научная статья по теме ЧИСТО КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ В ДЕЛЕНИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ЧИСТО КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ В ДЕЛЕНИИ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 3, с. 360-363

УДК 539.172.4

ЧИСТО КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ В ДЕЛЕНИИ

© 2007 г. В. Е. Бунаков1, С. Г. Кадменский2

E-mail: kadmensky@phys.vsu.ru

Показано, что большие значения орбитальных моментов относительного движения осколков деления - это следствие чисто квантовых эффектов "ориентационной накачки", связанных с соотношениями неопределенности.

ВВЕДЕНИЕ

Всем нам хорошо известно квантовое соотношение неопределенности между импульсом и координатой. В некоторых учебниках (см., например, [1, 2]) упоминается и его связь с явлением "нулевых колебаний" квантового осциллятора. Гораздо менее известно соотношение неопределенности между угловым моментом € и углом поворота 0 системы в плоскости, перпендикулярной этому моменту, а также о связи соответствующего соотношения с "нулевыми колебаниями" квантового маятника. Это приводит к непониманию некоторых чисто квантовых явлений в спонтанном и низкоэнергетическом делении ядер, обсуждающихся в настоящее время [3-7] и могущих быть источником весьма больших спинов осколков деления и больших орбитальных моментов Ь их относительного движения.

В разделе 1 мы напоминаем о связи нулевых колебаний квантового осциллятора с соотношением неопределенности импульс-координата. В разделе 2 приведены схематический вывод соотношения неопределенности угловой момент-угол поворота и, в полной аналогии с разделом 1, показана связь этого соотношения с нулевыми колебаниями квантового маятника. В разделе 3 рассмотрены следствия соотношений неопределенности угловой момент-угол поворота в теории низкоэнергетического деления.

1. НУЛЕВЫЕ КОЛЕБАНИЯ КВАНТОВОГО ОСЦИЛЛЯТОРА

Напомним, как связано хорошо известное соотношение неопределенности

АрАх ~ й (1)

с нулевыми колебаниями одномерного квантового осциллятора. Для него уравнение Шредингера имеет вид

1 Петербургский институт ядерной физики им. Б.Б. Константинова РАН, Гатчина.

2 Воронежский государственный университет.

_ — d— + C 2 _ E L-2 mdx 2 2!x - E

W„( x) = 0

с собственными значениями

En = hrn( n +1/2),

(2)

(3)

где частота ю определяется отношением жесткости" С осциллятора к его массе т:

C

ю = —.

Ыт

(4)

Соответствующие собственные функции определяются полиномами Эрмита:

4n(x) = Nnexpj-Ц-Hn(л/аx),

(5)

где Ып - нормировочная константа, а а2 = тС/й2.

Для нас важно основное состояние осциллятора, для которого число осцилляторных квантов п = = 0, а энергия

Е0 = йю/2 (6)

обычно называется энергией нулевых колебаний. Волновая функция этого состояния

^0 (x) =

а

(п)

1/4

exp

(7)

Природа этого состояния чисто квантовая, поэтому, хотя никаких колебаний осциллятора нет (так как п = 0), энергия состояния не обращается в нуль. Это связано с тем (см., например, [1, 2]), что мы пытаемся ограничить координату частицы малой величиной Ах = 1/^а. Тогда в силу соотношения (1) неопределенность импульса Ар = й 4а, а энергия Е0 является конечной величиной:

Eo >

h2 а

2m 2m

(Ap )2

hrn 2 .

Можно оценить эту энергию более строго. Произведя фурье-преобразование Ч0(х) (т.е. разложение по собственным функциям оператора импульса), получим вероятность распределения импульса в этом состоянии

\а (р )|2 = —1=ехр пл/ па

Отсюда среднее значение квадрата импульса

, т П ю

<р ) = —,

(8)

(9)

А €х Арг ~ П ру

(13)

А€х (А 8Ш 0) — П 008 0.

(14)

А€А0 — П

(1а)

. 2Я0Э0ГЭ0^ 2 Е

(0) = 0. (2а)

ная энергия") - аналог кинетической энергии в (2). Собственные значения и собственные функции уравнения (2а) определяются (см., например, [9]) равенствами

Еп = Пю( 2п +1), (3а)

(4а) (5а)

среднее значение кинетической энергии

< Т) = П ю/4. (10)

Тогда, по теореме вириала, средняя полная энергия состояния осциллятора

< Е) = 2 < Т) = П ю/2. (11)

2. СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ И КВАНТОВЫЙ МАЯТНИК

Рассмотрим коммутационное соотношение для оператора углового момента и операторов импульса:

€ хр г - РЛ х = — П ру. (12)

Это соотношение приводит [2] к соотношению неопределенности

где ю = 4С/ Я,

Чп (0) = N ехр { —у02/2 } Ьп (у02), где Ьп - полиномы Лагерра, а

у2 = ЯС / П2.

