Под знаком кванта.

Оглядываясь назад, трудно удержаться от мысли, что α-распад — значительно более простое явление, чем извержение вулкана, и лишь предрассудок о заведомой трудности и непонятности квантовой механики мешает признать это сразу. В самом деле, никому еще не удалось предвидеть, когда проснется вулкан и сколько камней он при этом выбросит. А свойства α-распада мы можем предсказать вполне надежно.

Объяснение радиоактивности, столь просто и естественно следующее из основных представлений квантовой механики, произвело на современников исключительное впечатление. Снежный ком противоречивых гипотез и безнадежных вопросов, скопившихся за 30 лет вокруг явления радиоактивности, неожиданно распался. Резерфорд и Мария Кюри дожили до этого времени и могли видеть, как новое знание осветило путь, впервые пройденный ими ощупью, и объяснило смысл их гигантской работы, проделанной много лет назад со страстью и энтузиазмом юности.

С работы Гамова, Гёрни и Кондона берет начало современная ядерная физика. Именно они заставили поверить, что квантовая механика — это не узкоспециальная наука о строении

атомов и молекул (вначале ее так и называли: атомная механика), а наука о всех явлениях атомной и ядерной физики. (По прихоти судьбы Эдвард Кондон родился в том самом году, когда Резерфорд и Содди впервые поняли природу радиоактивности, в местечке Аламогордо на краю той самой пустыни, где 43 года спустя взметнется пламя первого атомного взрыва.)

ЭФФЕКТИВНЫЕ СЕЧЕНИЯ РЕАКЦИИ

Мы хорошо представляем теперь, как α-частицы вылетают из радиоактивного ядра. Сталкиваясь с ядрами других элементов, они могут вызвать ядерную реакцию, то есть проникнуть внутрь ядра. Квантовая механика позволяет вычислить вероятность и таких процессов. Например, она может объяснить, почему только одна α-частица из 300 000 вызывает знаменитую реакцию Резерфорда

α + ¹⁴Ν →¹⁷O + p.

Чтобы привыкнуть к терминам, которые при этом используются, полезно на время освободиться от гипноза слова «квантовый» и рассмотреть более простой процесс. Представьте себе увеличенную модель кристалла, подобную изображенной на рисунке (в каждой школе такая наверняка найдется). Пусть в каждом кубическом сантиметре такого «кристалла» содержится n₀ «ядер» с радиусом r₀, длина «кристалла» равна l, площадь его торца — S, и мы в этот торец стреляем из дробовика, причем скорость дробинок равна υ. Площадь поперечного сечения одного «ядра» σ₀ = πr₀², а площадь сечения всех «ядер» в объеме «кристалла» равна σ₀n₀Sl, то есть произведению σ₀ на общее число ядер n₀Sl в объеме кристалла Sl. Пролетая через кристалл, дробинка попадет в любое из ядер с вероятностью

которая равна отношению суммарной площади σ₀n₀Sl геометрического сечения всех «ядер» в объеме «кристалла» к площади S его торца. Вероятность попадания в единицу времени после этого легко вычислить, поделив полученную величину на время t = l/υ пролета дробинок через кристалл, то есть

вероятность попадания в единицу времени = w = σ₀υn₀.

Таким образом: если каждую секунду со скоростью υ (см/с) через площадь в 1 см² пролетает одна дробинка, то с вероятностью w=σ₀υn₀ она попадет в одно из «ядер».

Эта очень важная формула справедлива и в квантовой механике, только под σ₀ там надо понимать не геометрическое сечение ядра σ₀=πr₀², а некоторое другое, «эффективное сечение», которое может быть как меньше, так и больше геометрического,— в зависимости от вида реакции, которую мы изучаем. Например, если мы интересуемся только теми столкновениями дробинок с «ядрами», при которых последние раскалываются, то ясно, что число таких столкновений всегда меньше, чем число простых попадании.

Это уменьшение можно учесть с помощью некоторого коэффициента после чего прежняя формула примет вид

w=w_fσ₀υn₀=συn₀.

Величину σ=w_fσ₀ называют эффективным сечением реакции. При желании его можно представить себе наглядно, как некую «работающую» часть геометрического сечения ядер. Полезнее, однако, помнить его истинный физический смысл: эффективное сечение или просто сечение — это мера вероятности ядерной реакции, которую оно характеризует.

В ядерной физике сечения принято измерять в специальных единицах барнах:

1барн =1б=10^-24 см².