ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2019, том 82, № 3, с. 235-238

ЯДРА

О ТРОЙНОМ ДЕЛЕНИИ ЯДЕР НЕЙТРОНАМИ

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт” — ИТЭФ, Москва, Россия

Поступила в редакцию 25.12.2018 г.; после доработки 25.12.2018 г.; принята к публикации 25.12.2018 г.

В экспериментах по измерению эффекта вращения делящегося ядра²³⁴U в момент его развала на

осколки обнаружено, что при тройном делении ядра-мишени²³³U поляризованными s-нейтронами

делящееся ядро вращается как правый винт относительно направления пучка продольно поляризо-

ванных нейтронов, тогда как при бинарном делении того же ядра оно вращается в противоположном

направлении. Более того, тройное деление “предпочитает” спиновое состояние J = I + 1/2. Этот

феномен невозможно объяснить в рамках существующих представлений о тройном делении, как одним

из двух “конечных” состояний после разрыва шейки. Одно и то же “материнское” ядро²³⁴U не может

вращаться в противоположных направлениях для двух разных конечных состояний. С неизбежностью

приходится допустить, что тройное деление представляет собой особую ветвь спуска с седловой

точки к точке разрыва ядра (scission), при этом оно формируется в седловой точке в конфигурации,

благоприятной для образования кластеров. Почему оно предпочитает спиновое состояние J = I + 1/2?

Это интересный вопрос для дальнейшего исследования.

DOI: 10.1134/S004400271903005X

Тройное деление ядер было обнаружено в ядер-

гося с седловой точки к точке разрыва (scission),

ной фотоэмульсии в виде странного трека, беруще-

после разрыва ничем не определено. С позиции

го начало примерно посередине “жирного” трека

квантовой механики, если рассматривать седловую

и направленного почти под нормальным углом к

точку как начальное состояние, а точку разрыва —

нему. Основной “жирный” трек вызван легким и

как конечное, все волновые функции множества

тяжелым осколками деления. Детальное исследо-

конечных состояний должны быть представлены в

вание этого явления установило, что обнаруженная

полной волновой функции начального состояния.

дополнительно к осколкам деления заряженная

Т.е. уже в седловой точке существуют конфигура-

частица является в основном длиннопробежной α-

ции, соответствующие конкретным конечным со-

частицей, образующейся в области между оскол-

стояниям бинарного и тройного деления.

ками в момент разрыва “шейки”, соединяющей

В последние годы были получены противоре-

два будущих осколка. Кулоновское поле осколков

чивые экспериментальные данные по корреляциям

“фокусирует” α-частицу в экваториальной “плос-

импульсов конечных частиц со спином делящегося

кости”, но, поскольку заряд тяжелого осколка

ядра, которые можно объяснить, лишь предполо-

превышает заряд легкого, то максимум углового

жив, что тройное и бинарное деления формируются

распределения α-частиц несколько сдвинут в сто-

не в точке разрыва, а в соответствующих конфигу-

рону легкого осколка (примерно под углом 83^◦).

рациях ядра в седловой точке.

Вероятность такого события, не совсем правильно

В 2005 г. сотрудничество ПИЯФ и Тюбинген-

названного “тройным делением”, составляет до-

ский университет продолжало детальные иссле-

ли процента относительно вероятности деления

дования обнаруженной ранее в тройном делении

на два осколка. Многочисленные теоретические

ядер-мишеней²³⁵U поляризованными холодны-

исследования, включающие в себя Монте-Карло

ми нейтронами T -нечетной трехвекторной угловой

симуляцию события, привели к представлению, что

корреляции (“TRI-эффект”) [1]. В этих исследо-

α-частица (и другие легкие заряженные частицы,

ваниях был обнаружен неожиданный эффект: уг-

вплоть до ядер Ne, эмитируемые с чрезвычайно

ловое распределение длиннопробежных α-частиц,

низкой вероятностью) образуется в момент разры-

регистрируемых в направлении, ортогональном на-

ва шейки или несколько раньше (процесс происхо-

правлению продольно поляризованного пучка хо-

дит за времена порядка 10-21 с). Таким образом,

лодных нейтронов и оси деления, смещалось на

конечное состояние делящегося ядра, спускающе-

малый угол в направлении последней при реверси-

ровании направления поляризации пучка нейтро-

^*E-mail: danilyan@itep.ru

нов. Авторы пришли к выводу, что это смещение

235

236

ДАНИЛЯН

обусловлено вращением делящегося ядра в момент

Угловое распределение α-частиц не смещается,

развала (scission), и оно получило название “ROT-

но в новой координатной системе X^′, Y^′ оно вы-

эффект” (от rotation). Аналогичный эффект был

глядит смещенной на угол (-δθ), поскольку ось

обнаружен и при делении ядер-мишеней²³³U [2].

