Ядерное деление “в свете” резонансных нейтронов

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...