[科普中國]-復(fù)合核模型

介紹

復(fù)合核模型的基本思想與核結(jié)構(gòu)的液滴模型相同，也是把原子核比作液滴。入射粒子將能量傳給靶核形成激發(fā)態(tài)的復(fù)合核相當(dāng)于液滴的被加熱，而復(fù)合核的衰變則相當(dāng)于受熱液滴的蒸發(fā)。

復(fù)合核模型和外斯科夫所提出的三階段理論中的復(fù)合系統(tǒng)并非完全相同。復(fù)合系統(tǒng)是比復(fù)合核模型更廣泛的一個(gè)概念，它除了包括復(fù)合核之外，還包括表面和體內(nèi)的直接作用以及多次碰撞、集體激發(fā)等各種情況。

玻爾的復(fù)合核概念在核物理發(fā)展史上曾起過重要作用，但實(shí)驗(yàn)表明并不是所有的核反應(yīng)都經(jīng)歷復(fù)合模形成階段，例如削裂反應(yīng)和拾取反應(yīng)都不能用復(fù)合核模型解釋。

這種觀念的提出，主要是考慮到低能反應(yīng)截面隨能量變化顯示出來的共振特性無法用靶核對入射粒子的平均勢來解釋。

原理復(fù)合核模型基本內(nèi)容是認(rèn)為一般低能核反應(yīng)可分為彼此獨(dú)立的兩個(gè)階段，第一階段是復(fù)合核的形成，即入射粒子進(jìn)入靶核后核內(nèi)核子強(qiáng)烈相互作用，立即將自己的能量分散給所有核子，使整個(gè)核處于激發(fā)態(tài)，達(dá)到新的動態(tài)平衡，形成一個(gè)處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)合核，其壽命比入射粒穿行靶核的時(shí)間長得多。

第二階段是復(fù)合核的衰變，即復(fù)合核分解成出射粒子和剩余核，處激發(fā)態(tài)的復(fù)合核由其自身的壽命、能量、角動量和宇稱決定其衰變方式，與它的形成過程無關(guān)。復(fù)合核模型假設(shè)復(fù)合核形成和衰變是兩個(gè)沒有關(guān)聯(lián)的相互獨(dú)立的階段。利用這個(gè)模型可以很好地解釋核反應(yīng)的共振現(xiàn)象，即當(dāng)入射粒子能量為某些特定值時(shí)，反應(yīng)截面具有尖銳的極大值，稱為共振峰。當(dāng)入射粒子轟擊相同靶核而發(fā)生不同核反應(yīng)時(shí)，各種反應(yīng)的共振峰往往具有相同的位置，這些共振峰正對應(yīng)于復(fù)合核的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。根據(jù)共振峰的位置可以研究復(fù)合核的能級。

理論與試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)上觀察到的低能中子截面共振峰的寬度和相鄰峰的間距都遠(yuǎn)小于平均勢模型的預(yù)言結(jié)果，而且中子俘獲截面遠(yuǎn)大于散射截面。按照復(fù)合核觀念，清晰而尖銳的共振峰的出現(xiàn)，意味著復(fù)合核在激發(fā)能較低的區(qū)域存在分立的準(zhǔn)穩(wěn)能級，共振峰很窄和間距很小表明似穩(wěn)能級的寬度和能級間距很小，這是涉及到許多核子的強(qiáng)相互作用效應(yīng)。當(dāng)復(fù)合核基本上處于一個(gè)寬度狹窄（壽命較長）的準(zhǔn)穩(wěn)能級時(shí)，體系的能量已分配給各個(gè)自由度，再集中在一個(gè)或少數(shù)核子上使之逸出核外的幾率較小，因此復(fù)合核就可能有較大的幾率通過電磁躍遷而退激發(fā)，從而使俘獲截面增大。

設(shè)入射粒子a和靶核A形成復(fù)合核C，然后衰變?yōu)槭Ｓ嗪薆及出射粒子b： A+a─→C─→B+b，

則根據(jù)基本假設(shè)反應(yīng)截面σab可表示為：σab=σσ(a)Wb,

其中σσ(a)是復(fù)合核形成截面，Wb是復(fù)合核通過放出粒子b而衰變的幾率,后者同復(fù)合核的形成歷史無關(guān)。關(guān)于反應(yīng)截面在一個(gè)單獨(dú)共振峰附近的行為，可以利用布賴特-維格納單能級共振公式來描述,這種公式原是與N.玻爾的復(fù)合核觀念同時(shí)提出的。精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，布賴特－維格納公式能夠非常成功地描述單能級共振現(xiàn)象，由此可得到關(guān)于準(zhǔn)穩(wěn)能級的壽命和衰變幾率等的精確而系統(tǒng)的資料。

隨著入射粒子能量的升高，復(fù)合核的能級寬度增大，間距變小。當(dāng)復(fù)合核處在不同能級發(fā)生重疊的能量區(qū)域時(shí)，反應(yīng)截面將依賴于所涉及的不同準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)之間的相角關(guān)系。可采用多能級的布賴特－維格納公式。當(dāng)復(fù)合核處在能級密度甚高的區(qū)域時(shí)，由于涉及甚多的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，通常是假定各準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)對截面的貢獻(xiàn)是無規(guī)的?？梢酝ㄟ^統(tǒng)計(jì)的途徑建立比較簡單的計(jì)算平均截面的方法。按照統(tǒng)計(jì)理論的截面公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要知道核能級密度以及相應(yīng)于各種開道（見核反應(yīng)）的復(fù)合核形成截面（平均截面）等。關(guān)于能級密度，通常采用半經(jīng)驗(yàn)公式表示。

復(fù)合核形成截面則可以近似地采用核反應(yīng)光學(xué)模型的吸收截面加上各種必要的修正。由統(tǒng)計(jì)理論得到的關(guān)于復(fù)合核反應(yīng)的主要定性結(jié)論如下：發(fā)射粒子的角分布（在質(zhì)心坐標(biāo)系中）呈現(xiàn)出90°對稱，能譜近似地具有麥克斯韋速度分布律的形式。以中子核反應(yīng)為例，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較表明，當(dāng)能量不甚高，剩余核只能激發(fā)少數(shù)能級的情形，統(tǒng)計(jì)理論的角分布和激發(fā)函數(shù)都同實(shí)驗(yàn)符合較好，只是需要考慮導(dǎo)致剩余核的某些低集體激發(fā)態(tài)的直接核反應(yīng)的貢獻(xiàn)。在入射能量較高時(shí)，涉及剩余核高激發(fā)態(tài)的能譜和非彈性散射角分布仍然同統(tǒng)計(jì)理論的預(yù)言一致，對于涉及剩余核低激發(fā)態(tài)的情形則不是這樣，這是因?yàn)橹苯雍朔磻?yīng)的貢獻(xiàn)占優(yōu)勢的緣故。

科學(xué)意義復(fù)合核模型能解釋下列事實(shí)：

①在低能核反應(yīng)中出現(xiàn)的狹窄的共振峰；對應(yīng)于壽命較長的復(fù)合核的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)；

②出射粒子平均角分布在質(zhì)心系的90°對稱性,是與復(fù)合核形成和衰變無關(guān)相聯(lián)系的；

③在共振區(qū)有較大的輻射俘獲截面，這是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)通過電磁躍遷退激發(fā)的結(jié)果；④出射粒子的能譜可由處于較高激發(fā)態(tài)的復(fù)合核的蒸發(fā)來解釋。2