Ядерные реакции

Важнейшим инструментом исследования в ядерной физике являются эксперименты по облучению (бомбардированию) мишени, состоящей из ядер выбранного нуклида А, определенной частицей a. Налетающая частица ("снаряд") инициирует один из трех возможных видов взаимодействия: а) упругое рассеяние, в результате которого налетающая частица a изменяет направление своего движения и кинетическую энергию, ядро нуклида A получает импульс отдачи, а суммарная кинетическая энергия системы "мишень – снаряд" сохраняется постоянной; б) неупругое рассеяние, при котором налетающая частица входит в ядро, а затем она (или такая же) испускается ядром, но уже с меньшей энергией и в другом направлении; в) ядерная реакция, в результате которой частица а входит в ядро А, ядро А трансформируется в ядро B и испускается частица другого типа b. Во всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения ряда физических величин, в частности, заряда, массы-энергии, момента количества движения и др.

Ядерные реакции принято обозначать следующим образом:

(1.4)

Некоторые ядерные реакции становятся возможными, если кинетическая энергия налетающей частицы a превышает определенное пороговое значение. Пороговую энергию ядерной реакции можно рассчитать, используя релятивистские законы сохранения энергии и момента, по формуле

(1.5)

где m_A, m_a, m_B и m_b – массы покоя мишени A, налетающей частицы a и продуктов реакции B и b.

Точной законченной теории ядерных реакций, базирующейся на ядерных силах, пока не существует даже для простых ситуаций. Взамен для лучшего понимания экспериментальных данных и даже в предсказательных целях используются приближенные теории, основанные на упрощенных моделях.

Ранние трактовки феномена ядерных реакций рассматривали рассеяние падающей частицы на ядре, как целом по аналогии с рассеянием и ослаблением света кристаллическими шариками. Эта модель в настоящее время называется "оптической моделью". В ней процесс ядерной реакции представляется как взаимодействие частицы с потенциальной ямой. Она стала полезной при расчете результатов упругого рассеяния и полной вероятности реакции, но потерпела неудачу в объяснении процессов перехода из возбужденного в невозбужденное состояние и выхода продуктов реакции.

Первой моделью, оказавшейся полезной для трактовки реакций с образованием радионуклидов, явилась модель компаунд-ядра, предложенная Бором в 1936 г. На входе в ядро падающая частица поглощается, распределяя свою кинетическую энергию и энергию связи случайным образом в ядре и становится неразличимой от других нуклонов. Результирующее компаунд-ядро переходит в возбужденное состояние и нуклоны быстро обмениваются энергиями в результате большого количества столкновений внутри ядра. В силу статистических флуктуаций достаточно высокая энергия может оказаться сконцентрированной на каком-либо нуклоне или небольшом кластере нуклонов, что приведет их к испусканию из ядра. Так как маловероятно, что полная энергия возбуждения будет сконцентрирована на одном нуклоне, то возможна последовательная эмиссия из ядра нескольких частиц (протоны, нейтроны, дейтроны, альфа-частицы), каждая из которых несет долю от полной энергии возбуждения. Этот процесс похож на процесс отрыва молекул от поверхности жидкости, поэтому получил название испарения нуклонов. Модель компаунд-ядра рассматривает ядерную реакцию как два независимых шага, захват бомбардирующей частицы и последующее нуклонное испарение.

Специальным видом девозбуждения компаунд-ядра в области высоких атомных номеров является деление ядра. Спонтанному разделению тяжелого ядра на два более легких заряженных фрагмента препятствует кулоновский барьер, поэтому оно имеет место только для некоторых наиболее тяжелых ядер и идет с малой вероятностью. При делении, индуцированной внешней частицей, бомбардирующая частица вносит достаточно энергии для преодоления кулоновского барьера. Особо важное значение имеет реакция деления ²³⁵U при поглощении теплового нейтрона. В этом случае выделяется 195 МэВ энергии на один акт деления и происходит эмиссия нескольких нейтронов. Интерес для ЯМ представляют легкие фрагменты, образующиеся в результате деления, и особенно ⁹⁹Mo, ¹³¹I и ¹³³Xe.

Некоторые процессы ядерных реакций не описываются сценарием компаунд-ядра и попадают в категорию прямых взаимодействий. В этом случае налетающая частица сталкивается только с одной частицей или небольшим количеством частиц ядра, которые тут же вырываются из ядра без процесса передачи энергии другим нуклонам ядра. Важность этих реакций возрастает с увеличением энергии бомбардирующих частиц выше 40 МэВ. При начальной энергии налетающей частицы выше 100 МэВ прямое взаимодействие может привести к испусканию нуклона с такой высокой энергией, что он, в свою очередь, может вызвать реакцию прямого взаимодействия. Таким образом становится возможным большое количество последовательных нуклон-нуклонных столкновений. Некоторые из этих нуклонов вылетают из ядра, другие испытываю дополнительные столкновения в ядре. Внутриядерный каскад развивается очень быстро (~ 10^-22 с) и приводит ядро к общему возбужденному состоянию, при выходе из которого ядро может потерять еще больше нуклонов за счет испарения. Сумма этих взаимодействий называется процессом "расщепления ядра". Для ЯМ данный процесс интересен с точки зрения получения р/н ¹²⁷Xe и ⁸⁸Y.