Прямые ядерные реакции

Прямые реакции протекают без образования составного ядра за времена, равные характерному ядерному времени τ_я ≈10^-22 с. В прямой реакции налетающая частица непосредственно передает энергию какой-либо простой степени свободы ядра - однонуклонной, двухнуклонной, α-частичной, коллективной и т.д. Поясним это. Налетающая частица может совершить одно столкновение с нуклоном ядра и иметь после этого достаточную энергию, для того чтобы покинуть ядра. Это отвечает прямой реакции неупругого рассеяния частицы. Налетающая частица может в одном акте соударения передать достаточно энергии для вылета из ядра нуклона, с которым она столкнулась, или фрагменту ядра из малого числа нуклонов (например, α-частице). Это отвечает прямым реакциям выбивания нуклона или α-частицы из ядра. Наконец, налетающая частица можетодним толчком заставить ядро вращаться. Это пример прямой реакции возбуждения коллективной (вращательной) степени свободы ядра.

Прямые процессы идут на всех ядрах при любых энергиях налетающих частиц. Они вносят особенно большой вклад в сечение ядерных процессов при больших энергиях, однако могут играть заметную роль и при малых энергиях.

Прямые реакции обладают рядом характерных особенностей. Рассмотрим здесь те черты прямых реакций, которые свойственны реакциям непосредственного выбивания частицы из ядра налетающей частицей. Для определенности будем иметь в виду реакцию рассеяния нуклона - (нуклон, нуклон).

Во-первых, из того, что падающий нуклон передает свой импульс в основном одному нуклону, следует, что нуклоны должны вылетать из ядра преимущественно вперед в направлении импульса налетающей частицы. Во-вторых, из того, что падающий нуклон передает одному нуклону почти всю энергию, следует, что вылетающие из ядра нуклоны должны иметь энергии, близкие к максимально возможным. Например, в прямой реакции (n, n’) вылетающие нейтроны должны иметь угловое распределение, вытянутое в направлении вперед, и энергии, близкие к энергии падающего нейтрона.

Наконец, третьей существенной особенностью прямых процессов является то, что в них из ядра с равной интенсивностью могут вылетать как протоны, так и нейтроны, поскольку при больших энергиях вылетающих частиц влияние кулоновского барьера становится несущественным.

При энергиях порядка одного-нескольких десятков МэВ прямые процессы конкурируют с процессами, обусловленными другими механизмами, в частности, с реакциями, идущими через составное ядро.

Прямые процессы очень разнообразны. Они идут на всех ядрах при любых налетающих частицах. Вылетать из ядер могут одиночные нуклоны, пары нуклонов, дейтроны, ядра ³₂He, α-частицы и более сложные ядра лития, бериллия и т. д. В последнем случае вылетающие ядра-осколки называются фрагментами, а сам процесс - фрагментацией. Прямыми, как правило, являются также процессы столкновений, при которых из ядер вылетают элементарные частицы - пионы, каоны, гипероны и др. Наиболее изучены следующие прямые реакции:

1.Реакции (n, n), (n, p), (p, n), (p, p). Эти прямые реакции играют наибольшую относительную роль при бомбардировке ядер нуклонами с энергиями в области нескольких десятков МэВ.

2. Срыв (d,p), (d, n) и подхват (p,d), (n,d). Механизм срыва состоит в том, что дейтрон при столкновении с ядром «зацепляется» за него лишь одним из своих нуклонов. Этот нуклон поглощается, а второй свободно уходит, почти не меняя направления движения. Реакция срыва наиболее интенсивно идет на дейтронах, поскольку нуклоны в дейтроне очень слабо связаны, расположены далеко друг от друга. Реакция подхвата обратна реакции срыва: падающий на ядро нуклон вырывает из него другой нуклон.

Кроме классических реакций срыва и подхвата типа (d,p) или (p, d), изучаются также более сложные реакции этого типа, например, реакции подхвата (³₂He, α), (d, t) и т.д.

3.Квазиупругое выбивание (p, 2р), (p,pn). Если энергия падающего нуклона намного превосходит энергию связи нуклона в ядре, т. е. если Е_р> 100 МэВ, то становится возможным процесс, в котором падающий нуклон сталкивается с одним нуклоном ядра, причем взаимодействие этих двух сталкивающихся нуклонов с остальными играет второстепенную роль. Происходит как бы свободное упругое столкновение двух нуклонов, в результате которого оба нуклона вылетают из ядра. Это и есть реакция квазиупругого выбивания нуклонов.

Роль падающего протона в таких процессах может играть и другая частица, например, электрон. Такие реакции, обозначаемые (е, ер) и (е, еn), также относят к реакциям квазиупругого выбивания нуклона.

4. Прямые процессы с участием сложных частиц- тритонов, α-частиц и др. Изучались такие реакции, как (n, t), (n, ³₂Не), (n, α), (p, α), (t, α) и т.д., а также реакции с вылетом из ядра двух и большего числа сложных частиц.

5. Прямые реакции, вызываемые тяжелыми ионами, такими как углерод, азот, кислород. Под действием тяжелых ионов возможны и идут почти все типы реакций, наблюдавшиеся при облучении ядер более легкими частицами, а также некоторые реакции, специфические только для тяжелых ионов. Из этих специфических реакций наиболее изучены реакции передачи нуклона, такие как (¹⁴₇N,¹³₇N)(¹⁹₉F, ¹⁸₉F)и т.д.; реакции кулоновского возбуждения; реакции, в которых получаются ядра с очень большими (50ħ и более) угловыми моментами; реакции, в которых получаются новые изотопы с большим дефицитом нейтронов; реакции, в которых получаются новые трансурановые элементы.

6. Процессы столкновений с участием малого числа частиц, при которых рождаются новые элементарные частицы - пионы, каоны, гипероны и др.

7. Релятивистские столкновения тяжелых ионов с энергией ≥ 5 ГэВ/нуклон. Эти процессы родственны столкновению всех сильно взаимодействующих частиц высокой энергии.

При бомбардировке ядер нуклонами или другими частицами очень больших энергий (несколько сотен МэВ и выше) могут происходить «взрывы», в результате которых ядро разваливается на большое количество мелких осколков. На фотоэмульсии или на снимке в пузырьковой камере эти разлетающиеся осколки образуют многолучевую звезду. Такого типа реакции носят название процессов с образованием звезд.

Большинство прямых процессов при не слишком высоких энергиях происходит на поверхности ядра. Эта особенность прямых процессов обусловлена тем, что при не очень высокой энергии (<100 МэВ) вероятность частице пролететь через все ядро, не испытав цепочки взаимодействий и не поглотиться, мала.

Поиск по сайту: