裂变理论
核裂变是一个复杂的过程,涉及的重排的核子在单个核产生两个不同的细胞核。一个完整的理论的理解这个反应需要一个详细的知识的力量参与运动每个原子核的过程。因为这样的知识仍然是不可用的,有必要构建实际系统的简化模型来模拟其行为并获得尽可能准确的描述步骤的过程。模型的成功和失败在会计的各种观察裂变过程可以提供基本的新见解物理管理行为的真正的细胞核,特别是在大型核变形中遇到一个原子核发生分裂。
理解核反应的框架类似的与化学反应的概念,涉及到的势能表面发生反应。驾驶力物理或化学反应降低的趋势势能,增加系统的稳定性。因此,例如,在山顶一块石头滚下山,将其潜在的能源在顶部动能运动,底部会休息在一个更稳定的低势能状态。计算势能作为各种函数参数系统的研究。在分裂的情况下,不得计算势能函数的系统,因为它的形状进行断开点的障碍,和最低势能的道路可能确定。
正如已经指出的那样,一个精确的计算核势能是不可能的,这是近似计算,各种模型来模拟真实的构造系统。一些模型被开发来解决核结构和光谱学以及核反应的特点,他们也曾试图理解核裂变的复杂性。模型是基于不同的假设和近似的核力量和的性质动力学路径的分离。没有一个模型能解释所有广泛的现象学的裂变,但每个地址的不同方面的过程,提供了一个向一个完整的理论进一步发展的基础。
核模型和核裂变
一些属性,反映了原子核展品集体所有的运动组成的核子作为一个单元,以及其他属性依赖于个人的核子的动作和状态。
的类比核的不可压缩的下降液体是首先提出了乔治•伽莫夫1935年,后来适应了核反应的描述(通过尼尔斯·玻尔[1936];玻尔和弗里茨Kalckar[1937])和裂变(波尔和约翰·a·惠勒[1939];雅科夫和弗伦克尔[1939])。波尔提出了所谓的复合核核反应的描述,激发能源系统的形成吸收的中子或光子例如,分布在大量系统的自由度。这种兴奋状态持续很长一段时间相对于原子核的运动时期细胞核,然后发射的衰减辐射、中子或其他粒子的蒸发或裂变。的液滴模型核的账户一般很好集体行为裂变的原子核,提供了一个了解过程之间的竞争的基础上有凝聚力的核力和破坏性的质子之间的库仑排斥。然而,它预测对称裂变的质量部门,而非对称质量部门是观察。此外,它并没有提供一个准确的描述裂变屏障系统误差或核的基态群众。液滴模型特别有用在描述高度兴奋的原子核的行为,但它并没有提供一个精确的描述原子核在地面或地势低洼的激发态。许多版本的液滴模型采用改进的参数已经开发出来。然而,调查人员发现质量不对称和某些其他特性在裂变不能充分描述的基础上,仅靠这样的模型提出的集体行为。
偏爱不平等质量(即的形成。非对称分裂)观察早期在裂变的研究中,它一直最令人费解的特点占的过程。调查人员调用以外的各种型号的液滴,试图解决这个问题。处理所有原子核中的核子的相互作用简化了治疗它,就好像它是相当于一个粒子之间的相互作用,平均球形静态的潜力场这是由所有其他的核子。的方法量子力学提供解决方案的运动核子在这样的潜力。一组特征中子和质子的能量水平,,类似于电子在一个水平的集合原子水平组织自己贝壳在某些所谓的核子的神奇数字。(用于中子和质子,这些数字是2,8,20日,28日,50岁,82年和126年)。在这些核壳闭包数量,尤其是强大的约束力,或额外的稳定性。这构成球壳模型的本质(有时也被称为独立粒子、单粒子模型),开发的玛丽亚Goeppert梅尔和j·汉斯·d·詹森和他们的同事(1949)。这对极化子账户存在的质量和旋转异构核国家(激发态可衡量的半衰期)发生在核级别的广泛不同的旋转相对接近彼此说谎。观察的协议是适合球形核与核子魔法外壳附近的号码。球壳模型,然而,不同意与其他核子numbers-e.g的核属性。镧系和锕系元素的元素的原子核,与核子之间的神奇号码。