деления поворачивается направо. При реверсе по-

Оба ROT-эффекта оказались одного знака, тогда

ляризации пучка нейтронов ось деления смещается

как знаки TRI-эффектов для этих же ядер проти-

на угол (-δθ), а угловое распределение α-частиц

воположны.

“смещается” на угол δθ.

Для проверки полученных группой ПИЯФ ре-

Кроме рассмотренного “кажущегося” смеще-

зультатов группа ИТЭФ предприняла одновремен-

ния углового распределения α-частиц происходит

ные измерения ROT-эффектов в эмиссии мгновен-

и реальное его смещение. Оно обусловлено тем,

ных γ-квантов и нейтронов для ядер-мишеней²³⁵U

что в самом начале “разбегания” осколков и α-

частиц под действием кулоновского отталкивания,

и²³³U [3]. Мишень представляла собой “сэндвич”.

последняя, будучи захваченной вращающимся ку-

В одной половине камеры деления детектировались

совпадения импульсов с детекторов γ-квантов и

лоновским полем ОД, действительно поворачива-

нейтронов с импульсами с детекторов осколков де-

ется на некоторый угол ϑ в направлении смеще-

ния траектории легкого осколка. Этот угол мал

ления (ОД), эмитируемых мишенью²³³U, тогда как

по сравнению с δθ. Как следует из приведенного

в другой — детектировались совпадения импуль-

описания эксперимента, в измерениях скорости

сов с тех же детекторов γ-квантов и нейтронов, с

счета совпадений сигналов с детекторов α-частиц с

импульсами от детекторов ОД, эмитируемых ми-

сигналами с детекторов ОД при двух направлени-

шенью²³⁵U. Результаты измерений группы ИТЭФ

ях поляризации пучка нейтронов, обнаруживается

оказались в противоречии с данными группы ПИ-

разница в числе совпадений. Отношение этой раз-

ЯФ. Все экспериментальные данные приведены в

ности к суммарному числу событий определяет из-

табл. 1.

меряемую асимметрию A счета совпадений относи-

Чтобы могло означать несовпадение относи-

тельно направления поляризации пучка нейтронов

тельных знаков ROT-эффектов в тройном и бинар-

N⁺ - N^-

ном делении ядер — мишеней²³⁵U и²³³U?

(1)

При захвате неполяризованным ядром со спи-

N⁺ + N^-

ном основного состояния I поляризованных s-

В (1) N⁺ и N^- — числа совпадений в секунду им-

нейтронов когерентно возбуждаются состояния

пульсов от детекторов частиц с импульсами от ОД

компаунд-ядра со спинами J = I + 1/2 и J = I -

при противоположных направлениях поляризации

- 1/2. В первом состоянии направление поляри-

пучка нейтронов.

зации составного ядра совпадает с направлени-

Величина измеряемой асимметрии определяет-

ем поляризации пучка нейтронов, тогда как во

ся формулой

втором состоянии оно противоположно. Ядро с

отличным от нуля спином вращается и, если оно

A = δθF^′(θ)/F(θ),

(2)

поляризовано, ось деформации ядра вращается

где F (θ) — функция углового распределения ре-

вокруг вектора поляризации ядра. Как правило,

принимается правовинтовая система отсчета и

гистрируемых частиц, F^′(θ) — ее производная в

направление вращения оси деформации считается

среднем положении телесного угла, охватываемого

положительным, если она поворачивается направо.

детектором частиц.

При делении поляризованных ядер вращение

Результаты измерений этих асимметрий группой

оси деформации в точке разрыва ядра приводит

ИТЭФ приведены в табл. 1. Там же даны измерен-

к смещению оси деления, определяемого траекто-

ные асимметрии группой ПИЯФ, но пересчитанные

рией ОД, которая вместо прямолинейной стано-

с учетом угла ϑ реального смещения α-частиц.

вится гиперболической благодаря дополнительной

Однако между этими двумя данными по асим-

орбитальной составляющей скорости ОД в точке

метриям есть существенная разница. Асимметрия

разрыва ядра. В экспериментах по исследованию

в бинарном делении однозначно определяет угол

тройного деления вектор поляризации делящегося

δθ смещения траектории осколка, тогда как асим-

ядра параллелен оси Z, определяемой направле-

метрия, измеренная в тройном делении, представ-

нием продольно поляризованного пучка нейтронов.

ляет разностный угол Δ = δθ - ϑ, где ϑ — угол

Вдоль оси X летит легкий ОД, а α-частицы эмити-

смещения α-частицы, увлекаемой вращающимся

руются делящимся ядром вдоль оси Y .

кулоновским полем двух осколков. Измерить этот

Конечно, и ОД, и α-частицы регистрируются

угол в эксперименте невозможно, и для того, чтобы

детекторами, охватывающими конечные телесные

определить δθ, представляющий собой основную

углы. Смещение оси деления означает, что оси X

характеристику ROT-эффекта, необходимо опре-

и Y поворачиваются на угол δθ вокруг оси Z.

делить ϑ в траекторных расчетах, которые, как

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019

О ТРОЙНОМ ДЕЛЕНИИ

237

Таблица 1. Экспериментальные данные по ROT- и TRI-эффектам при делении ядер²³³U и²³⁵U поляризованными

нейтронами

Частица и тип

Корреляция

²³³U

²³⁵U

корреляции

α-TRI, D_α × 10³

W (θ) = C^∗{1 + D_αP_α[σ_n, P_lf ]}

-3.90 ± 0.12

+1.70 ± 0.2

α-ROT, 2Δ, град

+0.021 ± 0.004

+0.215 ± 0.005

γ-ROT, A × 10⁵

-6.3 ± 1.6

+16.6 ± 1.6

n-ROT, A × 10⁵

-4.8 ± 1.6

+21.2 ± 2.5

^∗ C —нормировочная константа.

Таблица 2. Экспериментальные данные по TRI- и ROT-эффектам при делении ядер поляризованными нейтронами

Частица и тип

²³³U

²³⁵U

²³⁹Pu

²⁴¹Pu

корреляции

α-TRI, D_α × 10³

-3.90 ± 0.12

+1.7 ± 0.2

-0.23 ± 0.09

+1.30 ± 0.15

α-ROT, 2Δ, град

+0.021 ± 0.004

+0.215 ± 0.005

+0.020 ± 0.003

+0.047 ± 0.004

γ-ROT, A × 10⁵

-6.3 ± 1.6

+16.6 ± 1.6

n-ROT, A × 10⁵

-4.8 ± 1.6

+21.2 ± 2.5

известно, допускают большой произвол в выбо-

аргументы можно привести против такого предпо-

ре начальных условий. Следовательно, данные по

ложения? Во-первых, естественно задать вопрос:

ROT-эффектам в тройном делении — модельноза-

почему знаки TRI-эффектов не оказались поло-

висимые.

жительными? Ответ очень простой. Коэффициент

Группа ПИЯФ измеряла TRI- и ROT-эффекты

корреляции D_α (табл. 1) имеет свой собственный

не только для ядер-мишеней²³⁵U и²³³U, но и для

знак, зависящий от значений спинов начального

ядер-мишеней²³⁹Pu и²⁴¹Pu. Все эксперименталь-

и конечного состояний ядра, и поэтому он может

ные данные по TRI- и ROT-эффектам сведены в

быть неодинаков для разных ядер. Второй весьма

табл. 2.

важный аргумент — утверждение авторов работы

Обращает на себя внимание, что знаки ROT-

[4], что относительная вероятность тройного деле-

асимметрий в тройном делении всех четырех иссле-

ния к бинарному (T/B) не зависит от спина. В [4]

дованных ядер оказались положительными. В то

анализируются экспериментальные данные по T/B

же время знаки ROT-эффектов в бинарном деле-

для большого числа резонансов при делении ядер

нии ядер²³³U и²³⁵U противоположны. Что могло

²³⁵U нейтронами. Однако только шесть резонан-

бы означать, что знаки ROT-эффектов при деле-

сов можно считать достаточно изолированными.

нии всех четырех ядер положительны? Если это

Из этих шести резонансов только в трех случаях

случайное совпадение знаков, что маловероятно, то

величина спина достаточно надежно установлена

проблема различия в относительных знаках ROT-

в измерениях разных групп. Поэтому утверждения

эффектов в тройном и бинарном делении ядер²³³U

авторов [4] о независимости (T/B) от спина не

и²³⁵U остается нерешенной. Но очень вероятно,

подкреплены статистической достоверностью.

что совпадение знаков асимметрий не случайное.

Если принять приведенные выше соображения,

В этом случае мы предлагаем следующий подход,

который решает проблему.

