Поглощение частицы а и образование составного ядра С еще не означает, что произошла ядерная реакция. Тип реакции определяется способом распада составного ядра. Согласно (4.2.2) энергия возбуждения составного ядра Wc ≥ εa(С), поэтому всегда возможен вылет той же частицы, захват которой вызвал образование промежуточного ядра. Такой процесс называется резонансным рассеянием.
Составное ядро, которое имеет дискретный энергетический спектр, может оказаться в одном из возбужденных состояний только тогда, когда ему передается строго определенная порция энергии. Другими словами, если Еi – энергия одного из возбужденных уровней составного ядра, то образование составного возбужденного ядра возможно при условии
|
Wc = Еi |
(4.2.3) |
с точностью до естественной ширины уровня (см. (3.6.15)). Поскольку εa(С) есть постоянная величина для ядра, составленного из частицы а и ядра-мишени А, то выполнение условия (4.2.3), а следовательно, и образование составного промежуточного ядра возможно только при строго определенных величинах
в (4.2.2). При всех других значениях кинетической энергии частицы а образование составного ядра невозможно и она будет испытывать рассеяние на потенциальном барьере ядра-мишени А. Такое рассеяние без образования составного ядра называется потенциальным рассеянием. Потенциальное рассеяние значительно более вероятно, чем образование составного ядра в том случае, когда уровни расположены достаточно редко и Г <<D (см. (1.7.2)).
Однако рассмотренные выше необходимые энергетические условия образования возбужденного составного ядра не являются достаточными. Кроме энергии, каждый уровень возбуждения составного ядра характеризуется определенным значением спина Ic. Система а + А имеет собственный механический момент J, определяемый спинами Ia и IA частицы а и ядра-мишени А, а также орбитальным моментом l их движения относительно общего центра инерции. Если положить l = 0 (столкновение имеет нулевой прицельный параметр), то суммарный момент J сталкивающихся частиц будет иметь, согласно правилу (1.6.8) сложения моментов в квантовой механике, значения от |Ia - IA| до |Ia + IA| через единицу. Следовательно, образование промежуточного ядра, в силу закона сохранения момента импульса (см. §4.4), даже при выполнении энергетических условий, возможно только в единственном случае, когда спин Ic одного из возможных уровней составного ядра равен одному из возможных значений J суммарного механического момента системы а + А. В остальных случаях будет наблюдаться потенциальное рассеяние. Случай l > 0 только увеличивает число значений J, но принципиально ничего не изменяет.
Факт образование составного ядра имеет экспериментальное подтверждение. Во-первых, наблюдаются т.н. резонансы – узкие пики на зависимости вероятности протекания реакции от кинетической энергии частиц а. Экспериментальное измерение ширины Г резонанса позволяет с помощью соотношения (3.6.15) оценить среднее время τ жизни составного ядра. Оказалось, что в ряде случаев среднее время жизни может достигать величины τ ≈ 10-14с, которое на много порядков превышает характерное время ядерного взаимодействия, примерно равного 10-23с (см. (1.9.17)). Второй экспериментальный факт в пользу образования составного ядра связан со сферической симметрией (изотропностью) распределения импульсов вылетающих частиц b в системе центра инерции составного ядра. Энергия, вносимая в составное ядро при захвате частицы а, быстро, за время ~ 10-22с, перераспределяется между нуклонами ядра и каждый из нуклонов имеет избыточную энергию существенно меньше средней энергии связи нуклонов в ядре. Выброс частицы b из составного ядра возможен только в результате концентрации энергии возбуждения на одном или группе нуклонов вблизи поверхности ядра, если вторичная частица сложная, а этот процесс длительный. Поэтому промежуточное ядро как бы «забывает» способ своего образования и в системе центра инерции наблюдается изотропное распределение направлений вылета частицы b на втором этапе реакции при распаде составного ядра.
Когда кинетическая энергия частиц а существенно превышает среднюю энергию связи нуклона в ядре, нуклоны можно рассматривать как свободные и преобладающим механизмом протекания ядерных реакций становится прямое взаимодействие и переход от начального состояния ядра к конечному осуществляется прямо, непосредственно, без промежуточной стадии образования составного ядра в течение времени ~ 10-22с. В соответствии с этим механизмом бомбардирующая ядро-мишень А частица а непосредственно взаимодействует с одним или группой из периферийных нуклонов ядра.Реакции прямого взаимодействия отличаются от реакций с образованием составного ядра, прежде всего анизотропным (вытянутым по направлению движения бомбардирующей частицы а) распределением продуктов реакции в системе центра инерции частицы а и ядра-мишени А.
Соответственно для механизма прямого взаимодействия в энергетическом спектре вторичных частиц наблюдается избыток частиц с большей энергией по сравнению со спектром для механизма составного ядра.
Есликинетическая энергия частиц а сравнима с энергией связи отдельных нуклонов, то с определенными вероятностями могут осуществляются оба механизма.