мюонный катализ

МЮОННЫЙ КАТАЛИЗ - явленно синтеза (слияния) ядер изотопов водорода, происходящее при существ. участии отрицательно заряж. мюонов. Мюоны, образуя с ядрами мезомолекулы, способствуют сближению ядер на расстояния, достаточные для протекания ядерной реакции. Освобождаясь после акта реакции, m^- могут повторить этот процесс (т. е. они выступают в качестве катализатора).

В отсутствие мюонов реакции синтеза, напр. ядер дейтерия d + d ³He + n или ядер дейтерия и трития d + t ⁴He + n, происходят с заметной вероятностью лишь при высоких энергиях сталкивающихся частиц, 1 -10 кэВ, т. е. при темп-pax в десятки и сотни млн. градусов, поскольку ядрам нужно путём туннельного перехода преодолеть высокий барьер кулоновского отталкивания, чтобы сблизиться до расстояний действия ядерных взаимодействий (r_N ~ 5 10^-13 см) (рис. 1).

Рис.1. Схематическое изображение потенциальной энергии V взаимодействия ядер в зависимости от расстояния r между ними: 1 - сильное притяжение на малых расстояниях ~ r_N; 2 - кулоновское отталкивание на больших расстояниях; 3 - взаимодействие ядер в мюонной молекуле, имеется область притяжения V(r)< 0 при r> r_m >> r_N.

При торможении отрицательно заряж. мюонов в плотной смеси изотопов водорода за время 10^-12 с образуются мюонные атомы pm, dm и tm. Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно нейтронам: они свободно проникают сквозь электронные оболочки атомов и подходят на близкие расстояния к их ядрам. При этом происходят многообразные m-атомные и m-молеку-лярные процессы: перехват мюонов ядрами более тяжёлых изотопов pm + d dm + p, dm + t tm + d; образование мюонных молекул dm + p pdm и т. д. Образование мюонных молекул является решающим условием протекания M. к. В принципе (благодаря экранировке кулоновского поля ядра мюонов в мезоатоме водорода и значит. уменьшению ширины кулоновского барьера) реакции синтеза могли бы протекать на лету, т. е. при столкновениях свободных мезоатомов с ядрами изотопов водорода (напр., dm + p ³He+ m^-, dm + d ³He + n + m^- )· Однако в мюонных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояние порядка удвоенного боровского радиуса мезоатома 2r_m ~ 5^.10^-11 см, что в сотни раз меньше ср. расстояний между ядрами в жидком и газообразном водороде (~10^-8 см). Поэтому частота столкновений ядер, приводящих к под-барьерному переходу и реакции синтеза в мюонных молекулах, напр. pdm ³He + m^-, ddm ³He + n + + m^-, В млн. раз больше, чем в реакциях на лету. Освободившийся m^- вновь может образовать мезоатом и повторить ещё раз всю цепочку реакций dm + ppdm ³He + m^- и т. д. В принципе число таких реакций ограничено лишь временем жизни мюона t₀= 2,2· 10^-6 с. Однако в действительности почти всегда m^- в процессе реакции "прилипает" к образовавшемуся ядру гелия pdm m³He + g и в дальнейшем выпадает из цикла последоват. реакций, приводящих к синтезу ядер. Эта реакция "отравления катализатора" по столь существенна при синтезе ядер дейтерия ddm ³He + n + m^-, в к-рой только 12% мюо-нов "прилипает" к ядру ³He по реакции ddm m³He + + n. Ещё меньше мюонов (~0,6%) "прилипает" к ядру ⁴He в реакции dtm m⁴He + n.

На возможность реакции синтеза в мюонной молекуле pdm указал в 1947 Ф. Франк (F. Frank). B 1954 Я. Б. Зельдович выполнил первые расчёты этого процесса, включая механизм образования мюонных молекул, согласно к-рому m-атом водорода при столкновении с ядром атомарного водорода связывается в мюон-ную молекулу путём передачи энергии связи мезомо-лекулы атомному электрону (именно таков механизм образования мезомолекул ppm, pdm, ttm). Одновременно он указал на то, что наличие в мезомолекулах возбуждённых уровней с малой энергией связи может приводить к существ. увеличению вероятности их образования. В 1957 Л. Альварес (L. W. Alvarez) и др. впервые экспериментально обнаружили реакции M. к. pdm ³He + m^- и ddm T + p + m^-. K нач. 80-х гг. M. к. ядерных реакций синтеза в водороде и дейтерии был хорошо изучен как экспериментально, так и теоретически.

Мезоатомные и мезомолекулярные процессы, составляющие последовательность реакций M. к., отличаются большим разнообразием. Одно из таких явлений - резонансное образование мезомолекул ddm - наблюдалось впервые группой В. П. Джелепова в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ (Дубна) в 1964-66. В 1967 Э. А. Весман предложил объяснение этому явлению, предположив у мезомолекулы ddm наличие слабосвязанного вращательно-колебат. состояния J = u = 1 (где J и u - вращат. и колебат. квантовые числа) с анергией -2 эВ (указание на возможность существования такого состояния было получено С. С. Герштейном в 1958). Это состояние действительно было обнаружено в 1973 в расчётах группы Л. И. Пономарёва в Дубне (в настоящее время энергия этого состояния известна с большой точностью: _l1 = = -1,975 эВ).

В 1977 в результате теоретич. расчётов та же группа обнаружила у мезомолекулы dtm слабосвязанное вращательно-колебат. состояние (J = u = 1)с энергией ₁₁ = -0,657 эВ. Благодаря наличию такого состояния мезомолекулы dtm должны образовываться резонансным образом с большой скоростью (в конденсиров. среде за время ~10^-8 с). В 1979 этот вывод был подтверждён экспериментально группой В. П. Джелепова и В. Г. Зинова и др. Теоретич. представления о резонансном характере образования мезомолекул dtm надёжно обоснованы в экспериментах группы С. Джонса (S. Johnes, Лос-Аламос, 1983), в к-рых измерена резонансная скорость Яда 5^.10⁸ с^-1 образования dtm-молекул, а также её зависимость от темп-ры смеси.

В резонансном процессе мезоатом tm, приближаясь к одному из ядер молекулы D₂, объединяется с ним в мезомолекулу dtm, к-рая становится тяжёлым "ядром" мезомолекулярного комплекса [(dtm)dee] в возбуждённом колебательном (u)и вращательном (J) состоянии, а выделяющаяся при этом энергия связи мезомолекулы передаётся на колебания и вращение мезомолекулярного комплекса.