что определенное конечное состояние после раз-

рыва шейки формируется не в точке разрыва, а

Из вышеприведенных определений ясно, что по-

ложительный знак асимметрий в тройном делении

в седловой точке, то объясняется обнаруженное

противоречие, когда ROT-эффект в тройном деле-

ядер-мишеней²³³U,²³⁵U,²³⁹Pu и²⁴¹Pu свидетель-

ствует о том, что тройное деление всех перечислен-

нии ядер-мишенй²³³U имеет положительный знак,

ных ядер формируется в конфигурации со спино-

а в бинарном —отрицательный. Не может одно

вым состоянием J = I + 1/2, тогда как вероятность

и то же делящееся ядро²³⁴U в одном и том же

бинарного деления не зависит от спина. Какие

квантовом состоянии, в одной моде деления вра-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019

238

ДАНИЛЯН

щаться перед разрывом шейки, как правый винт, а

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

в другом — как левый.

1. F. G ¨oennenwein, M. Mutterer, A. Gagarski, I. Guseva,

В свете обсуждаемой проблемы очень жела-

G. Petrov, V. Sokolov, T. Zavarukhina, Yu. Gusev,

тельны одновременные измерения ROT-эффектов

J. von Kalben, V. Nesvizhevski, and T. Soldner, Phys.

в тройном и бинарном делении ядер-мишеней ²³⁵U

Lett. B 652, 13 (2007); A. Gagarski, I. Guseva,

F. G ¨oennenwein, G. Petrov, P. Jesinger, V. Sokolov,

и²³³U, при объединении их в “сэндвич”, подобно

тому, как было сделано в эксперименте группы

T. Zavarukhina, M. Mutterer, J. von Kalbern,

W. Trzaska, S. Khlebnikov, G. Tiourine, S. Soloviev,

ИТЭФ. Но, в отличие от упомянутого эксперимен-

V. Nesvizhevsky, O. Zimmer, and T. Soldner, in

та, в предлагаемом эксперименте ROT-эффекты в

Proceedings of the International Seminar on

эмиссии мгновенных нейтронов и γ-квантов долж-

Interaction of Neutrons with Nuclei ISINN-14,

ны измеряться в совпадениях с α-частицей трой-

Dubna, Russia, 2006 (JINR, Dubna, 2007), p. 93.

ного деления указанных ядер. В этом эксперименте

знаки ROT-эффектов в угловых распределениях

2. Г. В. Данилян, Й. Кленке, Ю. Н. Копач, В. А. Крахо-

мгновенных γ-квантов и нейтронов при делении

тин, В. В. Новицкий, В. С. Павлов, П. Б. Шаталов,

ЯФ 77, 715 (2014) [Phys. At. Nucl. 77, 677 (2014)].

ядер-мишеней²³⁵U и²³³U должны совпадать, если

анизотропии угловых распределений мгновенных

3. A. Gagarski, F. П ¨onnenwein, I. Guseva, P. Jesinger,

γ-квантов и нейтронов, эмитируемых возбужден-

Yu. Kopatch, T. Kuzmina, E. Leli `evre-Berna,

M. Mutterer, V. Nesvizhevsky, G. Petrov, T. Soldner,

ными осколками делящегося ядра²³⁴U больше

G. Tiourine, W. H. Trzaska, and T. Zavarukhina, Phys.

единицы, как это имеет место для анизотропий

Rev. C 93, 054619 (2016).

угловых распределений мгновенных γ-квантов и

нейтронов, эмитируемых возбужденными осколка-

4. C. Wagemans and A. J. Deruytter, Nucl. Phys. A 194,

657 (1972).

ми делящегося ядра²³⁶U.

ON TERNARY FISSION INDUCED BY NEUTRONS

G. V. Danilyan

NRC “Kurchatov institute” — ITEP, Moscow, Russia

Rotational effects of the fissile nucleus²³⁴U at the scission point were measured in ternary and binary

fission of²³³U nuclei using polarized s-neutrons. It was found that in ternary fission the fissile nucleus

rotates to the right relative to the direction of the polarized neutron beam, whereas in binary fission of the

same nucleus, it rotates in the opposite direction. Moreover, the ternary fission “prefers” the spin states

J = I + 1/2. This phenomenon cannot be explained within the existing concepts of the ternary fission as

one of the two “finite states” after rupture of the neck. The same “parent” nucleus²³⁴U cannot rotate

in opposite directions for two different final states. It is necessary to assume inevitably that the ternary

fission is a special branch of descent from the saddle point to the scission. It is formed on the saddle in the

configuration favorable for the formation of clusters. Why does it “prefer” the spin state J = I + 1/2? This

is an interesting question for further investigation.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№3

2019