對(duì)激發(fā)態(tài)復(fù)合核的核內(nèi)級(jí)聯(lián)核外級(jí)聯(lián)和π介子發(fā)射機(jī)理的探討

【摘要】由激發(fā)態(tài)復(fù)合核表面勢(shì)和表面張力做功的理論，能定量地解釋激發(fā)態(tài)復(fù)合核在去激化過程中所發(fā)生的多種可分辨的相互作用過程：核內(nèi)級(jí)聯(lián)、核外級(jí)聯(lián)以及π介子發(fā)射和核子蒸發(fā)等現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】激發(fā)態(tài)復(fù)合核；核內(nèi)級(jí)聯(lián)；核外級(jí)聯(lián)；π介子；核反應(yīng)；化學(xué)元素豐度

核具有多種不同的激發(fā)能態(tài)，在去激發(fā)過程中就可發(fā)生多種不同分支比的反應(yīng)道。其中最重要的反應(yīng)道是核外級(jí)聯(lián)過程。在這個(gè)過程中分裂成兩個(gè)質(zhì)量A相近的核碎片，這些核碎片大致是從化學(xué)元素鋅Zn（Z=30）到鋱Tb（Z=65）的三百多種核素，裂變所產(chǎn)出的最可幾核素是，產(chǎn)額大約為10-1，這是一種非對(duì)稱的裂變，對(duì)稱裂變是指激發(fā)態(tài)復(fù)合核分裂成兩個(gè)電荷數(shù)z（即質(zhì)子數(shù)）和質(zhì)量數(shù)A都相等的核碎片。的對(duì)稱裂變產(chǎn)物是核碎片鈀，對(duì)稱裂變的產(chǎn)額最低，大約只有10-4左右，但碎片核的激發(fā)能△E有極大值。下面我們對(duì)的對(duì)稱裂變進(jìn)行研究，探討核碎片的激發(fā)能在極大值時(shí)所產(chǎn)生的各種相互作用和反應(yīng)過程。的對(duì)稱裂變反應(yīng)為

（1）核內(nèi)級(jí)聯(lián)過程

核內(nèi)級(jí)聯(lián)就是激發(fā)態(tài)復(fù)合核在核內(nèi)部分裂成兩個(gè)（或若干個(gè)）質(zhì)量和電荷都相近的子核，這兩個(gè)（或若干個(gè)）子核仍然組成一個(gè)共同的力場(chǎng)體系，具有公共的核力場(chǎng)中心，類似一個(gè)雙原子（或多原子）以原子鍵所組成的分子力場(chǎng)體系。這時(shí)在核內(nèi)所分裂成的兩個(gè)（或若干個(gè)）子核仍被束縛在同一個(gè)核力場(chǎng)內(nèi)。由于這些子核不帶熱動(dòng)能，在核內(nèi)級(jí)聯(lián)過程中沒有熱動(dòng)能釋放，也就是不發(fā)射中微子ν，核反應(yīng)（5）的反應(yīng)能Q=νc2=o，由于復(fù)合核的外表面沒有破裂，表面積的變化量ΔS=0，表面張力δ所做的功ΔW=δ×ΔS=0，能量發(fā)生了變化的只有激發(fā)態(tài)復(fù)合核內(nèi)部的電場(chǎng)勢(shì)U（Z，A），它成為復(fù)合核的激化能ΔE=ΔU。激發(fā)態(tài)復(fù)合核，它的原子序Z=92，質(zhì)量A=236原子量單位，它的表面勢(shì)或電場(chǎng)勢(shì)

也就是在核內(nèi)級(jí)聯(lián)過程中所產(chǎn)生的激發(fā)能ΔE=ΔU已超過了靜止π±介子的能量（π±=139.5699±0.00035Mev），從而在核內(nèi)級(jí)聯(lián)過程中可生成π±介子，并以發(fā)射ΔE=π±=149.5932439Mev的介子轉(zhuǎn)移釋放出激發(fā)能ΔE，有激發(fā)態(tài)壽命或核反應(yīng)時(shí)間

