25. Дополнительные механизмы взаимодействия ядерных частиц с веществом

• Заряженные частицы, проходя через вещество, испытывают кулоновские столкновения не только с электронами, но и с ядрами;

• Протоны, пионы и множество других заряженных частиц, кроме электронов и мюонов, начиная с энергий 20-30 МэВ, способны вступать в сильное взаимодействие с ядрами;

• При прохождении позитронов через вещество в дополнение к ионизационным и радиационным потерям возникают аннигиляционные потери за счет двухфотонной аннигиляции позитронов с электронами вещества;

• Существование излучения Вавилова-Черенкова;

• Гамма-кванты с энергией примерно от 10 МэВ и выше могут вступать в неупругое взаимодействие с ядрами, выбивая из них протоны, нейтроны и другие частицы;

• При очень высоких энергиях (1 ГэВ и выше) первичных электронов и гамма-квантов, падающих на вещество возникает новое явление – электронно-позитронные ливни, которые заключаются в распределении энергии первичного электрона или гамма-кванта между большим количеством электронов, позитронов и гамма-квантов (наподобие цепной реакции).

25. Классификация ядерных реакций

• Деление ядра

Процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном, альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты.

Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

• Ядерная реакция синтеза

Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра. Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания (Кулоновский барьер). Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10−15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.

Такие условия могут сложиться в двух случаях:

- если атомные ядра (ионы, протоны или α-частицы), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своем пути другие атомные ядра (как при столкновении частиц ионизированного газа с частицами космических лучей или при помощи вакуумных камер).

- если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе (термоядерная реакция).

• Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном, нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

25. Законы сохранения ядерных реакций

ЗСЭ:

При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc² и кинетической энергии E, поэтому:

Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q= (E₃+E₄) − (E₁+E₂) называется энергией реакции.

ЗСИ:

Закон сохранения момента импульса: Сумма спинового и орбитального моментов равны до и после).

25. Сечения и выходы ядерных реакций

Мерой взаимодействия двух частиц является эффективное сечение ядерной реакции σ. Эффективное сечение реакции определяет вероятность протекания ядерного процесса.

Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц, называется выходом ядерной реакции и определяется соотношением:

Y – выход реакции, n – концентрация ядер мишени (яд/см³), σ – эффективное сечение реакции (см²), x – толщина мишени (см), R – пробег частицы в веществе (см).

Геометрическое сечение ядра имеет порядок ~10⁻²⁴ см² = 1 барн.

25. Механизмы ядерных реакций

Характер взаимодействия налетающей частицы с ядром зависит от её кинетической энергии, массы, заряда и др. характеристик. Он определяется теми степенями свободы ядра (ядер), которые возбуждаются в ходе столкновения.

• Если налетающая частица лишь касается ядра-мишени, а длительность столкновения приблизительно равна ядерному времени, то такие ядерных реакций относят к классу прямых ядерных реакций.

- продукты прямых ядерных реакций летят преимущественно вперёд.

- вклад прямых процессов в полное сечение взаимодействия налетающей частицы с ядром-мишенью относительно мал.

- пример: неупругое рассеяние нейтронов (n, n'), реакции обмена зарядом, например, (р, n).

• Через составное ядро: Если падающая частица (например, нуклон) не покидает область взаимодействия (ядро-мишень) после первого столкновения, то она вовлекается в каскад последовательных столкновений, состояние ядра постепенно усложняется.

Далее может сконцентрироваться энергия, достаточная для их эмиссии, потом - установление равновесия в ядре и в процессе дальнейшей релаксации наступает статистическое равновесие и образуется составное ядро (компаунд-ядро).