Я́ДЕРНЫЕ РЕА́КЦИИ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Я́ДЕРНЫЕ РЕА́КЦИИ, процессы, идущие при столкновении атомных ядер или элементарных частиц с др. ядрами и приводящие к изменению квантового состояния исходного ядра и/или его нуклонного состава. Также при Я. р. могут появляться новые частицы. Если эти частицы вызывают следующую Я. р. (такую же, как их породившая), возникает ядерная цепная реакция. Для осуществления Я. р. необходимо сближение сталкивающихся частиц до расстояния ок. 10–15 м между их поверхностями. Я. р. идут при сохранении системой энергии, импульса, углового момента, электрич. и барионного зарядов, лептонного числа. Чётность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции, сохраняется в Я. р., обусловленных сильным или электромагнитным взаимодействием, и не сохраняется в Я. р., обусловленных слабым взаимодействием.
Я. р. идут как с выделением, так и с поглощением энергии, определяемой дефектом массы системы до и после Я. р. Величина поглощаемой энергии определяет миним. кинетич. энергию столкновения (порог реакции), при которой данная Я. р. может протекать. Вероятность Я. р. заметно отличается от нуля при таких энергиях, при которых проницаемость кулоновского барьера ядра достаточно велика. Высота кулоновского барьера Я. р. с участием элементарных частиц и лёгких ядер мала; такие Я. р. (термоядерные реакции, радиационный захват нейтрона и др.) активно идут в звёздах и обеспечивают нуклеосинтез в природе.
Квантовое состояние сталкивающихся частиц до взаимодействия определяет входной канал Я. р.; выходной канал задаётся составом и квантовым состоянием продуктов Я. р. Вероятность реализации того или иного выходного канала связана с сечением Я. р., которое определяется перекрытием волновых функций начального и конечного состояний, а также зависит от ориентации спинов частиц. Измеряемой величиной является выход Я. р. – число зарегистрированных продуктов Я. р. с определённой массой, зарядом, кинетич. энергией, угловыми распределениями, спинами.
Осн. источником заряженных частиц, инициирующих Я. р. в лабораторных условиях, служат ускорители заряженных частиц. В ходе Я. р. также могут образовываться частицы (как заряженные, так и нейтральные), пучки которых впоследствии могут быть ускорены и использованы в Я. р. Источником медленных нейтронов и γ-квантов служат ядерные реакторы.
В Я. р. с участием π-мезонов, K-мезонов и антипротонов происходит их захват с образованием экзотических атомов, а затем поглощение частиц ядром. В Я. р., идущих под действием γ-квантов, энергетич. зависимость сечения их поглощения ядром характеризуется широким максимумом (см. Гигантские резонансы); при бóльших энергиях идут процессы выбивания нуклонов из ядра, фрагментация ядра и рождение π-мезонов (см. Фотоядерные реакции).
Я. р., в которых налетающая частица лишь касается ядра-мишени, а длительность столкновения приблизительно равна времени прохождения налетающей частицей расстояния, равного радиусу ядра-мишени (ок. 10–22 с), относят к классу прямых ядерных реакций. В прямой Я. р. налетающая частица имеет достаточную энергию, чтобы выйти из области действия ядерных сил притяжения. При меньших значениях прицельного параметра (расстояния между линией, вдоль которой движется налетающее ядро, и центром масс ядра-мишени) наблюдаются т. н. глубоко неупругие столкновения ядер, в которых значит. доля кинетич. энергии частиц переходит во внутр. энергию возбуждения ядер. В этом случае формируется т. н. двойная ядерная система, которая через 10–20 с распадается на 2 фрагмента. Между ядрами двойной ядерной системы происходит интенсивный обмен нуклонами, за счёт которого формируются зарядовое и массовое распределения продуктов Я. р. Глубоко неупругие столкновения используются для получения нестабильных нуклидов.
При дальнейшем уменьшении прицельного параметра налетающая частица (или лёгкое ядро) не покидает область взаимодействия, её кинетич. энергия постепенно распределяется среди нуклонов ядра, так что на отд. нуклоне или группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для их эмиссии из ядра. В процессе дальнейшей релаксации образуется составное ядро с временем жизни 10–14–10–18 с. Распад составного ядра не зависит от способа его образования и определяется энергией возбуждения, угловым моментом, чётностью и изотопич. спином ядра. В случае распада средних и тяжёлых составных ядер вероятность испускания нейтронов значительно превышает вероятность эмиссии заряженных частиц (вылету последних препятствует кулоновский барьер ядра). В тяжёлых ядрах с испусканием нейтронов конкурируют процессы деления атомного ядра и α-распада.
Выделяют Я. р. при низких энергиях (до 15–20 МэВ/нуклон), промежуточных (от 20 до нескольких сотен МэВ/нуклон) и релятивистских (выше сотен МэВ/нуклон). При промежуточных энергиях происходит множественное рождение частиц и новых ядер за счёт фрагментации сталкивающихся ядер. Такие Я. р. используют для получения радионуклидов, а образующиеся пучки протонов и ядер 12С – в лучевой терапии. В Я. р. при релятивистских энергиях достигаются большие плотности и темп-ры ядерной материи – в этих условиях рождаются новые частицы.