式中h=6.62617636×10-27爾格秒為普朗克常數(shù).這與文獻(xiàn)[2]所給出的在核物理實(shí)驗(yàn)中所觀測(cè)到的核內(nèi)級(jí)聯(lián)過程所產(chǎn)生的π±介子發(fā)射和反應(yīng)時(shí)間標(biāo)尺大約在10-22秒數(shù)量級(jí)相符合。

（2）核外級(jí)聯(lián)過程

激發(fā)態(tài)復(fù)合核在對(duì)稱裂反應(yīng)的核外級(jí)聯(lián)過程中釋放出中微子ν，中微子的質(zhì)量ν為反應(yīng)核素的盈余質(zhì)量與生成核素的盈余質(zhì)量的代數(shù)和。的盈余質(zhì)量為42.441Mev/c2，的盈余質(zhì)量為-75.8Mev/c2[3]，對(duì)稱裂變反應(yīng)所釋放出的中微子質(zhì)量核反應(yīng)所釋放出的熱動(dòng)能Q為中微子ν所攜帶，有Q=νc2=149.041Meν復(fù)合核的表面張力

發(fā)生對(duì)稱裂變后表面積的變化量

表面張力做功

在前面已算出發(fā)生對(duì)稱裂變的表面勢(shì)或電場(chǎng)勢(shì)的變化量ΔWU=149.5932439Mev，因此核外級(jí)聯(lián)過程所產(chǎn)生的激發(fā)能

激發(fā)態(tài)壽命或核反應(yīng)時(shí)間

文獻(xiàn)[3]給出熱中子n俘獲核反應(yīng)在核外級(jí)聯(lián)過程中發(fā)射重光子γ的截面σ（γ）=98×10-24厘米2，熱中子的最可幾速度υT=2.2×105厘米/秒，復(fù)合核體積，由核反應(yīng)速率公式[1]

（3）核子蒸發(fā)過程

激發(fā)態(tài)復(fù)合核在發(fā)生對(duì)稱裂變時(shí)所產(chǎn)生的激發(fā)能ΔE有極大值，ΔE=238.5577977Mev在去激發(fā)的過程中，激發(fā)能ΔE可平均轉(zhuǎn)移到兩個(gè)核碎片碎片核具有較高的激發(fā)能，而核碎片在去激發(fā)的過程中可發(fā)生核子蒸發(fā)，發(fā)射出“瞬發(fā)質(zhì)子”或“瞬發(fā)中子”而達(dá)到去激化的過程。

①瞬發(fā)質(zhì)子過程

已知核素的盈余質(zhì)量-75.8Mev/c2，的盈余質(zhì)量為-69.2Mev/c2，質(zhì)子余質(zhì)量為7.289Mev/c2，蒸發(fā)質(zhì)子過程中所發(fā)射或吸收的中微子質(zhì)量

由于核碎片具有較高的激發(fā)能E*=119.2788989Mev，在蒸發(fā)核子過程中消耗激發(fā)能ΔEp= -12.73153174Mev勢(shì)能，瞬發(fā)質(zhì)子后剩余的激發(fā)能ΔE=E*+ΔEp =106.5473672Mev

仍大于生產(chǎn)μ-介子的閥能μ-=105.658389Mev，在進(jìn)一步去激化過程中還可發(fā)射μ-介子。反應(yīng)過程為

而μ-子與質(zhì)子還可以結(jié)合成μ-氫原子，它不同于電子e-與質(zhì)子所結(jié)合成的普通氫原子。

②瞬發(fā)中子過程

（4）感生放射性、μ子貫穿組分和電磁級(jí)聯(lián)過程

由于核裂變反應(yīng)所生成的核碎片具有較高的激發(fā)能，并且為豐中子的不穩(wěn)定核素，可經(jīng)過連續(xù)多次的βˉ變而成為穩(wěn)定的核素而在核裂變過程中，核碎片的激發(fā)能已大于產(chǎn)生π±介子、π0子和μ-介子的閥能，因而以發(fā)射介子的形式而轉(zhuǎn)移激發(fā)能量，而這些介子在飛行過程中又發(fā)生衰變

而的表面張力

文獻(xiàn)[3]給出在-聚合反應(yīng)時(shí)反沖核的能量為ΔE=12.236Mev/c2時(shí)的反應(yīng)截面σ=5×40-28厘米2，而核的質(zhì)量為

mT=3×1.660565586×10-24克=4.981696758×10-24克

由于反應(yīng)核的最可幾速度υT與核反應(yīng)灶的絕對(duì)溫度T有關(guān)，即

其中K=1.38066244×10-16爾格/度為玻爾茲曼常數(shù)，mT為的質(zhì)量。

在太陽光球、行星際空間（地球軌道處）的太陽風(fēng)中的H+離子的溫度T=4×104K[4]，因此在太陽光球反應(yīng)灶和行星際空間的太陽風(fēng)反應(yīng)灶中，核子的最可幾速度為

文獻(xiàn)[1]給出由一個(gè)入射粒子和一個(gè)靶核發(fā)生相互作用的反應(yīng)截面б，如果入射粒子的最可幾速度為υT靶核的體積為V0，那么發(fā)生核反應(yīng)的速率為。但是在自然界中存在著多種不同的核素合成的反應(yīng)灶，例如有星際氣體云（電離氫和中性氫）反應(yīng)灶、太陽光球反應(yīng)灶和太陽風(fēng)反應(yīng)灶以及恒星在不同演化階段時(shí)期的反應(yīng)灶等。在這些不同性質(zhì)和狀態(tài)的反應(yīng)灶中，在它們之中所發(fā)生的核反應(yīng)中，入射粒子和靶核的相對(duì)豐度（或百分比濃度）是不相同的，因而相互作用的實(shí)際反應(yīng)截面也會(huì)改變，假如入射粒子對(duì)靶核的相對(duì)豐度（或百分比濃度）為Y（Y≤1），那么反應(yīng)灶中的實(shí)際反應(yīng)截面就會(huì)變?yōu)閅б，相應(yīng)的反應(yīng)速率就要改變?yōu)?/p>

而在太陽系中，我們發(fā)現(xiàn)核素和的分布豐度都幾乎為0，由于和都是不穩(wěn)定的豐中子核素，很容易發(fā)生βˉ衰變而成為穩(wěn)定核素

因此在太陽系的反應(yīng)灶中（包括太陽光球和行星際空間中的太陽風(fēng)），我們可以把所觀測(cè)到的核素的豐度作為早期太陽系中所合成的e和的豐度。文獻(xiàn)[5]給出了在太陽系中以分布豐度C0=2.79×1010為歸一化基準(zhǔn)所觀測(cè)到的分布豐度為3.86×105，而的分布豐度為4.28，由此可推算出早期太陽系反應(yīng)灶中的的（百分比濃度）

在太陽光球和行星空間中的太陽風(fēng)反應(yīng)灶中，絕對(duì)溫度T=4×104K，核子的最可幾速度υT=1.489018538×106厘米/秒，有 -核聚變反應(yīng)速度

由于極不穩(wěn)定，在很短時(shí)間內(nèi)（半衰期t=0.807秒）經(jīng)β﹣衰變而成為核素，這與在太陽系中所觀測(cè)到的的分布豐度為4.28在相對(duì)誤差為2.22%以內(nèi)相符合。

和一些輕核素在太陽系內(nèi)分布豐度較低的實(shí)事，一直困擾著多種傳統(tǒng)的化學(xué)元素合成的理論，這也是檢驗(yàn)它們是否是一種基本正確理論的“試金石”。