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複合核 中性子と原子核との反応は複合核モデルで説明することが多い。 原子核は、陽子と中性子が、深さ５０MeVほどの井戸型のポテンシャル中の軌道に配置されていると考えられえている。陽子と中性子は、フェルミ粒子なので、１軌道に１つしか入れない。したがって、下図のような描写ができる。下図で１軌道に２つあるように見えるのは、エネルギーレベルに２つの軌道がある（縮退）ということでもよいし、スピンの向きが違うと思ってもらってもよい。厳密に描いているわけではない。
これら中性子や陽子の核子は、近接する核子と中間子を介して対を作るが、離れた核子との繋がりはなく、ほぼ独立してポンテンシャル内を移動すると考えられている。したがって、核子が気体に近い状態となっていると考えられている。これを原子核のフェルミガスモデルという。核子はポテンシャルの上部から約８ＭｅＶまで積み重なった状態が通常の原子核と考えられている。 例えば、２ＭｅＶの中性子が原子核内に進入したとする。中性子が原子核内に入った段階で、質量数が１増えた原子核、例えば、Ｕ−２３８であれば、U-239となる。質量数が１増えた原子核は、エネルギーとして８＋２＝１０MeV励起された状態となる。 進入した中性子と原子核内の核子が衝突し、互いにエネルギーを交換することで、エネルギー的には１０MeVに励起されていて、中性子は原子核から放出できるにも関わらず、全ての中性子が原子核内に閉じ込められた状態となる。この状態を複合核という。 複合核内では、衝突を頻繁に繰り返し、原子核内の核子にエネルギーを分配していく。
衝突を繰り返し平衡状態になり、加熱された状態となる。核子のエネルギー分布はフェルミ分布になると考えられている。 フェルミ分布になる段階なった段階で、陽子と中性子が分離されると、分極して電磁波を放出することがある。電磁波でエネルギーを放出すると、全ての核子がポテンシャル内に閉じ込められ、質量数が１増えた原子核となる。 入射中性子のエネルギーが２MeVもあると、フェルミ分布の裾では井戸型ポテンシャルより大きなエネルギーを持つ中性子がかなり出現し、分極する前に、原子核から放出される。非弾性散乱は、主にこのようなプロセスで生じると考えられている。
上の図で示した、裾の灰色の部分は蒸発スペクトルの式で実験値を再現できる。 ここまでで説明した複合核モデルやフェルミガスモデルが正しいから、蒸発スペクトルになるというよりも、蒸発スペクトルが測定値を再現するので、複合核やフェルミガスになっているのではないか、というのが正しい。 |
