Большая Советская энциклопедия - ядерные реакции

превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, γ-квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние Ядерные реакции 10^-13 см. Энергия налетающих положительно заряженных частиц должна быть порядка или больше высоты кулоновского потенциального барьера (См. Потенциальный барьер) ядер (для однозарядных частиц Ядерные реакции 10 Мэв). В этом случае Я. р., как правило, осуществляются бомбардировкой веществ (мишеней) пучками ускоренных частиц. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновский барьер отсутствует, и Я. р. могут протекать даже при тепловых энергиях налетающих частиц.

Я. р. записывают в виде: A (a, bcd)B, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица, в, с, d — испускаемые частицы, В — остаточное ядро (в скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — наиболее тяжёлые). Часто Я. р. может идти несколькими способами, например:

⁶³Cu (р, n) ⁶³Zn, ⁶³ Cu (р, 2n) ⁶² Zn, ⁶³ Cu (р, pn) ⁶² Cu, ⁶³ Cu (p, р) ⁶³ Cu, ⁶³ Cu (р, p') ⁶³ Cu.

Состав сталкивающихся частиц называется входным каналом Я. р., состав частиц, образующихся в результате Я. р., — выходным каналом.

Я. р. — основной метод изучения структуры ядра и его свойств (см. Ядро атомное). Однако роль их велика и за пределами физики: реакции деления тяжёлых ядер и синтеза легчайших ядер лежат в основе ядерной энергетики (См. Ядерная энергетика). Я. р. используются как источник нейтронов, мезонов и других нестабильных частиц. С помощью Я. р. получают свыше тысячи радиоактивных нуклидов, применяемых во всех областях науки, техники и медицины.

Исследования Я. р. включают идентификацию каналов реакции, определение вероятности их возбуждения в зависимости от энергии бомбардирующих частиц, измерение угловых энергетических распределений образующихся частиц, а также их Спина, чётности (См. Чётность), изотопического спина (См. Изотопический спин) и др.

Я. р. подчиняются законам сохранения электрического заряда, числа нуклонов (барионного заряда (См. Барионный заряд)), энергии и импульса. Закон сохранения числа нуклонов означает сохранение массового числа А. Я. р. могут протекать с выделением и с поглощением энергии Q, которая в 10⁶ раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при реакциях химических (См. Реакции химические). Поэтому в Я. р. можно заметить изменение масс взаимодействующих ядер. Энергия Q, выделяемая или поглощаемая при Я. р., равна разности сумм масс частиц (в энергетических единицах) до и после Я. р. (см. Относительности теория).

Эффективное сечение Я. р. — поперечное сечение, которое нужно приписать ядру с тем, чтобы каждое попадание в него бомбардирующей частицы приводило к Я. р. (см. Эффективное поперечное сечение). Эффективные сечения Я. р. (7 зависят от энергии бомбардирующих частиц, типа реакции, углов вылета и ориентации спинов частиц — продуктов реакции (σ Ядерные реакции 10^-27 — 10^-21 ). Максимальное сечение Я. р. определяется геометрическими сечениями ядер σмакс = πR², если радиус ядра R больше, чем длина волны де Бройля частицы ƛ. Для нуклонов 150 Мэв σy = 1/3 σполн, а сечение Я. р. σз = ¹/3 σполн. Т. о., ядро ведёт себя не как абсолютно поглощающая среда (в этом случае σy = σp). Угловые распределения упруго рассеянных частиц сходны с дифракционной картиной, имеется ярко выраженная направленность вперёд.

Большая энергия налетающей частицы может распределиться между многими нуклонами ядра. При этом часть из них приобретает энергию, достаточную, чтобы покинуть ядро. При взаимодействии частицы высокой энергии с ядром может развиться внутриядерный каскад, в результате которого испускается несколько энергичных частиц, а оставшаяся часть оказывается сильно возбуждённым составным ядром, которое, распадаясь, испускает частицы малых энергий. Среднее число испускаемых частиц растет с увеличением энергии первичной частицы. В ходе Я. р., кроме нуклонов, могут (с меньшей вероятностью) испускаться более тяжёлые ядерные осколки (дейтроны, тритоны, α-частицы). Я. р., в которой испускается множество заряженных частиц, образует в ядерной фотографической эмульсии многолучевую звезду. В таких Я. р. образуется большое число разнообразных радиоактивных продуктов, для исследования которых применяются методы радиохимии.

Под действием быстрых частиц наблюдают и более простые Я. р.: неупругое рассеяние (p, p'), Я. р. «перезарядки» (p, n), Я. р. «подхвата» (p, d), Я. р. «выбивания» (p, 2p) и др. Вклад этих процессов в полное сечение Я. р. невелик ( Ядерные реакции 10—20%). Реакция выбивания протона (p, 2p) оказалась очень удобной для исследования структуры ядер. Измеряя энергию вылетающих протонов, можно определить потерю энергии в Я. р. и энергию связи выбитого протона. В распределении по энергиям остаточных ядер наблюдаются максимумы, соответствующие возбуждённым уровням остаточного ядра. Энергия возбуждения этих уровней достигает 50—70 Мэв, и они соответствуют дырочным возбуждениям глубоких оболочек (см. Ядро атомное).

Кулоновское возбуждение ядер. Протоны и более тяжёлые ионы, движущиеся слишком медленно, для того чтобы преодолеть кулоновский барьер, приближаясь к ядру, создают относительно медленно меняющееся электрическое поле, которое действует на протоны ядра. В этих случаях ядро, поглощая электромагнитную энергию, переходит в возбуждённое состояние, а налетающий ион теряет часть своей энергии. Кулоновское возбуждение — одно из основных средств изучения низколежащих коллективных состояний ядер.

Я. р. под действием фогоноа и электронов. Возбуждения ядра с помощью электромагнитного поля (Фотоядерные реакции) могут осуществляться при бомбардировке их γ-квантамн. При малых энергиях γ-кванты могут испытывать только упругое рассеяние. При энергиях, больших энергий отделения нуклонов от ядра, основным процессом становится поглощение γ-кванта и испускание ядром нуклонов. При поглощении γ-квантов с энергиями в десятки Мэв, как правило, образуется составное ядро. При взаимодействии ядра с более энергичными γ-квантами большую роль начинают играть прямые процессы. Величина эффективных сечений фотоядерных реакций — десятки и сотни мбарн.

Электроны, взаимодействуя с протонами ядра, могут испытывать упругое и неупругое рассеяние, а также выбивать протоны из ядра. Исследование упругого рассеяния электронов позволило получить детальные данные о распределении электрического заряда в ядре.

Я. р. с участием мезонов, гиперонов и античастиц. В Я. р. под действием нуклонов, энергия которых больше порога рождения мезонов, возможно испускание мезонов, которые могут также вызывать Я. р. и участвовать в развитии внутриядерного каскада. Наиболее изучены Я. р. на π-мезонах. Многие Я. р., вызываемые пионами, похожи на соответствующие Я. р. под действием нуклонов, например неупругое рассеяние (π,π'), перезарядка (π+,π°), (π^-,π°) и выбивание [(π,πp), (π,πn), (π^-,πd)] и др. Однако есть др. Я. р. с участием пионов, не имеющие аналогов в нуклоно-ядерном взаимодействии. К ним относится реакция двойной перезарядки пионов (π^-,π⁺), Я. р. поглощения пионов (π⁺, 2p), (π^-, 2n). Изучение этих Я. р. позволяет исследовать корреляции нуклонов в ядре.

Я. р. с тяжёлыми ионами. Для тяжёлых ионов (Z> 2) в качестве налетающих частиц потенциальный кулоновский барьер ξ0 в Z раз больше, чем для протонов, и поэтому необходимо, чтобы энергия иона, приходящаяся на 1 нуклон ядра, превышала несколько Мэв (тем больше, чем больше Z мишени). Эффективное сечение Я. р. с тяжёлыми ионами, обладающими энергией ξ>1,2ξ0, даётся выражением: σ = πR²(1-ξ0/ξ), где