Рассмотрим и в этом случае основное состояние нулевых колебаний с числом квантов п = 0. Энергия нулевых колебаний маятника

Е0 = Пю, (6а)

а волновая функция

Чо(0) = .11 ехр

(7а)

Это состояние также не имеет классических аналогов и является следствием соотношения неопределенности (1а). Поскольку амплитуда колебаний маятника ограничена узким сектором А0 -

- 1/*/у, из соотношения неопределенности (1а) неопределенность его углового момента А€ —П л/у, а энергия является конечной величиной:

Е — (А1)2 _ пл = Пю

2

для х-компоненты углового момента и компонент импульса в плоскости гу. Вводя в этой плоскости угол поворота 0, отсчитываемый от оси у, можем записать (13) в виде

Разлагая Ч0(0) в ряд по сферическим функциям

Чо (0) = X ^0 (0),

(76)

(Более строгий вывод и вид (14) можно найти в [8]). Поскольку в соотношениях (12)-(14) можно проводить циклическую перестановку (х ^ у ^ г), мы можем опустить индекс х в (14). Тогда для малых углов 0 < п (т.е. для Арг < ру в (13)) соотношение неопределенности (14) можно записать в виде

получаем когерентную суперпозицию состояний с разными значениями €. При этом вероятность найти каждое состояние € определяется как [9];

= ^ ехр {—

(8а)

в полной аналогии с соотношением неопределенности (1) для импульса и координаты. Продолжая эту аналогию, напишем уравнение для квантового маятника

Тогда средние значения углового момента и его квадрата будут

< /2, < €2)~у ,

средняя кинетическая энергия

< Т) =

П 2 < € 2 ) 2 Я

П ю

2 ,

(9а)

(10а)

Это уравнение - аналог уравнения (2) для кван-

С4-1

тового осциллятора, момент инерции Я маятника -аналог массы т, а первый член (2а) ("центробеж-

а средняя полная энергия нулевых колебаний маятника

< Е) = 2 < Т) = П ю.

(11а)

ь

362

БУНАКОВ, КАДМЕНСКИЙ

3. СЛЕДСТВИЯ ДЛЯ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И СПОНТАННОГО ДЕЛЕНИЯ

3.1. В соответствии с теорией О. Бора движение делящегося ядра от седловой точки вплоть до точки разрыва идет вдоль оси симметрии системы так, что квантовое число К (проекция углового момента на ось симметрии ядра) остается интегралом движения. Это приводит к тому, что и в момент разрыва направление импульса относительного движения центров тяжести осколков практически совпадает с осью симметрии делящегося ядра. Суммарный (ядерный и кулоновский) потенциал взаимодействия деформированных осколков в точке разрыва имеет вид [5]

=

УР( Я) + / (Я) У 20 (0Я),

(15)

БСои\0'я) = Во + С 0Я2.

(16)

Здесь

Во =

^ Ь + ± ХЯ0 )2( 2^ в2

тг = 1

С =

^ Ят

г = 1

ЗЯ

Ят

9(Я0) 5 я т

Я° и р2 - заряд, радиус и параметр квадруполь-ной деформации г-го осколка, а Ят - расстояние между центрами масс осколков в момент разрыва.

Из выражения (16) видно, что кулоновский барьер ограничивает импульс относительного движения осколков (т.е. направление Я) узким конусом 0Я ^ 1 в окрестности оси симметрии делящейся системы. (Это явление аналогично случаю альфа-распада деформированных ядер, где, как известно, кулоновский барьер облегчает испускание альфа-частиц с "носика" ядра). Поэтому в точке разрыва Я = Ят мы можем описывать относительное движение осколков по угловой переменной 0Я уравнением (2а), в котором 0 = 0Я, а

момент инерции "гантели" из двух осколков имеет

2

вид $ = |Ят, где | - приведенная масса двух осколков. Как отмечено в [10], из экспериментально подтвержденного закона сохранения квантового числа К следует, что делящаяся система в точке разрыва не может быть нагретой, поэтому (см.

также [9]) энергия угловых колебаний ее должна быть минимальна и именно основное состояние (7а) уравнения (2а) будет заметно заселяться при делении. Поскольку в таком состоянии направление импульса относительного движения осколков максимально ограничено узким конусом вокруг оси симметрии, само это состояние является суперпозицией (76) состояний с различными орбитальными моментами Ь относительного движения осколков. Средние значения этих орбитальных моментов определяются формулами (9а).

Именно такой механизм "накачки" орбитального момента и был рассмотрен в [5], для средних значений его получаются величины порядка

<Ь>« 12И -17П.

(17)

где Ур(Я) и/(Я) - монопольная квадрупольная части этого взаимодействия, Я - радиус-вектор, определяющий расстояние между центрами масс осколков, 0Я - угол относительно оси симметрии делящегося ядра. Этот потенциал образует кулоновский барьер вида

Кажется парадоксальной разница этой оценки с ожидаемым в классической механике значением Ь ~ 0. Эта парадоксальность объясняется чисто квантовой природой состояния нулевых колебаний (7а) и соотношения неопределенности (2а), из которого оно следует.

Следует отметить, что нулевые колебания, описываемые уравнением типа (2а), рассматривались еще в [9]. Однако там речь шла об "изгибных" колебаниях делящегося ядра, угол 0 определял положение оси симметрии одного осколка относительно оси симметрии делящегося ядра, и соответствующий этому углу канонически сопряженный угловой момент € определял коллективную составляющую "внутреннего" спина Iг этого осколка. Соответственно этому, момент инерции $ и параметр жесткости С в уравнении (2а) отличались от [5].

Сам термин "ориентационная накачка спина" был введен в [3]. Однако здесь накачка спина осколка генерировалась одночастичным движением нуклонов в деформированном осколке, ось которого ориентирована по оси симметрии делящегося ядра. Уравнение вида (2а) приводилось лишь как аналогия микроскопического механизма, рассматриваемого авторами [3]. В более детальной работе [4] это уравнение даже не упоминалось. Авторы [4] оценивают величины внутренних спинов осколков "до 7й и выше". При этом авторы не делают оценок орбитального момента Ь и рассматривают только специальный упрощенный случай Ь = 0.

В работе [5] оценка суммарного внутреннего

спина осколков I = 11 + 12 проводится более простым образом. Поскольку потенциал взаимной поляризации осколков (15) скалярен (т.е. не меняется при поворотах и отражениях всех трех осей координат), он не может изменить полного спина

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком