Глава 4. Ядерные реакции §4.1.Основные понятия иклассификация

Ядерной реакцией называют процесс преобразования ядер и частиц при сближении их до расстояний ~ 10^-13см, когда вступают в действие ядерные силы. Образование новых ядер и частиц может происходить и под действием фотонов высокой энергии, т.е. под действием электромагнитных, а не ядерных сил. Этот процесс следует также отнести к ядерным реакциям, поскольку взаимодействие происходит в области ядра и приводит к его преобразованию. Если после столкновения сохраняется нуклонный состав исходных ядер и частиц, то процесс называетсярассеянием. При рассеянии происходит только перераспределение энергии и импульса между взаимодействующими объектами.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы ас ядромА, в результате чего образуется также легкая частицаbи ядроВ:

.

(4.1.1)

Здесь частица а– бомбардирующая частица, ядроА – ядро-мишень. Обычно частицы а и b представляют: нейтрон (n), протон (p), дейтон (d), α-частицу (α-), γ-квант (γ-). Существует сокращенная запись процесса (4.1.1):A(a,b)B. В скобках обычно указываются частицы с меньшей массой. Используется также запись (a,b), когда речь идет только о типе ядерной реакции безотносительно к ядру-мишени и образующемуся ядру. Например, (p,n), (α,n), (γ,p) и т.д. Первой в скобках указывают бомбардирующую частицу, а второй – частицу, возникшую в результате реакции. Начальный этап реакцииа+Аназывают входным каналом, а конечныйb+B- выходным. Реакция может протекать неоднозначно и иметь несколько конкурирующих между собой выходных каналов:

Каждый выходной канал характеризуется своей относительной вероятностьюη_i, причем, гдеη- относительная вероятность открытия входного канала. Величиныη_i и η зависят от кинетической энергии частицыа. Два нижних выходных канала в (4.1.2) представляют упругое и неупругое собой рассеяние.

Рассеяние представляет частный случай ядерного взаимодействия и может быть упругиминеупругим. При упругом рассеянии (столкновении) не изменяется структура ядер и частиц и их внутренняя энергия. В случае неупругого рассеяния изменяется структура и внутренняя энергия сталкивающихся объектов.

Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд (1919г.), бомбардируяα-частицами атомы газообразного азота:

(4.1.3)

Реакция была обнаружена по возникновению вторичных ионизирующих частиц, длина пробега которых в газообразном азоте была больше, чем у бомбардирующих α-частиц. Впоследствии эти частицы были идентифицированы как протоны.

В настоящее время известно много различных ядерных реакций, которые условно можно разделить на три большие группы (класса), и каждая из которых обладает своими характерными особенностями: 1. Реакции, идущие под действием заряженных частиц; 2. Реакции под действием фотонов высокой энергии (фотоядерные реакции); 3. Реакции под действиемнейтронов.

§4.2.Механизм ядерных реакций

Взаимодействие между бомбардирующей частицей аи ядром-мишеньюАможет осуществляться двумя различными способами. Ядерные реакции при кинетической энергии бомбардирующих частиц < 10МэВ, как правило, протекают в два этапа через промежуточную стадию образованиясоставного ядра(Бор, 1936 г.). На первом этапе реакции ядро-мишеньАпоглощает бомбардирующую частицуаи образуется составное (промежуточное, компаунд-) ядро, которое всегда сильно возбуждено на величину энергии связи частицыаотносительно составного ядра и относительной кинетической энергии частицыаи ядра-мишениА. Второй этап - распад составного ядра с испусканием той или иной частицы. Такой способ протекания ядерной реакции получил названиемеханизма составного ядра.

Реакция с образованием составного ядра может быть записана следующим образом:

(4.2.1)

где С* -возбужденное составное ядро (верхний индекс «*»означает возбуждение). Подобно процессу (4.1.2) составное ядро может также испытывать распад по различным конкурирующим каналам.

Составное ядро имеет ряд дискретных квазистационарных энергетических уровней. Ниже (§4.5) будет показано, что возможная энергия возбуждения W_ссоставного ядра равна

,

(4.2.2)

где S_а(С) -энергия отделения частицыа от составного ядра, а- кинетическая энергия этой частицы в системе центра инерции.

Поглощение частицы аи образование составного ядраСеще не означает, что произошла ядерная реакция. Тип реакции определяется способом распада составного ядра. Согласно (4.2.2) энергия возбуждения составного ядраW_c ≥ S_a(С), поэтому всегда возможен вылет той же частицы, захват которой вызвал образование составного ядра. Такой процесс называетсярезонансным рассеянием.

Составное ядро, которое имеет дискретный энергетический спектр, может оказаться в одном из возбужденных состояний только тогда, когда ему передается строго определенная порция энергии. Другими словами, если Е_i– энергия одного из возбужденных уровней составного ядра, то образование составного возбужденного ядра возможно при условии

Wc=Еi

(4.2.3)

с точностью до естественной ширины уровня (см. (3.6.15)). Поскольку S_a(С) есть постоянная величина для ядра, составленного из частицы а и ядра-мишени А, то выполнение условия (4.2.3), а следовательно, и образование составного составного ядра возможно только при строго определенных величинахв (4.2.2). При всех других значениях кинетической энергии частицыаобразование составного ядра имеет ничтожную вероятность и она будет испытывать рассеяние на потенциальном барьере ядра-мишениА. Такое рассеяние без образования составного ядра называетсяпотенциальным рассеянием. Потенциальное рассеяние значительно более вероятно, чем образование составного ядра в том случае, когда уровни расположены достаточно редко иГ <<D(см. (1.7.2)).

Однако рассмотренные выше необходимые энергетические условия образования возбужденного составного ядра не являются достаточными. Кроме энергии, каждый уровень возбуждения составного ядра характеризуется определенным значением спина I_c. Системаа + Аимеет собственный механический моментJ, определяемый спинамиI_aиI_Aчастицыаи ядра-мишениА, а также орбитальным моментомlих движения относительно общего центра инерции. Если положитьl= 0 (столкновение имеет нулевой прицельный параметр), то суммарный моментJсталкивающихся частиц будет иметь, согласно правилу (1.6.8) сложения моментов в квантовой механике, значения от |I_a - I_A| до (I_a + I_A) через единицу. Следовательно, образование составного ядра, в силу закона сохранения момента импульса (см. §4.4), даже при выполнении энергетических условий, возможно только в тех случаях, когда спинI_cодного из возможных уровней составного ядра равен одному из возможных значенийJсуммарного механического момента системыа + А. В остальных случаях будет наблюдаться потенциальное рассеяние. Случайl > 0 только увеличивает число значенийJ, но принципиально ничего не изменяет.

Факт образование составного ядра имеет экспериментальное подтверждение. Во-первых, наблюдаются т.н. резонансы (см. рис. 4.6.2.) – узкие пики на зависимости вероятности протекания реакции от кинетической энергии частиц а. Экспериментальное измерение шириныГрезонанса позволяет с помощью соотношения (3.6.15) оценить среднее время τ жизни составного ядра. Оказалось, что в ряде случаев среднее время жизни может достигать величины τ ≈ 10^-14с, которое на много порядков превышает характерное время ядерного взаимодействия, примерно равного 10^-23с(см. (1.9.17)). Второй экспериментальный факт в пользу образования составного ядра связан со сферической симметрией (изотропностью) распределения импульсов вылетающих частицbв системе центра инерции составного ядра. Энергия, вносимая в составное ядро при захвате частицыа, быстро, за время ~ 10^-22с, перераспределяется между нуклонами ядра и каждый из нуклонов имеет избыточную энергию существенно меньше средней энергии связи нуклонов в ядре. Выброс частицыbиз составного ядра возможен только в результате концентрации энергии возбуждения на одном или группе связанных нуклонов вблизи поверхности ядра, если вторичная частица состоит из нескольких нуклонов, а этот процесс длительный. Поэтому составное ядро как бы «забывает» способ своего образования и в системе центра инерции наблюдаетсяизотропноераспределение направлений вылета частицыbна втором этапе реакции при распаде составного ядра.

Когда кинетическая энергия частицы асущественно превышает среднюю энергию связи нуклона в ядре, нуклоны можно рассматривать как свободные и преобладающим механизмом протекания ядерных реакций становитсяпрямое взаимодействиеи переход от начального состояния ядра к конечному осуществляетсяпрямо,непосредственно, без промежуточной стадии образования составного ядра в течение времени ~ 10^-23с. В соответствии с этим механизмомбомбардирующая ядро-мишень А частицаанепосредственно взаимодействует с одним или группой из периферийных нуклонов ядра. Реакции прямого взаимодействия отличаются от реакций с образованием составного ядра, прежде всего анизотропным (вытянутым по направлению движения бомбардирующей частицыа) распределением продуктов реакции в системе центра инерции. Соответственно в реакциях прямого взаимодействия в энергетическом спектре вторичных частиц наблюдается больше частиц с большей энергией по сравнению с числом частиц в энергетическом спектре для механизма составного ядра.

Если кинетическая энергия частицасравнима с энергией связи отдельных нуклонов, то с определенными вероятностями могут осуществляются оба механизма.