在镧系和锕系元素原子核基态不是球形而是变形到一个扩展的球状足球或西瓜的形状。对于这样的原子核,核子的运动允许各州必须计算潜在的有对称对应于一个球体,而不是一个球体。这是第一次完成由梅波尔本·r·Mottelson1955年,斯文·g·尼尔森,水平结构计算的函数变形的细胞核。球体有三个轴的对称,它可以作为一个单元在空间旋转任何其中之一。旋转可以发生独立的个人激励的核子的内部状态。球体的各种振动模式也可能发生。由于这种畸形的壳模型组件的独立粒子运动和核的集体运动作为一个整体(即。、旋转和振动),有时也称为统一的模型。
在梅波尔的裂变过程应用程序的统一模型,激发态的势能面序列系统被认为是功能的变形参数(即。,伸长)描述运动对裂变在鞍点和评估。当系统通过鞍点,大部分的激发能在细胞核变形,使用和系统仍然是“冷”;即。,它体现小兴奋,或热、能源。因此,只有低洼激发态系统是可用的。自旋和平价的特定状态(或通道)的系统,因为它通过鞍点存在然后将确定分裂属性。在这个频道(或过渡态)分析裂变,大量的定性特征的过程。因此,裂变阈值将取决于复合核的自旋和平价状态,裂变碎片角分布是由集体转动角动量的状态和质量分布的不对称会导致通道在屏障-平价状态(这并不拥有反射对称)。该模型给出了一个定性的解释许多裂变现象,但它至少必须假设一些属性过渡态的鞍点并不改变动力考虑系统的血统的断开点。这是唯一的模型,该模型提供了一个令人满意的解释裂变碎片角分布,和有吸引力的功能,必须包含在任何裂变的完整的理论。
球壳模型的第一个应用程序裂变是承认裂变质量分布的峰值的位置相当不错的魔法数字和相关建议的定性解释不对称质量部门。因此,偏爱核的形成与中子数字接近82附近将有利于形成核素重型组的峰值,从而确定质量分裂的裂变系统(见图4),一些额外的稳定50个质子的核配置也会预期,但这并不是特别明显。事实上,所谓的双魔核锡- 132和50个质子和82个中子,而低产低能裂变。
更球壳模型的定量应用裂变是彼得的方美国在1956年。他相关的概率给定对碎片的形成可用的态密度,对那两个片段在断开点统计模型的方法。这类模型预测系统,在其随机运动,将所有可能的配置经验,所以将有更大概率的最大数量的地区这样的配置(或国家)集中。模型假定势能的鞍点基本上是所有转化为激发能和统计平衡在所有可能的状态是建立在断开点。额外的结合能闭壳核导致在给定的激发能态密度高于存在其他核,因此,导致形成的概率更高。非对称质量分布在良好的协议与观察到的中子诱发裂变铀- 235是获得。此外,质量分布的变化与裂变的激发能增加(例如,增加对称裂变的概率相对于非对称裂变)所占的重要性的减少壳效应随着激发能的增加。裂变过程的其他特性也定性解释;然而,广泛的模型需要的参数的变化与其他可裂变核素实验获得协议。然后,也有基本问题有关的一些基本假设的有效性模型。
的基本问题的有效性模型,评估系统的属性(所谓的断开点scission-point裂变)是系统的模型仍然是足够长的时间在这一点上急剧下降的势能表面建立准平衡状态。有证据表明,这样的情况的确可能占上风,但它并不明确。尽管如此,这种模式已经被证明非常有用在解释观测质量,负责,动能能量分布以及中子发射碎片质量的依赖。似乎很有可能片段壳结构决定的过程中起着重要作用裂变过程。
虽然单粒子模型提供了一个良好的核结构的各个方面的描述,他们不是成功占变形核的能量(即。,表面能量),尤其是在大变形裂变过程中遇到的。当发生了重大突破混合模型结合壳效应的修正势能液滴模型提出的俄罗斯物理学家1967年V.M. Strutinskii。这种方法保留了占主导地位的集体表面和库仑作用而增加壳和配对修正,取决于变形。几百万的壳修正电子伏计算,这些有很大影响的液滴障碍5兆电子伏。外壳出现的核子数取决于变形和球面模型可能不同于神奇的数字。在附近裂变的屏障,液滴的壳结构介绍势能曲线,如所示。两峰的相对高度和宽度随裂变系统的质量和电荷。
双峰障碍()提供了一个令人满意的解释的困惑观察裂变。短暂的存在,自发裂变同分异构体,例如,是理解为州的人口的结果在第二(二类)。这些同分异构体有一个小得多的势垒穿透,所以表现出自发裂变半衰期很短。形状的变化与这些国家,上课我州相比,也阻碍了快速回到基态伽马辐射。(二类州也称为形状同分异构体)。中子诱发裂变横截面的分类学和结构在某些裂变碎片角分布也找到一个解释影响双峰的障碍。
Strutinskii过程为计算提供了强大的刺激的势能表面适合裂变系统,因为它提供了一个一致的和有用的处方治疗的宏观(液滴)和微观(单粒子)影响变形核。的许多计算势能表面采用不同的模型势和参数进行了系统的图形的功能。的工作美国核科学家j•Swiatecki,詹姆斯·r·Nix及其合作者在此类研究尤为引人注目,也包括一些试图治疗裂变的动态演化过程。
计算表明锕系元素的元素,在变形对应第二个障碍(),势能为不对称的质量将是低于对称的;因此,前者倾向于在那个阶段的过程。然而,对于更大的变形,一个潜在的不代表初期的形成两个片段很好。事实上,在断开点出现不连续,计算的结果取决于分离配置被视为一个核或作为两个独立的核。
一个two-centre潜力也可以用来代表的本质力量的原子核。在这种模型中,势能面是由两个重叠的领域或球状体。它相当于一个中心可能有一个完整的重叠时变形小,它有正确的渐近行为新生的单独的碎片。这种方法显示的预先形成的最后壳结构片段在过程的早期。
尽管假设的有效性固有的在scission-point模型可能在问题,获得的结果与观测一致。这样一个模型的代表是阿贡Scission-Point模型,它使用一个macroscopic-microscopic与变形计算片段壳牌和配对修正来确定系统的势能的两个近球状体接触,包括他们的交互连接他们的脖子。这种模型提供一个简单的方法来一个高度依赖的定量和详细研究形成一个给定的概率片段对中子和质子数在每个片段和变形。他们账户的质量、电荷和高聚能导弹落分布和中子发射依赖质量数广泛的裂变原子核。scission-point模型,然而,没有解决问题的裂变或碎片角分布的概率。随着fission-excitation能量增加,壳修正减少和宏观(液滴)行为占主导地位。
核素镄- 264年在该地区曾被观察到接受对称裂变碎片的动能异常增高。这似乎是稳定的结果神奇的数字配置的50个质子和82个中子。两双神奇的碎片的形成锡- 132是强烈的大力支持,而形成的只有一个这样的低能裂变碎片铀或钚同位素。锡的片段- 132球而不是畸形,在分离点和更紧凑的配置(电荷中心靠近)导致更高的碎片的动能。
很明显,壳效应,裂变系统在鞍点和在分离点附近的畸形的片段,是重要的在解释许多裂变过程的特性。的阶段过程的各种片段分布决定,然而,不明确。所有组件的裂变似乎有一定的了解,但他们尚未合成一个完整的、动态理论。
考虑系统的动力学的血统势能表面从鞍点断开点涉及两种极端的观点。一个绝热近似的集体运动可能是有效的,如果系统被认为是减缓或集体之间的耦合和内部单粒子自由度(即。宏观和微观行为)之间弱,快速单粒子运动很容易适应变化的原子核的形状对分离过程中。在这种情况下,系统发生的变化没有热能的收益或损失。鞍座之间的势能减少和切断点会出现在集体自由度主要分离,与相对运动的动能有关新生的片段(称为pre-scission动能)。另一方面,如果对分离集体运动较快或coupling-to-particle运动强,集体能量可以转化为内部激励的核子的能量(热量)。(这类似于加热在粘性流体的运动)。在这样一个“非绝热的”过程之间的混合单粒子自由度可能足够完成一个统计模型可能适用在断开点。要么极端代表一个近似的复杂行为,和一些实验证据支持的解释可能是先进的。等在大多数情况下,事实可能是介于极端,与裂变过程中发挥一些作用。