Ядерные реакции. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ядерные реакции - процессы, идущие при столкновении ядер или элементарных частиц с др. ядрами, в результате к-рых изменяются квантовое состояние и нуклон-ный состав исходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции. Ядерные реакции позволяют исследовать механизм взаимодействия частиц и ядер с ядрами. Это осн. метод изучения структуры ядра (см. Ядро атомное ),получения новых изотопов и элементов. Для осуществления Я. р. необходимо сближение частиц (нуклона и ядра, двух ядер и т. д.) до расстояния ~10^-13 см, или до ~ 1 ферми (радиус сильного взаимодействия), между частицей и поверхностью ядра или между поверхностями ядер. При больших расстояниях взаимодействие заряж. частиц чисто кулоновское. В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, угл. момента, электрич. и барионного зарядов (см. Барионное число). Я. р. обозначаются символом а (b, с) d, где а - исходное ядро-мишень, b - налетающая частица, с - новая вылетающая частица, d-результирующее ядро.

Ядерные реакции идут как с выделением, так и с поглощением энергии. Энергия, выделяемая или поглощаемая в реакции, равна разности масс (в энергетич. единицах) частиц до и после реакции. Величина поглощаемой энергии определяет мин. кинетич. энергию столкновения-т. н. порог реакции, при к-рой данная ядерная реакция может протекать. Величина порога ядерной реакции зависит от характеристик частиц, участвующих во взаимодействии (в первую очередь от зарядов и орбитальных моментов). На начальном этапе ядерной реакции сталкивающиеся частицы находятся в нек-ром квантовом состоянии, определяющем входной канал ядерной реакции. Выходной канал задаётся составом и квантовым состоянием продуктов реакции.

Основной источник бомбардирующих заряженных частиц - ускорители заряженных частиц ,дающие пучки протонов, лёгких ядер (d, ³He и т. п.) и тяжёлых ионов (вплоть до ядер U). Другой источник частиц, как заряженных, так и нейтральных, - ядерные реакции в мишени, вызываемые первичными пучками. Этим методом получают вторичные пучки g-квантов, нейтронов, пи-мезонов, К-мезонов, антипротонов и др. Кроме того, медленные нейтроны и g-кванты получают, используя ядерные реакторы.

Сечение ядерных реакций

Для фиксированных налетающих частиц и ядер мишени возможно неск. типов ядерных реакций. Вероятность протекания той или иной из них зависит от характеристик сталкивающихся частиц (в первую очередь от их кинетич. энергии) и связана с сечением реакции - величиной эфф. площади, характеризующей ядро как мишень для налетающей частицы и являющейся мерой вероятности того, что частица и ядро вступят во взаимодействие. Если в ядерной реакции участвуют частицы с ненулевыми спинами, то сечение зависит от ориентации спинов. Поэтому если налетающие частицы или частицы мишени поляризованы (см. Ориентированные ядра ),т. е. их спины ориентированы не хаотично, а частично упорядочены, то сечение будет зависеть от ориентации спинов. Количественно ориентация спинов частиц пучка описывается вектором поляризации (см. Поляризационные эффекты). В экспериментах не всегда можно непосредственно измерять сечение реакции. Непосредственно измеряемой величиной является т. н. выход реакции - число зарегистрир. вторичных частиц - продуктов ядерных реакций.

Механизмы ядерных реакций

Характер взаимодействия налетающей частицы с ядром зависит от её кинетич. энергии, массы, заряда и др. характеристик. Он определяется теми степенями свободы ядра (ядер), к-рые возбуждаются в ходе столкновения. Различие между ядерными реакциями включает и их различная длительность. Если налетающая частица лишь касается ядра-мишени, а длительность столкновения приблизительно равна времени, необходимому для прохождения налетающей частицей расстояния, равного радиусу ядра-мишени (т. е. составляет ~ 10^-22 с), то такие ядерные реакции относят к классу прямых ядерных реакций. Общим для всех прямых ядерных реакций является селективное возбуждение небольшого числа опре-дел. состояний (степеней свободы). В прямом процессе после 1 -го столкновения налетающая частица имеет достаточную энергию, чтобы преодолеть ядерные силы притяжения, в область действия к-рых она попала. Примерами прямого взаимодействия являются неупругое рассеяние нейтронов (n, n'), реакции обмена зарядом, напр. (р, п). Сюда же относят процессы, когда налетающий нуклон и один из нуклонов ядра связываются, образуя дейтрон, к-рый вылетает, унося почти всю имеющуюся энергию [т. н. реакция подхвата (р, d)], или когда ядру передаётся нуклон из налетающей частицы [реакция срыва, напр. (d, р)]. Продукты прямых ядерных реакций летят преимущественно вперёд.

Вклад прямых процессов в полное сечение взаимодействия налетающей частицы с ядром-мишенью относительно мал. Угл. распределения продуктов прямых ядерных реакций (зависимость вероятности вылета от угла, отсчитанного от направления пучка) позволяют определить квантовые числа селективно заселяемых состояний в каждой конкретной ядерной реакции, а величина сечения при заданной энергии - структуру этих состояний.

Если падающая частица (напр., нуклон) не покидает область взаимодействия (ядро-мишень) после первого столкновения, то она вовлекается в каскад последоват. столкновений, в результате к-рых её нач. кинетич. энергия постепенно распределяется среди нуклонов ядра и возбуждёнными оказываются мн. степени свободы, а состояние ядра постепенно усложняется. В ходе этого процесса на отд. нуклоне или группе нуклонов (кластере) может сконцентрироваться энергия, достаточная для их эмиссии из ядра. Такая эмиссия происходит до установления равновесия в ядре и поэтому наз. предравновесной. Угол испускания ещё может оставаться сильно скоррелирован-ным с направлением падающего на мишень пучка.

В процессе дальнейшей релаксации наступает статистич. равновесие и образуется составное ядро (компаунд-ядро), время жизни к-рого ~10^-14-10^-18 с. Распад составного ядра не зависит от способа его образования. Тип распада определяется энергией возбуждения, угл. моментом, чётностью и изотопическим спином ядра. Энергетич. спектр частиц, испускаемых в процессе девозбуждения со-ставного ядра, характеризуется максвелловской формой и симметричным распределением "вперёд-назад" относительно пучка (в системе центра инерции). В случае распада средних и тяжёлых составных ядер вероятность испускания нейтронов значительно превышает вероятность эмиссии заряж. частиц, вылету к-рых препятствует куло-новский барьер ядра. В тяжёлых ядрах с испусканием нейтронов конкурируют процессы деления ядер и альфа-распада.

Реакции под действием нейтронов

Реакции под действием нейтронов наиболее вероятны в области низких энергий налетающих нейтронов. Отсутствие у нейтрона электрич. заряда позволяет ему беспрепятственно проникать в ядро при сколь угодно малых энергиях и вызывать ядерные реакции. При этом сечения реакций изменяются от Мб до мб (1 барн= 10^-28 м²). В случае медленных нейтронов осн. процессом для большинства ядер является радиационный захват нейтрона (n, g) с образованием составного ядра. Сечение процесса имеет резонансный характер. С увеличением энергии нейтрона вероятность его радиац. захвата падает, а сечение упругого рассеяния увеличивается (см. Нейтронная физика ).В реакциях последоват. радиац. захвата нейтронов (напр., в реакторах) образуются трансурановые элементы .При последующем росте энергии нейтрона становятся возможными процессы неупругого рассеяния нейтронов с возбуждением низколежащих состояний ядра-мишени малой энергии, а также реакции деления ядер (n, f) и реакции с вылетом заряж. частиц (n, р) и (n, a). Дальнейшее увеличение энергии нейтрона приводит к реакции типа (n, 2n), (n, nр). Для медленных нейтронов важны их волновые свойства. Если энергия нейтрона

0,025 эВ, то длина волны де Бройля ~ 10^-8 см и соизмерима с межатомными расстояниями в твёрдом теле. В этих условиях может наблюдаться дифракция нейтронов, к-рая используется для изучения строения твёрдых тел (см. Нейтронография).

Реакции под действием заряженных частиц (р, d, t, a,...)

Основными процессами здесь также являются упругое и неупругое рассеяния, радиац. захват, реакции (р, n), (n, a), (p, f) и др. Отличия от ядерных реакций, вызванных нейтронами, связаны с зарядом частиц. Вероятность ядерных реакций (сечение) заметно отличается от О, начиная с энергии, при к-рой проницаемость кулоновского барьера достаточно велика. С увеличением заряда растёт высота кулоновского барьера ядра. В упругом рассеянии существ. вклад в сечение даёт кулоновское взаимодействие.

На характер реакций с участием дейтрона большое влияние оказывают его структурные особенности-малая энергия связи (~2,23 МэВ), относительно большой (по сравнению с близкими по массовому числу А ядрами) радиус (4^.10^-13 см). Дейтрон в ядерных реакциях легко расщепляется, и с ядром-мишенью взаимодействует только один из его нуклонов. Доминирующий механизм реакции-прямой. Однако во мн. случаях дейтрон ведёт себя аналогично др. заряж. частицам и с большой вероятностью испытывает упругое и неупругое рассеяния, вызывает реакции (d, t), (d, a) и др. В основе управляемого термоядерного синтеза лежат реакции

Кроме упругого и неупругого рассеяний важный тип ядерных реакций представляют квазиупругие процессы (р, р'), (³Не, t) и др., когда вылетевшая частица по своим характеристикам (в т. ч. и энергии) мало отличается от падающей. Если налетающая и вылетающая частицы обмениваются зарядом, то в квазиупругих реакциях при энергиях ~ 100 МэВ на нуклон наблюдаются т. н. зарядово-обменные резонансы. Исследования этих процессов дают информацию о взаимодействии нуклонов в ядрах и свойствах ядерных мезонных полей (см. Мезоны ).При теоретич. описании квазиупругих процессов часто используют понятия оптики. В этом случае рассеяние частицы на ядре, состоящем из мн. нуклонов, трактуют как прохождение падающей волны через среду, оптич. свойства к-рой определяются потенциалом, параметры к-рого подбираются из условия соответствия расчётных и эксперим. данных. Аналоги таких оптич. явлений, как дифракция, также обнаруживаются в рассеянии лёгких ядер (2<Z<12) на ядрах (см. Оптическая модель ядра).

Реакции под действием электронов и мюонов

Взаимодействие электронов и мюонов с ядрами носит электромагнитный характер (см. Электромагнитное взаимодействие ).Это позволяет использовать мюоны для выявления распределения заряда в ядрах, получения информации об утл. моментах, вероятностях разл. переходов, спиновых возбуждениях. Электроны могут испытывать упругое и неупругое рассеяния на ядрах. Если энергия электронов достаточна, то идут процессы выбивания протонов из ядра (е, р). Взаимодействие мюонов с ядрами происходит через захват мюона с орбиты мюонного атома. Захвату предшествуют торможение мюона в веществе и захват на далёкую мюонную орбиту. При этом образуется мюонный атом.

Реакции под действием пионов (p^-), каонов (К^-) и антипротонов (р^~)

При взаимодействии этих частиц с кулонов-ским полем ядра атома происходят их захват и образование т. н. экзотических атомов (см. Адронные атомы), а затем поглощение ядром. Изучение рентг. спектров ад-ронных атомов позволяет получить сведения как о распределении плотности заряда в ядре, так и о свойствах самих отрицательно заряженных частиц, заменивших электрон в атоме,

Реакции под действием у-квантов

Основной источник g-кван-тов - тормозное излучение ,имеющее непрерывный спектр. При энергиях g-квантов ~10 МэВ энергетич. зависимость сечения их поглощения ядром характеризуется широким максимумом (см. Гигантские резонансы). При больших энергиях идут процессы выбивания нуклонов из ядра, напр. (g, n), фрагментация нуклонов в ядре и фоторождение пионов (g, p). В делящихся ядрах с большой вероятностью идёт реакция фотоделения (g, f). В области энергий g-квантов, больших неск. десятков МэВ, фотоделение ядер становится возможным практически для всех элементов. Фотоделение ядер в области промежуточных энергий (~ 100 МэВ) практически всегда сопровождается вылетом достаточно большого числа нейтронов и лёгких ядерных фрагментов.

Реакции с тяжёлыми ионами

В случае тяжёлых ионов во взаимодействие вовлекаются большие массы, во входном канале реализуются очень большие угл. моменты, а длина волны де Бройля l мала по сравнению с характерными размерами области взаимодействия ядер. Напр., в реакции U + U при энергии налетающего иона ~7 МэВ на нуклон орбитальный угловой момент достигает 600 h, а l4•10^-13 см. Малость l означает, что с хорошей точностью можно говорить о движении взаимодействующих ядер по траектории. Ядра при этом обмениваются нуклонами, энергией, изменяют форму, что, в свою очередь, влияет на их движение по траектории. Представление о движении по траектории удобно использовать для классификации ядерных реакций с тяжёлыми ионами.

В зависимости от величины прицельного параметра b (расстояния, на котором частица прошла бы мимо центра ядра-мишени, если бы взаимодействие отсутствовало) осуществляются ядерные реакции разного типа. При больших значениях прицельного параметра сталкивающиеся ядра А₁,А₂ оказываются вне области действия ядерных сил - взаимодействие чисто кулоновское: либо упругое рассеяние, либо кулоновское возбуждение ядра .При касательных столкновениях ядер А₁, А₂ (b>=b')идут только прямые реакции (рис. а). При ещё меньших значениях b(b_кр<=b<=b')наблюдаются глубоко неупругие столкновения (рис. б). Для них характерны большая величина потерь кинетич. энергии, к-рая переходит во внутр. энергию возбуждения ядер, большие ширины массовых и зарядовых распределений. Кинетич. энергия ядер в выходном канале приближённо равна их энергии кулоновского отталкивания. Максимумы проинтегрированных по энергии и углу зарядовых распределений продуктов реакции располагаются около значений зарядов сталкивающихся ядер. Различным парциальным волнам, к-рые дают вклад в глубоко неупругие столкновения, отвечают разные времена взаимодействия и вследствие этого разные

углы отклонения налетающего ядра. Поэтому исследование корреляций характеристик реакций с угл. распределениями даёт информацию о развитии процесса во времени. При глубоко неупругих столкновениях формируется двойная ядерная система, к-рая живёт приблизительно 10^-20 с, а затем распадается на 2 фрагмента: A^*₁, А^*₂, не достигая состояния статистич. равновесия.

Рис. Классификация реакций с тяжёлыми ионами по значению
прицельного параметра b и времени протекания реакции.

При значениях b<=b_крядра сближаются настолько, что становятся возможными процессы слияния ядер (рис. в). Образовавшееся при слиянии составное ядро эволюционирует в направлении статистич. равновесия. Процесс, как правило, заканчивается или испарением лёгких частиц и образованием остаточного ядра, или делением на 2 осколка А/2. Реакции слияния перспективны в связи с возможностью синтеза в этом процессе сверхтяжёлых элементов (см. Трансурановые элементы ).Доля столкновений, ведущих к образованию составного ядра, зависит от произведения зарядов сталкивающихся ядер Z₁, Z₂. Если Z₁^.Z₂>2000, то эта доля становится малой.

При анализе ядерных реакций с тяжёлыми ядрами принято выделять реакции квазиделения. Они заполняют переходную область между глубоконеупругими столкновениями и реакциями слияния. Для продуктов квазиделения характерны полная релаксация кинетич. энергии и типичные для деления угл. распределения. Однако в отличие от реакций слияния, к-рые проходят стадию составного ядра, форма системы не успевает стать равновесной до момента развала на 2 фрагмента.

Литература по ядерным реакциям

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

Ядерные реакции