СПЕКТР ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ

Важной характеристикой ядер является спектр возбужденных состояний. Ядро данного состава может находиться, во-первых, в основном состоянии с наименьшим возможным значением энергии связи во-вторых, в некотором наборе других состояний с более высокими значениями энергии связи Совокупность всех возможных состояний данного ядра с энергиями связи есть спектр возбужденных состояний или спектр ядерных уровней.

Разность между энергиями возбужденного и основного состояний называется энергией возбуждения:

где индекс обозначает номер уровня.

Перевод ядра из основного состояния в возбужденное происходит:

1) при поглощении ядром гамма-фотонов;

2) при бомбардировке ядра различными частицами;

3) при электромагнитном взаимодействии между ядром и пролетающей мимо него заряженной частицей (протоном или другим ядром),

обладающей достаточно большой кинетической энергией («кулоновское возбуждение ядра»);

4) в некоторых процессах ядро данного состава появляется не в основном, а в возбужденном состоянии.

Например, при проникновении протонов с энергией в ядра бериллия-9 образуются ядра лития-6 в трех состояниях: в основном и в двух возбужденных состояниях с энергиями возбуждения 2,184 и

Возбужденные состояния ядер являются неустойчивыми и ядро переходит в основное состояние (с минимально возможным значением энергии связи). Переход из возбужденного состояния в основное может осуществляться различными способами, в зависимости от энергии возбуждения и структуры данного ядра:

1) испусканием гамма-фотона;

2) испусканием частиц из ядра (протона, нейтрона, альфа-частицы). В этом случае энергия возбуждения должна быть больше энергии связи испускаемой частицы в ядре;

3) передачей энергии возбуждения одному из электронов, входящих в состав электронной оболочки атома (этот процесс называется «внутренней конверсией»).

Измерение энергии испускаемых частиц и фотонов позволяет определить спектр уровней данного ядра.

Время существования возбужденного состояния с энергией связано с «энергетической шириной» этого уровня (заметим, что физические системы никогда не имеют строго определенного значения энергии; любое состояние системы можно характеризовать значением энергии, лежащей в узких пределах: Согласно принципу Гейзенберга:

Величины для каждого уровня определяются составом ядра, характером взаимодействия межу нуклонами и структурой ядра. Если равно или больше разности энергий между соседними уровнями, то спектр возбужденных состояний будет непрерывным.

Среднее время пребывания ядер в возбужденных состояниях, т. е. время, в течение которого первоначальное число одинаково возбужденных ядер уменьшаемся в раз:

1) у легких ядер лежит в пределах т. е. значительно меньше времени существования возбужденных состояний в электронных оболочках атомов

2) у тяжелых ядер — значительно больше и для состояний, близких к основному, достигает нескольких секунд, минут и даже часов.

Изучение спектров возбужденных состояний ядер приводит к следующим представлениям. Каждый нуклон внутри ядра может находиться только в некотором дискретном наборе состояний. Спектр возможных состояний для протонов может не совпадать с аналогичным спектром для нейтронов. Каждое из возможных состояний нуклона в ядре характеризуется определенным значением энергии связи;

поэтому можно утверждать, что в ядре нуклоны располагаются по определенным «уровням энергии». Эти уровни нумеруются по возрастающим значениям энергии. В основном состоянии ядра нуклоны занимают все низшие уровни энергии без пропусков. Если один из нуклонов оказывается на более высоком уровне, то ядро будет иметь в спектре низших уровней одно «вакантное место». Согласно принципу Паули, на каждом уровне для протонов находится только два протона с противоположно направленными спинами. На нейтронных уровнях могут находиться также два нейтрона с противоположными ориентировками спинов. Если уровни протонов и нейтронов совпадают, то на каждом из них могут находиться только четыре нуклона.

Полный спектр всевозможных состояний данного ядра можно условно разделить на следующие части:

1) область низших уровней. В основном состоянии нуклоны данного ядра полностью занимают все эти уровни;

2) область возбужденных уровней, у которых энергия возбуждения меньше энергии, необходимой для удаления нуклона из ядра. В этом случае переход ядра из возбужденного состояния в основное может осуществляться путем излучения гамма-фотона: такие уровни называются также «стационарными»;

3) область возбужденных уровней, у которых энергия возбуждения больше энергии связи одного нуклона в ядре. Эти уровни обнаруживаются по резонансным явлениям в ядерных реакциях, происходящих при различных внешних воздействиях на ядро (при изменении энергии бомбардирующих частиц и т. д.).

Установлены следующие закономерности:

1) легкие ядра имеют небольшое число уровней возбужденных состояний, а разность энергий между ними велика и вблизи основного состояния достигает нескольких С увеличением числа нуклонов в ядре общее число уровней увеличивается, а разности энергий между ними уменьшаются;

2) при больших значениях энергии возбуждения ядерные уровуи расположены ближе друг к другу, т. е. их «плотность» («густота» или число уровней, приходящихся на единичный интервал значений энергии) возрастает;

3) в окрестности определенных значений энергии возбуждения плотность ядерных уровней у четно-нечетных ядер больше, чем у четно-четных;

4) разности энергий уровней у ядер с магическими числами больше, чем у соседних ядер (в одной и той же области спектра возбуждений);

5) спектры уровней энергии у пары «зеркальных» ядер похожи. Например, энергии возбуждения у ядер имеют следующие значения,

При общей характеристике возбужденных состояний ядер, кроме энергии связи (или энергии возбуждения) и времени существования,

необходимо указать также спин ядра в каждомиз-этих состояний. Изменение спина при переходе из основного состояния в возбужденное или из одного возбужденного состояния в другое является некоторой характеристикой внутренних изменений в ядрах при этих переходах.

Возбуждение ядер осуществляется сообщением им энергии извне. Если эта энергия достаточно велика, то можно перевести нуклон из его уровня в структуре ядра на уровень, лежащий за пределами объема ядра. Так, например, при поглощении ядром гамма-фотонов большой энергии наблюдается выбрасывание из ядра протона, нейтрона или альфа-частицы. Это явление называется фоторасщеплением ядра или «ядерным фотоэффектом».

Такими процессами являются, например, фоторасщепление дейтрона

(справа дана условная запись этой реакции; в скобках записаны символы падающей и излучаемой частиц) или реакции

При помощи гамма-фотонов можно вызвать и разложение ядра, например

В этой реакции ядро кислорода-16 разлагается на ядро углерода-12 и ядро гелия-4.