующей частицей является протон. Тогда
Рис. 340
74 Глава XV. Нуклон-нуклонные взаимодействия при высоких энергиях
в процессе перезарядки образуются летящие вперед нейтроны. Как было сказано выше, это явление используется для получения пучков быстрых нейтронов.
Как и обычные, обменные ядерные силы в общем случае могут зависеть от взаимной ориентации спинов частиц, взаимной .ориентации спинов и оси взаимодействия и от взаимной ориентации спина и орбитального момента. Поэтому потенциал обменных сил, так же как и потенциал обычных сил, должен содержать по крайней мере четыре слагаемых вида
Ко6м(г) = {К'1 (r)+V2 (r)(Sls2)+
+ V3 (r)(Sln)(s2n)+K4 (r) (si)} A (86.10)
где P—оператор, обменивающий местами нейтрон и мротон.
Относительная роль обычных и обменных сил сравнима. Поэтому в итоге получается, что для описания ядерного взаимодействия между двумя нуклонами (во всяком случае между нейтроном и протоном) надо построить потенциал, состоящий по крайней мере из восьми различных функций [сумма потенциалов (84.21) и (86.10)], вклад каждой из которых существен.
Введение обменных ядерных сил позволяет объяснить одно из характерных свойств ядерного взаимодействия—существование явления насыщения*. Известно, что в ряду ядер 2Н, ?Н, 2 Не и * Не энергия связи, рассчитанная на один нуклон, быстро растет, достигая для последнего ядра 7 МэВ. Однако для остальных ядер периодической системы средняя энергия связи на один нуклон остается примерно постоянной и равной 6—8 МэВ (см. табл. 34 на с. 21). Это означает, что в ядре нет взаимодействия между всеми нуклонами. Каждый нуклон ядра может взаимодействовать только с ограниченным числом других нуклонов, подобно тому, как атом в молекуле может взаимодействовать лишь с ограниченным количеством других атомов (валентность и насыщение химических сил связи).
Квантовая механика доказывает, что существование обменных сил всегда ведет к явлению насыщения. Это связано с тем, что явление обмена предполагает наличие процесса, происходящего не между всеми, а только между двумя партнерами. Именно введением обменных сил объясняется насыщение химического взаимодействия (так называемые ко-валентные, гомеополярные силы типа сил, связывающих два атома водорода в его молекуле).
