Квантовые характеристики ядерных состояний

Атомное ядро при энергиях ниже порога распада (с испусканием нуклона, -частицы и т. п.) может находиться только в дискретных состояниях с определенной энергией, характеризующихся набором квантовых чисел, задающих значения сохраняющихся величин (интегралов движения) в этих состояниях. Выше порога распада ядра дискретные состояния становятся нестационарными и проявляются в ядерных реакциях как резонансы конечной ширины.

Наиболее важными характеристиками ядерных состояний являются спин ядра (или момент количества движения, называемый также уголовым моментом ядра) I и чётность p = + 1. Спин I измеряется в единицах и принимает полуцелые значения (I = ¹/₂, ³/₂,...) У нечётных ядер и целочисленные значения (I =0, 1, 2,....) у чётных ядер. Чётность p указывает на симметрию волновой функции y ядерного состояния относительно зеркального отражения пространства Р: Р y = py. В связи с этим для ядерных состояний указывают объединённую характеристику I ^p. Эмпирически установлено, что основные состояния четно-чётных ядер имеют характеристику 0⁺. Спины и чётности нечётных ядер, как правило, объясняются моделью оболочек. Строго говоря, чётность не является точным квантовым числом, поскольку она не сохраняется при слабом взаимодействии. За счёт сил электрослабого взаимодействия между нуклонами происходит смешивание состояний с одним и тем же спином I и противоположными чётностями. Однако вследствие малости сил, нарушающих чётность, указанное смешивание мало и им можно пренебречь при рассмотрении спектров ядерных уровней, разнообразных ядерных реакций и переходов, за исключением процессов, направленных специально на изучение явления несохранения чётности в ядрах.

Ещё одной важной, хотя и приближённой ядерной характеристикой является изотопический спин (или изобарический спин) Т, который складывается из изоспинов отдельных нуклонов по тем же правилам, что и обычный спин. Сохранение этой величины связано с изотопической инвариантностью ядерных сил, которая состоит в том, что ядерные взаимодействия между двумя нуклонами в одинаковых пространств. и спиновых состояниях не зависят от сорта нуклонов, т. е. одинаковы в парах рр, рп и пп. Изотопич. спин (изоспин) может принимать значения T>=(N-Z)/ 2, целые для чётных ядер и полуцелые для нечётных. Подобно обычному спину, он имеет также фиксированную проекцию на одну из осей формального изоспинов. пространства T_Z = (A - 2 Z)/2. Она связана с зарядом ядра и поэтому является строго сохраняющейся величиной во всех ядерных состояниях. В отличие от этого, изоспин Т является приближённым квантовым числом. Нарушение изоспина (т. е. смешивание компонент с разл. значениями Т в волновой ф-ции ядерного состояния) обусловлено различием масс протона и нейтрона, а также кулоновским взаимодействием между протонами. В лёгких ядрах с Z<=20 эти эффекты малы и изоспин Т является достаточно точным квантовым числом. В результате ядерные состояния можно характеризовать квантовыми числами Т и T_Z, a состояния с одинаковыми значениями I ^p, Т в соседних ядрах-изобарах объединить в и з о т о п и ч. м у л ь т и п л е т ы. Поскольку проекция изоепина принимает значения T_Z=T, Т -1,...., - T, то в изотопич. мульти-плет входит 2 Т+ 1 уровней.

Опытным путём установлено, что энергия возбуждения ядерного состояния тем выше, чем больше изоспин. Поэтому в осн. состоянии ядра Т= T_Z и у четно-чётных ядер с Z=N T= 0. Ядра с T= ¹/₂ и T_Z = b ¹/₂ образуют изодуб-лет (напр., ³Н - ³Не). Примером изотриплета могут служить осн. состояние 0⁺ (Т =1, Т_Z= 1) ядра ⁶Не, возбуждённое состояние 0⁺ (Т= 1, T_Z = 0 )ядра ⁶Li (энергия возбуждения 3,56 МэВ) и осн. состояние ядра ⁶Ве (Т= 1, T_Z= -1 ). В ядерной физике принято приписывать нуклону изоспин Т= ¹/₂ и значения Т_Z= ¹/₂ нейтрону, T_Z= -¹/₂протону, в отличие от физики элементарных частиц, где используются противоположные знаки проекций изоспина нуклона. Это сделано из соображений удобства, чтобы значения T_Z были положительны для стабильных ядер, у к-рых N> Z.

Состояния ядер, входящих в состав одного изотопич. мультиплета, наз. аналоговыми состояниями. Вследствие изотопич, инвариантности ядерных сил структура (чисто ядерная) этих состояний одинакова, а все отличия в их свойствах обусловлены эл--магн. взаимодействием. Напр., энергии связи аналоговых состояний одинаковы с точностью до различия кулоновских энергий в ядрах данного мультиплета. С увеличением Z возрастает роль кулонов-ского взаимодействия. Поэтому в тяжёлых ядрах точность изоепина как квантового числа уменьшается. Тем не менее следы изоспиновой симметрии проявляются в том, что в разл. ядерных реакциях наблюдаются открытые в 1961 состояния, нестабильные по отношению к испусканию нуклона, к-рые являются аналогами основного или низших стабильных возбуждённых состояний соседнего ядра с меньшим Z (аналоговые резонансы). Напр., при рассеянии протонов на стабильном ядре А с числами нейтронов и протонов N и Z (T ₀ = T_Z = (N-Z)/ 2 )наблюдаются резонансы, отвечающие образованию составного ядра А+ 1 (Z+l, N)в возбуждённом состоянии с квантовыми числами T=T ₀ + ¹/₂, T_Z=T ₀ - ¹/₂, входящем в тот же изотопич. мультиплет, что и осн. состояние соседнего ядра А + 1(N+ 1, Z), T=T_Z=T ₀ + ¹/₂. Однако эксперименты показали, что аналоговые резонансы имеют тонкую структуру, к-рая свидетельствует о том, что имеет место смешивание аналогового состояния, характеризуемого изоспином T ₀ +¹/₂ c др. возбуждёнными состояниями составного ядра, отвечающими изоспину Т=Т ₀ - ¹/₂.